/
Автор: Слепов Н.Н.
Теги: электротехника электрическая связь связь электросвязь цифровые устройства волоконно-оптические сети
ISBN: 5-256-01516-8
Год: 2000
Текст
УДК 621.39/621.316.5
ББК 32.88
С 47
Федеральная программа поддержки книгоиздания России
Слепов Н.Н.
С 47 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи. - М.: Радио и связь,
2000. -468 с.: ил.
ISBN 5-256-01516-8.
Рассмотрены основные цифровые технологии современных глобальных сетей связи: PDH,
SDH, SONET, ATM и WDM, а также оптические и солитонные технологии связи. Описаны
основные особенности и модели указанных технологий, логические структуры фреймов,
функциональные элементы, архитектура, примеры и характеристики промышленных систем
различных компаний. Изложены вопросы синхронизации и проектирования таких сетей.
Анализируются основные особенности оптических функциональных элементов,
используемых в оптоволоконных сетях: оптических усилителей, конверторов, модуляторов и
коммутаторов, а также основные свойства, типы, параметры и маркировка промышленного
оптического волокна и волоконно-оптических кабелей.
Для широкого круга инженеров в области связи и глобальных сетевых технологий. Может
быть использована специалистами в области локальных и корпоративных сетей, желающими
расширить свои познания в этой области, а также студентами соответствующих специализаций
ВУЗов как учебное и как справочное пособие при изучении сетей связи и рассмотренных сетевых
технологий.
ББК 32.88
ISBN 5-256-01516-8
© Слепов
Предисловие
Интенсивное развитие новых информационных технологий в семидесятые годы привело к
бурному развитию микропроцессорной техники, которая стимулировала развитие цифровых ме-
тодов передачи голоса и данных, что привело к созданию не только технологий локальных сетей
(ЛВС), но и новых технологий глобальных сетей: PDH, SONET, SDH, ISDN, Frame Relay и ATM.
Если описание технологий ЛВС на русском языке появилось достаточно быстро, учитывая
их широкое распространение и организацию изучения на различных уровнях, то описание новых
технологий глобальных сетей (SONET, SDH, ISDN, ATM) появилось сравнительно недавно и в
первую очередь в научно-популярных изданиях. В целом, оно отставало от широкого внедрения
этих технологий, например, такой технологии, как синхронная цифровая иерархия SDH (СЦИ).
Интерес к технологии SDH среди связистов обусловлен тем, что эта технология пришла на
смену методам импульсно-кодовой модуляции РСМ (ИКМ) и плезиохронной цифровой иерар-
хии PDH (ПЦИ) и стала интенсивно внедряться в результате массовой установки цифровых АТС,
позволяющих оперировать потоками 2 Мбит/с, и создания региональных сетей SDH.
По новым технологиям в отечественной литературе за последние 5 лет было мало публи-
каций, см. [5,6], если не учитывать статей в основном обзорного или рекламного характера, опи-
сывающих конкретные реализации комерческих сетей. Ведомственные издания, например [12], к
сожалению, не могли заменить книжно-журнальные публикации.
В России инженеры при освоении новой технологии пользовались исключительно ориги-
нальными материалами западных фирм, полученными вместе с аппаратурой или при обучении
этим технологиям на Западе. Другим источником был оригинальный материал рекомендациий и
стандартов по данным технологиям (и в первую очередь по технологии SDH). Основные стандар-
ты, упомянутые в списке литературы, только часть того, что есть и может быть использовано.
Однако, в связи с развитием корпоративных сетей и широким использованием сетей SDH в
качестве транспортных, связывающих локальные сети передачи данных, эта технология заинтере-
совала большую аудиторию специалистов по ЛВС. Этот интерес продолжает расти и в связи с
бурным развитием технологии ATM. которая становится связующим звеном между ЛВС и сетями
SDH, учитывая совместимость ATM коммутаторов с ЛВС и возможность транспортировки ATM
потоков в сетях SDH, благодаря стандартам инкапсуляции ячеек ATM в полезную нагрузку фрей-
мов PDH и SDH иерархий.
С 1995 г. журналы “Сети” и “Сети и системы связи” начали публикацию статей с изложе-
нием основ технологии SDH [26-29] для широкого круга специалистов в области сетей, а в 1997 г.
издательство “Эко-Трендз” выпустило книгу автора “Синхронные цифровые сети SDH” [215] с
систематизированным и последовательным изложением этой технологии и ее применения для по-
строения глобальных транспортных сетей. Она пользовалась успехом у читателей, если учесть,
что с 1997 по 2000 г. разошлись ее четыре издания. Однако развитие систем SDH шло такими бы-
стрыми темпами, что за прошедшие три года во многом изменилась на только номенклатура сис-
тем SDH, но и ряд подходов в организации защиты сетей и их взаимодействие с оптическими се-
тями на основе технологии WDM. Все это потребовало переработки указанного издания.
Системы с мультиплексированием по длине волны - системы WDM - за последние три
года стремительно развивались и продолжают эволюционировать в оптические системы с воз-
можностью маршрутизации и коммутации по длине волны. Они стали использоваться не только в
связке с системами SDH (как источниками синхронного потока данных), но и реализуются само-
стоятельно (как транспортные системы для магистральной передачи массивного трафика емко-
стью до 6,4 Тбит/с), или же используют свои возможности по прозрачной передаче потоков дан-
ных, генерируемых другими технологиями (например, ATM, Ethernet, FDDI, IP, Token Ring).
Наконец, в последнее время стали широко использоваться на сетях SDH/WDM чисто оп-
тические функциональные элементы (кроме естественных для волоконно-оптических линий связи
оптических источников и приемников излучения): оптические усилители, оптические мультип-
лексоры ввода-вывода, оптические модуляторы, оптические коммутаторы и маршрутизаторы. Ис-
4
Предисловие
пользование этих элементы требует не только от разработчиков, но и рядовых инженеров, экс-
плуатирующих аппаратуру SDH, знаний в области волоконной оптики и оптических технологий. 1
Все это вместе взятое, а также желание автора дать описание других технологий, тесно
взаимодействующих с SDH/WDM, таких как SONET и ATM, привело к тому, что начав с простой
переработки материала автор фактически написал новую книгу - “Современные технологии циф-
ровых оптоволоконных сетей связи”. В ней он не только изложил основы технологий ATM, PDH,
SDH, SONET и WDM, но и дал расширенное введение в оптические сети с изложением основ оп-
товолоконной оптики, функциональных оптических элементов, параметров оптических волокон и
кабелей.
Учитывая, что при изложении такого большого и разнохарактерного материала автору
пришлось проанализировать достаточно большой фактический материал, автор заранее извиняет-
ся перед читателями за возможные опечатки и ошибки в приведенном тексте и будет признателен
всем, кто пришлет свои замечания, которые могут быть учтены в последующих изданиях. Вместе
с тем автор надеется, что эта книга поможет терпеливым читателям, и в первую очередь тем, кто
имел возможность познакомиться с его первой книгой [215], разобраться в основах новых техно-
логий, углубить свои знания в технологии SDH и двинуться дальше по пути ее активного исполь-
зования совместно с технологией WDM.
Основной материал книги состоит из тринадцати глав.
В первой главе рассмотрены основы цифровых технологий: методы мультиплексирования
данных, особенности кодирования данных в ИКМ системах, общие параметры некоторых извест-
ных типов ИКМ систем, а также технология плезиохронной цифровой иерархии PDH.
Вторая глава посвящена технологии синхронной цифровой иерархии SDH. Рассмотрены
особенности построения синхронной цифровой. иерархии, ее эволюция в процессе реализации
предложенных рекомендаций, основные элементы структуры мультиплексирования, функцио-
нальные модули, базовые топологии и основные типы архитектуры таких сетей, методы и схемы
организации защиты кольцевых топологий сети от отказов. Приведены схемные реализации и ха-
рактеристики основных типов синхронных мультиплексоров и кросс-коммутаторов, а также дан
обзор оборудования SDH основных зарубежных и российских производителей.
В третьей главе кратко рассмотрены основные особенности технологии SONET, чтобы
дать специалистам по SDH представление о сходстве и различии между технологиями SONET и
SDH, используемой в них терминологии и стандартными скоростями указанных иерархий.
В главе 4 описаны особенности фреймов, схем мультиплексирования и структур сети, а
также модельного взаимодействия и реализации радиорелейных и спутниковых систем
SONET/SDH.
В главе 5 даны основные понятия синхронизации цифровых сетей, приведены сущест-
вующие стандарты, нормы и характеристики хронирующих источников, а также оборудования,
используемого для синхронизации сетей, включая датчики ГЛОНАСС и GPS. Рассмотрена струк-
тура и приведены примеры построения сети синхронизации SDH.
В главе 6 рассмотрены: обобщенная модель управления сетью телекоммуникаций TMN,
общая схема управления сетью SDH (включая общие функции управления, протоколы, интерфей-
сы и внутрисистемные взаимодействия), практические методы управления сетью SDH (включая
управление по каналам DCC и служебным каналам), а также средства управления - элемент-
менеджер и сетевой менеджер. Кроме этого рассмотрены физические и электрические характери-
стики основного интерфейса систем SDH - G.703 и вопросы подключения такой сети к аппаратуре
пользователя.
В главе 7 рассмотрены основные элементы расчета сетей SDH и дан развернутый практи-
ческий пример эскизного проектирования ячеистой сети SDH, включающий расчет сети на основе
таблицы потоков межстанционного взаимодействия, выбор топологии и оборудования сети, а
также методы адресации и формирование схемы управления сетью и построение сети синхрони-
зации для выбранной топологии.
В главе 8 дано расширенное и систематизированное введение в технологию ATM. .
ленное в первую очередь на специалистов глобальных сетей, изучающих технологи? i
Предисловие
5
и желающих разобраться в особенностях технологии ATM и взаимодействии технологий ATM и
PDH/SDH при передачи трафика ATM по сетям PDH и SDH. Кроме этого рассмотрены техноло-
гии эмуляции локальных сетей и оптимизации соединений с использованием технологии МРОА.
Глава 9 является расширенным и систематизированным введением в оптические сети и во-
локонно-оптическую среду передачи. В ней поясняются основные оптические термины, понятия,
линейные и нелинейные эффекты среды передачи, а также приводятся характеристики и основные
свойства оптических солитонов и возможность их использования в сетях связи.
В главе 10 рассмотрены основные функциональные элементы оптических и волоконно-
оптических сетей связи: оптических усилителей, оптических кросс-коммутаторов, оптических мо-
дуляторов и волновых конверторов, а также оптических мультиплексоров ввода-вывода.
В главе 11 рассмотрены новые оптические технологии, которые уже сейчас используются
в волоконно-оптических сетях: технология WDM и солитонные системы связи. Для WDM дана
классификация систем, стандартный канальный план, технологии реализации и рассмотрена блок-
схема промышленного мультиплексора WDM. Для солитонных линий связи описаны примеры как
лабораторных, так и практически действующих линий связи.
В главе 12 приведены необходимые для инженеров понятия, термины и параметры, отно-
сящиеся к оптическим волокнам (в том числе и специальным, например, волокнам для компенса-
ции дисперсии) и кабелям, используемым на современных волоконно-оптических линиях связи
(ВОЛС), а также справочные сведения о выпускаемых на отечественном рынке волоконно-
оптических кабелях (ВОК) и их маркировке.
В заключительной 13 главе проведен краткий обзор стандартов цифровых синхронных се-
тей для всех рассматриваемых в книге технологий. Учитывая важность используемой терминоло-
гии, дан краткий обзор применяемой терминологии и обоснованы используемые автором вариан-
ты терминов с целью помочь читателям разобраться в особенностях их использования.
В книге (как и в стандартах, на которых она основана) используется большое количество
сокращений. Для удобства чтения в конце книги приведен список этих сокращений с расшифров-
кой английского эквивалента и соответствующим русским переводом. Автор полагает, что это не
только облегчит чтение книги, но и позволит лучше понимать оригинальные тексты, что в конеч-
ном счете поможет заинтересованному читателю глубже изучить рассмотренные технологии.
Для помощи читателю в последующем изучении рассмотренных технологий ATM, PDH и
SDH автор привел ссылки на последние версии (по декабрь 1999 г.) действующих стандартов.
Также с целью помочь читателям в освоении изложенного (достаточно объемного) мате-
риала, посвященного оптическим сетям, автор приводит список используемых обозначений. С
этой же целью приводится краткий толковый словарь неосновных терминов, куда включены в ос-
новном оптические и некоторые другие термины, не объясненные в основном тексте (такие тер-
мины помечены в тексте звездочкой).
Наконец автор привел довольно обширный список литературы, на которую он ссылается,
чтобы читатели смогли углубить свои познания, обратившись к оригиналам цитируемых работ.
Автор естественно (в силу ограниченного объема и общей направленности издания) не
смог достаточно полно осветить большое количество смежных вопросов, касающихся, например,
проектирования, эксплуатации и измерений параметров систем SONET/SDH, а также Оценки
показателей ошибок в этих системах, не говоря уже о системах PDH и ATM, рассмотренных
достаточно кратко и обзорно. То же можно сказать и об оптических технологиях и оптических
системах. По некоторым из указанных вопросов читатель может найти ответы в других изданиях,
например, в [260, 268, 272, 382].
Автор и Издательство надеются, что заинтересованные читатели пришлют свои замечания
и предложения на адрес редакции или автора, которые помогут улучшить содержание
последующих изданий книги.
Краткое содержание
Предисловие . . . . . . . .
Краткое содержание .........
Введение ..........
Глава 1. Введение в технику передачи цифровых сигналов и технология PDH .
Глава 2. Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH.
Глава 3. Основы синхронной технологии SONET .....
Глава 4. Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH .
Глава 5. Синхронизация цифровых сетей ......
Глава 6. Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание
Глава 7. Основные элементы расчета сетей SDH ......
Глава 8. Введение в технологию ATM .......
Глава 9. Введение в оптические синхронные цифровые сети . . . .
Глава 10. Функциональные элементы оптических сетей . . . . .
Глава 11. Новые технологии оптических сетей связи и перспективы их использования
Глава 12. Промышленные оптические волокна и кабели . . . . .
Глава 13. Стандарты и терминология синхронных цифровых сетей
Заключение ...........
Список используемых обозначений .
Список используемых сокращений . . . .
Толковый словарь неосновных терминов .......
Список литературы ..........
Оглавление ...........
Введение
С момента изобретения телефона в 1875 году, ставшего отправной точкой в развитии те-
лефонной связи, методов и технологий передачи голоса, прошло сто лет прежде чем в 1975 году
появился первый микрокомпьютер. Все это время системы связи были аналоговыми (в мире -
практически вплоть до середины 60-х, в России до середины 70-х годов) [1, 2]. До этого цифровых
систем связи практически не было, несмотря на то, что импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) бы-
ла известна с 1937 года [3], а специализированные цифровые компьютеры - с 1939 года. Импульс-
ные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х в связи с развитием радиолокации
[4], однако ИКМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрово-
го оборудования, вплоть до появления в 1959 году компьютеров второго поколения, использую-
щих транзисторы в качестве элементной базы.
Начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных было связано с
ИКМ, а именно с системами цифровой телефонии на основе кабельных (медных) сетей связи,
применяемых для передачи голоса.
Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы
мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM), считают систему компании Bell
System (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24
голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании Bell System. Ка-
ждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, а все каналы объединялись с по-
мощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1536 кбит/с (с учетом
служебного канала 8 кбит/с он приобретал скорость 1544 кбит/с).
Этот поток, благодаря последующей стандартизации, и стал известен как канал DS1 или
Т1, принятый затем в США за первый (или первичны и) уровень мультиплексирования для систем
цифровой телефонии. Это было уже время появления ЭВМ третьего поколения (IBM System 360,
1963 год), принесших с собой концепцию канала ввода/вывода с развитой системой мультиплек-
соров ввод/вывода, используемых для организации коммерческих компьютерных систем цифро-
вой передачи данных, а также локальных вычислительных сетей (LAN, или ЛВС) для объединения
компьютеров.
Однако только стремительное развитие микропроцессорной техники и технологии, заро-
дившейся в 1971 году с появлением первого микропроцессора компании Intel, сделало возможным
реальное внедрение цифровой техники в системы связи (телекоммуникационные системы) и при-
вело к широкому распространению и развитию компьютерных сетей, давших вторичный мощный
импульс развитию сетей передачи голоса и данных на основе ИКМ.
Сетевые компьютерные технологии, разработанные первоначально на основе ЭВМ общего
назначения, или мэйнфреймов, вот уже около 20 лет применяются для объединения в сеть персо-
нальных компьютеров, или ПК. Широкое использование сетевых технологий для создания LAN
стало доступно только тогда, когда производительность и функциональные возможности микро-
процессоров выросли настолько, что смогли удовлетворить высоким требованиям по управлению
сетью связи. >
Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для гло-
бальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на разви-
тие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных се-
тей - напротив, использовались, в основном, для передачи данных.
Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов, как за счет
мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов Т1, так и за счет использования более
рациональных методов модуляции, например, использования дифференциальной ИКМ и ее моди-
фикаций, позволивших применять для передачи голосового сигнала более низкие чем 64 кбит/с
(основной цифровой канал - ОЦК) скорости: 40, 32, 24, 16, 8 и 5,6 кбит/с.
Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с
разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов:
DS2 или Т2/Е2, DS3 или ТЗ/ЕЗ, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными (т.е.
8
Введение
почти синхронными) цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ), широко использовались и продолжают
использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.
Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению
в последнее время двух наиболее значительных новых цифровых технологий: синхронной опти-
ческой сети SONET (СОС), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ), иногда рассматривае-
мых как единая технология SONET/SDH, расширившая диапазон используемых скоростей переда-
чи до 40 Гбит/с. Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических
кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.
Технологии локальных сетей, ориентированных на передачу данных, а не голоса, развива-
лись не по линии уплотнения каналов, а по линии увеличения полосы пропускания каналов пере-
дачи данных, необходимой для передачи не только текстовых, но и графических данных, а сейчас
и данных мультимедиа. В результате используемые на начальном этапе развития сетевые техноло-
гии ARCnet, Ethernet и Token Ring, реализующие скорости передачи 2-16 Мбит/с в полудуплекс-
ном режиме и 4-32 Мбит/с в дуплексном режиме, уступили место новым скоростным технологи-
ям: FDDI, Fast Ethernet и 100VG-Any LAN, использующим скорость передачи данных 100 Мбит/с
и ориентированных в большей части своей также на применение ВОК. Апофеозом этого развития
стала новая технология Gigabit Ethernet, использующая скорость передачи 1 Гбит/с
Создание компьютерных сетей масштаба предприятия, а также корпоративных, регио-
нальных и глобальных сетей передачи данных, связывающих множество ЛВС, в свою очередь
привело к созданию таких транспортных технологий передачи данных, как: Х.25, ISDN (цифровая
сеть интегрированного обслуживания ЦСИО, или цифровая сеть с интеграцией служб ЦСИС) и
Frame Relay (технология ретрансляции кадров), решавших эти задачи первоначально на скоро-
стях 64 кбит/с, 144 кбит/с (узкополосная ISDN) и 1,5/2 Мбит/с соответственно.
Дальнейшее развитие этих технологий также шло по линии увеличения скоростей переда-
чи и привело к трем важным результатам:
- постепенному отмиранию (в плане бесперспективности развития) существующей еще техноло-
гии Х.25;
- увеличению скорости передачи данных, реализуемых технологией Frame Relay до скорости ТЗ
(45 Мбит/с);
- появлению в недрах технологии ISDN (а именно широкополосной В-ISDN) новой технологии
ATM (режима асинхронной передачи), которая принципиально может применяться на раз-
личных скоростях передачи (от 1.5 Мбит/с до 40 Гбит/с), причем она самостоятельно может
использоваться как технология магистральной передачи трафика (не требуя промежуточной
технологии переносчика) или может передавать свой трафик с использованием промежуточной
технологии переносчика (например, PDH, SONET/SDH или WDM) благодаря использованию
техники инкапсуляции ячеек в фреймы, виртуальные трибы или виртуальные контейнеры.
Из описанных технологий в литературе наибольшее внимание до недавнего времени уде-
лялось только технологии ATM, хотя она и не была широко распространена в России (по сведени-
ям автора и до сих пор существуюттолько изолированно функционирующие коммерческие сети
ATM или экспериментальные корпоративные сети, на которых эта технология отрабатывается). В
отличие ATM в России развернуты и полномасштабно функционируют практически в каждом ре-
гионе, начиная с 1993 года, десятки крупных сетей SDH. Технология SDH активно осваивается ре-
гионами. На ее основе происходит крупномасштабное переоборудование старой аналоговой сети
связи и относительно новой сети связи PDH России в цифровую Взаимоувязанную сеть связи
(ВСС) [137], использующую самые передовые технологии.
Использование SDH позволило резко повысить скорость передачи на сети РФ в целом, до-
ведя ее сегодня на отдельных участках до 2,5 Гбит/с, а также потенциально подготовив сеть к вне-
дрению технологии WDM. Учитывая факт внедрения систем SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с)
отдельными западными компаниями, а также то, что WDM позволит многократно (от 2 до 160 раз)
увеличить общую скорость передачи по одному волокну, не говоря о том, что далее она может
быть также многократно (от 2 до 144 раз) увеличена за счет использования многоволоконного оп-
тического кабеля, мы получим впечатляющие перспективы максимально возможного в будущем
более чем 92000-кратного увеличения пропускной способности наших кабелей, которое, в прин-
ципе доступно прямо сейчас. Весь вопрос в том, реализуются ли эти перспективы в России?
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
1.1. Особенности канала связи
Для передачи голоса или данных, рассматриваемых в общем случае как сигнал, имеющий опре-
деленные характеристики, используется канал связи определенной емкости, достаточной, что-
бы передать этот сигнал. Канал связи организуется между передатчиком и приемником. Один из
основных вопросов заключается в том, может ли (и если да, то при каких условиях) этот сигнал
быть принят без потерь. Если не может, то как он искажается при прохождении по каналу связи,
и какие характеристики канала связи являются наиболее критичными.
1.1.1. Емкость канала связи
Под емкостью канала с частотой среза fcp и удельной плотностью кодирования 1 бит/символ дво-
ичной последовательности понимается величина С = 2/ср. Если обозначить число бит/символ че-
рез п, тогда'емкость канала определится общей формулой
С = 2и/ср.
(1-1)
Если осуществляется блочное кодирование, при котором может быть использовано п
бит/символ, то каждый блок может при двоичной системе кодификации (см. ниже) обеспечить
передачу /V = 2" различимых уровней изменения сигнала. Тогда получаем, что в общем случае ем-
кость канала может быть выражена формулой
С= 2f.plog2N
(1-2)
Теорема Шеннона
Для идеального (без помех) канала Клодом Шенноном была доказана следующая теорема:
источник, генерирующий последовательность Rmi бит/с, при наличии соответствующей процеду-
ры кодирования/декодирования, может быть передан без потерь через канал емкостью С >RWCi.
Теорема Шеннона-Хартли (1948)
Для реального (с помехами в виде белого шума) канала связи Шенноном и Хартли была
доказана теорема (называемая теоремой Шеннона-Хартли), определяющая:
емкость канала с помехами, передающего сигнал от источника, обеспечивающего динамический
диапазон по мощности D = S/N, равна:
С= Wlog2 (1+D),
(1-3)
где W- полоса пропускания канала с шумом.
Отношение сигнал/шум (как мера возможных искажений сигнала}, согласно (1-3), опре-
деляет, наряду с шириной полосы пропускания, емкость канала связи или допустимую скорость
передачи сигнала. Аналоговый сигнал, непосредственно передаваемый по такому каналу, может
быть искажен по амплитуде, фазе и частоте или временному масштабу. Эти искажения являются
следствиями не только естественных, но и искусственных ограничений канала связи, например, на
динамический диапазон и полосу пропускания.
10
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
1.1.2. Стандартный телефонный канал
При передаче сигнала на дальние расстояния энергетически выгодно использовать высокочастот-
ную несущую, параметры которой модулируются передаваемым сигналом. Для передачи голоса
по каналам связи обычно используют два метода модуляции несущей: амплитудную (AM) и
частотную (ЧМ). В процессе модуляции (а это операция нелинейная) симметрично несущей /о
появляются левые и правые боковые частоты /о ± /гА/ здесь А/ - основная полоса частот, зани-
маемая сигналом. Для AM п = 1, для ЧМ п зависит от индекса модуляции и может быть принято
равным, например, 7 [1].
Полоса частот, занимаемая модулируемым сигналом (или его спектр), которая и составля-
ет в этом случае требуемую ширину полосы частот канала передачи, равна для AM - 2А/ а для
ЧМ - 14А/. ЧМ передача позволяет существенно уменьшить искажения передаваемого сигнала,
особенно в канале с паразитной амплитудной модуляцией (ПАМ) и затуханиями амплитуды, ка-
ким является радиоэфир, однако требует и существенного (в нашем случае в 7 раз) расширения
требуемой полосы частот канала связи. На это идут, если передаваемый сигнал один, как, напри-
мер, в УКВ ЧМ трансляции, которая позволяет передавать 15 кГц речевого спектра, но требует
полосы канала 210 кГц [1]. AM трансляция передает основную полосу частот - 5 кГц, требуя по-
лосы канала всего 10 кГц.
Системы связи ассоциируются у нас с системами передачи голоса или телефонной связи,
которые только в последние 20 лет (в связи с развитием модемной и факсимильной связи) стали
использоваться для передачи данных. Эти системы рассчитывались и оптимизировались для пере-
дачи речи. Из экономических соображений системы телефонной связи строились как многока-
нальные, использующие различные методы уплотнения каналов для передачи по кабелю все
большего и большего числа каналов (телефонных разговоров) одновременно. Из приведенного
выше примера ясно, что при выборе метода модуляции предпочтение было отдано AM. Более то-
го, основная полоса частот передаваемого речевого спектра была оптимизирована по индексу ар-
тикуляции (принятому равным 0.7), соответствующему уровню разборчивости слов 85-90%, и
составила 3100 Гц. Эта полоса размещалась в диапазоне 300-3400 Гц [1].
Учитывая, что указанная полоса частот должна фильтровываться реальным, а не идеаль-
ным, аналоговым полосовым фильтром, имеющим конечную крутизну спада частотной характе-
ристики в переходной полосе, было предложено использовать полосу в 4 кГц в качестве расчет-
ной ширины основной полосы стандартного телефонного канала (защитная полоса между
двумя соседними каналами при этом составляет 900 Гц).
1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)
Наряду с использованием аналоговых методов (AM), можно использовать импульсные методы
модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить
энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излу-
чаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей.
Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого
аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок - значений аналогового
сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации /Л. Она выбирается из условия воз-
можности последующего восстановления аналогового сигнала без потерь (искажений) из дискре-
тизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот.
Для сигнала с ограниченным спектром, к которому относится и сигнал стандартного теле-
фонного канала, имеющий частоту среза /Ср = 4 кГц, применима теорема Котельникова-
Найквиста, утверждающая, что: сигнал, спектр которого ограничен частотой среза /ср , может
быть восстановлен без потерь, если частота дискретизации составляет не менее /д = 2/Ср.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
11
Отсюда получаем, что для стандартного телефонного канала частота дискретизации со-
ставляет 8 кГц (т.е. выборки аналогового сигнала следуют с периодом дискретизации = 125
мкс).
Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок -
процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового) значения.
Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при
импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого
сигнала к цифровому.
Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (зако-
дировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-
цифровых преобразователей (АЦП) двоичное кодирование осуществляется непосредственно при
квантовании). Такое кодирование (в силу “занятости” термина кодирование (интерфейсное коди-
рование, линейное кодирование, помехоустойчивое кодирование и т.д.) часто называют кодифи-
кацией) дает возможность передать 128 (27) или 256 (28) дискретных уровней амплитуды речевого
сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном поряд-
ка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоич-
ный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кГц х 7 бит/выборку) в случае 7 битного кодиро-
вания или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит/выборку) в случае 8 битного кодирования.
Указанные шаги преобразования для формирования ИКМ представлены на рис. 1-1.
68
123456789
Номер выборки
Уровень квантования
70 66
Рис. 1-1. Формирование двоичного потока при ИКМ с 7-битным кодированием
Использование ИКМ (известной с 1937 г., но реализованной в системах цифровой связи
только в 1962 г.) в качестве метода передачи данных позволяет:
- для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки, присущие аналоговым методам
передачи, а именно:
• убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;
• практически убрать посторонние шумы;
• улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон передачи;
- для систем передачи данных - организовать канал передачи данных на скорости 56 или
64 кбит/с.
F
1
12
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
1.3. Методы мультиплексирования потоков данных
Первые системы телефонной связи использовали отдельные линии передачи для организации ка-
ждого канала. Идеи организации передачи нескольких телефонных каналов по одной линии или
идеи мультиплексирования были впервые осуществлены еще в 1918 с помощью механического
коммутатора.
Под мультиплексированием (связисты используют термин уплотнение) будем понимать
объединение нескольких меньших по емкости входных каналов связи в один канал большей емко-
сти для его передачи по одному выходному каналу связи. Такой канал часто называют агрегат-
ным, а трафик - агрегированным (т.е. объединенным). При реализации такого объединения теле-
фонных каналов одной из основных задач является устранение взаимного влияния соседних ка-
налов.
До последнего времени широко использовались два метода мультиплексирования:
- мультиплексирование с частотным разделением каналов (частотное мультиплекси-
рование/уплотнение);
- мультиплексирование с временным разделением каналов (временное мультиплекси-
рование/уплотнение).
1.3.1. Частотное мультиплексирование
При частотном мультиплексировании полоса частот выходного канала делится на некоторое чис-
ло полос (подканалов) п, соответствующих по ширине основной полосе стандартного телефонно-
го канала - 4 кГц. Например, на рис. 1-2 показана такая группа из четырех каналов с полосой 4
кГц, отведенной под каждый канал, и частотами, сдвинутыми на 60 кГц в результате амплитудной
модуляции поднесущих 12, 16 и 20 кГц (с подавлением левых боковых полос) и несущей 84 кГц (с
подавлением правых боковых полос), см. рис. 1-3 ниже, каналы 1, 2 и 3.
Рис. 1-2. Вид канальной группы, полученной в результате частотного мультиплексирования
Каждый канал имеет фактическую полосу пропускания 3,1 кГц, формируемую полосовы-
ми фильтрами с частотами среза, сдвинутыми на 4 кГц относительно друг друга. Например,
фильтр первого канала имеет частоты среза 60,3 и 63.4 кГц, второго - 64.3 и 67,4 кГц и т.д. При
больших уровнях сигнала в каналах защитной полосы 900 Гц между каналами недостаточно для
полного подавления сигнала соседнего телефонного канала, что приводит к возникновению пере-
крестной помехи на соседнем канале.
Для формирования канальных групп используется процедура ОБП-ПН - модуляции несу-
щей и поднесущих по амплитуде с подавлением одной боковой полосы (ОБП - левой или правой)
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
13
и подавлением несущей (ПН). Схема формирования канальных групп может быть разной. Стан-
дарт СОТТ рекомендует следующую систему группообразования [1]:
- основная канальная группа (называемая связистами первичной группой), состоящая их 12
стандартных телефонных каналов;
- основная супергруппа (называемая вторичной группой) - 5 канальных групп (т.е. 60 каналов);
- мастергруппа (называемая третичной группой) - 5 супергрупп (т.е. 300 каналов) или 10 су-
пергрупп (т.е. 600 каналов), или 16 супергрупп (т.е. 960 каналов)
В процессе группообразования может быть использовано различное число мастергрупп и
супергрупп. При этом образуются мулыпимастергруппы (называемые четверичными
группами).
Формирование основной канальной группы показано на рис. 1-3, где используется двух-
ступенчатая схема: на первой формируется группа из трех (правых) каналов ОБП - путем модуля-
ции поднесущих 12, 16 и 20 кГц, на второй - канальная группа из 12 (левых) каналов ОБП - путем
модуляции поднесущих 84, 96, 108 и 120 кГц.
Рис. 1-3. Схема формирования основной канальной группы
В результате формируется канальная группа с шириной полосы 48 кГц (60-108 кГц), кото-
рая используется для модуляции 5 несущих (420, 468, 512, 564, 612 кГц) при формировании су-
пергруппы с шириной полосы 210 кГц (312-522 кГц) и.т.д.
1.3.2. Временное мультиплексирование
Частотное мультиплексирование достаточно сложно в реализации и настройке (как и все аналого-
вые методы с полосовой фильтрацией). При использовании ИКМ наиболее удобной является схе-
ма мультиплексирования с временным разделением каналов, или, кратко, схема временного
мультиплексирования, или схема с разделением ресурсов с помощью коммутатора (на пере-
дающей стороне), который поочередно подключает каждый входной канал на определенный вре-
менной интервал (называемый “тайм-слот” или "интервал коммутации”, или “цикл”), необхо-
димый для посылки выборки (т.е. импульсного сигнала с амплитудой, равной мгновенному значе-
нию входного сигнала в момент взятия выборки) в канал связи.
14
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
Сформированный таким образом поток выборок от разных входных каналов (АИМ-сигнал
- математически «решетчатая функция») направляется в канал связи. На его приемной стороне
демультиплексор с помощью аналогичного коммутатора выделяет отдельные выборки и распре-
деляет их по соответствующим каналам. Поток выборок в каждом канале фильтруется с помо-
щью фильтров нижних частот (ФНЧ), восстанавливающих исходный аналоговый сигнал.
В этой схеме важно то, что коммутаторы на передающей и приемной сторонах должны ра-
ботать синхронно, т.е. должны быть синхронизированы. Сх£ма временного мультиплексирования
выборок приведена на рис.1-4.
Рис. 1-4. Обобщенная схема временного мультиплексирования
Для реализации временного мультиплексирования в телефонных сетях коммутатор должен
обращаться с периодом, равным периоду дискретизации Тд, тогда интервал коммутации канала
Д/к = TjjJ п, где п - число входных каналов мультиплексора, или Д/к = 125 / п [мкс]. Если мульти-
плексируются 24 канала, то Д/к = 5,208(3) мкс, если 32 канала, то Д/к = 3,90625 мкс. Однако вве-
денное понятие интервала коммутации как фиксированной величины верно только условно. На
практике при использовании синхронизации эта условность выражается в том, что сам процесс
коммутации информационных каналов может оказаться неравномерным.
Действительно, для синхронизации коммутаторов должен использоваться определенный
синхроимпульс или его цифровой аналог (например, последовательность вида "I I ...I I” соответст-
вующей длины). Если он передается по какому-то внешнему каналу управления, то рассмотренная
схема идеального мультиплексирования абсолютно верна, если же используется внутриканальная
синхронизация, то процесс синхронизации сводится к вставке дополнительного, так называемого
синхронизирующего (выравнивающего), бита или группы бит после т выборок, либо организа-
ции более сложной повторяющейся структуры в потоке выборок, включающей, например, т вы-
борок и к полей определенной длины или выравнивающих бит.
Эта структура может быть разной, но она фиксирована для конкретной схемы кодирования
ИКМ и носит название кадр или фрейм (frame), в терминологии связистов "цикл". Несколько
фреймов могут объединяться в общую структуру - мультифрейм (multiframe), в терминологии
связистов "сверхцикл".
Период повторения фрейма - это время, требуемое на один полный цикл коммутации с
учетом времени вставки выравнивающей группы бит. Пример его вычисления при наличии вы-
равнивающеей группы бит, рассмотрен более подробно в 1.4.2.
Другим непривычным моментом в схеме временного мультиплексирования (по сравнению
с аналогичной схемой, используемой и в компьютерных системах) является наличие в поле вы-
Глава 1 Основы технологии передачи цифровых сигналов 15
борки бита сигнализации, уменьшающего разрядную сетку выборки на один бит (с 7 до 6 или с 8
до 7), либо использование для целей сигнализации целых интервалов коммутации или тайм-
слотов. Более подробно см. 1.4.2.
1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных
При использовании систем цифровой телефонии для передачи данных на входе мультиплексора
нет речевых сигналов, которые нужно дискретизировать и квантовать, а есть уже сформирован-
ный поток двоичных данных. Для него схема временного мультиплексирования может быть кон-
кретизирована. Она практически совпадает с процедурой мультиплексирования в компьютерных
системах.
Итак, на входе мультиплексора имеются и входных двоичных последовательностей (про-
исхождение которых не обязательно связано с механизмом формирования выборок), поэтому
коммутатор мультиплексора может последовательно отбирать из каналов любую логически ос-
мысленную для данной сетевой технологии последовательность бит, составляя из них выходную
последовательность. Этот процесс называется интерливингом (interleaving), или чередованием.
Различают следующие виды интерливинга:
• бит-интерливинг (или чередование битов) - на выход последовательно коммутируется по од-
ному биту из каждого канала;
• байт-интерливинг (или чередование байтов) - на выход последовательно коммутируется по
одному байту из каждого канала;
• символьный интерливинг (или чередование символов) - на выход последовательно коммути-
руется по одному символу (один ниббл или поле длиной 7 бит (ASCII код - Американская вер-
сия), или поле длиной 8 бит - байт или октет (ASCII код - международная версия) из каждого
канала;
• блок-интерливинг (или чередование блоков) - на выход последовательно коммутируется по
одному блоку (который может быть длиной в несколько байт или может быть полем целократ-
ным другому стандартному формату) из каждого канала.
Ясно, что длина битового интервала на выходе мультиплексора уменьшается пропорцио-
нально коэффициенту мультиплексирования. Схема временного мультиплексирования четырех
двоичных потоков данных входных каналов 64 кбит/с показана на рис. 1-5.
Оцифрованные
при байт-интерливинге
речевые каналы —
64 кбит/с, 4 байта
Рис. 1-5. Временное мультиплексирование потока данных по схеме с байт-интерливингом
16
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
Для примера выбран вариант байт-интерливинга, где в используемых обозначениях: 1 /а, -
1/d, 4/а 4/d - цифры 1, 2, 3, 4 соответствуют номерам каналов, а индексы: a, b, c,d - номерам
байт. Стрелкой указано направление потока бит.
1.3.4. Волновое мультиплексирование
Наряду с временным мультиплексированием, широко используемым в цифровых системах связи,
в оптических системах связи в последнее время стал использоваться метод мультиплексирова-
ния с разделением по длине волны, часто называемый также волновым мультиплексированием.
Этот метод в настоящее время получил широкое распространение в оптических системах переда-
чи в связи с распространением технологии WDM (см. п. 11.1).
Суть метода волнового мультиплексирования заключается в объединении нескольких оп-
тических несущих 2/ (на передающей стороне) и передаче полученного сигнала 27 Д- по одному
волокну с последующим выделением (демультиплексированием) отдельных несущих, например,
путем их фильтрации с помощью фильтров Ф„ не приемной стороне.
Рис. 1-6. Схема волнового мультиплексирования/демультиплексирования
Волновое мультиплексирование играет ту же роль, что и мультиплексирование с час-
тотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем передачи данных. По этой причине
системы с WDM часто называют системами оптического мультиплексирования с частотным
разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей эти технологии (FDM и OFDM) существенно
отличаются друг от друга. Их отличие состоит не только в использовании оптического (OFDM)
или электрического (FDM) сигнала. При FDM используется механизм AM модуляции с ОБП и
выбранной системой несущих и поднесущих, модулирующий сигнал которых одинаков по струк-
туре, так как представлен набором стандартных голосовых каналов. При OFDM механизм моду-
ляции, необходимый в FDM для сдвига каналов, вообще не используется, а несущие генерируются
отдельными источниками (лазерами), сигналы которых просто объединяются мультиплексором в
единый многочастотный сигнал.
Каждая составляющая (несущая) такого многочастотного сигнала принципиально может
передавать поток цифровых сигналов, сформированный по законам различных сетевых техноло-
гий. Например, одна несущая формально может передавать трафик ATM или гигабитного
Ethernet, другая SDH, третья PDH и т.д. Единственное, что нужно для этого, модулировать несу-
щие цифровым сигналом в соответствие с передаваемым трафиком и иметь интерфейс для сиг-
налов данной сетевой технологии.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
17
1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах
1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности
Рассмотрим простой пример дискретизации в системе ИКМ с п-канальным мультиплексирова-
нием, внутриканальной синхронизацией (осуществляемой путем вставки синхрогруппы из к бит
после т фреймов) и симметричного линейного квантования с числом уровней /. Для примера вы-
берем п=4, к=4, т=2, 1=8. Условимся, что мгновенное значение сигнала изменяется в интервале
(-4,+4). Пример иллюстрируется рис. 1-7.
| 1111)0100]1O11]OO111101110100|0000|0000|1001|1111|0010|000111011|OO1O |
F 1 2 3 4 1 234F1 2 34
1-------Синхронизация мультифрейма------1
Рис. 1-7. Практический пример мультиплексирования в ИКМ системе
Для компактности все процессы дискретизации, квантования, кодификации, мультиплек-
сирования и синхронизации (выравнивания) показаны на одном рисунке.
ИКМ система последовательно выполняет следующие стандартные функции:
- дискретизации сигнала в каждом из четырех каналов (к1 - к4) с частотой /д (конкретное зна-
чение не играет роли) в последовательные нормированные моменты времени 0 (к1), 1 (к2), 2
(кЗ), 3 (к4), 4 (к1) и т. д. При отсутствии выравнивания выборки берутся периодически с пе-
риодом дискретизации 4 единицы, например, для к1 - в моменты: 0, 4, 8, 12, ... , для к2: 1, 5, 9,
13,... и т. д., что соответствует фрейму, состоящему из 4 тайм-слотов;
- квантования выборок сигнала каждого канала, т.е. отображение непрерывного множества
значений амплитуд выборок а из интервала (-4,+4) на дискретное множество из 8 уровней
квантования, либо 0. 1, ..., 7 - одностороннее (несимметричное) отображение (однополярный
сигнал), либо, например, -3, -2, ..., +4 - двустороннее (симметричное с точностью до уровня)
отображение (двухполярный сигнал);
- двоичного кодироваиииия, или кодификации (см. термин в 1.6.) квантованных значений. При
схеме кодирования', знак-номер уровня и 8 уровнях квантования достаточно 4 бита на выборку:
1 знаковый бит и 3 бита на формирование двоичного номера уровня (2J = 8). Используем про-
стой алгоритм отображения множеств, или алгоритм кодификации', если п-1 < а < п, тоа = п
для всех а. Следовательно, если а = 3.55, а значит 3 <а<4, то « = 4, а если а = -0.78, а значит -1
< а < 0, то а = 0. В результате требований симметричности квантования, получаем поток бит,
показанный на рис. 1-7, где -3 ~ 1011, ..., 0 ~ 0000, ... ,+4 — 0100;
- мультиплексирования каналов по схеме: объединение 4 каналов на входе в один канал на вы-
ходе - 4:1 - т.е. с чередованием выборок отдельных каналов для создания потока бит выходного
канала. Без учета синхронизации процесс мулышил^кемаования создает регулярный поток
2-48
/*"уС***-'; ’
18
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
фреймов, состоящих из четырех выборок. Его регулярность нарушается необходимостью син-
хронизации (выравнивания), которая при внутриканальной синхронизации сводится к вставке
синхрогруппы после т фреймов - этот процесс называется синхронизацией {выравниванием)
фрейма. Для выравнивания по нашей схеме необходимо сформировать мультифрейм - струк-
туру состоящую из двух фреймов, что еще больше осложняет процесс мультиплексирования;
синхронизации фрейма (а точнее мулътифрейма) - эта функция осуществляется путем форми-
рования и вставки легко идентифицируемой синхрогруппы “11 И” (не используемой в процессе
кодификации) после двух регулярных фреймов, для чего выделяется один дополнительный
тайм-слот. В результате на приемной стороне происходит синхронизация приемника с передат-
чиком, а повторяющаяся структура - результирующий мультифрейм - принимает вид: 8 вы-
борок + синхрогруппа = 9 тайм-слотов. Можно ввести также понятие результирующий фрейм
- формальный параметр, равный 9/2=4,5, показывающий, что период повторения регулярного
фрейма изменился с 4 до 4,5 тайм-слотов.
Из этого ясно, что мультиплексирование осуществляется '"регулярно в среднем”, с перио-
дом повторения 4,5 слота, формируя за цикл один результирующий фрейм. Физически же инфор-
мационные выборки формируются нерегулярно. Например, выборки в к1, берутся теперь в мо-
менты времени 0, 4, 9, 13, 18, 22, 27, и т.д.
Общий вид четырех входных сигналов, с выборками, взятыми последовательно в моменты
времени 0, 1, 2, 3, и т. д., и их квантованные значения, полученные в результате кодификации, с
учетом выравнивания, показаны на рис. 1-7. Сформированный таким образом поток бит, приведен
в нижней части рисунка.
На приемной стороне происходит демультиплексирование указанной последовательности
так, что в канал к1 попадут только квантованные кодифицированные выборки, взятые в моменты:
О, 4, 9, 13, 18, 22, ... . Из них затем (если нужно) и будут восстановлены с помощью фильтрации
фильтрами нижних частот (ФНЧ) исходные аналоговые сигналы.
1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования
Для цифровых систем, как и для аналоговых, существуют шумы канала связи и шумы, возникаю-
щие в процессе преобразования сигнала, а значит
шение сигпал/шум и динамический диапазон.
Специфическими для цифровых систем
являются шумы квантования. На рис. 1-8, на-
пример, показана разность между идеальным и
реальным преобразованным сигналами - иска-
жение, квалифицированное как шум, возни-
кающий при линейном квантовании. Неприят-
ной особенностью является то, что амплитуда
искажений не зависит от амплитуды сигнала,
ухудшая условия передачи сигналов низкого
уровня. Ясно, что для уменьшения искажений
нужно увеличивать число уровней квантования,
но, в отличие от звуковых Hi-Fi систем, где мо-
гут использоваться 16, 20 и 24 бита на выборку,
в цифровых системах связи выше 8 бит на вы-
борку практически не используют, чтобы не
увеличивать максимально необходимую ско-
и к ним применимы такие понятия, как отио-
Ошибка
квантования
Рис. 1-8. Выходной сигнал и шум квантования
при линейной кодификации
рость передачи.
Для улучшения ситуации используют
методы нелинейного двоичного кодирования
при квантовании {нелинейной кодификации).
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
19
Они идейно основаны на методах компандерного расширения динамического диапазона
при передаче по каналу связи с ограниченным динамическим диапазоном, используемых в анало-
говых системах (например, в системах магнитной записи). В них на входе системы сигнал сжима-
ется с помощью компрессора до уровня, приемлемого для передачи по каналу связи, а на выходе
из канала связи сигнал с помощью эспандера (осуществляющего расширение или обратное пре-
образование) восстанавливается (см. рис. 1-9).
Для реализации такой схемы нелинейной кодификации, достаточно выбрать требуемую
степень компрессии и закон нелинейного преобразования, а затем решить проблему аппроксима-
ции функции, соответствующей выбранному закону преобразования.
Входной
сигнал
Выходной
сигнал
Линейный кодер ИКМ
Линейный декодер ИКМ
Рис. 1-9. Схема компандерной системы с компрессором и эспандером
Для нелинейных (прямого и обратного) преобразований входа/выхода идеально подходит
пара ехр(х) - 1п(х). Ее и апроксимируют затем по методу близкому к линейной неравномерной
адаптивной аппроксимации, оптимально выбирая число и наклон прямолинейных аппроксими-
рующих сегментов. В результате получают некий закон, который, будучи стандартизован, исполь-
зуется в коммерческих системах. Используются два таких закона для симметричного входного
сигнала: A-закон (параметр А) и p-закон (параметр ц), ниже х - вход, у - выход:
A-закон: y=sgn(x)[z/(l+lnA)], где z-A /х /для 0<х<1/А или z=l+lnA /х / для (1/А)</х /<1;
р-закоп: y=sgn(x)[ln(l+p | х | )/1п(1+ц)].
A-закон (А=87.6) используется в европейских системах ИКМ и дает минимальный шаг
квантования 2/4096, ц-закон используется в американских системах ИКМ (D1 с ц=100 и D2 с
ц=255), давая минимальный шаг квантования 2/8159 (см. ITU-T Rec. G.711 [30]). Указанный под-
ход позволяет добиваться отношения сигнал/шум (С/Ш) 30 дБ в динамическом диапазоне 48 дБ,
что соответствует эквивалентной схеме кодирования с 13 битами на выборку.
1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем
Существует несколько реализаций ИКМ систем, признанных в качестве стандартных:
- Т1 (AT&T, США, 1962), позднее названная Bell D1 - 24-канальная система с выходным пото-
ком Т1 = 1544 кбит/с;
- D2 (Bell, США) - 24-канальная система, описана в ITU-T Rec. G.733 [31];
- U.K. (Великобритания) - 24-канальная система с выходным потоком 1536 кбит/с;
- СЕРТ (Европа) - 30-канальная система с выходным потоком Е1 = 2048 кбит/с, описана в ITU-T
Rec. G.732 [32].
Параметры этих систем сведены в табл. 1-1.
Указанные в таблице параметры практически не требуют дополнительных объяснений.
Укажем только их некоторые их особенности.
Системы типа Bell D1 (как модификация системы Т1) до сих пор существуют в северной
Америке в силу большой распространенности в прошлом. Эти 4-х проводные системы использу-
ются и для передачи цифровых данных со скоростью 56 кбит/с по основному цифровому каналу
2* ' '
20
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
(ОЦК), начало такого сервиса было положено компанией AT&T (видимо не раньше 1973 г., после
внедрения тарифа “267”), предложившей услуги Dataphone Digital Service [1].
Система Bell D2 в отличие от D1 более продвинута: использует 8 бит на выборку в пятер-
ках (1-5 и 7-11) фреймов и 7 бит в 6-ом и 12-ом фреймах, редуцируя закон кодификации при пере-
ходе с 8- на 7-битное квантование (позволяет передавать данные со скоростью 64 кбит/с по ОЦК).
Система использует выравнивание мультифреймов (состоящих из 12 фреймов) и допускает сигна-
лизацию по общему каналу. В силу широкого распространения в северной Америке, Японии и
юго-восточной Азии, система была стандартизована комитетом CCITT [31].
Таблица 1-1. Параметры основных существующих стандартных систем ИКМ
Параметры Bell D1 Bell D2 U.K. СЕРТ
Частотйый диапаЖйЦцвь:, 300-3400 300-3400 300-3400 300-3400
Частота'ДискДтййциЖГц^ 8000 8000 8000 8000
КвантованйёвйМИ 7 8 (5x8/1 х7) 7 8
Кодификациятбит® 6/1 7/1 6/1 7/1
Число тайм-слотоВда/фрфйм ” 24 24 24 32
Число бйт (+ Тбйт)ш,фрейм л » 193=192+1 193=192+1 192+0 256
Число фреймов на.мультифрёйЖ - 12 4 16
Число каналов на фрейм“ 24 24 24 30
Выходной поток,, кбйт/сЖ 1544 1544- 1536 2048
Емкость ОЦК, кбйт/ёЖ|йВЖИ 64 64 64 64
Поток данных на кёйал/кбйт/с ® 56 64 56 64
Закон кодификации* ,, значение параметров,цф/W».^ ц-закон ц=100 ц-закон ц=255 А-закон А=87,6 А-закон А=87,6
Возможность внутрикананальной сигна-4 лизации ,,, 1 бит/канал 8 кбит/с 1 бит/6 каналов 1,33 кбит/с 1 бит/2 кана-ла 4 кбит/с отдельный слот 2 кбит/с
Сигнализация по общему,, каналу :“/*Ж,э*®' не преду- смотрена вместо внутрика- нальной, 4 кбит/с не преду- смотрена отдельный слот 64 кбит/с
Английская система, как и D1, использует 7-битное кодирование, но выравнивание осуще-’
ствляет по мультифрейму, состоящему из 4 фреймов, что позволяет обойтись без 193-го бита (от-
сюда скорость 1536 кбит/с). Система использует европейский закон кодификации (с 1968 г.), что
важно для целей совместимости, и позволяет передавать данные со скоростью 56 кбит/с по ОЦК.
Практически вытесняется системой СЕРТ.
1.4.4. Система СЕРТ. Форматы фрейма и мультифрейма
Система СЕРТ начала развиваться с начала 70-х годов. Она целиком базировалась на двоичных, а
не на двоично-десятичных эквивалентах (как три предыдущие). В результате была выбрана 8-
битная схема кодификации и 32 (а не 24) канала для первичного уровня мультиплексирования.
Один из каналов (тайм-слот 0) целиком используется для синхронизации (выравнивания
фреймов) и передачи системного статуса, второй (тайм-слот 16) - для организации канала сигна-
лизации - 64 кбит/с. Число фреймов в мультифрейме также кратно 2 и зависит от типа сигнализа-
ции. При внутриканальной сигнализации используется 16 фреймов на мультифрейм, при исполь-
зовании общего канала сигнализации - 2 фрейма на мультифрейм. Схема выравнивания проста и
кратна 2: 8 бит на фрейм при выравнивании фрейма и 8 бит на 16 фреймов для выравнивания
мультифрейма.
Система СЕРТ фактически стала доминирующей не только в Европе, но и в мире (более
подробно рассмотрена в рамках технологии PDH, разд. 1.5).
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
21
1.4.5. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале
Сформированная в результате мультиплексирования и выравнивания цифровая двоично-
кодированная ИКМ последовательность подается в канал связи, на входе которого, как правило,
используется устройство сопряжения с каналом, или интерфейсный блок, и собственно передат-
чик.
Учитывая, что канал, как среда передачи, может быть электрическим, оптическим или ра-
диоканалом, полученную последовательность приходится еще, по крайней мере, дважды переко-
дировать для оптимизации ее прохождения через интерфейс (интерфейсное кодирование) и ли-
нию связи (линейное кодирование). Два других вида кодирования: помехоустойчивое кодирова-
ние для обнаружения и исправления ошибок, возникающих в процессе передачи, а также шифро-
вание данных, передаваемых такой последовательностью, здесь не рассматриваются.
Поток бит, полученный в результате квантования и двоичного кодирования (кодифика-
ции), оптимален только с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но непригоден для пе-
редачи по каналу связи по ряду причин, основные из которых следующие:
• выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу свя-
зи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхрони-
зации, передаваемого в канале, особенно в случае восстановления потерянного синхронизма;
• спектр сигнала имеет значительную долю низкочастотных составляющих, которые могут
интерферировать с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала;
• спектр содержит большую постоянную составляющую, усложняющую фильтрацию напря-
жения сети питания.
Для оптимизации спектра сигнала, подаваемого в линию связи, используется так называе-
мое линейное кодирование. Оно должно обеспечить:
• минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних часто-
тах;
• информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, лег-
ко выделяемой на фоне непрерывной части спектра;
• достаточно узкополосный непрерывный спектр для передачи сигнала через канал связи без ис-
кажений;
• малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи;
• минимально возможные длины блоков повторяющихся символов (“ I ” или “0”) и диспаритет-
ность (неравенство числа “1” и “0” в кодовых комбинациях).
Для двоичного кодирования число уровней входного сигнала т = 2, а число уровней вы-
ходного сигнала п может быть 2 (двухуровневое кодирование) или 3 (трехуровневое кодирова-
ние). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным, или сим-
метричным (+1,-1), а трехуровневое - однополярным (+2, +1,0) и двухполярным (+1, 0, -1).
Например, оптические линии связи требуют однополярных методов кодирования, тогда
как электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные мето-
ды кодирования.
В различных методах кодирования “1” может быть представлена положительным прямо-
угольным импульсом на полную или на половинную длину двоичного интервала, или переходом с
“+1” на “0” или ”-1” (ступенькой вниз) в центре интервала, а “0” - соответствующей длины отри-
цательным импульсом, или отсутствием импульса, или обратным переходом с ”-1” или “0” на
“+1” (ступенькой вверх) в центре интервала.
Для ограничения длины блоков повторяющихся символов типа “11...11” или “00...00” ис-
пользуется инверсия (“обращение” или незапланированное (преднамеренное) изменение) поляр-
ности импульсов регулярной кодовой последовательности, обозначаемая ниже буквой “V”. На-
ряду с инверсией иногда используются вставки (дополнительные символы определенной поляр-
ности, обозначаемые ниже буквой В), позволяющие сохранить паритет кодовой комбинации.
22
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
Алгоритмы кодирования в большинстве случаев просты и могут быть описаны словесно,
однако исчерпывающее описание дается направленным графом состояний, описывающим множе-
ство всех возможных состояний и переходов из одного в другое.
На рис. 1-10 приведены некоторые линейные коды и использованы такие обозначения:
а) - исходная двоичная последовательность - взята из примера, приведенного на рис. 1-7;
б) - однополярный код без возвращения к нулю - NRZ;
в) - двухполярный NRZ или симметричный телеграфный код;
г) - двухполярный код с возвращением к нулю - RZ;
д) - код с поразрядно-чередующейся инверсией - ADI;
е) - код с чередующейся инверсией на “1 ” - AMI;
ж) - код с инверсией кодовых комбинаций - CMI;
з) - двухполярный двухуровневый код Миллера;
и) - биполярный код высокой плотности порядка 3 - HDB3;
к) - однополярный эквивалент кода HDB3 в оптической линии связи.
Рис. 1-10. Примеры линейного кодирования в канале связи
Ниже приведены расшифровки сокращений и краткие определения алгоритмов формиро-
вания кодов, используемых в практике цифровой связи:
1Ь2Ь - широко используемый частный случай класса блочных кодов (см. ниже mbnb), в кото-
ром 1 бит исходной ИКМ последовательности длительностью Т кодируется комбинацией
из 2 бит длительностью Т/2 (относительная скорость передачи в канале связи при этом
возрастает в 2 раза). К этому классу (из приведенных нами) относятся коды CMI и
Миллера.
ADI - Alternate Digit Invertion code - двоичный код с инверсией полярности сигнала на каждом
втором двоичном разряде (не важно, какой он: “1” или “0”); в результате формируется
двухполярный двухуровневый код.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
23
AMI - Alternate Mark Inversion code - двоичный код RZ с инверсией на каждой ”1”, может быть
получен из кода ADI путем инверсии каждой четной “1”; в результате формируется двух-
полярный трехуровневый код.
B3ZS - Bipolar with 3 Zero Substitution code - биполярный код с подстановкой альтернативных
блоков вместо блоков из трех “0”, т.е. вместо блока “ООО” происходит подстановка блоков
“00V” или “B0V” для сохранения паритета - аналог кода HDB2 (см. ниже).
B6ZS - Bipolar with 6 Zero Substitution code - биполярный код с подстановкой альтернативных
блоков вместо блоков из 6-ти “0”, т.е. вместо “000000” блоков “0VB0VB”.
B8ZS - Bipolar with 8 Zero Substitution code - биполярный код с подстановкой альтернативных
блоков вместо блоков из 8-ми “0” , т.е. вместо “00000000” блоков “000VB0VB”.
CMI - Coded Mark Inversion code - двухуровневый без возвращения к нулю двоичный код клас-
са 1Ь2Ь с инверсией полярности кодовой комбинации на полный интервал на каждой “1”
(т.е. каждой “1” ставится в соответствие либо комбинация “11”, либо “00”) и изменением
полярности в середине каждого интервала “0” (т.е. каждому “0” ставится в соответствие
дипульс “01”).
HDB2 - High-Density Bipolar code of order 2 - двухполярный код высокой плотности порядка 2 -
код RZ с инверсией на “1” (аналогичен AMI), в котором каждый блок “000” заменяется на
блок “00V” или “B0V”, где В - вставка импульса “1” выполняемая так, чтобы число В им-
пульсов между последовательными V импульсами было нечетным. В результате формиру-
ется трехуровневый код.
HDB3 - High-Density Bipolar code of order 3 - двухполярный код высокой плотности порядка 3 -
код с инверсией на “1”, в котором каждый блок “0000” заменяется на блок “000V” или
“B00V” , где В - вставка импульса “1” выполняемая так, чтобы число В импульсов между
последовательными V импульсами было нечетным. В результате формируется трехуров-
невый код.
mbnb - общее обозначение класса блочных кодов - где т - длина (в битах) блоков, на которые
разбивается исходная ИКМ последовательность, а п - соответствующая им длина (в битах)
блоков, составленных из кодовых символов. Среди них достаточно широко используется
класс 1Ь2Ь (см. выше).
NRZ - Non Return to Zero code - основополагающий двухуровневый код без возвращения к пу-
лю, может быть как двуполярным, так и однополярным.
RZ - Return to Zero code - основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю.
Miller code - двуполярный двухуровневый код Миллера класса 1Ь2Ь, имеющий множество со-
стояний {00, 01, 10, И}, переходы между которыми описыва-
ются графом, приведенным на рис. 1-11. Например, для приве-
денной на рис. 1-10 исходной последовательности
1101101000000 ... порождаемые графом кодовые комбинации
имееют вид: 11 10 00 01 10 00 01 11 ..., а сам процесс генерации
(перехода из состояния в состояние) имеет вид:
(1)-»П (УУ^Ю (О)-»00 (1)-»01 (О)-»00 (1)-»W (0)-»77
ит. д.
Рис. 1-11. Граф формирования кода Миллера
Нужно заметить, что указанные коды могут быть использованы и как интерфейсные, и как
линейные коды. В электрических линиях связи интерфейсные и линейные коды могут совпадать, в
оптических, как правило, нет в силу невозможности непосредственного использования биполяр-
ных кодов для оптической несущей в волоконно-оптическом кабеле (ВОК). Например, при ис-
пользовании биполярного интерфейсного кода HDB3 в оптических линиях связи могут использо-
ваться коды CMI, MCMI (модифицированный CMI) или код типа mbnb, либо использоваться его
оптические аналоги, например, однополярный эквивалент кода HDB3 (см. 1-10,к). Более подробно
о линейном кодировании в каналах связи см. например, в [33, глава 5].
24
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
1.5. Цифровые иерархии и технология PDH
Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в сетях связи, как известно, с переходом
от аналоговых к цифровым методам передачи данных, основанным на мультиплексировании с
временным разделением каналов и технологии представления сигнала с помощью ИКМ.
При использовании цифровых методов мультиплексор (типа п:1) формирует, как известно,
из п входных цифровых последовательностей одну выходную, состоящую из повторяющихся
групп - по л одноименных блоков (состоящих из бит, байт или полей длиной в несколько байтов),
сформированных за п временных интервалов (именуемых “тайм-слотами”). Мультиплексор тео-
ретически должен при этом обеспечить скорость передачи данных порядка я х v, где v - скорость
передачи данных одного входного канала, предполагаемая одинаковой для всех каналов.
Если в качестве входного используется сигнал основного цифрового канала ОЦК (или
DS0), имеющего скорость передачи 64 кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа п:1
можно теоретически формировать цифровые потоки данных со скоростями пх64 кбит/с. Так, для
системы Bell D2 мы бы имели повторяющуюся группу длиной 24x64 кбит/с = 1536 кбит/с, а для
СЕРТ - 30x64 кбит/с = 1920 кбит/с. К этой повторяющейся группе добавляются группы бит, необ-
ходимых для осуществления синхронизации, сигнализации, контроля ошибок (CRC). В резуль-
тате чего группа приобретает структуру фрейма. В системе Bell D2 для этого добавляется 8
кбит/с, что превращает группу 24x64 кбит/с во фрейм Т1 (1544 кбит/с). В системе СЕРТ добавля-
ются 2 тайм-слота по 64 кбит/с, что превращает группу 30x64 кбит/с во фрейм Е1 (2048 кбит/с).
Если считать этот уровень мультиплексирования первичным в схеме последовательного,
каскадного, мультиплексирования вторичного, третичного и т.д. уровней, использующих муль-
типлексоры типа т:1, 1:1, к:1..., то можно сформировать различные иерархические наборы циф-
ровых скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют довести процесс мультип-
лексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число кана-
лов ОЦК (или DS0) на выходе, путем выбора различных коэффициентов мультиплексирования п,
m, I, к, ... для последовательных каскадов схемы мультиплексирования.
1.5.1. Схемы плезиохронных цифровых иерархий - PDH
Три такие иерархии были разработаны в начале 80-х годов. Они получили общее название: плези-
охронные цифровые иерархии - ПЦИ (или PDH).
В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного
цифрового канала ПЦК (DS1), порожденного первым уровнем мультиплексирования, была при-
нята скорость Т] = ] 544 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования п = 24) и два-
дцать четыре ОЦК по 64 кбит/с можно было использовать для передачи голоса или данных.
Во второй, принятой в Японии, в качестве скорости ПЦК использовалась та же скорость
1544 кбит/с.
В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве скорости ПЦК была приня-
та скорость 2048 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования п = 30) и тридцать
ОЦК по 64 кбит/с (основной формат) использовались для передачи голоса и данных. Два допол-
нительных тайм-слота (0 и 16), как указывалось выше, предназначались (в основном формате) для
организации каналов по 64 кбит/с для синхронизации (0 тайм-слот) и сигнализации или управле-
ния (16 тайм-слот).
В ряде случаев для передачи голоса и данных оказалось допустимым использовать и 16
тайм-слот (в качестве 31 канала), в этом случае можно говорить о другом (дополнительном) фор-
мате фрейма Е1, при котором для синхронизации и сигнализации используется только 1 канал (0
тайм-слот). Дополнительный формат, позволяя увеличить информационную емкость канала в це-
лом, может привести к нестыковке форматов фреймов (из-за использования различных методов
сигнализации) на разных участках сети и должен использоваться очень осторожно.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
25
Первая иерархия
Она была порождена скоростью DS0, давала последовательность каналов вида: DS1 - DS2
- DS3 - DS4 или последовательность скоростей с номинальными значениями в виде ряда: 1544 -
63 12 - 44736 - 274176 кбит/с (как правило, цитируется ряд приближенных величин 1,5 - 6 - 45 - 274
Мбит/с). С учетом скорости DS0 (одинаковой для всех трех иерархий), указанный ряд скоростей
соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, т=4, 1=7, к=6. Эта иерархия по-
зволяет передавать соответственно: 24, 96, 672 и 4032 канала DS0. Ее мы будем называть ниже
американской системой (АС) иерархии.
Здесь и ниже DS0 - DS4 - будут называться цифровыми каналами 0-го, 1-го, 2-го, 3-го и 4-
го уровней иерархии. В терминологии, используемой в связи, это соответственно: основной циф-
ровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК),
третичный цифровой канал (ТЦК) и четверичный цифровой канал (ЧЦК).
Вторая иерархия
Она была порождена скоростью DSO, давала последовательность каналов вида: DS1 - DS2
- DSJ3 - DSJ4 - DSJ5 или последовательность скоростей: 1544 - 6312 - 32064 - 97728 - 397200
кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1,5 - 6 - 32 - 98 - 397 Мбит/с), что. с учетом скоро-
сти DS0, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п=24, т=4, 1=5, k=3, i=4. Ука-
занная иерархия позволяет передавать соответственно: 24, 96, 480, 1440 и 5760 каналов DS0. Эту
иерархию мы будем называть ниже японской системой (ЯС) иерархии.
Здесь DSJ3 - DSJ5 мы будем называть цифровыми каналами 3-5-го уровней Японской ие-
рархии PDH. Формально, по терминологии, используемой в связи эти каналы должны называться
третичными, четверичнылт и пятеричными каналами ЯС.
Третья иерархия
Она была порождена также скоростью DS0, давала последовательность каналов вида: Е1 -
Е2 - ЕЗ - Е4 - Е5 или последовательность скоростей: 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 - кбит/с
(ряд приближеннх величин составляет 2 - 8 - 34 - 140 - 565 Мбит/с). что соответствует ряду коэф-
фициентов: п=30 (31), т=4, 1=4, k=4, i=4. (т.е. после и коэффициент мультиплексирования в этой
иерархии выбирался постоянным и равным 4). Указанная иерархия позволяет передавать соответ-
ственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DS0, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-
30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д. Эту иерархию мы будем называть ниже европейской системой (ЕС)
иерархии.
Указанные иерархии, известные больше под общим названием илезиохроиные цифровые
иерархии, сведены в табл. 1-2 (затенены используемые, по не стандартизованные значения).
Таблица 1-2. Три системы цифровых иерархий: американская (АС), японская (ЯС) и европейская (ЕС)
Уровень цифровой иерархии Скорости передачи, соответствующие различным системам цифровой иерархии, кбит/с
АС яс ЕС
0 (основной) - 64 64 64
1 (первичный) 1544 1544 2048
2 (вторичный) 6312 6312 8448
3 (третичный) 44736 32064 34368
4 (четверичный) 274176 97728 139264
5 (пятеричный) , ' /397200. 564992/
Параллельное развитие трех различных систем иерархии объективно мешало развитию
глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T, или
МСЭ-Т, были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был
разработан стандарт [13], согласно которому:
26
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
- во-первых, в качестве базовых были стандартизованы три (не считая основного) первых уровня
AC (DS1-DS2-DS3), четыре первых уровня ЯС (DS I-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре первых уровня
Е (El-Е2-ЕЗ-Е4), а также указаны схемы кросс-мультинлексирования иерархий (взаимного
перехода из одной иерархии в другие), например, из ЕС иерархии в АС иерархию (с первого на
второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), а также из ЯС иер.т'хни
третьего уровня) в ЕС иерархию (на четвертый уровень), как показано на рис. 1-12. где коэф-
фициенты мультиплексирования проставлены на линиях связи блоков, представляющих скоро-
сти передачи;
- во-вторых, последние уровни первой, второй и третьей систем иерархии (274, 397 и 565
Мбит/с соответственно) не были рекомендованы в качестве стандартных;
- в-третьих, была сохранена ветвь 32064 - 97728 кбит/с (приближенно 32 - 98 Мбит/с) в ЯС ие-
рархии, т.е. уровни DSJ3 и DSJ4, соответствующие уровням DS3 и DS4 в АС иерархии и ЕЗ и
Е4 в ЕС иерархии. Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню ЕЗ, что облегчает кросс-
мультиплексирование с третьего уровня (DSJ3) на четвертый (Е4).
Х3()\
\ Е1
1 2,048 MourcJ^
DS2 DSJ3 DSJ4 DSJ5
Е2 ЕЗ , ! Е4
> 8.448 Мбит/с |^‘*>| 34,368 Мбит/с | 139,264 Мбиг/с |j—>|
I
\
._Л5_______________
564,992 Мбпт/с 1
Рис. 1-12. Схема мультиплексирования (—) и кросс-мультиплексирования (- - -) в американской (АС),
европейской (ЕС) и японской (ЯС) цифровых системах иерархии
Работы по стандартизации иерархий, как в Европе, так и в Америке, имели два важных по-
следствия:
- разработка систем плезиохронной цифровой иерархии (PDH или ПЦИ);
- разработка системы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH или СЦИ).
1.5.2. Общие особенности систем PDH
Наличие стандартных скоростей передачи и фиксированных коэффициентов мультиплексирова-
ния дало возможность на практике не только по-отдельности использовать три схемы мультип-
лексирования - АС, ЯС и ЕС (последнюю часто называют СЕРТ или ETSI/CEPT), но и обеспечить
их взаимодействие.
При формировании первичного уровня иерархии использовалась схема мультиплексиро-
вания с байт-иитерливиигом (чередованием байтов/октетов). В результате этого сформирован-
ный фрейм должен был бы иметь длину кратную байту. Однако добавление синхронизирующих и
сигнализирующих бит нарушало эту кратность не только на уровне фрейма, но даже на уровне
мулыпифрейма (например, в системе D2, где длина фрейма Т1 равна I93 битам, а 12-фреймового
мультифрейма Т1 = 2316 битам, см. табл. 1-1; только длина 24-фреймового мультифрейма Т1 ока-
залась кратна 8 - 4632 бита).
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
27
Кроме того, при использовании каскадного мультиплексирования даже при достаточно
жесткой, но локальной, синхронизации входных последовательностей, подаваемых на мультип-
лексор от разных абонентов/пользователей при приеме/передаче, приходится (для целей общей
синхронизации цифровых потоков) выравнивать (синхронизировать) цифровые последовательно-
сти перед мультиплексированием, добавляя выравнивающие биты (т.е. осуществляя так называе-
мую процедуру стаффинга) к входным цифровым последовательностям. Все это приводит к то-
му, что, начиная с формирования вторичных цифровых каналов (и далее), приходится использо-
вать схему мультиплексирования с бит-интерливингом (чередованием бит, а не байтов), что, с
учетом процедуры стаффинга, делает невозможным идентификацию байтов каждого канала в об-
щем потоке уже после второго уровня мультиплексирования.
С учетом добавленных для разных целей бит мультиплексор, например, второго уровня,
формирует выходную цифровую последовательность, имеющую фактическую скорость 6312
кбит/с для АС и ЯС иерархий, а не теоретически рассчитанную - 4x1544=6176 кбит/с (при этом
поток управления в расчете на один информационный канал составляет уже 1,417 кбит/с, а не
1,333 кбит/с, как это было на первом уровне мультиплексирования).
Для ЕС иерархии ситуация обратная: фактическая скорость на втором уровне равна 8448
кбит/с, а не 4x2048=8192 кбит/с, т.е. общий поток управления составляет 256 кбит/с или в пере-
счете на канал - 2,133 кбит/с, а не 4,266 кбит/с, как было на первом уровне. Аналогично для
третьего уровня мультиплексирования имеем фактическую скорость 34,368 Мбит/с, а не
4x8448=33,792 Мбит/с (общий поток управления вырос до 576 кбит/с. но в пересчете на канал со-
ставляет только 1,2 кбит/с), а для четвертого уровня 139,264 Мбит/с вместо 4x34368=137.472
Мбит/с (общий поток управления вырос до 1792 кбит/с, но в пересчете на канал составляет только
0.933 кбит/с).
Приведенные примеры показывают, что относительная величина управляющего заголовка
для PDH (так называемый overhead) относительно мала и уменьшается с 6,67% до 1,46%.
Итак, на верхних уровнях иерархии используется внутренняя побитовая синхронизация,
при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков, например, путем добав-
ления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями пере-
дачи.
Это наиболее простой вариант, характерный для международных процедур стаффинга, на-
зывается положительным выравниванием, хотя могут использоваться и другие варианты, когда
выравнивание скоростей осуществляется путем изъятия бит из каналов с большими скоростями
(этот вариант называется отрицательным выравниванием), или сочетаются оба процесса добав-
ления/изъятия, что используется в российских вариантах процедур стаффинга. Благодаря этому на
выходе' мультиплексора формируется синхронизированная цифровая последовательность.
Информация о вставленных/изъятых битах передается по каналам управления, формируе-
мым отдельными битами в структуре фрейма в рамках общего потока управления (см. ниже). На
каждом последующем уровне мультиплексирования эта схема повторяется, добавляя новые вы-
равнивающие биты. Эти биты затем удаляются/добавляются при демультиплексировании на
приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс
передачи получил название плезиохроиного (т.е. почти синхронного), а цифровые иерархии АС,
ЕС и ЯС получили соответственно название плезнохроиных цифровых иерархий ПЦИ (PDH).
Кроме синхронизации, на уровне мультиплексора второго порядка также происходит фор-
мирование фреймов и мультифреймов, которые позволяют структурировать последовательность в
целом. Е1апример, для канала Т2 (6312 кбит/с) длина фрейма равна 789 бит при естественном со-
хранении частоты повторения фрейма 8000 Гц. Мультифрейм соответствует 12 или 24 фреймам.
Для канала Е2 (8448 кбит/с) длина фрейма равна или 848 бит (согласно G.742, [10]), или 1056 бит
(согласно G.704, [15]), см. ниже, при этом мультифреймы не используются.
Формирование фреймов и мультифреймов и их выравнивание особенно важно для локали-
зации па приемной стороне каждого фрейма, что позволяет в свою очередь получить информацию
о сигнализации, аварийных ситуациях и кодовых комбинациях избыточных кодов CRC, позво-
ляющих обнаруживать ошибки в принятых фреймах.
28
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
В АС используется стандартно два уровня мультиплексирования - 1,5—>6 и б—>45 плюс
один возможный дополнительный 45—>140 для сопряжения с ЕС. В ЯС используются три уровня
мультиплексирования - 1,5—>6, б—>32 и 32-->98 плюс один возможный дополнительный 32—>140
для сопряжения с ЕС. В ЕС стандартно используются три уровня мультиплексирования - 2—>8, 8—
>34 и 34—>140 плюс дополнительный 140—>565. Эта схема показана карие. 1-13.
Рис. 1-13. Схема мультиплексирования европейской системы PDH иерархии
1.5.3. Структура фрейма и мультифрейма первичного уровня иерархии PDH
Ниже более подробно будет рассмотрена структура фреймов только для ЕС иерархии. Рассмотрим
первичный уровень El - 2048 кбит/с. Структура фрейма Е1 определена в стандарте ITU-T Rec.
G.704 [15].
Три основных параметра, определяющих структуру фрейма, нам уже известны:
- длина фрейма - 256 бит (32 байта);
- частота повторения фрейма - 8000 Гц (период повторения 125 мкс);
- число тайм-слотов - 32 (длина тайм-слота - 1 байт, или 8 бит).
32 тайм-слота нумеруются от ТО до Т31. Собственно структура фрейма определяется
функциональным назначением тайм-слотов, а также внутренней битовой структурой тайм-слотов
7'0 и Т16, которые могут содержать управляющую информацию.
В структуре фрейма, как отмечалось выше, различают два формата: основной и дополни-
тельный. В обоих форматах тайм-слот ТО используется для целей синхронизации (выравнивания)
и обнаружения ошибок путем контроля четности на основе процедуры CRC-4. Тайм-слот Т16 в
основном формате используется для сигнализации типа (см. ниже). Остальные 30 тайм-слотов:
Т1-Т15 иТ17-Т31 являются информационными. В дополнительном формате может использовать-
ся внешняя сигнализация, поэтому остается 31 тайм-слот (с Т1 по ТЗ1), которые используются как
информационные.
Для передачи сигнализации 30 или 31 каналов во фрейме Е1 стандартом предусмотрены
два типа сигнализации:
- CAS - покапально-связаппая сигнализация, при которой для целей сигнализации служит 16
тайм-слот каждого фрейма; при этом для передачи информации используется 30 тайм-слотов;
- CCS - сигнализация в общем канале, при которой для целей сигнализации может использо-
ваться или внешний канал (например, так называемый канал D-channel емкостью от 2.4 до 64
кбит/с, организуемый и передаваемый отдельно), или любой (кроме ТО) незанятый канал
(тайм-слот).
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
29
Ясно, что 16 бит тайм-слотов ТО и Т16 недостаточно для решения всех задач синхрониза-
ции, управления и сигнализации для 30 каналов. Поэтому для решения этих задач объединяют 16
фреймов, организуя новую структуру мультифрейм. В результате для синхронизации, сигнализа-
ции и контроля ошибок потока Е1 используется распределенное поле 16x8=108 бит тайм-слотов
ТО (для обоих форматов), а для сигнализации CAS поле 16x8=108 бит тайм-слотов Т16 (для ос-
новного формата). Принимая во внимание, что фреймы в мультифрейме нумеруются otFO до F15,
а биты в ТО от 1 до 8 (слева направо), можно представить структуру распределенного поля управ-
ления в виде табл. 1-3 размера 16x8:
Таблица 1-3. Назначение бит тайм-слотов ТО мультифрейма первичного уровня
CRC SMF F # Тип фрейма Биты тайм-слотов TO мультифрейма
1 2 3 4 5 6 7 8
1 0 FAS С1 0 0 1 1 0 1 1
1 NFAS 0 1 RAI Sa41 Sa51 Sa61 Sa71 Sa81
2 FAS C2 0 0 1 1 0 1 1
3 NFAS 0 1 RAI Sa42 Sa52 Sa62 Sa72 Sa82
4 FAS СЗ 0 0 1 1 0 1 1
5 NFAS 1 -1 RAI Sa43 Sa53 Sa63 Sa73 Sa83
6 FAS C4 0 0 4 i ; o i 1
7 NFAS 0 1 RAI Sa44 Sa54 Sa64 Sa74 Sa84
II 8 FAS С1 0 0 1 1 0 1 1
9 NFAS 1 1 RAI Sa41 Sa51 Sa61 Sa71 Sa81
10 FAS C2 0 0 1 1 0 1 1
11 NFAS 1 RAI Sa42 Sa52 Sa62 Sa72 Sa82
12 FAS СЗ 0 0 1 1 0 1 1
13 NFAS Е-бит 1 RAI Sa43 Sa53 Sa63 Sa73 Sa83
14 FAS С4 0 0 1 1 0 1 1
15 NFAS Е-бит 1 RAI Sa44 Sa54 Sa64 Sa74 Sa84
Рассмотрим структуру табл. 1-3, в ней использованы следующие обозначения:
CRC SMF 1,11 - 1 и 2 субмультифреймы - SMF, структуры по 8 фреймов каждая, содержащие
полные наборы (4 бита) CRC-4 (С 1, С2, СЗ, С4); CRC-4 - процедура избыточного кодирования
(см. ниже), использующая порождающий полином 4 порядка для формирования контрольной
суммы блока, равного длине SMF; позволяет обнаруживать ошибки, используя всего 4 допол-
нительных бита на всю длину SMF;
FAS - четные фреймы, содержащие, кроме бита #1 CRC-4, стандартную "горизонтальную" би-
товую последовательность (биты #2 - #8): 0011011, называемую сигналом синхронизации (вы-
равнивания) фрейма - FAS, или синхрословом, используемым для синхронизации Е1-
последовательности.
NFAS - нечетные фреймы, называемые фреймами, не содержащими сигнала синхронизации (вы-
равнивания) - NFAS. В этих фреймах второй бит всегда 1 и используется в схеме синхрониза-
ции фрейма.
RAI - бит индикации аварийного состояния на удаленном копие систем PDH.
Е-бит - бит сигнализации об ошибке принятой последовательности субмультифрейма SMF.
Sa4-Sa8 - резервные биты, из которых биты Sa4-Sa8 могут быть использованы для целей монито-
ринга PDH систем с топологией "точка-точка" [136]; бит Sa4 может быть использован для сиг-
нализации в системах передачи сообщений, в этом случае при каждом изменении его состояния
должен быть пересчитан CRC-4; биты Sa5-Sa7 могут быть использованы для управления в рам-
ках национальных систем PDH, если они не использованы для целей мониторинга топологий
"точка-точка" выше; наконец, один из этих бит можно использовать для передачи статуса син-
30
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
хронизации в системах PDH-SDH (см. ниже). Биты Sa4-Sa8 устанавливаются в состояние "1" на
участках пересечения национальных границ.
Указанные выше 216 битовых позиций дают возможность осуществить ряд функциональ-
ных задач управления системами PDH, основные из них следующие.
Формирование синхронизации PDH последовательности.
В мультифрейме, представленном в виде матрицы 16x256 бит, первые 8 бит каждых двух строк
формируют восьмикратно повторяющийся шаблон вида:
хООПОП
xlxxxxxx, который на мультифрейме выглядит 8-зубчатой гребенкой, зубья которой -
битовые сипхрослова (0011011) фреймов FAS, связанные "вертикальной" последовательно-
стью (0101010101010101). Отслеживая этот шаблон, можно судить о том, является ли данный
мультифрейм выровненным, т.е. синхронизированным, предотвращая ложную синхронизацию,
которая могла бы быть вызвана фрагментом сигнала, случайно совпадающим с синхрословом,
если факт синхронизации устанавливался бы на уровне фрейма по одному синхрослову.
Формально факт отсутствия синхронизации в соответствии с [9] регистрируется после приема
3 таких шаблонов с ошибками подряд, однако это требует длины в 48 фреймов, поэтому могут
быть использованы три другие способа [9]:
1 - регистрация ошибочного сигнала синхронизации мультифрейма по CRC (требует длины
12 фреймов, см. ниже),
2 - превышение порогового числа ошибок по CRC-4, 3 - регистрация трех последовательных
ошибок при приеме "1" в бите 2 нечетных фреймов шаблона из двух фреймов (форма которого
приведена выше).
Этот метод дает самую раннюю диагностику, так как реализуется на длине 6 фреймов.
Формирование поканальпо-связапной сигнализации типа CAS.
CAS использует 16-е тайм-слоты мультифрейма Е1, где под сигнализацию каждого канала вы-
делено 4 бита: a, b, с, d (см. таблицу ниже), причем так, что Т16 фрейма F0 содержит собствен-
но сигнал выравнивания мулынифрейма MFAS (0000) и последовательность sAss, где s - ре-
зервные биты, а А - бит индикации аварийного состояния на удаленном конце, а Т16-тайм-
слоты 1-15 фреймов содержат abed-пиры для двух каналов 1 и 16, 2 и 17, ... , 14 и 29, 15 и 30
каналов, где нумерация 1-15 каналов соответствует нумерации тайм-слотов Т1-Т15, а 16-30 -
нумерации тайм-слотов Т17-Т31. При этом нужно отметить следующее:
1 - каждый бит a,b,c,d эквивалентен каналу сигнализации 500 бит/с (все вместе - каналу емко-
стью 2 кбит/с),
2 - если для сигнализации используется только бит а, то биты bed должны формировать комби-
нацию "101", 3 - запрещено использовать комбинацию abcd-бит "0000".
F0, Т16 F1.T16 F2.T16 F15, Т16
OOOOsAss abed abed abca abed — abed abed
1 канал 16 канал 2 канал 17 канал — 15 канал 30 канал
Формирование сигнализации типа CCS.
CCS использует 16-е тайм-слоты фрейма для организации канала сигнализации емкостью от 8
до 64 кбит/с.
Формирование аварийной сигнализации AIS.
A1S осуществляется путем установки "I” в битах RAI (биты 3 в NFAS), при этом регистриру-
ются следующие типы AIS: слишком высокий уровень битовых ошибок (BER), слишком много
кодовых ошибок (CRC), потеря фреймовой синхронизации (LOF). Кроме этого фиксируются
следующие ошибки: потеря сигнала выравнивания мулынифрейма (LOM) - бит 6 фрейма F0,
Т16, устанавливается на “1”; потеря входного сигнала 2048 кбит/с - поток ”1” встраивается во
входной поток; потеря Т16 - входного сигнала 64 кбит/с - Т16 заполняется “1”.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
31
В рамках ISDN фиксируются такие виды потерь как: потеря сигнала (LOS), потеря сиихрони-
зации/выравниваиия фрейма (LFA), потеря сетевого питания (LOP). Эта сигнализация осуще-
ствляется путем формирования 4-битного кодового слова, составленного из бит Sa6: Sa6|, Sa62,
Sa63, Sa64. Кроме того бит Sa5 используется для указания направления передачи и индикации
установки шлейфа для кольцевой проверки линии связи. Все сигналы аварийной сигнализации
передаются в направлении противоположном направлению основного потока, т.е. от прини-
мающей стороны к передающей стороне.
Формирование сигнализации о статусе синхронизации.
Сигнализация осуществляется путем формирования 4-битного (1 ниббл) кодового слова, со-
ставленного из бит San: Saiii, San2, San3, San4, где n=4,5,6,7,8 выбирается производителем с уче-
том уже используемых AIS. Слово умещается в рамки одного SMF, причем Sail] соответствует
MSB (самому старшему значащему разряду). Это слово полностью соответствует аналогично-
му слову - сообщению о статусе синхронизации (SSM) систем SDH, содержащемуся в битах
5-8 байта S1. Его содержимое характеризует следующие уровни качества синхронизации
(QL), представленные в таблице ниже (представлены только те комбинации, которые исполь-
зуются в стандарте, остальные считаются резервными).
QL 0 2 4 8 11 15
San1,2,3,4 0000 0010 0100 1000 1011 1111
Источник синхронизации Неизвестен G.811 SSU-A (G.812-T) SSU-B (G.812-L) SETS не исполь- зовать
Источник G.811 относится к классу PRC (см. гл. 6), SSU-A, SSU-B - блок узловой синхрониза-
ции типа А (то же, что и G.812-Transit) или В (то же, что и G.812-Local). SETS - хронирующий
источник синхронного оборудования (то же, что и G.813).
Мониторинг уровня ошибок.
Мониторит системы осуществляется в результате выполнения CRC-4 процедур, которые сво-
дятся к подсчету контрольных сум при передаче и приеме и их сравнении. Процедура CRC-4
формирует 4-битную контрольную сумму для каждого субмулыпифрейма SMF (его длина рав-
на 2048 бит: 32 тайм-слота по 8 бит в 8 фреймах), размещая ее в битах Ct, С2, С3, С4 (см. табл.1-
3) следующего SMF, т.е. CRC SMF,, размещается в С, SMFn+i. Если при сравнении на приеме
контрольные суммы не совпадают, то соответствующие Е-биты устанавливаются на 1 (исходно
они установлены на 0), сигнализируя об ошибке. Более подробно процедура CRC-4 (порож-
дающий полином, процедуры кодирования и декодирования описаны в [9, 15]).
Столбец с битами CRC-4 используется также для формирования сигнала выравпива-
ния/сипхропизацпп мультифрейма no CRC вида "001011", который формируется первыми
битами первых б нечетных фреймов мультифрейма. Этот сигнал также используется в схеме
проверки факта потери синхронизации фрейма по мультифрейму.
1.5.4. Структура фреймов верхних уровней ЕС иерархии PDH
Рассмотрим структуру фреймов второго и более высоких уровней ЕС иерархии PDH. В общем
случае она зависит от используемой схемы реализации стаффинга, или выравнивания: положи-
тельное, отрицательное или положительно-отрицательное. Ниже мы ограничимся только
схемами с положительным выравниванием, как рекомендованным для использования на между-
народных сетях (при необходимости ознакомиться со схемами положительно-отрицательного вы-
равнивания см. G.745, G.753, G.754 [344-346]).
На сегодня существуют два стандарта, регламентирующие структуру и параметры фрейма
второго уровня Е2: общий (основанный на схеме бит-интерливинга) - G.742 [10] и специализиро-
32
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
ванный (основанный на схеме байт-интерливинга) - G.704 [15] и один стандарт (основанный на
схеме бит-интерливинга) G.751 [261], регламентирующий параметры для третьего ЕЗ и четвертого
Е4 уровней иерархии.
1.5.4.1. Структура фреймов второго уровня ЕС иерархии PDH
Фрейм па основе стандарта G. 742 с бит-иитерливингом.
Мультиплексированная структура фрейма Е2 (8448 кбит/с) использует в качестве трибов (муль-
типлексируемых компонентных сигналов) четыре потока Е1 в соответствии со схемой на рис. 1-
13. Однако при мультиплексировании применяется схема бит-интерливинга, поэтому роль тайм-
слота играет не байт (как было при формировании Е1), а бит. Длина одного фрейма принята рав-
ной 848 бит (а не 4x256=1024 бит, как можно было бы предположить, используя схему формиро-
вания Е1) [10].
Структура фрейма Е2 (представлена в виде матрицы 4x212 бит в табл. 1-5) формируется из
4 строк-наборов, каждый из которых, имея одинаковую общую длину 212 бит, состоит из разных
по длине информационного и управляющего полей. В отличие от Е1, в Е2 не предусмотрены
структуры мультифреймов и субмультифреймов. Рассмотрим структуры составляющих наборов.
Управляющее поле первого набора состоит из сигнала синхронизации фрейма
(1 111010000 - первые 10 бит), бита сигнализации аварийного состояния на удаленном конце
(RAI - 11-й бит) и резервного бита, используемого для национальных нужд (S-bit - 12-й бит).
Управляющие поля 2-4 наборов состоят из одинаковых последовательностей, состоящих
из четырех бит управления выравниванием: JC1, JC2, JC3, JC4, формируемых для четырех муль-
типлексируемых трибов. Эти биты образуют матрицу-клетку 3x4 (строки-наборы (2, 3, 4) х столб-
цы-биты (1, 2, 3, 4) в табл. 1-5) и управляют процессом выравнивания - вставки дополнительных
бит, или стаффинга, т.е. сдвигом одного трибного потока бит на один бит вперед (нами рассмат-
ривается схема положительного выравнивания) по отношению к другим трибным потокам.
Возможность сдвига на один бит в рамках одного фрейма длиной 848 бит позволяет при
общей скорости потока 8448 кбит/с проводить синхронизацию (выравнивание) скоростей отдель-
ных трибов в пределах до (1 /848)х8448=9,962 кбит/с (примерно 10 кбит/с - параметр, указанный в
[Ю]).
Сама процедура выравнивания осуществляется так: если все элементы столбца JCi матри-
цы-клетки нулевые (или 2 элемента из 3 нулевые - используется мажоритарная логика), то соот-
ветствующий элемент JBi (в управляющем поле набора 4) считается информационным элементом
триба Ti, если нет (т.е. если 3 или 2 из этих элементов единичные), то элемент JBi считается би-
том выравнивания/стаффинга, сдвигающим на один бит вперед всю последовательность /-го
триба.
Информационное поле наборов представлено (кроме фантомных бит JBi набора 4) повто-
ряющимися в результате мультиплексирования 4-битными блоками Т1-Т2-ТЗ-Т4, состоящими из
бит (тайм-слотов) Т1, Т2, ТЗ, Т4.
Описанная структура фрейма использется в подавляющем большинстве систем PDH раз-
личных производителей, хотя некоторые старые отечественные системы использовали схему
фрейма, основанную на стандарте G.745 [344].
Фрейм на основе стандарта G. 704 с байт-интерливиигом.
В этом случае структура фрейма Е2 также сформирована с учетом трибов четырех потоков Е1 в
соответствии со схемой на рис. 1-13. Однако она использует схему байт-интерливинга, роль тайм-
слота играет байт (как и при формировании Е1). Длина одного фрейма принята равной 1056 бит (а.
не 4x256=1024 бит, как можно было бы предположить, используя схему формирования Е1) [15].
Данная структура фрейма предназначена для передачи каналов 64 кбит/с в формате, напо-
минающем формат Е1, т.е. с использованием байтных тайм-слотов, что позволяет сформировать
132 канала (тайм-слота) нумеруемые с 0-131, а также использовать структуру 16 фреймового
мультифрейма для размещения п/;«/-блоков сигнализации CAS. В результате структура фрейма
оказывается разной в зависимости оттого, используется сигнализация CAS или CCS.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
33
В случае использования сигнализации CAS поле фрейма занято следующим образом.
- 120 каналов 64жбит/с размещены группами в тайм-слотах Т5-Т32, Т34-Т65, Т71-Т98 и Т100-
Т131.
- Сигналом синхронизации фрейма служит двухблочная 14-битная последовательность
11100110 100000, первый 8-битный блок которой располагается в битовых позициях 1-8 (ТО),
а второй (6 бит) - в позициях с 529-534 (Т66).
- Бит 535 (Т66) используется для размещения сигнала индикации аварийного состояния AIS.
- Бит 536 (Т66) зарезервирован для использования для национальных нужд (он должен быть
равен 1 при пересечении национальных границ).
- Тайм-слоты Т67-Т70 предназначены для размещения айс^-блоков сигнализации CAS в струк-
туре мультифрейма (см. ниже).
- Биты 9-40 (Т1-Т4) и ТЗЗ оставлены для национальных нужд и также должны быть единичны-
ми (1) при использовании сигнализации CAS.
Ниже в табл. 1-4 приведено распределение а7>с</-блоков сигнализации для 120 каналов
внутри поля, занимаемого тайм-слотами Т67-Т70 16-фреймового мультифрейма.
В случае использования сигнализации CCS поле фрейма занято несколько иначе.
- 127 каналов 64 кбит/с (нумеруются с 1 по 127) размещены группами в тайм-слотах Т2-Т32,
Т34-Т65, Т67-Т98 и Т100-Т131.
- Канал в тайм-слоте Т1 может быть использован для формирования 128-го канала 64 кбит/с
(который нумеруется как канал 0), либо оставлен для служебных целей.
- Сигнал синхронизации фрейма сформирован точно так же, как в предыдущем случае.
- Бит 535 (Т66) используется для размещения сигнала индикации аварийного состояния AIS.
- Бит 536 (Т66) зарезервирован для использования для национальных нужд.
- Тайм-слоты Т67-Т70 могут быть использованы под сигнализацию CCS, если они не заняты
под голосовые каналы или каналы данных.
- Тайм-слот ТЗЗ также оставлен для национальных нужд.
Таблица 1-4. Распределение бит сигнализации в Т67-Т70 мультифрейма Е2
Фреймы Т67 Т68 Т69 Т70
0 ООООхухх ООООхухх ООООхухх ООООхухх
1 abed abed abed abed abed abed abed abed
1 канал 16 канал 31 канал 46 канал 61 канал 76 канал 91 канал 106 канал
15 - abed abed abed abed abed abed abed abed
15-канал 30 канал 45 канал 60 канал 75 канал 90 канал 105 канал 120 канал
Замечания:
1 - Данное распределение предоставляет 4 канала сигнализации по 500 бит/с, обозначенные как а,
b с, d для каждого канала ТЧ.
2 -'Если биты b с, d не используются, они должны быть установлены так: b = 1, с = 0, d = 1. Реко-
мендуется также не использовать комбинацию “0000” для сигнализации в следующих группах
каналов: 1-15,31-45, 61-75 и 91-125.
3 - Битх является резервным и должен быть установлен на 1, если он не используется. Биту ис-
пользуется для индикации аварийного состояния (устанавливается на I) на удаленном конце.
1.5.4.2. Структура фреймов третьего и четвертого уровней ЕС иерархии PDH
Структура фрейма ЕЗ регламентирована стандартом ITU-T G.751 [261] и при условии положи-
тельного выравнивания и бит-интерливинга абсолютно аналогична структуре фрейма Е2, осно-
ванной на стандарте G.742. Она отличается только длиной строк-наборов, равных 384 бита (вме-
сто 212), см. табл. 1-5.
3-48
34
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
Общая длина фрейма при этом составляет 4x384=1536 бит, а в качестве трибов использу-
ются потоки 8448 кбит/с. При этом допускается выравнивание скоростей одного триба в пределах
до (1/1536)х34368=22,375 кбит/с. Структура фрейма ЕЗ с байт-интерливингом стандартом G.751
[261] не предусмотрена.
Таблица 1-5. Назначение бит в структуре фреймов вторичного и третичного уровней
Биты в мультиплексирующей структуре фреймов Е2 и ЕЗ
Набор 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 212 384
1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 RAI S-bit Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4 Т4
2 JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4 Т4
3 JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4 Т4
4 JC1 JC2 JC3 JC4 JB1 JB2 JB3 JB4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4 Т4
Структура фрейма Е4 регламентирована тем же стандартом G.751, но отличается от фрей-
мов Е2 и ЕЗ (см. табл. 1-6). Основные отличия: 6 (а не 4) строк-наборов по 488 бит, длина фрейма
- 2928 бит (6x488=2928), сигнал синхронизации фрейма (111101000000) имеет длину 12 бит, мат-
рица-клетка, управляющая положительным выравниванием, имеет размер 5x4 (строки-наборы (2,
3, 4, 5, 6) х столбцы-биты (1, 2, 3, 4) в табл. 1-6). Управление выравниванием трибных потоков
осуществляется по той же схеме с мажоритарной логикой (изменяется только длина вектора-
столбца - 5, а не три элемента). В качестве трибов используются потоки 34,368 Мбит/с. При этом
допускается выравнивание скоростей одного триба в пределах до (1/2928)х139264=47,563 кбит/с.
Как и для ЕЗ структура фрейма Е4 с байт-интерливингом не предусмотрена.
Таблица 1-6. Назначение бит в структуре фрейма четверичного уровня
Биты в мультиплексирующей структуре фрейма Е4
Набор 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 488
1 1 1 ' 1 0 1 0 0 0 0 0 0 RAI S-bit S-bit S-bit Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
2 JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
з JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
4 JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
5 JC1 JC2 JC3 JC4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
6 JC1 JC2 JC3 JC4 JB1 JB2 JB3 JB4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т1 Т2 ТЗ Т4 Т4
Для сравнения, параметры фреймов ЕС иерархии PDH El - Е4, использующих положи-
тельное выравнивание и бит-интерливинг, сведены в табл. 1-7. Следует отметить, что для фреймов
Е2 и выше предусмотрен только один сигнал индикации аварийного состояния на удаленном
конце (RAI), являющийся сигналом потери синхронизации, который генерируется после того, как
были приняты 4 последовательных сообщения о потери синхронизации. Наоборот, синхронизация
считается восстановленной, если были приняты три последовательных сообщения о ее наличии.
Таблица 1-7. Обобщенные параметры фреймов PDH
Тип Скорость Точ- Скорость К Число Тайм- Длина Длина Число Число Синхро- Управ- Зато- Вырав-
фрей- фрейма ность трибов ОЦК СЛОТ фрейма набора набо- бит на сигнал ление1 ловок2 никакие3
ма кбит/с (+/-)106 кбит/с бит бит ров триб бит кбит/с % кбит/с
Е1 2048 50 64 30 30 байт 256 н/п н/п н/п шаблон Т-0 4 266 6,67 н/п
Е2 8448 30 2048 4 120 бит 848 212 4 206 10-набор 2 2133 3,33 9 962
ЕЗ 34368 20 8448 4 480 бит 1536 384 4 378 10-набор 2 1 200 1,88 22 375
Е4 139264 15 34368 4 1920 бит 2928 488 6 723 12-набор 2 0,933 1,46 47 563
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
35
Примечание:
К - коэффициент мультиплексирования;
' - емкость канала управления в расчете на 1 ОЦК;
2 - размер заголовка в % в расчете на 1 ОЦК;
3 - диапазон выравнивания скорости триба за счет стаффинга.
Кроме метода положительно-отрицательного выравнивания, использующий другую струк-
туру фреймов, существует возможность использовать еще одну структуру фреймов, допускающую
кросс-мультиплексирование (см. рис. 1-12). Информацию по указанным структурам можно найти
в одном из следующих стандартов ITU-T G.747 и G.755.
1.5.5. Функциональные модули и топология систем PDH
Системы PDH производятся и используются достаточно давно (см. [33]), поэтому мы рассмотрим
их функциональные модули очень кратко, в основном для того, чтобы показать набор параметров,
используемых в спецификациях, или отметить малоизвестные особенности.
Системы PDH позволяют реализовать следующие топологии: “точка-точка”, “линейная
цепь” и “звезда”. В системах PDH широко используются топологии “точка-точка” и “линейная
цепь”, позволяющие связать как терминальные, так и транзитные узлы. Эти системы в настоящее
время используются для решения трех типов транспортных задач:
- транспорт сигналов в сетях PDH или в сетях доступа к сетям SDH (основная задача);
- транспорт ATM-ячеек по сети PDH (используется относительно недавно);
- транспорт виртуальных контейнеров SDH по сетям PDH для связи сетей SDH там, где сущест-
вуют транспортные сегменты PDH, а аналогичных сегментов SDH нет или их строительство
считается нецелесообразным (используется относительно недавно).
Топология “точка-точка”
Эта топология используется наиболее широко ввиду своей простоты. В простейшем случае
соединяются два терминальных мультиплексора ТМ (см. рис. 1-14а), расположенных макси-
мально на расстоянии L, которое зависит от таких факторов, как бюджет мощности мультиплекс-
ной секции и затухания ВОК и составляет от 40 до 140 км. Оно может быть увеличено максималь-
но до 2500-3000 км установкой одного или нескольких регенераторов R (см. рис. 1-146). Приме-
ром такого регенератора может служить устройство ОЛТ-25 («Морион»), Указанная топология
может быть реализована на любых мультиплексорах PDH (см. ниже табл. 1-8).
Топология “линейная цепь”
Эта топология отличается от предыдущей наличием транзитных узлов, на которых могут
быть выделены определенные типы трибов, как правило, типа Е1 (см. рис. 1-14в). Топология реа-
лизуется на двух типах мультиплексоров: терминальных ТМ, расположенных в начале и конце
линейной цепи и ввода-вывода ADM. Из мультиплексоров, приведенных в табл. 1-8, только муль-
типлексор ТЛС-31 («Морион») относится к этой категории.
Обе указанные выше топологии могут использовать схему резервирования потоков типа
“1 + 1”, при которой резервируются каналы в среде передачи или среда передачи (волокна/жилы в
кабеле), как показано на рис. 1-14г на примере топологии “точка-точка”. Эта топология требует
удвоения используемого оборудования.
Топология звезда
Этот тип топологии используется значчительно реже, так как требует наличия еще одного
типа устройств - концентратора или хаба, выполняющего функции устройства сбора {концен-
трации) и перераспределения {кросс-коммутации) потоков. Если функции концентрации раз-
личных трибов (например, Е1 и Е2) еще могут быть выполнены некоторыми мультиплексорами
(см. ниже табл. 1-8), например, ENE 6055 («ЭЗАН») и ОТГ-35 («Морион»), то для выполнения
функции кросс-коммутации приходится использовать современные цифровые АТС, или специ-
36
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
альные кросс-коммутаторы (которых нет в линейке оборудования PDH, см. табл. 1-8), позволяю-
щие осуществлять кросс-коммутацию, по крайней мере, на уровне Е1.
Рис. 1-14. Схемы различных базовых топологий сетей PDH:
а) простая топология “точка-точка”; б) топология “точка-точка” с регенератором; в) топология “линейная цепь";
г) топология “точка-точка" с резервированием по схеме 1+1.
Проблемы транспортировки сигналов в сетях PDH специально не рассматривается, а лишь
иллюстрируется схемами смешанных (PDH + SDH) сетей, приведенными в гл. 2. В них сегменты
сетей PDH управляются теми же системами управления типа TMN, что и сегменты сетей SDH.
Транспорт ATM-ячеек регламентируется стандартом ITU-T G.804 [161] и рассматривается
ниже в разделе 8.1.
Транспорт виртуальных контейнеров SDH по сетям PDH рассмотрен ниже в разделе 2.6.5.
1.5.5.1. Характеристики промышленных систем PDH
Промышленные системы PDH выпускаются многими компаниями производителями телекомму-
никационного оборудования. В табл. 1-8 (см. на стр. 30-31) приведены для примера характеристи-
ки оборудования PDH как отечественного, так и импортного (компания Nokia - Финляндия). Из
отечественных производителей современного оборудования PDH представлены ЭЗАН (Черного-
ловка) [375], СП “Fibercoms” (Минск, Белоруссия) [374] и АО «Морион» (Пермь) [373].
Кроме того, оборудование PDH изготавливают и другие производители (см. [129]), наибо-
лее известный из них - ГП «Дальняя связь» (С.-Петербург), выпускающий оборудование РПНтипа
«Сопка-2, 3, 4» первого поколения (8 Мбит/с - Сопка-2, 34 Мбит/с - Сопка-3, 140 Мбит/с - Сопка-
4) и «Сопка-Зм, 4м, 5» - второго поколения (34 Мбит/с - Сопка-Зм, 140 Мбит/с - Сопка-4м, 576
Мбит/с - Сопка-5), характеристики которого можно найти в [33, 176].
На рис. 1-15 для примера приведена блок-схема одного из PDH мультиплексоров ЦМД-31
(ФК-34) компании Fibercoms с оконечной станцией ЛОТ-31.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
37
- ЦМД-21
ЛОТ-31
ЦМД-31
Комплект
оптического
приемо-
передатчика
КОПП-3
' 1 2048 кбит/с
КОЛП-3-'
КОПП-3
КОПП-3;
2 кабеля
PK-75HDB3
34368 кбит/с
75 Ом
Комплект
третичного
мультиплексора
КМ-3
8 кабелей
РК-75 HDB3
8448 кбит/с
75 Ом
Комплект
вторичного
мультиплексора
КМ-2 —
8 кабелей
KMCHDB3
2048 кбит/с
120 Ом
Поток 1
Поток Т~~]
___ь.| Поток 3 |
—►[ Поток 4 |
км-зл
Комплект
вторичного
мультиплексора
КМ-2
-----8 кабелей
KMC HDB3
±~ 2048 кбит/с
I 120 Ом у
—Поток 5 |
Потокб |
_Поток 7 |
—►! Поток 8 |
2048 кбит/с
'/ КМ-3:
Комплект
вторичного
мультиплексора
КМ-2
----- 8 кабелей
KMC HDB3
* = 2048 кбит/с
±4^ 120 Ом ?
Компьютер системы
телеконтроля
Модуль
опроса и
сигнализации
МОС
К КМ-3 й
Комплект
вторичного
мультиплексора
КМ-2
Модуль
служебной
связи МСС
МТ
Модуль
Модуль
опроса и
сигнализации
МОС
Модуль ;
опроса и j
сигнализации !
Шина сигнализации и телеметрии стойки
—Поток 9 !
Поток 10~j
Поток 11 ]
—►j Поток 12 |
/ 8 кабелей Пот.ок..13Л
Поток 15 I
Блок 1
сигнализации |
стойки •
Рис. 1-15. Блок-схема мультиплексора PDH третичного уровня
Характерная особенность современного оборудования PDH:
- использование ОМ ВОК на длине волны 1300 и 1550 нм;
- использование и передача сигнала SSM - сообщения о статусе синхронизации;
- возможность передавать в качестве полезной нагрузки виртуальные контейнеры VC-n SDH;
- наличие системы сетевого управления типа TMN и возможность управляться общей (PDH-
SDH) системой управления;
- наличие модификаций для реализации защиты потоков класса 1+1;
- наличие модификаций для реализации операции ввода-вывода потоков Е1 на транзитных узлах.
1.5.6. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии
Общая схема канала передачи с использованием технологии PDH для простой топологии сети
“точка - точка”, но при скорости 140 Мбит/с, должна включать три уровня мультиплексирования
на передающей стороне (для ЕС, например, 2—>8, 8—>34 и 34—> 140) и три уровня демультиплек-
сирования на приемной стороне, что приводит к достаточно сложной аппаратурной реализации
таких систем. При дуплексной схеме передачи объем требуемого оборудования удваивается.
Однако существенное удешевление цифровой аппаратуры за последнее десятилетие и ис-
пользование оптоволоконных кабелей в качестве среды передачи PDH сигнала привели к тому,
что системы цифровой телефонии с использованием технологии PDH получили значительное рас-
пространение уже в восьмидесятые годы. Эти системы позволяли осуществить передачу большого
количества каналов высококачественной цифровой телефонной связи. Один канал 140 Мбит/с эк-
вивалентен, как известно, 1920 (30x4x4x4=1920) каналам ОЦК (64 кбит/с), которые в первую оче-
редь использовались для передачи голоса, а затем стали использоваться и для передачи данных.
38
Основы технологии передачи цифровых сигналов
Глава 1
Таблица 1-8. Характеристики промышленного оборудования PDH (начало)
Тип мультиплексора DM-8 DM34 . .... DM140 ЦВД-21 ЦВД-31
ЯфжиерфЩми вторичный третичный четверичный вторичный третичный
Метод //ЙИ биг-интерпивинг биг-интерпивинг биг-интерпивинг биг-интерпивинг биг-интерпивинг
G.742 G.751 G.751 G.742 G.751
Метод выравнивания , положительный положительный положительный положигельньм положительный
Каналы досуга (трибй)/[Ю^ 2043 8 448 34368 2048 8448
Число каналов Е1 НФ НФ НФ НФ вдп
Тип грибного интерфейса, G703 G.703 G.703 G703,75/120 G.703,75
Линейнье каналы (арегатнь)й 3(Д/[йМ| ВЙ5/® 8448 34368 139264 8448 34368
Используемая срОДз передагй:"Й7И7Р!Й1я|]//]/ ВОЖРРЛ ВСКЖК/РРЛ ВОКЖРРЛ В0К7КК ВСК7КК
Длина волны и тип оптического волокна (МЦЙТЦ/ 850/1300 (М\Л) 1300 (М\Л) 1300 (МЦ НФ W
1300/1550 (СМ) 1300/1550 (ОМ) 1300/1550 (СМ| 1300/1550(СМ) 13СО1550(СМ)
Екдад регенерационной секции (BQ0, дДйЙр/ нд нд н.Д 20(S)/36(L) 20(S)/36(L)
Длина регенерационной секци (ВОК) Укм /и Н.Д нд н.Д 40(S)/140(L) 40(S)/140(L)
Асинхрошьеинтерфейсьцти^^ / V.11/2,4/9.6 V.11/4,8/9,6 V.11/9,6/9.6 R&232/RS485 R&232/RS485
Служебные сервисные каналье числс/тип= • 1ЛЧ4 1/ТЧ4 1/ТЧ4 1/ТЧ 1/ТЧ
Размеры блоков в стойке (ВхЩкГ), [Мм] у 233x25x160 233x25x160 233x25x160 -хбООхЗОО -хбООхЗОО
Тит стойки,5размеры (ВхШхГ), [му] н.Д нд н.д 2600x600x300 2600x600x300
Чотмультиплетаров'в стойке <: н.Д нд нд 10 10
Число мультиплексоров на полке 5 / [ н.Д нд нд 4/2 4/2
Возможная схема резервирования 1+1 1+1 1+1 -/1+1 71+1
Диапазон рабенйх температур, С 5 тТЧу й,. -10-50 -10-50 -10-50 -5-45 -5-45
Напряжение истсйнйкафЩания, (-) В 20-72 20-72 20-72 20-30/40 - 70 20-30/40-70
Потребляемая мошцостъ (наТ кулыиллекерр),- Вт " 3,5 5,0 14,0 15,0 20,0
Применение современных методов ИКМ (например, адаптивной дифференциальной
ИКМ - АДИКМ) позволяет “сжать” используемую скорость канала с 64 до 32 кбит/с, что дает,
возможность передавать по каналам ТТ или Е1 уже 48 или 60 телефонных каналов, соответствен-
но [15]. Развитие современной техники сжатия данных позволяет сжимать сигнал ОЦК до 16, 8, и,
наконец, благодаря использованию техники кодирования с линейным предсказанием по кодовой
книге, до 5.3, 6.3 и 6.4 кбит/с на канал, см. Rec. 723.1 [364]. Важным моментом этого развития
явилось то, что эти методы были стандартизованы ITU-T и стали в последнее время общеприня-
тыми.
Более важным результатом этого развития, с нашей точки зрения, было то, что PDH сис-
темами стали пользоваться для передачи данных, и в первую очередь банковских транзакций, ис-
пользуя, главным образом, каналы 64 кбит/с с протоколом пакетной коммутации Х.25. Казалось,
что от этого привлекательность технологии PDH только выиграет за счет привлечения новой
большой группы пользователей. Однако этого не произошло. PDH технология продемонстрирова-
ла свою негибкость на этом этапе возросшего к ней интереса.
Суть одного из основных недостатков PDH в том, что добавление выравнивающих бит де-
лает невозможным идентификацию и вывод, например, потока 64 кбит/с или даже 2 Мбит/с,
“зашитого” в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования или “расшивки” этого пото-
ка и удаления выравнивающих бит. Одно дело передавать поток междугородных или междуна-
родных телефонных разговоров от одного телефонного узла к другому “сшивая” и “расшивая” его
достаточно редко. Другое дело - связать несколько банков и/или их отделений с помощью PDH
сети. В последнем случае часто приходится либо выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из пото-
ка 140 Мбит/с, чтобы завести его частному клиенту или в отделение банка, либо наоборот выво-
дить поток 64 кбит/с от клиента или 2 Мбит/с из банка для ввода его обратно в магистральный
поток 140 Мбит/с.
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
39
Таблица 1-8. Характеристики промышленного оборудования PDH (продолжение)
ЭЗАН Morion
ENE6020 BE 6055 BE 6058 BE 6041 СВГ-25 ОТГ-35 ТЛС-31 ОПТ-025
еторичньм третичный третичный четверичный вторичньй третичньй третичньй Е1, Е2, ЕЗ
бит+игерпивинг бинмергиинг бит-интерливинг бит-интерливинг бит+игерпивинг бит+игерпимг бит-интерливинг бит-ингерпивинг
G.742 G751 G751 G751 G742 G751 G751 G742 G.751
папсйФпепьнэй попсжтепычьм полонмтельньм полонмтельньм погкжтепьньм полашгельньй псгомтельньй попамтельньм
2048 2048,8448 8448 34368 2048 2048,8448 2048 2048,8448,34368
вдп вдп вдп вдп ндп ндп 4 ндп
G.703,7S120 G.703,75'120 G.703,75'120 G.703,75 G.703,75120 G.703,75120 G703,75120 G.703,75120
8448 34368 34368 139264 8448 34368 34368 2048,8448,34368
BCWKK 8СК7КК 8СК7КК 8СК7КК век век век век
1300 (MV? 1300 (MV? 1300 (MV? 1300 (MV? 8591300 (MV? 1300 (MV? ЦДЛ 8591300 (MV?
13091550 (СМ) 13091550 (CM) 13091550 (СМ) 13091550 (CM) 13091550 (СМ) 13091550 (СМ) 13091550 (СЦ 13091550 (СМ)
н.Д нд НД нд 42 36 36 44/Е1,42Е2,36ЕЗ
нд нд Н.Д нд нд нд нд нд
НД нд нд нд RS-232RS-485 RS-232/RS-485 RS-232RS-485 RS-232RS-485
Н.Д НД нд нд 1/ТЧ 1/ТЧ 19СЦ< 1/ТЧ
448x160x220 448x160x220 448x160x220 224x160x220 223x595x240 223x595x240 223x595x240 223x595x240
2600x240x220 2600x240x220 2600x240x223 2600x240x220 ЕвражафСКУ Евражаф СКУ ЕвражафСКУ ЕвражафСКУ
40 10 10 20 нд нд нд нд
4 1 2 2 4 2 2 4/2
1+1 1+1 1+1 1+1 1+1 1+1 1+1 1+1
нд Н.Д нд нд нд нд нд нд
21-2936-72 21-2936-72 21-2936-72 21-2936-72 36-72 36-72 36-72 36-72
4,5 8,7 5,0 9,0 нд нд нд нд
Обозначения в табл. 1-8:
ВОК волоконно-оптический кабель
КК коаксиальный кабель
ММ многомодовое волокно
ОМ одномодовое волокно
РРЛ - радиорелейная линия
ТЧ-4 - канал тональной частоты, 4 проводная линия
L - магистральная линия
S- зоновая секция
н.д. нет данных
ндп не допускается
нп не применимо
Осуществляя, и достаточно часто, такой ввод/вывод, приходится проводить относительно
сложную операцию трехуровневого демультиплексирования PDH сигнала с удалени-
ем/добавлением выравнивающих бит (на всех трех уровнях) и его последующего трехуровневого
мультиплексирования с добавлением новых выравнивающих бит.
Схема такой операции для одного пользователя (с потоком 2 Мбит/с) дана на рис. 1-16.
При наличии многих пользователей (клиентов), требующих ввода/вывода исходных (на-
пример, 2 Мбит/с или 64 кбит/с) потоков, для аппаратурной реализации сети требуется чрезмерно
большое количество мультиплексоров, в результате чего эксплуатация сети становится экономи-
чески невыгодной.
Другой серьезный недостаток технологии PDH - слабые возможности в организации слу-
жебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутст-
вие средств маршрутизации мультиплексированных потоков нижних уровней, что крайне важно
для использования систем PDH в сетях передачи данных.
Рис. 1-16. Операция ввода/вывода потока 2 Мбит/с в/из потока 140 Мбит/с по ЕС иерархии PDH
Как мы видели выше из табл. 1-7, емкость канала управления в расчете на один канал ОЦК
в системе ЕС уменьшается с ростом уровня PDH иерархии. Частично этот недостаток компенси-
руется организацией мультифреймов, позволяющих объединить ресурсы управления для целей
последующего управления, обнаружения ошибок путем использования кодов CRC и идентифика-
ции аварийных состояний. [15]. Однако, как мы видели выше, эти средства достаточно слабы.
Рекомендация G.704 [15] вообще не предусматривает необходимые для нормальной мар-
шрутизации заголовки. В связи с отсутствием специальных средств маршрутизации, при форми-
ровании PDH фреймов и мультифреймов увеличивается (при возрастании числа мультиплексиро-
ваний и переключений потоков при маршрутизации) возможность ошибки в отслеживании
“истории” текущих переключений, а значит увеличивается и вероятность “потери” сведений не
только о текущем переключении, но и о его “предыстории” в целом, что приводит к нарушению
схемы маршрутизации всего трафика.
Так, казалось бы существенное достоинство метода - небольшая “перегруженность заго-
ловками” - на деле оборачивается еще одним серьезным недостатком, как только возникает необ-
ходимость в развитой маршрутизации, вызванная использованием сети PDH для передачи данных.
Хотя в последнее время были предприняты попытки продлить жизнь системам PDH путем
разработки новых структур фреймов, использующих байт-интерливинг на верхних уровнях иерар-
хии и позволяющих передавать по сетям PDH ячейки ATM и виртуальные контейнеры SDH, а
также поддерживать передачу сообщений о статусе синхронизации, это не устраняет в целом ука-
занных недостатков.
1.5.7. Необходимость и цели разработки синхронных иерархий
Желание преодолеть указанные недостатки PDH привели к разработке в США иерархии нового
типа - иерархии синхронной оптической сети SONET, а в Европе - аналогичной ей синхронной
цифровой иерархии SDH. Обе иерархии были рассчитаны на использование ВОК, как среды пе-
редачи, допускающей меньшее затухание при большей скорости передачи.
Целью разработки была новая иерархия, которая позволила бы:
• унифицировать иерархический ряд скоростей передачи и продолжить его за пределы, ограни-
ченные иерархиями PDH;
Глава 1
Основы технологии передачи цифровых сигналов
41
• вводить/выводить входные потоки без необходимости проводить их сложную сборку/разборку
(а значит иметь возможность определять положение каждого входного потока (триба), состав-
ляющего общий поток);
• разработать новую структуру фреймов, позволяющую осуществлять не только примитивную
сигнализацию, но и маршрутизацию потоков;
• осуществлять в пределах иерархии управление сетями с топологией любой сложности;
• разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования разных произво-
дителей.
Для достижения поставленных целей американские разработчики первоначально (начало
80-х годов) предлагали:
- во-первых, использовать синхронную, а не асинхронную или плезиохронную схему передачи с
побайтным (а не с побитным) чередованием (байт-интерливингом) при мультиплексировании;
- во-вторых, использовать известную технологию инкапсуляции данных в пакеты, предложив
технологию вложенных виртуальных контейнеров, упаковки в них данных и их транспорти-
ровки в виде единого (но разборного) модуля, дающую возможность загружать в них и перено-
сить фреймы PDH иерархии стандартных уровней со скоростями 1.5, 6, 45 Мбит/с;
- в-третьих, положить в основу иерархии SONET первичную скорость передачи ОС1 = 50,688
Мбит/с, основанную на использовании стандартного периода повторения 125 мкс для фрейма с
форматом типа матрицы 3 строки х 264 байт-столбцов (264x3x8x8000 = 50688000 бит/с), так как
она позволяла продолжить американскую ветвь PDH иерархий, т.е. 1.5-6-45 Мбит/с, послед-
ний уровень которой, путем добавления необходимых заголовков, мог бы быть преобразован в
первый уровень новой иерархии ОС1;
- в-четвертых, включить в иерархию достаточное число (первоначально 48) уровней ОС1 - ОСп (в
настоящее время она включает значительно больше (768) уровней, см. ниже) и принять крат-
ность последующих уровней иерархии равной номеру уровня, т.е. ОСЗ = ЗхОС1 = 3x50,688 =
152,064 Мбит/с;
- в-пятых, ориентировать иерархию на использование оптических (а не электрических) сред пе-
редачи сигнала.
В 1984-86 гг., рассмотрев ряд альтернатив, комитет Т1 (США) предложил использовать
50,688 Мбит/с в качестве основного синхронного транспортного сигнала STS-1. Однако впослед-
ствии, учитывая неудачу практического внедрения кросс-мультиплексирования существующих
PDH иерархий, а также принимая во внимание наличие аналогичной европейской разработки, на-
званной SDH иерархией, где в качестве основного формата сигнала был принят синхронный
транспортный модуль STM-1 (155,52 Мбит/с), позволяющий инкапсулировать все фреймы ев-
ропейской PDH иерархии, комитет SONET принял решение разработать синхронную цифровую
иерархию, названную SONET/SDH, первый уровень которой ОС1 принимался равным 51,84
Мбит/с. Это давало возможность (путем разработки развитой схемы мультиплексирования и
кросс-мультиплексирования) предложить универсальный набор виртуальных контейнеров, позво-
ляющий инкапсулировать все форматы фреймов стандартных уровней американской и европей-
ской PDH иерархий.
Теперь синхронный транспортный модуль STM-1 (155,52 Мбит/с), предложенный для ев-
ропейской версии SDH, совпадал с новой скоростью SONET ОСЗ (51,84x3 = 155,52 Мбит/с), а с
другой - позволял включить в схему мультиплексирования максимальную скорость европейской
PDH иерархии - 140 Мбит/с.
Совместные усилия в этом направлении привели к разработке и публикации в Синей книге
в 1989 г. трех основополагающих рекомендаций CCITT (теперь ITU-T) по SDH: Rec. G.707, G.708
и G.709 [16-18], а также параллельной публикации организациями ANSI и Bellcore аналогичных
стандартов для технологии SONET [34-42].
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Введение
Цифровые сети, разработанные и внедренные до появления синхронных сетевых техноло-
гий SONET/SDH, были по сути асинхронными системами, так как не использовали внешнюю син-
хронизацию от центрального эталонного источника. В них потери бит приводили не только к по-
тере информации, но и к нарушению синхронизации. На принимающем конце сети можно было
только выбросить полученные с ошибками кадры, и ждать восстановления синхронизации, а не
инициировать повторную передачу потерянного фрагмента, как это делается, например, при ис-
пользовании технологии Х.25 в локальных сетях. Это означало, что указанная информация будет
потеряна безвозвратно.
Практика показывает, что местные таймеры могут давать значительное отклонение от точ-
ной скорости передачи. В [43], например, указывается, что для сигналов DS3 (44,736 Мбит/с) та-
кое отклонение от различных источников может достигать 1789 бит/с.
В синхронных сетях средняя частота всех местных таймеров или одинакова (синхронна)
или близка к синхронной (плезиохронна) благодаря использованию центрального таймера (источ-
ника) класса PRS (что дает для DS3 возможное отклонение скорости порядка 0,045 бит/с [43]). В
этой ситуации необходимость выравнивания фреймов или мультифреймов стоит не так остро, А
диапазон выравнивания значительно уже.
Более того, ситуация с выделением определенного фрагмента потока (например, канала
DS1 или Е1) упрощается, если ввести указатели начала этого фрагмента в структуре инкапсули-
рующего его фрейма. Использование указателей (техника эта стара, как компьютерный мир) по-
зволяет гибко компоновать внутреннюю структуру контейнера-переносчика. Сохранение указате-
лей в некоем буфере (заголовке фрейма или мультифрейма) и их дополнительная защита кодами с
коррекцией ошибок позволяет получить исключительно надежную систему локализации внутрен-
ней структуры передаваемой по сети полезной нагрузки (фрейма, мультифрейма или контейнера).
Указанные соображения говорят о том, что синхронные сети имеют ряд преимуществ пе-
ред асинхронными, основные из них следующие:
- упрощение сети, вызванное тем, что в синхронной сети один мультиплексор ввода-вывода (см.
ниже), позволяя непосредственно вывести (или ввести), например, сигнал Е1 (2 Мбит/с) из
фрейма (или в фрейм) STM-1 (155 Мбит/с), заменяет целую “гирлянду” мультиплексоров PDH
(см. рис. 1-16), давая экономию не только в оборудовании (его цене и номенклатуре), но и в
требуемом месте для размещения, питании и обслуживании;
- надежность и самовосстаиавливаемость сети, обусловленные тем, что, во-первых, сеть ис-
пользует волоконно-оптические кабели (ВОК), передача по которым практически не подверже-
на действию электромагнитных помех, во-вторых, архитектура и гибкое управление сетями по-
зволяет использовать защищенный режим работы, допускающий два альтернативных пути рас-
пространения сигнала с почти мгновенным переключением в случае повреждения одного из
них, а также обход поврежденного узла сети, что делает эту сеть самовосстанавливающейся;
- гибкость управления сетью, обусловленная наличием большого числа достаточно широкопо-
лосных каналов управления и компьютерной иерархической системой управления с уровнями
сетевого и элементного менеджмента, а также возможностью автоматического дистанционного
управления сетью из одного центра, включая динамическую реконфигурацию каналов и сбор
статистики о функционировании сети;
- выделение полосы пропускания по требованию - сервис, который раньше мог быть осуществ-
лен только по заранее (например, за несколько дней) спланированной договоренности (напри-
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
43
мер, вывод требуемого канала при проведении видеоконференции), теперь может быть предос-
тавлен в считанные секунды путем переключения на другой (широкополосный) канал;
- прозрачность для передачи любого трафика - факт, обусловленный использованием вирту-
альных контейнеров, инкапсулирующих трафик, сформированный другими технологиями,
включая самые современные технологии Frame Relay, ISDN и ATM;
- универсальность применения - технология может быть использована как для создания гло-
бальных сетей или глобальной транспортной магистрали, передающей из точки в точку тысячи
каналов со скоростью до 40 Гбит/с, так и для компактной кольцевой корпоративной сети, объе-
диняющей десятки локальных сетей;
- простота наращивания мощности - при наличии универсальной стойки для размещения ап-
паратуры переход на следующую более высокую скорость SDH иерархии можно осуществить
просто вынув одну группу функциональных блоков (карт) и вставив новую группу карт, рас-
считанную на большую скорость передачи.
2.1. Принципы построения синхронной цифровой иерархии
2.1.1. Особенности построения синхронной цифровой иерархии
Рассмотрим основные особенности построения синхронной цифровой иерархии SDH. Сети SDH,
несмотря на их очевидные преимущества перед сетями PDH, не имели бы такого успеха, если бы
не обеспечивали преемственность и поддержку стандартов PDH. Как мы уже отмечали при разра-
ботке технологии SONET обеспечивалась преемственность американской, а при при разработке
SDH - европейской иерархий PDH. В окончательном варианте стандарты SONET/SDH поддержи-
вают обе указанные иерархии.
Так мультиплексоры сетей SONET/SDH, через которые осуществляется доступ в сеть,
первоначально были расчитаны на поддержку тех входных каналов, или каналов доступа, ско-
рость передачи которых соответствовала объединеному стандартному ряду американской и ев-
ропейской иерархий PDH, а именно: 1,5; 2; 6; 8; 34; 45 и 140 Мбит/с.
Цифровые сигналы каналов доступа, скорость передачи которых соответствует указанно-
му ряду, будем называть трибами PDH (в терминологии связистов - компонентными сигнала-
ми, см. гл. 13), а сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей
SDH, трибами SDH.
Итак, первая особенность иерархии SDH - поддеряска в качестве входных сигналов кана-
лов доступа только трибов PDH и SDH.
Другая особенность - процедура формирования структуры фрейма.
Два правила относятся к разряду общих при наличии структурной иерархии:
- структура верхнего уровня может строиться из структур нижнего уровня;
- несколько структур того же уровня, могут быть объединены в одну более общую структуру.
Остальные правила отражают специфику технологии. Например, имея на входе мультип-
лексора трибы PDH, технология должна уметь упаковывать их в оболочку фрейма так, чтобы их
легко можно было ввести и вывести в нужном месте тракта передачи с помощью мультиплексора
ввода-вывода. Для этого сам фрейм достаточно представить в виде некоторого контейнера стан-
дартного размера (в силу синхронности сети его размеры не должны меняться), имеющего сопро-
вождающую документацию, роль которой играет заголовок, где должны быть описаны все необ-
ходимые для управления и маршрутизации контейнера поля-параметры.
Внутренняя емкость контейнера должна быть согласована с размером и типом помещае-
мой в него полезной нагрузки, давая возможность расположить в нем однотипные контейнеры
меньшего размера (нижних уровней), которые также должны иметь некий заголовок и полезную
нагрузку и т. д. по принципу матрешки, или по методу последовательных вложений, или инкап-
суляций.
44
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Для реализации этого метода и было предложено использовать понятие контейнер, в ко-
торый упаковывается триб. По типо-размеру контейнеры делятся на 4 уровня, соответствующие
уровням PDH. На контейнер должен неклеиваться ярлык, содержащий управляющую информа-
цию для сбора статистики прохождения контейнера. Контейнер с таким ярлыком используется
для переноса информации, т.е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его на-
зывают виртуальным контейнером.
Итак, вторая особенность иерархии SDH - трибы должны быть упакованы в стандартные
помеченные контейнеры, размеры которых опеределяются уровнем триба в иерархии PDH.
Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы двумя различными способами.
Контейнеры нижних уровней (т.е. меньшего размера) также могут мультиплексироваться и ис-
пользоваться в качестве полезной нагрузки контейнеров верхних уровней (т.е. большего размера),
которые, в свою очередь, служат полезной нагрузкой контейнера самого верхнего уровня (самого
большого размера) способного разместить триб Е4.
Такое группообразование, приводящее к формированию фрейма SDH - STM-1, может
осуществляться по жесткой синхронной схеме, при которой место отдельного контейнера в поле
для размещения нагрузки строго фиксировано. С другой стороны, из нескольких фреймов SDH
могут быть составлены новые более крупные образования как путем мультиплексирования фрей-
мов STM-1 в фреймы STM-N (метод параллельной обработки), так и путем объединения последо-
вательной группы фреймов в новую функциональную единицу - мультифрейм (метод последова-
тельной обработки).
В результате возможных различий в типе составляющих фрейм контейнеров и временным
задержкам в процессе загрузки фрейма положение контейнеров внутри мультифрейма может
быть, строго говоря, не фиксировано, что может привести к ошибке при вводе/выводе контейнера,
учитывая общую нестабильность тактов синхронизации в сети. Для устранения этого факта, на
каждый виртуальный контейнер должен заводиться указатель, содержащий фактический адрес
начала виртуального контейнера на карте поля, отведенного под полезную нагрузку. Указатель
дает контейнеру некоторую степень свободы, т.е. возможность “плавать” под действием непред-
виденных временных флуктуаций, но при этом гарантирует, что он не будет потерян как логиче-
ская структура.
Итак, третья особенность иерархии SDH - положение виртуального контейнера может
определяться с помощью указателей, позволяющих устранить противоречие между фактом син-
хронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной на-
грузки.
Хотя размеры контейнеров различны и емкость контейнеров верхних уровней достаточно
велика, может оказаться, что она либо все-таки недостаточна, либо под нагрузку лучше выделить
несколько контейнеров меньшего размера. Для этого в SDH технологии предусмотрена возмож-
ность сцепления или конкатенации контейнеров (составление нескольких контейнеров вместе в
одну структуру, называемую связистами “сцепкой”). Составной контейнер отличается соответст-
вующим индексом от основного и рассматривается (с точки зрения размещения нагрузки) как
один большой контейнер. Указанная возможность позволяет с одной стороны оптимизировать ис-
пользование имеющейся номенклатуры контейнеров, с другой - позволяет легко приспособить
технологию к новым типам нагрузок, не известных на момент ее разработки.
Итак, четвертая особенность иерархии SDH - несколько контейнеров одного уровня мо-
гут быть сцеплены вместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер, используемый для
размещения нестандартной полезной нагрузки.
Пятая особенность иерархии SDH состоит в том, что в ней предусмотрено формирова-
ние отдельного (нормального для технологий пакетной обработки в локальных сетях) поля заго-
ловков размером 9x9=81 байт. Хотя общий заголовк и невелик, т.к. составляет всего 3.33%, он
достаточно большой, чтобы разместить необходимую управляющую и контрольную информацию
и отвести часть байт для организации необходимых внутренних (служебных) каналов передачи
данных.
Г лава 2 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH 45
| -------------------------------------------------------------------------------------
Учитывая, что наличие каждого байта в структуре фрейма эквивалентно потоку данных со
скоростью 64 кбит/с, передача указанного заголовока соответствует организации потока служеб-
ной информации эквивалентного 5,184 Мбит/с (81x64=5184).
Естественно, что при построении любой иерархии должен быть определен либо ряд стан-
дартных скоростей этой иерархии, либо правило формирования ряда и первый {порождающий)
член ряда. Если для PDH значение DS0 (64 кбит/с) вычислялось достаточно просто, то для SDH
| значение первого члена ряда можно было получить только после определения структуры фрейма
и его размера. Схема логических рассуждений достаточно проста. Во-первых, поле его полезной
нагрузки должно вмещать максимальный по размеру виртуальный контейнер VC-4, формируемый
при инкапсуляции триба 140 Мбит/с в контейнер С-4. Во-вторых, е'го размер: 9x261=2349 байт и
определяет размер поля полезной нагрузки STM-1, а добавление к нему поля заголовков опреде-
ляет размер синхронного транспортного модуля STM-1: 9x261+ 9x9=9x270=2430 байт или
2430x8=19440 бит, что при частоте повторения 8000 Гц позволяет определить и порождающий
член ряда для иерархии SDH: 19440x8000=155.52 Мбит/с.
I
2.1.2. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH
(первая редакция)
Разработанная с учетом указанных общих принципов стандартная схема инкапсуляции PDH три-
бов в контейнеры и последующего мультиплексирования (при формировании модуля STM-1),
имела вид, представленный на рис. 2-1, и соответствовала стандарту ITU-T G.708 (редакция 1988
г.), вошедшему позднее в стандарт ITU-T G.707 (на который и дана ссылка [16]).
В схеме мультиплексирования на рис. 2-1 (см. след, стр.) используются следующие обо-
значения: С-п - контейнеры уровня п (п= 1,2,3,4); VC-n - виртуальные контейнеры уровня п
(n=l,2,3,4), TU-n - трибные блоки уровня п (n=l,2,3), TUG-n - группы трибных блоков уровня п
(n=2,3), AU-n - административные блоки уровня п (n=3,4); AUG - группа административных
блоков и, наконец, STM-1 - синхронный транспортный модуль, используемые в SDH техноло-
гии.
Контейнеры С-n служат для инкапсуляции (размещения с целью последующей передачи)
соответствующих сигналов каналов доступа или трибов, питающих их входы. Слово
“инкапсуляция” подчеркивает физический смысл процесса, тогда как логически происходит ото-
бражение структуры фрейма соответствующего триба на поле полезной нагрузки инкапсули-
рующего его контейнера.
Рис. 2-1. Обобщенная схема мультиплексирования PDH трибов в SDH (первая редакция)
Уровни контейнера п соответствуют уровням PDH иерархии, т.е. п= 1,2,3,4, а число типо-
размеров контейнеров N должно быть равно числу членов объединеного стандартного ряда (см.
выше), т.е. 7, так как четвертый уровень PDH по стандарту ITU-T G.702 [13] имеется только у ЕС
46
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
иерархии. Итак, в контейнер С-4 инкапсулируется триб Е4, а в контейнеры С-1,2,3 - соответст-
вующие трибы АС и ЕС иерархий, причем для этого они должны быть разбиты каждый на два по-
дуровня: С-1 на С-11 иС-12, С-2 на С-21 иС-22, С-3 на С-31 иС-32.
Итак, ниже мы будем использовать следующие обозначения и термины (см. гл. 13):
- Т-п, Е-п - стандартные каналы доступа или трибы уровня п (или “компонентные сигналы”) -
входные потоки (или входы) SDH мультиплексора, соответствовующие объединеному
стандартному ряду АС и ЕС иерархий PDH, приведенному выше;
- С-п - контейнер уровня п - элемент SDH, содержащий триб Т-п/Е-п, т.е. несущий в себе инфор-
мационную нагрузку соответствующего уровня иерархии PDH, стандартизованного в [13].
Контейнеры уровня п разбиваются на следующие контейнеры подуровней C-nm:
• С-1 - разбивается на контейнер С-11, инкапсулирующий триб Т1=1,5 Мбит/с, и контейнер
С-12, инкапсулирующий триб Е1=2 Мбит/с;
• С-2 - разбивается на С-21, инкапсулирующий триб Т2=6 Мбит/с и С-22, инкапсулирующий
триб Е2=8 Мбит/с;
• С-3 - разбивается на С-31, инкапсулирующий триб Е3=34 Мбит/с и С-32, инкапсулирую-
щий триб Т3=45 Мбит/с;
• С-4 не имеет контейнеров подуровней и инкапсулирует только триб Е4=140 Мбит/с.
Уже в первой редакции стандарта G.708 (1988 г.) [16] контейнеры С-n предназначались
для инкапсуляции не только PDH трибов, но и других (тогда еще не конкретизированных) широ-
кополосных сигналов (например, сигналов ATM и IP).
2.1.3. Виртуальные контейнеры и другие элементы синхронной иерархии
Контейнеры С-n можно рассматривать в качестве первых элементов в номенклатуре элементов
иерархии SDH. К контейнеру (как и к любому пакету, подлежащему отправлению по некоторому
маршруту) добавляется маршрутный заголовок (РОН). В результате от превращается в вирту-
альный контейнер VC уровня п, т.е. VC-n. В номенклатуре элементов иерархии SDH существуют
следующие виртуальные контейнеры:
- VC-1, VC-2 - виртуальные контейнеры нижних уровней 1 или 2 и VC-3, VC-4 - виртуальные
контейнеры верхних уровней 3 или 4 - элементы SDH, структура или формат которых дос-
таточно просты и определяются формулой: РОН + PL, где РОН - маршрутный заголовок (в
терминологии связистов трактовый заголовок, см. гл. 13), a PL - полезная нагрузка.
Виртуальные контейнеры VC-1,2,3 уровней 1, 2, 3, также как и контейнеры С-1,2,3, разби-
ваются на виртуальные контейнеры подуровней пт, т.е. VC-nm, а именно:
• VC-1 разбивается на VC-11 и VC-12;
• VC-2 разбивается на VC-21 и VC-22;
• VC-3 разбивается на VC-31 и VC-32.
Поля PL и РОН в формате виртуального контейнера как логического элемента имеют вид:
• PL - поле различного (в зависимости от типа VC) размера, формат которого имеет двумер-
ную структуру по типу фрейма вида 9хт (9 строк, m столбцов); это поле формируется ли-
бо из контейнеров соответствующего уровня (например, для VC-1,2 оно формируется из
контейнеров С-1,2, соответственно), либо из других элементов структуры мультиплекси-
рования SDH (см. ниже);
• РОН - поле, размером не более 9 байт, формат которого имеет двумерную структуру вида
1хп (например, формат 1x9 байт для VC-4 или VC-32 и формат 1x6 байт для VC-31); это
поле составлено из различных по назначению байтов (см. ниже).
- TU-n - трибные блоки уровня п (п= 1,2,3) (в терминологии связистов субблоки) - элементы
структуры мультиплексирования SDH, формат которых определяется формулой: PTR + VC,
где PTR - указатель трибного блока (TU-n PTR), относящийся к соответствующему вирту-
альному контейнеру, например, TU-1 = (TU-1 PTR) + VC-1. Трибные блоки уровня п, как и
Г лава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
47
виртуальные контейнеры, разделены на трибные блоки подуровней пт, т.е. TU-nm, а
именно:
• TU-1 разбивается на TU-11 и TU-12;
• TU-2 разбивается на TU-21 и TU-22;
• TU-3 разбивается на TU-31 и TU-32.
- TUG-n - группа трибных блоков уровня п (первоначально использовался только уровень 2, а за-
тем добавился уровень 3), формируемая в результате мультиплексирования нескольких
трибных блоков. >
• TUG-2 - группа трибных блоков уровня 2 - элемент структуры мультиплексирования
SDH, формируемый путем мультиплексирования трибных блоков TU-1,2 со своими коэф-
фициентами мультиплексирования; TUG-2 также, как и TU-1,2, разбивался на 2 подуровня
- TUG-21 и TUG-22.
В результате использования всех возможных вариантов, диктуемых наличием подуровней,
указанная на рис. 2-1 обобщенная схема разворачивается в симметричную относительно контей-
нера С-4 схему мультиплексирования (см. рис. 2-2), предложенную в первой редакции стандарта
ITU-T G.709 (1988 г.), вошедшего позднее в стандарт G.707 [16].
Н22,
44736
кбит/с
TU-21 | УС-21
6312
кбит/с
I STM-1
х7
r-|TU-32
хЗ
TUG-21
х4
TU-12 | УС-~
УС-11
НИ,
1544
кбит/с
Н4,
139264
кбит/с
Н12,
2048
кбит/с
8448
кбит/с
Н21,
34368
кбит/с
Рис. 2-2. Схема мультиплексирования, осуществляемая в SDH (первая редакция)
На схеме рис. 2-2 обозначения xN указывают на коэффициенты мультиплексирования (на-
пример, хЗ на ветви от блока AU-32 к блоку AUG означает, что 3 AU мультиплексируются (объе-
диняются) в одну группу административных блоков AUG). Для трибов в этой схеме использованы
обозначения, соответствующие обозначениям, принятым для высокоскоростных каналов широко-
полосной ISDN (Нпт означает в В-ISDN высокоскоростной канал различного типа - эти обозна-
чения приводятся для справок):
- Н1 - канал, соответствующий первому уровню иерархии PDH; он разбивается на Hl 1, соответ-
ствующий АС иерархии, т.е. Hl 1 = Т1 = 1,5 Мбит/с, и Н12 = Е1 =2 Мбит/с;
- Н2 - обобщенный канал, соответствующий третьему уровню иерархии PDH. Он разбивается на
Н21 и Н22, где Н21 = ЕЗ = 34 Мбит/с, а Н22 = ТЗ = 45 Мбит/с;
- НЗ - в классификации не используется;
- Н4 - канал соответствующий Е4 = 140 Мбит/с ЕС иерархии PDH, он не имеет подуровней.
48
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Из этой схемы видны варианты мультиплексирования группы грибных блоков TUG-2:
• TUG-21 формируется как lxTU-21, или 4xTU-l 1, или 3xTU-12;
• TUG-22 формируется аналогично: lxTU-22 или 4xTU-12, или 5xTU-l 1.
В свою очередь выходы TUG-21 и TUG-22 могут быть мультиплексированы для формиро-
вания полезной нагрузки контейнеров верхних уровней С-3,4. Схема формирования виртуальных
контейнеров верхнего уровня может быть теперь конкретизирована.
• VC-3 - виртуальный контейнер уровня 3 - элемент структуры мультиплексирования SDH - раз-
бивается на VC-31 и VC-32 - поля формата 9x65 байтов для VC-31, 9x85 байтов - для VC-31;
полезная нагрузка VC-3 формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант), либо
путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2, а именно:
VC-31 - формируется как 1хСЗ 1 или 4xTUG-22, или 5xTUG-21;
VC-32 - формируется как 1хС32 или 7xTUG-22.
• VC-4 - виртуальный контейнер уровня 4 - элемент структуры мультиплексирования SDH, не
имеющий подуровней - поле формата 9x261 байтов; его полезная нагрузка формируется ли-
бо из С-4 (прямой вариант), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и
TU-3, а именно:
VC-4 - формируется как 1хС-4 или 4xTU-31, или 3xTU-32. или 21xTUG-21. или 16xTUG-22.
Виртуальные контейнеры верхних уровней VC-3.4 позволяют сформировать соответст-
вующие административные блоки:
• AU-3 - административный блок уровня 3 - элемент структуры мультиплексирования SDH
формата: PTR + PL, разбивается на два подуровня AU-3 1 и AU-32, полезная нагрузка кото-
рых PL формируется из VC-31 или VC-32. соответственно; PTR - указатель административ-
ного блока AU-3 PTR (AU-31 PTR или AU-32 PTR) - определяет адрес начала поля полезной
нагрузки, а именно VC-3 1, VC-32 в результате:
AU-31 = AG-31 PTR + VC-31;
AU-32 = AU-32 PTR + VC-32.
• AU-4 - административный блок уровня 4 - элемент структуры мультиплексирования SDH
формата: PTR + PL, не имеет подуровней, PTR - указатель AU-4 PTR (поле формата 9xJ
байтов, соответствующее 4 строке поля секционных заголовков SOH фрейма STM-N) опре-
деляет адрес начала поля полезной нагрузки PL, формируемой либо из VC-4 (прямой вари-
ант), либо в результате мультиплексирования другими возможными путями, а именно:
ALM формируется как lxVC-4 или 4xVC-3 1, или 3xVC-32, или 21xTUG-21, или 16xTUG-22,
причем для передачи VC-31,32 и TUG-21,22 используется поле полезной нагрузки VC-4.
Два последних элемента SDH - AUG и STM-1 определены ниже.
• AUG - группа административных блоков - элемент структуры мультиплексирования SDH.
появившийся во второй редакции стандарта G.709 (1991 г.) [16], формируется путем муль-
типлексирования AU-3,4 с различными коэффициентами мультиплексирования:
AUG формируется как lxAU-4 или 4хАС-31, или 3xAU-32. а затем отображается на полез-
ную нагрузку STM-1.
• STM-1 - синхронный транспортный модуль - основной элемент структуры мультиплексирова-
ния SDH, имеющий формат вида: SOH + PL, где SOH - секционный заголовок - два поля в
блоке заголовка размером 9x9 байт (структуру SOH см. ниже). PL - полезная нагрузка, фор-
мируемая из группы AUG (в редакции 1988 г., вместо связки блоков AUG и STM-1 был
только модуль STM-1).
Синхронные транспортные модули STM-1 могут быть, согласно основной схеме мультип-
лексирования для иерархии SDH, мультиплексированы с коэффициентом N в модуль STM-N для
последующей передачи по каналу связи.
Рассмотренная схема (рис. 2-2) охватывает все возможные варианты формирования STM-1
и допускает на входе все стандартные PDH трибы, но опа достаточно сложна, хотя-бы потому, что
число возможных путей формирования велико. Например, если рассмотреть на этой схеме воз-
можные пути формирования STM-1 из трибов 1112 (2 Мбит/с), то их окажется семь, см. подробно
[215]:
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
49
Для того, чтобы показать важные детали процесса формирования, в [27] в качестве гипоте-
тического был рассмотрен один из наиболее сложных вариантов формирования модуля STM-1
при использовании мультиплексора SDH с каналом доступа 2 Мбит/с (см. рис. 5,в [27]):
Н12^ С-12^ VC-12^ TU-12^ TUG-22^ VC-31^TU-31^ VC-4^A U-4^A UG^ STM-1.
2.1.4. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH
(третья редакция)
Указанная многовариантность и сложность формирования модуля STM-1, предложенная в первой
редакции стандартов SDH, ставила производителей оборудования SDH в трудное положение и от-
рицательно сказалась на его унификации, учитывая необходимость поддерживать большую но-
менклатуру PDH трибов.
В результате триб Е2 был исключен из списка обязательных уже во второй редакции стан-
дартов (1991 г.), а триб Т2 остался в третьей редакции стандартов (1993 г.) только в обобщенной
схеме мультиплексирования SONET/SDH и был исключен комитетом ETSI из списка обязатель-
ных в европейском варианте схемы мультиплексирования SDH. Показательным в этом плане яв-
ляется номенклатура трибов оборудования SDH, обзор которого был приведен в [29]. Из него
видно, что триб Т2 не был включен как обязательный ни в одну спецификацию восьми крупней-
ших производителей SDH оборудования. В настоящее время это соблюдается всеми европейскими
производителями.
Другим фактором, порождающим многовариантность, было допущение кросс-
мультиплексирования, т.е. отображения TUG-21 на VC-31, а также отображения TUG-21 и TUG-
22 непосредственно на VC-4 с различными коэффициентами мультиплексирования. Для уменьше-
ния многовариантности схема мультиплексирования в новых редакциях стандартов G.708 и G.709
была упрощена.
На рис. 2-3 представлена третья редакция (1993 г.) схемы мультиплексирования SDH,
Рис. 2-3. Общая схема мультиплексирования PDH трибов в SDH (редакция ITU-T 1993 г.)
Основными отличиями этой схемы от схемы первой редакции (рис. 2-2) являются:
- отсутствие триба Е2 (отображаемого в контейнер С-22) и связанных с ним блоков VC-22 и TU-
22;
- появление блока TUG-3 и замыкание на него выхода блока TUG-2 (потеря симметрии, т.е. связей
TUG-21 - VC-4 и TUG-22 - VC-4);
4-48
50
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
- несимметричное использование TU-3 в связке с VC-3 только для ветви С-3 - триб ЕЗ/ТЗ и отсут-
ствие возможности кросс-мультиплексирования, ввиду отсутствия связи TUG-21 ->VC-31.
Указанные упрощения привели к тому, что теперь от семи возможных путей формирова-
ния STM-1 из трибов Е1 (2 Мбит/с) осталось только два:
H12-»C-12-»VC-12-»TU-12-»TUG-2-»TUG-3-»VC-4-»AU-4-»AUG-»STM-l;
H12-»C-12-»VC-12-»TU-12-»TUG-2-»VC-3-»AU-3-»AUG-»STM-l.
Эти упрощения становятся еще более очевидными, если учесть, что указанная схема явля-
ется общей, объединяющей две схемы мультиплексирования: европейскую схему, предложенную
Институтом стандартов ETSI [45] (рис. 2-4), и американскую, которую можно вычленить из общей
схемы и представить в виде схемы на рис. 2-5. Эти две схемы отличаются от схемы на рис. 2-3
тем, что у них отсутствует вариантность в формировании STM-1 из набора допустимых трибов.
Рис. 2-4. Схема мультиплексирования PDH трибов в SDH (редакция ETS11992 г.)
Рис. 2-5. Схема мультиплексирования PDH трибов в SONET/SDH (редакция 1993 г.)
Для рассмотренного нами примера схема формирования STM-1 по схеме ETSI (рис. 2-4),
начиная с триба Е1, имеет вид:
El-»C-12-»VC-12-»TU-12-»TUG-2-»TUG-3-»VC-4-»AU-4-»AUG-»STM-l,
а по схеме SONET/SDH (рис. 2-5) она имеет вид:
El-»C-12-»VC-12-»TU-12-»TUG-2-»VC-3-»AU-3-»AUG-»STM-l.
Г лава 2 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH 51
Итак, на сегодняшний день общая схема мультиплексирования SDH приобрела оконча-
тельный вид (рис. 2-3), зафиксированный в публикации так называемой Белой книги рекоменда-
ций ITU-T (МСЭ-Т) [18, 150], а европейский вариант этой схемы (рис. 2-4) зафиксирован в публи-
кации ETSI [45]. Эти схемы слишком формальны, чтобы понять детали логических преобразова-
ний цифровой последовательности в процессе мультиплексирования, и поэтому будут более под-
робно рассмотрены ниже.
2.1.5. Детальный пример схемы формирования модуля STM-1
Чтобы показать детали процесса формирования по указанной схеме ETSI, на рис. 2.6 представлен
пример логической схемы формирования модуля STM-1 из потока трибов Е1.
Следя за логической схемой формирования, нужно иметь ввиду, что фактически физиче-
ское положение отдельных элементов, например указателей, не соответствует их месту в логиче-
ской схеме, кроме того используется ряд резервных, или фиксирующих, элементов, играющих
роль “наполнителей”, битовое содержание которых или не играет роли (как элемент типа “don’t
саге”), или зарезервировано на будущее в схеме управления, или служит элементом выравнивания
SDH фрейма.
На этом рисунке символ Ф означает операцию конкатенации (физической или логиче-
ской пристыковки) заголовка или указателя к другим элементам схемы мультиплексирования
SDH, а символ треугольника означает операцию мультиплексирования с соответствующим коэф-
фициентом, указанным внутри.
Рис. 2-6. Пример логического формирования модуля STM-1 из триба Е1 по схеме ETSI
Представленная схема наглядна и достоверна на описательном уровне, однако не всегда
отражает реально осуществляемые физические преобразования и для более глубокого понимания
нуждается в некоторых пояснениях и замечаниях.
Шаг 1. Формируется контейнер С-12, наполняемый из канала доступа, питаемого трибом
Е1. Поток Е1 (2,048 Мбит/с) для удобства последующих рассуждений лучше представить в виде
цифровой 32-байтной последовательности, циклически повторяющейся с частотой 8 кГц (часто-
той повтбрения фрейма STM-1). Это так, если учесть, что 2048000/8000=256 бит или 32 байта (см.
также разд. 1.4.3.).
К этой последовательности в процессе формирования С-12 возможно добавленение вы-
равнивающих бит, а также других фиксирующих, управляющих и упаковывающих бит (условно
показанных блоком “биты”). Ясно, что емкость С-12 должна быть больше 32 байт, фактически она
в зависимости от режима преобразования VC-12 в TU-12 (см. ниже) будет больше или равна 34
байтам. Для простоты последующих рассуждений примем размер контейнера С-12 равным 34
байтам.
4*
52
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Шаг 2. К контейнеру С-12 добавляется маршрутный заголовок VC-12 РОН длиной в один
байт (обозначаемый V5) с указанием маршрутной информации, используемой, в основном, для
сбора статистики прохождения контейнера. В результате формируется виртуальный контейнер
VC-12 размером 35 байт. Отметим одну особенность. В [46] указано, что С-12 имеет скорость
2224 кбит/с, что в пересчете соответствует длине фрейма С-12 равной 34,75 байта; это может быть
так, если принять, что на 4 фрейма мультифрейма VC-12 (см. Замечание 1) используется только
один заголовок V5 длиной в один байт, что в пересчете на фрейм VC-12 дает в среднем 0,25 байта
дополнительного увеличения заголовка, тогда размер VC-12 получится равным 35 байтам
(34,75+0,25 = 35).
Шаг 3. Формально добавление указателя TU-12 PTR длиной в один байт к виртуальному
контейнеру VC-12, превращает его в трибный блок TU-12 длиной 36 байтов. С этого момента и
ниже логически удобнее представить его в виде двумерной таблицы (фрейма) 9x4 байт, учитывая,
что формат окончательной структуры (модуля STM-1) также представляется в виде фрейма 9x270
байтов (9 строк на 270 столбцов). Эквивалентное представление фрейма в виде последовательного
поля будем называть кадром (в сответствии с предложениями по терминологии в гл. 13)
Замечание 1. Преобразование виртуального контейнера VC-12 (также как и VC-П и VC-2)
в трибный блок TU-12 (или соответственно в блоки TU-11 и TU-2) и последующее мультиплекси-
рование может проходить по двум схемам, или в двух режимах: плавающем и фиксированном.
Достоинство плавающего режима в том, что он допускает использование указателей для опре-
деления истинного положения контейнера в поле полезной нагрузки, а значит допускает опреде-
ленную асинхронность в транспортировке контейнера и является средством гибкого динами-
ческого выравнивания положения контейнера внутри структуры, в которую он погружен. Фик-
сированный режим использует фиксированное синхронное отображение структурированной
информации трибных блоков на поле полезной нагрузки контейнеров верхних уровней. Он позволя-
ет однозначно идентифицировать эту информацию с помощью указателей административных
блоков AU, соответствующих этим контейнерам, что делает ненужным использование указа-
телей трибных блоков TU-n PTR. Достоинство такого режима - более простая структура TU-n
или TUG, допускающая более эффективную последующую обработку. Недостаток очевиден -
исключается любая несинхронность при транспортировке контейнера.
Для обеспечения плавающего режима формируется мулътифрейм, состоящий из не-
скольких фреймов, в ‘‘рамках" которого мог бы плавать контейнер нижнего уровня (С-11, С-12,
С-2). При создании такого мулътифрейма допускается три варианта отображения трибов на
его структуру: асинхронное, бит-синхронное и байт-синхронное (последнее проработано
только для Т1/Е1). Варианты отображения устанавливаются операторами сети, причем по
умолчанию используется асинхронное отображение. Бит-синхронное размещение используется
для сигналов, не имеющих байтовой (октетной) структуры и не рекомендуется в [12] для меж-
дународных соединений. Байт-синхронный вариант для триба Е1 имеет две опции: одна соот-
ветствует PDH-трибу с внутриканальной сигнализацией CAS (19-й байт 140 байтного фрейма
TU), другая - с сигнализацией по общему каналу CCS (используется сигнализация SS#7).
Так для контейнеров VC-12 мультифрейм формируется из четырех последовательных
фреймов VC-12. Он имеет период повторения 500 мкс и составную длину 140 байтов, 35*4 =
140 (рис. 2-7). Его начальная фаза определяется байтом индикатора положения нагрузки Н4 в
заголовке РОН контейнера верхнего уровня. В мулътифрейме каждый фрейм имеет заголовок
длиной в один байт, из этих заголовков фактически используется только заголовок первого
фрейма V5. Остальные заголовки, обозначаемые J2, Z6 и Z7, зарезервированы формально. Внут-
ренняя структура фреймов VC-12n мулътифрейма различна в зависимости от варианта ото-
бражения [16].
Этот мулътифрейм и является основой для формирования трибного блока AU-12. В нем
перед заголовком каждого фрейма VC-12 дополнительно помещается указатель TU-12 PTR (они
обозначаются как VI, V2, V3 и V4) длиной в один байт. В результате формируется мулътифрейм
TU-12 с периодом повторения 500 мкс и составной длиной 144 байта.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
53
Указатели VI и V2 составляют одно общее 16-битное поле, назначение бит в котором
следующее (слева-направо):
- биты 1-4 (биты N) - флаг новых данных NDF (изменение его нормального значения “ОНО" на
инверсное “1001” сообщает, что под действием нагрузки изменилось выравнивание, а возмож-
но и размер TU);
- биты 5-6 (биты S) - указатель типа трибного блока TU (для TU-12 это последовательность
“10”);
- биты 7-16 - собственно указатель TU-n PTR (чередующаяся последовательность I/D бит, где
I - биты положительного выравнивания, a D - биты отрицательного выравнивания), для TU-
12 его величина может изменяться в диапазоне 0-139. Этот указатель и определяет положе-
ние первого фрейма VC-12, располагающегося после V2 в мулътифрейме TU-12 (рис. 2-7, ниж-
ний, поле 0-34).
Указатель V4 является резервным полем, a V3 фактически используется для выравнивания.
V5 VC-121 J2 VC-122 Z6 VC-123 Z7 УС-124
VI 105-139 V2 0-34 V3 35-69 V4 70-104
VI 105-139 V2 0-34 V3 35-69 V4 70-104
Рис. 2-7. Мультифреймы VC-12 (VC-121,2,3,4)и TU-12 (V1-...V4) в плавающем режиме
Выравнивание осуществляется по отношению к первому фрейму и может быть как по-
ложительным, при котором последующие фреймы сдвигаются назад от V3 к V4, для чего ис-
пользуется байт, следующий за V3, так и отрицательным (от V4 к V3) - для чего используется
поле указателя V3 (в этом случае оно интерпретируется как поле данных).
В фиксированном режиме указатели не используются и мулътифрейм не формируется.
Для такого режима может быть использовано как бит-синхронное, так и байт-синхронное
отображения. Причем последний вариант не используется в сетях с вводом/выводом VC-1.
В этом режиме TU-12 представляется в виде кадра с исходным периодом повторения
125 мкс и длиной 36 байтов, из которых первый байт (обозначаемый как R) условно содержит
образы VI, V2, V3, V4, а второй (также R) - образы V5, J2, Z6, Z7.
Шаг 4. Последовательность трибных блоков TU-12 в результате байт-
мультиплексирования 3:1 превращается в группу трибных блоков TUG-2 с суммарной длиной по-
следовательности (кадра) 108 байтов (36x3 = 108). Логически структуру TUG-2 также удобнее
представить в виде фрейма 9x12 байтов. . ,
Замечание 2. Фактически при мультиплексировании TU-12 в TUG-2 указатели TU-12 PTR
располагаются отдельно от виртуальных контейнеров в начале фрейма, как это показано ниже
на рис. 2-9.
Шаг 5. Последовательность TUG-2 подвергается повторному байт-мультиплексированию
7:1, в результате которого формируется группа трибных блоков TUG-3 - кадр длиной 756 байтов
(108x7 = 756), соответствующий фрейму 9x84 байта.
Замечание 3. Фактически TUG-3 соответствует фрейму 9x86, так как в начале, добав-
ляются два столбца (поле 2x9 байтов) (см. рис. 2-8 на след, стр.), состоягцие из поля индикации
нулевого указателя - NPI и фиксированного пустого поля (наполнителя) - FS. В результате
формула образования TUG-3 принимает вид: TUG-3 = 7 х TUG-2 + NPI + FSpjjQ.3, где индекс
TUG-3 используется для отличия FS, применяемого в различных структурах. Таким образом,
кадр TUG-3 имеет длину 774 байта (7x108+ 3+15 = 774), что соответствует фрейму 9x86 бай-
тов. Процедура мультиплексирования наглядно показана на рис. 2-8, а схема формирования
TUG-3 на рис. 2-9.
54 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
TU-1 TU-12
TU-11
123456739 ..................................................................... 7880828486
79 818385
Рис. 2-8. Процедура мультиплексирования TUG-2 в TUG-3
в одном TUG-2
Рис. 2-9. Схема формирования TUG-3
Шаг 6. Полученная последовательность снова байт-мультиплексируется 3:1, в результате
чего формируется последовательность блоков TUG-3 с суммарной длиной 2322 байта (774x3 =
2322).
Шаг 7. Происходит формирование виртуального контейнера верхнего уровня VC-4 в ре-
зультате добавления к полученной последовательности (в соответствии со схемой на рис. 2-6)
маршрутного заголовка РОН длиной 9 байтов, что приводит к кадру длиной в 2331 байтов (2322+9
= 2331).
Замечание 4. Фактически VC-4 соответствует фрейму 9x261, структура которого со-
стоит из одного столбца (1x9 байтов) РОН, двух столбцов фиксированного пустого поля FS и
трех блоков TUG-3, полученных в результате мультиплексирования. В результате формула обра-
зования VC-4 принимает вид: VC-4 = 3 х TUG-3 + РОНус-4 + FSyC-4- Таким образом, последо-
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
55
вателъностъ (кадр) VC-4 имеет длину 2349 байтов (3x774+9 +2x9 =2349), что соответствует
фрейму 9x261 байт.
Шаг 8. На последнем этапе происходит формирование синхронного транспортного мо-
дуля STM-1. При этом сначала формируется AU-4 путем добавления указателя AU-4 PTR длиной
9 байтов, который располагается в SOH (см. ниже), а затем группа административных блоков
AUG путем формального, в данном конкретном случае, мультиплексирования 1:1 административ-
ного блока AU-4.
К группе AUG добавляется секционный заголовок SOH, который состоит из двух частей:
заголовка регенераторной секции RSOH (формат 3x9 байтов) и заголовка мультиплексной сек-
ции MSOH (формат 5x9 байтов), что окончательно формирует синхронный транспортный мо-
дуль STM-1, представляемый в виде кадра длиной 2430 байтов, или в виде фрейма 9x270 байтов,
что при частоте повторения в 8 кГц соответствует скорости передачи 155,52 Мбит/с.
Итак, если подытожить результаты рассмотренного примера, получаем следующую итого-
вую формулу преобразования двоичного потока Е1 в схеме мультиплексирования по стандарту
ETSI (даны как символьный (первый) вариант, так и численный (второй) вариант, где значения
приведены в байтах):
STM-1 = ((((El+<6admbi>+VC-12_POH+TU-12_PTR)x3TUG-2)x7TUG-3+NPI+FSTUG-3)x3vC-4+
+VC-4POH+FSvC-4 +А U-4_PTR)x1a UG+FSOH+MSOH;
STM-1 = ((((32Е1+2байты+1 VC-12_POH+1 TU-12JPTR) *3 TUG-2) *7TUG-3+3NPI+l MS TUG-3) *
*3 VC-4+9 VC-4_POH+18fs_ VC-4+9a U-4_PTR) *1A UG+3 *9rsoh+5 :9mS()H.
Указанные формулы являются более точной, хотя и менее наглядной (по сравнению с рис.
2-6) эквивалентной формой представления процесса формирования модуля STM-1, которую мож-
но рассматривать в качестве обобщенного алгоритма процедуры его формирования. Эти формулы
можно было бы получить для всех вариантов сборки такого модуля.
2.1.6. Другие варианты сборки модуля STM-1 по схеме ETSI
Рассмотрим кратко другие варианты сборки модуля STM-1 по схеме ETSI, рис. 2-4. Их всего че-
тыре:
1 - вариант сборки, порожденный трибом Т1 (1,5 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-11:
Tl->C-ll-^VC-ll->TU-12->TUG-2->TUG-3->VC-4->AU-4->AUG-^STM-l;
2 - вариант сборки, порожденный трибом ЕЗ (34 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-3:
E3^C-3-^VC-3^TU-3->TUG-3->VC-4->AU-4->AUG->STM-l;
3 - вариант сборки, порожденный трибом ТЗ (45 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-3:
T3^C-3^VC-3^TU-3-^TUG-3^VC-4^AU-4-^AUG-^STM-l;
(формально путь сборки тот же, что и в предыдущем варианте);
4 - вариант сборки, порожденный трибом Е4 (140 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-4:
Е4-Э С-4-Э VC-4-Э AU-4-Э AUG-Э STM-1.
Варианты 1 и 3 применяются для обеспечения совместимости с сетями SONET/SDH, ис-
пользующими американскую иерархию PDH.
Аналогично предыдущему, с небольшими пояснениями, можно привести итоговые фор-
мулы преобразования соответствующих двоичных потоков в схеме мультиплексирования ETSI
56
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
(символьный (первый) вариант и численный (второй) вариант, где значения приведены в байтах
или битах).
Формулы для варианта 1 имеют вид:
STM-1 = ((((Tl+<6aUmbi>+VC-ll_POH+TU-12_PTR+FSTU-12)x3TUG-2)x7TUG-3+NPI+
+FStUG-3)x3 vC-4+VC-4_POH+FSvc-4 +А U-4_PTR)x1a UG+RSOH+MSOH;
STM-1 = ((((24т1+1байты+1 VC-1 I_P()H+JtU-12PTR+7FSTU-I2) *3 TUG-2) *?TUG-3+3nPI+
+15 FS_ TUG-3) *3 VC-4+9 VC-4_POH+2 *9fS_ VC-4+9 A U-4_PTR) *1A UG+3 "9rS()H+5 *9mS0H.
Здесь поток Т1 формально представлен в виде 24-байтной последовательности; С-11 = 25
байт; VC-11 = 26 байт, так как VC-11 РОН = 1 байт; TU-12 PTR = 1 байт. При преобразовании VC-
11 в TU-12 добавляется фиксированное пустое поле FStu-12 = 9 байт (этого не было в варианте
сборки, порожденном Е1) в результате чего формируется такой же по формату фрейм TU-12 (9x4
= 36 байт). Последующий процесс тот же, что и в варианте сборки, порожденном Е1.
Формулы для варианта 2 имеют вид:
STM-1 => (((E3+<6aiimbi>+VC-3_POH+TU-3_PTR+FSTU-3)xl TUG-3)x3 VC-4+
+VC-4POH+FSVC-4 +А U-4_PTR)x1a UG+RSOH+MSOH;
STM-1 = (((53 7ЕЗ+219байты+9 VC-3_POH+3tU-3_PTR+6fS_ TU-3) TUG-3) *3 VC-4+9 ус-
4РОН+2 "9fs_ VC-4+9 A U-4PTR) *1A UG+3 *9rS0H+5 *9mSOH.
Здесь поток ЕЗ (34368 кбит/с) может быть формально представлен в виде 537-байтной по-
следовательности (34368/64=537), которая дополняется 219 байтами до 756-байтной полезной на-
грузки (формат 9x84 байта) виртуального контейнера VC-3. Соответствующая ей скорость 48384
кбит/с принимается за скорость контейнера С-3 [46]. При этом контейнер С-3 преобразуется в VC-
3 по общей схеме: VC-3 = VC-3 РОН + PL, где PL - полезная нагрузка, представляемая в виде трех
идентичных субфреймов SF (формат 3x84 байта), обозначаемых в [16] как Tl, Т2 и ТЗ. Здесь мы
обозначим их как чтобы не путать с трибами Тп. В соответствии с [16] полезная нагрузка
(символьный вариант) формируется по более сложной схеме:
PL = Tj +Т2 +Т3 = 3x(VC-3i+FSyc~3+JCByc-3+JOByc-3)-
Здесь VC-3[ - информационная часть нагрузки SF (1431 бит), FSvc-з - фиксированное пус-
тое поле SF контейнера VC-3 (573 бита), JCBVc-3 - биты управления выравниванием SF (2x5 бит),
JOBvc-з - биты возможного выравнивания SF (2 бита).
В результате численный вариант формирования полезной нагрузки примет вид:
PL = 3*(1431yc-3_l+373FS_VC-3+2*5jCB_VC-3+2jOB_VC-3)/8 = 756 [байт].
Формулы для варианта 3 имеют вид:
STM-1 ~ (((T3+<6aiunt>i>+VC-3 POII+TU-3_PTR+FSrp[j-3)xlTUG-3)x3yC-4+
+VC-4_POH+FSyc-4 +А U-4_PTR)x1a UG+RSOH+MSOH;
STM-1 = (((699тз+5 7байты+9 VC-3POH+3 TU-3PTR+6FS TU-3) */ TUG-3) *3 УС-4+9 VC-
4_POH+2 *9fS_ VC-4+9 A U-4_PTR) *1A UG+3 *9rS0H+5 *9mS0H.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
57
Здесь поток ТЗ (44736 кбит/с) может быть формально представлен в виде 699-байтной по-
следовательности (44736/64=699), которая дополняется 57 байтами до 756-байтной полезной на-
грузки (формат 9x84 байта) виртуального контейнера VC-3. При этом структура контейнера С-3
преобразуется в VC-3 по той же схеме, что и в варианте 2: VC-3 = VC-3 РОН + PL, но PL пред-
ставляется в виде девяти идентичных субфреймов SF (формат 1x84 байта). В соответствии с этим
полезная нагрузка (символьный вариант) формируется по схеме:
PL = 9x(VC-3i+FSvC-3+JCByc-3+JOBVC-3+OHCyc.3).
Здесь используются те же обозначения, что и раньше: VC-31 имеет длину 621 бит, FSvc-з -
43 бита, JCBvc-з - 5 бит, JOBvc-з - 1 бит. Дополнительно в SF резервируется поле OHCvc-з длиной
2 бита для организации в будущем канала связи заголовка.
В результате численный вариант формирования полезной нагрузки примет вид:
PL = 9*(621vC-3_I+43FS_VC-3^JCB_VC-3+ljOB_VC-3+2OHcyc-3)/8 = 756 [байт].
Формулы для варианта 4 имеют вид:
STM-1 = (E4+<6aiimM>+VC-4_POH+AU-4_PTR)xlAUG+RSOH+MSOH;
STM-1 = (217бЕ4+164байты+9уС-4_РОН+9А U-4PTR) *1А UG+3 *9rSOH+5 *9MS0H
Здесь поток Е4 (139264 кбит/с) может быть формально представлен в виде 2176-байтной
последовательности (139264/64=2176), которая дополняется 164 байтами до 2340-байтной полез-
ной нагрузки (формат 9x260 байт) виртуального контейнера VC-4. При этом контейнер С-4 преоб-
разуется в VC-4 по аналогичной схеме: VC-3 = VC-3 РОН + PL, но PL представляется в виде девя-
ти идентичных субфреймов SF (формат 1x260 байт), разделенных на 20 блоков по 13 байт каж-
дый. В соответствии с этим полезная нагрузка (символьный вариант) формируется по наиболее
сложно формализуемой схеме (рис. 2-10):
PL = 9x(20x(VC-4i)+VC-4iw+VC-4iz+13FSyc-4+5FSx+FSz+5JCBx+JOBz+5OHCx).
Обозначения те же: VC-41 - суммарная длина на один SF - 1934 бита (20*12*8 (поля 961) +
8 (байт W) + 6 (байт Z)); FSVC.4 - 130 бит (13*8 (байты Y) + 5*5 (байты X) + 1 (байт Z)); JCBX - 5
бит (5*1 - байты X); JOBZ - 1 бит (байт Z); ОНСХ - 10 бит (5*2 - байты X): байты: W (11111 111),
X(CRRRRRO О), Y (R R R R R R R R), Z (I I I I I I S R): I - информационный бит; С - бит
управления выравниванием; R - бит заполнения пустого поля; О - бит канала связи заголовка; S -
бит возможного выравнивания.
W 961 X 961 Y 1 961 1 Y I 961 Y 961
X 961 Y 961 Y 961 I Y J 961 X 961
Y 961 У 961 y”1 961 X 961 Y 961
Y 961 Y | 961 X 1 961 1 V 1 961 Z 961
Рис. 2-10. Карта субфрейма SF при асинхронном отображении триба Е4 на VC-4
В результате численный вариант формирования полезной нагрузки примет вид:
PL = 9*20*13 = 9*(20*(12*8VC-4_])+8w^6^jz+13*8fS_VC-4+
+5*5FSX+1FS_z+5*ljCBJX+lJOB_Z+5*2Oncx)/8 = 2340 [байт].
Аналогично могут быть описаны варианты сборки модуля STM-1 по схеме на рис. 2-5.
1 - вариант сборки, порожденный трибом Т1 (1,5 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-11:
58
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Tl^CM l^VC-ll->TU-ll->TUG-2->VC-3->AU-3->AUG->STM-l;
2 - вариант сборки, порожденный трибом Е1 (2 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-12:
El^C-12^VC-12->TU-12->TUG-2->VC-3->AU-3->AUG->STM-l;
3 - вариант сборки, порожденный трибом Т2 (6 Мбит/с), отображаемым на контейнер С-2:
T2^C-2^VC-2^TU-2^TUG-2^VC-3^AU-3^AUG^STM-1;
4 - вариант сборки, порожденный трибами ЕЗ или ТЗ (34/45 Мбит/с), отображаемыми на контей-
нер С-3:
ЕЗ/ТЗ С-3 VC-3 AU-3 AUGG> STM-1;
5 - вариант сборки, порожденный трибом Е4 (140 Мбит/с):
E4^C-3^VC-3^AU-3^AUG^STM-1.
Сборка модулей STM-1 является одним из основных этапов в структуре мультиплексиро-
вания SDH. Для первого уровня синхронной иерархии он является последним этапом мультиплек-
сирования, тогда как для последующих уровней необходимо рассмотреть, как из модуля первого
уровня собирается модуль требуемого уровня. Это сделано в следующем пункте.
2.1.7. Сборка модулей STM-N
Выбор ряда скоростей для STM-N иерархии SDH, то-есть дальнейшее стандартное наращивание
скоростей передачи, первоначально предполагалось осуществлять по схеме, формально соответ-
ствующей схеме SONET, используя фактически скорости кратные STM-1, с коэффициентами
кратности 1, 4, 8, 12, 16. Два уровня SDH иерархии: STM-1 = 155,52 Мбит/с и STM-4 = 622,08
Мбит/с, были зафиксированы в 1988 г. в стандарте G.707 (редакция 1988 г.) [16] и назывались со-
ответственно первым и четвертым уровнем иерархии SDH (хотя логично было бы называть их
первым и вторым уровнем, так как промежуточных уровней между ними нет).
Последущий период разработки и применения этого стандарта, показал, что коэффициен-
ты кратности 8 и 12, имеющие скорости 1244,16 и 1866,24 Мбит/с, предложенные в [16, редакция
1988 г.] не были осуществлены на практике, а сам ряд SDH скоростей из арифметической про-
грессии, заложенной в SONET (см. гл. 3), трансформировался в геометрическую прогрессию вида
1,4, 16, 64, 256, диктуемую желанием иметь постоянный коэффициент мультиплексирования - 4.
Следуя этому ряду коэффициентов, в настоящее время эксплуатируются или разрабатыва-
ются SDH системы со скоростями, соответствующими окончательной версии SDH иерархии-.
STM-1, STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 или 155,52; 622,08; 2488,32; 9953,28 и 39813,12
Мбит/с. Три первых уровня (называемых по-старому первым, четвертым и шестнадцатым) были
“де-юре” стандартизованы в предпоследней редакции ITU-T Rec. G.707 [16, редакция 1993 г.],
четвертый - в последней опубликованной (на начало 2000 г.) редакции [16, редакция 19.03.96].
Последний (пятый) уровень “де-факто” реализован и используется в серийно производимой аппа-
ратуре (см. разд. 2.7.3), но “де-юре” пока не стандартизован.
Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться как покаскадно (поэтап-
но)-. 4х1->4, 4х4->16, 4х16->64, 4x64-^256, так и непосредственно по схеме N:1->N, где N = 4,
16, 64, 256. При этом для схемы непосредственного мультиплексирования используется чередова-
ние байтов.
Например, если шестнадцать STM-1 каналов (0, 1, 2, ... 13, 14, 15 или в шестнадцатерич-
ном исчислении 0, 1, 2, ... D, Е, F) на входе мультиплексора STM-16 генерируют шестнадцать
байт-последовательностей: bob0bo..., bjbibj..., b2b2b2..., bDbDbD..., bEbEbE..., bEbEbE..., то в результа-
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
59
те мультиплексирования на выходе STM-16 формируется байт-последовательность:
ЬоЬ^-.ЬвЬеЬеЬоЬ^-- .
Фактически так просто удается мультиплексировать только тогда, когда все STM-1 имеют
одинаковую структуру полезной нагрузки, если нет, то нужно, чтобы соблюдались некоторые так
называемые правила бесконфликтного объединения. В стандарте G.708 (версия 1988 г.) требо-
валось, чтобы все STM-1 принадлежали к одной из трех категорий:
1 - AU-3 (разного типа), несущие С-3 в качестве полезной нагрузки;
2 - AU-n (разного типа), но несущие тот же тип TUG-2 в качестве полезной нагрузки;
3 - Различные типы TUG-2 в качестве полезной нагрузки.
В том же стандарте предпоследней версии (1993 г.) и затем в последней версии стандарта
G.707 [16] в связи с различиями схем мультиплексирования ETSI и SONET/SDH (см. рис. 2-4, 2-5)
эти правила объединения STM-N еще более ужесточаются, так как требуется идентичность схемы
(т.е. последовательности шагов в алгоритме) мультиплексирования и указываются предпочти-
тельные схемы, а именно:
- при мультиплексировании последовательностей STM-N, содержащих VC-11, которые исполь-
зуют различные TU-n (TU-11 или TU-12), предпочтение отдается схеме на рис. 2-5, исполь-
зующей TU-11; это значит, что VC-11, мультиплексированный по схеме на рис. 2-4, должен
быть демультиплексирован, начиная с TUG-2, до уровня VC-11, т.е. по схеме: TUG-2->TU-
12->VC-l 1, а затем ремультиплексирован по схеме: VC-11 ->TU-11 TUG-2;
- при мультиплексировании последовательностей STM-N, содержащих AUG, которые исполь-
зуют разные AU-n (AU-4 или AU-3), предпочтение отдается схеме на рис. 2-4, использующей
AU-4. Те же STM-N, которые использовали AU-3, т.е. собирались по схеме на рис. 2-5, должны
быть демультиплексированы до уровня TUG-2 (по схеме: AUG^AU-3->VC-3^TUG-2) или
VC-3 (по схеме: AUG->AU-3-^VC-3) в зависимости от типа полезной нагрузки, а затем ре-
мультиплексированы по схеме: TUG-2-^TUG-3->VC-4-^AU-4->AUG или VC-3->TU-
3-^TUG-3-^VC-4->AU-4AUG соответственно;
- для случая объединения конкатенированных фреймов (сцепок) такие правила еще не разрабо-
таны.
Ясно, что эти сложности возникают как правило при пересечении границ зон действия
различных форматов SDH-мультиплексирования (ETSI-SONET/SDH).
Техника демультиплексирования/ремультиплексирования в настоящее время широко ис-
пользуется при стыковке систем с различными типами формируемых модулей, как это имеет ме-
сто в радиорелейных и спутниковых системах SDH (см. ниже).
Если при формировании модуля STM-N используется каскадное мультиплексирование, то
оно осуществляется по схеме чередования групп байтов, причем число байтов в группе равно
кратности мультиплексирования предыдущего каскада. Например, если формирование STM-16
происходит по двухэтапной схеме: 4xSTM-l -^STM-4 и 4xSTM-4^STM-16, то на первом этапе
используется мультиплексирование по схеме с байт-интерливингом, а на втором - по схеме с ин-
терливингом по группам, состоящим из четырех байтов. Если предположить, что на вход каждого
из четырех STM-4, питающих STM-16, поступают последовательности {Ь/} (здесь подстрочные
индексы 1=0,1,2,3 - номера входов, а надстрочные индексы j=l,2,3,4 - номера мультиплексоров
STM-4), то процесс формирования можно представить схемой, представленной на след, стр:
Ясно, что если формирование STM-64 происходит по трехэтапной схеме: 4xSTM-l^STM-
4, 4xSTM-4->STM-16, 4xSTM-16-^STM-64, то на первом этапе используется мультиплексирова-
ние по схеме с байт-интерливингом, на втором - с интерливингом по группам, состоящим из четы-
рех байтов, а на третьем - с интерливингом по группам из 16 байтов.
60
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Ьо! Ь„! Ь„'...] bjb/bjbjbjb/...
ь'ь^ь^... }•---------------------------------------------------
b2 b2 b2 ... | bo bn />«...1
J bfbi2b,2... I bo2b2b22b32b(2b2...
b22b22b22... }•----------------------
b32b32b32... J
bo bo bo ... 1 b03bj b2 b3 bo b/ ...
bl3bl3bl3... !•----------------------
bo b4bo ...I b2 b2 b2 ... I
bl4bl4bl4... I b3b33b3... J b04b4b2 b34b04bi4...
b24 b24b24... -------------------------------------------------
b34b34 A/...]
^Ь^Ь^Ь^Ь^.Ь^Ь^Ь,?
2.1.8, Структура фреймов STM-N
Все варианты мультиплексирования, с которыми мы ознакомились, сводились к формированию
физического модуля STM-1, а затем STM-N. Рассмотрим логическую структуру модуля STM-N,
представленную в виде фрейма STM-N с его заголовками.
Структура фрейма модуля STM-N приведена на рис. 2-11. Фрейм для удобства рассмотре-
ния представлен в виде двумерной структуры (матрицы) с форматом 9 строк на 270xN однобайт-
ных столбцов. Структуру можно развернуть в виде одномерной повторяющейся с частотой вы-
борки 8000 Гц цифровой последовательности, или кадра, длиной 2430xN байтов (9*270=2430).
Такая развертка, соответствующая отображению матрицы на одномерный массив, осуществляется
построчно в соответствии со схемой мультиплексирования, начиная с 1 строки по 9.
Фрейм состоит из трех групп полей: поля секционных заголовков SOH формата 3x9xN и
5x9xN байтов, поля указателя AU-4 формата 1x9xN байтов и поля полезной нагрузки формата
9x261xN байтов (N=l, 4 16, 64, 256).
Рис. 2-11. Структура фрейма STM-N
2.1.8.1. Административные блоки в STM-N
Нагрузка STM-N допускает фиксированное отображение N групп административных блоков AUG
на общее поле полезной нагрузки. Причем каждая группа AUG может состоять из одного AU-4
(см. рис. 2-12,а) или из трех AU-3, мультиплексированных по схеме с байт-интерливингом (см.
рис. 2-12,6). При этом строка указателей AU-n PTR содержит либо AU-4 PTR для блока AU-4, ли-
бо три AU-3 PTR для AU-3.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
61
Рис. 2-12. Структура фрейма STM-1: а) - с одним AU-4; б) - с тремя AU-3
Положение контейнеров VC-n внутри фрейма STM-1 не фиксировано, так как указатели
AU-n PTR (п=3,4) задают положение первых байтов VC-n относительно фиксированных позиций
указателей. Это позволяет VC-n “плавать” внутри блока AU-n и компенсировать не только раз-
ность фаз VC и SOH, но и разность скоростей составляющих их фреймов (по 3 байта зарезервиро-
ваны для положительного и отрицательного выравнивания, см. ниже).
Блок AU-4 имеет полезную нагрузку 9x261 байтов и служит (рис. 2-4) для транспортиров-
ки одного VC-4, имеющего свой маршрутный заголовок РОН (левый столбец размером 9 бай-
тов). Основное назначение РОН - обеспечить целостность связи на маршруте (тракте) от точки
сборки виртуального контейнера до точки его разборки (назначение отдельных байт см. ниже в
разд. 2.2.9).
Полезная нагрузка VC-4 (9x260 байтов) при двухэтапной схеме мультиплексирования
служит для транспортировки нескольких трибных блоков TU-n (п=1,2,3). Виртуальный контейнер
VC-n, ассоциированный с каждым из TU-n, также не имеет фиксированной позиции по отноше-
нию к началу VC-4. Она задается указателем TU-n PTR.
В свою очередь AU-3 (рис. 2-5) служит для транспортировки (с использованием VC-3)
трибных блоков TU-n (п=1,2) при двухэтапной схеме мультиплексирования. Виртуальный контей-
нер VC-n, ассоциированный с каждым из TU-n, также не имеет фиксированной позиции по отно-
шению к началу VC-3. Она задается указателем TU-n PTR. Виртуальный контейнер VC-3 имеет
такой же заголовок РОН, как и VC-4 (см. разд. 2.2.9).
2.1.8.2. Мультиплексирование административных блоков
Рассмотрим более подробно схему мультиплексирования административных блоков AU-n в мо-
дуль STM-N. В соответствии с рис. 2-3 она осуществляется в два этапа: AU-n AUG и AUG
STM-N. Последний этап является общим и не зависит от типа AU-n.
Схема мультиплексирования N AUG в модуль STM-N приведена на рис. 2-13 (см. след,
стр.). AUG состоит из фрейма размером 9x261 байтов и заголовка 1x9 байтов в 4 строке, исполь-
зуемого под указатель. Фреймы AUG мультиплексируются по схеме с байт-интерливингом, фор-
мируя поле полезной нагрузки STM-N размером Nx261, а заголовки по той же схеме в общую
строку 4 Nx9 общего заголовка STM-N.
62 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
N Х9
N X 261 STM-N
Рис. 2-13. Мультиплексирование N AUG в STM-N
Мультиплексирование AU-4 и AU-3 в AUG отличаются друг от друга. Для AU-4 оно пока-
зано на рис. 2-14, а для AU-3 на рис. 2-15 (ниже).
Рис. 2-14. Мультиплексирование AU-4 в AUG
В первом случае мультиплексирования фактически не происходит, просто 9 байт заголов-
ка AU-4 помещаются в первые 9 байтов строки 4, образуя указатель AU-4 PTR, а в поле полезной
нагрузки 9x261 AUG непосредственно размещается VC-4. При этом AU-4 PTR указывает на по-
ложение 1 байта VC-4 (см. рис. 2-14).
Блок AU-3 (см. рис. 2-15) состоит из фрейма размером 9x87 байтов, в структуре которого
есть 2 фиксированных резервных столбца 30 и 59, байты bii30 и biiS9 в которых (для каждого AU-3)
должны быть произвольными, но одинаковыми, и заголовка 1x3 байта (Н1,Н2,НЗ), помещенного в
начале строки 4. Мультиплексирование осуществляется по схеме с байт-интерливингом отдельно
для заголовков и фреймов, причем положение 1 байта VC-3 и резервных столбцов (наполнителей)
не фиксируется, а задается указателями AU-3 PTR.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
63
Рис. 2-15. Мультиплексирование AU-3 в AUG
2.1.8.3. Мультиплексирование трибных блоков
Как видно из рис. 2-3, VC-4 и VC-3 формируются из TUG-3 и/или TUG-2, а те, в свою очередь, из
TU-n, причем группа трибных блоков TUG-3 используется только в схеме ETSI для формирования
STM-N.
Структура TUG-3 представлена фреймом 9x86 байтов. Для формирования VC-4 три груп-
пы TUG-3 мультиплексируются по схеме с байт-интерливингом так, как показано на рис. 2-16.
Рис. 2-16. Мультиплексирование трех TUG-3 в один VC-4
64
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
В результате этого формируется поле 9x258 байтов, которое дополняется впереди напол-
нителем из 2 фиксированных резервных колонок 2 и 3, для заполнения поля полезной нагрузки
VC-4 (9x260 байтов), при этом первая колонка является заголовком VC-4 РОН, см. рис. 2-16.
Группы TUG-3, в свою очередь, могут быть сформированы из семи групп TUG-2 путем
мультиплексирования по схеме с байт-интерливингом, как это показано выше на рис. 2-8 (схема
мультиплексирования) и рис. 2-9 (состав VC-n и расположение указателей TU-n PTR). В этом слу-
чае 7xTUG-2 занимают поле 9x84 байта, оставляя незаполненными первые два столбца в качестве
фиксированного наполнителя.
Аналогично TUG-3 могут быть сформированы из одного трибного блока TU-3, состояще-
го, как отмечалось выше, из одного виртуального контейнера VC-3, имеющего формат 9x85 бай-
тов (с учетом 1 столбца VC-3 РОН), и указателя TU-3 PTR (Н1,Н2,НЗ), занимающего первые три
байта первого столбца TUG-3. Остальные 6 байтов занимает фиксированный наполнитель (см.
рис. 2-17). Структура заголовка VC-3 РОН такая же, как и у VC-4 РОН, точное назначение байтов
см. разд. 2.2,9.
С другой стороны для формирования VC-3 достаточно смультиплексировать 7 групп TUG-
2 (см. рис. 2-5), которые точно укладываются в поле полезной нагрузки VC-3 (9x84 байтов).
Наконец, используя TUG-2 как промежуточный этап, можно сформировать VC-3, мульти-
плексируя TU-2, TU-12 или TU-11, аналогично тому как это показано на рис. 2-8, 2-9 для TUG-3.
Разница только в том, что использовать фиксированный наполнитель вообще не потребуется.
86 байт
Рис. 2-17. Мультиплексирование одного TU-3 в TUG-3
2.1.8.4. Схема нумерации AU-n/TU-n в кадре STM-1
При логическом формировании фреймов различных структур: AUG, AU-n, VC-n, TUG-n и TU-n. -
было удобно их матричное (двумерное) представление. При решении задач ввода/вывода или
коммутации, или преобразования VC-n, TU-n и AU-n удобно одномерное представление модуля
STM-1 в виде кадра, так как нам важно знать адреса, где физически находятся части указанных
структур внутри одномерного потока циклически повторяющихся кадров. Эта задача формально
решается легко, если известна схема формирования модуля STM-1, так как алгоритм преобразова-
ния фрейма STM-1 в кадр путем построчной (слева-направо, сверху-вниз) развертки двумерной
матрицы в матрицу-строку всегда известен.
Так, в случае фрейма STM-1, сформированного через AU-4, столбцы полезной нагрузки
можно адресовать, используя три индекса к, I, т, где к представляет номер TUG-3,1 - номер TUG-
2 и т - номер TU-1. Если он сформирован через AU-3, то достаточно знать только индексы I и т
[16].
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
65
Каждый трехиндексный адрес способен локализовать положение одной адресуемой еди-
ницы, в качестве которой выступает 1 столбец фрейма (9 байтов) именуемый тайм-слотом (TS).
Например, в VC-4 (где 261 столбец-тайм-слот) схема нумерации тайм-слотов начинается для TU-
12 с 10 столбца, следовательно поле полезной нагрузки содержит 252 TS, а так как фрейм TU-12
состоит из 4 столбцов, то VC-4 содержит всего 63 TU-12. Каждый столбец-тайм-слот, принадле-
жащий к одному и тому же TU-12 должен иметь тот же самый уникальный набор индексов. В ре-
зультате все 63 TU-12 (а значит и все 63 триба Е1 в VC-12) будут иметь уникальные адреса, начи-
ная с триба 1 - TU-12(1,1,1) и кончая трибом TU-12(3,7,3).
Трехиндексный адрес позволяет определить номера столбцов, физически относящихся к
одному и тому же AU-n. Так для фрейма, сформированного через AU-4, эти номера можно опре-
делить по формуле:
псо1 = 10 + [к-1] + 3[1-1] + 21[т-1] + 63[х-1], гдех= 1,2,3,4.
В результате для триба 1, или TU-12(1,1,1), получаем столбцы: 10, 73, 136, 199. Более под-
робно о схемах нумерации см. ITU-T G.707 [16].
2.1.8.5. Указатели AU-n
Как мы уже отмечали, указатели AU-n позволяют гибко и оперативно (в динамике) отображать
положение виртуального контейнера VC-n внутри полезной нагрузки фрейма AU-n, что позволяет
VC-4 “плавать” внутри AU-n. Фактически этот указатель не только позволяет учесть разницу в по-
ложении VC-n и SOH, но и разницу в скоростях фреймов.
Указатель AU-4 начала контейнера VC-4 помещается в байтах Hl, Н2 и НЗ (байты в заго-
ловке SOH, строка 4), как показано на рис. 2-18. Аналогично этому в 9 байтов той же строки по-
мещаются и три указателя AU-3 (по три байта каждый) на три контейнера VC-3.
Рис. 2-18. Схема нумерации байтов полезной нагрузки при использовании указателя ALI-4
(Г означает байт с единичными битами)
Машинное слово указателя
Байты Н1 и Н2 рассматриваются как одно машинное слово указателя, которое имеет
структуру:
NNNNSSIDIDIDIDID,
5-48
66
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
в которой собственно величина смещения начала VC-n, задаваемая указателем, определяется де-
сятью битами IDIDIDIDID. При этом диапазон смещения для AU-4 и AU-3 составляет 0-78210, а
для TU-3 - 0-764,0. Смещение может быть как положительным, так и отрицательным. Для отрица-
тельного смещения используется поле в три байта НЗ, для положительного - байты 10, 11 и 12 в
той же строке (см. рис. 2-18). Величина смещения, равная нулю, означает, что VC-4 начинается с
10 байта в строке 4 (помечен как 0), а равная 87, означает, что он начинается с 10 байта в строке 5
(помечен как 87).
Флаг новых данных и динамическое выравнивание скорости
Указатель AU-4 PTR может использоваться и для индикации конкатенации блоков AU-4,
при этом его формат принимает вид: “1001 SSI 111111111”, здесь (как и выше) символами SS обо-
значены неспецифицируемые биты, aN - бит флага новых данных (NDF).
При наличии разницы в скоростях фреймов AUG и VC-n значение указателя может под-
страиваться путем динамического увеличения/уменьшения смещения начала фрейма VC-4. Такая
операция динамического выравнивания скорости может проводиться довольно часто, но не ча-
ще, чем на каждом четвертом фрейме.
Если требуется произвольное изменение значения указателя, то используется инвертиро-
вание битов NDF, т.е. посылка указателя вида “01 lOSSxxxxxxxxxx” означает нормальный процесс
передачи, а посылка указателя вида “IOOISSxxxxxxxxxx” означает произвольное изменение зна-
чения указателя и содержит его новое значение, которое не может измениться при прохождении
по крайней мере трех последовательных фреймов. Более подробно о процедуре выравнивания
скорости фрейма VC-4 и использования указателей AU-4 PTR см. в [16].
Конкатенация административных блоков и мультиконтейнеры
Блоки AU-4 могут быть конкатенированы (составлены/сцеплены вместе в единое поле)
для образования блока AU-4-Xc, который может иметь существенно большую длину поля полез-
ной нагрузки соответствующего ему виртуального контейнера VC-4-Хс. Такой контейнер называ-
ется мультиконтейнером С-4. Его емкость в X раз больше емкости исходного, т.е. соответствует
фрейму размера 9хХх261 байтов, в котором 1 столбец используется под заголовок РОН, следую-
щие (Х-1) столбцы используются в качестве фиксированного наполнителя, а остальное поле раз-
мера 9хХх260 байтов занято полезной нагрузкой.
Указатели других трибных блоков
Аналогично тому, как было рассмотрено использование указателя AU-4, можно рассмот-
реть использование других указателей: AU-3, TU-3, TU-2 и TU-1. Указатели AU-3 и TU-3 форми-
руются, используются и имеют те же особенности, что и AU-4, поэтому мы кратко остановимся
ниже на указателях TU-2/TU-1. Эти указатели, как и AU-4, дают возможность не только
“асинхронного плавания” нагрузки, но и позволяют осуществлять динамическое выравнивание
VC-2/VC-1 в рамках мультифреймов TU-1 и TU-2 независимо от их фактического содержимого.
Собственно слово указателя TU-2/TU-1 содержится в байтах Vl (PTR1) и V2 (PTR2), а полное по-
ле действия указателя составлено из 4 байтов: VI, V2, V3 (PTR3) и V4 (резерв) как показано на
рис. 2-19 (левая часть).
Формат собственно указателя при этом такой же, как он был описан выше для указателя
AU-4 (NNNNSSIDIDIDIDID), разница только в том, что поле SS служит для идентификации типа
трибного блока, а именно: 00 - для TU-2, 10 - для TU-12, а 11 - для TU-11. Байт V3 используется
при отрицательном выравнивании VC-n; байт, следующий за V3 (PTR3), используется при поло-
жительном выравнивании VC-n, а нулевая позиция смещения начала VC-n располагается в первом
байте (байте 0) сразу за байтом V2 (PTR2), как показано на рис. 2-19 справа. Максимальный диа-
пазон смещения для VC-n при этом составляет: 0-103ю для блока TU-11, 0-139ю для блока TU-12 и
0-427,0 для блока TU-2.
Использование флага NDF - аналогично предыдущему, а индикатор использования конка-
тенации трибных блоков TU-2 в блок TU-2-mc (m х TU-2) точно такой же, как и раньше, здесь т -
коэффициент кратности длины мультиконтейнера-2. Более подробно о процедуре выравнивания
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
67
скорости фрейма VC-n, о использовании указателей TU-2,12,11 PTR, а также о использовании
байта Н4 (указателя мультифрейма TU-2/TU-1) см. в [16].
Состояние
Производительность
Рис. 2-19. Отображение VC-2/VC-1 на TU-2/TU-1
VC (байт/500 мс)
2.1.9. Структура заголовков фреймов STM-N
При сборке модулей STM-N формируются два типа заголовков: SOH и РОН. Заголовок SOH (см.
рис. 2-20 ниже), состоит из двух полей:
- RSOH - заголовка регенераторной секции (размером 3x9=27 байтов), который расформировы-
вается и формируется функциями регенератора на границах регенераторных секций;
- MSOH - заголовка мультиплексной секции (размером 5x9=45 байтов), который проходит про-
зрачно через регенераторы и разбирается/собирается на границах мультиплексных секций, где
формируется AUG.
Маршрутный заголовок РОН обеспечивает целостность связи между точками сбор-
ки/разборки VC-n, а также мониторинг параметров передачи. Существует два типа РОН:
- VC-4/VC-3 РОН - маршрутные заголовки виртуальных контейнеров верхнего уровня, добав-
ляемые при сборке TUG-2 (или контейнера-3) для образования VC-3, либо при сборке TUG-3
(или контейнера-4) для образования VC-4;
- VC-3/VC-2/VC-1 РОН - маршрутные заголовки виртуальных контейнеров нижнего уровня.
2.1.9.1. Структура заголовка SOH для STM-1
9 байт
м-----------------------►
J L А1 А1 А1 А2 А2 А2 J0
В1 А А Е1 А F1 - RSOH
D1 А А D2 А D3
О Указатель AU-n
В2 В2 В2 К1 К2
СП D4 D5 D6
D7 D8 D9 - MSOH
D10 D11 D12
S1 М1 Е2
Заголовок SOH отвечает за структуру
фрейма STM-N и его связи с мультиф-
реймом в случае мультиплексирования
нескольких модулей STM-N.
Рис. 2-20. Структура заголовков SOH
фрейма STM-1
На рис. 2-20 приведена структура за-
головков STM-1, где используются
следующие обозначения:
5*
68 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
- байты фрейминга А1, А1, А1, А2, К2., А2 являются идентификаторами наличия фрейма
STM-1 в фрейме STM-N (А 1=11110110, А2=00101 000); для STM-N фрейминг составлен из 3xN Al
байтов, за которыми следуют 3xN А2 байтов;
байт J0 используется для трассировки регенераторной секции, осуществляемой путем перио-
дической передачи идентификатора точки доступа секции (SAPI) с тем, чтобы приемник
секции мог непрерывно контролировать наличие связи с передатчиком; в рамках национальной
сети или сети одного оператора SAPI может использовать один байт с кодом (0-255) или 16-
байтовый формат идентификатора точки доступа (API), определенный в рекомендации
G.831 [123], последний формат обязателен, если пересекаются границы указанных сетей;
- байт В1 - байт BIP-8 - формирует 8-битную кодовую последовательность, вычисляемую по
всем битам предыдущего фрейма после процедуры скремблирования, и помещает ее в байт В1
текущего фрейма до скремблирования, BIP-8 используется для проверки на четность с целью
обнаружения ошибок;
байты El, Е2 могут быть использованы для создания цифровых служебных каналов голосовой
связи (64 кбит/с): Е1 (как часть RSOH) для регенераторной секции, Е2 (как часть MSOH) для
мультиплексной секции;
байт F1 зарезервирован для создания временного канала передачи данных/голосовой связи
для нужд пользователя;
- байты D1-D12 формируют служебный канал передачи данных (DCC): D1-D3 формируют
DCC канал регенераторной секции (192 кбит/с), D4-D12 - DCC канал мультиплексной секции
(576 кбит/с);
- три байта В2 (как часть MSOH) используются для формирования 24-битной кодовой последо-
вательности BIP-24, вычисляемой по всем битам предыдущего фрейма за исключением поля
RSOH после процедуры скремблирования, которая помещается в байты В2 текущего фрейма
до скремблирования, BIP-24 используется для проверки на четность с целью обнаружения
ошибок;
- байты KI, К2 (биты 1-5) используются для сигнализации и управления автоматическим за-
щитным переключением (APS) на исправный канал при работе в защищенном режиме, фор-
мат поля подробно описан в рекомендации G.783/Annex А [22];
байт К2 (биты 6-8) используется для индикации дефекта на удаленном конце мультиплекс-
ной секции (MS-RDI) путем размещения в битах 6-8 кода “110” и передачи от приемника де-
фектной MS (или в случае приема MS-AIS) к передатчику;
байт S1 (биты 5-8), используется для передачи сообщения о статусе синхронизации (SSM)
(подробнее см. разд. 5.6.1.2 ниже);
байт Ml используется для индикации ошибки на удаленном конце мультиплексной секции
(MS-REI), байт передает номера блоков (0-255), в которых процедурой BIP-24 были обнаруже-
ны ошибки (подробно процесс генерации и интерпретации Ml для различных STM-N см. в
G.707 [16]);
Примечания:
- байты, помеченные значком X, используются для нужд национальных сетей;
- шесть байтов, помеченных значком А, могут быть дополнительно использованы в зависимости
от среды передачи;
- байты, помеченные звездочками *, не подвергаются (в отличие от остальных) процедуре
скремблирования заголовка; скремблирование - дополнительное шифрование фреймовой по-
следовательности - используется для предотвращения возникновения в линейном коде длин-
ных последовательностей “1” или “0”, с тем, чтобы линейный код был более пригоден для пе-
редачи сигналов синхронизации; скремблер работает непрерывно, обрабатывая поток фреймо-
вой последовательности, из обработки исключается, как правило, только первая строка заго-
ловка STM-N SOH (9xN байтов, включая байты фрейминга А1 и А2);
- все непомеченные байты зарезервированы для использования на последующих этапах между-
народной стандартизации.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
69
2.1.9.2. Структура заголовка SOH для STM-N
В отличие от заголовка SOH фрейма STM-1, байты которого могут быть определены двумя коор-
динатами: строка а - столбец Ь. Байты заголовка SOH фрейма STM-N, учитывая особенности
мультиплексирования (прямое или каскадное), описанные выше, определяются тремя координа-
тами (см. рис. 2-21): а, Ь, с, где а (а=1-9) - номер строки (как и раньше), b (Ь=1-9) - номер муль-
тистолбца, объединяющего несколько столбцов, с (c=l,2,...,N) - глубина интерливинга, т.е. но-,
мер тайм-слота при мультиплексировании.
Рис. 2-21. Размещение байтов заголовка SOH для фреймов STM-N
В результате мы получаем расширенную матрииу (рис. 2-21), новые координаты которой
(row, col) могут быть вычислены по a, b, с: row = a, col = N(b-l) + с.
Структура заголовка SOH фрейма STM-4, полученная с соблюдением указанных правил,
имеет формат 9x36 байтов и приведена на рис. 2-22, структура SOH фрейма STM-16 имеет формат
9x144 байта и приведена на рис. 2-23, а аналогичная структура SOH фрейма STM-64 имеет формат
Рис. 2-22. Структура заголовков SOH фрейма STM-4
—
9 строк А1. А1 А1 А1 А1 А1
ГЁИ
D1
В21 В2 В2 В2 В2 В2
D41
D7
D10
S1
144 байта
А2 А2 А2 А2 А21 А2 rJ0“
Е1 F1I
D2 D31
Указатель А1)-П
К1 К2
D5 D6
D8 D9
D11 312
Е2
Г |М1| |
Рис. 2-23. Структура заголовков SOH фрейма STM-16
70
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Рис. 2-24. Структура заголовков SOH фрейма STM-64
Структуры заголовка SOH для других скоростей формально не стандартизованы, хотя
STM-256 уже используется на практике. Эта структура, очевидно, будет иметь фомат 9x2304 бай-
та, а внутренний формат может быть реконструирован на основе общих правил формирования
row, col, проиллюстрированных на рис. 2-21.
2.1.9.3. Структура маршрутных заголовков РОН
Как было указано существуют два типа маршрутных заголовков РОН - для виртуальных контей-
неров верхних и нижних уровней. Рассмотрим кратко назначение байтов этих заголовков.
Заголовок РОН для VC-4-Xc/VC-4/VC-3
Указанные заголовки состоят из 9 байтов. Пять из них: Л, ВЗ, С2, G1 и КЗ (биты 1-4) не
зависят от типа полезной нагрузки и обслуживают процесс прохождения контейнеров от начала
маршрута до его конца. Байты Н4, F2, F3 зависят от типа нагрузки. Байты заголовка РОН имеют
следующее назначение:
- байт трассировки маршрута Л используется для периодической передачи идентификатора
точки доступа маршрута (PAPI) с тем, чтобы можно было мониторить целостность маршру-
та; в рамках национальной (российской) сети может использоваться 16-байтный кадр для пере-
дачи маркера начала фрейма (байт 1) плюс байты 2-16 (в соответствии с ITU-T G.831/Clause 3);
этот кадр представлен строкой ASCII-символов в формате, соответствующем рекомендации
ITU-T Е.164 [139] (в международных сетях используется 64-байтная строка, в которую и пре-
образуется 16-байтная “национальная” строка);
- байт ВЗ - BIP-8 код - контролирует ошибки четности в предыдущем контейнере (функция ана-
логичная той, что используется в SOH);
- байт С2 - указатель типа полезной нагрузки контейнера, дает 11 различных типов и форма-
тов полезной нагрузки, например, указывает на использование блоков TUG или фиксированно-
го TU-n, ячеек ATM или кадров FDDI и др. (см табл. 7 в [16]);
- байт G1 - состояние маршрута, дает информацию обратной связи от терминальной к исход-
ной точке формирования маршрута (например, о наличии ошибок или сбоев на удаленном
конце), его формат имеет вид: биты 1-4 - сигнал индикации ошибки на удаленном конце
(REI), бит 5 - сигнал индикации дефекта на удаленном конце (RDI), биты 6-7 - резервные, бит
8 не используется (биты 5-7 в новом оборудовании могут содержать коды индикации сигнала
потери выравнивания ячеек (LCD) “100” или “111” для совместимости при работе со старым
оборудованием, поддерживающим ITU-T 1.432, 1993 г.);
- F2, F3 - байты, которые могут быть задействованы пользователем данного маршрута для орга-
низации канала связи,>
- байт Н4 - обобщенный индикатор положения нагрузки, используется при организации муль-
тифреймов, например, указывает на номер фрейма VC-1,2 в мультифреймах TU-1,2;
Г лава 2 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH 71
- байт КЗ (биты 1-4) используется для сигнализации об автоматическом защитном переклю-
чении (APS) маршрутов на уровне VC-4/3;
- байт КЗ (биты 5-8) оставлен для последующего использования;
- байт N1 - байт оператора сети, зарезервирован для обеспечения функции мониторинга
тандемного соединения (ТСМ) при администрировании сети.
Заголовок РОН для VC-2/VC-1
С этим типом маршрутного заголовка ассоциируются 4 байта: V5, J2, N2 и К4. Кратко на-
значение этий байтов следующее:
- байт V5 - первый байт мультифрейма, позиция которого определеяется указателем TU-2/TU-1,
он обеспечивает контроль ошибок, используя процедуру BIP-2, биты 1-2, индикацию сигнала
REI и RFI (см. выше), биты 3-4, индикацию типа и формата используемой нагрузки, биты 5-7, и
индикацию сигнала RDI (см. выше), бит 8;
- байт J2 - используется для трассировки маршрута путем периодической посылки сигнала PAPI
(см. выше) - версия PAPI для нижнего уровня (LO-PAPI);
- байт N2 - байт оператора сети, зарезервирован для обеспечения функции мониторинга тан-
демного соединения (ТСМ) - версия ТСМ для нижнего уровня (LO-TCM);
- байт К4 (биты 1-4) используется для сигнализации об автоматическом защитном переклю-
чении (APS) маршрутов нижнего уровня;
- байт К4 (биты 5-7) являются резервными для использования опции VII.2 Appendix VII G.707
[16], если она не используется, то они должны быть установлены в положение “ООО” или “1 И”;
- байт К4 (бит 8) - оставлен для последующего использования.
2.1.10. Транспортировка виртуальных контейнеров SDH по сетям PDH
Для того, чтобы осуществить транспорт контейнеров VC-n модулей STM-N по сети PDH, нужно
иметь возможность упаковывать (инкапсулировать) эти контейнеры в фреймы PDH. Эта возмож-
ность регламентируется стандартом ITU-T G.832 [124].
Согласно стандарту для упаковки в общем случае используются только фреймы ЕЗ, ТЗ, Е4
и DSJ4, т.е. в ЕС иерархии используются только фреймы ЕЗ и Е4. Основное условие инкапсуляции
в том, чтобы механизм выравнивания фрейма не зависел от загружаемой в него полезной нагрузки
VC-n. Фреймы ЕЗ и Е4 при этом должны иметь специальную структуру (формат). Ниже рассмот-
рены методы транспортировки контейнеров VC-n с помощью фреймов ЕЗ и Е4 ЕС иерархии.
2.1.10.1. Транспортировка VC-12 с помощью фрейма ЕЗ
Фрейм ЕЗ, предназначенный для транспортировки контейнеров VC-12, имеет специальную струк-
туру, чем-то похожую на структуру фреймов SDH (см. рис. 2-25).
Рис. 2-25. Структура нового фрейма ЕЗ
72
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Он напоминает формат прямоугольной матрицы А размера 9 байт-строк х 60 байт-
столбцов с тремя вырезанными в первом столбце элементами (байтами): а71, а81, а<л, что соответ-
ствует полю (кадру) длиной 537 байт, из которых 7 байт используется под заголовок (6 невыре-
занных байт в 1 столбце и 1 байт во втором), а 530 байт под полезную нагрузку (матрица размером
9x59).
Формат заголовка фрейма ЕЗ имеет следующие 6 полей (см. рис. 2-26):
- FA - поле выравнивания/синхронизации фрейма (длина 2 байта, ап и а12 или 1-й и 2-й байты
кадра), содержит синхрослово: 1111011000101000;
- ЕМ - поле мониторинга ошибок длиной 1 байт {a2i или 61-й байт кадра); используется для об-
наружения ошибок на всей длине предыдущего фрейма (процедура BIP-8);
- TR - поле трассировки потока данных рттой 1 байт (а31 или 121-й байт кадра); используется
для циклически повторяющейся передачи идентификатора точки доступа отслеживаемого по-
тока данных (формат идентификатора определен в стандарте ITU-T G.831 [123]);
- МА - поле адаптации и обслуживания длиной 1 байт (а41 или 181-й байт кадра), биты которо-
го имеют следующее назначение:
1 - RDI - бит индикации дефекта на удаленном конце',
2 - REI - бит индикации ошибки на удаленном конце',
3-5 - тип нагрузки:
- 000 - нет нагрузки;
- 001 - обычная нагрузка;
- 010 - ячейки ATM;
- 011 - трибные блоки TU-12 SDH;
6-7 - MFI - индикатор 4-х байтного мультифрейма',
8 - SSM-бит 4-х битного поля (по 1 в каждом из 4 фреймов мультифрейма), формирующий на
длине мультифрейма, начиная с самого старшего бита (т.е. MSB), сообщение о статусе синхро-
низации - SSM.
- NR - байт сетевого оператора {ац или 241-й байт кадра), используемый оператором для целей
обслуживания;
- GC - байт организации канала связи общего назначения (а61 или 301 байт кадра) для передачи
голоса/данных в канале обслуживания.
FA1
ЕМ
TR
МА
NR
GC
1 1 | 1 | 1 | 0 1 1 1 1 о 0 0 1
BIP-8
Трассировка маршрута данных
RDI REI | Тип нагрузки | MFI SSM
NR
GC
1
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | FA2
Рис. 2-26. Структура заголовка нового фрейма ЕЗ
Структура мультиплексирования имеет вид: VC-12~^ TU-12~^ 7xTU-12~^ЕЗ.
В поле полезной нагрузки такого фрейма ЕЗ (530 байт) PDH в результате мультиплексиро-
вания на стороне SDH можно разместить 14 трибных блоков TU-12, при этом оставшиеся 8 байт
столбца 2 и столбцы 31-32 не используются (фиксированный наполнитель), а указатели трибных
блоков (длиной в 1 байт каждый) размещаются в первой строке матрицы (14 байтов: а3 - а/й).
2.1.10.2. Транспортировка VC-n с помощью фрейма Е4
Фрейм Е4, предназначенный для транспортировки контейнеров VC-n, имеет формат прямоуголь-
ной матрицы В размера 9 байт-строк х 242 байт-столбца с двумя вырезанными в первом столбце
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
73
элементами (байтами): bsi, Ь<л, что соответствует кадру длиной 2176 байт, из которых 16 байт
(первые два столбца без двух вырезанных элементов) могут быть использованы под заголовок, а
2160 байт под полезную нагрузку (рис. 2-27).
Рис. 2-27. Структура нового фрейма Е4
Формат заголовка фрейма имеет следующие 16 полей (см. рис. 2-28):
- поля FA (Ьц и bi:) , ЕМ (Ьц), TR (Ьл), МА (Ь4/), NR (Z>5/) и GC (Z>tf/) - аналогичны описанным
выше для фрейма ЕЗ, исключение составляют биты 3-5, характеризующие тип нагрузки (поле
МА), варианты которой следующие:
- ООО - нет нагрузки;
- 001 - обычная нагрузка;
- 010 - ячейки ATM;
- 011 - группы трибных блоков SDH, вариант I - 20xTUG-2;
- 100 - группы трибных блоков SDH, вариант II - 2xTUG-3 + 5xTUG-2;
- поля Pl и Р2 (Ь?2 и bj}) длиной по одному байту каждое использованы для реализации функции
APS - автоматического защитного переключения;
- поля b7I, b42, bs2, b(>2, b-2, bs2, b/j2 на момент публикации стандарта не были определены.
FA1 1 1 I 1 I 1 I 0 | 1 | 1 0 о 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 FA2
ЕМ BIP-8 Р1 Р1
TR Трассировка маршрута данных Р2 Р2
МА RDI REI | Тип нагрузки | MFI SSM
NR NR
GC GC
— ч
Рис. 2-28. Структура заголовка нового фрейма Е4
В поле полезной нагрузки такого фрейма Е4 (2160 байт) в результате мультиплексирова-
ния по схеме, приведенной на рис. 2-29, можно разместить (в зависимости от используемого вари-
анта допустимого типа нагрузки) или 20xTUG-2 (вариант I), или 2xTUG3 и 5xTUG-2 (вариант II).
При этом в варианте II используется мультиплексирование неоднородных сигналов (TUG-2 и
TUG-3).
74 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
139264 кбит/с
||ДИ Мультиплексирование
Н. разнородных сигналов
Г///4 Обработка указателей
Рис. 2-29. Схема мультиплексирования для передачи VC-n в фреймах Е4 по сети PDH
Схема мультиплексирования позволяет в варианте I использовать (т.е. передавать по сети
PDH) набор виртуальных контейнеров: VC-11 (1,5 Мбит/с), VC-12 (2 Мбит/с) и VC-2 (6 Мбит/с), а
в варианте II дополнительно передавать контейнер VC-3 (34 Мбит/с). Более подробно особенно-
сти этих схем мультиплексирования и используемых в них схем байт-интерливинга см. в стандар-
те ITU-TG.832 [124].
Нужно отметить, что в этих схемах мультиплексирования не используются указатели, так
как позиции TUG-2 и TUG-3 фиксированы. Две группы трибных блоков TUG-3 при мультиплек-
сировании отображаются на поля размера 9x90, в которых не используются первые 4 столбца
(фиксированный наполнитель).
2.2. Введение в функциональную архитектуру
транспортных сетей
Любая транспортная сеть (и сеть SDH не является исключением) представляет собой сложный
многокомпонентный комплекс, выполняющий две основные задачи: организацию транспортно-
го потока данных и управление потоком данных (трафиком). Для того, чтобы упростить описа-
ние указанных задач, необходимо иметь соответствующую сетевую транспортную модель.
Функциональная или модельная архитектура основана на формализованной сетевой
транспортной модели. Она дает возможность (ввиду использования абстрактно-формализованного
описания) рассмотреть с единых позиций различные топологии и подходы, используемые в архи-
тектуре различных транспортных сетей (PDH и SDH), а также формализовать процедуры взаимо-
действия таких сетей и подсетей, сформированных на их основе.
2.2.1. Принципы построения сетевой транспортной модели
При построении такой модели обычно используют две концепции, основаннные на принципе де-
композиции: разбиения (по вертикали) на уровни или плоскости (layering) и разбиения (по гори-
зонтали) на части (partitioning).
Применительно к сетевой транспортной модели это приводит к разбиению сетевых транс-
портных потоков на сетевые транспортные уровни и разбиению каждого транспортного уровня на
отдельные (функционально самостоятельные) части [136].
Модель позволяет оперировать со следующими компонентами архитектуры:
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
75
- топологическими элементами, к которым относятся сетевой транспортный уровень (layer
network), подсеть (subnetwork), звено (link) и группа доступа (access group);
- транспортными (логическими) объектами, к которым относятся соединение звеньев (link
connection - LC), соединение подсетей (subnetwork connection - SNC), сетевое соединение
(network connection - NC) и маршрут (потока) данных (trail).
Транспортные объекты могут быть подвергнуты операционной обработке с помощью сле-
дующих основных функций транспортной обработки:
- функции адаптации (adaptation function), к которой относятся адаптация на входе (adaptation
source) и адаптация на выходе (adaptation sink);
- функция окончания маршрута данных (trail termination function - TTF), к которой относятся
окончание маршрута данных на входе (trail termination source), окончание маршрута данных на
выходе (trail termination sink), двунаправленное окончание маршрута данных (bidirectional trail
termination).
Сетевая транспортная модель, как и всякая модель, должна формировать эталонные ин-
терфейсные точки, за счет связки входов и выходов функций транспортной обработки и/или
транспортных объектов. Такие точки будут указаны конкретно как для отдельных логических
блоков, так и функциональных модулей, собранных из логических блоков.
Концепция разбиения на (самостоятельные) части важна тем, что позволяет определить:
• сетевую структуру внутри сетевого транспортного уровня;
• различные границы между операторами сети: на административном уровне, на уровне доменов
(см. ниже), на уровне маршрутизации в доменах внутри одного уровня;
• отдельные (самостоятельные) части сетевого транспортного уровня или подсети, которые мо-
гут быть управляемы системой управления пользователя.
Концепция разбиения на сетевые транспортные уровни важна тем, что позволяет:
• описывать каждый уровень аналогичным набором функций;
• независимо проектировать, оперировать и обслуживать в рамках одного уровня;
• добавлять и модифицировать один транспортный уровень, не оказывая влияния на другие
уровни.
Собственно модель транспортной сети строится в виде стека - путем последовательно-
го наслаивания сетевых транспортных уровней. Каждый такой уровень обеспечивает транспорт
верхнего уровня, а сам в свою очередь обеспечивается транспортом нижнего уровня. Уровень,
обеспечивающий транспорт (т.е. в рассмотренной паре нижний), носит названия “сервера”, а уро-
вень, использующий транспорт (т.е. в этой паре верхний), носит название “клиента”. Про два та-
ких уровня говорят, что они связаны между собой отношением “клиент-сервер”. Уровень п, яв-
ляющийся серверным уровнем для уровня п+1, рассматривается как клиентский для уровня п-1.
Вертикальная связь между уровнями обеспечивается функциями адаптации. Сетевой
транспортный уровень определяется тем маршрутом данных, который он поддерживает или мо-
жет поддерживать.
Транспортные потоки определенного уровня могут быть однонаправленными
(unidirectional) и двунаправленными (bidirectional). В этих терминах понятию “дуплексная пере-
дача” соответствует понятие “двунаправленная передача”.
2.2.2. Сетевая транспортная модель систем SDH
Многоуровневая транспортная сетевая модель в простейшем случае может быть представлена
как трехуровневая модель, содержащая три класса сетевых уровней [159 (3.93)]:
3- уровень цепей, обеспечивающий пользователю телекоммуникационные сервисы коммутируе-
мых цепей, пакетной коммутации и выделенных линий;
2- маршрутый уровень, обеспечивающий пользователю в рамках технологии SDH два типа сете-
вых маршрутных уровня (которые могут рассматриваться как подуровни): сетевые маршруты
нижнего уровня и сетевые маршруты верхнего уровня;
76
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
1 - уровень среды передачи, обеспечивающий в рамках технологии SDH три типа сред для пере-
дачи потока данных: оптическую, электрическую (радиорелейную) и электрическую (спутни-
ковую), специфика которых отражается в формате фреймов и в используемом оборудовании.
Описанная модель может быть конкретизирована для сетей SDH [159 (6.97)], в результате
чего она принимает вид, показанный на рис. 2-30.
Подуровень
контейнеров
нижнего уровня
иерархии SDH
Подуровень
контейнеров
верхнего уровня
иерархии SDH
Рис. 2-30. Модель транспортной сети SDH
Маршрутный
уровень
Секционный
уровень
В этой модели (в отличии от рассмотренной) добавлен еще один, секционный, уровень,
состоящий из подуровня мультиплексных секций и подуровня регенераторных секций, что со-
гласуется с общей концепцией построения моделей сетевых технологий, где число уровней опре-
деляется тем, сколько раз происходит формирование (или добавление) заголовков. Уровень среды
передачи здесь не конкретизирован, в противном случае кроме указанных выше трех типов сред
отдельно (в оптической среде) может быть выделен подуровень WDM в силу специфики исполь-
зования оптических несущих.
Эта модель позволяет конкретизировать такие важные понятия, как клиентский уровень,
серверный уровень и характерная информация, введенные ранее. Для используемых в модели
уровней соответствие этих понятий приведено в табл. 2-1.
Таблица 2-1. Соответствие понятий клиентского и серверного уровней
Клиентский уровень Серверный уровень Характерная информация
Маршрут нижнего уровня VC-1 или VC-2 Маршрут верхнего уровня VC-3 или VC-4 VC-1,2 + смещение в фрейме (от начала поля полезной нагрузки)
Маршрут нижнего уровня VC-3 Маршрут верхнего уровня VC-4 VC-3 + смещение в фрейме
Маршрут верхнего уровня VC-3 Мультиплексная секция STM-N VC-3 + смещение в фрейме
Маршрут верхнего уровня VC-4 Мультиплексная секция STM-N VC-4 + смещение в фрейме
Мультиплексная секция STM-N Регенераторная секция STM-N Скорость STM-N, N=l, 4, 16, 64
Данная модель отличается также от аналогичной пятиуровневой модели, предложенной
при построении технологии SONET (см. разд. 3.3.3). В последней дополнительно используется
линейный уровень, расположенный между секционным и маршрутным уровнями, а верхний и
нижний уровни отличаются названиями: уровень пользователя и фотонный уровень вместо
уровня цепей и уровня среды передачи, соответственно.
Ясно, что указанная многоуровневая модель имеет (кроме названия) мало чего общего с
многоуровневой эталонной моделью OSI (ЭМВОС), разработанной для локальных сетевых техно-
логий (и используемой при рассмотрении стека протоколов в гл. 6), хотя бы потому, что в них
нельзя найти приемлемого соответствия уровням, за исключением физического уровня.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
77
2.2.3. Базовые понятия и элементы функциональной архитектуры
При описании функциональной архитектуры используются некоторые базовые понятия, а при по-
строении модельных топологий используются определенный набор элементов, которые (понятия
и элементы) желательно знать, чтобы адекватно понимать терминологию и достаточно свободно
ориентироваться в многочисленных материалах стандартов по технологии SDH, где они исполь-
зуются [22, 125, 136, 159, 381].
Название функциональная архитектура используется в ряде стандартов ITU-T, в частно-
сти в G.783 и G.805 [22, 136]. Оно учитывает тот факт, что каждый элемент этой архитектуры не
только ассоциируется с определенной группой функций, но и сам может интерпретироваться как
выполнение некоторой функции. Эту архитектуру можно было-бы назвать модельной, так как она
основана на описанной выше модели, использует модельные топологии, построенные на основе
модельных элементов, и функционирует на основе модельных алгоритмов, обеспечивающих вы-
полнение модельных функций.
В функциональной архитектуре используется следующий набор основных элементов и по-
нятий [159]:
- группа доступа - топологический элемент, представляющий группу функций, ассоциирован-
ных с окончанием маршрута данных и связанных с той же подсетью или звеном;
- двунаправленное окончание маршрута данных - функция транспортной обработки, объеди-
няющая пару функций окончания маршрута данных на ее входе и выходе;
- звено - топологический элемент, описывающий фиксированную связь между подсетями или
группами доступа через порты на их границах; звенья устанавливаются и обслуживаются сер-
верным уровнем;
- маршрут (потока) данных (trail) - транспортный объект, состоящий из ассоциированной пары
однонаправленных потоков данных между “точками доступа” одного и того же “сетевого
транспортного уровня”, способных одновременно передавать информацию в противоположных
направлениях между соответствующими элементами ввода/вывода; такой объект формируется
путем объединения “функций окончания маршрута данных” на ближнем и дальнем концах и
“сетевого соединения” между ними;
- матрица - топологический элемент (содержащийся внутри физического сетевого узла), ис-
пользуемый для целей маршрутизации и управления; элемент, позволяющий, например, осуще-
ствить защитное переключение;
- окончание маршрута данных на входе - функция транспортной обработки, состоящая в прие-
ме на ее вход характерной информации от клиентского уровня, добавлении информации, по-
зволяющей мониторить маршрут данных, и представлении характерной информации сетевого
транспортного уровня на ее выход;
- окончание маршрута данных на выходе - функция транспортной обработки, состоящая в
приеме на ее вход характерной информации, удаленнии информации, позволяющей мониторить
маршрут данных, и представлении оставшейся информации на ее выход;
- подсеть - топологический элемент - часть сети, полученная при делении сети, процесс которо-
го может быть рекурсивным, т.е. подсеть снова может быть разделена на подсети меньшего
размера, связанные звеньями;
- сетевой транспортный уровень - топологический элемент, ответственным за генерацию и пе-
редачу так называемой “характерной информации” (см. ниже); его топология описывается
группами доступа, подсетями и соединительными звеньями между ними;
- соединение звеньев (LC) - транспортный объект, ограниченный портами и используемый для
прозрачной передачи информации; LC представляет собой пару функций адаптации и маршрут
данных на серверном уровне;
- соединение, матричное (МС) - соединение, включающее функцию матричной обработки;
- соединение подсетей (SNC) - транспортный объект, составленный из последовательности под-
сетей, для прозрачной передачи информации;
- соединение, сетевое (NC) - транспортный объект, сформированный последовательностью со-
единений, ограниченных терминальными точками соединения TCP;
78
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
- тандемное соединение (ТС) - транспортный объект, произвольная последовательность непре-
рывных соединительных звеньев и/или соединений подсетей; этот тип соединения обычно
представляет сегмент маршрута данных, существующий в рамках административного домена;
- точка доступа (АР) - эталонная точка, состоящая из пары расположенных в том же месте то-
чек однонаправленного доступа;
- точка соединения (СР) - эталонная точка, ограничивающая “соединение”;
- точка соединения, терминальная (TCP) - эталонная точка, вариант СР, когда функция окон-
чания маршрута данных ограничивается функцией адаптации или матричной обработки;
- транспорт - функциональный процесс передачи информации между различными точками -
местами обработки потока данных;
- функция адаптации - функция транспортной обработки, адаптирующая “серверный уровень” к
требованиям “клиентского уровня”; характер функции адаптации зависит от “характерной ин-
формации” двух соседних уровней; для адаптации, например, может потребоваться кодирова-
ние, изменение скорости, выравнивание, мультиплексирование;
- функция окончания маршрута данных - функция транспортной обработки маршрута данных.,
включающая окончание однонаправленного маршрута данных на входе или выходе или двуна-
правленное окончание маршрута данных;
Основные типы указанных элементов и соединений приведены на рис. 2-31.
Соответствие между сетевыми уровнями
Линейное соединение
TCP
Маршрут потока данных
Сетевое соединение
Маршрут потока данных
Тандемное соединение
V
Тандемное
соединение
Рис. 2-31. Основные типы элементов и соединений функциональной архитектуры
Рассмотренные выше элементы и понятия в настоящее время относительно широко ис-
пользуются не только для абстрактного анализа прохождения потока данных, но и для практиче-
ского формирования (прокладки) маршрутов данных, без которого не обходится ни одна процеду-
ра конфигурации или реконфигурации сети SDH.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
79
2.2.4. Логические функции, выполняемые функциональными элементами
На определенном этапе развития сетей SDH, главным образом в связи с формализацией задач
управления такими сетями, появилась необходимость формализовать состав оборудования SDH и
определить набор логических функций, выполняемых таким оборудованием. Это было сдельно в
стандарте ITU-T G.783 [22], где была приведена схема мультиплексирования (см. рис. 2-32), со-
ставленная из обобщенных логических блоков, выполняющих определенные логические функ-
ции. Этот стандарт был одобрен в 1990 [3], подвергся существенной доработке в 1994, был опуб-
ликован в 1995, а затем в 1997 подвергся новой ревизии (большей формализации в духе использо-
вания сетевой транспортной модели) и объединению со стандартами G.781 и G782 [22]. При
ссылках ниже, мы будем указывать год выхода редакции стандарта, на которую ссылаемся.
Рис. 2-32. Обобщенная функциональная логическая схема обработки в SDH
Из схемы на рис. 2-32 видно, что трибы PDH сначала обрабатываются интерфейсной
блок-функцией нижнего (LOI) или верхнего (НО1) уровня в в соответствии с тем к маршрутам
какого уровня относится VC, инкапсулирующий данный триб. После этого маршрут верхнего
уровня через блок-функцию соединения маршрута верхнего уровня (НРС) проходит на общую
часть схемы обработки с альтернативой формирования пустого маршрута (контейнера) - HUG или
заполненного маршрута (контейнера) с мониторингом (формированием/расформировыванием,
или тнрминированием) заголовка (НРОМ) и последующей обработкой в TTF (подробнее см. в
разд. 2.2.4.4). Маршрут нижнего уровня после LOI (перед тем, как дойти до НРС) через блок-
функцию соединения маршрута нижнего уровня (LPC) проходит на схему альтернативной об-
работки LUG/LPOM, аналогичной HUG/HPOM, но для маршрутов нижнего уровня и подвергается
дополнительной адаптации к прохождению по маршруту верхнего уровня (НОА) и только потом
через НРС попадает на общую часть схемы обработки.
При этом отметим, что схемы обработки HOI, LOI и НОА таковы:
HOI - PPI <-> М <-> LPA <-> Н <-> НРТ;
LOI - PPI <-> М <-> LPA <-> L <-> LPI;
НОА - НРА <-> Н <->НРТ,
где М, L и Н соответствующие интерфейсные эталонные точки между блок-функциями
PPI, LPA, LPI, НРА и НРТ (см. расшифровку названий функций в разд. 2.2.4.5).
Ниже мы кратко познакомим читателей с наиболее характерными обобщенными логиче-
скими блоками и дадим сводку основных логических функций, выполняемых такими блоками [22
(1.94)]. Далее (при изложении материала по функциональным модулям, а также при описании ре-
ального оборудования SDH), будет дан пример использования этого подхода для объяснения ра-
боты оборудования SDH. Отметим сразу, что несмотря на использование языка блок-схем для
описания работы оборудования, блок на такой схеме означает лишь выполнение логической
функции, а сама блок схема является лишь формой представления алгоритма обработки потока
данных.
80
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
2.2.4.1. Функция физического интерфейса SDH
Функция физического интерфейса (сигнала) SDH (SPI), см. рис. 2-33, обеспечивает интерфейс
между физической средой передачи (эталонная точка А) и функцией окончания регенераторной
секции RST (эталонная точка В).
Эталонная точка В
Данные
Синхронизация
Прием сигнала LOS -<
Данные <
Синхронизация <
Эталонная точка А
Рис. 2-33. Функция физического интерфейса SDH
Интерфейсный сигнал в точке А должен соответствовать стандарту G.707 [16], т.е. быть
трибом SDH, а его физические характеристики - стандарту G.957 [24] (для оптической среды пе-
редачи) или стандарту G.703 [14] (для электрической среды передачи). Данные в точке В являются
полноформатными данными STM-N, а синхронизация задается функцией RST, причем восстанов-
ленный сигнал синхронизации должен проходить на выход этало^ой точки Т1 для возможного
использования в соответствии со списком приоритета. Блок SPI, таким образом, подготавливает
данные для передачи по соответствующей среде на стороне А с одной стороны, с другой - регене-
рирует сигнал STM-N, пришедший на А для формирования данных и синхронизации на стороне
В. Если же сигнал STM-N на стороне А пропадает (не принимается), то SPI генерирует на стороне
В (и передает на выход эталонной точки S1) сообщение о потере сигнала при приеме LOS.
Физическое состояние (статус) интерфейса (параметры мониторинга) должны сообщаться
на эталонную точку S1 (для оптических систем параметры должны быть в соответствии со стан-
дартом G.958 [25], для РРЛ систем - в соответствии с ITU-R S.1108, для спутниковых систем - в
соответствии с ITU-R S.1149 [378]).
2.2.4.2. Функция окончания регейераторной секции
Функция окончания регенераторной секции RST работает как функция RST источника (source)
(функция начального формирования и записи заголовка RSOH) на ближнем конце и функция RST
стока (sink) (функция окончательного считывания заголовка RSOH) на дальнем конце регенера-
торной секции (исключение составляют байты Al, А2, JO (С 1), которые могут проходить прозрач-
но через RST. Информационные потоки для этого блока показаны на рис. 2-34.
Эталонная точка С
Эталонная точка В
Данные —
Синхронизация —
Данные <
Синхронизация <-
Е1, F1, неиспользованные
,, байты в RSOH
> -------► Данные
Функция окончания ► Синхронизация
регенераторной секции «------Прием сигнала LOS
- RST Л______ п
<----- Данные
* Синхронизация
Рис. 2-34. Функция окончания регенераторной секции
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
81
Логический блок-функция имеет шесть эталонных точек В, С, N, S2, ТО и U1. Данные
(входные и выходные) как на стороне В, так и С, являются сигналом STM-N, соответствующим
стандарту G.707 [16]. Синхронизация осуществляется со стороны входа - эталонной точки ТО. Для
потока в направлении С-^В RST осуществляет начальную запись байтов заголовка RSOH в соот-
ветствии со стандартом G.707, создавая полноформатный сигнал STM-N, который перед переда-
чей на сторону В скремблируется (за исключением первой строки RSOH). После чего содержимое
байтов Al, А2, JO (С1) генерируется и записывается в первую строку в полном соответствии с
G.707 (см. выше).
Для потока в обратном направлении (от В->С) RST сначала дескремблирует (за исключе-
нием первой строки RSOH) данные полноформатного STM-N, полученного от функции SPI (см.
выше), а затем считывает байты Al, А2 заголовка RSOH, содержащие биты фрейминга STM-N и
анализирует их на предмет определения возможности возникновения сообщения OOF - выход за
границы фрейма. При его возникновении алгоритм RST пытается восстановить выравнивание,
если это не удается, то он формирует сигнал LOF - потери фрейма.
Сигналы OOF и LOF должны сообщаться на эталонную точку S2 для последующей фильт-
рации в SEMF - функции фильтрации синхронного оборудования. На ту же эталонную точку S2
подается байт В1 для последующей обработки функцией RST. Байты Е1 и F1, после считывания
из заголовка, подаются на выход эталонной точки U1, откуда передаются для обработки на блок
функции ОНА - функции доступа к заголовку. Байты D1-D3 канала DCC, после считывания из
заголовка, подаются на эталонную точку N, откуда передаются для обработки на блок-функцию
MCF - функцию передачи сообщения.
Если зарегистрированы сигналы LOS или LOF, то на выходе эталонной точки С должен
появиться сигнал AIS - сигнал индикации аварийного состояния. Более подробно алгоритм ра-
боты функции RST смотри в стандарте [22 (1.94)].
2.2.4.3. Функция окончания мультиплексной секции
Функция окончания мультиплексной секции MST также работает как функция начальной запи-
си (source) заголовка MSOH на ближнем конце и функция конечного считывания (sink) заголов-
ка MSOH на дальнем конце мультиплексной секции MS. MS является объектом обслуживания
между двумя MST (которые сами также включаются в этот объект). Информационные потоки для
этого блока показаны на рис. 2-35.
Эталонная точка D
U2
Данные
Синхронизация
К1, К2
SD, SF
Данные
Синхронизация
Функция окончания
мультиплексной секции
MST
Эталонная точка С
Z1, Z2, Е2, неиспользованные
байты в MSOH
D4-D12 (Альтернативный вариант)
------► Данные
> Синхронизация
Данные
Синхронизация
Сигнал статуса
синхронизации '
^D4-D12
ТО S3 Р
Рис. 2-35. Функция окончания мультиплексной секции
Логическая блок-функция имеет семь эталонных точек С, D, Р, S3, ТО, U2 и Y. Данные на
стороне D являются сигналом STM-N, соответствующим стандарту G.707 [16]. Синхронизация
осуществляется со стороны входа - эталонной точки ТО. Для потока данных в направлении D~^C
MST осуществляет начальную запись байтов заголовка MSOH в соответствии со стандартом
6-48
82
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
G.707 (причем байты заголовка RSOH считаются неопределенными), формируя сигнал STM-N.
Перед передачей на сторону С для передыдущего фрейма STM-N вычисляются коэффициенты
полинома BIP-24N (для всех бит за исключением поля RSOH), помещаемые в битовые позиции
3xN текущего фрейма, соответствующие байтам В2.
Поток данных блок-функции MST в направлении C-^D представлен сигналом STM-N, у
которого байты заголока RSOH уже считаны (регенерированы), и считываются только байты
MSOH, после чего STM-N появляется на стороне D.
В первую очередь считываются байты В2 (BIP-24) текущих фреймов, которые сравнива-
ются с вычисленными значениями BIP-24 предыдущих фреймов, при несовпадении генерируется
ошибка, подаваемая на эталонную точку S3 (на основе статистики ошибок может быть сформиро-
вано сообщение о деградации сигнала - SD или о превышении интервального порога ошибок -
IT).
Считанные байты KI, К2 (APS) передаются на эталонную точку D, а байты D4-D12 на эта-
лонную точку D или на эталонную точку U2 для последующей обработки функцией доступа к
заголовку - ОНА. Если MST обнаруживает в битах 6-8 байта К2 “110”, то генерируется сигнал ин-
дикации дефекта на удаленном конце - MS-RDI (MS-FERF), а если “111”, то MS-AIS. В обоих
случаях эта ситуация сообщается на эталонную точку S3 для последующей фильтрации с помо-
щью функции SEMF.
Результат контроля считанных бит 5-8 байта S1 появляется на эталонной точке Y и сооб-
щается системе управления и хронирующему источнику SETS.
2.2.4.4. Функция окончания транспорта виртуальных контейнеров
Описанные выше логические функции относились к классу простых функций. Ниже приведены
примеры нескольких составных функций. Одной из них является составная функция окончания
транспорта виртуальных контейнеров TTF.
Эта функция (см. рис. 2-36) составлена из пяти логически связанных функций: SPI - функ-
ции физического интерфейса (сигналов) SDH, RST - функции окончания регенераторной секции,
MST - функции окончания мультиплексной секции, MSP - функции защиты мультиплексной сек-
ции и MSA - функции адаптации мультиплексной секции. Среди них, только функция MSP может
рассматриваться как необязательная.
Рис. 2-36. Функция окончания транспорта VC
Показанные на рис. 2-36 точки A-F являются эталонными интерфейсными точками обоб-
щенной функциональной логической схемы обработки SDH (см. рис. 2-32), aN, Р, S1-S4, S14, Т0-
Tl, U1-U2 и Y - эталонными точками для ссылок на используемые функции и приложенные сиг-
налы (описаны в стандарте G.783 [22 (1.94)]).
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
83
Функции SPI, RST и MST были достаточно подробно описаны выше, что касается функ-
ций MSP и MSA, то они осуществляют следующие операции.
Функция защиты мультиплексной секции MSP обеспечивает защиту сигнала STM-N от
аварии в канале, возникшей при прохождении сигнала в границах мультиплексной секции, т.е. от
одной блок-функции MST (на ближнем конце), где MSOH первоначально записывается (генери-
руется), до другой блок-функции MST (на дальнем конце), где MSOH окончательно считывается
(терм инируется).
Эта функция осуществляет мониторинг сигнала STM-N, оценивает его состояние, прини-
мая во внимание приоритеты возникающих аварийных состояний и запросов на переключения
(внешних и удаленных), и производит переключение соответствующего канала на резервный.
Причем две MSP на границах MS соообщаются друг с другом с помощью бит-ориентированного
протокола, определенного для байт К1 и К2 MSOH, см. старый (G.782) или новый стандарт G.783
[22].
Функция адаптации мультиплексной секции MSA осуществляет адаптацию маршрутов
верхнего уровня к административным блокам AU, сборку и разборку групп административных
блоков AUG, мультиплексирование и демультиплексирование, генерацию указателей, обработку и
интерпретацию получаемой информации.
Так, например, при движении от точки F к Е блок-функция MSA в эталонной точке F ото-
бражает маршруты верхнего уровня на полезную нагрузку блоков AU, которые мультиплексиру-
ются в группы AUG. N таких групп затем мультиплексируются по схеме с байт-интерливингом
для образования полезной нагрузки модуля STM-N в эталонной точке Е.
Более подробное описание MSP, MSA и других функций обобщенных логических блоков
можно найти в стандарте G.783 [22 (1.94)].
2.2.4.5. Номенклатура обобщенных логических функций и модельных понятий
Учитывая, что рассмотренные выше обобщенные логические функции в последнее время широко
используются при анализе функционирования оборудования в системах SDH и приводятся в руко-
водствах по аппаратуре SDH различных компаний, ниже (для справок) приведен список их со-
кращенных обозначений и краткая расшифровка [22]. Там, где возможно, приведены для сравне-
ния соответствующие сокращения, используемые в стандарте ETSI ETS 300 417 [383].
EPPI - Е4, Е31, Е12 - электрический физический интерфейс сигнала PDH
ESPI - ESI - электрический физический интерфейс сигнала SDH
HCS - контроль соединений виртуальных контейнеров верхнего уровня
НОА - сборка виртуального контейнера верхнего уровня
HOI - интерфейс маршрута верхнего уровня
НОРМ - матрица маршрута верхнего уровня;
НОРТ - окончание маршрута верхнего уровня;
НОТСА - адаптация тандемного соединения верхнего уровня;
нотст - окончание тандемного соединения верхнего уровня;
НРА - S4/TUG - адаптация маршрута верхнего уровня
НРС - S4_C - соединение маршрута верхнего уровня
НРОМ - мониторинг РОН маршрута верхнего уровня
HPT - S4 - окончание маршрута верхнего уровня
HUG - генерация незагруженного маршрута (виртуального контейнера) верхнего уровня
LCS - контроль соединений маршрута нижнего уровня
LOI - интерфейс маршрута нижнего уровня
LPA - S4/P4x, S3/P31x, S12/P0-31c, S12/P12s, S12/P12x - адаптация маршрута нижнего уровня
LPC - S3_C, S2_C, S12_C - соединение маршрута нижнего уровня
LPOM - мониторинг РОН маршрута нижнего уровня
LPT - S3, S12 - окончание маршрута нижнего уровня
LUG - генерация незагруженного маршрута (виртуального контейнера) нижнего уровня
MCF - функция передачи сообщения
6*
84 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
MSA MSP MST N ОНА OSPI Р РРА PPI РРТ RST S SEMF SETPI SETS SPI Т TTF и Y - MS1/S4, MS4/S4, MS16/S4 - адаптация мультиплексной секции - защита мультиплексной секции - MSI, MS4, MS16 - окончание мультиплексной секции - эталонная точка канала DCC регенераторной секции - функция доступа к заголовку SOH - OS1, OS4, OS16, OS64 - оптический физический интерфейс триба SDH - эталонная точка канала DCC мультиплексной секции - P12s/E12 - адаптация маршрута PDH - физический интерфейс триба PDH - P12s, P12s/P0-31c - окончание маршрута PDH - RSI, RS4, RS16 - окончание регенераторной секции - эталонная точка схемы представления системы административного управления - функция управления синхронным оборудованием - физический интерфейс хронирующего источника синхронного оборудования - хронирующий источник синхронного оборудования - физический интерфейс триба SDH - эталонная точка источника синхронизации - функция окончания транспорта (виртуального контейнера) - эталонная точка доступа к заголовку SOH - эталонная точка формирования статуса синхронизации
Замечание: SPI имеет три опции: электрическую или оптическую внутри станции и оптическую между
станциями.
2.2.4. Возможность мониторинга в рамках транспортной модели
Мониторинг ошибок и показателей производительности сети в процессе эксплуатации одно из са-
мых распространенных действий по управлению потоком данных в сети SDH. Его можно провес-
ти непосредственно, если использовать соответствующую информацию, записанную в заголовках
регенераторной RSOH и мультиплексной MSOH секций или в маршрутных заголовках РОН вир-
туальных контейнеров верхнего и нижнего уровней. Эта информация может быть обработана так,
чтобы получить сведения о состоянии системы на концах необходимого участка соединения. Та-
кой мониторинг называется неразрушающим.
Приведенные выше различные модельные типы соединений LC, NC, SNC, ТС и “маршрут
данных” также могут быть использованы для этих целей, если допустить перезапись (на входе в и
выходе из данного участка) информации соответствующих маршрутных заголовков. Наиболее
часто для этих целей используются тандемные соединения, учитывая, что их действие распро-
страняются на весь административный домен конкретного оператора.
Для того, чтобы проиллюстрировать возможности использования тандемных соединений
для мониторинга, а также введенных выше функциональных элементов и функций, на рис. 2-37
(см. след, стр.) приведен пример формализованной прокладки маршрута данных на уровне вирту-
ального контейнера VC-4, маршрут которого проходит через два административных домена, ис-
пользуемых разными операторами, см. [159 (6.97)]. Используемые здесь обозначения расшифро-
ваны в разд. 2.2.4.5.
Из рис. 2-37 видно, что тандемные соединения используются только внутри доменов (под-
сеть А одного оператора и подсеть В другого оператора) и не распространяются на участок меж-
ду доменами двух операторов. Для этой цели используется маршрут данных VC-4 (он состоит из
двух НОРТ и VC-4 NC), который можно мониторить, используя возможности серверного уровня
(из табл. 2-1 видно, что для VC-4 серверным уровнем является уровень мультиплексной секции -
MS). Терминалы мультиплексной секции, соединенные звеном связи, с элементами функции адап-
тации и функции окончания MSA/MST показаны в центре этого рисунка. Такие мультиплексные
секции включены и в тандемные соединения, представленные на рис. 2-37.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
85
Тандемные соединения (ТС), кроме MS могут включать и функции матричного соедине-
ния МС, встроенные в маршруты верхнего уровня (НОРМ). Причем предпочтительнее включать
их на входе и выходе оборудования, с целью создания больших возможностей для защитного пе-
реключения.
Обе подсети А и В реализованы как подуровни ТС и формируют так называемые подсети
мониторинга. Для этого к подсетям А и В добавляются функции адаптации VC-4 ТС (НОТСА)
и функции окончания маршрута данных (НОТСТ).
Рис. 2-37. Пример маршрута VC-4, проходящего через два административных домена
86
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
2.3. Функциональные модули реальных сетей SDH
Инженер, проектируя реальную сеть SDH, исходит не из модельных, а реальных физических мо-
дулей - сетевых элементов NE. Поэтому этом разделе мы опишем, такие модули систем передачи
данных, использующие технологию SDH, или функциональные модули SDH. Эти модули могут
быть связаны между собой в сеть SDH. Связи модулей можно рассматиривать с двух сторон: ло-
гической и физической.
С точки зрения первой из них, взаимодействие связанных модулей определяется некото-
рым алгоритмом работы. Этот алгоритм, подчинясь определенной логике, требует от них выпол-
нения определенного набора логических функций, описанных выше в рамках функциональной
модели.
Со второй точки зрения необходимо определить/задать функциональные связи модулей,
определяющие физическую (а не модельную) топологию, или архитектуру сети SDH. Сетевая
архитектура позволяет как анализировать общие закономерности функционирования сети, досто-
инства и недостатки различных составляющих ее топологий, так и выбирать топологию сети, оп-
тимальную для решения конкретной задачи.
С другой стороны, рассматриваемые модули связаны между собой физической средой
распространения SDH сигнала, создаваемой кабелем (как правило, волоконно-оптическим) или
эфиром при использовании радио- или спутниковой связи. Совместное рассмотрение функцио-
нальных связей и физической среды распространения сигнала позволяет выявить физические пре-
делы и ограничения на функционирование систем с заданной топологией.
2.3.1. Типы и задачи функциональных модулей сетей SDH
Сеть SDH, как и любая транспортная сеть, строится из отдельных функциональных модулей огра-
ниченного набора: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, усилителей, регенера-
торов и терминального оборудования. Этот набор определяется основными функциональными
задачами, решаемыми сетью:
• объединение входных потоков, поступающих через каналы доступа, в агрегатный поток, при-
годный для транспортировки в сети SDH - задача мультиплексирования, решаемая терми-
нальными мультиплексорами - ТМ или мультиплексорами ввода/вывода - ADM;
• транспортировка агрегатных потоков по сети SDH с возможностью ввода/вывода вход-
ных/выходных потоков - задача транспортировки, решаемая мультиплексорами вво-
да/вывода - ADM, логически управляющими информационным потоком в сети, а физически -
потоком в физической среде, формирующей в этой сети транспортный канал;
• концентрация (объединение) нескольких однотипных частично заполненных потоков в анало-
гичный, но более полно (или полностью) заполненный поток в узеле-концентраторе (или хабе)
- задача концентрации, решаемая концентраторами-,
• усиление амплитуды сигнала, передаваемого на большие расстояния, для компенсации его за-
тухания - задача усиления, решаемая с помощью усилителей’,
• восстановление (регенерация) формы, амплитуды и исходных параметров сигнала для ком-
пенсации его затухания и других форм деградации - задача регенерации, решаемая с помо-
щью регенераторов - устройств, аналогичных повторителям в ЛВС;
• перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии со схемой маршрутизации из одного по-
тока или сегмента сети в другой, осуществляемая в выделенных узлах сети, - задача коммута-
ции, или кросс-коммутации, решаемая с помощью цифровых коммутаторов или кросс-
коммутаторов - DXC;
• сопряжение сети пользователя с сетью SDH - задача сопряжения, решаемая с помошью око-
нечного оборудования - в первую очередь интерфейсных модулей, принимающих и обраба-
тывающих для последующего мультиплексирования или коммутации трибы PDH и SDH, а
также различных согласующих устройств, например, конвертеров интерфейсов, конвертеров
скоростей, конвертеров импедансов и т. д., [26, 215].
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
87
2.3.2. Мультиплексоры
Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мы будем использовать
этот термин как для собственно мультиплексоров, служащих для объединения/сборки (мультип-
лексирования) низкоскоростных потоков в высокоскоростной, так и для демультиплексоров,
служащих для разборки (демультиплексирования) высокоскоростного потока с целью выделения
низкоскоростных потоков.
Мультиплексоры SDH в отличии от обычных мультиплексоров, используемых, например,
в сетях PDH, выполняют как функции собственно мультиплексирования, так и функции устройств
терминального доступа, позволяя подключать стандартные каналы PDH иерархии (трибы) непо-
средственно к своим входным портам. Они являются более универсальными и гибкими устрой-
ствами, позволяющими решать практически все перечисленные выше задачи, т.е. кроме задачи
мультиплексирования выполнять еще и задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это
оказывается возможным в силу модульной конструкции SDHмультиплексора - SMUX, при кото-
рой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом
функциональных модулей (карт), включенных в спецификацию мультиплексора. Принято, однако,
выделять два основных типа SDH мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультип-
лексор ввода/вывода.
2.3.2.1. Терминальный мультиплексор
Терминальный мультиплексор (ТМ) является мультиплексором и оконечным устройством SDH
сети с каналами доступа, соответствующими трибам PDH и SDH иерархий (рис. 2-38). Терминаль-
ный мультиплексор может или вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибного интер-
фейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать их с линейного входа на
выход трибного интерфейса. Он может также осуществлять локальную коммутацию входа одно-
го трибного интерфейса на выход другого трибного интерфейса. Как правило эта коммутация ог-
раничена трибами 1,5 и 2 Мбит/с.
Обозначения
PDH ZZj
трибы -----1
Каналы доступа
SDH —I
трибы —I
STM-1,4,16
запад
SDH
MUX
восток
оптический
агрегатный выход
Рис. 2-38. Синхронный мультиплексор (SMUX): терминальный мультиплексор (ТМ) или мультиплек-
сор ввода/вывода (ADM)
Для мультиплексора максимального на данный момент действующего уровня SDH иерар-
хии (STM-256), имеющего скорость выходного потока 40 Гбит/с, максимально полный набор ка-
налов доступа может включать PDH трибы 1,5; 2; 6; 34; 45 и 140 Мбит/с и SDH трибы 155, 622 и
2500 и 10000 Мбит/с, соответствующие STM-1, 4, 16, 64 [27, 215]. Если PDH трибы являются
‘‘электрическими”, т.е. использующими электрический формат сигнала для передачи данных, то
SDH трибы могут быть как электрическими (STM-1), так и оптическими (STM-1, 4, 16, 64). Для
мультиплексоров SDH уровня STM-64 из этого набора исключается триб 10000 Мбит/с, для уров-
ня STM-16 - исключается триб 2500 Мбит/с, для STM-4 - триб 622 Мбит/с, и, наконец, для первого
уровня - триб 155 Мбит/с. Ясно, что конкретный мультиплексор может и не иметь полного набора
трибов для использования в качестве каналов доступа. Это определяется не только пожеланиями
заказчика, но и возможностями фирмы-изготовителя.
88
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Другой важной особенностью SDH мультиплексора является наличие двух оптических ли-
нейных выходов (каналов приема/передачи), называемых агрегатными выходами и используе-
мых не только собственно для приема-передачи, но и для создания режима полного резервирова-
ния, или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надежности [22]. Эти выходы (в зависимости
от топологии сети) могут называться основными и резервными (линейная топология, см. ниже
рис. 2-48) или восточными и западными (кольцевая топология, см. ниже рис. 2-52).
Нужно заметить, что термины “восточный” и “западный”, применительно к сетям SDH,
используются достаточно широко для указания на два прямо противоположных пути распростра-
нения сигнала в кольцевой топологии: один - по кольцу влево - “западный”, другой - по кольцу
вправо - “восточный”. Они не обязательно являются синонимами терминов “основной” и
“резервный” (как например, на рис. 2-70, где резервные блоки затенены). Если резервирование не
используется (так называемый незащищенный режим), достаточно только одного выхода (одного
канала приема/передачи). Резервирование 1+1 в сетях SDH является их внутренней особенностью
и имеет мало общего с так называемым внешним резервированием, когда используется альтерна-
тивный (резервный) путь от одного узла сети к другому и дополнительный комплект оборудова-
ния, как это делается, например, в так называемой ячеистой сети SDH, работающей в незащи-
щенном режиме (подробнее см. разд. 2.6).
На рис. 2-39 приведена развернутая функциональная схема терминального мультиплексора
STM-1, составленная из логических функциональных блоков, описанных выше [58]. На схеме (для
простоты) показан один (2 Мбит/с) из двух интерфейсных (входных) блока, осуществляющих об-
работку трибов 2 и 34 Мбит/с и мультиплексорный блок, формирующий агрегатный (выходной)
канал. Ниже кратко рассмотрены интерфейсный блок, осуществляющих обработку 2 Мбит/с три-
бов, и агрегатный блок.
Рис. 2-39. Функциональная логическая схема терминального мультиплексора
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
89
Интерфейсный блок
Интерфейсный блок (рассмотрен только интерфейс 2 Мбит/с) максимально может быть
представлен 63 идентичными 2 Мбит/с каналами (мы рассмотрим один из них). Пунктиром пока-
заны блоки, используемые в байт-синхронном режиме сборки модулей TU. Блоки, работающие на
приеме и передаче, разделены пунктиром на две части. На приеме 2 Мбит/с триб обрабатывается
функцией EPPI - электрический физический интерфейс сигнала PDH, являющейся электриче-
ской версией функции PPI, описанной выше, формирующей в процессе мониторинга аварийное
сообщение LOS. При использовании байт-синхронного режима сборки используются функции
РРА/РРТ - адаптации и окончания маршрута PDH, формирующими аварийные сообщения: AIS,
DEG (SD), EXC (EXE), FERE, LOF. После этого сигнал обрабатывается функциями LPA/LPT -
адаптации и окончания маршрута нижнего уровня, формирующими сообщения DEG (SD),
FERF, SLM, SSF, TIM, UNEQ, и поступает на блок НРА - адаптации маршрута верхнего уровня,
формирующего сообщения AIS и LOP.
Итак, указанные выше функции следующим образом обрабатывают входной сигнал:
- EPPI/PPA - выделяют синхронизирующий сигнал из линейного кода HDB-3, регенерируют и де-
кодируют данные, мониторят физическое состояние сигнала;
- РРТ - терминируют маршрут данных потока 2 Мбит/с и передают тайм-слоты 1-31 (64 кбит/с) на
обработку LPA;
- LPA - отображает полученные тайм-слоты на поле контейнера С-12;
- LPT - генерирует маршрутный заголовок VC-12 РОН, формируя VC-12;
- LUG - если нет нормального виртуального контейнера нижнего уровня на выходе LPT, генератор
LUG генерирует VC-12 с нормальным РОН, но без полезной нагрузки, снабжая его меткой
UNEQ - незагруженный;
- НРА - генерирует указатель TU-12, отображает VC-12 (а возможно и VC-3) на полезную нагруз-
ку VC-4, генерирует VC-4 РОН, формируя VC-4.
Выходной сигнал интерфейсного блока формируется аналогично предыдущему, но ука-
,:нные функции осуществляют обратные действия, кроме функции LUG, которая не используется.
Агрегатный блок
Агрегатный блок при работе использует следующие функциональные логические элемен-
ты (представленные в направлении генерации (передачи) агрегатного потока): НРА, HPT, MSA,
MST, RST, OSPL Большинство функций этих элементов нам уже знакомо, кроме НРТ - окончания
маршрута верхнего уровня и OSPI - оптический физический интерфейс сигнала SDH. Как и
:я интерфейсного блока, на рисунке агрегатного блока показаны аварийные сигналы и сообще-
ния, генерируемые при функционировании мультиплексора различными блоками-функциями:
LOM (НРА); DEG, FERF, SLM, SSF, TIM, UNEQ (HPT); AIS, LOP (MSA); AIS, DEG, FERF (MST);
LOF (RST); LOS (OSPI).
Итак, указанные выше функции следующим образом формируют выходной сигнал:
' 1РА/НРТ - принимая сигнал с блока НРА на выходе интерфейсного блока, окончательно форми-
\ют блок VC-4 (если требуется), генерирует указатели AU-4 и синхронизирует сигналы путем
подстройки указателей AU-4 и TU-12;
' 1SA/MST - генерируют и записывает заголовок мультиплексной секции MSOH;
. ,ST - генерируют и записывает заголовок регенераторной секции RSOH, скремблирует сформи-
рованный сигнал;
' SPI - конвертирует полностью сформированный электрический STM-1 сигнал в оптическую
орму;
Входной сигнал агрегатного блока формируется аналогично предыдущему, но указанные
)кции осуществляют обратные действия.
2.3.3.2. Мультиплексор ввода/вывода
’’'.тьтиплексор ввода/вывода ADM может иметь на входе тот же набор трибов, что и терми-
ьный мультиплексор (рис. 2-38). Он позволяет вводить/выводить соответствующие им каналы.
90
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, мультиплексор ADM позволя-
ет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях (например, на
уровне контейнеров VC-4 в потоках, поступающих с линейных или агрегатных выходов, т.е. опти-
ческих каналов приема/передачи). Такой мультиплексор имеет как правило достаточно мощную
матрицу кросс-коммутации, позволяющую решать (хотя и в меньшем объеме) те же задачи, что и
специализированный кросс-коммутатор.
ADM также позволяет осуществлять замыкание канала приема на канал передачи на обоих
сторонах (восточной и западной) в случае выхода из строя одного из направлений, т.е^ осуществ-
лять модельную матричную функцию резервного переключения. Наконец, он позволяет (в случае
аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать (в аварийном пассивном режиме) основ-
ной оптический поток в обход мультиплексора. Все это дает возможность использовать ADM в
топологиях типа кольца.
Нужно иметь ввиду, что решение задачи вывода каналов (трибов) из агрегатного потока
осуществляется на уровне матрицы кросс-коммутации. При этом используется двойное преобра-
зование потока: оптоэлектронное (ОЭ) на входе матрицы и электрооптическое (ЭО) на выходе. В
результате выходной канал (триб) должен отводиться в оптическую среду передачи (ВОК) или до-
полнительно преобразовываться в электрический сигнал внешним ОЭ преобразователем. Важным
моментом здесь является то, что, как правило, число каналов одновременного вывода равно числу
однотипных каналов ввода или равно эквивалентно-пересчитанной на каналы емкости кросс-
коммутатора.
В последнее время в связи с использованием чисто оптических технологий мультиплекси-
рования может оказаться так, оптический мультиплексор ввода-вывода, будет иметь существенной
разные возможности по числу каналов одновременного ввода и вывода (последних может быть
значительно меньше в силу ограничений оптического демультиплексора, см. разд. 10.5)
2.3.4. Концентраторы
Концентратор (иногда называемый “хабом”, так как используется в топологических схемах типа
“звезда”), представляет собой мультиплексор, объединяющий несколько, как правило однотипных
(со стороны входных портов) потоков данных, поступающих от удаленных узлов сети в один рас-
пределительный узел сети SDH, не обязательно также удаленный, но связанный с основной
транспортной сетью (см. рис. 2-40).
Этот узел (допустим типа STM-N) может также иметь не один, а два, три или больше пор-
тов типа STM-N или STM-N-1 (рис. 2-40,а,б,в), что позволяет организовать подключение одной
дополнительной ветви к основной линейной цепи (рис. 2-40,а), или кольцу, или подключение
двух дополнительных ветвей к основной линейной цепи (рис. 2-40,6), или кольцу, или, наконец,
подключение нескольких узлов сети к линейной сети, или кольцу SDH (рис. 2-40,в).
В общем случае концентратор позволяет уменьшить общее число каналов, подключенных
непосредственно к основной транспортной сети SDH. Мультиплексор распределительного узла в
порте ответвления позволяет локально коммутировать подключенные к нему каналы, давая воз-
можность удаленным узлам обмениваться через него между собой, не загружая трафик основной
транспортной сети. Нужно заметить, что суммарный входной поток трибов концентратора не дол-
жен превышать его выходной (агрегатный) поток, поэтому при использовании всех портов одного
уровня, потоки на входных портах должны быть частично заполнены, а матрица кросс-
коммутации концентратора должна работать в режиме консолидации (объединения) виртуальных
контейнеров (см. рис. 2-45).
2.3.5. Регенераторы и усилители
Регенератор представляет собой вырожденный случай мультиплексора, имеющего один входной
канал - как правило оптический триб STM-N и один или два (при использовании схемы защиты
1+1) агрегатных выхода (рис. 2-41).
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
91
Задача регенератора - увеличить допустимое расстояния между терминальными узлами се-
ти SDH за счет регенерации оптических сигналов полезной нагрузки. Регенерация оптического
сигнала не сводится только к усилению сигнала, амплитуда которого уменьшилась до критическо-
го уровня в результате затухания сигнала при прохождении по волокну на длине регенерационной
секции. Необходимо также восстановить к исходной форме все параметры оптического сигнала,
например: его форму, крутизну фронтов, ширину на уровне половинной амплитуды и отношение
сигнал/шум.
в)
Рис. 2-40. Синхронный мультиплексор (SMUX) в режиме концентратора
Регенерация сигнала вплоть до настоящего времени может проводится только в электриче-
ской форме. В результате оптический сигнал в регенераторе сначала преобразуется в электриче-
скую форму, потом регенерируется, а затем преобразуется в оптическую форму. Это достаточно
сложно, если учесть частотный диапазон работы электронных устройств, регенерирующих сигна-
лы, распространяющиеся со скоростями 2,5 - 40 Гбит/с в режиме реального времени.
Для оборудования SDH первого поколения, не использовавшего оптические усилители -
ОУ допустимое расстояние между регенераторами (учитывая практику использования одномодо-
вых ВОК) составляло 15-40 км для длины волны порядка 1300 нм или 40-80 км - для 1500 нм. При
использовании оптических усилителей оно может достигать 600-650 км, что практически на поря-
док уменьшает число требуемых в настоящее время регенерационных секций. Более точно это
расстояние определяется отношением допустимых для секции регенератора суммарных потерь на
затухание на 1 км длины кабеля (см. более подробно ниже).
SDH трибы —* SMUX.
Оптический агрегатный
канал приема/передачи
Рис. 2-41. Мультиплексор в режиме регенератора
92 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH Г лава 2
Усилители (как правило оптические) стали применяться в аппаратуре SDH второго поко-
ления, после того как в промышленной эксплуатации появились ОУ на оптическом волокне, леги-
рованном эрбием (см. подробнее разд. 10.1).
Оптические усилители позволяют усилить йа 10-20 дБ ослабленный при прохождении по
волокну сигнал без использования промежуточных ОЭ-ЭО преобразований. Они могут встраи-
ваться (вставляться в виде карт) в мультиплексоры SDH или использоваться в виде автономных
устройств на линии. При это.М различают три типа ОУ:
- бустеры - выходные мощные ОУ, устанавливаемые после оптического передатчика;
- линейные усилители - ОУ, устанавливаемые в виде автономных устройств на линии;
- предусилители - ОУ, устанавливаемые на входе оптического приемника.
Максимальный эффект увеличения длины регенераторной секции достигается тогда, когда
одновременно используются три типа усилителей: бустеры и предусилители, встраиваемые в
мультиплексорное оборудование, и автономные линейные усилители, устанавливаемые на линии
между двумя мультиплексорами.
Такие усилители позволяют сформировать новый тип секций - усилительные секции (на-
зываемые нами пролетами) в дополнение к мультиплексным и регенераторным секциям. Их ис-
пользование было ускорено широким внедрением технологии WDM и более подробно рассмотре-
но в разд. 11.1)
2.3.6. Коммутаторы
Подавляющее большинство современных мультиплексоров ввода/вывода строятся по модульному
принципу. Среди этих модулей центральное место занимает кросс-коммутатор или просто ком-
мутатор - DXC.
В синхронной сети коммутатор позволяет установить связи между различными каналами
(маршрутами потоков данных, виртуальными контейнерами), ассоциированными с определенны-
ми пользователями сети, путем организации полупостоянной (временной) перекрестной связи, или
кросс-коммутации, между ними. Наличие такой связи дает возможность осуществить маршру-
тизацию в сети SDH на уровне виртуальных контейнеров VC-n (см., например, рис. 2-3), управ-
ляемую сетевым менеджером в соответствии с заданной конфигурацией сети.
2.3.6.1. Типы коммутаторов SDH
Физически возможности внутренней коммутации каналов заложены в самом мультиплексоре
SDH, что позволяет говорить о мультиплексоре как о внутреннем или локальном коммутаторе.
На рис. 2-42, например, менеджер полезной нагрузки может динамически изменять логическое со-
ответствие между трибным блоком TU и каналом доступа (трибным интерфейсом), что равно-
сильно внутренней коммутации каналов. Кроме этого, мультиплексор, как правило, имеет воз-
можность коммутировать собственно каналы доступа, (рис. 2-43), что равносильно локальной
коммутации каналов (такие возможности отмечались как у ТМ, так и у ADM выше). На мультип-
лексоры, например, можно возложить задачи локальной коммутации на уровне однотипных кана-
лов доступа, т.е. задачи, решаемые концентраторами (рис. 2-43).
Все это говорит о возможности распределенного управления процессом коммутации в уз-
лах сети SDH. Однако эти возможности в большинстве своем ограничены как по числу коммути-
руемых каналов, так и по типу виртуальных контейнеров VC, доступных для коммутации. Поэто-
му в общем случае приходится использовать специально разработанные синхронные коммута-
торы - SDXC, осуществляющие не только локальную, но и общую или проходную коммутацию
высокоскоростных потоков (34 Мбит/с и выше) и синхронных транспортных модулей STM-N
(рис. 2-44).
Важной особенностью таких коммутаторов является отсутствие блокировки других ка-
налов при коммутации, когда коммутация одних групп TU (VC) не накладывает ограничений на
процесс обработки других групп TU (VC). Такая коммутация называется неблокирующей.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
93
Вопросы, касающиеся общей теории, типов и методов построения коммутирующих цепей
рассмотрены ниже в разд. 10.2, касающемся оптических коммутаторов.
PDH трибы -4—►
SMUX
(каналы доступа)
SDH трибы
Запад
Оптический агрегатный
канал приема/передачи
Восток
Рис. 2-42. Мультиплексор ввода/вывода в режиме внутреннего коммутатора
PDH трибы
(каналы доступа)
SDH трибы —
<,... .?Х. Оптический агрегатный
blvlUX> канал приема/передачи
' Восток
Рис. 2-43. Мультиплексор ввода/вывода в режиме локального коммутатора
Рис. 2-44. Общий или проходной коммутатор высокоскоростных каналов
Существуют несколько типов коммутаторов SDXC в зависимости от того, какие виртуаль-
ные контейнеры они могут коммутировать. Их обозначение в общем случае имеет вид SDXC п/т,
где п означает номер виртуального контейнера, который коммутатор может принять на вход, а т -
номер максимально возможного уровня виртуального контейнера, который он способен коммути-
ровать. Иногда вместо номера виртуального контейнера т указывают набор коммутируемых вир-
туальных контейнеров, например, m/p/q. Так например, для уровня STM-1 могут быть указаны
следующие типы коммутаторов:
- SDXC 4/4 - коммутатор, позволяющий принимать и обрабатывать VC-4, или потоки 140 и 155
Мбит/с;
- SDXC 4/3/2/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и
обрабатывать VC-3, VC-2 и VC-1, или потоки 34 или 45, 6 и 1,5 или 2 Мбит/с;
- SDXC 4/3/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и об-
рабатывать VC-3 и VC-1, или потоки 34 или 45 и 1,5 или 2 Мбит/с;
- SDXC 4/1 - коммутатор, позволяющий принимать VC-4, или потоки 140 и 155 Мбит/с, и обра-
батывать VC-1, или потоки 1,5 или 2 Мбит/с.
Коммутатор выполняет ряд специфических функций в зависимости от режима работы и
состава оборудования, с которым он работает.
2.3.6.2. Функции, выполняемые коммутатором
Можно выделить шесть различных функций, выполняемых кросс-коммутатором. Они проиллюст-
рированы на рис. 2-45:
94
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
- маршрутизация (routing) виртуальных контейнеров VC, проводимая на основе использования
информации в маршрутном заголовке РОН соответствующего контейнера (рис. 2-45,а);
- консолидация или объединение (consolidation/hubbing) виртуальных контейнеров VC, прово-
димая в режиме работы концентратора/хаба (рис. 2-45,6);
- трансляция (translation) потока от одной точки к многим точкам, или к многоточке, (point-to-
multipoint), осуществляемая при использовании режима связи “точка-многоточка” (рис. 2-45,в);
- сортировка или перегруппировка (grooming) виртуальных контейнеров VC, осуществляемая с
целью создания нескольких упорядоченных, например по типу контейнеров, потоков VC из
общего потока контейнеров VC, поступающего на коммутатор (рис. 2-45,г);
- доступ к виртуальному контейнеру VC (test access), осуществляемый при тестировании обору-
дования (рис. 2-45,д);
- ввод/вывод (drop/insert) виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексо-
ра ввода/вывода (рис. 2-45,е).
Рис. 2-45. Схемы реализации функций, выполняемых коммутатором
Штриховкой на рис. 2-45 указаны блоки, участвующие в схеме реализации конкретной
функции.
2.3.6.3. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH
Как было указано выше кросс-коммутатор может осуществлять три типа коммутации: внутрен-
нюю, локальную и проходную. Рассмотрим кратко как это осуществляется.
Кросс-коммутатор может рассматриваться как некая внутренняя многопортовая сеть, свя-
зывающая три типа портов (здесь мы рассматриваем только коммутаторы матричного типа):
- линейные порты ввода/вывода типа (in);
- линейные порты вывода/ввода типа (out);
- трибные порты ввода/вывода типа (trib).
Ядром такого коммутатора является неблокируемая, полнодоступная (в общем случае с
трех сторон - in, out, trib) матрица размера Nx TV (рис. 2-46). Матрица управляется мироконтрол-
лером и обеспечивает в общем случае коммутацию сигналов следующих уровней: VC-1 (1,5 или 2
Мбит/с), VC-2 (6 Мбит/с), VC-3 (34 или 45 Мбит/с) и VC-4 (140 Мбит/с). При этом возможна ор-
ганизация как однонаправленных, так и двунаправленных соединений типа: in-out, out-in, in-trib,
trib-in, trib-out, out-trib, trib-trib.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
95
in
Линейные
порты
ввода/вывода
Трибные порты ввода/вывода
out
Линейные
порты
вывода/ввода
Рис. 2-46. Схема матричного кросс-коммутатора
Первые два типа (in-out, out-in) относятся к классу проходных соединений, следующие че-
тыре (in-trib, trib-in, trib-out, out-trib) - к классу внутренних и последнее (trib-trib) - к классу ло-
кальных соединений. Как правило, допускаются соединения трех типов:
- “точка-точка” - отображение одного входа/выхода на один выход/вход;
- “точка-многоточка” - отображение одного входа на несколько выходов (называемое иногда
мультикастингом), например, отображение входа 2 на трибные выходы п-2, п-1, п;
- “точка-все точки” - отображение одного входа на все выходы (называемое иногда бродкастин-
гом или вещанием).
Емкость кросс-коммутаторов может быть достаточно большой - до 4096 х 4096 (или 4032 х
4032) соединений. Например, коммутатор компании Siemens, входящий в состав мультиплексоров
SM-1/4, имеет емкость 1008x1008 неблокируемых соединений [53].
Мультиплексоры, имеющие такие мощные коммутаторы, дают возможность осуществлять
два типа взаимодействия в сети SDH. Во-первых, осуществить связь двух колец SDH с перегруз-
кой трафика с одного кольца на другое. Причем, два кольца могут быть связаны как с помощью
одного, так и двух мультиплексоров. Во-вторых, мультиплексор, рассматриваемый как автоном-
ный узел сети, может осуществлять функции концентратора с перегрузкой потоков на три (трех-
лучевая звезда) или на четыре (четырехлучевая звезда) направления. Это позволяет использовать
их в сетях с ячеистой структурой, характерной для телефонных сетей общего пользования, где
кольцевые схемы иногда менее эффективны ввиду большого различия потоков в сегментах замк-
нутого маршрута, называемого “технологическим кольцом”, чтобы отличать его от топологиче-
ского кольца SDH, где число потоков во всех сегментах одинаково. Для осуществления таких ти-
пов соединений можно использовать коммутаторные блоки, вставляемые в стойку центрального
узла (в топологии “звезда”). Для мультиплексоров уровня STM-4 это могут быть, например, 2 до-
полнительных коммутатора уровня STM-1, способных коммутировать порядка 126-252 первичных
цифровых каналов по 2 Мбит/с каждый, как показано на рис. 2-40,6 [54].
Другим важным примером применения кросс-коммутаторов является организация связи в
единую сеть не только различных сегментов сети SDH, но и сегментов сетей, различных по техно-
логии, например сетей ATM, PDH, SONET и SDH. Характерным примеров таких коммутаторов
(класса SDXC 4/3/1), выпускаемых, как правило, в виде отдельных устройств, являются T::DAX
компании ECI и 1641SX компании Alcatel [55, 56].
Коммутатор T::DAX поддерживает европейские стандарты PDH и SDH и американские
стандарты Async и SONET и позволяет осуществлять форматные преобразования PDH, SDH и
SONET фреймов, обрабатывая следующий набор трибов PDH, SDH и SONET: 1,5 или 2 Мбит/с, 34
или 45 Мбит/с; STM-1; STS-1,3; ОС-3. Его эквивалентная коммутирующая емкость: основная -
1792x2 Мбит/с, расширенная - 3584x2 Мбит/с [55]. Вариант его использования приведен ниже на
рис. 2-59.
96
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Коммутатор 1641SX также поддерживает стандарты трех основных технологий PDH, SDH
и SONET и позволяет локально или дистанционно обрабатывать потоки с суммарным эквивален-
том STM-1 портов: 48, 112 или 192 с квадратной матрицей коммутации или с суммарным эквива-
лентом STM-1 портов: 224 или 560 со специальной матрицей. В конфигурации с эквивалентом 48
STM-1 портов он позволяет, например, коммутировать: 448 каналов емкостью 2 Мбит/с, 24 канала
емкостью 34 Мбит/с и по 16 каналов емкостью 140 Мбит/с и STM-1 [56].
Коммутатор может широко использоваться в различных топологиях типа “звезда” (рис. 2-
47), либо как шлюз между сетями PDH и SDH (рис. 2-47,а) или как шлюз между сетями SDH и
SONET (рис. 2-47,6), либо вместо мультиплексоров более высокого уровня (рис. 2-47,в), либо как
многопортовый концентратор для связи с узловыми мультиплексорами ячеистой сети (рис. 2-47,г).
Сеть PDH
Сеть SDN
АТС
SDN । SONET
।
I
STM-N --------- 1641 SX ------- ОС-М
-----1---
I
I
6)
6
Рис. 2-47. Схемы использования коммутатора Alcatel 1641 SX
Используя описанные выше функциональные модули SDH, можно построить различные
сети SDH, отличающиеся топологией, выбираемой в соответствии с целями и задачами, которые
требуется решать.
2.4. Базовые топологии реальных сетей SDH
Рассмотрим базовые топологии реальных сетей SDH и особенности их выбора при построении ар-
хитектуры реальных сетей SDH.
Для того, чтобы спроектировать сеть в целом нужно пройти несколько этапов, на каждом
из которых решается та или иная функциональная задача, поставленная в ТЗ на стадии проектиро-
вания. Это могут быть задачи выбора топологии сети, выбора оборудования узлов сети в соответ-
ствии с указанной топологией или задача формирования сетей управления и синхронизации. Пер-
вой из них является задача выбора топологии сети. Эта задача может быть решена достаточно лег-
ко, если знать возможный набор базовых стандартных топологий, из которых может быть со-
ставлена топология сети в целом. Ниже рассмотрены такие базовые топологии и их особенности.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
97
2.4.1. Топология “точка-точка”
Сегмент сети, связывающий два узла А и В, или топология “точка-точка”, является наиболее про-
стым примером базовой топологии SDH сети (рис. 2-48). Она может быть реализована с помощью
терминальных мультиплексоров ТМ, как по схеме без резервирования канала приема/передачи,
так и по схеме со 100% резервированием типа 1 + 1, использующей основной и резервный элек-
трический или оптический агрегатные выходы (каналы приема/передачи). При выходе из строя
основного канала сеть в считанные десятки миллисекунд может автоматически перейти на резерв-
ный.
каналы доступа
(трибы)
Рис. 2-48. Топология “точка - точка”, реализованная с использованием ТМ
Несмотря на свою простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется
при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам, например,
по трансокеанским подводным кабелям, обслуживающим магистральный цифровой телефонный
трафик. Эту же топологию используют для отладки сети при переходе к новой более высокой ско-
рости в иерархии SDH, например, с 622 Мбит/с (STM-4) на 2.5 Гбит/с (STM-16) или с 2.5 (STM-16)
на 10 Гбит/с (STM-64). Она же используется как составная часть радиально-кольцевой топологии
(используется в качестве радиусов кольцевой сети) и является основой для топологии типа
“последовательная линейная цепь”. С другой стороны, топологию “точка-точка” с резервировани-
ем можно рассматривать как вырожденный случай топологии “кольца” (см. ниже).
2.4.2. Топология “последовательная линейная цепь”
Эта базовая топология используется тогда, когда интенсивность трафика в сети не так велика и
существует необходимость ответвлений в ряде точек на линии, где могут вводится и выводиться
каналы доступа.
Она реализуется с использованием как терминальных мультиплексоров на обоих концах
цепи, так и мультиплексоров ввода/вывода в точках ответвлений. Эта топология напоминает по-
следовательную линейную цепь, где каждый мультиплексор ввода/вывода является отдельным ее
звеном. Она может быть представлена либо в виде простой последовательной линейной цепи без
резервирования, как на рис. 2-49, либо более сложной цепью с резервированием типа 1 + 1, как на
рис. 2-50. Последний вариант топологии часто называют уплощенным кольцом [48].
каналы
доступа
(трибы)
каналы доступа (трибы)
каналы
доступа
(трибы)
Рис. 2-49. Топология последовательной линейной цепи, реализованной на ТМ и TDM
>48
98
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
каналы доступа (трибы)
каналы
доступа
(трибы)
Рис. 2-50. Топология последовательной линейной цепи с защитой 1+1 типа уплощенное кольцо
2.4.3. Топология “звезда”, реализующая функцию концентратора
В этой топологии один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации (например,
цифровой АТС) или узлом сети SDH на центральном кольце, играет роль концентратора, или хаба,
где часть трафика может быть выведена на терминалы пользователей, тогда как оставшаяся его
часть может быть распределена по другим удаленным узлам (рис. 2-51).
Ясно, что этот концентратор должен быть активным и интеллектуальным (в терминологии
локальных сетей), т.е. быть мультиплексором ввода/вывода с развитыми возможностями кросс-
коммутации (как было описано выше). Такую схему называют также оптическим концентратором
(хабом), если на его входы подаются частично заполненные потоки уровня STM-N (или потоки
уровня на ступень ниже), а его выход соответствует STM-N. Фактически эта топология напомина-
ет топологию звезды, где в качестве центрального узла используется мультиплексор SDH.
Рис. 2-51. Топология “звезда” с мультиплексором в качестве концентратора
Другим примером использования топологии звезда может служить сеть SDH, в которой
роль хаба (концентратора) играет мощный кросс-коммутатор, коммутирующий модули STM-N и
виртуальные контейнеры VC-n на лучевые сегменты сети, которых может быть существенно
больше 3-4 (числа сегментов, характерного для концентраторов мультиплексорного типа).
2.4.4. Топология “кольцо”
Эта топология, см. рис. 2-52, широко используется для построения сетей SDH первых трех уров-
ней SDH иерархии: 155, 622 и 2500 Мбит/с. Основное преимущество этой топологии - легкость
организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в мультиплексорах SMUX двух пар (основной
и резервный) оптических агрегатных выходов (каналов приема/передачи): восток - запад, дающих
возможность формирования двойного кольца со встречными потоками (показаны стрелками на
рис. 2-52).
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
99
Рис. 2-52. Топология “кольца” с защитой 1+1 на уровне трибных блоков TU-n
Особенность кольцевой топологии в том, что потоки в различных сечениях кольца должны
быть одинаковы. Схема организации потоков в кольце может быть либо двухволоконной (как од-
нонаправленной, так и двунаправленной с защитой потоков по типу 1+1 или без нее), либо четы-
рехволоконной (как правило двунаправленной, позволяющей организовать различные варианты
защиты потоков данных). Кольцевая топология обладает рядом интересных свойств, позволяющих
сети (при ее определенной организации) самовосстанавливаться, т.е. быть защищенной от некото-
рых характерных типов отказов. Учитывая широкое использование различных методов защиты се-
тей SDH, они рассмотрены ниже бблее подробно (см. разд. 2.6).
2.4.5. Топология “ячеистая сеть”
Рассмотренные выше базовые топологии, как более характерные для магистральных транспорт-
ных сетей, широко используются при построении новых сетей SDH. Традиционные телефонные
сети, основанные на использовании узлов коммутации, построены в большинстве своем на основе
топологии смешанной сети, в которой, однако можно выделить базовую топологию ячеистой
сети - сети, составленной из замкнутых ячеек или контуров, или технологических колец.
На рис. 2-53 приведены схемы простых ячеистых сетей, связанных двумя узлами.
Рис. 2-53. Схемы простых ячеистых сетей
7*
100
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
В них используется разная форма ячеек сети, например, треугольная (3 узла), четырехугольная (4
узла), пятиугольная (5 узлов), шестиугольная (6 узлов). Так треугольная ячейка позволяет позво-
ляет сформировать минимальную сеть, состоящую из 4 узлов, четырехугольная ячейка - аналогич-
ную сеть из 6 узлов, пятиугольная - из 8 узлов и шестиугольная - из 10, см. рис. 2-53.
Существенное отличие ячеистой топологии, например от кольцевой, в том, что потоки в
звеньях ац, соединяющих узлы i и j, могут быть разными, зависящими от требуемой пропускной
способности конкретного звена. При этом замкнутый контур ячейки формирует так называемое
технологическое кольцо, потоки которого в разных сечениях - разные. Однако ячейка, если нуж-
но, может играть и роль полноценного, а не только технологического кольца.
Характерная особенность ячеистой топологии - возможность расширения сети путем на-
ращивания (мультиплицирования) однотипных ячеек без потери топологической однородности
сети. Таким свойством обладают все сети, использующие перечисленные выше ячейки. Более то-
го, указанные ячейки позволяют строить такие сети, где базовые ячейки могут контактировать с
друг с другом ровно двумя узлами. Последнее свойство важно при использовании методов защиты
подсетей в сетях SDH (см. ниже).
2.5. Архитектура реальных сетей SDH
Архитектурные решения при проектировании сети SDH могут быть сформированы на базе ис-
пользования рассмотренных выше элементарных топологий сети в качестве ее отдельных сегмен-
тов. Учитывая возможность и автономного использования отдельных элементарных топологий,
мы рассмотрим ниже только сети, комбинирующие рассмотренные элементарные топологии.
2.5.1 Радиально-кольцевая архитектура
Наиболее часто используется сочетание кольцевой и радиальной топологий, где в качестве ради-
альной выступает топология последовательной линейной цепи.
Пример радиально-кольцевой архитектуры сети SDH приведен на рис. 2-54. В этой сети
вместо последовательной линейной цепи в радиальной части может быть использована и более
простая топология “точка-точка”. Число радиальных ветвей ограничивается только из соображе-
ний допустимой нагрузки (общего числа каналов доступа) на мультиплексор доступа (вво-
да/вывода), установленный на кольце.
Рис. 2-54. Радиально-кольцевая архитектура сети SDH
2.5.2 Архитектура типа “кольцо-кольцо”
Другое часто используемое в архитектуре сетей SDH решение - соединение типа “кольцо-кольцо”.
Кольца в этом соединении могут быть либо одинакового, либо разного уровней иерархии SDH. На
рис. 2-55 показана схема соединения двух колец одного уровня (STM-4) с помощью интерфейсных
карт STM-1 через каналы доступа.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
101
Рис. 2-55. Архитектура с двумя кольцами одного уровня, связанными через каналы доступа
На рис. 2-56 показан другой вариант соединения колец - каскадная схема соединения трех
колец различного (по нарастающей) уровня - STM-1, STM-4, STM-16. При таком соединении
можно использовать в качестве оптических трибов, агрегатные потоки предыдущего иерархиче-
ского уровня при переходе от одного уровня иерархии к другому (например, оптический триб
STM-1 при переходе на кольцо STM-4 и триб STM-4 при переходе на кольцо STM-16). ,
Рис. 2-56. Архитектура каскадного соединения колец разного уровня с помощью оптических трибов
Указанные выше схемы соединения колец использовали для связи по одному мультиплек-
сорному узлу в кольце. При требовании обеспечить большую надежность этого может оказаться
недостаточно. В этом случае используют два мультиплексорных узла в каждом из взаимодейст-
вующих. колец. В этом случае связь между кольцами не будет потерена даже при выходе из строя
одного из мультиплексорных узлов связи.
Архитектура взаимодействующих колец в силу особого интереса к ней рассмотрена более
подробно в разд. 2.6. Здесь мы отметим лишь, что использование в ней двух узлов для связи колец
приводит к двум кольцевым топологиям [388] - одна называется "взаимодействующее виртуальное
кольцо", а другая - "взаимодействующее кольцо с выводом и продолжением" (см. рис. 2-68, разд.
2.6). Оба используют два узла связи между кольцами, но в первом эти узлы не связаны между со-
бой по маршруту прохождения трафика, а во втором - связаны (см. рис. 2-68, разд. 2.6), благодаря
реализованной функции "вывод с продолжением".
Схема взаимодействующих колец с двумя мультиплексорами связи используется рядом
российских компаний, например, "МТУ-Информ", "Совинтел", "Мосэнерго". На рис. 2-57 (см.
след, стр) приведена схема сети SDH АО "Мосэнерго", использующая такие соединения [405].
Все три предыдущих архитектурных решения использовали связь колец с помощью трибов
через интерфейсы каналов доступа. Существенно более гибкую (с точки зрения номенклатуры
коммутируемых устройств) и мощную (с точки зрения коммутируемых емкостей) связь колец
SDH, а также другого коммутационного оборудования можно получить с помощью кросс-
коммутаторов SDH типа 4/4 или 4/3/1. Пример такой связи колец на уровне ОС-48 SONET и STM-
16 SDH показан на рис. 2-62, приведенном в разд. 2.5. Кроме большой емкости и гибкости такой
связи, кросс-коммутаторы в этом конкретном примере связи колец SONET и SDH, дают возмож-
ность конвертации трибов АС иерархии (например, ТЗ) в трибы ЕС иерархии - ЕЗ.
102
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Рис. 2-57. Практический пример сети взаимодействующих колец с дублированием узлов связи
Наконец последние достижения в области технологии WDM сделали возможным осущест-
вить еще один вариант связи колец SDH с помощью мультиплексоров WDM. В этом случае опти-
ческие трибы SDH, на уровне которых происходит связь, модулируют оптическую несущую (не-
сущие), которая коммутируется (маршрутизируется) оптическим (или электрическим) кросс-
коммутатором и передается на узел WDM на дальнем конце (в рамках модельного уровня WDM),
а затем преобразуется транспондером WDM и поступает на кольцо SDH (расстояние между связы-
вемым кольцами может быть равно длине пролета или длине регенерационной секции).
2.5.3. Линейная архитектура для сети большой протяженности
Для линейных сетей большой протяженности расстояние между терминальными мультиплексора-
ми ТМ больше или много больше того расстояния, которое может быть рекомендовано с точки
зрения максимально допустимого затухания волоконно-оптического кабеля. В этом случае на
маршруте (в линейном тракте) между ТМ (рис. 2-58) должны быть установлены кроме мультип-
лексоров и проходного коммутатора еще и регенераторы для восстановления (регенерации) зату-
хающего оптического сигнала.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
103
Эту линейную архитектуру можно представить в виде последовательного соединения ряда
секций, определенных в стандартах ITU-T G.957 и G.958 [24, 25].
Принято различать три типа стандартизованных участков - секций (использование линей-
ных ОУ на них не предполагается):
- оптическая секция (участок от точки электронно-оптического до точки оптоэлектронного пре-
образований сигнала), которая по сути являются участком ВОК между элементами сети SDH (на
рис. 2-58 не показано);
- регенераторная секция (см. на рис. 2-58);
- мультиплексная секция (см. на рис. 2-58).
Мультиплексные секции
«--------------------------------►
Регенераторные секции
<---------► ◄---------► ◄-------►
Рис. 2-58. Сеть SDH большой протяженности со связью типа “точка-точка” и ее сегментация
Оптические секции нормируются подлине [24], при этом выделяют три категории:
- I - внутристанционная секция, длиной до 2-х км;
- S - короткая межстанционная секция, длиной порядка 15 км;
- L - длинная межстанционная секция, длиной порядка 40 км (при длине волны 1310 нм) и 80
км (при длине волны 1550 нм).
Указанные длины секций используются только для классификации (см. ниже) и не могут
рассматриваться как рекомендуемые значения используемых техничеких параметров. Общая дли-
на маршрута может составлять при этом сотни или же тысячи километров. Маршрут в [47] рас-
сматривается как участок тракта между терминальными мультиплексорами, допускающий авто-
матическое поддержание функционирования сети с номинальной производительностью.
Мультиплексная секция рассматривается как участок тракта между транспортными уз-
лами (мультиплексорами и коммутаторами), допускающий аналогичное автоматическое под-
держание функционирования.
Регенераторная секция рассматривается как участок тракта между двумя регенераторами
или между регенератором и другим узлом сети SDH. В [24] для аналогичных определений исполь-
зуются эталонные точки А (вход/выход волокна) и С (источник/сток окончания регенератор-
ной секции RST) в схеме представления регенераторной секции, определенные в стандарте ITU-T
G.783 [22]. Более подробно см. изложение в стандартах ITU-T G.957, G.958 [24, 25], или в работах
[6,47].
Описанный выше секционный заголовок SOH фрейма STM-N, содержащий управляющую
информацию, делится как указывалось выше на две части: RSOH - заголовок регенераторной сек-
ции - 27 байтов (строки 1-3, столбцы 1-9) и MSOH - заголовок мультиплексной секции - 47 байтов
(строки 5-9, столбцы 1-9) [16]. Регенераторная секция обрабатывает RSOH, который содержит
синхросигнал, а также управляющую и контрольную информацию, позволяющую локализовать
поврежденную секцию. Этот заголовок, будучи сформированным и записанным в фрейм на входе
RST, считывается каждым регенератором и окончательно терминируется на выходе RST, что бо-
лее подробно описано выше и в [16].
104
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Классификация секций приведена в таб. 2-2. Она дает стандартное обозначение секций в
зависимости от уровня STM (1,4, 16) и приведена для указанных трех типов применения: внутри
станции (код использования I), между станциями - короткая секция (код использования S), ме-
жду станциями - длинная секция (код использования L). В общем случае кодировка типов исполь-
зования линейных регенераторных секций как оборудования SDH включает три элемента и имеет
формат:
<код использования> - <уровень STM> . <индекс источника> л'Ч’ча-з р .3?..с
Здесь "код использования" и "уровни STM" приведены выше, а "индекс источника" имеет
следующие значения и смысл: < ч ' г
- 1 или без индекса - указывает на источник излучения с длиной волны 1310 нм;
- 2 - указывает на источник излучения с длиной волны 1550 нм для волокна, соответствующего
стандартам ITU-T G.652 (секции S) и G.652, G.654 (секции L);
- 3 - указывает на источник излучения с длиной волны 1550 нм для волокна, соответствующего
стандарту G.653.
Например, обозначение L-4.3 расшифровывается как длинная межстанционная регене-
раторная секция линейного оборудования STM-4, использующая источник излучения (света) с
длиной волны 1550 нм. .< - -г , - . -
Таблица 2-2. Классификация стандартных оптических интерфейсов
Использование: Внутри станции Между,станциями у
Короткая секция Длинная секция
Длина волны источника, нм 1310 1310 1550 1310 1550
Тин волокна Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.652 Rec. G.654 Rec. G.653
Расстояние (км)а) <2 - 15 ~ 40 ~ 80
Уровни STM - STM-1 1-1 S-1.1 S-1.2 L-l.l L-1.2 L-1.3
STM-4 1-4 S-4.1 S-4.2 L-4.1 L-4.2 L-4.3
STM-16 1-16 S-16.1 S-16.2 L-16.1 L-16.2 L-16.3
а1 Расстояния условны и используются для классификации, а не для расчетов в технических заданиях
2.5.4. Архитектура разветвленной сети общего вида ; з-чыгл
В процессе развития сети SDH разработчики могут использовать ряд решений, характерных для
глобальных сетей, таких как формирование “остова” сети (backbone) или магистральной сети в
виде ячеистой (mash) структуры, позволяющей организовать альтернативные (резервные) маршру-
ты, используемые в случае возникновения проблем при маршрутизации виртуальных контейнеров
по основному пути. ;
Наряду с присущим сетям SDH внутренним резервированием, такой путь позволяет повы-
сить надежность всей сети в целом. Причем при таком резервировании на альтернативных мар-
шрутах могут быть использованы альтернативные среды распространения сигнала. Например, ес-
ли на основном маршруте используется волоконно-оптический кабель (ВОК), то на резервном -
радиорелейная линия (РРЛ) или спутниковая линия, или наоборот.
Ниже приведены примеры архитектур (как модельных, так и реально существующих),
дающих возможность продемонстрировать ряд используемых типовых решений. . о о; осз . > •
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
105
Модельная глобальная сеть SDH смешанной архитектуры
На рис. 2-59 представлена смешанная архитектура такой разветвленной (глобальной) сети,
остов (или опорная/магистральная сеть) которой сформирован для простоты в виде одной сете-
вой ячейки, узлами которой являются коммутаторы типа SDXC, связанные по типу “каждый с ка-
ждым”.
Рис. 2-59. Разветвленная сеть SDH с каскадно-кольцевой и ячеистой структурой
Глобальная сеть смешанной архитектуры на основе технологий PDH и SDH
Еще один пример сети SDH общего вида приведен на рис. 2-60. Эта сеть рассматривается в
[55] как пример законченного решения сети, связывающей сегменты, использующие как тополо-
гии SDH, так и PDH.
SDM-16
FViSgy
eNM
SLR-16
STM-16
(2,5Гбит/с)
SLR-16
SDM-16
SDM-4
SDM-4
SDM-4
SDM-4
SDM-4
SDM-4
eEM/eRMS
SDM-4
STM-4
SDM-4
STM-4
Трибные
интерфейсы
SDM-1
PSM-1
eEM/eRMS
140M
T::DAX
PSM-1
SDM-1
SDM-1
155 Мбит/с
2M. 34M
SDM-1
155 Мбит/с
Рис. 2-60. Сеть общего вида с сегментами PDH и SDH
106
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
Схема сети (рис. 2-60) состоит из трех колец SDH, связанных между собой тремя сегмен-
тами. Два верхних кольца уровня STM-4 связаны последовательной линейной SDH цепью уровня
STM-16, состоящей из 2 ТМ типа SDM-16 с 2 промежуточными регенераторами SLR-16. Два ле-
вых (верхнее - STM-4 и нижнее - STM-1) кольца связаны линией Е4 PDH (140 Мбит/с), терми-
нальные мультиплексоры PDH которой PSM-1 на уровне триба Е4 непосредственно связаны с
SDH мультиплексорами SDM-1. Замыкающее звено между правым верхним и левым нижним
кольцами SDH использует кросс-коммутатор T::DAX, связанный на уровне PDH трибов с двумя
мультиплексорами SDM-1 нижнего кольца STM-1 с одной стороны и промежуточным мультип-
лексором SDM-1 с другой. Последний выполняет несколько функций:
- терминального мультиплексора последовательной линейной цепи, составленной из нескольких
мультиплексоров SDM-1;
- мультиплексора ввода/вывода для сети доступа, организуемой через РСМ-2, и потоков от
кросс-коммутатора T::DAX;
- концентратора-коммутатора потоков между T::DAX, верхним кольцом STM-4, линейной цепью
SDM-1 и PDH мультиплексором РСМ-2 в сети первичного доступа.
Наконец, сети SDH общего вида можно рассматривать как транспортную сеть для ATM
трафика, учитывая, что виртуальные контейнеры VC-n могут нести в упакованном (например, в
виртуальные контейнеры VC-4 и VC-4-Хс) виде поток ATM ячеек в качестве полезной нагрузки
(более подробно см. ниже гл. 8 или стандарт ITU-T G.707 [16]).
Глобальная сеть смешанной архитектуры на основе технологий ATM и SDH
Для сопряжения транспортных сетей SDH и ATM сетей, рассматриваемых как сети досту-
па, уже сейчас существуют коммутаторы доступа ATM, осуществляющие упаковку ячеек ATM в
виртуальные контейнеры SDH или в виртуальные трибы SONET (в рамках технологий ATM Over
SDH и ATM Over SONET). Одним из них является, например, коммутатор АТоМ компании ECI.
Схема общей транспортной сети SDH и сети доступа ATM приведена на рис. 2-61.
Рис. 2-61. Сеть SDH ATM, использующая технологию ATM в сетях доступа
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
107
Глобальная трансатлантическая сеть Gemini на основе технологий SDH и WDM
Еще одним примером архитектуры глобальной сети может служить трансатлантическая
сеть, построенная по проекту "Gemini" (см. рис. 2-62 на след, стр.) компаниями WorldCom и Cable
& Wireless (с помощью единого поставщика компании Alcatel) в 1998 г. [384].
Сеть общей пропускной способностью 60 Гбит/с состоит из двух полуколец (северного и
южного емкостью по 30 Гбит/с каждое). Сеть использует технологии SDH и WDM (8 информаци-
онных несущих на одно волокно). Эта сеть фактически состоит из трех колец - два наземных
кольца SDH (левое кольцо уровня ОС-48 в США и правое - уровня STM-16 в Великобритании) и
одно подводное кольцо WDM (трансатлантическое). Кольца соединены между собой кросс-
коммутаторами DXC 4/3/1. Через такие же кросс-коммутаторы на европейской части сети осуще-
ствляется выход на сети доступа (справа внизу) и на основное кольцо Ulysses Core, дающее выход
на Пан-европейскую сеть SDH-WDM.
Отличительной особенностью сети является не только использование технологии WDM и
высокая пропускная способность сети, но и схема защиты трафика трансатлантического кольца,
сочетающая двухузловую схему стыковки колец с характером аварийного терминирования трафи-
ка по типу "вывод с продолжением" (drop & continue), см. ниже. Сеть управляется системами Al-
catel 1353 SH/WX и Alcatel 1354 RM/SN компании Alcatel.
Глобальная интегрированная сеть ATM, SDH и WDM и оптической магистралью
Существенное развитие технологии WDM за последнее время и ее интеграция с другими
технологиями связи (в первую очередь с ATM, IP и SDH) привела к тому, что приходится пере-
сматривать ряд стратегий развития глобальных сетей и в первую очередь сетей, рассчитанных на
перспективу.
Одна из таких стратегий последнего времени - использование технологии SDH в качестве
основной транспортной технологии для магистральных сетей связи и использование ее в качестве
переносчика трафика других сетевых технологий - ATM и IP. Эффективность такой стратегии бы-
ла поставлена под сомнение развитием технологии WDM, которая (в силу ряда особенностей, ко-
торые мы обсуждаем ниже в разд. 11.1) в стратегическом плане предложила более гибкие и эко-
номически эффективные решения для ее использования в качестве основной транспортной техно-
логии для магистральных сетей связи вместо технологии SDH.
На рис. 2-63 (см. стр. 109) приведена архитектура модельной сети [385], использующей оп-
тическую маршрутизацию трафика WDM (основанный на коммутвции оптических несущих), ко-
торая создает некий новый "оптический" уровень передачи магистрального трафика по физически
существующей сети на основе ВОК. Эта же технология предлагает себя в качестве более простой
и эффективной альтернативы SDH как переносчика трафика других сетевых технологий.
Интегрированная сеть, представленная на рис. 2-63 состоит из нескольких уровней. На са-
мом нижнем представлены две сети кольцевой топологии, одна - традиционное кольцо SDH с
мультиплексорами ввода-вывода ADM, другая - кольцо SDH с мультиплексорами ISA SDH, до-
пускающими упаковку трафика (пакетов/ячеек) технологий IP и ATM, и традиционным узлом дос-'
тупа к сети SDH - SDH AN. Эти сети связаны с оптической сетью (кольцом) следующего (верхне-
го) уровня, использующей технологию WDM либо непосредственно на уровне мультиплексоров
обычного ADM и оптического ADM (OADM), либо с помощью цифрового кросс-коммутатора ISA
DXC (префикс ISA позволяет обрабатывать ISA трафик с коммутацией пакетов/ячеек на коммута-
торы ЛВС NB SW (узкополосный) и ВВ SW (широкополосный). Мультиплексоры этого уровня
OADM могут служить мультиплексорами доступа для оптических ЛВС технологий, таких как GE
и FDDI, также как и для других оптических потоков. Кроме мультиплексоров OADM на оптиче-
ском кольце показаны оптический кросс-коммутатор ОХС и оптический шлюз (optical gateway).
Первый может быть связан с оптическими потоками от ЛВС или других источников, второй - ве-
дет нас на верхний уровень оптической маршрутизации, осуществляемой в зависимости от длины
волны с помощью оптических кросс-коммутаторов ОХС, объединеных в ячеистую сеть и связан-
ных между собой по типу "каждый с каждым".
о
00
Кольцо доступа
Рис. 2-62. Глобальная трансатлантическая сеть SDH-WDM “Gemini”
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH Г лава 2
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
109
Рис. 2-63. Пример интеграции технологий ATM, SDH и WDM с возможностями оптических сетей
2.5.5. Сравнительный анализ эффективности архитектурных решений
Выше мы рассмотрели ряд топологий и архитектурных решений, используемых в практике фор-
мирования сетей SDH. Каждая из этих архитектур и топологий имеет свои достоинства и недос-
татки, которые мы хотели бы кратко подытожить.
Архитектуры "точка-точка" и “линейная цепь” (с защитой и без нее) имеют свою ярко вы-
раженную специфику и будут использоваться в любой архитектуре смешанного типа.
Радиально кольцевая архитектура имеет свои плюсы и минусы. Безусловный плюс - воз-
можность использовать защиту 1+1 для двухволоконной схемы без дополнительного оборудова-
ния, возможность использования всех возможных для SDH схем защиты для четырехволоконной
схемы с дополнительным комплектом оборудования. Минусом является недостаточная гибкость,
вызванная, во-первых, отсутствием альтернативных маршрутов (не считая резервного), постоянст-
во числа каналов в “сечении” сети на любом участке, необходимость резервирования потоков для
всех каналов радиальных ветвей и вызванное этим быстрое насыщение кольца (например, при ре-
зервировании 5 каналов Е1 в каждом радиусе и 10 радиусах на нужды собственного трафика меж-
ду узлами кольца в мультиплексоре STM-1 остается только 13 каналов Е1) и низкая эффектив-
ность использования трафика. Кроме того число узлов на кольце обычно ограничено (в том числе
и приведенными выше соображениями), а значит для обслуживания определенной области прихо-
110
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
Глава 2
дится организовывать несколько колец с неизбежной дополнительной потерей емкости колец, ре-
зервируемой для целей перегрузки контейнеров из одного кольца в другое в соответствии с картой
проложенных при конфигурации маршрутов потоков данных. Ситуация в этом плане еще более
усугубляется при использовании двух узлов для связи колец с целью повышения надежности.
Смешанная радиально-кольцевая архитектура, использующая кросс-коммутаторы для свя-
зи нескольких колец позволяет избавиться от ряда недостатков радиально-кольцевой архитектуры,
однако это стоит определенных финансовых затрат.
Как показывает практика развития сетей SDH в европейских странах наиболее оптималь-
ной с точки знеия оптимизации затрат на сеть в целом и наиболее гибкой на наш взгляд является
ячеистая архитектура. Даже если вы начали строительство сети с одного кольца SDH, вы анализи-
руете потоки на различных его сегментах и пытаетесь увеличить пропускную способность ряда из
них путем прокладки параллельных линий, на которых впоследствии организуете дополнительные
узлы по мере накопления клиентов. В результате оказывается что вы построили на базе этого сег-
мента некую ячейку. Аналогичный процесс повторяется на других сегментах. В результате сеть
все более и более превращается в классическую ячеистую сеть с различными потоками в разных
ее сегментах, диктуемыми потребителями трафика [386], Аналогичная ситуация происходит, когда
имеются первоначально несколько колец SDH и их пытаетесь впоследствии соединить некоторые
узлы колец звеньями для придания сети большей гибкости [387].
С учетом этого опыта можно считать, что сеть SDH в целом будет достаточно оптималь-
ной, если она будет состоять из нескольких уровней, например, сети доступа, основной транс-
портной сети и магистрально-распределительной сети. Сеть первого уровня должна представлять
собой сеть радиально-кольцевой архитектуры, узловые мультиплексоры которой (уровня STM-1 -
STM-4) играют роль концентраторов трафика. Сеть второго уровня должна быть ячеистой сетью, в
том числе и состоящей из отдельных колец-ячеек (уровня STM-16). Сеть третьего уровня должна
быть ячеистой сетью, состоящей из кросс-коммутаторов (уровня DXC 4/3/1), соединенных с сетью
второго уровня в опорных узлах. Между собой коммутаторы должны быть соединены по типу
“каждый с каждым” звеньями уровня nxSTM-16, использующими технологию WDM с п несущими
(где п = 4-32 в зависимости от уровня сети SDH в целом).
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
111
2.6. Методы защиты синхронных потоков и оборудования SDH
2.6.1. Общие методы защиты и восстановления работоспособности сети
Одним из основных преимуществ технологии SDH является возможность такой организации сети,
при которой достигается высокая надежность ее функционирования, обусловленная не только на-
дежностью оборудования SDH (т.н. аппаратной надежностью) и надежностью среды переда-
чи, в качестве которой используется ВОК, но и возможностью сохранения или восстановления (за
очень короткое время в десятки миллисекунд) работоспособности сети, даже в случае отказа од-
ного из ее элементов или среды передачи на одном из участков (т.н. системной надежностью).
Такие сети (и системы) логично называть уже существующим в литературе по системному
анализу и теории надежности термином: самовосстанавливающиеся сети (а не медицинским
термином “самозалечивающиеся” сети, используемым некоторыми авторами).
В принципе существуют различные методы обеспечения быстрого восстановления работо-
способности синхронных сетей [51, 52],‘которые могут быть сведены к следующим схемам:
1 - резервирование участков сети по схемам 1+1 и 1:1 по разнесенным трассам;
2 - организация самовосстанавливающихся кольцевых и линейных сетей, резервированных по
схемам 1+1, 1:1 и 1:N;
3 - резервирование терминального оборудования по схемам 1:1, или N:l, или N:m;
4 - восстановление работоспособности сети в целом путем обхода отказавшего узла;
5 - использование систем оперативного переключения на работоспособный участок.
Указанные методы могут использоваться как отдельно, так и в комбинации.
В первом случае участки между двумя узлами сети соединяются по двум разнесенным
трассам (стопроцентное резервирование), сигналы по которым могут распространяться одновре-
менно. В узле приема они могут обрабатываться по двум схемам:
- резервирование по схеме 1+1 - в узле приема сигналы анализируются и выбирается тот, который
имеет наилучшие рабочие параметры, или тот, который фактически возможен;
- резервирование по схеме 1:1 - в узле приема альтернативным маршрутам назначаются приори-
теты: низкий и высокий, ветвь с низким приоритетом находится в режиме горячего резерва, пе-
реключение на нее происходит по сигналу аварийного переключения от системы управления.
Эти общие методы восстановления работоспособности применимы для любых сетей (см.
ниже, гл. 7, пример с ячеистой сетью).
Во втором случае, наиболее распространенном в сетях SDH, используется топология типа
“кольцо”, для организации которого может быть использовано как два волокна (сдвоенное коль-
цо), так и четыре волокна (счетверенное кольцо, или два сдвоенных кольца). Несмотря на более
высокую стоимость четырехволоконного варианта, он стал использоваться в последнее время все
чаще, так как обеспечивает более высокую надежность и позволяет реализовать более гибкие схе-
мы резервирования. Например, такую схему защиты позволяет реализовать мультиплексор 1664
SM/C компании Alcatel и мультиплексоры других компаний.
Например, в одном из вариантов (широко используемом в системах SDH первого поколе-
ния [51]) защита маршрута в сдвоенном (2ОВ) кольце соответствует типу 1+1 и организуется на
уровне трибных блоков TU-n путем передачи их по разным кольцам. Основной трафик передается
в одном из направлений (например, по часовой стрелке, такое кольцо называется однонаправ-
ленным). Если в момент приема мультиплексором блоков, посланных другими мультиплексора-
ми, происходит сбой в одном из колец, система управления, осуществляющая постоянный мони-
торинг колец, автоматически выбирает такой же блок из другого кольца.
В другом варианте [51] защита маршрута соответствует типу 1:1, когда одно из колец вы-
бирается основным, а второе - резервным (причем сигнал в разных кольцах распространяется в
противоположных направлениях так, что каждая сторона мультиплексора (восточная и западная)
работает на прием и передачу, такое кольцо называется двунаправленным). В случае сбоя в ос-
112
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
новном кольце, происходит переключение на резервное кольцо и организуется новая схема про-
хождения сигнала, а если сбой был результатом повреждения обоих волокон (или кабеля, см. рис.
2-64,а), то происходит замыкание основного и защитного колец на границах дефектного участка.
Это позволяет образовать новое кольцо и восстановить работоспособность системы путем исклю-
чения дефектного участка. Такое замыкание происходит за счет включения петли обратной связи,
когда передатчик агрегатного блока замыкался на приемник на соответствующей стороне мульти-
плексора (восточной или западной). Схемы управления мультиплексорами обычно поддерживают
оба эти варианта защиты. Фактически для защиты маршрутов потоков данных в сдвоенном и
счетверенном кольцах используются и более развитые методы, которые будут рассмотрены ниже
более подробно.
В третьем случае восстановление работоспособности осуществляется за счет резервиро-
вания на уровне трибных интерфейсов. Схема резервирования, обозначаемая в общем случае как
N:m, использует т резервных на N работающих интерфейсных карт, что допускает различную
степень резервирования: от 1:1 (100%) доЫ:т (100-m/N%), где минимально т=1, когда на N ос-
новных трибных интерфейсных карт используется одна резервная, которая автоматически выби-
рается системой управления при отказе одной из основных. Этот метод широко (если не повсеме-
стно) распространен в аппаратуре SDH для резервирования трибных карт 2 Мбит/с (21:1, 16:1), 34
Мбит/с (3:1), 140 Мбит/с или STM-1 (1:1), а также для резервирования наиболее важных сменных
блоков, например, блоков кросс-коммутации, систем управления и резервного питания (1:1). Вре-
мя переключения основных карт (модулей) на резервные обычно не превышает 10 мс.
В четвертом случае резервирование как таковое не используется, а работоспособность
всей системы в целом восстанавливается за счет исключения отказавшего (поврежденного) узла
из схемы функционирования. Так, системы управления SDH мультиплексоров обычно дают воз-
можность организовывать обходной путь, позволяющий пропускать агрегатный поток мимо
мультиплексора в случае его отказа, путем использования пассивных оптических трактов переда-
чи (см. рис. 2-64,6). Более детально обходной путь показан ниже на схеме мультиплексора STM-4
(см. рис. 2-71).
В последнем случае, характерном для сетей общего вида или ячеистых сетей, в узлах сети
устанавливаются кросс-коммутаторы систем оперативного переключения, которые осуществ-
ляют, в случае сбоя, вызванного либо разрывом соединительного кабеля, либо отказом узла по-
следовательной линейной цепи, реконфигурацию маршрутов на прилегающих (входящих или ис-
ходящих) участках сети и соответствующую кросс-коммутацию потоков. Процедура такой рекон-
фигурации может быть централизованной или распределенной.
Использование систем оперативного переключения по принципу организации защиты на-
поминает схему резервирования 1:1 метода резервирования по разнесенным трассам. Разница, од-
нако, состоит в том, что в последнем случае физический или виртуальный канал уже существует,
тогда как в первом он формируется в момент оперативного переключения.
Рис. 2-64. Методы защиты двойного кольца:
а) путем исключения поврежденного участка; б) путем организации обходного пути
Г лава 2 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
113
2.6.2. Функционально-логические методы защиты синхронных потоков
Методы защиты синхронных потоков в системах SDH (и связанная с ними терминология) начали'
разрабатываться практически сразу с момента возникновения самой технологии, однако были рег-
ламентированы в стандарте ITU-T G.841 относительно недавно (первая редакция - 7.95, вторая -
10.98) [125]. В этом документе отражены и систематизированы новые методы защиты синхронных
потоков в системах SDH, использующих как двухволоконную, так и четырехволоконную кольце-
вую архитектуру.
В соответствии с ним схемы защиты делятся на две категории:
- защита маршрута потока данных (TP) SDH - осуществляется на уровне секции или мар-
шрута путем замены основного маршрута потока данных на резервный (защитный) маршрут
потока данных, если на основном маршруте произошел сбой или его показатели производи-
тельности опустились ниже требуемого уровня, или его показатели ошибок поднялись выше
допустимого уровня;
- защита соединения подсети (SNCP) SDH - осуществляется путем замены основного соеди-
нения подсети на защитное соединение, если первое дало сбой или его показатели производи-
тельности опустились ниже требуемого уровня, или его показатели ошибок поднялись выше
допустимого уровня.
Для фиксации момента переключения используются различные виды мониторинга указан-
ных показателей (внутренний мониторинг, мониторинг без перерыва сервиса, мониторинг на по-
дуровне).
2.6.2.1. Основные термины и определения в технологии защиты потоков
Для лучшего понимания последующего изложения приведем также ряд определений из [125].
Соединение, канал, трафик, кольцо, защитное переключение могут быть однонаправлен-
ными и двунаправленными.
• Соединение или трафик называется однонаправленным, если поток данных (например, в схеме
одноволоконной линейной цепи) распространяется в одном направлении и проходят через одну
сеть, соединяющую терминальные точки.
• Соединение или трафик называется двунаправленным с однородной маршрутизацией, если по-
токи данных в нем распространяются в двух противоположных направлениях, но проходят через
одно и то же оборудование и звено/сеть, соединяющую терминальные точки.
• Соединение или трафик называется двунаправленным с разнородной маршрутизацией, если по-
токи данных в нем распространяются в двух противоположных направлениях и проходят через
разное оборудование и звенья/сети, соединяющие терминальные точки.
• Кольцо называется однонаправленным, если потоки данных в каждом из двунаправленных со-
единений (например, в двухволоконном кольце) распространяются в одном и том же направле-
нии и проходят через те же узлы.
• Кольцо называется двунаправленным, если потоки данных в нем распространяются в двух про-
тивоположных направлениях и проходят через те же узлы.
• Пролет (span) - одна или набор мультиплексных секций между двумя смежными узлами на
кольце
• Автоматическое защитное переключение (APS) - сигнал, посылаемый NMS для инициализации
переключения трафика с рабочего (основного) канала в канал защиты, и функция NMS, осуще-
ствляющая такое переключение.
• Защитное переключение называется однонаправленным, если из двух направлений распростра-
нения потоков данных переключается на защитное только то них, в котором был сбой.
• Защитное переключение называется двунаправленным, если оба направления распространения
потоков данных переключаются на защитные (даже если в одном из них не было сбоя).
8-48
114
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
• Каналом защиты (protection channel) называется канал, выделяемый для передачи основного
трафика в момент осуществления защитного переключения. До момента такого переключения
этот канал может быть использован для передачи дополнительного трафика (на него защита не
распространяется и он сбрасывается в момент прихода APS).
• Защитой с разделением ресурсов (SP) называется такая защита, при которой на п основных ка-
налов, потоков, соединений используются т резервных (защитных) каналов, потоков, соедине-
ний.
• Защита типа MS SPRing - схема защиты маршрутов потока данных на основе разделения ре-
сурсов кольца.
• Незащищенный канал с запрещением на сброс (канал NUC) - двунаправленный канал в схеме
защиты MS SPRing, сконфигурированный для передачи трафика защиты без использования сиг-
нала APS (при котором обычно происходит сброс трафика в канале защиты). Такие каналы
конфигурируются на основе пары: рабочий канал - канал защиты.
• Незащищенный трафик с запрещением на сброс (NUT) - незащищенный трафик, передавае-
мый по каналу защиты (в схеме защиты MS SPRing), блокированному от сброса трафика в мо-
мент прихода сигнала APS.
• Переключение кольца (RS) - защитное переключение кольца - механизм защиты, используемый
как в двухволоконных, так и в четырехволоконных кольцевых сетях, при котором трафик рабо-
чих каналов с аварийного пролета (короткого звена) перегружается в канал защиты, являющийся
внешним замыканием (динным звеном) пролета (см. рис. 2-66).
• Переключение пролета (SS) - защитное переключение пролета - механизм защиты подобен ли-
нейному APS типа 1:1, но применяется он только к 40В-кольцам, где рабочие и защитные кана-
лы находятся в различных волокнах и отказ поражает только рабочие каналы. Во время SS тра-
фик рабочих каналов аварийного пролета перегружается в канал защиты, топологически совпа-
дающим с аварийным пролетом (сравни с RS).
• Подавление нежелательных действий (squelching) - процесс вставки сигналов AU-AIS для
предотвращения осуществления неверных соединений в процессе защитной реконфигурации.
/
2.6.2.2. Схема защиты с разделением ресурсов каналов типа MS SPRing
Схема защиты типа MS SPRing нашла широкое применение в технологии защиты синхронных по-
токов систем SDH, построенных как на основе кольцевой, так и ячеистой архитектуры. Она отно-
сится к защите первого типа (ТР), основанной на разделении ресурсов кольца SDH, и применяется
как для двухволоконных (2ОВ), так и четырехволоконных (40В) вариантов использования среды
передачи.
Отличительной особенностью этой схемы защиты является то, что для передачи нормаль-
ного трафика используются все волокна как в варианте 20В, так и в варианте 40В, однако только
50% емкости каждого ОВ отдано под нормальный трафик и 50% под трафик защиты так, если
должен быть защищен весь рабочий трафик. В этом смысле MS SPRing является технологией раз-
деления ресурсов каналов.
В этой схеме все доступная полоса пропускания системы SDH может быть разбита на ка-
налы трех типов:
- рабочие каналы, передающие основной (нормальный) трафик, защищенный механизмом дейст-
вия протокола MS SPRing APS;
- каналы защиты, которые могут нести дополнительный незащищенный трафик, сброс которого (с
целью освобождения канала) осуществляется сигналом APS;
- каналы типа NUT, которые могут нести незащищенный трафик, заблокированный (и в этом
смысле защищенный) от сброса, осуществляемого обычно сигналом APS.
Назначение каналов первых двух типов очевидно. Каналы же типа NUT могут быть ис-
пользованы для передачи трафика виртуальных контейнеров верхнего уровня, связывающего, на-
пример, сети доступа ATM или подсети SDH (использующих схему защиты SNCP) с сетями SDH
Г лава 2 Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH 115
(использующих схему защиты типа MS SPRing). Трафик каналов NUT по степени защищенности
занимает промежуточное положение между трафиком рабочих каналов (высшая степень защиты)
и трафиком каналов защиты (низшая степень защиты).
Пример изменения емкости сети при использовании защиты MS SPRing
На примере простого двунаправленного кольца (рис. 2-65) рассмотрим, как меняется ко-
личество возможных маршрутов потоков данных (при использовании схемы защиты MS SPRing) в
зависимости от конкретных вариантов задания исходного трафика и какую максимальную загруз-
ку (емкость сети) может обеспечить такое кольцо.
Рис. 2-65. Схема простого двунаправленного двухволоконного кольца
Итак, предположим, что задано следующее:
- кольцо SDH использует двунаправленную схему передачи и двухволоконную среду передачи;
- используются мультиплексоры SDH уровня STM-16;
- входящие и исходящие потоки данных представлены потоками трибов, упакованных в блоки ти-
па AU-4;
- рассматриваются три варианта исходного трафика в сети:
I все потоки направляются только в один узел (А);
II все потоки локализованы только между соседними узлами;
III картина потоков смешанная;
- используются два типа каналов: рабочие каналы и каналы защиты;
- все рабочие каналы должны быть защищены.
Вариант I (все потоки направляются только в один узел А)
Поток В о А: 8 AU-4 - маршруты: В —> А, А —> В;
Поток С <-» А: 6 AU-4 - маршруты: С—>D—>А, A—>D—>С;
Поток D о А: 2 AU-4 - маршруты: D -> А, А -> D.
Так как максимальное число рабочих каналов в каждом пролете не может быть больше 8
AU-4 (16/2), то маршрут потока С <-> А может проходить только через узел D и не может прохо-
дить через узел В, что привело бы к потоку 8+2=10 AU-4 в пролете В-A (A-В). В результате общая
загрузка двунаправленного кольца в этом варианте (равная сумме всех потоков в отдельных про-
летах) равна 16 AU-4 (8+6+2=16). Причем загрузка пролетов неравномерна: А-В - 8 AU-4, В-С - 0
AU-4, С-D - 2 AU-4, D-А - 8 AU-4.
Вариант //(все потоки локализованы только между соседними узлами)
Поток А +-> В: 8 AU-4 - маршруты: А —> В, В —> А;
Поток В <-> С: 8 AU-4 - маршруты: В -> С, С -> В;
Поток С +-> D: 8 AU-4 - маршруты: С —> D, D —> С;
Поток D <-> А: 8 AU-4 - маршруты: D —> А, А —> D.
Так как в каждом пролете не может быть больше 8 AU-4 (16/2), а все потоки локализованы
в одном пролете, то общая загрузка двунаправленного кольца в этом варианте (равная сумме всех
потоков в отдельных пролетах) равна 32 AU-4 (8+8+8+8=32). Причем загрузка пролетов может
быть равномерна и максимальна - 8 AU-4.
8*
116
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Вариант III (картина потоков смешанная)
Так как вариантов смешанных потоков очень много, задачу максимизации решим поэтап-
но, допустив, что заданы потоки между смежными узлами, например: А-В: 2 AU-4, В-С: 5 AU-4,
C-D: 4 AU-4, D-А: 1 AU-4. Тогда максимальный поток по маршруту А->В->С, включающему про-
лет В-С, равен 3 AU-4, тогда поток A-В увеличится до 5 AU-4, а поток В-С до 8 AU-4 (при этом
другие потоки через пролет В-С будут невозможны). В этой ситуации максимально возможный
поток по маршруту С—>D—>А, включающему пролет С-D, равен 4 AU-4, тогда поток С-D увели-
чится до 8 AU-4 (при этом другие потоки через пролет С-D будут невозможны), а поток D-А до 5
AU-4. В этой ситуации максимально (и единственно) возможный поток по маршруту D->A—>В,
включающему пролеты D-А и A-В, равен 3 AU-4, тогда потоки D-А и A-В увеличатся до 8 AU-4
(при этом все другие дополнительные потоки будут невозможны). В результате проведенной мак-
симизации получаем, что для третьего смешанного варианта общее число потоков в кольце дос-
тигает 22 AU-4.
Учитывая, что на однонаправленном двухволоконном кольце с защитой (при прочих рав-
ных условиях) можно разместить не более 16 потоков, можно прийти к выводу: двунаправленное
двухволоконное кольцо, использующее технологию защиты MS SPRing, позволяет разместить
больше защищенных потоков, чем однонаправленное, и тем больше, чем более локализован тра-
фик между соседними узлами.
Пример организации защиты потоков при использовании технологии MS SPRing
Рассмотрим организацию и функционирование схемы защиты потоков типа MS SPRing на
примере кольцевой двунаправленной двухволоконной сети, приведенный на рис. 2-66.
На рис. 2-66 показан маршрут потока данных между узлами А и D при двух состояниях се-
ти: нормальном (а) и аварийном (б). В первом случае маршрут потока А—>В->С—>D проходит по
рабочему каналу через рабочие пролеты A-В, В-С, С-D. Во втором (учитывая повреждение ОВ на
пролете В-С) - маршрут меняется на: А—>В—>А—>F—>E->D—>С—>D и поток распространяется по
рабочему каналу только на рабочих пролетах A-В и С-D, а на остальных пролетах (В-A, A-F, F-E,
Е-D и D-С) - по каналу защиты.
Рис. 2-66. Схема организации защиты потоков по технологии MS SPRing
а) нормальное состояние; б) повреждение ОВ на пролете В-С
2.6.2.3. Схема защиты с разделением ресурсов колец типа MS DPRing
Другой схемой защиты, также относящейся к защите первого типа (ТР), является защита муль-
типлексных секций с выделенным кольцом (MS DPRing) SDH. Она также применяется как для
двухволоконных, так и четырехволоконных вариантов использования среды передачи.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
117
Отличительной особенностью этой схемы защиты является то, что все кольца разделяются
на две группы (по одному кольцу для варианта 20В и по два кольца для 40В) с противоположным
направлением распространения сигнала. Для передачи нормального трафика используется одна
группа ОВ, а для защиты - другая, что дает возможность защитить весь рабочий трафик. В этом
смысле MS DPRing является технологией разделения ресурсов колец. Она применялась еще в
мультиплексорах SDH первого покаления.
В этой схеме максимальное число каналов в основном кольце (в варианте 20В) ограниче-
но емкостью одного пролета, как и в схемах однонаправленного кольца. Например, в схеме с ис-
пользованием STM-16 это составит 16 AU-4 (20В) или 32 AU-4 (40В).
Схема защиты мультиплексных секций с выделенным маршрутом защиты может быть ис-
пользована в любой топологии (кольцевой, ячеистой, линейной или смешанной) и на любом вы-
деленном уровне сети.
Описанные выше технологии защиты маршрутов потоков данных (класса ТР) позволяют
сформулировать возможные достоинства и недостатки механизмов зашиты однонаправленных и
двунаправленных колец.
Преимущества однонаправленных схем защиты
• Схемы защиты простота и нет необходимости использовать протокол защиты.
• Скорость переключения выше, так как нет необходимости отрабатывать протокол защиты.
• Вероятность восстановления трафика высока даже при возникновении нескольких аварийных
ситуаций.
Преимущества двунаправленных схем защиты
• При аварии на одном маршруте в одной двунаправленной секции схема зашиты переключает
оба маршрута (т.е. секцию целиком) на резервные, создавая лучшие условия для восстановле-
ния этой секции.
• Одинаковое оборудование и одинаковая задержка в обоих направлениях упрощает обработку
аварийной ситуации в случае большой разницы в длине пути различных маршрутов потоков
данных, например, при наличии спутниковых или трансокеанских звеньев.
• Двунаправленные схемы зашиты позволяют передавать дополнительный трафик по каналам
защиты.
2.6.2.4. Схема защиты соединений подсети типа SNCP
Эта схема защиты также основана на механизме защиты выделенной части сети и может ис-
пользоваться при различных топологиях такой части сети (кольцевой, ячеистой, линейной или
смешанной) и на любом выделенном уровне сети. Она может быть использована для защиты лю-
бой части маршрута потока данных, если эта часть имеет два различных сегмента/ветви между
двумя точками соединения СР, или между точкой соединения СР и терминальной точкой соеди-
нения TCP, или, наконец, между двумя TCP.
Защита типа SNCP фактически представляет собой схему линейной защиты, которая мо-
жет быть использована для индивидуальной защиты сигналов VC-n любого уровня внутри муль-
типлексной секции, причем она может охватывать только часть VC-n нижнего уровня (LO VC),
размещенных в контейнере VC-n верхнего уровня (НО VC).
При защитном переключении линейной мультиплексной секции можно использовать как
механизм защиты выделенной части, так и защиты с разделением ресурсов. Он используется на
мультиплексном уровне применительно к физической сети с топологией точка-точка. Единствен-
ной спецификой может быть использование одной защищенной мультиплексной секции для за-
щиты N рабочих мультиплексных секций. Такая защита, реализующая уровень защиты 1 :N, может
118
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
работать при использовании как однонаправленных, так и двунаправленных схем передачи тра-
фика, однако она не может защитить трафик в случае аварии сетевого узла.
Как отмечалось выше, решение о защитном переключении может быть принято либо в ре-
зультате внутреннего мониторинга показателей производительности (или ошибок), и тогда такой
тип защиты SNCP обозначается как SNC/I, либо в результате мониторинга без перерыва сервиса, и
тогда такой тип защиты SNCP обозначается как SNC/N.
Так, виртуальные контейнеры НО VC или LO VC, передаваемые по сети, могут находить-
ся в одном из следующих состояний защищенности-.
• быть полностью незащищенными;
• быть явно полностью защищенными по схеме 1+1 SNC/I;
• быть явно полностью защищенными по схеме 1+1 SNC/N;
• быть явно полностью защищенными по схеме ТР;
• быть явно частично защищенными по схеме 1+1 SNC/I, или 1+1 SNC/N, или ТР;
• быть явно незащищенными на своем маршрутном уровне и неявно защищенными на серверном
уровне.
Для сигналов пользователя, незащищенных на уровне НО VC (например, LO VC или
ATM VP), к этому добавляется еще одно состояние: возможность быть защищенным на уровне
пользователя (например по схемам: LO VC SNCP или ATM VP SNCP).
Для реализации защиты на уровне мультиплексной секции в сетях SDH используется
протокол MSP в паре с функцией MSP на окончаниях мультиплексной секции для организации
запроса на защитное переключение и посылки сигнала подтверждения факта переключения путем
с помощью байтов APS К.1 и К2. Подробное описание битовой структуры этих байтов, типов за-
просов, состояний, а также бит-ориентированного протокола см. в стандарте G.841 и приложении
к нему Annex В [125].
2.6.2.5. Схема защиты MS SPRing с разделением ресурсов каналов для 4-волоконного кольца
Выше мы рассматривали только двухволоконные кольцевые и линейные топологии и методы за-
щиты, используемые для них - ТР и SNCP. Эти методы в процессе защитного переключения по-
зволяют переходить на резервное (защитное) волокно, исключая аварийное волокно, или канал,
или пролет, либо переходить на резервные каналы в одном и том же волокне. В любом случае (см.
рис. 2-66) происходит исключение короткого пути через аварийное перекрытие (В-С) и использо-
вание длинного пути (являющегося внешним замыканием звена В-С) по каналу защиты. Для этого
используется переключение APS типа переключения кольца (RS), фактически направляющего
трафик в противоположную сторону.
Четырехволоконная схема MS SPRing использует четыре ОВ в каждом пролете (а значит и
в кольце в целом) - по два ОВ в каждом рабочем и защитном кольцах, причем эти кольца являются
не только 2-волоконными, но и двунаправленными. В результате схема MS SPRing позволяет раз-
мещать 100% (а нее 50%, как в 2-волоконной схеме) нормальных каналов, что соответствует пол-
ной емкости канального оборудования, определяемой используемым уровнем STM-N. Схема ото-
бражения трафика на структуру каналов упрощается, учитывая, что теперь заголовки мультип-
лексных секций рабочих и защитных каналов полностью разделены, так как сами каналы переда-
ются по отдельным парам ОВ.
Применение 4-волоконной схемы (в кольцевой, ячеистой или линейной сети) позволяет,
кроме прочего, использовать в качестве APS не только переключение типа RS, но еще и переклю-
чение перекрытия (SS), которое направляет трафик не назад по длинному внешнему замыканию
аварийного перекрытия, а вперед через эквивалент перекрытия, сформированный в канале защиты
(в другой симметричной паре ОВ), что упрощает схему коммутации защитного переключения.
Единственное ограничение - RS и SS не могут быть использованы одновременно, хотя по кольцу
можно одновременно использовать несколько SS, учитывая, что они действуют локально (на дли-
не одного перекрытия). Четырехволоконную кольцевую схему, использующую переключение ти-
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
119
па SS, часто называют двунаправленным (двойным) кольцом защиты с линейным переключе-
нием пролетов (BLSR).
Если оборудование 4-волоконной сети SDH поддерживает каналы типа NUT и вы хотите
ими воспользоваться, они должны быть сконфигурированы для каждого пролета симметрично на
обеих парах волокон, где располагаются рабочие и защитные каналы. Учитывая наличие защит-
ных переключений типа RS и SS, эти каналы должны быть прописаны в конфигурационных таб-
лицах узлов так, чтобы показать запрет на использование как RS (на всех узлах кольца), так и SS
(в пределах определенных пролетов, см. [125]).
Пример защиты потоков при использовании MS SPRing для 4-волоконного кольца
Рассмотрим организацию и функционирование схемы защиты потоков типа MS SPRing на
примере кольцевой двунаправленной 4-волоконной сети, аналогичной 2-волоконной сети, приве-
денной на рис. 2-66. Предположим, что повреждены только 2 рабочих волокна в кабеле, а 2 во-
локна защиты остались целы. В этом случае при организации защиты может быть задействован
механизм переключения SS, а не RS.
На рис. 2-67 показан маршрут потока данных между узлами А и D этой сети при двух ее
состояниях: нормальном (а) и аварийном (б), рассчитанном на использование защитного пере-
ключения SS. В первом случае маршрут потока А—>В—>С—>D проходит, как и в 2-волоконной схе-
ме, по рабочему каналу через рабочие пролеты A-В, В-С, С-D. Во втором случае маршрут меняет-
ся только на пролете В-С (где В-С рабочий меняется на В-С защитный) на маршрут:
А->В(р)~>В(з)->С(з)->С(р)->D (здесь индекс р означает "рабочий", аз- "защитный") и поток
распространяется по рабочему каналу только на рабочих пролетах A-В и С-D, а на пролете В-С -
по каналу защиты В(з)-С(з).
Рис. 2-67. Схема организации защиты потоков по технологии MS SPRing для 4-волоконного кольца
а) нормальное состояние; б) повреждение рабочих ОБ на пролете В-С.
Сравнивая рис. 2-66,6 и рис. 2-67,6 можно оценить различие в результатах действия за-
щитных переключений типа RS и SS (сравнение говорит в пользу переключения SS). Однако нуж-
но иметь ввиду, что в случае выхода из строя на пролете В-С не только рабочих, но и защитных
ОВ, система APS будет использовать переключение типа RS, а не SS, и схема прохождения тра-
фика будет аналогична той, которая показана на рис. 2-66,6.
2.6.3. Взаимодействие элементов архитектуры сетей SDH при наличии
защиты
Описанные выше схемы защиты маршрутов потоков данных (ТР) и соединений подсетей (SNCP)
играют большую роль не только в выборе стратегии защиты потоков данных, но и оказывают су-
120
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
щественное влияние на выбор элементов архитектуры сетей SDH и организацию их взаимодейст-
вия. Такое взаимодействие может осуществляться, например, между двумя кольцами SDH, свя-
занными между собой одним или двумя узлами.
2.6.3.1. Основные термины и определения при взаимодействии колец
Основные термины и определения, используемые при таком взаимодействии, описаны в стандарте
ITU-T G.842 [381]. Ниже приведены некоторые из них, используемые нами в тексте.
• взаимодействие колец (ring internetworking) - термин, описывающий сетевую топологию двух
колец, связанных двумя узлами: первичным и вторичным (на каждом кольце) так, что отказ
одного из узлов не приводит к потери трафика между двумя взаимодействующим кольцами;
• первичный узел - узел в рамках архитектуры MS SPRing, обеспечивающий выбор сервиса и
функцию "вывода с продолжением" для трибов, используемых в схеме взаимодействия;
• вторичный узел - узел в рамках архитектуры MS SPRing, обеспечивающий альтернативную
маршрутизацию для трибов, используемых в схеме взаимодействия;
• вывод с продолжением (drop and continue) - функция сетевого узла, обеспечивающая как вы-
вод копии рабочего канала из кольцевого трафика, так и передачу его по кольцу последующим
узлам;
• двойное терминирование трафика (dual hubbed) - функция сетевого узла и тип трафика, ад-
ресом назначения которого являются два узла (или центральных офиса - хаба); маршрутизация
осуществляется на оба узла или на тот из них, который продолжает функционировать в случае
отказа другого;
• селектор маршрута - функция сетевого узла (в рамках архитектуры защиты SNCP), осущест-
вляющая выбор триба (извлекаемого из рабочих каналов, приходящих на одну или другую сто-
рону узла) в соответствии с критерием, формируемом на (модельном) уровне маршрута;
• селектор сервиса - функция сетевого узла (в рамках архитектуры защиты MS SPRing), осуще-
ствляющая выбор потока данных либо из каналов, приходящих на одну из сторон узла, либо
(на основании некоторого критерия) из трафика, приходящего на кольцо.
2.6.3.2. Основы взаимодействия колец при использовании схем защиты
Применение схем защиты, как мы видели, увеличивает надежность функционирования систем
SDH в целом. Различные схемы защиты, используемые при этом, лишь призваны придать гиб-
кость в реализации механизмов защиты. При анализе взаимодействии различных топологий сетей
SDH с теми или иными механизмами защиты возникает вопрос о том, как оптимизировать такое
взаимодействие.
Рассмотрим схемы взаимодействия на частном примере взаимодействия двух колец, ис-
пользующих схему защиты типа MS SPRing. Известно, что два кольца можно соединить либо па-
рой мультиплексоров (по одному в каждом кольце), либо двумя парами мультиплексоров, как по-
казано на рис. 2-68.
Рис. 2-68. Обобщенная схема взаимодействия колец
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
121 '
Второе решение, как уже отмечалось, широко используется на практике, так как позволяет
еще больше повысить надежность соединения колец путем организации функциональной связи
между парами мультиплексоров (узлов), связывающих кольца (число взаимодействующих колец
может быть и больше двух).
Какие же общие цели преследуются при организации такой связи? В основном следую-
щие:
• увеличение доступности связи на всем пути следования трафика (доступность от начала до кон-
ца);
• робастность* связи по отношению к различным отказам (термин, заимствованный из Теории
систем, см. ниже Толковый словарь неосновных терминов);
Эти цели преломляются в ряд конкретных требований, основные из них следующие:
1 - взаимодействие колец должно быть адаптировано так, чтобы при соединении колец в двух и
более узлах отказ одного из них не приводил бы к потери какого-то сервиса;
2 - взаимодействующее кольцо должно иметь возможность выводить трафик на несколько узлов,
причем так, чтобы это не влияло на восстановление любого трафика, в том числе с возможно-
стью двойного терминирования.
Наконец, применительно к взаимодействующим кольцам, использующим схему защиты
MS SPRing, эти требования трансформируются в следующие:
а) кольцо с защитой MS SPRing должно поддерживать возможность соединения с архитектурой
другого типа, например, второго кольца, используя два узла (независимо от типа защиты, ис-
пользуемой в этом втором кольце);
б) для триба, защищенного от отказа в случае потери связи между кольцами, такая защита должна
гарантировать защиту как от отказа одного, так и двух (принадлежащих разным кольцам) уз-
лов, а также от отказа в соединении между такими узлами;
в) два узла взаимодействующих колец не обязательно должны быть смежными;
г) архитектура взаимодействующих колец должна обходиться без особой межкольцевой сигнали-
зации, а защита от отказа в соединении между такими узлами должна основываться ia обнару-
жении маршрутных дефектов.
Учитывая эти требования, рассмотрим схему связи двух колец, приведенную на рис. 2-68.
На этой схеме показан триб, входящий в и выходящий из узла А левого кольца, а также
входящий в и выходящий из узла Z правого кольца. На схеме использованы следующие обозначе-
ния:
КдиТд - сигналы приема и передачи в узле А;
Rn и Тп - сигналы приема и передачи в одном из узлов, связывающих два кольца (например,
первичном узле);
R12 и Тп - сигналы приема и передачи в другом из узлов, связывающих два кольца (например,
вторичном узле);
Как отмечалось выше, термин взаимодействие колец определяет не столько процесс,
сколько топологию взаимодействия, которая подразумевает наличие интерфейса между взаимо-
действующими кольцами. Условия стыковки сигналов на этом интерфейсе задаются системой
следующих равенств:
Ru ~ К12= ТА ; Тп = Тп ;
Ra = Тп, ИЛИ RA = Т12 .
Указанная система уравнений говорит о том, что сигнал, передаваемый от узла А к узлу Z,
присутствует в обеих интерфейсных точках, как и сигнал, передаваемый от узла Z к узлу А. Фак-
тически же из этих двух сигналов (копий) выбирается (в терминальных точках) только один.
2.6.3.3. Взаимодействие колец, использующих схему защиты MS SPRing
На рис. 2-69 более подробно приведена левая часть схемы на рис. 2-68 - схемы двух взаимодейст-
вующих 4-волоконных колец SDH, использующих защиту типа MS SPRing. Здесь для простоты
представлены только три узла в кольце: терминальный узел А и два смежных взаимодействующих
"••eiiww
122 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
узла: первичный и вторичный. Рис. 2-69,а характеризует нормальное состояние взаимодействую-
щего кольца, тогда как рис. 2-69,6 - состояние, вызванное реакцией системы на обрыв кабеля
Сигналы на интерфейсах узлов должны удовлетворять следующим соотношениям:
Rp = Rs = ТА ;
RA = ТР = (Ts),
где Ra и Та - аналогичны предыдущему, a RP, ТР, Rs и Ts - сигналы приема и передачи в первич-
ном и вторичном узлах соответственно.
Узлы этого кольца с защитой MS SPRing могут сопрягаться через взаимодействующие уз-
лы с элементами любой архитектуры, если на указанных интерфейсах выполняются приведенные
выше условия.
а) б)
Рис. 2-69. Схема взаимодействия колец с защитой типа MS SPRing
а) нормальное состояние; б) реакция на обрыв волокон в кабеле
Данная схема позволяет защитить кольцо от следующих типов отказов:
1 - от любых отказов узлов в рамках защиты MS SPRing (отказ электроники, обрыв кабеля (что и
показано на рис. 2-69,6) или отказ узла в целом);
2 - от отказа первичного узла в рамках защиты MS SPRing (происходит передача функций замы-
кания трафика на вторичный узел и отмена нежелательного подавления этого действия за счет
активизации функции squelching, см. разд. 2.6.2.1), схема реакции такая же, как показано на
рис. 2-69, с той лишь разницей, что замыкание кольцевых потоков происходит на вторичном
узле (условия на интерфейсах принимают вид: RA = Ts, Rs = ТА, RP = ТР = 0);
3 - от отказа вторичного узла, условия на интерфейсах принимают вид: RA = ТР, RP = ТА, Rs = Ts = 0;
последнее условие может привести к защитному переключению второго (правого) кольца на
рис. 2-68 в зависимости от типа используемой в нем защиты;
4 - от сбоя при приеме сигналов с других колец (т.е. Тп или Ti2), первичный узел в рамках MS
SPRing выбирает лучший из этих двух, тогда условия на интерфейсах принимают вид: RA = ТР,
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
123
RP = Rs = ТА, Ts = 0 (сбой на приеме сигнала на вторичном узле), либо RA = Ts, Rp = Rg = TA, TP
= 0 (сбой на приеме сигнала на первичном узле);
5 - от одиночного отказа или сбоя в каждом из указанных двух колец (т.е. кольца с MS SPRing и
другого кольца) при условии, что это не отказ терминирующего узла или не отказ, влияющий
на оба соединения между этими кольцами.
На этом примере использования двух узлов для связи колец мы видим результат работы
функции "вывод с продолжением", когда первичный узел направляет сигнал и на свой интерфейс,
и на мультиплексную секцию вторичного узла. Благодаря этому и на сам тип связи, и на кольца,
связанные с его помощью, часто ссылаются как на связку колец или кольца типа "вывод с про-
должением". Более того это название стало базой для нового типа архитектуры на основе функции
"вывод с продолжением", который логично назвать не "архитектурой вывода с продолжением"
(drop & continue architecture) [388], а архитектурой взаимодействующих колец со сдвоенными
узлами связи (DCA). Эта архитектура получила широкое признание в последнее время, учитывая
тот факт, что переключение APS в современных системах, чаще инициируется не фактом отказа, а
фактом деградации сигнала, параметры которого постоянно мониторятся.
2.6.4. Общие итоги и возможности использования схем защиты
Рассмотренное выше - лишь введение, некая общая канва для анализа возможностей использова-
ния технологий и схем защиты. Ряд вопросов нами вообще не рассматривался. Ответы на некото-
рые из них можно найти в материалах использованных нами стандартов ITU-T G.841 и G.842 [125,
381]. Ниже эти вопросы только перечислены или оценена их важность в общей технологии защи-
ты трафика.
Вопросы взаимодействия колец с защитой
Ниже приведен ряд нерассмотренных в данной книге вопросов, анализ которых можно
найти в [125, 381,388, 389]:
- детальный анализ технологии защиты подсетей SNCP, в частности, особенностей использования
SNCP/I и SNCP/N схем защиты и их взаимодействие при совместном использовании подсетей в
одной сети;
- анализ использования технологии SNCP совместно с технологией MS SPRing в рамках одной
синхронной сети;
- взаимодействие синхронных кольцевых архитектур, использующих первичный и вторичный уз-
лы связи, с защитой типа: SNCP-SNCP и MS SPRing-SNCP;
- взаимодействие синхронных кольцевых архитектур, использующих смешанные пары со связью
через один и два узлы связи, с теми же типами защит;
- анализ ошибок реконфигурации (перенаправления потоков в кольцах), возникающих в процессе
отработки автоматического защитного переключения;
- анализ (за и против) возможности использовать дополнительную загрузку защищенной сети
(кольца) трафиком, размещаемым на каналах защиты и сценарий развития этой ситуации в ре-
зультате APS;
- схему взаимодействия колец с двумя узлами и с защитой, когда нормальный трафик размещает-
ся в рабочих каналах на одном кольце, а защитный трафик - в каналах защиты на другом кольце
(использование возможностей функции "вывода и продолжения" и вторичной цепи связи).
Вопросы использования фотонного уровня и систем WDM для организации защиты трафика
Использование архитектур типа "взаимодействующее кольцо": с одним узлом, с двумя уз-
лами типа "виртуальное кольцо", со сдвоенными узлами типа архитектуры DCA, использующих
124
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
защиту трафика типа MS SPRing и/или SNCP, позволило существенно повысить надежность сис-
тем SDH, например, показатель доступности (availability). Однако эти методы не исчерпывают
всех возможностей в организации защиты трафика. Одной из них является использование фотон-
ного/оптического уровня модели взаимодействия для оптических систем, какими, по сути, явля-
ются системы SONET и SDH и, безусловно, системы WDM.
В системах WDM, осуществляющих перенос трафика SONET и SDH, существуют как спе-
цифические методы защиты трафика, например, переключение на резервную длину волны в слу-
чае отказа исходной несущей, так и традиционные в принципе, но не всегда возможные в рамках
традиционных систем SONET и SDH, например, динамическая маршрутизация - перенаправление
оптических несущих по новому маршруту при обрыве кабеля или деградации сигнала на преды-
дущем маршруте. Анализ некоторых аспектов, касающихся защиты трафика, можно найти в [299,
403, 404].
Использование методов восстановления как одна из альтернатив в защите трафика
Под восстановлением обычно понимают любую возможность восстановить трафик между
двумя узлами. Такими возможностями (кроме рассмотренных выше методов защиты) являются
перемаршрутизация (или перекоммутация), переключение на резервный элемент (одна из класси-
ческих альтернатив теории надежности - рассматривается здесь только применительно к замене
блоков или узлов оборудования) и, наконец, замена вышедшего из строя элемента (классическая
альтернатива ремонта).
Методы восстановления также требуют наличия резервной емкости для осуществления
перемаршрутизации или перекоммутации, однако процент этой емкости может быть снижен с 50
до 100/п, где п > 2 и зависит от числа альтернативных маршрутов, другими словами от степени
"ячеистости" сети. В этом смысле ячеистая сеть может, в принципе, более экономно использовать
сетевые ресурсы, чем кольцевая.
Существует два типа схем восстановления: централизованная (реализуемая с помощью
NMS) и распределенная. Скорость восстановления зависит от характера отказа и составляет 2-10 с
(быстрая) и 10-30 мин (медленная). Разумный путь лежит в сочетании методов восстановления и
защиты трафика.
Практические методы и приемы реализации механизмов защиты трафика
В этом разделе мы не касались вопросов практической, реализации механизмов защиты
трафика, т.е. тому, как установить/сконфигурировать тот или иной механизм защиты, как вы-
брать/сконфигурировать каналы защиты или альтернативные пути прохождения трафика. Эти во-
просы требуют в большой степени привязки к оборудованию конкретного производителя и под-
робно освещаются в фирменных руководствах. Можно отметить, что применительно к ячеистым
сетям эти вопросы частично рассмотрены в разд. 7.3.3.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
125
2.7. Аппаратурная реализация функциональных блоков сетей
SDH
2.7.1. Схемная реализация и характеристики синхронных мультиплексоров
Синхронные мультиплексоры разрабатываются и производятся рядом зарубежных компаний и
имеют определенные различия характеристик и возможностей. Однако в силу высокого уровня
стандартизации технологии SDH они в значительной степени унифицированы по основным пара-
метрам.
Чтобы понять их внутреннюю структуру, ниже для примера рассмотрены блок-схемы ряда
мультиплексоров и различных уровней: STM-1 (компании Nortel), STM-4/16 (компании GPT, те-
перь Marconi Communications), уровня STM-4/16 (компании Alcatel) и уровня STM-64 (компании
Nortel). Даны также параметры широко используемого кросс-коммутатора компании Alcatel. При-
веденные параметры соответствуют спецификациям, указанным в фирменной документации.
2.7.1.1 Реализация мультиплексоров уровня STM-1 компании Nortel
Структурная схема мультиплексора STM-1 типа TN-1X компании Nortel (Northern Telecom) - од-
ного из первых мультиплексоров такого типа, приведена на рис. 2-70.
Основной
менеджер
полезной
нагрузки
Агрегатный блок
А
Агрегатный блок
В
оптический
или
электрический
* канал
приема-
передачи
оптический
или
электрический
канал
приема-
передачи
Рис. 2-70. Блок-схема мультиплексора TN-1X компании Nortel (уровень STM-1)
Мультиплексор смонтирован на стандартной стойке и состоит из следующих основных
блоков [48]:
- четырех трибных интерфейсных блоков TIU с 16 электрическими портами 2 Мбит/с для вво-
да/вывода до 63 входных потоков;
- двух (основного и резервного) менеджеров полезной нагрузки - устройств для формирования и
управления полезной нагрузкой (различные типы полезной нагрузки в виде VC-n, TU-n, TUG-2,
126
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
TUG-З см. выше). Такой менеджер, например, управляет операциями ввода/вывода каналов дос-
тупа (трибов), мультиплексированием и внутренней коммутацией потоков, производит сорти-
ровку (grooming) на уровне трибных блоков TU-n, формирует полезную нагрузку до уровня агре-
гатных блоков AU-n и передает ее на интерфейсы агрегатных блоков;
- двух оптических или электрических агрегатных блоков AU-4 А и В со 155 Мбит/с (STM-1)
выходными портами “восток” и “запад” для формирования выходных потоков;
- двух (основного и резервного) блоков питания (на схеме не показаны);
- одного контроллера и локальной панели оператора (на схеме также не показаны).
TN-1X также обеспечивает мультиплексирование до 63 входных потоков, или трибов, 2
Мбит/с, подаваемых на входные порты трибных интерфейсных блоков, в один или два потока по
155 Мбит/с, формируемых на выходе электрических или оптических агрегатных блоков.
TN-1X может быть использован (сконфигурирован) для работы в качестве:
- терминального мультиплексора ТМ с двумя агрегатными блоками, используемыми в режиме
“основной/резервный” для создания защиты типа 1+1 агрегатных портов (по схеме 2-
волоконного однонаправленного или двунаправленного кольца);
- мультиплексора ввода/вывода с двумя агрегатными блоками (портами “восток” и “запад”) для
работы в сетях с топологией “кольца” и защитой типа 1+1, создаваемой по схеме 2-волоконного
двунаправленного кольца (см. рис. 2-52), или “последовательной линейной цепи” (см. рис. 2-50);
- мультиплексора ввода/вывода с одним агрегатным блоком для работы в качестве ТМ без за-
щиты в сетях с топологией “точка - точка” или в сетях с топологией “последовательная линейная
цепь”.
Мультиплексор и его блоки имееют следующие характеристики:
• интерфейсные входы и выходы трибов:
- скорость передачи данных на входе - 2048 кбит/с (Е1); 34368 кбит/с (ЕЗ) или 44736 кбит/с (ТЗ);
155 Мбит/с (электрический и оптический) для модификации TN-1X/4;
- линейный код - HDB3 (Е1 и ЕЗ); B3ZS (ТЗ);
- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный вход), 120 Ом (симметричный вход);
- амплитуда импульса на выходе - ±2,37 В (75 Ом) и ±3,0 В (120 Ом) для Е1; 1,0 В (75 Ом) для ЕЗ
- номинальная длительность импульса - 244 нс;
- максимально допустимые потери в кабеле - 6 дБ для Е1; 12 дБ для ЕЗ
- максимально допустимые потери на отражение на входе/выходе - 14/8 дБ;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703.
• оптические входы и выходы агрегатных блоков (STM-1/STM-4):
- тип секции: S-1.1 (1310 нм); L-1.1 (1310 нм); L-1.2 (1550 нм);
- выходная мощность: -13,5 -ь -8дБм (S-1.1 );-5 - 0 дБм (L-1.1); 1 - 2 дБм (L-1.2);
- чувствительность приемника (при коэффициенте ошибок Ю'10), дБм: -34,5 (S-1.1); -35,5 (L-1.1);
- 36 (L-1.2);
- максимально допустимые потери на секцию: 20 дБ (S-1.1); 29,5 дБ (L-1.1); 36 дБ (L-1.2);
- оптические потери ввода: 1 дБ;
- допустимая длина волны несущей: 1310 нм; 1550 нм;
- тип волокна оптического кабеля: одномодовое ОВ;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.957 (для STM-1).
• 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 - 1,0 В;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703.
Мультиплексор TN-1X представляет серию мультиплексоров TN-1. В нее входит также
следующие мультиплексоры:
• TN-1X/4 - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4, допускающий обработку не более 63
трибовЕ1;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
127
• TN-1X/C - компактный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, допускающий обработку
не более 16 трибов Е1, используется для установки в офисах клиентов при небольшом объеме
трафика и интерфейсах Е1 и ЕЗ/ТЗ;
• TN-1X/P - портативный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, допускающий обработку
не более 4 трибов Е1, используется для установки на стене в офисах клиентов при небольшом
объеме трафика и интерфейсе Е1;
• TN-1X/S - компактный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, допускающий обработку
не более 16 трибов Е1, используется для установки на улице в специальном шкафу/коробке при
небольшом объеме трафика и интерфейсах Е1 и ЕЗ/ТЗ.
Кроме указанного мультиплексора TN-1X, в примере, приведенном в гл.7, приведены ха-
рактеристики еще одного мультиплексора уровня STM-1 - Synfonet STM-1/4 компании Nokia,
представляющий собой полнофункциональный STM-1 мультиплексор с возможностью модерни-
зации до уровня STM-4.
2.7.1.2. Реализация мультиплексоров уровня STM-4 компании Marconi
Блок-схема мультиплексора уровня STM-4 типа SMA-4 компании GPT-Marconi (одного из первых
полнофункциональных мультиплексоров этого уровня) приведена на рис. 2-71.
Рис. 2-71. Структурная схема мультиплексора SMA-4 компании Marconi (уровень STM-4)
Мультиплексор смонтирован на двойной стандартной стойке (980x450x280 мм) и состоит
из следующих основных блоков:
- трибных блоков с набором электрических портов для приема входных потоков различной ско-
рости (от 1,5 и 2 до 140 и 155 Мбит/с);
- двух пар (основной и резервной) мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирования,
локальной коммутации и управления потоками;
- двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с (STM-4) “восток” и
“запад” для формирования выходных потоков;
- двух (основного и резервного) блоков питания (на схеме не показаны);
- интерфейсных блоков контроля, управления, и организации служебных каналов.
128
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
SMA-4 обеспечивает мультиплексирование в один или два потока 622 Мбит/с (формируе-
мых на выходе оптических агрегатных блоков) различных потоков, подаваемых на входные элек-
трические порты трибных интерфейсов, допускающих (при суммарном потоке не выше 252/504
потоков Е1):
- обработку до 252/504 потоков 1,5 или 2 Мбит/с, или
- обработку до 12/24 потоков 34 или 45 Мбит/с, или
- обработку до 4/8 потоков 140 Мбит/с, или
- обработку до 6/12 частично заполненных потоков 155 Мбит/с.
Мультиплексор SMA-4 может быть использован (сконфигурирован) для работы в качестве:
- терминального мультиплексора (ТМ) с двумя агрегатными блоками, используемыми в режиме:
“основной/резервный” - для создания защиты типа 1+1 агрегатных портов для схемы “точка-
точка” или защиты типа 1:п для потоков 1,5 или 2 Мбит/с, осуществляемой блоком резервирова-
ния трибов (см. рис. 2-71) при наличии соответствующего резерва входных портов;
- мультиплексора ввода/вывода с двумя агрегатными блоками (портами “восток” и “запад”) для
работы в сетях с топологией “кольцо” и защитой типа 1+1, создаваемой при организации двой-
ного кольца со встречными потоками (см. рис. 2-52), или с топологией “последовательная ли-
нейная цепь” по схеме на рис. 2-50;
- мультиплексора ввода/вывода с одним агрегатным блоком для работы в качестве ТМ без за-
щиты в сетях с топологией “точка - точка” или в сетях с топологией “последовательная линейная
цепь”;
- оптического концентратора (хаба) для осуществления функций консолидации и сортировки в
качестве центрального узла в топологии “звезда”, на вход которого подаются потоки STM-1 (до
12 частично заполненных STM-1 потоков могут консолидироваться на уровне VC-12 в один или
два STM-1 или STM-4 потока);
- небольшого коммутатора, функционирующего самостоятельно или способного объединить до
четырех колец 622 Мбит/с.
Мультиплексор и его блоки имеют следующие характеристики:
• трибные интерфейсы:
- скорость передачи данных на входе - 1,5; 2; 34; 45 и 140 Мбит/с, по стандарту - ITU-T Rec.
G.703 или 155 и 622 Мбит/с по стандарту ITU-T Rec. G.707 [16];
- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный вход) - для 1,5 - 140 Мбит/с, 120 Ом (симметричный
вход) - для 1,5 и 2 Мбит/с.
• оптические агрегатные блоки:
- длина волны - 1310 нм для коротких и средних оптических секций и 1550 нм для длинных сек-
ций;
- максимально допустимые потери на секцию:
- STM-4 - 12/12/24 дБ для коротких, средних и длинных секций при 1310 нм и 24 дБ для длин-
ных секций при 1550 нм;
- STM-1 - 18/18/28 дБ для коротких, средних и длинных секций при 1310 нм и 28 дБ для длин-
ных секций при 1550 нм;
- тип волокна оптического кабеля - одномодовое ОВ;
- оптические соединители - FC, PC или DIN;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.707 [16] и ITU-T Rec. G.957 [24].
• электрические входы и выходы блоков с STM-Г.
- линейный код - CMI;
- входной импеданс - 75 Ом;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.703 [14].
Мультиплексоры SMA-4 являются членом семейства мультиплексоров SMA1X, SMA4,
SMA16c и SMA16c+, в рамках которого могут быть использованы различные скорости, соответст-
вующие уровням STM-1, STM-4 и STM-16, путем простой замены блоков. Аналогичным ему уст-
ройством новой разработки является мультиплексор MSH41с уровня STM-4.
Особенностью мультиплексоров SMA-4 является развитая система защиты, реализуемая
путем использования схем резервирования различного типа:
- типа 1:1- для любой пары портов и агрегатных блоков;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
129
- типа 1 :п, где п < 8, для трибов 2 Мбит/с;
- дублирование блоков коммутатора, контроллера мультиплексора, связи и питания;
- использование обеих ветвей “восток” и “запад” для автоматической защиты трибных блоков
как по однонаправленной, так и по двунаправленной 2-волоконным схемам;
- автоматическое переключение на обходной путь основного потока (4xVC-4) в случае неисправ-
ности мультиплексора.
Кроме этого мультиплексоры имеют следующие возможности:
- использовать удлинитель SDH для транспортировки потока Е1 пользователю без применения
дополнительного оборудования;
- использовать встроенный кроссовый коммутатор для коммутации на уровне 64 кбит/с емкостью
около 2000 каналов;
- интегрировать ATM и TDM трафик;
- автоматически генерировать маршруты потоков данных;
- осуществлять мониторинг параметров производительности и ошибок между сетями SDH;
- работать в дуплексном режиме на одном волокне, используя пассивные разветвители.
2.7.1.3. Реализация мультиплексоров уровня STM-4/16 компании Alcatel
Рассмотрим еще один пример мультиплексора уровня STM-4, позволяющего легко производить
его модификацию до уровня STM-16. Это мультиплексоры 1651 SM и 1651 SMC и мультиплексор
нового поколения Optitex 1660 SM компании Alcatel. Структурная-схема мультиплексора 1651 SM
приведена на рис. 2-72 [57].
STM-1 STM-1
или или
Интерфейсы 2 Мбит/с Интерфейсы 3,4 или 45 Мбит/с Оптические или электрические
интерфейсы 140 Мбит/с STM-1
Рис. 2-72. Блок-схема мультиплексора 1651 SM компании Alcatel (уровень STM-4/16)
9-48
130
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Мультиплексор 1651 SM может быть использован для работы в качестве:
- линейного терминального мультиплексора (одинарного или двойного) с двумя агрегатными
блоками;
- линейного регенератора, работающего по схемам с защитой 1+1 или без нее;
- мультиплексора ввода/вывода с двумя или четырьмя агрегатными блоками для работы в сетях с
топологией 2- и 4-волоконного кольца и в линейной цепи с защитой типа 1 + 1 или без защиты;
- концентратора (хаба) для осуществления функций центрального узла в топологии “звезда” (см.
рис. 2-51);
- коммутатора, функционирующего в рамках мультиплексора и самостоятельно емкостью до 16
STM-1 портов.
Мультиплексор и его блоки имеют следующие характеристики:
• трибные интерфейсы:
- скорость передачи данных на входе - 2, 34, 45 и 140 или 155 Мбит/с (электрические) или 155
Мбит/с (оптический);
- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный) - для всех трибов, 120 Ом (симметричный) - для 2
Мбит/с.
• оптические агрегатные блоки:
- 622 Мбит/с (STM-4) и 2488 Мбит/с (STM-16 - 1651 SMC);
• оптические интерфейсы:
- для STM-1: S-l.l, L-l.l, L-1.2;
- для STM-4: S-4.1, L-4.1, L-4.2, L-4.1 JE, L-4.2 JE;
- для STM-16: S-16.1, L-16.1, L-16.2, L-16.2 JE;
- оптические соединители - FC, PC;
- соответствие стандартам - ITU-T Rec. G.707 [16], Rec. G.957 [24], Rec. G.958 [25].
• особенности режимов ввода/вывода и возможности кросс-коммутации:
максимальное число трибов, коммутируемых без блокировки:
- 8 - для трибов 140 Мбит/с и 155 Мбит/с;
- 24 - для трибов 34 Мбит/с или 45 Мбит/с; -
- 63 - для трибов 2 Мбит/с.
дополнительное число коммутируемых 2 Мбит/с трибных портов ввода/вывода:
- 189 на каждую полку (кассету) типа 1641SM-D, установленную на стойке.
типы кросс-коммутации:
- на уровне виртуальных контейнеров VC-4:
- линия-линия (агрегатный блок-агрегатный блок) - сквозная кросс-коммутация-,
- линия-триб - внутренняя кросс-коммутация',
- триб-триб - локальная кросс-коммутация.
- на уровне виртуальных контейнеров VC-3 и VC-12:
- 8 VC-4 эквивалентов в режиме обхода узла - байпасная кросс-коммутация-,
- 8 VC-4 эквивалентов в режимах сквозной, внутренней и локальной кросс-коммутации.
• особенности режимов защиты :
защита сети: Л
- типа 1+1, 1:1 для мультиплексных секций любого вида линейной сети (на уровне агрегатных
блоков и SDH трибов) с использованием технологий защиты однонаправленного (MS-USHR)
или двунаправленного (MS-BSHR и MS Spring) 2- и 4-волоконного кольца в том числе и с ис-
пользованием функции "вывод с продолжением" для защиты взаимодействующих колец со
сдвоенными узлами;
- защита маршрута типа SNCP (SNC-PP). .у
защита оборудования:
- типа 1+1 - для любого общего блока (коммутатора, контроллера, связи, блоков питания и др.);
- типа 1+N, где N = 3, для трибов 2 Мбит/с;
- типа 1+1, 1+N для других типов трибов.
• особенности системы управления:
интерфейсы систем управления:
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
131
- Qx, Qb3, Qecc - Q-интерфейсы для доступа по сети Ethernet типа 10BASE2 на уровне менеджера
сети NM в соответствии с стандартами ITU-T Rec. G.773 [89], Rec. G.784 [23];
- RS-232 (разъем DB-9) - для модемного доступа (9600 бит/с) kNM через крафт-терминал СТ;
- Е1/Е2 - для доступа по служебным цифровым каналам EOW (DTMF с внутриполосной сигна-
лизацией);
- G.703 (сонаправленный интерфейс) - для служебных (DS0) каналов данных 3x64 или 6x64
кбит/с;
- G.703 (G.704, G.736) - для организации служебных (Е1) каналов данных 4x2 Мбит/с;
- V.l 1 (интерфейс) - для организации служебных каналов передачи данных (3x9600 бит/с).
управление передачей данных:
- SOH (байты D1-D3 и D-4-D-12) - для управления регенераторами на уровне NM;
- 8 входов/7 выходов - для осуществления операций тестирования и сбора данных;
оперативное управление:
- дистанционный сбор учетных (инвентарных) данных на уровне интерфейсных карт;
- загрузка программного обеспечения без прерывания трафика;
- контроль ошибок и параметров настройки в соответствии со стандартами ITU-T G.784 [23],
G.826 [75].
• синхронизация-.
- внутренняя: +/- 4,6* 10'6 с дрейфом не хуже 0,37* 10'6 в день;
- внешняя:
- 2048 кГц в соответствии с G.703, импеданс: 120 Ом (симметричный) и 75 Ом (коаксиальный
кабель);
- линейный сигнал STM-N или трибы 2 Мбит/с;
- выходы:
- 2048 кГц в соответствии с G.703, импеданс: 120 Ом (симметричный) и 75 Ом (коаксиальный
кабель).
Выбор типа синхронизации осуществляется в соответствии с установленными приорите-
тами или по алгоритму, использующему сообщения о статусе синхронизации SSM. Другой осо-
бенностью является наличие специального входа системы синхронизации, на который подается
радиосигнал с глобальной системы определения местоположения GPS, позволяющий под-
страивать источник синхронизации по мировому координированному времени UCT (см. раздел
5.5.2).
Особенностью мультиплексора Optinex 1660 SM является дальнейшее улучшение характе-
ристик SMA-4. Он позволяет коммутировать до 882 трибных портов 2 Мбит/с на одной стойке (2
основных полки и 2 полки расширения) или работать автономным кросс-коммутатором с эквива-
лентной производительностью 64x64 STM-1.
Кроме этого он может быть использован как ATM или IP коммутатор с базовой скоростью
2,5 Гбит/с, может работать на одном волокне в дуплексном режиме, допускает мониторинг пара-
метров системы при использовании схем защиты SNCP/I и SNCP/N и, наконец, рассчитан на взаи-
модействие с системами WDM.
Схема размещения интерфейсных карт и модулей в корпусе полки, устанавливаемой на
стойке S9 (Alcatel), соответствующей стандартной стойке ETS300119, приведена на рис. 2-73.
Таких полок в стойке может быть две. Блоки используют печатную плату европейского стандарта
(233x220 мм).
Верхняя часть полки используется для панели межсоединений {интерфейсы кабельной
связи). Средняя часть полки {верхняя кассета) имеет 16 слотов (разъемов): 3 (SW1-4, SW1-10,
SW6-9) - для коммутации интерфейсных карт, 10 - для трибных интерфейсных карт, два матрич-
ных коммутатора (стопроцентное резервирование), один блок питания. Нижняя часть полки
{нижняя кассета) имеет 10 слотов: 4 (WA, ЕВ, ЕА, WB) линейных агрегатных блока и два тай-
мера (для всех стопроцентное резервирование), два блока питания (резервирование 50% с учетом
блока на верхней кассете), один контроллер и один блок для внешних подключений (AUX).
9*
132
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Рис. 2-73. Схема размещения интерфейсных карт и модулей на стандартной стойке
2.7.1.4. Реализация мультиплексоров уровня STM-64 компании Nortel
Мультиплексор TN-64X является полнофункциональным мультиплексором уровня STM-64 ком-
пании Nortel, работающим на скорости 10 Гбит/с. Он, как и все мультиплексоры SDH нового по-
коления, имеет возможность работать по двунаправленной 4-волоконной схеме, поддерживает все
современные схемы защиты трафика и приспособлен к работе в паре с мультиплексорами WDM.
Мультиплексор TN-64X может быть использован для работы в качестве:
- мультиплексора ввода/вывода с двумя или четырьмя агрегатными блоками для работы в сетях с
топологией 2- и 4-волоконного кольца и в линейной цепи с защитой типа 1 + 1 или без защиты
(до 16 TN-64X с регенераторами и оптическими усилителями);
- линейного регенератора, работающего по схемам с защитой 1+1 (2 потока STM-64 с защитой);
- плотного линейного регенератора, работающего по схемам с защитой 1+1 (4 потока STM-64 с
защитой);
Мультиплексор TN-64X и его блоки имеют следующие характеристики:
• оптические трибные интерфейсы:
- до 4 STM-16 с защитой (скорость передачи данных на входе - 2,5 Гбит/с);
- до 8 STM-4 с защитой (скорость передачи данных на входе - 622 Мбит/с);
- комбинация трибов STM-4 и STM-16 с защитой.
• оптические агрегатные блоки:
- до 4 STM-64 со скоростью передачи данных на выходе - 64 Гбит/с.
• оптические интерфейсы:
- для STM-4: S-4.1 (1310нм);
- для STM-16: S-16.1, L-16.1, L-16.2 (1310, 1557 нм);
- для STM-64: S-64.1 (1533/1557 нм), бюджет пролета на стандартном OB (NDSF):
- максимальная выходная мощность Тх: - 10,0 -ь +1,5 дБм;
- минимальная чувствительность приемника: -12,5 дБм;
- допустимая накопленная дисперсия на длине пролета - 700 пс/нм (без модуля компенсации
дисперсии DCM), то же, но с модулем DCM, -50 ч- +50 пс/нм;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
133
- для STM-64 DWDM Тх: по 9 несущих в полосе Blue (1528,77-1541,35) и в полосе Red (1547,72-
1560,61 нм) с шагом 200 ГГц;
- для STM-64 DWDM Regenerator/Тх: по 9 несущих в полосе Blue (1528,77-1541,35) и в полосе
Red (1547,72-1560,61 нм) с шагом 200 ГГц;
- оптические соединители - PC (предпочтителен), FC;
- соответствие стандартам - ITU-T G.692 [247], G.707 [16], Rec. G.957 [24], Rec. G.958 [25].
• особенности режимов защиты.
защита сети:
- типа 1+1, 1:1 для мультиплексных секций любого вида линейной сети (на уровне агрегатных
блоков и SDH трибов) с использованием технологий защиты MSP и MS Spring 2- и 4-
волоконного кольца в том числе и с использованием функции "вывод с продолжением" для ко-
лец со сдвоенными узлами;
- защита маршрута типа SNCP (SNCP/I, SNCP/N).
защита оборудования:
- типа 1+1 - для любого общего блока (коммутатора, контроллера, связи, блоков питания и др.);
- типа 1+1, 1+N для других типов трибов.
• особенности системы управления-.
интерфейсы систем управления:
- Qx, Qb3, Qecc - Q-интерфейсы для доступа по сети Ethernet типа 10BASE-T на уровне менеджера
сети NM в соответствии с стандартами ITU-T Rec. G.773 [89], Rec. G.784 [23];
- RS-232 (разъем DB-9) - для модемного доступа к NM через крафт-терминал VT-100;
- Е1/Е2 - для доступа по служебным цифровым каналам EOW;
- G.703 (сонаправленный интерфейс) - для служебных (DS0) каналов данных 3x64 или 6x64
кбит/с;
- G.703 (G.704, G.736) - для организации служебных (Е1) каналов данных;
- V.l 1 (интерфейс) - для организации служебных каналов передачи данных.
управление передачей данных:
- SOH (байты D1-D3 и D-4-D-12) - для управления регенераторами на уровне NM;
оперативное управление (осуществляется основным контроллером ОРС с возможной установкой
резервного контроллера):
- дистанционный сбор учетных (инвентарных) данных на уровне интерфейсных карт;
- загрузка программного обеспечения без прерывания трафика;
- контроль ошибок и параметров настройки в соответствии со стандартами ITU-T G.784 [23],
G.826 [75];
максимальное число управляемых сетевых элементов NE: в сети SDH в целом - 150 (в качестве
NE рассматриваются: элементы типа TN-16, TN-64 и MOR), в одном пролете - 34, из них 24
мультиплексора ввода-вывода;
• синхронизация-.
- внутренняя: ±4,6* 10'6 с дрейфом не хуже 0,3 7* 10'6 в сутки;
- внешняя (используя внешний интерфейс синхронизации ESI):
- 2048 кГц±4.6*10'6 в соответствии с G.703, импеданс: 75 Ом (коаксиальный);
- 1544 кГц ±32*10'6, импеданс 100 Ом (кабель AT&T 1249С DS1);
- выходы:
- 2048 или 1544 кГц в соответствии с G.703, импеданс: 75 Ом (коаксиальный) или 100 Ом (ка-
бель AT&T).
Особенностью мультиплексора TN-64X, как видно из указанной спецификации, является
то, что он требует использования мультиплексоров доступа типа TN-16X или TN-4X, чтобы иметь
возможность использовать оптические или электрические трибы нижнего уровня 155 Мбит/с и
ниже, что является платой за высокую скорость передачи и возможность работать в многоволно-
вом режиме.в системе DWDM.
Другой особенностью является то, что мультиплексор имеет возможность устанавливать в
виде плат современные оптические модули: многоволновой (2x9) передатчик, использующий по-
лосы Blue и Red (см. разд. 11.1) для взаимодействия с системой DWDM, щирокополосные оптиче-
ские усилители (см. разд. 10.1) и модули компенсации дисперсии (см. разд. 12.2.4).
134
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
2.7.1.5. Реализация кросс-коммутаторов типа 1641 SX компании Alcatel
Другими важными элементами сетей SDH, кроме мультиплексоров, являются кросс-коммутаторы.
Одним из наболее известных и широко используемых представителей среди них являются кросс-
коммутатор типа 1641 SX.
Коммутатор 1641 SX компании Alcatel относится к классу DXC 4/3/1 и осуществляет дву-
направленную коммутацию между любыми портами виртуальных контейнеров уровня VC-4/3/1,
т.е всех контейнеров SDH, соответствующих трибам Е4, ЕЗ и Е1 ЕС иерархии PDH, а также элек-
трических и оптических трибов SDH. Кроме того он имеет интегрированный в структуру демуль-
типлексор PDH, позволяющий терминировать и демультиплексировать трибы PDH до уровня
Т1/Е1 с их последующей кросс-коммутацией и упаковкой в контейнеры SDH.
Этот коммутатор может быть использован в различных схемах связи подсетей и топологи-
ческих элементов, как показано на рис. 2-74.
Порт
Рис. 2-74. Блок-схема кросс-коммутатора 1641 SX компании Alcatel
1641 SX имеет следующие характеристики [56]:
• трибные интерфейсы:
- допустимые скорости передачи данных на входе - 1,5/2; 34/45; 140/155 Мбит/с (электрические)
и 155/622/2448 Мбит/с (оптические);
- входной импеданс - 75 Ом (коаксиальный) - для всех трибов, 120 Ом (симметричный) - для 2
Мбит/с.
• матрица коммутации (полностью неблокирующая матрица с защитой 1+1):
- емкость платы квадратного матричного блока МХВ: 16x16 STM-1;
- емкость базовой квадратной матрицы коммутации: 48x48 STM-1 (9 МВХ, 2 копии матрицы, ос-
новная и резервная, размещаются на одной двойной полке);
- максимально допустимая емкость квадратной матрицы коммутации: 192x192 STM-1 (16 двой-
ных полок);
- максимально допустимая емкость матрицы коммутации: 448x448 STM-1 (матрица Clos, или
конфигурация с большой матрицей LMC, использует несимметричную базовую матрицу ком-
мутации LMC56 емкостью 56x56 STM-1, поддерживает SNCP с временем реакции 50 мс).
• особенности системы управления:
системы менеджмента:
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
135
- управление конфигурацией, поддерживает как постоянную (через оператора), так и программ-
ную (в зависимости от времени дня и загрузки) реконфигурацию;
- управление системой индикации аварийного состояния;
- управление/мониторинг производительности и параметров ошибок;
- управление безопасностью системы коммутации (отслеживает несанкционированное использо-
вание ресурсов системы коммутации).
интерфейсы системы управления:
- Q интерфейс для связи с операционной системой OS управления;
- F интерфейс для связи с локальным и удаленным оборудованием доступа пользователя UAE;
- интерфейсы LAN/Ethernet, Х.21/Х25, V.24/V.28 для связи UAE с 1641 SX Alcatel.
- • синхронизация (используется блок МСВ):
внешняя синхронизация:
- 2048 кГц согласно ITU-T G.703, импеданс 75 Ом (коаксиальный), 120 Ом (симметричный).
выходная синхронизация:
- 2048 кГц согласно ITU-T G.703, импеданс 75 Ом (коаксиальный), 120 Ом (симметричный).
- • защита:
- защита подсетей типа SNCP: ординарная - 5 с, быстрая - 50 мс;
- линейная защита мультиплексной секции типа MSP (без использования байтов К1 и К2);
- защита оборудования: 1+1 (блоки питания), 3:1 (конверторы), N:1 (другое оборудование).
Особенностью системы коммутации является, кроме прочего, то, что коммутируемые со-
единения сохраняются при выходе из строя системы управления.
Кроме 1641 SX компания Alcatel выпускает кросс-коммутатор 1644 SX, имеющий более
ограниченные возможности по обработке трибов (140 и 155 Мбит/с), но большую емкость до 512
портов (наращиваемую блоками по 64 порта).
2.7.2. Обзор аппаратной реализации оборудования сетей SDH
В предыдущих разделах были приведены функциональные блоки и описана архитектура сетей
SDH. Указанные в них примеры реализации мультиплексоров уровней STM-1,-4,-16,-64 дают, в
целом, представление о структуре и характере блоков, используемых в мультиплексорах.
Вместе с тем интересно провести обзор аппаратной реализации функциональных блоков
сетей SDH, производимых основными компаниями, оперирующими на российском рынке: Alcatel,
ECI, Ericsson, Fujitsu, Lucent Technologies, Marconi, NEC, Nokia, Nortel и Siemens. Этот материал
(см. разд. 2.7.2.3), как нам кажется, будет интересен не только проектировщикам сетей, но и всем,
вовлеченным в процесс принятия решений о закупке SDH оборудования. Это естественно, т.к.
всегда хочется иметь информацию об оборудовании по возможности всех поставщиков, чтобы
оценить не только его многообразие, но и возможные различия/особенности его характеристик.
Для лучшей ориентации в приведенном ниже обзоре в табл. 2-3 представлены более под-
робные данные по наиболее характерным образцам мультиплексоров и систем управления пяти
ведущих на российском рынке фирм-поставщиков оборудования SDH: Alcatel, ECI, Lucent
Technologies, Nortel и Siemens, как это было сделано в [215]. Однако с момента публикации перво-
го издания работы [215] прошло больше трех лет и число производителей оборудования SDH
(особенно уровней STM-1 и STM-4) выросло, не говоря уже о номенклатуре оборудования. По-
этому автор заранее извиняется, что приведенные им в табл. 2-3 сведения носят выборочный ха-
рактер (5 компаний) и представляют продукцию зарубежных производителей. Однако в обзоре
нбменклатуры оборудования (разд. 2.7.2.3) приведены списки оборудования 10 перечисленных
выше зарубежных и 3 российских производителей: ОАО "Морион" (далее Морион), “Камател”
(далее Камател) и Экспериментального завода научного приборостроения РАН (далее ЭЗАН).
Нужно отметить, что за последние три года, прошедшие с момента выхода книги [215], си-
туация на рынке оборудования SDH и WDM изменилась. Несколько известных компаний - произ-
водителей оборудования SDH ушли с этого рынка. Компания Philips продала свой SDH-бизнес в
целом компании Lucent Technologies (где он представлен отдельной серией PHASE, а ее мультип-
лексор уровня STM-4 поставлялся как мультиплексор TN-4X компанией Nortel.
136
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Таблица 2-3. Сравнительные характеристики синхронных мультиплексоров ввода/вывода
Параметры мультиплексоров Alcatel ECi |Lucent Technologies Nortel Siemens
Синхронные мультиплексоры - STM-1
Тип оборудования 1640 FOX SDM-1 ADM4/1(ADM 155} TN-1X.-1X/4 SMA-1 R2
ЩИвМйИЙ 2,34/45,140,155 1.5/2,34/45,140 2,34,140 2,34/45,155E+O 2,34/45,140,155
ЧйслоШорИИИИёрфеи 16(2), 1(34/45), 1(140) 16(2),3(34),1(140) 32(2),3(34),1(140) 16(2),3(34) 21(2),3(34)
ЧйёлбШИМИя!мйтерф1ёйснь1Х''кар;т -a' 3 8 5(4+1) 6/8 6 (3+3)
ТЖзЩйДЯйрН-рВИ N:1 N+1, 1+1(155) N+1, 1+1(155) 8/4:1(2)/3:1(34/45) 6:0, 5:1
МйИмальнаяШЩЩащИ 63x2/3x34 96x2/6x34/4x140 126x2/3x34 63x2/3x34/45 126/252x2
Агрегатн ыЯййт'ё'рф ёйснИШОЙсл 2xSTM-1 2xSTM-1 2xSTM-1/4 2xSTM-1/4(1/2) 2xSTM-1
Тип/схёма защитьГпо: ВЫходу:^.^ 1:1, 1+1/SNCP 1:1, 1+1 1:1, 1+1/MSP 1:1,1+1/MSP 1:1,1+1/MSP/SNCP
ВоэдбЖности кросс-коммутации 1xSTM-1 JxSTM-1 1xSTM-1 1xSTM-1 100 8х2Мбит/с
ВОЯоЖность работб(фИрм’ и“на 1 OBJ11 нет/нет нет/нет нет/нет есть/есть нет/нет
Об рабоН!траф иКИЩМ! есть нет нет нет нет
Синхронные мультиплексоры - STM-4
ТЙГ1 Оборудования 1650 SM SDM-4 ADM 4/1(ADM 155) TN-4X.-4XE SMA-4 R4
Трибные интерфейсы, Мбмт!с 1,5/2,34/45,140,155 2,34,140,155 2,34,140 2.34/45.140.155E+O 2,34,140,155
ЧЙсИМ|Яв МИтедфёйснрм карте для каждого типа триба 63(2),3(34/45) 16(21,3(34) 32(2),3(34),1(140) 21(2),6(34) 21(2),3(34),1(140)
4(140/155) 1(140),1(155) 4(140/155) 1(155),1(622)
Число слотов для интерфейсных каэ’ :ЗЯ Н.д. 18 5(4+1) 6/8 12(6+6)
Типзащищённого режима но входу N:1 N:1, 1:1, 1+1 N+1, 1+1(155) 6:0/6:1(2) 12:0, 11:1
Максимальная нагрузка на мультиплексор 12STM-1 288x2/18x34 126x2/3x34 252x2/6x34/4x140 252x2/24x34
Агрёгатнйё’ййтёрфёйсы :НйпЬЭДислр)Яги№ 2xSTM-1/4 2xSTM-4 2xSTM-1/4 2xSTM-1/4 2xSTM-1/4 •
Тйпйхёма зЩйщённогбфёЩЖЯй 1:1, 1+1/SNCP 1:1,1+1/MSP 1:1, 1+1/MSP 1:1,1+1/SNCP l+1/SNCP/MS-SPRing
Возможности кросс-ком мутаций ? 63(21,24(34/45) 288x2/18x34/45 1xSTM-1 168/504(2) 1008x2Mbps
32(140/155) 8x(140/155) 8STM-1
Возможность работы с WDM и на 1 ОВ нет/нет нет/нет нет/нет н.д. нет
Иработка трафика;АТМ1йт1ВВИЕиИЯ1Ий есть нет нет нет нет
Синхронные мультиплексоры STM-16
ТИбббрудования 1660 SM SDM-16 ADM 16/1 TN-16X SMA-16 R4
Трибные интерфейсы,1Мбит/с? 1,5/2,34/45,140,155,622 2,34/45,140,155,622 1,5/2,34/45,140,155,622 34,140,155E+0,622 2,34,140,155,622
Число портов на интерфейсной :карте для каждого типа триба г : 63x2,3x34/45,4x140 16(2),3(34) 63x2,6x34/45,4x140/155 н.д. 42(2),3(34),1(140)
4x155,1x622 1(140),1(155) 4x155,1x622 Н.Д. 1(155),1(622)
МНйВНЙо;в=дл я; и нтерф ёйсныЙка pJtyyB 16 18 8 2x16 12
ТИЯШщеннбгофёжйжйлофхй01шЯЯ1 1+1(SDH), N:1(PDH) N:1, 1:1, 1 + 1 1:1,1+1(SDH), N:1(PDH) N:1(N-1-14) 12:0,11:1
Максимальная нагрузка на мультиплексор 378/882x(2) 144/288x(2)/4xSTM-4 504x(2)/32STM-1 16STM-1 64STM-1
Агрегатные интерфейсы: типы (число) 2x2500 2x2500 2x2500 2x2500 2x2500
ПвЖёИЯёмЖЩШИкцйй)» Н.Д. S-16.1/2.L-16.1/2/3 S-16.1/2,1-16.1/2/3 S-16.1/2.L-16.1/2 S-16.1/2.L-16.1/2
ТйИхМЖМищёййого;'режй : 1+1/SNCP,MS-SPRing 1+1/SNCP 1:1/MSP,1+1MS-SPRing 1+1/SNCP/MS-SPRing 1+1/SNCP/MS-SPRing
ФуйкцйяИвшбдИрбдо^ есть нет есть нет есть
Уровень/возможностикросс-коммутации VC-4/64.96STM-1 VC-4,3,12/16STM-1 VC-4/64STM-1,VC-12/1008 VC-4 VC-4/1008х2М6ит/с
ВэдМоЯостШрШ>йыФ“№ВИ есть/нет есть/нет есть/нет есть/есть есть/нет
ВозможнРстФфаббтЬгв'кИ^ нет нет нет/нет нет нет
Наличие картьгОУЖ модуЖВСМТ есть н.д. есть/н.д. есть/н.д. есть/н.д
Обработка трафика АТМ(и11В есть нет нет нет нет
Синхронные мультиплексоры STM-64
Тйтаборудования1п''И1И 1670 SM В перспективе TDM 10G TN-64X SL-64
Трибные интёрфёйМА'МбйЖИ 140/155Е+0/622/2500 140/155Е+0/622/2500 622,2500 140/155Е+О/622/2500
Число портбвЖИЩёЩД Sкарте длякНОИМНОЙИ^ 4x140,4/16xSTM-1 - 4xSTM-1,2xSTM-4 165ТМ-4(общ), 4x140,4xSTM-1
1xSTM-4/16 1xSTM-16 85ТМ-16(общ) 1xSTM-4/16
Ч исло'слбтбШдлЖинтёрфёибнЖхЯрТйЯй'Я 16 32 16/32 18(16+2)
Тип защищенного режима по входу N;1,1:1 1:1 1+1,4:1 N;1,1+1
Максимальная нагрузка на мультиплексор 256/512STM-1 8STM-16/128STM-1 8STM-16 8STM-16
Агрегатные:йнтерфёйсь1:тй:пын(чйслб)о йт 4STM-64 2STM-64 4STM-64 4STM-64
Поддерживаемые типы секций н.д. S-4.1,16-1/2,64-1/2 S-4.1,16-1/2,64-2 S-4.1,16-1/2,64-2
Тип/схема защищенного режима 1+1/SNCP,MS-SPRing 1+1/SNCP,MS-SPRing 1:1,1+1/MS-SPRing 1+1/SNCP,MS-SPRing
ФУЙЦЙЯ’Я есть есть есть есть
УрЩень/возмбжнбстижросс-кбм мутации VC-4/512STM-1 VC-4/192STM-1 VC-4/8STM-16 VC-4/256STM-1
Возможность работы с WDMh на 1.ОВ есть/нет есть/нет 8/16 волн/ёсть есть/есть
Возможность'работы в кольце с,4 ОВ есть нет есть есть
Наличие карты ОУ и модуля ОСМ есть/н.д. есть/н.д. есть/есть есть/н.д.
Обработка трасоика AT М и IP ATM SW +1Р R нет нет есть
Системы управления
Т.иП:ёлемент-менеджё[^ 1353-SH еЕМ LCS-4/1, ITM-SC TN-MS ЕС ENMS
Т ип'сетевдТ011мёнрДЖёрёббббШ1ННбН'11Нб:А|бб|";'Ippll'lllll 1354-RM/1354-NN eNM iTM-NM TN-nX NE TNMS
ВС: интерфейсЕ, (тип//скорость SI кбит/с)И RS232C//9.6 RS232C//19.2 V.10//9.6 RS-232C//9.6/19.2 V.24//9.6
бАН|'ИнтерфёйСы G.773 QB3/QB2(Eth) G.784 Q3 (Eth) G.773 QB3(Eth/X.25) Qx(Ethernet) Qx(Eth,X.25)/64x6/c
Служебные канал блок OHA-Alcatel блокОНА-ECI блокОНА-АТ&Т блок ОНА-NT блок OHA-Siemens
Ч иСло управляем ы хмулЯплёксбрбИии Н.Д. н.д. 100 н.д. 180
Т|ЙП1 ИСПОЛьзуемой синхронизации в.т.,с.т.,т.с.,л.с в.т.,с.т.,т.с.,л.с в.т.,с.т.,т.с.,л.с в.т.,с.т.,т.с.,л.с в.т.,с.т.,т.с.,л.с
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
137
Компания GPT была куплена компанией Marconi, которой компания Nokia также продала
свой SDH-бизнес. Однако Marconi пока сохранила торговую марку Synfonet на мультиплексоры
Nokia, выпускаемые по контрактам последней, поэтому мы привели ее в обзоре. По сравнению с
обзором в [215], кроме Marconi, добавлены также компании Ericsson и Fujitsu. Кроме них есть ряд
других достаточно крупных производителей второго эшелона, поставляющих в основном обору-
дование SDH STM-1,-4, которые нами не рассматриваются.
Рынок оборудования SDH различного класса в последнее время становится все более на-
сыщенным, учитывая разнообразие и масштабность осуществляемых совместно с указанными
компаниями проектов, в которых стороны оперируют уже сотнями комплектов оборудования
SDH. Достаточно привести примеры радиорелейной и оптоволоконных линий SDH Москва-
Хабаровск, на которой установлено несколько сот мультиплексоров компании Siemens, связанных
радиорелейными станциями Siemens и NEC, оптоволоконной линии Москва-Новороссийск и дру-
гих, построенных компаниями Комкор, Комстар, Ленэнерго, МирТелеКом (группа компаний),
Мосэнерго, МТУ Информ, Ростелеком, ТелеРосс, ТрансТелеком и другими.
Все разнообразие этого оборудования можно разбить на семь групп:
- синхронные мультиплексоры - SMUX или SM;
- оборудование линейных трактов - SL;
- синхронные кросс-коммутаторы - SXC;
- синхронные радиорелейные линии (РРЛ) - SR;
- системы с WDM или DWDM - WM;
- оптические мультиплексоры - ОМ или OADM;
- системы управления оборудованием SDH.
Подробное рассмотрение всех типов оборудования задача большая и трудоемкая, учиты-
вая, что не все указанные выше компании публикуют или готовы предоставить нужную (доста-
точно подробную информацию. В нашем обзоре будет представлены материалы по мультиплексо-
рам SDH, которыми располагал на момент его составления автор. Все характеристики и парамет-
ры оборудования приведены как правило так, как они представлены в проспектах компаний.
2.7.2.1. Технические характеристики оборудования
Основные характеристики мультиплексного оборудования сведены в табл. 2-2 отдельно для син-
хронных мультиплексоров различных уровней SDH: STM-1, и STM-4, STM-16, STM-64 и системы
управления ими. Мультиплексоры уровня STM-256 упомянуты в тексте, но не включены в табли-
цы ввиду ограниченной информации о них.
Некоторые из этих характеристик требуют дополнительных пояснений, данных ниже.
Трибные интерфейсы
Для PDH стандартный набор трибов 2, 34, 140 Мбит/с - соответствует ЕС, но не включает
триб 8 Мбит/с. Ряд мультиплексоров имеют трибы 1,5 и 45 Мбит/с (или, реже, 6 Мбит/с - оговари-
ваемая опция) для совместимости с АС. Для мультиплексоров уровня STM-1 SDH триб может
быть электрическим или оптическим, для уровней STM-4,-16 используются только оптические
SDH трибы. Наличие таких трибов позволяет использовать мультиплексоры в качестве регенера-
торов в линейных трактах SDH, а также в схемах соединения колец разного уровня (рис. 2-56).
Число портов на интерфейсной карте
У мультиплексоров первого поколения для трибов 2 Мбит/с на карте имелось 16 портов,
что требовало 4 карты (16*4=64) для максимального использования возможностей мультиплексо-
ров уровня STM-1 по обработке каналов 2 Мбит/с (63 канала). Современная технология позволяет
иметь 21,32,42 и 63 порта на карте, что дает возможность использовать 3, 2 или 1 карту для обра-
ботки того же потока (63 канала), экономя слоты для других карт или для увеличения число мак-
симально обрабатываемых каналов 2 Мбит/с. Обычное число портов для других трибов: 3-6 для
34/45 Мбит/с, 1/4/16 для 140/155 Мбит/с, 1-2 для 622 Мбит/с и по 1 порту на картах 2,5 Гбит/с.
Число слотов для интерфейсных карт
Для мультиплексоров уровня STM-1/4 в первой позиции в скобках даны числа основных и
138
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
резервных карт, причем число резервных карт должно соответствовать схеме защиты трибов, при-
веденной ниже.
Тип защищенного режима по входу
Если указано “4:1”, то для защиты 4 карт используется 1 резервная (резервирование 25%),
если “3:1”, тона 3 основных - 1 резервная (33%), если “1:1 или 1+1”, то резервирование составляет
100% на уровне трибов при защите по входу или на уровне агрегатных (линейных) выходов при
защите по выходу.
Максимальная нагрузка на мультиплексор
Данная характеристика указывает максимальное число обслуживаемых каналов по каждо-
му типу триба в отдельности или в целом. Эта характеристика связана с возможностями кросс-
коммутации и системы управления, а также числом основных и дополнительных полок.
Агрегатные интерфейсы
Указывает число и тип используемых агрегатных (линейных) карт. При двухволоконной
схеме их требуется 2, при четырехволоконной - 4. Ряд мультиплексоров допускает использование
двух разных типов агрегатных карт, например, STM-1 и STM-4.
Поддерживаемые типы секций
Указывет какие типы стандартных секций из табл. 2-2 поддерживает данный мультиплек-
сор, это дает возможность, кроме прочего, какие несущие (1310 или/и 1550 нм) он поддерживает.
Tun/схема защищенного режима
Указывает на тип защищенного режима по выходу и список описанных выше схем защиты
маршрутов, например, MSP (для линейных систем), MS-SPRing (BSHR), SNCP и другие.
Функция “вывод с продолжением ”
Наличие функции размножения трафика позволяет осуществлять схемы защиты типа MS-
SPRing при 2 взаимодействующих 4-волоконных кольцах, связанных двумя мультиплексорами.
Уровень/возможности кросс-коммутации
Уровень кросс-коммутации характеризует показатель гранулярности системы коммутации,
т.е. уровень минимального по объему контейнера, который коммутируется. Возможности кросс-
коммутации обычно характеризуются эквивалентным числом коммутируемых потоков STM-N или
потоков 2 Мбит/с. Обычно она согласуется с максимальной нагрузкой на мультиплексор и харак-
теризует возможности кросс-коммутации самого мультиплексора. Однако при блочном построе-
нии мультиплексора, характерного для современных систем SDH, этот показатель может характе-
ризовать возможности матрицы кросс-коммутатора как блока.
Возможность работы с WDM или на 1 ОВ
Первый показатель говорит о том, что мультиплексор SDH имеет внутренний мультиплек-
сор WDM и может работать в этом режиме с указанным числом длин волн. Второй показатель го-
ворит о том, что мультиплексор имеет встроенный разветвитель (четырехполюсник 2x2) или про-
стейший мультиплексор WDM для пропуска двунаправленного трафика по одному волокну.
Возможность работы в кольце с 4 ОВ
Она характеризует наличие двойного комплекта карт с линейным агрегатным оптическим
выходом для использования специальных схем защиты на кольце из 4 волокон (см. разд. 2.7).
Наличие карты ОУ и блока DCM
Первое характеризует возможность использовать сверхдлинные пролеты в секции за счет
установки карты оптического усилителя (ОУ), играющего роль бустера или предусилителя. Вто-
рое (наличие карты-модуля для компенсации дисперсии - DCM) служит той же цели, а также дает
возможность использовать солитонные генераторы (см. ниже). Если же в качестве ОУ использует-
ся двухкаскадный ОУ с промежуточным входом между каскадами и карта DCM, то эта схема счи-
тается наиболее гибкой при построении сверхдлинных пролетов и секций.
Обработка трафика ATM и IP
Характеризует возможность мультиплексора упаковывать ячейки ATM и пакеты IP в со-
стыкованные (конкатенированные) фреймы SDH и передавать их по сети SDH (для этой цели ис-
пользуется согласованный по скорости коммутатор ATM и маршрутизатор IP)
PC интерфейс F
Интерфейс F используется для подключения локального терминала доступа оператора (СТ
или LCT), в качестве которого используется портативный (блокнотного типа) PC. С его помощью
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
139
можно осуществлять функции контроля текущего состояния и анализа потока аварийной сигнали-
зации или контроля/управления конфигурацией синхронного мультиплексора. Для подключения к
мультиплексору обычно используется модемный канал, использующий последовательный порт с
интерфейсом V.24/V.10/RS-232C и скоростью передачи 9,6 кбит/с или 19,2 кбит/с.
LAN интерфейсы
Эти интерфейсы используются в центре управления для связи мультиплексоров с эле-
мент-менеджером ЕМ (ЭМ) системы управления сетью NMS. Эта связь осуществляется по ло-
кальной сети Ethernet (10 Мбит/с) или сети с коммутацией пакетов Х.25, через так называемый Q-
интерфейс. Его общее обозначение Qx (Qb2, Qb3> Q3 - версии интерфейса, поддерживающие раз-
личные стеки протоколов, см. ниже разд. 6.3) - для центральных (непосредственно связанных с
LAN) мультиплексоров и QECC - для удаленных мультиплексоров, использующих встроенный ка-
нал управления ЕСС, реализуемый по байтам D4-D12 секционного заголовка SOH (см. выше). Ес-
ли нет более конкретных данных, то указываются соответствующие рекомендации ITU-T, кото-
рым по данным разработчика удовлетворяет указанный интерфейс.
Служебные каналы
Служебные каналы (см. выше) организуются использованием соответствующих байтов
секционного заголовка SOH. Формально могут быть задействованы байты D1-D12, Е1-Е2 и другие
резервные байты. Каждый байт, в этом случае, эквивалентен, как известно, каналу 64 кбит/с (учи-
тывая частоту повторения фреймов 8000 Гц).
Обычно для этой цели используются либо байты D4-D12, позволяющие сформировать до
4-х каналов общей пропускной способностью не выше 576 кбит/с с интерфейсом V.l 1,.конфигу-
рируемых по требуемой пропускной способности на 64, 192, 256, 512 или 576 кбит/с, либо байты
Е1-Е2, позволяющие сформировать два служебных аналоговых канала с 2-проводным интерфей-
сом и возможностью подключения обычных телефонных аппаратов. Кроме того возможно форми-
рование до 4-х каналов с интерфейсом G.703, конфигурируемых на 64 кбит/с или 2 Мбит/с. Весь
этот набор возможных каналов помечен в таблице как блок доступа к заголовку ОНА с указанием
на компанию - производителя оборудования (например, блок ОНА-АТ&Т - блок доступа к заго-
ловку компании AT&T), учитывая различия в конкретной реализации этих блоков.
Максимальное число мультиплексоров, управляемых ЕМ
Обычно это число редко публикуется в проспектах, хотя является важной эксплуатацион-
ной характеристикой. Оно зависит от многих факторов, в том числе от емкости оперативной памя-
ти PC системы управления и допустимого объема базы данных оборудования, создаваемой ЕМ.
Тип используемой синхронизации
Учитывая важность синхронизации для сетей SDH, мультиплексоры имеют различные
дублирующие источники синхронизации. Обычно применяют четыре типа источников сигнала
синхронизации:
- внутренний таймер (в.т.), т.е. внутренний генератор синхросигнала 2048 кГц;
- сетевой таймер (с.т.), т.е. внешний генератор синхросигнала 2048 кГц;
- сигнал трибного интерфейсного блока (т.е.), обычно используется сигнал с триба 2048 кбит/с;
- линейный сигнал (л.с.), т.е. сигнал с любого SIU (любой STM-N).
Тип стойки и блоков
Стойка, как отмечалось выше, обычно имеет одну или две полки для размещения компакт-
ных блоков или кассет с оборудованием типа сменных блоков, вставляемых в слоты. Размеры сто-
ек стандартизованы, хотя число используемых типоразмеров все же достаточно велико, так как
только для ETSI, как отмечается ниже, существует три возможных типоразмера по ширине и как
минимум два по высоте. У американских производителей их даже больше.
Если SDH оборудование выпускается со стойками европейского стандарта ETSI (напри-
мер, стойка ETS300119 - 19 дюймов), то размеры стойки: 2200x600x300мм (высота х ширина х
глубина), если северо-американского - то ширина как правило 17 или 19 дюймов (эквивалент IEC-
297). Блоки делятся на две части. Верхняя часть (иногда, но реже, это нижняя часть) представляет
собой специальную область интерфейсов связи, где размещены внешние интерфейсные карты.
Нижняя часть (иногда, но реже, верхняя) с одной или двумя полками (однорядная или двухрядная)
служит для размещения сменных блоков. В таблице приведены, как правило, данные для одноряд-
ной конструкции стандарта ETSI. Конструкция мультиплексоров блочная, причем все сменные
140
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
блоки осуществляют взаимодействие через внутреннюю шину. Сменные блоки делятся обычно на
7 категорий (здесь за основу взято деление блоков в аппаратуре компаний Nortel и Lucent Tech-
nologies):
- синхронные интерфейсные блоки (или блоки линейных или агрегатных выходов) SIU;
- трибные интерфейсные блоки ТШ;
- центральные блоки CCU, BSU, MCU;
- коммутирующие и согласующие блоки BBU, CMU, PPU;
- специализированные блоки, например, блок доступа к секционному заголовку OAU;
- блоки оптических усилителей ОА;
- модули компенсации дисперсии DCM.
Обычно в комплекте со сменными блоками используются 5 типов интерфейсных карт:
- карта SCI для связи каналов данных с блоками SIU и проведения тестирования;
- карты TCI, используемые как внешний интерфейс между каналами доступа и блоками TIU;
- карты MCI для связи портов синхронизации с блоком центрального генератора синхросигнала
CCU, а также PC и LAN портов для связи с блоком управления и связи MCU;
- карты OAI для связи между каналами данных и блоком OAU;
- карты OWI для связи служебных каналов с блоком OAU.
Все расшифровки указанных сокращений помещены в словаре сокращений в конце книги.
Общее число сменных блоков в стойке
Учитывая стандартные размеры стоек ETSI, число размещаемых сменных блоков зависит
от конструкции стоек, конструктивных особенностей самих блоков, а также номенклатуры блоков
у разных производителей. Например, увеличение числа портов на карте 2 Мбит/с трибных блоков
с 16 до 21 или использование автономных блоков питания непосредственно на картах, вместо цен-
трализованного блока питания, уменьшает требуемое число гнезд для установки основных блоков.
Для стоек стандарта ETSI обычно используют два варианта - 19 или 17 дюймов (последний обыч-
но имеет меньшую ширину, но больше места для размещения кабелей), которые содержат не бо-
лее 17 гнезд для сменных блоков, хотя есть вариант для размещения 18 сменных блоков. Размеры
некоторых блоков таковы, что могут занимать два гнезда, например, оптические линейные агре-
гатные блоки, оптические усилители или блоки питания, что приводит к различному общему чис-
лу размещаемых блоков. В качестве примера, на рис. 2-73 показан вариант размещения блоков в
стойке ETSI (19 дюймов) для мультиплексора 1651 SM компании Alcatel - 16 блоков на верхней
кассете, 10 блоков на нижней кассете.
27.2.2. Новые технологические решения
Наряду с улучшением оптоэлектронной элементной базы, позволяющей совершенствовать от-
дельные модули оборудования, увеличивая, например, число портов 2 Мбит/с на интерфейсной
карте, или позволяя устанавливать автономные блоки питания на интерфейсные карты, компании -
производители SDH оборудования ищут новые технологические решения, позволяющие принци-
пиально или существенно улучшить характеристики оборудования SDH. К ним относятся:
- применение оптических усилителей, позволяющих существенно увеличить длину регенераци-
онных секций или вообще исключить регенераторы,
- использование методов мультиплексирования с разделением по длине волны, позволяющих
провести спектральное уплотнение каналов в несколько десятков раз, максимально (на данный
момент) до 160.
Оптические усилители
Большинство компаний стали использовать оптические усилители для увеличения воз-
можностей мультиплексоров уровней STM-4, STM-16 и STM-64, включая их в список основных
блоков. Подробности см. в разд. 10.1.
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
141
Мультиплексирования с разделением по длине волны
Обычно мультиплексоры в сетях SDH используют технологию временного разделения ка-
налов и ориентированы на применение стандартного одномодового ВОК. В этом случае по одному
волокну можно передавать один канал (полудуплексный или полнодуплексный, если применяются
оптические разветвители). Современный уровень оптической технологии позволяет использовать
мультиплексирование с разделением по длинам волн WDM или спектральное уплотнение ка-
налов, при котором по одному волокну может передаваться от 2 до 160 длин волн, каждая из кото-
рых может использоваться как независимая несущая. Подробности см. разд. 11.1.
2.7.2.3. Номенклатура аппаратуры SDH/WDM компаний-производителей
Ниже приведен список оборудования SDH различных производителей (российских и зарубежных),
как мультиплексоров, помещенных в табл. 2-2, так и оборудования SDH другого типа, указанного
выше. Список также не претендует на полноту, так как составлен из доступных автору каталогов и
материалов с соответствующих web-сайтов.
Аппаратура в списке размещена по производителям (сначала российским, потом зарубеж-
ным), для каждого производителя по 7 группам оборудования, а внутри групп в алфавитном по-
рядке или порядке номеров моделей. Последними в списке указаны системы управления.
Аппаратура российских и зарубежных производителей
Камател
Компания выпускает пока только мультиплексоры уровня STM-1, разработанные компанией
Siemens [412] и готовит к выпуску оборудование уровня STM-4.
SMA1 - базовый мультиплексор уровня STM-1 серии TransExpress, полный набор трибов, конфигу-
рируется как ТМ, ADM, расширяется до STM-4, поддерживает схемы защиты SNCP, BSHR;
SMA1K - компактный мультиплексор уровня STM-1 (емкость 63x2 + 34 Мбит/с), конфигурируется как
ТМ, ADM, поддерживает защиту MSP и SNCP;
Морион
Компания выпускает пока только мультиплексоры уровня STM-1 [373] и подготовил к выпуску раз-
работанное оборудование уровня STM-4.
СММ-155 - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, может использоваться как терминальный муль-
типлексор ТМ (ТМ), регенератор Р (R), мультиплексор ввода-вывода МВБ (ADM) и локальный
кросс-коммутатор ЛКК (LCC).
ЭЗАН
Завод выпускает мультиплексоры SDH STM-1,-4,-16, разработанные компанией NEC [375].
SMS-150V - полнофункциональный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, может использоваться
как ТМ, R, ADM и LCC, поддерживает функцию TSI на уровне VC-12, VC-3;
SMS-600V - полнофункциональный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4, может использоваться
как ТМ, R, ADM и LCC, поддерживает функцию TSI на уровне VC-4;
SMS-2500A - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 (трибы не ниже Е4), может использоваться как
ТМ, R, ADM, поддерживает функцию TSI на уровне VC-4;
INS-100 - система управления сетью уровня NMS с возможностью управления до 256 элементами сети.
Alcatel
Аппаратура SDH представлена серией Alcatel 16хх (мультиплексоры/кросс-коммутаторы), 96хх (ра-
диорелейные системы) и 13хх (системы управления), а также новой серией SDH/WDM Optinex.
1631 FOX - оптоволоконный расширитель; имеет 3 входных модуля 4x2 Мбит/с и линейный оптический
выход 51,84 Мбит/с (уровень ОС-1 SONET) для стыковки с дополнительным входом ОС-1 у
мультиплексоров 1641 SM и 1651 SM;
1640 FOX - компактный мультиплексор ввода-вывода уровня STM-1/4 серии Optinex для установки в
офисах пользователя;
1641 SM - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1, дополнительно имеет вход SONET ОС-1;
142 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
1641
1641
1643
1644
1650
1651
1651
1655
1660
1661
1661
1664
1666
1670
1674
1680
1692
1654
1664
1641
1644
1644
1664
9468
96хх
9667
1640
1686
1690
1610
1610
1640
SM/C - компактный вариант мультиплексора 1641 SM для узлов с малой числом каналов 2 Мбит/с
(карты 8/16/21х2Мбит/с);
SMT - терминальный мультиплексор уровня STM-1;
ML - конвертер (линейный модем) SDH-PDH 155 Мбит/с STM-1 - 34 Мбит/с ЕЗ (инкапсуляция
VC-12 по стандарту G.832) с защитой 1+1 и передачей каналов DCC;
ML - конвертер (линейный модем) SDH-PDH 155 Мбит/с STM-1 - 140 Мбит/с Е4 (инкапсуляция
VC-12 по стандарту G.832) с защитой 1+1, передачей каналов DCC и опцией с возможностью
передачи по трактам Е5 PDH (565 Мбит/с) путем использования 4x140 Мбит/с потоков;
SMC - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1/4 серии Optinex;
SM - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4 (описан в разд. 2.7.1.3);
SM/C - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4, который может быть оборудован 2 интерфейс-
ными платами уровня STM-16 с возможностью обработки половины потока и с пропуском без
обработки другой половины потока STM-16;
SR - регенератор уровня STM-4 для работы с мультиплексорами 1651 SM;
SM - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1/4/16 серии Optinex с возможностью кросс-
коммутатора (емкостью 64x64 STM-1);
SM - полнофункциональный (16 STM-1) мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16;
SM/C - компактный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 (с трибами PDH нижнего уровня -
Е1), имеет мощные встроенные средства кросс-коммутации (доступ к 252 2 Мбит/с потокам);
SM - полнофункциональный (16 STM-1) мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 SDH, анало-
гичен 1661 SM, но оптимизирован для работы на 4-волоконных кольцевых магистралях;
SR - регенератор уровня STM-16 для работы с мультиплексорами 1661 SM;
SM - базовый мультиплексор ввода/вывода уровня STM-64 SDH, описан в табл. 2-2;
SM/C - компактный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-64 SDH;
SM - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-64 SDH серии Optinex (поддерживает все схемы
защиты и имеет возможность установки передатчика на 40 длин волн для работы с DWDM);
SM - 16192 SM - полнофункциональный мультиплексор ввода/вывода уровня ОС-192 SONET
(STM-64 SDH), поддерживает все схемы защиты и функцию "вывода с продолжением";
SL - линейная система передачи, рассчитанная на работу с потоком STM-4 SDH (4 триба PDH 140
Мбит/с или 4 триба SDH STM-1 или их комбинация);
SL - линейная система передачи, рассчитанная на работу с потоком STM-16 SDH (16 трибов PDH
140 Мбит/с или 4 триба SDH STM-1 или их комбинация);
SX - синхронный кросс-коммутатор (класса DXC-4/3/1) потоков 1,5/2, 34/45, 140, 155 и 622
Мбит/с с максимальной производительностью до 448 потоков STM-1 (описан в разд. 2.7.1.5);
RN - широкополосный синхронный кросс-коммутатор (класса DXC-4/4) потоков 140/155 Мбит/с и
максимальной емкостью до 256 STM-1 эквивалентных портов;
SX - электронный кросс-коммутатор потоков уровня 140 Мбит/с PDH или 155 Мбит/с SDH - по-
зволяет осуществить неблокируемую кросс-коммутацию до 512 потоков 140/155 Мбит/с;
SX - синхронный кросс-коммутатор потоков 140/155/622/2500 Мбит/с класса DXC-4/4 серии Opti-
nex и емкостью до 16384 STM-1 эквивалентных портов, совместим с 1644 RN;
LH- - радиорелейная (микроволновая) система для передачи сигнала 140 Мбит/с PDH (6-7 ГГц);
- радиорелейная система SDH, включающая следующие модификации: LH - система уровня
STM-1 (и 140 Мбит/с) с длинными межстанционными секциями; UH - система уровня STM-1
для работы в городских условиях; LM - система уровня ОС-1 для работы с сетями доступа; UM
- система уровня ОС-1 для работы в городских условиях;
TH - транспортная радиорелейная система уровня STM-1 (или 140, или 3x34 Мбит/с);
WM - транспортная система WDM серии Optinex, оперирующая на 40 длинах волн с потоками 2,5 и
10 Мбит/с с общей емкостью до 400 Гбит/с и дальностью передачи до 900 км;
WM - транспортная система WDM серии Optinex, оперирующая на 16 длинах волн с потоками 1,25;
2,5 и 10 Мбит/с с общей емкостью до 160 Гбит/с и дальностью передачи до 900 км;
WM - транспортная система WDM серии Optinex класса Metro, оперирующая на 32 длинах волн с
возможностью ввода/вывода до 8 оптических несущих и потоками 2,5 и 10 Мбит/с с общей ем-
костью до 320 Гбит/с;
LHT - терминал для оптических систем с длиной пролетов (до 600 км), использует оптический уси-
литель 1610 ОА и допускает передачу каналов ОС-48 (2,5 Гбит/с) или ОС-192 (10 Гбит/с) с об-
щей емкостью до 160 Гбит/с;
ОА - широкополосный (16 длин волн) оптический усилитель, позволяет увеличить расстояние ме-
жду регенераторами до 600 км;
OADM - оптический мультиплексор ввода/вывода, допускает использование до 40 каналов и увели-
чить емкость системы до 400 Гбит/с серии Optinex;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
143
1640 OR - реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода/вывода серии Optinex;
1650 ОХС -реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода/вывода (R-OADM) и оптический
кросс-коммутатор серии Optinex (допускает маршрутизацию оптических несущих);
1660 OR - реконфигурируемый оптический мультиплексор ввода/вывода серии Optinex;
1664 ОА - широкополосный оптический усилитель (1530-1565 нм), выходная мощность: 10/13/15 дБм;
1680 OGX - оптический шлюз-кросс-коммутатор серии Optinex (играет роль моста между оптическим
уровнем WDM со скоростью до 10 Гбит/с и уровнем SONET ОС-3, ОС1 и DS3);
1680 OGM - менеджер оптического шлюза-кросс-коммутатора серии Optinex;
1680 OLX - оптический кросс-коммутатор серии Optinex;
1353 ЕМ - элемент-менеджер систем SDH, позволяет одновременно обслуживать и системы PDH;
1353 RM - региональный менеджер систем SDH на уровне управления сетью (управляет 1353 SH);
1353 SH - менеджер элементов для систем SDH, рассчитан на работу со скоростями STM-1, 4, 16;
1353 WX - менеджер элементов для кросс-коммутаторов, рассчитанных на работу с трибами PDH/SDH;
1354 NN - менеджер национальной сети для систем передачи PDH и SDH (управляет 1354 RM);
1354 NP - кросс-коммутатор класса 4/4 и менеджер восстановления систем передачи SDH;
1354 RM/1 - кольцевой менеджер (для управления кольцами SDH и PDH).
ECI
Аппаратура SDH представлена сериями SYNCOM SDM-xx, SLX-xx., SLR-xx; LumiNet (DWDM,
OADM), XDM [55, 122, 407].
PSM-1
SDM-1
SDM-1C
SDM-4
SDM-4/16
SDM-16
SDM-64
SLR-4
SLR-16
SLX-4
SLX-16
DXC 4/3/1
T::DAX
XDM
SDH-Radio
- система связи (модем) между сетями SDH и PDH с полноформатным преобразованием сиг-
нала и возможностью организации связи двух сетей SDH через сегмент сети PDH;
- базовый мультиплексор уровня STM-1, может быть сконфигурирован как ТМ или ADM;
- компактный мультиплексор уровня STM-1 (32x2 Мбит/с, 2x34/45, 1x140);
- базовый мультиплексор уровня STM-4 (емкость до 288x2 Мбит/с), может быть сконфигури-
рован как ТМ или ADM;
- базовый мультиплексор уровня STM-16 (совмещен на уровне сменных блоков с STM-4), мо-
жет быть сконфигурирован как ТМ или ADM;
- базовый мультиплексор уровня STM-16 (емкость до 288x2 Мбит/с), может быть сконфигури-
рован как ТМ, ADM;
- базовый мультиплексор уровня STM-64 (реализован как 4xSTM-16 с мультиплексированием
с помощью WDM), может быть сконфигурирован как R, ТМ или ADM;
- синхронный линейный регенератор уровня STM-4;
- синхронный линейный регенератор уровня STM-16;
- синхронный линейный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4, трибы Е4/ТЗ и STM-1;
- синхронный линейный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 с трибами нижнего и
верхнего уровней (Е4/ТЗ и STM-1);
- А 4/3/1 (серия XDM) - широкополосный неблокирующий кросс-коммутатор класса DXC-
4/3/1, емкостью от 192 до 3072 эквивалентных STM-1;
- широкополосный кросс-коммутатор общего назначения класса DXC-4/3/1, поддерживающий
стандарты Async, PDH, SDH, SONET, допускающий максимально 64 интерфейса, эквивалент-
ных STM-1 (одинарная/двойная конфигурации - 1792/3584 портов 2 Мбит/с);
- многофункциональная платформа, объединяющая кросс-коммутатор класса DXC 4/3/1, муль-
типлексор ADM уровня STM-64 и мультиплексора DWDM;
- радиорелейные системы SDH уровня STM-1 и STM-4 (диапазон несущих 4-18 ГГц);
DWDM - региональная система WDM серии LumiNet (8/16/32/40 каналов с интерфейсами SDH/SONET
/PDH/ATM/FE), максимальная емкость системы до 400 Гбит/с;
OADM - оптический мультиплексор ввода/вывода серии LumiNet (реализует до 8 каналов вво-
еЕМ
eNM
eRMS
Г
да/вывода), работает с SDH и DWDM оборудованием ECI;
- элемент менеджер для управления оборудованием сетей SDH;
- сетевой менеджер для управления сетями SDH;
- система контроля и дистанционного мониторинга для подключения к центральным управ-
.ииошим рабочим станциям сети SDH.
Eritsun
« —Ipar фа SDH представлена сериями AXD-xx (ETNA) и ERION [406].
мультиплексор SDH уровня STM-1, допускает конфигурацию как ТМ, ADM, R (IR), DXC;
компактный мультиплексор SDH уровня STM-1, допускает конфигурацию как ТМ, ADM, R
. DXC, используется для установки в офисах клиентов;
144
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
AXD 416-2 - компактный одинарный/двойной/смешанный регенератор SDH уровней STM4/STM16;
AXD 620-2 - полнофункциональный мультиплексор SDH уровня STM-4, допускает конфигурацию как
ТМ, ADM,R (IR), DXC (16 портов), поддерживает защиту типа MSP, SNCP, MS SPRing;
AXD 2500-2 - базовый мультиплексор SDH уровня STM-16 с трибами 140/155 Мбит/с, допускает конфигу-
рацию как ТМ, ADM, R (IR), поддерживает защиту типа MSP, SNCP, MS SPRing;
AXD 620-2 - базовый полнофункциональный мультиплексор SDH уровня STM-4, допускает конфигура-
цию как ТМ, ADM, R (IR), DXC, поддерживает защиту' типа MSP, SNCP, MS SPRing;
AXD 4/1-2 - синхронный полнофункциональный кросс-коммутатор (все трибы PDH + STM-1+Video
Codec);
ERION Networker - модульная система WDM, позволяющая передавать 16/32 оптических несущих по 1 ОВ,
общая емкость системы 40/80 Гбит/с;
ETNA ЕМР - система управления транспортной сетью, позволяет управлять PDH и SDH сетями.
Fujitsu
Аппаратура SDH и WDM представлена сериями FLEXR, FLM, FLX, FRX, FSX, FWX, FLASH,
FLASHWave [408].
FLM150E - мультиплексор SDH уровня STM-1 с функцией TSA на уровне VC-12;
FLM600E - мультиплексор SDH уровня STM-4 с функцией TSA на уровне VC-4 (трибы 140/155 Мбит/с);
FLM2400E - мультиплексор SDH уровня STM-16 с функцией TSA на уровне VC-4 (трибы 140/155/600
Мбит/с);
FLASH 10G - базовый мультиплексор SDH уровня STM-64 с трибами 140/155/622/2500 Мбит/с, имеет
кросс-коммутатор со скоростью 40 Гбит/с, допускает конфигурацию как ТМ, ADM, R, поддер-
живает защиту типа SNCP, 2F/4F MS SPRing;
FLX150T - сдвоенный TRM на уровне STM-1, используется в FLX150/600, 600А, 2500А и FLX-4/4;
FLX150/600 - универсальный мультиплексор уровня STM-1,-4, способный осуществлять кросс-
коммутацию на уровне VC-12 на две линии уровня STM-1,-4;
FLX600A - универсальный мультиплексор уровня STM-4,-16 и кросс-коммутатор, способный осуществ-
лять кросс-коммутацию на уровне VC-12 на две линии уровня STM-1,-4 (имеет большую ем-
кость портов по сравнению с FLX150/600);
FLX2500A - мультиплексор уровня STM-16 с возможностью кросс-коммутации, способный работать как
TRM, REG, LM, ADM и концентратор, может использовать ОУ на длинных пролетах;
FLX2500A - мультиплексор уровня STM-16 с возможностью кросс-коммутации, способный работать как
TRM, REG, LM, ADM и концентратор, может использовать ОУ на длинных пролетах;
FLX-GS (10G) - универсальный мультиплексор уровня STM-64 с возможностью кросс-коммутации, способ-
ный работать как REG, LM, концентратор и DXC, способный осуществлять кросс-коммутацию
на уровне VC-4XC на две линии уровня STM-16,-64;
FLX-4/1 - узел кросс-коммутации на уровне STM-1, коммутирует VС-n на две линии уровня STM-1;
FLX-4/4 - узел кросс-коммутации на уровне STM-4, способный осуществлять коммутацию VC-4 на две
линии уровня STM-1 ,-4;
FSX2000 - узел доступа к сетям SDH, может использоваться как ADM уровня STM-1,-4 с функциями
центрального (точка-многоточка) терминала (СТ) для связи с удаленными терминалами (RT),
имеет интерфейсы V5.2 для связи с АТС;
FRX-nG - цифровая РРЛ для передачи потоков PDH (140 Мбит/с) и SDH уровня STM-1 с несущими в
диапазоне частот от 4 до 23 ГГц;
FWX - магистральная транспортная система WDM, позволяет передавать до 32 симплексных канала
данных по 1 ОВ со скоростью 622 Мбит/с или 2,5/10 Гбит/с (пропускная способность до 320
Гбит/с); поддерживает оптический терминал FWX TRM и линейные ОУ FWX ILA;
FLASHWave Metro - транспортная система WDM класса Метро, позволяет передавать от 4 до 8 дуплексных
каналов данных по 1 ОВ на расстояние до 60 км со скоростью 2,5 или 10 Пбит/с;
FLASHWave 320G - магистральная транспортная система WDM, позволяет передавать от 16 до 32 сим-
плексных канала данных по 1 GB на расстояние до 800 км без регенератора со скоростью 155,
622 Мбит/с или 2,5/10 Гбит/с (пропускная способность: 40 (мин) - 320 (макс) Гбит/с);
FLEXR-EC - инструментальные средства для систем управления уровня ЕМ и SNM на базе Windows для
поддержки FLM, FLX, FRX, FSX и FWX;
FLEXR-EM - система управление сетевыми элементами/узлами SDH/WDM - элемент-менеджер Fujitsu;
FLEXR-NM - система управления элементами/узлами SDH/WDM и сетью - сетевой-менеджер Fujitsu;
FLEXR-Plus - централизованный пакет ПО для систем управления уровня ЕМ и SNM на базе Unix для под-
держки FLM, FLX, FRX и FSX;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
145
Lucent Technologies
Аппаратура SDH представлена серией WaveStar (вместо старой серии 2000), серией WaveStar
PHASE (наследство Philips) мультиплексоров (ADM и ТМ), линейных регенераторов (LR) и систем WDM
(OLS) и серии Chromatics [277].
AM 1 ТМ 1 - одноплатный мультиплексор доступа SDH уровня STM-1 серии WaveStar (16/32x2 Мбит/с); - одноплатный терминальный мультиплексор доступа SDH уровня STM-1 серии WaveStar (16/32x2 Мбит/с);
ADM4/1 - полнофункциональный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-1/STM-4 серии WaveStar, с интерфейсами 2/34/140/155 Мбит/с (+ОС-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing;
ADM 16/1 - базовый полнофункциональный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 серии WaveStar, с интерфейсами 2/34/140/155 Мбит/с (+ОС-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing;
ADM 16/1 Compact - компактный мультиплексор ввода/вывода уровня STM-16 серии WaveStar, с интерфей-
ADM 64/1 сами 2/34/140/155 Мбит/с (+OC-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing; - базовый мультиплексор ввода/вывода уровня STM-64 серии WaveStar, с интерфейсами 140/155 Мбит/с (+ОС-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing;
TDM 2.5G - мультиплексор SONET ввода/вывода уровня ОС-48 серии WaveStar, с интерфейсами DS3, ЕС-1, ОС-3,-12 и схемой защиты BLSR, поддерживает функции TSA/TSI;
TDM 10G - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-64 серии WaveStar, с интерфейсами 140/155 Мбит/с (+ОС-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing, поддерживает функцию TSI;
TDM 40G - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-256 серии WaveStar, с интерфейсами 140/155 Мбит/с (+ОС-1) и схемами защиты MSP, SNCP и MS SPRing, поддерживает функцию TSI;
Bandwidth Manager - универсальная платформа, позволяющая гибко организовать интегрированный узел в
DDM2000 оптической среде передачи с функциями мультиплексирования (до уровня OC-48/STM-16) и кросс-коммутации (до 4608 STS-1/1536 STM-1); - серия мультиплексоров SONET уровней ОС-1, ОС-3 и ОС-12 с интерфейсами DS1, DS3, ЕС-
FT2000 ISM 1, ОС-3; взаимодействует с FT-2000; - мультиплексор SONET уровня ОС-48 с интерфейсами DS3, ЕС-1, ОС-3 и ОС-12; - базовый мультиплексор серии WaveStar, может быть сконфигурирован как ТМ, LR и ADM SDH уровня STM-1, как ТМ и ADM уровня STM-4 и как ТМ уровня STM-16;
R16 LXC-4/1 - компактный модульный мультиплексор серии WaveStar уровня STM-16 новой генерации; - неблокирующий кросс-коммутатор типа DXC-4/1 серии WaveStar PHASE, коммутирует VC- 17 .7 .4-
DACS 4/4/1 1 Z,, J, ’ ? - неблокирующий кросс-коммутатор вида DXC-4/4/1 серии WaveStar, имеет порты STM-О и STM-1, коммутирует VC-4/VC3; максимальная емкость 256/512 STM-1;
DACS-VI-2000- неблокирующий кросс-коммутатор общего вида класса DXC-4/1, допускающий максималь-
Nera NL290 OLS 40G но 32 интерфейса, эквивалентных STM-1; - цифровая РРЛ для передачи SDH потоков пх155 Мбит/с в диапазоне несущих 3,6-13,3 ГГц; - оптическая линейная транспортная DWDM система серии WaveStar, использующая до 16 длин волн (каждая для потоков ОС-3,-12,-48 и STM16) емкостью 40 Гбит/с с интерфейсами SONET/SDH, поддерживает функцию ввода/вывода длин волн (WAD);
OLS 80G - оптическая транспортная DWDM система серии WaveStar, использующая до 16 длин волн (каждая для потоков STM-1,-4,-16) емкостью 40 Гбит/с с интерфейсами SONET/SDH;
OLS 400G - оптическая линейная транспортная DWDM система серии WaveStar, использующая до 80 длин волн (каждая для потока STM-16) емкостью 200 Гбит/с или 40 длин волн (каждая для по- тока STM-64) емкостью 400 Гбит/с с интерфейсами SONET/SDH;
LambdaRouter - оптический маршрутизатор и неблокируемый кросс-коммутатор размера 256x256, позво-
М2000 ляющий оперировать потоками до 40 Гбит/с; - компактная оптическая система серии Chromatics, объединяющая оптический транспорт и
М2500 коммутацию пакетов, ячеек и TDM-сигналов, поддерживает функцию WAD (до 5 длин волн); - оптическая система серии Chromatics, объединяющая оптический транспорт и коммутацию
М4000/4500 пакетов IP, ячеек ATM и TDM-сигналов, играет роль мультиплексора WDM (до 32 длин волн); - оптические системы серии Chromatics для центрального офиса, объединяющие оптический
Metro View NMS транспорт и коммутацию пакетов IP и Ethrenet (10/100/1000 Мбит/с), ячеек ATM (емкость до 70 Гбит/с) и TDM-сигналов, поддерживают функции мультиплексора WDM (до 32 длин волн); - NMS для управления семейством систем Chromatics; - интегрированная система управления сетью SDH/DWDM серии WaveStar, имеет интерфейс- ный с ITM-SC;
ITM ITM-SC 10-48 - интегрированная система управления сетями SDH/WDM; - элемент-менеджер для управления оборудованием SDH сетей в составе ITM;
146
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
ITM-XM/NM- сетевой менеджер для управления сетями SDH в составе ITM.
Кроме указанного кросс-коммутатора LXC-4/1,серия WaveStar PHASE включает: ТМ-4/1, ТМ-16/4,
ADM-16/4, линейный регенератор LR-16 и другие устройства.
Marconi
Аппаратура SDH представлена сериями MSH, SL-xx, SMA-xx и SmartPhotoniX и SRT.
CellSpan - мультиплексор доступа потоков ячеек ATM в сеть SDH, позволяет упаковывать ячейки ATM
в контейнеры VC-12/3/4 для передачи по сети SDH в потоке STM-1;
Combiner - интегрированный кросс-коммутатор каналов 64 кбит/с, работающий на массиве 63x2 Мбит/с
каналов мультиплексора SDH уровня STM-1, имеет интерфейсы CAS, V5.1 и V5.2;
Extender (VC-TS) - компактная суб-STM-1 система для доставки 14x2 Мбит/с в офис пользователя (в виде
VC-12), наряду с интерфейсом 2 Мбит/с G.703, поддерживает Х.21 и интерфейсы ATM;
MSH11CP - компактный (одноплатный) мультиплексор доступа в сеть SDH уровня STM-1 с трибами
1,5/2/34/45 Мбит/с и кросс-коммутацией на уровне VC-1/2/3/4;
MSH41C - базовый мультиплексор SDH уровня STM-4, допускает интеграцию до 16 потоков STM-1 и
коммутацию на уровне контейнеров VC-4, поддерживает все современные схемы защиты;
MSH51C - базовый мультиплексор SDH уровня STM-16, допускает интеграцию до 32 потоков STM-1 и
коммутацию на уровне контейнеров VC-4, поддерживает все современные схемы защиты;
MSH53C - регенератор SDH уровня STM-16, допускает интеграцию с MSH51C для формирования двой-
ного регенератора потоков STM-16, пропуская 5 Мбит/с трафик по одному волокну;
MSH64 - базовый мультиплексор SDH уровня STM-64, допускает интеграцию до 128 потоков STM-1 и
работу в режимах ТМ, ADM, R, и DXC (коммутация на уровне контейнеров VC-4), поддержи-
вает все современные схемы защиты;
MSH63 - регенератор SDH уровня STM-64, допускает интеграцию с MSH64 для работы на большие
расстояния;
SMA-1 - базовый синхронный мультиплексор уровня STM-1, который может быть сконфигурирован
как терминальный или линейный мультиплексор, оптический концентратор или мультиплексор
ввода/вывода;
SMA-lc - компактный вариант базового терминального мультиплексора SMA-1;
SMA-4 - базовый синхронный мультиплексор уровня STM-4, который может быть сконфигурирован
. как терминальный или линейный мультиплексор, оптический концентратор или мультиплексор
ввода/вывода;
SMA-4c - компактный вариант базового терминального мультиплексора SMA-4;
SMA-16 - базовый синхронный мультиплексор уровня STM-16, который может быть сконфигурирован
как терминальный или линейный мультиплексор, или мультиплексор ввода/вывода;
SMA-16c - компактный вариант базового терминального мультиплексора SMA-16;
SL-4 - синхронный линейный мультиплексор уровня STM-4, который может быть сконфигурирован
как регенератор (SLR-4), терминальный мультиплексор (SLT-4) или линейный мультиплексор
ввода/вывода (SLA-4);
SL-16 - синхронный линейный мультиплексор уровня STM-16, который может быть сконфигуриро-
ван как регенератор (SLR-16), терминальный мультиплексор (SLT-16) или линейный мультип-
лексор (SL-16);
MSH80 - кросс-коммутатор SDH класса DXC-4/1 (коммутирует контейнеры VC-11/12/2/3/4), макси-
мальная коммутируемая емкость - 80 Гбит/с;
MSH90 - кросс-коммутатор SDH класса DXC-4/4 (коммутирует контейнеры VC-4/4Xc), максимальная
коммутируемая емкость - 80 Гбит/с;
SRA-1 - радиорелейная система передачи сигналов PDH уровня 140 Мбит/с и SDH уровня STM-1 (155
Мбит/с на 1 несущую), частоты несущих: 15, 18, 23 и 26 ГГц;
SRT-1C - радиорелейная система передачи сигналов SDH уровня STM-1 (155 Мбит/с на 1 несущую),
частоты несущих: 4, 5 и 11 ГГц;
SRA-1S - радиорелейная система передачи трафика SDH 21x2 Мбит/с, 34 и 51,84 Мбит/с, частоты не-
сущих: 13, 15, 18, 23 и 26 ГГц;
SRT-1S - радиорелейная система передачи трафика SDH 21x2 Мбит/с, 34 и 51,84 Мбит/с, частоты не-
сущих: 7 и 8 ГГц;
PLT16/PLA16/PLD16 - оптическая модульная (PLT - терминал, PLA - усилитель, PLD - мультиплексор вво-
да-вывода) система, конфигурируемая как система WDM-4/8/12/16 (2,5 или 10 Мбит/с на одну
длину волны), поддерживает схему защиты OSNCP;
PLT40/PLA40/PLD40 - оптическая модульная система, конфигурируемая как система WDM-40 или WDM-80
(40 или 80 каналов 2,5 или 10 Мбит/с на одну длину волны), поддерживает схемы защиты
OMSP или OSNCP;
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
147
РМА8 - реконфигурируемый оптический (на фотонном уровне) мультиплексор ввода-вывода, позво-
ляет передавать 8 каналов (2,5 Мбит/с) по одному волокну, поддерживает схему защиты
OSNCP;
РМА32 - оптический (на фотонном уровне) мультиплексор ввода-вывода, позволяет передавать 32 ка-
нала (2,5/10 Мбит/с) по одному волокну, поддерживает схему защиты OSNCP;
РМХ - оптическая (на фотонном уровне) система организации соединений через фотонный уровень,
поддерживает поток 32x2 Мбит/с и все оптические схемы защиты;
ЕМ-OS - элемент-менеджер регионального уровня для управления элементами оборудования SDH се-
тей, может работать совместно с менеджером сетевого управления MV-38;
MV-36 - элемент-менеджер сети SDH, может работать совместно с менеджером сетевого управления
MV-38;
MV-38 - сетевой менеджер SDH/WDM на базе Unix, может работать совместно с менеджерами MV-36
и ЕМ-OS, допустимый размер сети до 1000 сетевых элементов;
ServiceOn OverView 1000/1500/2000 - система управления сетями SDH (на базе Windows 95/98) типа NMS,
управляет одним (1000) или 32 (1500) кольцами SDH или осуществляет общее управления се-
тями SDH в режиме NT сервера (2000), используя протокол SNMP.
NEC
Аппаратура SDH представлена сериями 2000/3000, IMT, ITS, SMS, SpectralWave [409].
IMT-150 - компактный интеллектуальный мультиплексор SONET уровня ОС-3 (с функцией TSA) серии eLUMINANT в настенном исполнении емкостью 48DS1;
ITS-2400 - интеллектуальная транспортная система - мультиплексор SONET нового поколения уровня ОС-48 (трибы: DS3, ЕС-1, STM-1,-4, ОС-3,-12, емкостью 96/192 STS-1;
SMS-150 V - базовый мультиплексор уровня STM-1 с защитой 1+1, выпускаемый в четырех модификаци- ях: A (ADM), L (LM), R (REG), Т (ТМ);
SMS-150C - компактный одноплатный мультиплексор уровня STM-1 с защитой 1+1 (монтируется в стой- ке или на стене), имеет интерфейсы ввода/вывода 7x2 Мбит/с или 34/45 Мбит/с, поддерживает секции S-1.1 и L-1.1;
SMS-600 - базовый мультиплексор уровня STM-4 с защитой 1+1, выпускаемый в пяти модификациях А (ADM), R (REG), Т (ТМ), V (STM4/1), W (Wideband);
SMS-2500 - базовый мультиплексор уровня STM-16 с защитой 1+1, выпускаемый в пяти модификациях A (ADM), С (Compact), R (REG), R2 (Release 2), Т (ТМ);
SMS-1000 - базовый мультиплексор уровня STM-64 с защитой 1+1;
SpectralWave 40/80/160 - система DWDM для передачи до 40/80/160 несущих SONET/SDH уровня ОС-
48/192 общей емкостью 1,6 Тбит/с (разнос частот - 50 ГГц) или 80 несущих уровня STM-256 емкостью 3,2 Тбит/с с оптическими усилителями ввода/вывода (до 8 каналов) и оптической коммутацией (8x8);
SDH MRS - радиорелейная система передачи сигналов SDH уровня STM-1 или сигналов PDH 140 Мбит/с серии 2000 (несущие частоты: 6, 11, 18 ГГц, разнос каналов 30,40, 80 МГц);
SDH MRS - радиорелейная система передачи сигналов SONET/SDH уровня OC-3/STM-1 серии 3000 (не- сущие частоты: 4 - 13 ГГц, емкостью до 16 ОС-3;
FD-6 - оптическая система уровня DS2 для удлинения абонентских линий с сигналами уровня DS1 (28 сигналов - 7 DS1 х 4 DS2);
FiberS LAM - пассивная оптическая система (PON) абонентского доступа типа точка-многоточка, поддер- живает до 32 оптических терминалов доступа абонентов (ОАТ) с интерфейсами DS1/3, ОСЗ с общей емкостью 4,8 Гбит/с;
21GTX - система управления аварийными ситуациями, работает с оборудованием типа: аналоговые и
1 21SMX цифровые РРЛ, оптоволоконные активные и пассивные системы, мультиплексоры доступа и удлинители; - система управления типа TMN с поддержкой OSI для управления сетью SDH полной но- менклатуры элементов, включая РРЛ SDH NE на основе архитектуры "клиент-сервер";
ACTNET-X - система управления элементами оборудования сетей SDH;
EMS - система управления SONET/SDH и оптическим оборудованием (VISTA, ISC-303, IMT-150, FD-6);
EMS-100 - система управления сетевыми элементами типа ITS-2400A (до 1000 элементов).
Nokia
Аппаратура SDH представлена сериями Eksos и SYNFONET [58].
ю*
148
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Глава 2
Eksos В20/30- система доступа в сети SDH (12/24 первичных мультиплексоров ATM-ADSL, имеющих связь
с АТС, агрегатный выход - STM-1/S3);
Eksos N20 - система доступа в сети SDH (первичные концентраторы-мультиплексорз с интерфейсами 2
Мбит/с, ADSL, V5.1 и V5.2, имеющие связь с АТС, поддерживающие ISDN) с агрегатным вы-
ходом STM-1 и кросс-коммутацией на уровне 16/64 кбит/с;
SAN - узел доступа в сеть SDH - компактный мультиплексор SDH STM-1/4 с трибными интерфей-
сами 21x2 или 8x2 Мбит/с, или 34/45 Мбит/с (максимальная емкость 50x2 Мбит/с);
STM-1 - базовый мультиплексор уровня STM-1, конфигурируется как ТМ или ADM, число интерфей-
сов расширяется до 126x2 Мбит/с, есть матрица коммутации для сигналов 64 кбит/с;
STM-4 - базовый мультиплексор уровня STM-1/4, конфигурируется как ТМ, LM, R или ADM (может
использовать дуплексный режим или комбинацию 1310/1550 нм на одном волокне);
STM-16 - базовый мультиплексор уровня STM-16 (трибы 140 Мбит/с, STM-1E, STM-1,-4), конфигури-
руется как ТМ, LM, R или ADM;
DXC - ряд неблокируемых цифровых кросс-коммутаторов (коммутирующих на уровне VC-1/VC-4),
встраиваемых в мультиплексорные стойки с коммутирующим эквивалентом (16-120)xSTM-l;
STM-16/WDM- мультиплексор SDH/WDM для мультиплексирования 4/8/16 потоков SDH уровня STM-1,-
4,-16 общей емкостью 40 Гбит/с;
UltraHopper - РРЛ система для передачи STM-1 на длину короткой секции, несущие частоты: 18-38 ГГц;
NMS/10 - элемент-менеджер/узловой менеджер сети SDH (управляет до 100 STM-1/4 или 50 узлами
РРЛ);
NMS/100 - сетевой менеджер сети SDH/WDM (управляет мультиплексорами STM-16 и/или узлами
WDM);
NMS/1000 - сетевой менеджер сети SDH/WDM/PBX (управляет мультиплексорами STM-16 и/или узлами
WDM и РВХ);
TMS-OS - система управления элементами оборудования сетей SDH и PDH.
Nortel
Аппаратура SDH представлена сериями FiberWorld, OPTera Metro (в прошлом серия Express), RW,
PHASE, S/DMS, TN [410].
Access Multipexers
- FMT-150 - мультиплексор доступа с входными каналами: (1-3) DS3, 84 DS1 и 2016 DS0 (голосовые ка-
налы), трафик агрегируется в каналы 150 Мбит/с и могут подаваться на DMT-300;
- PDMX-E/EV - программируемый мультиплексор доступа с каналами: Е1 и Е2, HDSL, пх64 кбит/с (АТС),
ISDN BRI/PRI, V5.1, V5.2 и выходным агрегатным каналом STM-1;
- TN-IDMX - мультиплексор доступа с интеграцией сервиса: каналы 64 кбит/с (АТС) или ISDN BRI на
входе - STM-1 на выходе (общая емкость 8x2 Мбит/с + 34/45 Мбит/с);
OPTera Metro Series:
- OPTera Metro 3100 - мультисервисная платформа (голос/данные) - компактный мультиплексор доступа
SONET уровня ОС-3 (оперирует трибами DS1/DS3/STS-1/EC-1/OC-3) в стоечном исполнении;
- OPTera Metro 3300/3400 - мультисервисные платформы (голос/данные) - компактный мультиплексор
SONET уровня ОС-3/12, оперирует трибами: 84 DS1//12 STS-1/ЕС-1//12 DS3//4 DS3/VT//5 ОС-
l(p)/OS-3(p)//3 ОС-12(р), используется для центрального офиса или как оборудование клиента;
- OPTera Metro 3500 - мультисервисная платформа - компактный масштабируемый мультиплексор SONET
уровня ОС-12/48 с DWDM, широкий набор сервисов: TDM, ATM, TCP/IP, используется для
центрального офиса или как оборудование клиента;
- OPTera Metro 4100/4200 (бывшие TN-4XE/TN-16XE) - мультисервисные платформы с компактным муль-
типлексором SDH уровня STM-4/16, используется как ТМ, хаб, R, DXC или ADM с большой
плотностью портов в качестве оборудования в офисе у клиента или как наружный шкаф;
- OPTera Metro 5100/5200 (бывшие OPTera Metro 20/80) - мультисервисные платформы с сервисом откры-
той масштабируемой оптической транспортной платформы на основе DWDM, оснащенной
универсальным оптическим интерфейсом (UOI), обслуживающим все сервисы (32 защищен-
ных и 64 незащищенных соединения);
S/DMS Series:
- S/DMS - транспортные узлы SONET уровня ОС-3,-12,-48,-192, две старших модели могут быть ис-
пользованы совместно с системой DWDM компании Nortel (32 несущих) для формирования
интегрированного транспортного узла с пропускной способностью до 160/320 Гбит/с;
TN Series:
- TN-1C - компактный мультиплексор ADM уровня STM-1 (16x2 Мбит/с или 34/45 Мбит/с);
- TN-1P - портативный терминальный мультиплексор уровня STM-1 (4 порта 2 Мбит/с);
Глава 2
Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH
149
- TN-1S - компактный мультиплексор ADM уровня STM-1 (16x2 Мбит/с) наружного использования;
- TN-1X - базовый мультиплексор уровня STM-1 (конфигурируется как ТМ, LM, R или ADM);
. TN-4X - базовый мультиплексор уровня STM-4 (ТМ, LM, R или ADM), трибы: 2/34/45/140, STM-1/1E,
максимальная емкость: 168/502x2 Мбит/с, защита SNCP;
- TN-16X - базовый мультиплексор уровня STM-16 (ТМ, LM, R или ADM), трибы: 34/140, STM-1/1E,
STM-4, максимальная емкость: 16xSTM-l, защита SNCP, MS Spring (2F/4F);
- TN-64X - базовый мультиплексор уровня STM-64 (ТМ, LM, R или ADM), трибы: 34/140, STM-1/1E,
STM-4, максимальная емкость: 20xSTM-l,-4, 8xSTM-16, карта WDM (с возможностью органи-
зации 8 несущих), защита SNCP, MS Spring (2F/4F), максимальный трафик до 80 Гбит/с;
- TN-40X/1 - кросс-коммутатор класса DXC 4/1 или 4/4, коммутирует VCI/2/3/4, максимальная емкость
200 Гбит/с (DXC 4/1) или (192-1550)х STM-1, режим 4/4 используется для схем с защитой;
WDM & Optical Series:
- OPTera LH 1600 - линейная транспортная система, допускающая сверхдлинную секцию для передачи сиг-
налов STM-4/16/64 на 160 длинах волн (максимальная емкость до 1,6 Тбит/с);
- OPTera LH 4000 (бывшая OPTera Ultra) - линейная транспортная система, допускающая организацию
сверхдлинной секции (4000 км с пролетами до 400 км) для передачи сигналов STM-4/16/64 на
160 длинах волн (максимальная емкость до 1,6 Тбит/с);
- OPTera Connect РХ - полностью оптический (фотонный) кросс-коммутатор мультитерабитного класса, ис-
пользующий коммутацию по длинам волн, может работать в паре с OPTera Connect HDX для
оптической (по длинам волн) сортировки виртуальных контейнеров (lambda grooming);
- OPTera Metro 2400 - открытая прямой видимости оптическая система для создания воздушной ячеистой
сети без несущей с интерфейсами ОС-Зс/STM-l или OC-12c/STM-4 и размером ячейки 200-500
м (от здания до здания), не требующей разрешения на использование РРЛ; 4 сегмента сетевой
ячейки формируются 4 сдвоенными антеннами -"тарелками" (12" в диаметре);
Radio Х/40 - РРЛ система серии FiberWorld (Х=4, 5, 6) для передачи 2x140/155 Мбит/с (PDH/SDH) на 1
канал (всего до 7 каналов) или STM-4 на одну секцию излучателей (несущие: 4, 5, 6 МГГц);
RW Series Н - РРЛ система для передачи уна скоростях DS3 или ОС-3 различного сервиса (IP, ATM, VPN) в
диапазоне частот: 18-38 ГГц (ANSI и ETSI модели);
RW Series М- РРЛ система для передачи на скоростях DS1 (4) или DS-3 (1) различного сервиса (IP, ATM,
VPN) в диапазоне частот: 18-38 ГГц (ANSI и ETSI модели);
TN X/30 Radio - РРЛ система (Х=6, 7, 8 и 11) для передачи 140/155 Мбит/с (PDH/SDH) на 1 канал (несущие:
6, 7, 8 и 11 МГГц);
TN-MS - система управления элементами оборудования сетей SDH;
INM - интегрированная система управления сетями SDH/WDM;
PHAMOS-SDH - усовершенствованная система управления и администрирования элементов SDH сетей, ис-
пользуется как региональный элемент-менеджер, так и национальный сетевой менеджер.
Siemens
Аппаратура SDH представлена сериями: SL, SLD, SMA, SXC, SXD, TransExpress [256, 411].
SL-1 - линейная система SDH уровня STM-1: мультиплексоры типа R, ТМ или ADM;
SL-4 - синхронный мультиплексор уровня STM-4, конфигурируется как R, ТМ или ADM;
SL-16 - синхронный мультиплексор уровня STM-16, конфигурируется как R, ТМ или ADM;
SL-64 - мультиплексор уровня STM-64 серии TransExpress (трибы 140 M6ht/c/STM-1E/STM-1/4/16),
конфигурируется как R, ТМ, ADM, поддерживает зашиты MSP, SNCP и MS SPRing, может ра-
ботать на системы WDM/DWDM, формируя системы с емкостью 80/160/320/640 Гбит/с;
SLD-16 Series 2 - синхронный мультиплексор уровня STM-16, конфигурируется как R, ТМ или ADM, имеет
матрицу кросс-коммутации емкостью 64xSTM-l и совместим с системами WDM/DWDM;
SMA1K - компактный мультиплексор уровня STM-1 (емкость 63x2 + 34 Мбит/с), конфигурируется как
ТМ, ADM, поддерживает защиту MSP и SNCP;
SMA1K-CP - одноплатный мультиплексор уровня STM-1 (емкость 12x2 + 34 Мбит/с), конфигурируется
как ТМ, ADM, поддерживает защиту MSP и SNCP, устанавливается в офисе клиента;
SMA-1 - базовый мультиплексор уровня STM-1 серии TransExpress, полный набор трибов, конфигу-
рируется как ТМ, ADM, расширяется до STM-4, поддерживает схемы защиты SNCP, BSHR;
SMA-4 - базовый блочный мультиплексор уровня STM-4 серии TransExpress, полный набор трибов,
конфигурируется как ТМ, ADM, поддерживает схемы защиты SNCP, BSHR;
SMA-16 - базовый блочный мультиплексор уровня STM-16 серии TransExpress, использует полный на-
бор трибов, конфигурируется как ТМ, LXC или ADM, поддерживает все схемы защиты + "вы-
вод с продолжением";
SMT-1D - двухтерминальный синхронный мультиплексор 2-го поколения уровня STM-1, конфигуриру-
ется как ТМ, концентратор или ADM;
150 Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи Г лава 2
SXA - кросс-коммутатор SDH класса DXC 4/1, работает с потоками STM-1/4/16 на уровне VC-1 и
выше, поддерживает все схемы защиты;
SXC-4/1 - модульный кросс-коммутатор, коммутация без блокировки PDH (Е1, ЕЗ, Е4) и SDH (STM-1)
сигналов с максимальной нагрузкой до 16384 портов (2 Мбит/с), старое обозначение - ССМ2;
SXC-4/4 - модульный кросс-коммутатор, коммутация без блокировки PDH (Е4) и SDH (STM-1) сигна-
лов с максимальной нагрузкой до 1024 портов (140/155 Мбит/с), старое обозначение - СС155;
SXD Series 3 - кросс-коммутатор SDH класса DXC 4/4, работает с потоками STM-1/4/16/64 на уровне VC-4,
поддерживает все схемы защиты и работу с DWDM;
SRA - РРЛ серии TransExpress для передачи потоков 21x2/34/140 Мбит/с, STM-1E, STM-1, частоты
несущих: 13, 15, 18, 23, 26 ГГц;
SRT1C/1S - синхронный радио транк для передачи SDH потоков 21x2/34/140 Мбит/с, STM-1E, STM-1,
ОС-1 (STM-0) частоты несущих: 4 -13 ГГц;
SRT2xl55 - сдвоенный синхронный радиотранк для передачи SDH STM-1 каналов общей емкостью от
2x4 до 2x12 каналов;
Infinity MTS - система DWDM для передачи трафика емкостью до 40/80/160/320 (в будущем 80x40 и
160x10) Гбит/с на расстояние до 10000 км;
Infinity WLS - система DWDM для передачи трафика емкостью до 40/80/160/320 Гбит/с;
Infinity WL - 8/16/48-канальная система WDM, интегрируемая с SDH уровня STM-16 (8/16/48) или STM-64
(8/16), что обеспечивает максимальную емкость системы от 20 до 160 Мбит/с;
TransXpress WaveLine - 4/8/16/32-канальная DWDM система класса Metro для передачи на расстояние до 100
м потоков от 50 до 2500 Мбит/с с различными интерфейсами (см. табл. 11-5);
OSN - фотонный полнофункциональный узел, позволяет осуществлять оптическое мультиплек-
сирование, оптическую кросс-коммутацию, защитное переключение и удлинение тракта;
ЕМ-OS - элемент менеджер регионального уровня для управления элементами SDH сетей;
ENMS - система сетевого управления с графическим оконным интефейсом и интегрированным об-
служиванием сетевых элементов PDH, SDH, WDM и мультиплексоры доступа;
SMN-OS - сетевой менеджер национального уровня для управления сетями SDH;
TMNS - система управления транспортной сетью, допускает использование сетевых элементов с тех-
нологиями IP, SDH, WDM и фотонными технологиями, использует интерфейсы CORBA IDL
2.0 и многопользовательский интерфейс NML-EML.
Заключение
Подводя итог сказанному о технологии SDH, можно констатировать, что в использующих ее сис-
темах устраняются практически все недостатки PDH. Системы SDH позволяют:
- использовать в качестве входных большинство (кроме DS0 и Е2) основных каналов доступа
(трибов), используемых в PDH и SONET;
- определять положение любого стандартного канала доступа (триба), инкапсулированного в со-
ответствующий виртуальный контейнер, транспортируемый модулем STM-1, а также осущест-
влять его ввод/вывод в/из транспортного потока модулей STM-N без необходимости его сбор-
ки/разборки, в отличие от того, как это делалось в PDH;
- использовать эффективную систему маршрутизации, позволяющую автоматически управлять
движением контейнеров между пунктами назначения;
- повысить надежность передачи не только за счет использования оптических линий передачи,
но и путем создания канала защиты по одной из рассмотренных схем, с автоматическим пере-
ключением на него (за минимальное время) при выходе из строя основного канала или путем
обхода поврежденного узла сети;
- организовать в заголовке фрейма служебные каналы с развитой системой сигнализации;
- использовать байт S1 заголовка SOH для передачи статуса синхронизации и принимать на его
основе решения об использовании оптимального в данной ситуации источника синхронизации;
- использовать инкапсуляцию ячеек ATM для передачи трафика ATM через сети SDH;
- использовать новую структуру фреймов SDH для передачи трафика SDH по сетям PDH, орга-
низуя тем самым более гибкое (двустороннее) взаимодействие сетей PDH и SDH.
Глава 3
Технология SONET
151
Глава 3
Технология SONET
Введение
Мы уже упоминали технологию SONET в разд. 2.1 при обсуждении развития технологии
SDH для синхронных сетей. Одним из основных побудительных мотивов разработки новой техно-
логии, подчеркнутых в этом разделе, было устранение недостатков технологии PDH. Сама же тех-
нология SONET нас интересовала только в контексте разработки (на совместимой основе) техно-
логии SDH. Вместе с тем SONET естественно рассматривать и самостоятельно, как технологию
второго поколения цифровых синхронных транспортных систем, пришедших на смену техноло-
гии первого поколения PCM Т1.
Хотя технология SONET и не используется в Европе и России, ее терминология, обозначе-
ния для синхронных транспортных сигналов СТС (STS) и структура иерархии оптических не-
сущих ОН (ОС) очень широко используется в спецификации интерфейсов различных коммути-
рующих и мультиплексорных устройств и должны быть понятны инженерам, эксплуатирующим
эти устройства. Инженерам проектировщикам сетей SDH сведения о родственной технологии
SONET позволят лучше понять особенности технологии SDH. Специалистам в области глобаль-
ных и локальных сетей этот материал поможет разобраться в возможностях упаковки пакетов
ATM и IP в фреймы SONET при использования физического уровня последней для переноса тра-
фика ATM и IP по синхронным сетям, используя технологии ATM Over SONET (AoS или
AoSONET) и IP Over SONET (IPoS или IPoSONET).
Технология SONET исторически развивалась на основе результатов разработки проекта
Metrobus, осуществленного компанией AT&T (Bell Labs) в начале 80-х годов с целью создания
скоростной транспортной сети в метро (со скоростью передачи порядка 150 Мбит/с). Такая ско-
рость позволяла не только передавать голос, данные и сигналы кодеков видеоконференцсвязи, но
и сжатые сигналы телевидения высокой четкости (HDTV). Технология Metrobus имела ряд при-
влекательных особенностей, которые были использованы при разработке SONET, основные из
них следующие [207]:
- мультиплексирование/демультиплексирование сигнала за один этап;
- синхронный метод передачи;
- увеличенный заголовок для расширения возможностей системы управления сетью;
- непосредственный доступ к сигналам низкого уровня (трибам), используемым в схеме мульти-
плексирования;
- возможность маршрутизации по схеме “точка-многоточка”;
- использование оптической среды передачи, позволяющей расширить полосу пропускания.
3.1. Синхронная цифровая иерархия SONET
Первый вариант SONET, представленный в ANSI в начале 80-х годов, предполагал использование
базовой скорости передачи STS-1 50,688 Мбит/с с фреймом формата 3 строки на 264 однобайто-
вых столбцов и частотой повторения 8000 герц (период 125 мкс), что и давало указанную ско-
рость: 3x8x264x8000=50,688 Мбит/с. Эта скорость передачи определялась тем, что она (будучи
результатом развития иерархии PDH: Т1-Т2-ТЗ, с максимальной скоростью Т3=44,736 Мбит/с)
должна была обеспечить инкапсуляцию этого потока в поле рабочей нагрузки фрейма SONET.
При этом предполагалось, что остальные скорости иерархического ряда должны быть целократ-
ными базовой скорости, т.е. иерархический ряд строился по закону арифметической прогрессии. В
1984 г. и 1986 г. были предложены дальнейшие модификации технологии SONET.
152
Технология SONET
Глава 3
Как указано в гл. 2, впоследствии базовая скорость передачи STS-1 SONET была согласо-
вана с базовой скоростью STM-1 SDH и принята равной 51,84 Мбит/с (3x51,84=155,52 Мбит/с).
Синхронная цифровая иерархия SONET при этом приняла вид, который можно описать форму-
лой: ОС-п = п*ОС-1 или STS-n = n*STS-l.
Структура базового фрейма SONET (STS-1) при этом стала больше похожа на структуру
фрейма SDH: 9 строк на 90 однобайтных столбцов (см. рис. 3-1), из которых три столбца исполь-
зуются под заголовки, остальные 87 столбцов формально считаются рабочей нагрузкой, а точнее
для нее используется специальный термин - оболочка синхронной полезной нагрузки (SPE)
фрейма SONET. Один столбец SPE также используется под заголовок, так что собственно под по-
лезную нагрузку пользователя остается 86 столбцов или 774 байта (86*9=774). Это позволяет ин-
капсулировать потоки со скоростями до 49,536 Мбит/с (774*8*8000=49536000).
SPE можно представить в виде: SPE = STS-1 РОН + SPE PL = (9x1) + (9x86), где STS-1
РОН - матрица-столбец маршрутного заголовка (9x1), a SPE PL - собственно поле полезной на-
грузки размером (9x86).
Ясно, что в эту полезную нагрузку не укладывается скорость триба Е4 (140 Мбит/с) ЕС
иерархии PDH и скорость JT4 (98 Мбит/с) ЯС иерархии PDH. Вместе с тем, несмотря на формаль-
ную возможность аккомодации остальных трибов всех трех иерархий, например, JT3 (32 Мбит/с),
Е2 (8 Мбит/с) и ЕЗ (34 Мбит/с), типичным набором трибов, отображаемых на поле полезной на-
грузки SONET, являются:
- DS1 (Т1 - 1544 кбит/с) - АС и ЯС иерархий PDH;
- СЕРТ1 (Е1 - 2048 кбит/с) - ЕС иерархии PDH;
- DS1C (3152 кбит/с) - АС иерархии PDH;
- DS2 (Т2 - 6312 гбит/с) - АС и ЯС иерархий PDH;
- DS3 (ТЗ - 44,736 Мбит/с) - АС иерархии PDH.
Триб Е4 фактически включается в расширенную схему мультиплексирования SONET (см.
рис. 3-4) и погружается не в SPE, а в SPE-Зс, которая затем инкапсулируется во фрейм STS-3.
9 строк
3 байта
90 байт
87 байт
Заголовок секции Заголовок пути Полезная нагрузка
Заголовок линии
90 байт,
125 мкс
Рис. 3-1. Структура фрейма STS-1
Первые системы SONET, как и SDH, начали функционировать в начале 90-х годов.
3 .1.1. Уровни иерархии SONET
Разработанная структура уровней SONET оказалась очень плотной, так что не все уровни были
реализованы аппаратно в мультиплексорном оборудовании SONET. На данный момент реализо-
ваны: ОС-1, 3, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 96, 192, 768. Однако это не означает, что конкретный мультип-
лексор SONET все их поддерживает. Первые два уровня реализуются как для электрической, так и
оптической ветви SONET, остальные - только для оптической (однако обозначения типа STS-n
используются в схемах мультиплексирования и часто используются как эквиваленты ОС-п).
Глава 3
Технология SONET
153
Часть уровней ОС-п для всех п=3*т, где ni=4p, а /?=0,1,2,3,4, совпадает с уровнями т ие-
рархии SDH. Другими словами существует соответствие уровней двух иерархий, показанное в
табл. 3-1:
Таблица 3-1
SONET-оптический ОСИ ОС-3 ОС-12 ОС-48 ОС-192 ОС-768
SONET-электрический STS-1 STS-3 — — — —
SDH STM-0 STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 STM-256
Скорость, Мбит/с 51,84 155,520 622,080 2488,320 9953,280 39813,120
Эти уровни SONET используются наиболее широко, обеспечивая определенную совмес-
тимость аппаратуры SONET и SDH. Однако в странах, использующих только иерархию SONET
(например, в США) широко используются следующие уровни, приведенные в табл. 3-2 (для
справки даны эквивалентные числа транспортируемых каналов :ТЗ (DS-3), TI (DS-I), OLJK(DS-O)).
Таблица 3-2
SONET ОС-1 ОС-3 ОС-9 ОС-12 ОС-18 ОС-24 ОС-36 ОС-48 ОС-96 ОС-192 ОС-384 ОС-768
Мбит/с 51,84 155,52 466,56 622,08 933,12 1244,16 1866,24 2488,32 4976,64 9953,28 19906,56 39813,12
#DS-0 672 2016 6048 8064 12096 16128 24192 32256 64512 129024 258048 516096
# DS-1 28 84 252 336 504 672 1008 1344 2688 5376 10752 21504
#DS-3 1 3 9 12 18 24 36 48 96 192 384 768
Из табл. 3-2 видно, что номер уровня SONET в точности соответствует числу эквивалент-
ных каналов DS-3, которые могут быть отображены на полезную нагрузку соответствующего
фрейма SONET.
3 .1.2. Стандарты SONET
Архитектура и процедура обработки сигналов SONET основана на стандартах, разработанных
ANSI, ESCA и Bellcore [36, 39-42, I20, 208-2I0, 366-371]. Кроме того, учитывая взаимосвязь
SONET и SDH, к ним, хотя и в разной степени, относятся также стандарты серии G.700-707, раз-
работанные ITU-T для SDH [13-16].
В соответствии с указанными стандартами технология SONET, как и технологии TI и
SDH, оперирует только на физическом уровне модели OSI в отличие, например, от других локаль-
ных и глобальных технологий. SONET/SDH имеет, однако, свою многоуровневую модель взаимо-
действия, описанную ниже. Используя физический уровень, SONET, как и SDH, может быть ис-
пользована для создания транспортной сети, например, для передачи трафика ATM и IP.
Кроме того, в соответствии с теми же стандартами технология SONET была расчитана на
использование ВОК (см. табл.З-I): первоначально ММ-волокна, а затем и ОМ-волокна (преиму-
щества его использования подробно рассмотрены в гл. 9). Однако это не означает, что нижние
уровни SONET (ОС-I и ОС-3) не могут использовать другие среды для передачи сигнала. Ими мо-
гут быть медные кабели, витая пара или радиоэфир.
3.2. Схема мультиплексирования и формирование фрейма
SONET
Мы уже отмечали, что фрейм SONET (аналогично SDH) представлен логически в виде двумерной
структуры (матрицы) 9 строк на 90 столбцов (см. рис. 3-1). Физически же (при передаче) он разво-
рачивается в одномерный кадр длиной 810 байт или 6480 бит. Развертка фрейма в кадр (как и в
154
Технология SONET
Глава 3
SDH) осуществляется построчно, с первого байта верхней (первой) строки фрейма, который явля-
ется флагом кадровой последовательности, до последнего байта нижней (девятой) строки.
Структура фрейма SONET отличается от структуры фрейма SDH не только размером, но и
числом и расположением полей заголовков. Этих заголовков три: секционный, линейный и мар-
шрутный. Вместе они занимают поле 36 байт формата 9 (строк)*4 (столбца).
• Секционный заголовок логически имеет вид матрицы 3*3 = 9 байт и соответствует заголовку
регенераторной секции в SDH (см. разд. 2.2.9).
• Линейный заголовок имеет вид матрицы 6*3 = 18 байт и соответствует заголовку мультип-
лексной секции в SDH.
• Маршрутный (или, по аналогии с SDH, трактовый) заголовок имеет вид матрицы 9*1 = 9 байт
и формально включается в полезную нагрузку STS-1, соответствуя аналогичному заголовку
VC-4 в структуре фрейма STM-1 технологии SDH. Поле указателя административного блока
AU-4, фигурирующее в SDH здесь отсутствует, как и само понятие административного блока.
Как указывалось выше, собственно полезная нагрузка, имеющая вид матрицы 9*86 = 774
байта (за вычетом маршрутного заголовка), позволяет осуществлять передачу на скорости 49,536
Мбит/с (774x8x8000=49,536) и отображать трибы DS3 (ТЗ), имеющие скорость 44,736 Мбит/с.
Однако она не позволяет отображать трибы PDH верхнего уровня. Для того, чтобы иметь возмож-
ность отобразить триб Е4 (140 Мбит/с) приходится использовать конкатенацию трех фреймов
STS-1 (фактически конкатенацию SPE, формируя SPE-Зс), не предусмотренную первоначальным
стандартом SONET, но позволяющую формировать сигнал STS-3 (см. рис. 3-4), соответствующий
модулю STM-1 в технологии SDH (3x51.84=155.52 Мбит/с). В настоящее время стандарт SONET
позволяет (с различной степенью эффективности) отображать все стандартные трибы PDH всех
трех систем иерархий PDH.
Как и в SDH, здесь также используются два режима отображения полезной нагрузки на
поле фрейма: фиксированный и плавающий. При плавающем режиме используются указатели,
определяющие позицию первого байта полезной нагрузки. Указатели располагаются в поле ли-
нейного заголовка. В целом указанные заголовки несут следующую функциональную нагрузку:
- секционный заголовок - содержит идентификатор (флаг) начала сигнала STS-1 (выполняет
функцию фрейминга - синхронизации фрейма), осуществляет контроль ошибок, используется
для служебной связи и передачи сигналов аварийного состояния;
- линейный заголовок - содержит указатели положения полезной нагрузки, осуществляет кон-
троль ошибок, используется для служебной связи, диагностики, мониторинга состояния систе-
мы и передачи сигналов аварийного состояния;
- маршрутный заголовок - осуществляет проверку правильности маршрута, типа оборудования
и типа полезной нагрузки, а также осуществляет контроль ошибок.
Рассмотрим первоначально упрощенный вариант схемы мультиплексирования сигналов в
процессе формирования STS-1 в технологии SONET. Она может быть осуществлена, например,
двумя путями, как показано на рис. 3-2 и рис. 3-3.
Вх.: 24 DSOs Вх.: 7 DS2s Вх.: 1 DS3
Вых.: 1 DS1 Вых.: 1 DS3 Вых.: 1 STS-1
Скорость = п х 51,84 Мбит/с
или п х 155,52 Мбит/с
Рис. 3-2. Мультиплексирование сигнала STS-1 по схеме PDH с сервисным адаптером
Глава 3
Технология SONET
155
В схеме на рис. 3-2 на первом этапе используется стандартная схема формирования трибов
PDH иерархии. Сначала мультиплексируются 4 сигнала DS1 (Т1), образуя на выходе DS2 (Т2), за-
тем мультиплексируются 7 сигналов DS2 (Т2), образуя на выходе DS3 (ТЗ). На втором этапе сиг-
нал DS3 с помощью сервисного адаптера SONET SA преобразуется в сигнал STS-1. На тетьем
этапе несколько (я) таких сигналов могут мультиплексироваться для образования сигнала STS-n,
который преобразуется окончательно в ОС-п.
Вх.: 24 DSOs Вх.: DS1s (т.е. 28 VT1,5s) Скорость = п х 51,84 Мбит/с
Вых.: 1 Ds1 Вых.: 1 STS-1 или п х 155,52 Мбит/с
Рис. 3-3. Мультиплексирование сигнала STS-1 с формированием виртуальных трибов
В схеме, приведенной на рис. 3-3 стандартная процедура формирования трибов PDH ие-
рархии не используется. На первом этапе с помощью сервисного адаптер SA входы (например, 28
сигналов DS1, или Т1) преобразуются в виртуальные трибы VT (аналог виртуальных контейне-
ров в SDH), которые мультиплексируются, образуя на выходе сигнал STS-1. На втором этапе не-
сколько (я) таких сигналов могут мультиплексироваться для образования сигнала STS-n, который
преобразуется окончательно в несущую ОС-n. Ниже указанная схема формирования будет рас-
смотрена более подробно.
3.2.1. Методы формирования полезной нагрузки фреймов SONET
Обе частные схемы мультиплексирования, а также процедура конкатенации, описанные выше, ис-
пользуются в расширенной схеме мультиплексирования (формирования полезной нагрузки в
SONET), допускающей на входе шесть различныхтрибов DS1, El, DS1C, DS2, DS3 и Е4. Эта схе-
ма приведена на рис. 3-4.
Рис. 3-4. Расширенная схема мультиплексирования фреймов SONET
156
Технология SONET
Глава 3
По схеме обработке, все трибы можно разбить на три группы. Четыре триба: DS1, Е1,
DS1 С, DS2 относятся к первой группе каналов доступа, триб DS3 - ко второй, триб Е4 - к третьей.
Трибы первой группы на первом этапе преобразуются сервисным адаптером в виртуаль-
ные трибы VT-1,5; VT-2; VT-3 и VT-6 соответственно, по одной йз схем преобразования, завися-
щей от типа входного триба. На втором этапе эти виртуальные трибы мультиплексируются в
группы виртуальных трибов VTG с коэффициентами мультиплексирования, зависящими от типа
VT, так, чтобы на выходе VTG сформировался единый фрейм 6,912 Мбит/с. Семь таких фреймов
далее мультиплексируются и погружаются в оболочку SPE, которая затем инкапсулируется во
фрейм STS-1.
Триб второй группы DS3 с помощью сервисного адаптера (в отличие от предыдущего слу-
чая) сразу погружается в SPE, а затем инкапсулируется во фрейм STS-1.
Триб третьей группы Е4, в силу своего размера, не может уместиться в SPE, поэтому сер-
висный адаптер готовит для него оболочку большего размера SPE-Зе путем соединения (конкате-
нации) трех SPE. Далее Е4 погружается в SPE-Зе, а затем инкапсулируется во фрейм STS-3
третьего уровня иерархии SONET.
Полученные сигналы, соответсвующие фреймам STS-1 и STS-3, затем преобразуются из
электрической формы (STS-1E, STS-ЗЕ) в оптические несущие ОС-I (STS-10) и ОС-3 (STS-30).
На рис. 3-4 приведены также некоторые схемы формирования фреймов STS-n, начиная с
STS-3. Схемы их формирования различны. Так, фрейм STS-3 формируется по схеме байт-
мультиплексирования трех фреймов SPE. Последующие фреймы формируются по схеме мультип-
лексирования либо фреймов STS-1 (как, например, фрейм STS-9), либо фреймов STS-1 или STS-3
(как фрейм STS-12: одноэтапная процедура мультиплексирования использует STS-I, двухэтапная -
STS-1 и STS-3). Фреймы других уровней иерархии SONET формируются на основе различных
возможных схем. Например, фреймы уровней, совместимых с соответствующими уровнями SDH
(STS-48, STS-192 и STS-768), формируются на основе фрейма STS-I2 по схеме мультиплексиро-
вания с коэффициентом 4 и байт-интерливингом: STS-12 -> STS-48 -> STS-192 -> STS-768.
3.2.1.1. Схемы формирования виртуальных трибов
Схемы формирования виртуальных трибов VT зависят от типов трибов. Рассмотрим их кратко и
приведем параметры VT-n.
Виртуальный триб VT-1,5
Трибы DS1 (Т1 - 1544 кбит/с) со входа канала доступа, имеющие формат биполярного ко-
да (BI), преобразуются на первом этапе в формат униполярного кода (UNI). На втором этапе к ним
добавляются биты флагов и буферные биты, что увеличивает скорость до 1648 кбит/с. На третьем
этапе добавляется заголовок виртуального триба VT-1,5 ОН, увеличивая скорость до 1728 кбит/с.
В результате мультиплексирования 4 таких VT получаем сигнал 6912 кбит/с (1728x4=6912) на вы-
ходе группы VTG. VT-1,5 можно представить в виде кадра длиной 27 байт, или фрейма размером
9x3. Из 27 байт только 24 используются под 24 тайм-слота (каналы ОЦК), используемые в схеме
формирования 1 уровня AC PDH иерархии Т1. Три байта (I строка фрейма 9x3) используются в
схеме управления SONET.
Виртуальный триб VT-2
Трибы CEPTI (Е1 - 2048 кбит/с) со входа канала доступа, имеющие формат биполярного
кода (BI) преобразуются на первом этапе в формат униполярного кода (UNI). На втором этапе к
ним добавляются биты флагов, буферные биты и заголовок виртуального триба VT-2 ОН, увели-
чивая скорость до 2304 кбит/с. В результате мультиплексирования 3 таких VT получаем сигнал
6912 кбит/с (2304x3=6912) на выходе VTG. VT-2 можно представить в виде кадра длиной 36 байт,
или фрейма размером 9x4.
Виртуальный триб VT-3
Трибы DS1C (3152 кбит/с) со входа канала доступа, имеющие формат биполярного кода
(BI) преобразуются на первом этапе в формат униполярного кода (UNI). На втором этапе они де-
мультиплексируются (с коэффицентом 2) до уровня DSIs, затем к ним добавляются биты флагов и
Глава 3
Технология SONET
157
буферные биты, а на третьем этапе добавляется заголовок виртуального триба VT-3 ОН, увеличи-
вая скорость до 1728 кбит/с. В результате мультиплексирования 4 таких VT получаем сигнал 6912
кбит/с (1728x4=6912) на выходе группы VTG. VT-3 можно представить в виде кадра длиной 54
байта, или фрейма размером 9x6.
Виртуальный триб VT-6
Трибы DS2 (6312 кбит/с) со входа канала доступа, имеющие формат биполярного кода
(BI) преобразуются на первом этапе в формат униполярного кода (UNI). На втором этапе они де-
мультиплексируются (с коэффициентом 4) до уровня DSls, затем к ним добавляются биты флагов
и буферные биты, а на третьем этапе добавляется заголовок виртуального триба VT-3 ОН, увели-
чивая скорость до 1728 кбит/с. В результате мультиплексирования 4 таких VT получаем сигнал
6912 кбит/с (1728x4=6912) на выходе группы VTG. VT-6 можно представить в виде кадра длиной
102 байта, или фрейма размером 9x12.
Ниже приведена итоговая табличка, характеризующая структуру и скорость различных
трибов и виртуальных трибов.
Таблица 3-3. Структура и скорость виртуальных трибов
Тип триба Скорость триба Тип VT Фрейм VT Кадр VT, байт Число VT в VTG Число VTG в STS-1 Число VT в STS-1 Скорость VT
DS1 1544 VT-1,5 9x3 27 4 7 28 1728
Е1 2048 VT-2 9x4 36 3 7 21 2304
DS1C 3152 VT-3 9x6 54 2 7 14 3456
DS2 6312 VT-6 9x12 102 1 7 7 6912
3.2.1.2. Методы формирования SPE
Рассмотренные выше виртуальные трибы являются основными строительными блоками, поме-
щаемыми в оболочку SPE при формировании полезной нагрузки, состоящей из первых четырех
трибов. Рассмотрим кратко как она формируется для каждого отдельного типв VT.
Оболочка STS-1 SPE для УТ-1,5
Согласно рис. 3-4 и определению SPE, собственно поле PL размером 9x86, будет заполне-
но 7 группами VTG, каждая из которых занимает поле 4xVT-l,5, или 4x9x3 = 9x12, т.е. будет за-
полнено только 84 столбца: 7x9x12 = 9x84. Два столбца, а именно 30 и 59, будут формироваться
как резервные (R). Таким образом, структура указанного SPE (по столбцам матрицы 9x87) прини-
мает вид (см. также рис. 3-5):
1 - STS-1 РОН;
2-29 - 28 байт 28 виртуальных трибов VT-1,5, распределенных тремя группами по 28 байт с ис-
пользованием двухуровневой схемы байт-интерливинга: на первом уровне с шагом 4
(мультиплексирование VT), на втором - с шагом 7 (мультиплексирование VTG) так, что
первый VT-1,5 располагается в колонках 2, 31, 60, второй - в колонках 3, 32, 61 и т.д. до
последнего VT в колонках 29, 58, 87; заметим, что первая строка поля 9х(2-29) (см.
п.3.2.1.1.) используется для целей управления;
30 - первый столбец резервных байт R;
31-58 - следующие 28 байт виртуальных трибов - продолжение поля SPE;
59 - второй столбец резервных байт R;
60-87 - последняя группа из 28 байт виртуальных трибов - продолжение поля SPE.
Оболочка STS-1 SPE для VT-2
Общая схема распределения столбцов (с выделением 30 и 59 столбцов под резервные)
аналогична предыдущему. Разница только в том, что в поле SPE представлены 21 VT-2, распреде-
ленные четырьмя группами по 21 байт, а схема интерливинга имеет шаги 3 и 7 (см. рис. 3-5) так,
158
Технология SONET
Глава 3
что первый VT-2 располагается в колонках 2, 23, 45, 67, а последний - в колонках 22, 44, 66, 87;
заметим, что первая строка поля 9х(2-22) (см. п.3.2.1.1.) используется для целей управления.
Оболочка STS-1 SPE для VT-3
Общая схема распределения столбцов аналогична предыдущему. Разница только в том,
что в поле SPE представлены 14 VT-3, распределенные шестью группами по 14 байт, а схема ин-
терливинга имеет шаги 2 и 7 (см. рис. 3-5) так, что первый VT-3 располагается в колонках 2, 16,
31, 45, 60, 74, а последний - в колонках 15, 29, 44, 58, 73, 87; заметим, что первая строка поля 9х(2-
15) (см. п.3.2.1.1.) используется для целей управления.
Оболочка STS-1 SPE для VT-6
Общая схема распределения столбцов аналогична предыдущему. Разница только в том,
что в поле SPE представлены 7 VT-6, распределенные 12 группами по 7 байт, а схема интерливин-
га имеет шаги 1 и 7 (см. рис. 3-5) так, что первый VT-6 располагается в колонках 2, 9, 16, 23, 31,
38, 45, 52, 60, 67, 74, 81, а последний - в колонках 8, 15, 22, 29, 37, 44, 51, 58, 66, 73, 80, 87; заме-
тим, что первая строка поля 9х(2-8) (см. п.3.2.1.1.) используется для целей управления.
Окончательно схема распределения столбцов VT при отображении всех четырех типов VT
приведена на рис. 3-5 [207]. Для удобства распознавания элементов мультиплексированной струк-
туры использованы следующие обозначения: А, В, С, D (для VTG-1,5), X, Y, Z (для VTG-2), М, N
(для VTG-3), О (для VTG-6).
Рис. 3-5. Итоговая схема мультиплексирования STS-1 SPE с использованием VT
3.2.1.3. Структура управляющих заголовков SONET
Как было отмечено выше, фрейм STS-1 имеет три управляющих заголовка: секционный, линейный
и маршрутный, состоящие из трех полей размером 3x3, 6x3 и 9x1, соответственно. Кроме этого,
для управления передачей VT требуется структура мультифрейма, составленного из 4 фреймов
(с периодом повторения 125x4=500 мкс), в каждом из которых используется по однобайтному за-
Глава 3
Технология SONET
159
головку. Полученное распределенное 4-х байтное поле может интерпретироваться как заголовок
виртуального триба (VT РОН) Байты этих заголовков имеют следующий смысл (см. рис. 3-6)
[207, 372].
Секци- онный А1 А2 С1 Л Полезная нагрузка
В1 Е1 F1 ВЗ
D1 D2 D3 С2
Линейный Н1 Н2 НЗ G1
В2 К1 К2 F2
D4 D5 D6 Н4
D7 D8 D9 Z3
D10 D11 D12 Z4
S/Z1 M/Z2 Е2 Z5
РОН
Рис. 3-6. Структура заголовков фрейма
STS-1
Секционный заголовок
Al, А2 - байты фрейминга (синхронизации), ис-
пользуемые для фиксации начала фрейма.
С1- байт (или J0/Z0 байт), используемый для иден-
тификации порядкового номера сигнала STS-1,
используемого в схеме байт-интерливинга фрей-
ма STS-n (J0 байт в первом STS-1 и Z0 байт в по-
следующих STS-1).
В1 - байт, содержащий результат контроля четности
процедурой BIP-8, вычисленный на битах секци-
онного заголовка предыдущего посланного
фрейма, который помещается в заголовке теку-
щего фрейма STS-1 (определяется только для
первого STS-1 в сигнале STM-N).
Е1 - байт служебной связи, используется для созда-
ния канала 64 кбит/с голосовой связи с целью
обслуживания связи между терминалами, кон-
центраторами и регенераторами.
F1 - байт, использумый сетевыми операторами для своих нужд и обрабатываемый на границах
секций.
DI, D2, D3 - байты для формирования служебного канала передачи данных DCC секции емко-
стью 192 кбит/с, используемого для управления сигнализацией, передачи сигналов аварийного
состояния AIS и других сигналов управления.
Байты секционного заголовка SONET соответствуют байтам 1, 4 и 7 столбцов такого же
заголовка SDH, см. рис. 2-20 (гл. 2).
Линейный заголовок
Н1, Н2- байты указателя, дающие число байт смещения, на которое отстоит от указателя первый
байт SPE, что позволяет ему располагаться в любом месте поля полезной нагрузки фрейма
SONET/SDH.
НЗ - байт модификации указателя, применяемый тогда, когда используется отрицательное вы-
равнивание.
В2- байт, содержащий результат контроля четности процедурой BIP-8, вычисляемый на битах
предыдущего линейного заголовка.
К1,К2-байты, используемые в схеме автоматического аварийного защитного переключения
(APS).
D4-D12 - байты для формирования служебного канала передачи данных DCC линейного
участка емкостью 576 кбит/с, используемого для тех же целей, что и D1-D3.
S/Z1 - байт, содержащий либо байт S - байт статуса синхронизации (биты 5-8) для STS-
1/ОС-1 или первого STS-1 в фрейме STS-n, либо байт Z1 - резервный байт, рассчитанный на
последующее использование - во всех остальных случаях.
M/Z2 - байт, содержащий либо байт М (варианты МО и Ml), либо байт Z2 - резервный байт, рас-
считанный на последующее использование в тех случаях, когда не используются варианты М.
Байт МО определен для STS-1, биты 5-8 МО используются для реализации функции REI-L - ин-
дикации ошибки на удаленном конце линии (новый термин, известный раньше как Line
FEBE), в них помещаются сигналы ошибки, обнаруженной на уровне LTE. Байт Ml размеща-
ется на месте Z2 в третьем STS-1 (в случае использования схемы формирования STS-n).
Е2- байт, формирующий канал 64 кбит/с для голосовой связи персонала между узлами сети
SONET.
160
Технология SONET
Глава 3
Маршрутный заголовок
В отличие от двух предыдущих, заголовок маршрута РОН остается с полезной нагрузкой
до тех пор, пока она нс демультиплексируется в терминальных точках сети. Байты этого заголовка
обрабатываются во всех точках маршрута на пути следования SPE в сети SONET/SDH. РОН обес-
печивает обработку 4 классов функций: v
- Класс А - функции, нс зависящие от полезной нагрузки (обеспечиваются всеми типами обору-
дования);
- Класс В - функции, зависящие от характера полезной нагрузки (обеспечиваются только спец-
оборудованием);
- Класс С - функции заголовка, зависящие от пользователя (обеспечиваются только спецобору-
дованием);
- Класс D - функции, зарезервированные для последующего использования.
Ниже рассмотрено назначение байт в заголовке РОН при выполнении функций класса А.
Л - байт трассировки маршрута, используется для периодически повторяемой передачи 64-
байтпой или 16-байтпоп (ITU-T Rec. Е. 164) строки для мониторинга наличия связи между
мультиплексорами, установленными на данном маршруте.
ВЗ - байт, содержащий результат контроля четности процедурой BIP-8 предыдущего заголовка
РОН перед скремблированием.
С2- бант, содержащий метку, указывающую тип полезной нагрузки в SPE, например: SMDS.
FDD1 и др.
G1 - байт статуса маршрута, содержащий информацию о статусе терминирования маршрута и
мониторинга ошибок, в частности BER, посланную мультиплексору, сформировавшему этот
маршрут. При этом биты 1-4 содержат REI-P (известную ранее как Path FEBE), биты 5-7 - RDI-
Р, а бит 8 не определен.
F2- байт, зарезервированный для использования оператором сети в рамках обеспечения функций
класса С.
Н4 - байт, позволяющий идентифицировать организацию мультифрейма виртуального триба и
определенные типы нагрузки в рамках тех функций, что реализуются в классе В (например,
дать указатель начала загрузки ячеек ATM).
Z3-Z5 - байты, зарезервированные для реализации функций класса D.
Заголовок виртуального триба
Этот распределенный заголовок состоит из 4 байт: V5, J2, Z6 и Z7 (обозначаемых также
как байты VI, V2, V3 и V4). Этот заголовок обеспечивает связь между точкой сборки VT SPE и
точкой его разборки. Причем байт V5(V1) является первым байтом VT SPE (т.е тем байтом, кото-
рый содержится в адресе указателя полезной нагрузки VT - VT РР), а байты J2 (V2), Z6 (V3), Z7
(V4) расположены в аналогичных ячейках последующих (2, 3 и 4) фреймах мультифрейма.
Указанные байты имеют следующую структуру:
биты 1, 2 - содержит результат мониторинга ошибок (процедура BIP-2);
бит 3 - содержит указатель ошибки на удаленном конце (функции REI-V, то же, что и Path
FEBE);
бит 4 - содержит указатель сбоя на удаленном конце (функция RFI-V) при байт-синхронном
формате отображения DS1 в оболочку VT SPE;
биты 5-7 - содержат метку типа сигнала, погруженного в VT SPE;
бит 8 - содержит указатель наличия дефекта на удаленном конце (функция RDI-V).
3.3. Функциональные элементы и структуры систем SONET
Системы SONET, как и системы SDH, имеют тот же набор основного оборудования: терминаль-
ные мультиплексоры (ТМ), мультиплексоры ввода-вывода (ADM), линейные мультиплексоры
(LM) и кросс-коммутаторы (DXC). Вместе с тем используемая терминология и функциональное
описание этого оборудования несколько отличается от того, как это сделано в системах SDH.
Глава 3
Технология SONET
161
3.3.1. Интерфейсы, или сервисные адаптеры SONET
Трибные интерфейсы в системах SONET функционально расширены и допускают обработку дру-
гих сигналов, например FDDI и ATM, и носят название сервисных адаптеров. В этом смысле
терминальные мультиплексоры SONET могут трактоваться, как обычные мультиплексоры досту-
па с интерфейсными картами, играющими роль сервисных адаптеров.
Схема такого терминального мультиплексора приведена на рис. 3-7, где показаны различ-
ные сервисные адаптеры, отображающие различные входные сигналы (трибы или рабочую на-
грузку пользователя) в виртуальные трибы VT и синхронные транспортные сигналы STS-1 и
STS-n. На выходе мультиплексора электрические сигналы преобразуются в оптические, так что
трафик SONET представляется в однородной форме как поток фреймов или синхронных контей-
неров (оболочек) для транспортировки рабочей нагрузки (SPE), переносимых оптической несу-
щей ОС-п.
STS-1
51,84 Мбит/с
или n X 155,52 Мбит/с
Рис. 3-7. Схема терминального мультиплексора SONET
3.3.2. Стандартная конфигурация SONET
Стандартная конфигурация линейных систем SONET напоминает аналогичную конфигурацию
линейных систем SDH и отличается в основном терминологией, используемой для обозначения
стандартных устройств. Схема конфигурации приведена на рис. 3-8.
РТЕ --- LTE
STE STE
РТЕ
<---> <----> <---->
Секция Секция Секция
Линия STS-n
Путь (маршрут) STS-1
Путь (маршрут) VT
Рис. 3-8. Конфигурация линейной системы SONET
В такой системе используются три типа оборудования [207].
11-48
162
Технология SONET
Глава 3
- Оконечное оборудование маршрута (РТЕ) - терминал или мультиплексор, осуществляющий
отображение трибов (или рабочей нагрузки пользователя') в формат SONET на входе (VC или
VT, или STS-n). Иногда это оборудование называют сервисным адаптером. На выходе эти же
элементы осуществляют обратное преобразование. Это оборудование содержит сетевые эле-
менты, обеспечивающее функции сборки/разборки рабочей нагрузки до уровня, приемлемого
для оконечного оборудования пользователя (СРЕ). На уровне РТЕ-РТЕ осуществляется добав-
ление (на входе) и удаление (на выходе) маршрутного заголовка, используемого для VT.
- Оконечное оборудование линии (LTE) - концентратор, обеспечивающий мультиплексирова-
ние, синхронизацию, резервное переключение и другие функции по обслуживанию РТЕ. На
уровне LTE-LTE происходит добавление линейного заголовка, используемого для STS-n.
Часть этого заголовка используется для осуществления защитного переключения.
- Оконечное оборудование секции (STE) - регенератор, ответственный за прием и регенерацию
сигнала, а также выполняющий ряд других функций, например, синхронизацию/выравнивание
фреймов, дешифрацию, обнаружение ошибок и мониторинг. На уровне STE-STE формируется
секционный заголовок, позволяющий осуществить указанные выше функции.
3.3.3. Многоуровневая модель взаимодействия SONET
Выше было сказано, что технология SONET имеет свою, отличную от модели OSI (хотя и логиче-
ски основанную на ней) многоуровневую модель взаимодействия. Модель состоит из пяти уров-
ней (рассматривается движение с верхнего уровня вниз):
5 - уровень пользователя - верхний уровень модели SONET, функционирующий поверх физи-
ческого уровня (это может быть, например, уровень ATM) и создающий некий исходный ин-
формационный блок, который мы по аналогии с моделью OSI назовем протокольным блоком
данных (PDU);
4 - маршрутный уровень - верхний уровень стека SONET из трех средних (4, 3, 2) уровней, ко-
торые фактически моделируют физический уровень модели OSI, он добавляет маршрутный за-
головок к PDU уровня пользователя;
3 - линейный уровень - средний уровень стека SONET, добавляет линейный заголовок к PDU
маршрутного уровня;
2 - секционный уровень - нижний уровень стека SONET, добавляет секционный заголовок к
PDU линейного уровня;
1 - фотонный уровень - нижний уровень модели SONET, функционирует аналогично физиче-
скому уровню модели OSI (т.е., не добавляя заголовка, осуществляет интерфейсные преобразо-
вания, необходимые для передачи сигнала по среде передачи) с той лишь разницей, что допол-
нительно осуществляет преобразование электрического сигнала в оптический, так как средой
передачи является оптическое волокно.
При взаимодействии оборудования, установленного в узлах сети SONET, происходит
движение по стеку уровней модели SONET от уровня пользователя на передающей стороне вниз
до среды передачи данных и по ней до ближайшего нужного узла, затем вверх по частному стеку
уровней, характерному для данного узла, далее снова вниз до среды передачи данных, а затем по
ней до следующего узла и т.д. до оконечного узла пользователя, где он поднимается по стеку
уровней модели SONET до уровня пользователя на приемной стороне. Пример такого взаимодей-
ствия при наличии одного узла регенератора приведен на рис. 3-9.
На рис. 3-9 регенераторный узел представлен частным стеком с двумя уровнями: фотон-
ным и секционным. Взаимодействие осуществляется путем движения по общему и частному сте-
кам так, как показано стрелкой. Частный стек уровней зависит от конкретного оборудования сети
SONET.
Глава 3
Технология SONET
163
Рис. 3-9. Стек уровней модели взаимодействия SONET
3.4. Функциональные модули и аппаратура сети SONET
3.4.1. Типы функциональных модулей
Типы функциональных модулей, используемых в сетях SONET, практически те же, что использу-
ются в сетях SDH (см. п.2.3). Это синхронные мультиплексоры различного назначения, исполь-
зуемые в качестве терминальных мультиплексоров, мультиплексоров ввода-вывода и концентра-
торов, а также регенераторы и коммутаторы. Основное отличие может быть только в составе
трибов (см. выше), причем это отличие уменьшается в связи с фактическим использованием в
SDH модуля STM-0 (51,84 Мбит/с), совпадающего по скорости с STS-1 SONET.
То же можно сказать о топологических элементах сетей SONET, совпадающих с анало-
гичными элементами сетей SDH (см. разд. 2.4), и об архитектуре сетей SONET, методах резерви-
рования, резервного переключения и восстановления работоспособности сетей, нарушенной в ре-
зультате возникновения различных аварийных ситуаций.
3.4.2. Аппаратное обеспечение сетей SONET
Как и в SDH, основным (ввиду универсальности) элементом аппаратного обеспечения является
синхронный мультиплексор. Ниже мы кратко рассмотрим только один пример мультиплексора
SONET уровня ОС-3 - DDM-2000 ОС-3 компании AT&T [207].
В качестве каналов доступа мультиплексора могут быть использованы следующие трибы
PDH:
- DS1, или Т1 (1.544 Мбит/с);
- DS1С (3.152 Мбит/с);
- DS2, илиТ2 (6.312 Мбит/с);
- DS3, или ТЗ (44.736 Мбит/с);
- CEPTI или EI (2.048 Мбит/с).
Для функциональной обработки и управления используются следующие основные карты:
- две карты управления-, системный контроллер (осуществляющий обнаружение ошибок и
аварийных ситуаций, автоматическое включение, проверку блоков при включении и переза-
пуск системы, защитное переключение маршрута в аварийной ситуации) и контроллер заго-
н*
164
Технология SONET
Глава 3
ловка (обеспечивающий соединение с интерфейсной картой оптической линии (OLIU) и
доставку сигналов об аварийных ситуациях в центр обработки с помощью карты последова-
тельной байт-ориентированной телеметрии (TBOS));
- таймер, поддерживающий три режима синхронизации: внешней синхронизации, синхрониза-
ции от сигнала, восстановленного из сигнала в канале доступа (DS1 и DS3), и синхронизации
от автономного источника;
- блок приема-передачи, осуществляющий основные преобразования трибных сигналов каналов
доступа в группы виртуальных трибов (VTG) для последующего преобразования в сигналы
STS-1 в соответствии с иерархией SONET. Последовательность этих преобразований при пере-
даче следующая (см. рис. 3-10).
Преобразование сигналов DS1.
Этап первый - мультиплексирование DS1 в VTG:
• прием четырех сигналов DS 1;
• восстановление из DS1 сигнала синхронизации;
• выравнивание сигналов DS1 и преобразование их в виртуальные трибы VT-1,5 для после-
дующего отображения на поле полезной нагрузки SPE;
• добавление маршрутного заголовка к VT-1.5;
• мультиплексирование (по схеме с байт-интерливингом) четырех VT-1,5 в группу виртуаль-
ных трибов VTG.
Этап второй - мультиплексирование VTG в STS-1:
• доставка групп VTG на интерфейсы мультиплексора MXRVO для последующего отображе-
ния их на поле полезной нагрузки SPE STS-1;
• добавление маршрутных заголовков ОН STS-1;
• формирование структуры фрейма STS-1.
Этап третий - мультиплексирование STS-1 в ОС-3:
• доставка STS-1 на интерфейс мультиплексора STS-l-to-OC-З для последующего мультип-
лексирования его и других STS-1 в режиме байт-интерливинга в STS-3;
• запись секционного и линейного байтов (транспортных заголовков для STS-1 и маршрутных
для VT-1,5);
• преобразование STS-3 в ОС-3.
Преобразование сигналов DS3 (два одинаковых канала).
Этап первый - мультиплексирование DS3 в STS-1
• прием сигнала DS3 и отображение его на SPE STS-1;
• добавление маршрутного заголовка ОН;
• формирование структуры фрейма STS-1.
Этап второй - мультиплексирование STS-1 в ОС-3 - аналогичен этапу 3 при преобразовании
DS-1.
Последовательность преобразований при приеме - обратная. Более подробно об указанных
преобразованиях и отображении виртуальных трибов на поле полезной нагрузки в процессе муль-
типлексирования можно познакомиться, например, в [207].
Конструктивно мультиплексор выполнен в виде корпуса с двумя полками для установки
(кроме системных и управляющих блоков) максимально до 24 карт, из них формируются блоки с
1 до 7 карт с низкоскоростными трибными интерфейсами DS1 (1,5 Мбит/с), каждая карта имеет 4
порта (общая емкость блока - DS3). Максимальное число блоков 3.
Следует отметить, что большинство компаний, выпускающих оборудование SDH, произ-
водят его как в варианте SDH, так и SONET.
Глава 3
Технология SONET
165
DS3
DS1-VTG мультиплексор #7
DS1-VTG мультиплексор #1
QS11
QS1
DS1
DS1
Добавляет путевой
заголовок VT
(Зтайм-слота)
VT1,5
BVTG
сбайт-
интер-
ливингом
Мультиплексор
DS3 в STS-1
Отображает
1 DS3 в STS-1 SPE
Добавляет путевой
заголовок STS-1
(9 тайм-слотов)
Формирует
фрейм STS-1
MXRVO
Мультиплексор
VTG в STS-1
Отображает
7 VTG в STS-1 SPE
Добавляет путевой
заголовок STS-1
(9 тайм-слотов)
Формирует
фрейм STS-1
STS-1
#3
Мультиплексор
* STS-1 в ОС-3
Байт-интерливинг
STS-1' тРех STS’1 в ОДИН STS-3
#2 * Записывает путевой
и линейный заголовок
STS-1 Е1
___s, Преобразует
STS-3 в ОС-3
DS3
Мультиплексор
DS3 в STS-1
Отображает
1 DS3 в STS-1 SPE
Добавляет путевой
заголовок STS-1
(9 тайм-слотов)
Формирует
фрейм STS-1
STS-1
#1
Рис. 3-10. Схема преобразований в процедуре мультиплексирования
Заключение
Выше мы акцентировали внимание на особенности технологии SONET, отличающие ее от
SDH в плане набора скоростей, набора трибов, вариантов формирования виртуальных трибов,
формирования структуры фрейма STS-n и управляющих заголовков, а также вариантов отображе-
ния трибов на поле полезной нагрузки синхронного транспортного сигнала STS-n. Кроме этого,
нам важно было показать и различие в используемой терминологии.
Все это, как нам кажется, дает основу для более точного понимания возможностей взаи-
модействия обоих технологий и возможностей передачи трафика ЕС PDH (Е1 и Е4) по сетям
SONET. Дополнительно сети SONET могут передавать сигналы других технологий: ATM, IP,
FDDI, SMDS. В этом смысле возможности SONET несколько шире. Методы передачи трафика
ATM по сети SONET рассмотрены в разд. 8.
Что же касается номенклатуры оборудования, систем синхронизации, топологии систем и
общих схем управления, а также методов резервирования и восстановления работоспособности, то
SONET и SDH практически полностью равноценны.
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
Технология SONET/SDH не ограничивается использованием только ВОК в качестве среды
передачи. В последнее время для организации радиорелейных линейных сетей SONET/SDH ши-
рокое распространение получило использование не только радиоканалов, как было отмечено в
[215], но и спутниковых каналов для передачи специально сформированных спутниковых моду-
лей STM - sstm-1 к,2п [126, 378].
4.1. Структурные схемы радиорелейных и спутниковых систем
SDH
Структурные схемы мультиплексных секций радиорелейных (РРЛ) и спутниковых линейных сис-
тем связи, реализующих топологию “точка-точка” и использующих технологию SDH для передачи
сигнала, приведены на рис. 4-1 [126, 376, 377]. Эти секции могут быть использованы как цифро-
вые секции, связывающие, например, две транспортные сети SDH или два сегмента такой сети.
NN
NN
NNI,
NNPR
NNI,
NNPR
Рис. 4-1. Структурные схемы радиорелейных и спутниковых секций
Для сравнения на рис. 4-1 (в верхней части) приведена схема мультиплексной секции MS
линейной сети SDH, использующей ВОК в качестве среды передачи и ограниченной оптически-
ми линейными окончаниями OLT. Эта секция состоит из последовательно включенных оптиче-
ских регенераторов OR, взаимодействующих через линейные оптические интерфейсы OLI и
формирующих регенераторные секции RS.
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
167
Радиорелейная MS (RS) отличается от волоконно-оптической тем, что вместо окончаний
OLT используются радиорелейные линейные окончания RRLT, вместо регенераторов OR - ра-
диорелейные регенераторные терминалы RRRT, а взаимодействие между RRRT осуществляется
через радиорелейные эфирные интерфейсы RRAI, а не интерфейсы OLI. Характерным является
наличие двух типов интерфейсов: приборного (RREI) и эфирного (RRAI).
Аналогично спутниковая MS (SS) отличается от волоконно-оптической тем, что вместо
окончаний OLT используются линейные окончания LT, вместо регенераторов OR - спутниковые
регенераторные терминалы SRT, а взаимодействие между SRT осуществляется через спутнико-
вые эфирные интерфейсы SAI, а не интерфейсы OLI. Характерным также является наличие двух
типов интерфейсов: приборного (SEI), совпадающего (для ВОК) с OLI, и эфирного (SA1).
Из других обозначений, приведенных на рис. 4-1, используются следующие:
IOS - интраофисная секция - интерфейсная секция, которая в общем случае эквивалентна ин-
терфейсу G.703;
NNI- интерфейс сетевого узла - физический интерфейс между любыми сетевыми SDH узлами,
может быть ассоциирован с IOS;
NNRP - эталонная точка сетевого узла - эталонная точка между окончанием MS и модельной
функцией связи с виртуальным контейнером верхнего уровня HOVC или точка между
двумя непосредственно связанными MS.
Указанные базовые конфигурации спутниковых и РРЛ мультиплексных секций могут быть
использованы для построения более сложных сетей, включающих любые другие базовые тополо-
гии SDH, описанные в главе 2.
4.2. Особенности радиорелейных линейных систем SDH
Радиорелейные линии (РРЛ) в сетях SDH, использующие уровень STM-1, появились в начале 90-х годов поч-
ти сразу после внедрения этой технологии, так как использовали стандартный для SDH формат сигнала.
Радиорелейные линии имеют определенные перспективы для применения в следующих целях:
- для замены радиорелейных PDH систем доступа с целью более эффективного взаимодействия с
существующими SDH системами;
- организации альтернативных путей передачи SDH сигналов в ячеистых сетях;
- резервирования существующих волоконно-оптических SDH линий;
- связи двух и более колец, сетей или сегментов сетей SDH;
- временных оперативных решений при замыкании колец SDH на сложных для прокладки ВОК участках.
Магистральные SDH РРЛ до недавнего времени использовали уровень STM-1 или ско-
рость передачи 155 Мбит/с. При необходимости обеспечить большую емкость канала формирова-
лись N каналов STM-1, учитывая исключительную сложность организации передачи потоков со
скоростями уровня STM-4 и выше по РРЛ.
Учитывя большую востребованность РРЛ, работающих на меньших скоростях передачи (8-34
Мбит/с), в последней версии рекомендации ITU-T G.707 [16] появилась возможность использовать для
РРЛ формат SONET STS-1 (ОС-1), называемый иногда нулевым уровнем SDH - STM-О. Следует ого-
вориться, что в [16, см. п.6.7] специально подчеркнуто, что этот формат «не представляет какой-либо
уровень SDH». Этот уровень классифицируется в [126] как суб-модуль STM-1, или как особый фор-
мат STM-RR модуля STM-1 со скоростью передачи 51,84 Мбит/с и особой схемой формирования, ко-
торая не может использоваться на интерфейсах кабельных сетевых узлов SDH.
4 .2.1. Структура фрейма STM-RR и методы его мультиплексирования
Рекомендованную структуру фрейма STM-RR, первоначально описанную в старом (март 1993)
стандарте ITU-T G.708 (Annex А), можно найти теперь в стандартах G.707 [16, Annex А] или в
G.861 [126]. Она приведена на рис. 4-2 и фактически соответствует структуре модуля STS-1 тех-
нологии SONET (см. выше гл. 3), включая описания всех заголовков.
168
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
Глава 4
Рис. 4-2. Структура фрейма STM-RR и его полезной нагрузки
На рис. 4-2 показана структура используемого для этой цели виртуального контейнера VC-3,
столбцы 30 и 59 которого фиксированы в структуре и не используются под полезную нагрузку
(заполняются наполнителем). Этот контейнер служит полезной нагрузкой административного
блока AU-3, который и формирует структуру модуля STM-RR, как это показано на обобщенной
схеме мультиплексирования, представленной на рис. 4-3. В публикации [12] этот модуль называ-
ется ‘субпервичным”, а схема его формирования, приведенная в соответствии со стандартом ETSI
(DE/TM 4029), не содержит ветви VC-11 TU-11, вместо нее используется ветвь VC-11 TU-12.
Схема мультиплексирования/демультиплексирования этого же модуля в [126] вообще не содержит
ветвь с виртуальным контейнером VC-11 (см. ниже рис. 4-5).
Рис. 4-3. Схема мультиплексирования в рамках SDH при формировании STM-RR
Сам путь создания модуля STM-RR в соответствии с рис. 4-3 достаточно прозрачен. Его
формирование из структур нижних уровней идет по сдежующей схеме:
TUG-2 VC-3 AU-3 (т.е. по схеме SQNET),
а дальнейшее формирование STM-1 по этой ветви происходит по схеме:
AU-3 AUG STM-1 (минуя AU-4),
тогда как формирование STM-1 по схеме SDH идет по следующей схеме:
TUG-2 TUG-3 VC-4 ->AU-4 ~3> AUG STM-1 (минуя AU-3).
В результате, несмотря на то, что представленная структура контейнера VC-3 формально
совпадает со структурой оболочки SPE (см. гл. 3), их внутреннее наполнение различно в силу раз-
личий в формировании структуры STM-1.
Учитывая это, при приеме модуля STM-RR в системах SDH для его правильной интерпре-
тации необходимо использовать специальные процедуры демультиплексировапия-
ремулыпиплексирования. Суть этих процедур становится ясной, если проследить схему перехода
от модуля STM-RR к STM-1, показанную на рис. 4-4.
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
169
Ч---- Отображение
Рис. 4-4. Схема демультиплексирования/ремультиплексирования модуля STM-RR
Эта схема рекомендуется для использования на интерфейсах сетевых узлов NNI европей-
ских сетей [12] и состоит в демультиплексировании STM-RR до уровня TUG-2 или СЗ и после-
дующего ремультиплексирования, но уже до уровня TUG-3, по схеме:
TUG-2 TUG-3 или СЗ VC-3 -3> TU-3 -3» TUG-3,
а далее от TUG-3 до STM-1 по стандартной схеме:
TUG-3 VC-4 AU-4 AUG STM-1.
Еще один (упрощенный) вариант такой процедуры описан ниже в разд. 4.3.2.
Ясно, что подобные преобразования требуют в общем случае специального процессора
или дополнительных системных ресурсов для необходимой обработки заголовков и указателей в
режиме реального времени.
Следует заметить, что модуль STM-О (несмотря на офицальное непризнание) уже использует-
ся как структурный модуль в аппаратурных реализациях мультиплексоров SDH последней генерации
(см. например, [57]), давая возможность новым мультиплексорам реализовать простую и гибкую связь
между SDH РРЛ, использующими скорость 51,84 Мбит/с, и стандартными сетями SDH.
Как видно из обзора, приведенного выше в разд. 2.7.2 (гл. 2), многие компании, произво-
дящие SDH оборудование, такие как: Alcatel, ECI, NEC, Siemens, имеют и SDH РРЛ системы. Две
из этих компаний: NEC и Siemens использовали оборудование SDH РРЛ в России на линиях SDH:
Москва-Хабаровск и Москва-Новороссийск. Соответствующее оборудование указанных фирм пе-
речислено в номенклатурных списках, приведенных в разд. 2.7.2.3 (гл. 2).
4 .2.2. Архитектурные принципы, применяемые в SDH РРЛ
Следующие основные архитектурные принципы должны соблюдаться в цифровых РРЛ секциях [126]:
1 - должны поддерживаться минимально необходимые стандартные функции RSOH и MSOH
(см. рис. 4-2), кроме того, используя байты ОН, могут быть добавлены функции, учитываю-
щие специфику РРЛ;
2 - РРЛ могут быть реализованы либо как MS (между NNI), либо как RS (между EI) - часть MS;
3 - при реализации как RS должны поддерживаться функции RSOH для обеспечения общносты
управления и прозрачности передачи MS и фазы фрейма, соответствующей MS;
4 - при реализации как MS должны поддерживаться функции SOH (RSOH и MSOH) для обеспе-
чения общности управления и прозрачности передачи HOVC и/или LOVC, а также фазы
фрейма, соответствующей VC (TU, TUG);
5 - для интерфейсов RREI (SEI) должно быть выделено свое поле (байт) в заголовке ОН; они
должны прозрачно передавать MS (но не RS); при этом должен быть хотя бы одна RS с под-
держкой основных функций RSOH;
6 - если добавляются поля в заголовке ОН, учитывающие РРЛ специфику, показатель проверки
на четность BIP-N должен пересчитываться в точках его формирования/терминирования,
170
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
Глава 4
либо дополнительные байты должны формироваться так, чтобы не нарушать типа “четности”
расширенного поля, проверяемого процедурой BIP-N.
Дополнительные требования, которые при этом должны соблюдаться, изложены в [126, п.2.2].
Согласно изложенным принципам, РРЛ должны поддерживать некий минимальный набор
функций SOH. Список этих функций приведен ниже в табл. 4-1 в соответствии с требованиями
стандарта [126], причем указан статус поддержки: О - обязательна, НО - необязательна.
Таблица 4-1. Список функций SOH, поддерживаемых в SDH РРЛ
Функция SOH Статус Комментарий
Сигнал выравнивания фрейма (FAS) О Требуется эталонный сигнал 125 мкс фрейма
Тип полезной нагрузки секции НО Индикация типа полезной нагрузки
Трассировка маршрута но Желателен при сложных топологиях IOS
Мониторинг ошибок секции 0 Должен использоваться для мониторинга ошибок
Сбой при приеме на удаленном конце 0 Сигнал FERF рассматривается как обязательный
Блок с ошибками на удаленном конце 0 Сигнал FEBE рассматривается как обязательный
Служебный канал передачи данных DCC 0 Емкость зависит от полосы РЛЛ и потребностей
Многоточечная адресация 0 Для сигнализации от приемника к источнику
Служебная телефонная связь но Может быть обеспечена в RRRT/SRT
Другие функции - На стадии изучения
4.3. Особенности спутниковых систем SDH
В отличие от радиорелейных линий, уже использующих STM-1 с начале 90-х годов, спутниковые
сегменты сетей SDH стали эксплуатироваться относительно недавно, учитывая, что первые вари-
анты стандартов [126, 378], касающихся созданию спутниковых сегментов сетей SDH, появились в
1994-95 гг.
Основным препятствием для передачи широкополосного сигнала STM-1 через спутник яв-
ляется то, что стандартная ширина полосы спутниковых транспондеров составляет 36 и 72 МГц.
Она не позволяет передавать (даже при использовании современных спутниковых модемов с
квадратурной модуляцией, например, 16QAM) не только сигналы SDH STM-1, но и PDH Е4 (не-
смотря на формальную возможность его передачи при использовании модуляции 16QAM, позво-
ляющий примерно в 2 раза сжать требуемую полосу частот передачи). На практике до недавнего
времени ограничивались передачей сигналов PDH ЕЗ через транспондер 36 МГц, или ТЗ через
транспондер 72 МГц.
Хотя формат ЕЗ в принципе позволяет передавать (путем инкапсуляции по стандарту ITU-
Т G.832 [124]) сигналы SDH STM-1 (см. выше разд. 2.6.5), по-настоящему такие возможности ста-
ли реализовываться только с внедрением для спутниковых сетей SDH формата модуля STM-0
(51,84 Мбит/с), а также спецмодулей SSTM-lk и SSTM-2n (см. ниже).
Ясно, что благодаря особой схемы формирования этих модулей они не могут (без исполь-
зования специальной схемы демультиплексирования/ремультиплексирования) использоваться на
интерфейсах кабельных сетевых узлов SDH.
Основной частью спутниковой сети SDH является спутниковая цифровая, секция MS,
представленная на рис. 4-1 двумя (левой и правой) секциями SS, ограниченными спутниковыми
регенераторными терминалами SRT, между которыми расположен собственно спутниковый
сегмент.
При реализации спутниковой сети SDH (в отличие от радиорелейной) сталкиваются с не-
которыми характерными проблемами. Так, общей проблемой является проблема синхронизации.
Синхронизация нарушается не только из-за увеличенного дрожания и дрейфа фазы на спутнико-
вом тракте, но и из-за наличия эффекта Доплера, полное устранение которого возможно только в
том случае, если имеется возможность выделения вызванных им изменений из общего дрейфа
синхросигнала. Другая проблема связана с передачей заголовков SOH, если используются спец-
модули.
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
171
Спутниковые сети SDH имеют точно такие же, как у РРЛ перспективы для их применения
в тех же целях, что указаны в п.4.2.
4.3.1. Схема мультиплексирования, структура мультифрейма и состав мо-
дулей SSTM-xx
Как указывалось выше для спутниковых сегментов допускается применение не только модуля
STM-0 (51,84 Мбит/с), но и спецмодулей SSTM-lk и SSTM-2n, позволяющих использовать форма-
ты (l-2)xTU-12 и (l-6)xTUG-2, соответственно.
Схема мультиплексирования, формирующая sub-STM-1 модули типа STM-О и SSTM-xx
(здесь хх - 1k, где к=1,2, или 2п, где п=1,2,...,5,6) приведена на рис. 4-5.
Рис. 4-5. Схема формирования модулей STM-О и SSTM-xx
Согласно общим принципам мультиплексирования модулей SDH, при формировании мо-
дулей sub-STM-1 должны соблюдаться следующие общие правила:
- мультиплексирование ведется по схеме с байт-интерливингом;
- сформированный модуль должен обеспечить прозрачность прохождения по сети SDH по край-
ней мере контейнеров VC-12 и VC-2;
- должна быть обеспечена возможность поддержки выполнения основных функций заголовка
ОН, приведенных в табл. 4-1.
4.3.1.1. Структура фреймов спутниковых модулей SSTM-xx
Модуль SSTM-lk, как видно из рис. 4-5, формируется путем мультиплексирования (по схеме с
байт-интерливингом) 1 или 2 трибных блоков TU-12, что дает право (как это сделано в [378]) на-
зывать его спутниковой группой трибных блоков (STUG-lk), которая затем и преобразуется в
модуль SSTM-lk. Таким образом, формат STUG-lk - матрица размером 9 строк х (4x1 к) столбцов,
т. е. 9x4 или 9x8 байт. Модуль SSTM-lk отличается от STUG-lk наличием заголовка спутниковой
секции (SSOH) длиной 2 байта, присоединяемого так, как показано на рис. 4-6,а.
Аналогично, модуль SSTM-2n, как видно из рис. 4-5, формируется путем мультиплексиро-
вания (по схеме с байт-интерливингом) групп трибных блоков TUG-2 с коэффициентом п, кото-
рый может изменяться от I до 6, что дает право (см. [378]) называть его спутниковой группой
172
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
Глава 4
трибных блоков (STUG-2n), которая затем и преобразуется в модуль SSTM-2n. Таким образом,
формат STUG-2n - матрица размером 9 строк х (4x3хп) столбцов, т. е. 9x12 или 9x72 байт.
SSTM-2n отличается от STUG-211 наличием заголовка спутниковой секции (SSOH) дли-
ной 2 байта, присоединяемого как показано на рис. 4-6,6. Заголовки передаются периодически в
составе фреймов SSTM каждые 125 мкс.
2 байта 4/8 байт 2 байта 12/72 байт
SSOH SSOH
а) STUG-1k 9 строк б) STUG-2n 9 строк
Рис. 4-6. Структура фреймов SSTM-1 (а) и SSTM-2 (б)
Структура заголовка SSOH приведена ниже:
байт 1
биты 1-4- сигнал фреймовой синхронизации;
бит 5 - идентификатор маршрута источника;
биты 6-8- канал управления;
байт 2
бит 1 - служебный голосовой канал;
биты 2-3 - служебный канал передачи данных;
бит 4 - зарезервирован на будущее;
биты 5-8- поле результата проверки на четность предыдущего фрейма процедурой BIP-4.
4.3.1.2. Структура мультифрейма SSTM и управление трафиком
Учитывая небольшое поле SSOH (2 байта), которое недостаточно для целей управления, организо-
ван мулыпифрейм, состоящий из 8 фреймов, период повторения которого - 1 мс. В результате
суммарная длина сигналов в битах на длине мультифрейма равна:
- сигнала фреймовой синхронизации
- идентификатора маршрута источника
- сигналов канала управления
- служебного голосового канала
- служебного канала передачи данных
-32;
-8;
- 24 (что эквивалентно каналу 192 кбит/с);
- 8 (что эквивалентно каналу 64 кбит/с);
- 16 (что эквивалентно каналу 128 кбит/с).
Каждое сообщение, переданное по каналу управления, определяет действие, выполняемое
в пределах 1 мультифрейма, т.е. на интервале в 1 мс. Ниже представлена структура суммарного
поля управления на длине мультифрейма:
биты 1-6 - адрес пункта назначения для подачи сигнала AIS (зарезервировано 63 адреса, ис-
пользуется 18 [378], адрес 000000 используется для режима «вешания»;
биты 7-8 - тип AIS: 00/01 - начало/конец REI, 10/11 - начало/конец RDI;
биты 9-14 - адрес источника сигнала AIS (зарезервировано 63 адреса, используется 18 [378], ад-
рес 000000 используется для режима «вещания»;
биты 15-16 - фаза и тип сообщения: 00- начало вызова служебного канала; 11 - конец вызова; 01,
10 - резервные;
биты 17-22 - номер управляемого канала (зарезервировано 63 номера канала типа VC-12, исполь-
зуется 18 [378], адрес 000000 используется для сообщения типа «все каналы задейст-
вованы»;
биты 23-24 - статус канала или тип полезной нагрузки: 00 - канал VC-12 оснащен (т.е. содержит
стандартную полезную нагрузку), 01 - канал VC-12 неоснащен (т.е. не содержит по-
лезной нагрузки), 10- полезной нагрузкой являются ячейки ATM, И - зарезервиро-
ван.
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
173
4.3.1.3. Состав модулей SSTM-xx
Рассмотренное выше позволяет перечислить полный состав модулей типа SSTM-xx, которые, на-
ряду с модулем STM-О, могут быть использованы для передачи трафика сетей SDH по спутнико-
вому сегменту. Полный состав таких модулей приведен в табл. 4-2.
Таблица 4-2. Состав модулей SSTM-xx, используемых в спутниковых сетях SDH
Тип модуля Полезная нагрузка Скорость пере- дачи заголовка, кбит/с Общая ско- рость S-IOS, кбит/с
Состав модуля Скорость, кбит/с
SSTM-11 1 х TU-12 2304 128 2432
SSTM-12 2 х TU-12 4608 128 4736
SSTM-21 1 x TUG-2 6912 128 7040
SSTM-22 2 x TUG-2 13824 128 13952
SSTM-23 3x TUG-2 20736 128 20864
SSTM-24 4 x TUG-2 27684 128 27812
SSTM-25 5 x TUG-2 34560 128 34688
SSTM-26 6 x TUG-2 41472 128 41600
4.3.2. Схема демультиплексирования/ремультиплексирования модулей
SSTM-xx
Модули STM-О и SSTM-xx, сформированные в процессе мультиплексирования на входе спутни-
кового сегмента с помощью SRT слева (см. рис. 4-1) и переданные по нему на SRT справа должны
быть (в силу специфики своей структуры и невозможности непосредственной интерпретации в ма-
гистральной сети SDH) преобразованы в форму, допускающую такую интерпретацию.
Если поток спутникового сегмента вливается в магистральную сеть SDH, то на SRT справа
должно быть осуществлено прямое преобразование типа: sub-STM-1 - STM-N. С другой стороны,
спутниковый сегмент, как правило, питается от магистральной (кабельной) сети SDH, поэтому на
SRT слева из сигнала STM-N должен быть сформирован сигнал формата STM-О или SSTM-xx, в
зависимости от того, какой из них используется на спутниковом сегменте сети SDH. В этом случае
должно быть осуществлено обратное преобразование: STM-N - sub-STM-1.
В обоих случаях должна быть применена специальная процедура преобразования, которая
носит название процедуры демультиплексироваиия-ремультиплексироваиия. Необходимость
использования этой процедуры объясняется тем, что модули STM-О и SSTM-xx не являются регу-
лярными структурами в схеме мультиплексирования SDH.
Два варианта такой процедуры уже описывались нами для модуля STM-О при рассмотре-
нии SDH РРЛ, еще один вариант описан ниже.
Итак, для модулей SSTM-xx и STM-О эта процедура имеет вид: к е ,
модуль SSTM-lk
- прямое преобразование:
SSTM-lk TU-12 TUG-2 TUG-3 -» VC-4 AU-4 AUG -» STM-N;
- обратное преобразование:
STM-N -> AUG -» AU-4 -» VC-4 -» TUG-3 -» TUG-2 -> TU-12 -» SSTM-lk.
модуль SSTM-2n
- прямое преобразование:
SSTM-2n -» TUG-2 -» TUG-3 -» VC-4 -» AU-4 -» AUG -» STM-N;
- обратное преобразование:
STM-N AUG AU-4 VC-4 TUG-3 -» TUG-2 SSTM-2n.
174
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
Глава 4
модуль STM-0
- прямое преобразование:
STM-0 -> AU-3 -> VC-3 -> TUG-2 -» TUG-3 -» VC-4 -» AU-4 -» AUG -> STM-N;
- обратное преобразование:
STM-N -> AUG -> AU-4 -> VC-4 -> TUG-3 -» TUG-2 -» VC-3 -> Al-3G> STM-0;
- дополнительное прямое преобразование:
STM-0 -> AU-3 -> AUG -> STM-N;
- дополнительное обратное преобразование:
STM-N -> AUG -> AU-3 -> STM-0.
4.3.3. Архитектурные принципы, применяемые в спутниковых SDH сегментах
По аналогии с SDH РРЛ следующие основные архитектурные принципы должны соблюдаться в
спутниковых SDH сегментах [126]: .
1 - спутниковые сегменты рассматриваются функционально эквивалентными сетевым элементам
(NE), находящимся в узлах сети SDH;
2 - внешние интерфейсы спутниковых сегментов должны быть согласованы с интерфейсами се-
тевых узлов сети SDH;
3 - функциональные назначения заголовков внутренних спутниковых приборных интерфейсов
(SEI) и спутниковой интраофисной секции (S-IOS) должны отражать специфику спутнико-
вых сетей;
4 должны поддерживаться базовые стандартные функции SOH, как минимум те, что приведены
в табл. 4-1;
5 - спутниковые сегменты должны обеспечивать прозрачность, как минимум на уровне сигналь-
ных элементов виртуальных контейнеров;
6 - спутниковые сегменты сети должны рассматриваться как симметричные, способные
поддержать установление двусторонних симметричных маршрутов для виртуальных
контейнеров VC;
7 - допускается поддержка VC нижних уровней (LOVC) в S-IOS, зависящих от среды передачи,
вместе с новыми вырожденными VC верхних уровней (HOVC) или с нестандартной группой
трибных блоков (TUG), используя, например, выполнение на спутниковых линейных тер-
миналах (SLT) определенных функций преобразования/взаимодействия сигналов;
8 - функциональность мультиплексоров с учетом возможностей по управлению, заложенных в
ITU-T G.784, должна поддерживаться служебным каналом передачи данных DCC, даже если
емкость его уменьшена для согласования с емкостью спутникового канала.
Дополнительные требования, которые при этом должны соблюдаться, изложены в
[126, п.3.2].
4.3.4. Структура сети и сценарии модельного взаимодействия
Схемы мультиплексирования и номенклатура используемых модулей, рассмотренные выше, рас-
крывает возможности и особенности спутниковых сетей SDH. Ниже рассмотрены многоуровневые
модели таких систем и сценарии их взаимодействия в рамках реализуемых структур сети.
Стандартом [378] предусмотрены три таких сценария:
1 - цифровая секция;
2 - цифровой кросс-коммутатор, функционирующий на одной скорости;
3 - цифровой кросс-коммутатор, функционирующий на различных скоростях
При работе в качестве цифровой секции согласно [126] разрешено использовать модуль
STM-О на скорости 51,84 Мбит/с. Исходной является топология «точка-точка», режим характер-
ный для топологии «точка-много точек» не предусмотрен. Сигналы мультиплексной секции MS, а
также сигналы виртуальных контейнеров всех уровней VC-n передаются прозрачно, тогда как ре-
генераторная секция RS терминируется и оканчивается модулем SRT перед спутниковым сегмен-
Глава 4
Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH
175
том (SS) и начинается с него же после SS, учитывая, что для реализации регенераторной секции
RS нужен, как минимум, модуль STM-1 на скорости 155,52 Мбит/с.
При работе в качестве цифрового кросс-коммутатора на фиксированной скорости 51,84
Мбит/с для спутниковой сети может быть реализована топология «звезды», позволяющая легко
использовать не только режимы, характерные для топологии «точка-точка», но и топологии «точ-
ка-много точек». При этом прозрачно осуществляется трафик виртуальных контейнеров VC-12,
VC-2 (Т2) и VC-3 (хотя последние и подвергаются демультиплексированию-ремульти-
плексированию). В отличие от предыдущего на границах спутникового сегмента SS терминируют-
ся не только RS, но и MS, и VC-4.
При работе в качестве цифрового кросс-коммутатора на нескольких скоростях (ниже 51,84
Мбит/с, иногда называемых sub-STM-0 [126]) для спутниковой сети также может быть реализова-
на топология «звезды», позволяющая легко использовать не только режимы, характерные для то-
пологии «точка-точка», но и для топологии «точка-много точек». При этом прозрачно осуществ-
ляется трафик виртуальных контейнеров VC-12 и VC-2 (Т2). В отличие от предыдущего на грани-
цах спутникового сегмента терминируются не только RS, MS и VC-4, но и VC-3.
Более подробную информацию о реализации указанных сценариев и соответствующих им
уровневых моделях сети можно получить в материалах стандарта ITU-R S.1149 [378].
4.4. Возможности аппаратурной реализации радиорелейных и
спутниковых систем SDH
В данном разделе мы не будем рассматривать вопросы аппаратурной реализации радиорелейных и
спутниковых систем связи SDH, в силу существенной специфики ее построения (см. например,
[379]) с одной стороны и отсутствия достаточной проработки этого вопроса в плане создания
спутниковых систем связи SDH. Ниже мы коснемся только возможностей такой реализации.
Радиорелейные системы связи SDH нашли широкое распространение в системах связи, из-
готавливаются почти всеми крупными производителями оборудования SDH и представлены в
списках производимого ими оборудования SDH выше в разд. 2.7.3 (гл. 2).
Кроме указанных в разд. 2.7.3 производителей существует ряд компаний, производящих
радиорелейное оборудование для создания сетей SDH. Одной из них является известная на рос-
сийском рынке компания Nera Telecommunications (Норвегия). Она выпускает в классе широкопо-
лосных систем радиосвязи систему CityLink - компактное радиорелейное оборудование SDH
уровня STM-1 (155,52 Мбит/с) для частотных диапазонов радиоканала 18, 23 и 25 ГГц, работаю-
щее под управлением системы управления TeleScada [380].
Глава 5 3
; ,3s ; * ./Г i r -
Синхронизация цифровых сетей
Проблема синхронизации цифровых сетей является частью общей проблемы
синхронизации цифровых последовательностей, известной с момента использования ИКМ и
плезиохронной цифровой иерархии PDH. Рассмотрим некоторые основные понятия, которыми
оперируют при описании проблем синхронизации и методов их решения. Они будут полезны как
при выборе оборудования SDH и проектировании сетей SDH в целом, так и при решении вопросов
построения практических сетей синхронизации.
5.1. Основные понятия
Если цифровая сеть локальна, т.е. ее узлы близки друг к другу настолько, что можно пренебречь
временем распространения сигнала между ними, и проста, т.е. имеет несколько узлов с тополо-
гией звезда, а на центральном ее узле стоит общий источник тактовой сетевой синхронизации
(ТСС), такты которого передаются без запаздывания на все периферийные узлы, то для такой
“идеальной” сети проблемы синхронизации отсутствуют. Они возникает тогда, когда несколько
таких сетей (каждая со своим источником синхронизации) объединяются в одну сложную сеть.
Для ее синхронизации в целом нужно, чтобы точность источников тактовой синхронизации от-
дельных сетей была одинаковой и высокой (1-1 О'" - 1 • 10'12), или чтобы для этой новой сети была
построена специальная сеть распространения сигнала синхронизации с единым высокоста-
бильным источником тактовой синхронизации.
Если эти условия не соблюдаются и существует разница в частотах источников тактовой
синхронизации (хронирующих источников или таймеров) на передающем и принимающем уз-
лах, то происходит накапливание за определенное время разности фаз принимаемой на узле
цифровой последовательности и последовательности, генерируемой источником тактовой син-
хронизации данного (принимающего) узла. Эта разность может стать соизмеримой с длиной так-
тового интервала. В этот момент может произойти срыв синхронизации, вызванный либо пропада-
нием одного импульса (тактового интервала), либо формированием лишнего импульса (тактового
интервала).
Этот явление называют “проскальзыванием", или “слипом" (slip). Субъективно слипы
приводят к появлению щелчков при передаче голоса или радиовещании, объективно это ведет к
увеличению числа ошибок в синхронных сетях при передаче данных. Качество синхронизации в
этом случае может быть оценено периодом времени, за который накопленная разность фаз приво-
дит к срыву фреймовой синхронизации, или частотой проскальзываний (слипов) в единицу вре-
мени (минута, час, сутки).
Учитывая, что сеть в общем случае может состоять из нескольких участков, синхронизи-
руемых от таймеров различной точности, важно иметь, с одной стороны, предельные значения
частоты слипов (нормы), регламентируемые стандартами в целях обеспечения определенного ка-
чества синхронизации (или качества обслуживания), с другой стороны - статистику слипов, воз-
никающих при взаимодействии между участками сети с установленными на них таймерами раз-
личной точности. Для такой статистики, в свою очередь, нужна привязка к какой-то системе клас-
сификации таймеров по точности (классам), чтобы сделать объем этой статистики представитель-
ным и ограниченным, привязанным к этим самым классам.
5.2. Стандарты и нормы синхронизации цифровых сетей связи
Общие вопросы синхронизации, описаны в рекомендации ITU-T Rec. G.810 [116], они актуальны
как для плезиохронных, так и для синхронных сетей.
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
177
Цель синхронизации - получить минимально возможное число слипов за выбранный ин-
тервал времени. Это равносильно установке наилучшего возможного хронирующего источника,
или таймера, на всех узлах сети. Эту задачу можно упростить до эквивалентной задачи: установки
одного высокоточного таймера в одном из центральных узлов сети (например, в центральном
офисе) и трансляции его показаний в другие узлы сети (аналогично тому, как это делается, напри-
мер, службой времени большого города). Для этого нужно не только иметь высокоточный таймер,
но и надежную систему распределения сигнала синхронизации на все узлы сети.
Система такого распределения основана обычно на иерархической схеме, заключающейся
в создании ряда базовых точек, где находится первичный эталонный генератор тактовых
импульсов PRC (ПЭГ), или первичный таймер, сигналы которого затем распределяются по сети,
создавая вторичные источники - вторичный или ведомый эталонный генератор тактовых
импульсов SRC (ВЭГ), или вторичный таймер, реализуемый либо в виде таймера
транзитного узла TNC, либо таймера локального (местного) узла LNC.
Первичный таймер PRC обычно представляет собой хронирующий атомный источник
тактовых импульсов (цезиевые или рубидиевые часы) с точностью не хуже 10'11. Он калибруется
вручную или автоматически по сигналам с датчиков мирового координированного времени UTC
[117]. Сигналы таймера PRC затем распространяются по наземным линиям связи для реализации
того или иного метода узловой синхронизации.
5.2.1. Стандартный подход к решению задачи синхронизации
Существуют два основных метода узловой синхронизации [116]: иерархический метод
принудительной синхронизации с парами таймеров: ведущий-ведомый, и неиерархический
метод взаимной синхронизации. Оба метода могут использоваться отдельно и в комбинации,
однако, как показывает практика, широко используется только первый метод. Этот метод (в каче-
стве единственного) принят и па Взаимоувязанной сети связи (ВСС) РФ [137, 160].
Для надежной синхронизации, мультиплексоры плезиохронных и синхронных сетей PDH
и SDH должны иметь несколько дублирующих источников синхронизации, например:
- сигнал внешнего сетевого таймера:
- сигнал с трибного интерфейса канала доступа;
- сигнал внутреннего таймера;
Дополнительно к этому могут использоваться другие источники сигналов синхронизации,
например, 8 и 64 кГц для систем PDH, линейные сигналы STM-N систем SDH (см. ниже), опорные
сигналы 1,5, 10 МГц для внутренних таймеров.
5.2.2. Стандартные режимы работы хронирующего источника
Стандарты предусматривают четыре режима работы хронирующих источников узлов
синхронизации:
а) режим первичного эталонного таймера PRC или генератора ПЭГ (мастер узел);
б) режим принудительной синхронизации - режим ведомого задающего таймера SRC или
генератора ВЗГ (транзитный и/или местный узлы);
в) режим удержания с точностью удержания 5-10'10 для транзитного узла и 1-Ю’8 для
местного узла и суточным дрейфом 1 • 10'9 и 2-10'8 соответственно [160].
г) свободный режим (для транзитного и местного узлов - точность поддержания зависит от
класса источника и может составлять Г10’8 для транзитного и Г10'6 для местного узлов
[160]).
12-48
178
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
5.3. Общее решение задачи синхронизации
Решением проблемы синхронизации может стать создание общей сети синхронизации (ОСС) в
рамках единой цифровой сети связи. Такой сетью для нас может быть ВСС РФ. Ее создание, про-
возглашенное в [137], было поддержано техническими решениями, основанными на международ-
ных стандартах и предложенными в РТМ МС РФ [160], а также организационными мероприятия-
ми, например, приказами №134 (от 30.11.96) и 141 (от 26.12.96). Нужно отметить, что, несмотря
на определенный прогресс в этой области, сеть ОСС, ни тем более ВСС, пока так и не созданы.
В соответствии с РТМ МС РФ [160] все системы ТСС классифицируется по режиму
работы на четыре категории:
- синхронный, когда в идеале слипов нет;
- псевдосинхронный, когда допускается < 1 слип/70 дней;
- плезиохронный, когда допускается < 1 слипа/17 часов;
- асинхронный, когда допускается < 1 слипа/7 с.
Предполагается, что режим работы, реализованный на ВСС в России в целом будет не
хуже плезиохронного.
Для создания ОСС предлагаются следующие административно-технические меры.
1 - Реализовть режим работы сети синхронизации по типу иерархической принудительной
синхронизации с узлами типа "ведущий-ведомый”.
2 - Построить сеть ОСС по региональному принципу, в каждом из регионов реализуется
указанный режим синхронизации с качеством на уровне псевдосинхронного режима.
3 - Управлять региональной сетью ОСС от ПЭГ, соответствующему стандарту G.811 (стабиль-
ность не хуже 1-10'").
4 - Строить региональную сеть синхронизации по типу звезды с ВЗГ, соответствующими
стандарту G.812 (стабильность не хуже ЕЮ’9).
5 - Выделить в первую очередь 5 регионов: Центральный (Москова), Северо-западный (С.-
Петербург), Сибирский (Новосибирск), Дальневосточный (Хабаровск) и Южный (Ростов). В
последующем предполагается создать еще 3 дополнительных региона с центрами в
Екатеринбурге, Самаре и Иркутске.
6 - Осуществлять распространение сигналов синхронизации по следующей схеме:
а) для узлов', мастер узел -> транзитный узел -> местный узел, причем количество ведомых
узлов не должно превышать 10;
б) для сетей'. ПЭГ (PRC) -> магистральная сеть -> внутризоновая или местная сети, или по
схеме магистральная сеть -> внутризоновая сеть -> местная сеть.
7 - Предусматривается четыре стандартных режима работы таймеров в узлах синхронизации:
а) режим ПЭГ (ведущий или мастер узел);
б) режим принудительной синхронизации (режим ВЗГ - транзитный и/или местный узлы);
в) режим удержания с точностью удержания 5-1O’10 для транзитного узла и 1-Ю'8 для
местного узла и суточным дрейфом 1 • 10'9 и 2-10’8 соответственно;
г) свободный режим (для транзитного и местного узлов - точность поддержания зависит от
класса источника и может составлять 1-Ю'8 для транзитного и МО’6 для местного узлов.
8 - Для синхронизации сети PDH предлагается использовать только сигнал 2048 кГц,
полученный из входного сигнала ПЦК 2048 кбит/с или тактовый сигнал, переданный через
интерфейс G.703, п.13.
Примечание. Нужно иметь ввиду, что многие отечественные мультиплексоры ПЦИ старых
моделей всех уровней, кроме первичного, не обеспечивают возможность синхронизации от
сигнала 2048 кГц по интерфейсу G.703.
9 - Для синхронизации сети SDH предлагается использовать только сигнал 2048 кГц,
полученный из линейного сигнала STM-1 (см. ниже) со скоростью 155,52 Мбит/с.
10 - При синхронизации смешанной сети (PDH-SDH) следует использовать синхронизацию типа,
указанного выше в п.9.
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
179
11 - Для синхронизации всего оборудования, установленного на узле или станции, должен
использоваться один источник сигналов синхронизации. Сеть синхронизации должна иметь
топологию “звезды”.
12 - Сеть синхронизации в регионах должна иметь топологию дерева, на каждый ВЗГ сигнал
синхронизации должен поступать по двум (основному и резервному) независимым
разнесенным направлениям, причем переключение на резервное направление не должно
создавать в топологии дерева замкнутых петель.
Примеры эскизного проектирования сети синхронизации приведены в разд. 7.3.2.
5.4. Характеристики хронирующих источников
Рассмотрим существующие классификации таймеров по точности поддержания тактовой частоты.
Существуют две международные классификации: одна использует 4 класса точности Stratum п,
вторая - 3 класса таймеров по стандартам ITU-T Rec. G.811, 812, 813. Кроме этого существуют
классификации на уровне организаций связи различных стран, например, классификация блоков
систем синхронизации (БСС), предложенная в РТМ МС РФ [160], или британскими стандартами
на точность таймера цифровых сетей связи. Ниже приведены данные по точности в режиме
свободного хода (показатель точности) и долговременная стабильность (показатель стабильно-
сти) для указанных классов таймеров.
Для таймеров класса Stratum п приняты следующие показатели точности и стабиль-
ности [262]:
• (А) эталонный таймер Stratum 1 - <1.0-10'11 (точность);
• (В) эталонный таймер Stratum 2 - <1.6-10'8 (точность),
• (С) эталонный таймер Stratum 3 - <4.6-10’6 (точность),
• эталонный таймер Stratum ЗЕ - <4.6-10'6 (точность),
• (D) эталонный таймер Stratum 4/4Е - <3.2-10'5 (точность).
<1.0-10’10/сутки (стабильность);
<3.7-10'7/сутки (стабильность);
<1.0-10'8/сутки (стабильность);
Для таймеров, определяемых стандартами ITU-T Rec. G.811, 812, 813 [118, 119, 163]:
• таймер класса G.811 -<1.0-10'11;
• таймер класса G.812 -<1.0-10’9;
• таймер класса G.813 -<1.0-10’8.
Для таймеров на основе ВСС [160]:
• таймер на основе БСС-1 -<З.О-1О’10;
• таймер на основе БСС-2 -<2.0-10’8;
• таймер на основе БСС-3 -<5.0-10'8.
Для некоторых таймеров на основе других стандартов [262, 263]:
• таймер Stratum 0 -<1.0-10'12;
• таймер ANSI Stratum 2 -<1.0-10'10;
• таймер класса ITU Type I -<1.0-10'10;
• таймер класса ITU Transit -<1.0-10’9;
• таймер класса ITU Local - <2.0-10'8;
• (Е) таймер British Standard -<1.0-10'9;
• таймер Belcore ЗЕ -<1.0-10'8;
• (F) таймер CCITT G.703 -<5.0-10'5;
• (G) таймер SCC3 (MainStreet 3645)-<2.5-10'5 (в свободном режиме).
В табл. 5-1 приведена статистика возникновения слипов в цифровых сетях при взаимодей-
ствии двух узлов, синхронизируемых источниками (таймерами) различной точности (буквы в ней
используются для ссылок на таймеры, помеченные нами и приведенные выше; другие обозначе-
ния: д - день, ч - час, с - секунда) [262].
12*
180
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
Таблица 5-1. Статистика возникновения слипов в цифровых сетях
Л Точность таймера в узле 2 Точность таймера в узле 1
А В С D Е F G
А 72,3/д 2,2/4 27,2/с 3,9/с 34,4/ч 2,5/с 5,0/с
В 2,2/ч .. 65,1/м 27,1/с 3,9/с 2,0/ч 2,5/с 5,0/с
С 27,2/с 27,1/с 13,6/с 3,4/с 27,2/с 2,3/с 4,2/с
D 3,9/с 3,9/с 3,4/с 2.0/с 3,9/с 1,5/с 2,2/с
Е 34,4/ч 2,0/4 27,2/с 3,9/с 17,4/4 2,5/с 5,0/с
F 2,5/с 2,5/с 2,3/с 1,5/с 2,5/с ИЯЯЯВ 1,7/с
G 5,01с 5,0/с 4,2/с 2,21с 5,0/с 1,7/с 2,5/с
Сравнивая данные таблицы с классификацией систем ТСС выше, можно заметить, что при
существующей точности таймеров синхронный режим вообще неосуществим, псевдосинхронный
режим может быть осуществлен только при взаимодействии узлов с таймерами класса Stratum 1,
или G.811, а плезиохронный режим может быть осуществлен только при условии, что взаимодей-
ствующие узлы имеют точность таймеров не хуже 1-Ю'9 (допустимые схемы взаимодействия: А-
А, А-Е, Е-Е). Из отчественных таймеров этот режим могут обеспечить только таймеры на основе
БСС-1. Нужно учитывть, что указанная статистика отражает характеристики только одного звена
синхронизации. В многозвенной схеме сети синхронизации, осуществляющей распространение
сигнала синхронизации от звена к звену, что имеет место на практике, ситуация ухудшается фак-
тически пропорционально числу звеньев.
5.5. Оборудование, используемое для синхронизации сети
Оборудование, используемое для синхронизации сети можно условно разделить на две большие
категории:
• автономные хронирующие источники - сетевые таймеры, использующие различные эталоны
времени и частоты,
• датчики точного времени - приемники сигналов точного времени, распространяемых (транс-
лируемых) мировыми или региональными системами точного времени.
Автономные хронирующие источники основаны на прецизионных атомных (рубидиевых
или цезиевых) эталонах времени, или просто атомных часах. До последнего времени они были
достаточно дорогими и мало доступными устройствами, хотя в связи с развитием синхронных
систем связи они стали серийно производиться и оказались доступными для установки на сети.
Более простым решением, стало использование датчиков точного времени, работающих со
спутниковыми системами точного времени. Среди них наиболее доступной (из универсальных и
точных) является система мирового координированного времени UTC. Для его трансляции
используются несколько систем, наиболее известные из них:
- международная спутниковая радионавигационная система LORAN-C,
- глобальная система позиционирования GPS, развернутая МО США,
- отечественная система позиционирования ГЛОНАСС, развернутая РКС РФ.
Использование традиционных систем приема UTC требует значительных финансовых
затрат и ограничено, как правило, центрами спутниковой связи или мастер-узлами крупных опе-
раторов связи, использующих, например, систему LORAN-C. Однако в связи с широким
развитием синхронных систем связи в последнее время, все большее развитие получают системы,
использующие датчики GPS.
На их основе была даже разработана альтернатива первичным эталонным источникам PRS
- технология локальных первичных эталонов LPR, в которой сигналы UTC используются для
подстройки частоты управляемых сетевых таймеров. Многие телефонные компании стали исполь-
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
181
зовать эту технологию в местах развертывания GPS для создания альтернативы таймерам класса
TNC (в качестве которых обычно устанавливаются улучшенные рубидиевые часы) на транзитных
узлах. В комбинации с технологией LPR, использование синхронизации от UTC позволяет
получать локальные первичные эталоны, перекрывающие требования по точности 10'”,
устанавливаемые стандартами ITU-T и ETSI для первичных эталонных таймеров.
Создание системы распределенных первичных эталонных таймеров не только позволяет
увеличить надежность синхронизации цифровых сетей, но и устраняет (при использовании
сообщений о статусе синхронизации) возможности нарушения синхронизации.
В нашей стране роль, аналогичную системе GPS, в настоящее время играет система
ГЛОНАСС, хотя ей и предстоит еще проделать определенный путь внедрения, связанный с вы-
пуском отечественных датчиков, способных принимать ее сигналы, или выпуском ведущими ми-
ровыми производителями сетевых таймеров следующего поколения, способных принимать как
сигналы системы GPS, так и ГЛОНАСС.
5.5.1. Автономные сетевые таймеры
При создании цифровой сети связи вопросам синхронизации уделяли до настоящего времени до-
вольно мало внимания. Концентрировались в основном на выборе высокоточного сетевого тайме-
ра, не уделяя должного внимания не только вопросам грамотного построения сети синхронизации,
но и, как нам кажется, самому факту ее создания. Для сетей простой топологии часто казалось,
что ее отсутствие существенно не влияет на качественные показатели цифровой сети. Увеличение
сложности синхронных сетей, а также процесс их объединения, привели к тому, что проблема
синхронизации стала одной из основных, грамотное решение которой определяет качественные
показатели сети.
Независимо от предыстории, проектируя синхронную сеть, необходимо полностью или
частично выполнить следующие шаги:
• провести обследование созданной (или спроектированной) сети и выяснить существующие
(или предполагаемые) источники сигналов синхронизации, прохождение этих сигналов по сети
и характер взаимодействия узлов по отношению к сигналу синхронизации (кто и от кого син-
хронизируется);
• по результатам анализа провести коррекцию планировки сети синхронизации или спроектиро-
вать ее заново;
• провести тестирование и установить таймеры на узлах в соответствии со схемой сети синхро-
низации и типом узлов: мастер узел, транзитный узел или местный узел;
• с помощью системы управления сетью синхронизации (или модуля синхронизации в общей
системе управления) провести конфигурацию этой сети, указав список основных и резервных
источников синхронизации и порядок приоритетов их использования;
• провести тестирование сети в различных "аварийных" режимах включения резервных источни-
ков синхронизации и провести реконфигурацию сети в случае сбоев или большего, чем требу-
ется, уровня слипов;
• после каждой реконфигурации и при повышении количества слипов проводить повторные тес-
тирования, добиваясь требуемого качества синхронизации сети.
Ясно, что проведение подобной работы требует профессиональных подходов и решений, а
также профессионального оборудования. Существует ограниченный список компаний, предостав-
ляющих такие услуги. Одна из них (выбранная в качестве примера) - компания Hewlett-Packard
(Agilent Technologies) - предлагает комплексное решение этой задачи: таймеры для всех трех
уровней узлов, систему управления сетью синхронизации, а также предоставляет услуги по обсле-
дованию сети и построению сети синхронизации.
Набор таймеров компании включает:
182
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
- для мастер-узлов - внешний источник PRC, управляющий первичными эталонными источника-
ми PRS (цезиевый стандарт частоты HP 5701 А, обеспечивающий точность не хуже 1-2-10'12 ,
(5-10'13 - типовое значение)); прибор расчитан на срок службы 10-15 лет, использует фреймо-
вую синхронизацию 8000 Гц для автоматической настройки, и имеет начальную готовность 20
минут;
- для узлов с распределенными PRC или точных распределительных транзитных узлов - источ-
ник PRS HP 55300А, обеспечивающий точность на большом интервале порядка 1-Ю'11, допус-
кающий внешнюю синхронизацию либо от HP 5701 А, либо от датчика системы GPS (точность
порядка 1-10'12 при наличии ключа для работы с малым дрожанием фазы), либо от сигналов
спутниковой системы точного времени Loran; удобен для решения задач распределения сигна-
лов синхронизации в сетях SDH;
- для распределительных транзитных узлов - блок сетевой синхронизации (NSU/SSU) с источни-
ком класса ANSI Stratum 2, HP 55400А, обеспечивающий точность порядка 1-10’10 и суточную
стабильность в режиме удержания не хуже ITU Type I, имеет интерфейсную панель с 9 входа-
ми и 400 выходами, может управляться от HP 55300А.
В качестве системы управления может использоваться операционная оболочка HP
Smartview.
5.5.2. Системы точного времени ГЛОНАСС и GPS
5.5.2.1. Система ГЛОНАСС
ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система - полномасштабная отечествен-
ная спутниковая радионавигационная система (СРНС) - предназначена для непрерывного и вы-
сокоточного определения пространственного (трехмерного) местоположения, вектора скоро-
сти движения, а также времени для широкого класса объектов-пользователей (космических,
авиационных, морских и наземных) [264].
Развертывание спутниковой группировки этой системы до ее штатного состава - 24 нави-
гационных спутника (НС) было завершено в 1995 г. [265]. В настоящее время она состоит из трех
подсистем:
- подсистемы космических аппаратов (ПКА);
- подсистемы (наземного) контроля и управления (ПКУ);
- аппаратуры пользователей (АП).
Структура ПКА такова, что пользователь в каждой точке земной поверхности и околозем-
ного пространства может в любой момент времени одновременно наблюдать 4 спутника, взаимное
расположение и качество сигналов которых позволит ему осуществить (с помощью АП) безза-
просные измерения дальности и радиальной скорости до них. Вместо четырех достаточно бывает
и трех спутников, если используется дополнительная информация. В результате обработки этой
информации, а также информации, содержащейся в радиосообщениях системы, ГЛОНАСС опре-
деляет три (или две) координаты пользователя, величину и направление вектора его путевой ско-
рости, а также текущее время.
Эта задача может быть нормально решена, если используются три или шесть орбитальных
плоскостей с числом спутников в каждой из них не менее 7 (для 3 плоскостей) или 4 (для 6 плос-
костей).
5.5.2.2. Система GPS
Глобальная навигационная спутниковая система GPS [266] - разработана по заказу МО США.
Система предназначена для определения пространственного местоположения, вектора скорости,
ускорения и времени, см. параметры в табл. 5-2. В 1994 г. было завершено развертывание спутни-
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
183
ковой группировки этой системы до ее штатного состава - 24 НС, а с 1995 г. началась ее коммер-
ческая эксплуатация. Система GPS была предназначена в конечном счете на только для военного,
но и для гражданского применения (она призвана служить заменой системы LORAN-C) согласно
директив и обязательств руководства США от 27.03.95).
Учитывая это, практически все современные системы SDH зарубежного производства бы-
ли адаптированы для использования сигналов датчиков GPS. Однако, согласно приказу Минсвязи
РФ №113 (от 03.07.98) [128], использование сигналов GPS на сетях ВСС РФ было разрешено
только до 1.01.99. В качестве альтернативы в [128] предлагалось использовать сигналы системы
ГЛОНАСС. В результате определенных сложностей, связанных с использованием ГЛОНАСС, ряд
российских операторов связи, использующих импортную аппаратуру SDH, продолжают синхро-
низировать свои сети от старой, но устойчиво работающей системы LORAN-C.
5.5.2.3. Параметры систем ГЛОНАС и GPS
Системы ГЛОНАСС и GPS имеют разную структуру ПКА (см. табл. 5-2 [264]), но состоят из ор-
битальных группировок с одинаковым числом НС (до 24 с учетом 3 резервных), сети наземных
станций наблюдения и пользовательских навигационных приемников. Все спутники обеих систем
являются автономными, параметры их орбит контролируются наземными станциями наблюдения,
которые регистрируют их отклонения от расчетных траекторий, определяют собственное время
бортовых часов и контролируют исправность навигационной аппаратуры.
Основные параметры обеих систем сведены в табл. 5-2. Некоторые из них требуют допол-
нительных пояснений.
Таблица 5-2. Основные параметры спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS
Параметры ГЛОНАСС GPS
Число НС в группировке (из них в резерв^)?”? 24(3) 24(3)
Число орбитальных плоскостей и НС в каждой 3/8 6/4
, : ,, ,, ,1йАЙМ|бИ^^^ круговая круговая
,Высща/наклоненйе?Ь|#итыда^ 19100/64,8 20145/55
Период обращения НС, [час] 11,26 11,948
Способ разделения сигналов НС частотный кодовый
Диапазон частот навигационных сигналов: 24 несущих в канале 7 <7?5ЭЙ1?1у[йзносом 562;5![ЙГц]: 1602.0-1615.5 1508,0625-1604,25 1575.42 (одна несущая)
: Диапазон частот навигационных сйталоф)24;несущих в канале L2 с разносоМ437;5[^Гц]/' 1246.0-1256.5 1227.60 (одна несущая)
Период повторёнйя последов атель- 1 мс 1 мс (С/А код), 7 дней (P.Y код)
Таисдаячастбтад 0,511 1,023 (С/А код) 10,23 (P.Y код)
Скорость передачи навигационной информации, [бит/с] 50 50
Длительности кадра и суперкадра, [мин] 0,5/2,5 0,5/12,5
Число кадров в суперкадре 5 25
Система отсчета времени UTC (ГЭВЧ) UTC (USNO)
Точность определения координат, [м] 60/30 72/18
Точность определения скорости, [м/с] 0,15 2 (С/А код) 0,2 (Р, Y код)
Точность определения времени, [мкс] 1 . 0,34 (С/А код) 0,18 (P.Y код)
.^СумШрнШйКОЖфемерид* 14,4 (на периоде Юс) 8,1 (С/А код) 4,1 (P.Y код)
Расчетный ресурс НС, [год] 3 н/Д
Доступность 0,98 0,95
184
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
Каждый спутник излучает специальные навигационные сигналы, используя два радиока-
нала L1 и L2 по 24 несущих частоты в каждом (для ГЛОНАСС, использующей технологию
FDMA) или две частоты L1 и L2 (для GPS, использующей технологию CDMA).
Эти сигналы имеют вид фазоманипулированной псевдослучайной последовательности
(ФМ-ПСП), передаваемой с определенной частотой и периодом повторения. В новой версии сис-
темы ГЛОНАСС-М частоты в радиоканале L1 для каналов с 16 по 20 не будут использоваться, как
занятые международными радиоастрономическими каналами, в результате их общее число в
окончательном виде сократиться до 12 и они будут занимать полосу с 1508,0625 до 1604,25 МГц.
В радиоканале L1 системы ГЛОНАСС передаются два сигнала: стандартной точности
(СТ) и высокой точности (ВТ), тогда как в 1,2 - только один - ВТ. Сигнал СТ доступен всем
пользователям, тогда как сигнал ВТ модулирован специальным кодом и доступен ограниченному
кругу пользователей, имеющих разрешение МО РФ. В модернизированной системе ГЛОНАСС-М
предполагается передавать и сигнал СТ в радиоканале L2.
В системе GPS аналогично используются два режима функционирования: грубый (С/А
код), использующий ПСП с тактовой частотой 1,023 МГц и периодом повторения 1 мкс, и точ-
ный (Р код), использующий ПСП с тактовой частотой 10,23 МГц и периодом повторения 7 дней.
Грубый режим является общедоступным и получается специальным загрублением точного сигна-
ла (используется сециальный генератор джиттера), тогда как точный доступен избранным пользо-
вателям (военные и федеральные службы США, а также пользователи шифрованной версии Р ко-
да - Y кода - с ключами доступа в режиме SA).
Кроме кодовых последовательностей навигационный спутник регулярно передает на час-
тотах L1 или L2 навигационные сообщения со скоростью 50 бит/с, содержащие оперативную и
неоперативную (так называемый альманах системы) навигационную информацию (НИ) - допол-
нительные сведения о состоянии спутника и его параметров: бортовом времени, эфемеридах’,
прогнозе ионосферной задержки, показателях ошибок и работоспособности, справочные данные
из базы данных и поправки.
Навигационная информация в указанных сообщения структурирована по кадрам. Для
ГЛОНАСС кадр имеет длину 1500 бит и состоит из 15 строк-записей по 100 бит. Пять кадров ор-
ганизованы в суперкадр, имеющий длину 7500 бит, передаваемых за 2,5 мин. Для GPS кадр имеет
ту же длину 1500 бит, но суперкадр организован из 25 кадров и имеет общую длину 37500 бит,
передаваемых за 12,5 мин.
5.5.2.4. Определение текущего времени пользователя в системе ГЛОНАС
Не вдаваясь в подробности определения координат пользователя и его путевой скорости, рассмот-
рим чуть более подробно определение текущего времени пользователя с помощью указанных сис-
тем на примере системы ГЛОНАСС.
Эта система функционирует на основе трех синхронизируемых шкал времени:
- системной шкалы времени (СШВ), основанной на атомном (водородном) системном этало-
не времени и частоты (СЭВЧ) наземного командно-измерительного комплекса (КИК),
имеющем относительную точность 1 • 10'13 с и стабильность 5-10'14 с/сутки и корректируемом в
свою очередь от UTC (ГЭВЧ) два раза в год (с 30.6 на 1.7 и с 31.12 на 1.1);
- бортовой шкалы времени (БШВ), формируемой с помощью атомного бортового эталона
времени и частоты (БЭВЧ), имеющего относительную погрешность 710'" и стабильность
5-Ю'13; к ней привязываются навигационные сигналы НС, а она, в свою очередь, синхронизиру-
ется с помощью процедуры сверки с СШВ (погрешность сверки <5 нс, что обеспечивает точ-
ность взаимной синхронизации сигналов НС порядка 20 нс на интервале 12 часов) и корректи-
руется аппаратно при уходе БШВ более 1 мс;
- шкалы времени пользователя (ШВП), поддерживаемой опорным кварцевым генератором и
синхронизируемой с помощью навигационных сигналов с НС.
Синхронизация ШВП основана (один из наиболее распространенных способов) на исполь-
зовании указанных навигационных сигналов как для расчета текущего ухода БШВ от СШВ, так и
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
185
привязки ШВП к СШВ и СШВ к UTC путем вычисления необходимых поправок. Для сверки
БШВ и СШВ используется система контроля фаз (СКФ), осуществляющая активные и пассив-
ные измерения дальности до НС подсистемой ПКУ. Для привязки указанных шкал времени ис-
пользуется специальная аппаратура привязки.
В результате осуществления указанной процедуры синхронизации итоговая точность вы-
числения времени пользователя составляет для ГЛОНАСС 1 мкс, а для GPS 0,34 мкс в режиме
общего доступа и 0,18 мкс в режиме селективного доступа. Предполагается, что на втором этапе
развертывания системы ГЛОНАСС точность вычисления времени будет повышена с 1 мкс до де-
сятков наносекунд за счет повышения точности синхронизации сигналов НС до 15 нс за 24 часа.
5.6. Синхронизация цифровых сетей SDH
Проблема синхронизации сетей SDH, с одной стороны, является частью общей проблемы
синхронизации цифровых сетей (ИКМ и PDH), как описано выше. С другой стороны, SDH
привносит свои дополнительные проблемы, вызванные использованием указателей и наличием
плавающего режима размещения контейнеров в поле полезной нагрузки, что приводит
фактически к определенной асинхронности его транспортировки. Последняя делает невозможным
использование выделенного при демультиплексировании STM-N 2 Мбит/с потока для целей
синхронизации. Однако технология SDH предлагает и свои специфические методы решения
проблем синхронизации. Они, в свою очередь, не могут быть правильно поняты без
использования некоторых базовых понятий, которыми специалисты оперируют при описании
проблем синхронизации и методов их решения.
5.6.1. Особенности синхронизации сетей SDH
Как отмечалось выше, если цифровая сеть локальна, то для нее проблемы синхронизации
отсутствуют и в разумных пределах фактически не зависят от точности общего источника
синхронизации. Проблема синхронизации возникает при объединении таких сетей в одну
сложную сеть. Для ее синхронизации нужно предусмотреть, чтобы источники тактовой
синхронизации отдельных сетей были одинаковыми и высокостабилъными или была построена
сеть синхронизации с единым высокостабильным источником тактовой синхронизации.
Синхронизация сетей PDH и SDH отличается своей спецификой. Целостность
синхронизации сети PDH основана на использовании той же схемы иерархической
принудительной синхронизации (по схеме «ведущий-ведомый»), В ней прохождение сигналов
таймеров через узлы сети прозрачно, так как фазы сигналов Е1, используемых для синхронизации,
жестко привязаны к фрейму PDH.
В сети SDH, восстанавливающей в каждом узле сигнал таймера из линейного сигнала
STM-N, такая прозрачность теряется, а сигнал Е1, восстановленный из сигнала STM-N, для целей
синхронизации не используется (см. ниже). В этой ситуации целостность синхронизации сети
SDH лучше поддерживается при использовании распределенных первичных эталонных
источников PRS, что позволяет устранить эффекты “каскадирования сигналов таймеров” [117].
Метод распределенных PRS, однако, не используется на нашей сети, его описание см. в стандарте
Bellcore GR-2830-CORE [120].
5.6.1.1. Источники синхронизации сетей SDH
Внедрение сетей SDH, использующих наряду с привычной топологией точка-точка, кольцевую и
ячеистую топологии, привнесло дополнительную сложность в решение проблем синхронизации,
186
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
так как для двух последних топологий маршруты сигналов могут меняться в процессе
функционирования сетей.
Как было указано в разд. 2.7 и рассмотрено в [215], сети SDH имеют несколько
дублирующих источников синхронизации, которые можно разделить на два класса: внешние и
внутренние.
Внешняя синхронизация'.
- сигнал внешнего сетевого таймера, или первичный эталонный таймер PRC, определяемый в
рекомендации ITU-T G.811 [118], т.е. сигнал с частотой 2048 кГц (см. ITU-T G.703, п. 13 [14]);
- сигнал с трибного интерфейса канала доступа (рассматриваемый здесь как аналог таймера
транзитного узла TNC), определяемый в рекомендации ITU-T G.812 [119], сигнал с частотой
2048 кГц, выделяемый из первичного потока 2048 кбит/с;
- линейный сигнал STM-N, или линейный таймер, сигнал 2048 кГц, выделяемый из линейного
сигнала 155,52 Мбит/с или 4п х 155,52 Мбит/с.
Внутренняя синхронизация'.
- сигнал внутреннего таймера (рассматриваемый как таймер ведомого локального узла LNC),
определяемый в рекомендации ITU-T G.813 [163], сигнал 2048 кГц;
Что касается точности сигналов внешней синхронизации, то она соответствует стандартам
G.811, G.812 и описана выше. Точность сигналов внутренней синхронизации регламентируется
производителями и для мультиплексоров SDH составляет обычно 4,6-10'6.
Учитывая, что трибы 2 Мбит/с, пришедшие из сетей SDH, отображаются в VC-12 и могут
плавать в рамках структуры вложенных контейнеров, использующих указатели, их сигналы
должны быть исключены из схемы синхронизации сети SDH. Реализуемая точность внутреннего
таймера мала и, учитывая возможность накапливания ошибки в процессе так называемого
“каскадирования сигналов таймеров”, когда узел сети восстанавливает сигнал таймера по
принятому сигналу и передает его следующему узлу, может быть использована только локально.
В этом смысле наиболее надежными источниками синхронизации являются сигнал внешнего
сетевого таймера и линейный сигнал STM-N.
5.6.1.2. Качество хронирующего источника
Как было отмечено выше предусмотрено четыре режима работы хронирующих источников узлов
синхронизации: первый - PRC, используется в мастер узлах, второй - SRC, используется в тран-
зитных и/или местных узлах, третий и четвертый также используются в транзитных и/или мест-
ных цзлах.
Учитывая наличие нескольких режимов, а также факт трансляции (распространения) сиг-
нала синхронизации, системы управления должны иметь возможность с одной стороны переклю-
чать эти режимы, а с другой - иметь показатель, на основе которого можно было бы принять ре-
шение о необходимости такого переключения.
Организации ITU-T и ETSI предложили использовать в качестве такого показателя
понятие уровень качества хронирующего источника. Этот уровень может быть передан в виде
сообщения о статусе синхронизации SSM. Для систем PDH (как описано выше, согласно новой
версии стандарта ITU-T Rec. G.704) это реализуется последовательностью резервных бит в муль-
тифрейме Е1, для систем SDH это реализуется через заголовок фрейма STM-N, в котором резер-
вируются под эти цели биты 5-8 байта синхронизации S1. В обоих случаях при сбое в сети, узел
сети, ответственный за распространение SSM, имеет возможность послать сообщение системе
управления о необходимости использования альтернативного сигнала синхронизации (см. ниже
п.6.4.1).
Современные системы управления сетью могут использовать до шести уровней качества
хронирующего источника, см. табл. 5-3.
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
187
Таблица 5-3. Возможные уровни качества хронирующего источника
Символ Уровень качества хронирующего источника
РЯСилиС.8Н Первичный эталонный таймер PRC, CCITT G.811 [118]
Unknown Уровень качества неизвестен
TNC или G.812T Таймер транзитного узла TNC, CCITT G.812 [119]
LNC или G.812L Таймер локального узла LNC, CCITT G.812 [119]
SETS Таймер собственно узла SDH, инициированный линейным SDH-N сигналом
Don’t use Не используется для целей синхронизации
Аттестация источника типа “уровень качества неизвестен” означает, что сигнал
хронирующего источника получен со старого оборудования SDH, на котором не реализован
сервис сообщений о статусе синхронизации SSM. Сообщение типа “не используется для целей
синхронизации” может прийти от блока, чей интерфейс STM-N используется в данный момент
для целей синхронизации.
5.6.2. Примеры построения сети синхронизации
До сих пор мы рассматривали требования к сетевым таймерам (т.е. к оборудованию сетей синхро-
низации) и их характеристики и не касались вопросов построения сети синхронизации как тако-
вой. Ниже мы кратко рассмотрим этот вопрос на двух примерах построения сети синхронизации
для сетей SDH двух типов: кольцевой и ячеистой. Желающим более подробно изучить вопросы
построения сетей синхронизации рекомендуем обратиться к источнику [160].
5.6.2.1. Пример синхронизации кольцевой сети SDH
Основным требованием при формировании сети синхронизации является наличие основных и
резервных путей распространения сигнала синхронизации. Однако и в том, и в другом случае
должна строго выдерживаться топология иерархического дерева и отсутствовать замкнутые петли
синхронизации.
Другим требованием является наличие альтернативных хронирующих источников.
Идеальной является ситуация, когда альтернативные источники проранжированы в соответствии с
их приоритетом и статусом.
При аккуратном формировании сетевой синхронизации можно избежать возникновения
замкнутых петель синхронизации как в кольцевых, так и в ячеистых сетях. Использование
сообщений о статусе синхронизации позволяет в свою очередь повысить надежность
функционирования сетей синхронизации.
На рис. 5-1 приведена схема синхронизации кольцевой сети SDH. Схема на рис. 5-1,а
соответствует нормальному функционированию сети, а на рис. 5-1,6 - сбою, вызванному разрывом
кабеля между узлами В и С [115]. Цифрами 1 и 2 на этом рисунке показаны приоритеты в
использовании сигналов синхронизации. Сплошной линией показаны основные цепи
синхронизации, пунктиром - резервные цепи.
Схема на рис. 5-1 использует ставший классическим иерархический метод
принудительной синхронизации. Один из узлов (узел А) назначается ведущим (или мастер-узлом)
и на него подается сигнал синхронизации от внешнего PRC. От этого узла основная
синхронизация (источник первого приоритета) распределяется в направлении против часовой
стрелки, т.е. к узлам В, С и D. Синхронизация по резервной ветви (источник второго приоритета)
распределяется по часовой стрелке, т.е. к узлам D, С и В. Начальное распределение хронирующих
источников по узлам сведено в табл. 5-4.
188
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
Не использовать [
pRp > Сообщения о статусе синхронизации
Рис. 5-1. Схема синхронизации кольцевой сети SDH:
а) при нормальном функционировании; б) при обрыве кабеля между узлами В и С
Таблица 5-4. Распределение источников синхронизации кольцевой сети
Узел Источник первого приоритета Источник второго приоритета
Узел А Внешний 2 МГц PRC Не предусмотрен
Узел В Линейный сигнал STM-N от узла А Линейный сигнал STM-N от узла С
УзелС Линейный сигнал STM-N от узла В Линейный сигнал STM-N от узла D
Узел D Линейный сигнал STM-N от узла С Линейный сигнал STM-N от узла А
При разрыве кабеля между узлами В и С узел С, не получая сигнала синхронизации от
узла В, переходит в режим удержания синхронизации и посылает узлу D сообщение SSM о
статусе качества синхронизации типа “SETS”. Узел D, получив сообщения SSM о статусе качества
синхронизации от узлов А и С, выбирает лучший из них (от А) и посылает узлу С сообщение типа
“PRC” вместо “Don’t use”. Узел С, получив это сообщение от узла D, изменяет статус источника
синхронизации на “PRC” от D.
Глава 5
Синхронизация цифровых сетей
189
5.Б.2.2. Пример синхронизации ячеистой сети SDH
Рассмотрим более сложную схему синхронизации в ячеистой сети SDH. Один из примеров
формирования цепей синхронизации в такой сети приведен на рис. 5-2 [115].
Ячеистая сеть в этом примере имеет 12 узлов и несложную транспортную топологию
звезды, включающую несколько линейных участков, связанных через узлы концентраторов.
Первичный эталонный
генератор (PRC)
--------- Используемая (основная) схема синхронизации |Т| ]
.—. > Приоритеты
---------Неиспользуемая (резервная) схема синхронизации | 21 J
Рис. 5-2. Схема синхронизации ячеистой сети SDH:
а) основная и резервная схемы синхронизации;
б) схема разбиения сети синхронизации на ряд подсхем (цепей)
190
Синхронизация цифровых сетей
Глава 5
Для облегчения задачи построения сети синхронизации (исключающей воз-
никновение замкнутых петель синхронизации) схема разбивается на несколько под-
схем (цепей) синхронизации, учитывая при этом особенности топологии исходной
транспортной сети (топологии сети синхронизации и транспортной сети в общем
случае могут не совпадать). Полученные цепи: W, X, Y, Z - показаны на рис. 5-2,6.
Цифрами 1 и 2 на этом рисунке показаны приоритеты в использовании сигналов
синхронизации. Сплошной линией показаны основные цепи синхронизации,
пунктиром - резервные цепи.
Для распределения синхронизации используется та же иерархическая схема.
Каждая цепь синхронизации может быть обеспечена одним или двумя мастер-
узлами, получающими синхронизацию от внешних источников (PRC). Источник
PRC, расположенный на основной станции, является внешним PRC, от которого
получают синхронизацию два мастер-узла W и X цепей W и X. Цепи Y и Z имеют
общий мастер-узел C&D, который получает сигнал синхронизации от последнего
узла цепи X.
Суть предложенного решения состоит в организации альтернативного пути
передачи сигнала синхронизации в каждой цепи. Проблемы могут возникнуть
только при низкой надежности связи, обеспечивающей синхронизацию мастер-
узлу C&D. В этом смысле для этого мастер-узла логично использовать локальный
первичный эталон LPR.
Глава 6
Управление сетью:
функционирование, администрирование и обслуживание
Функционирование любой сети (и сети PDH и SDH/SONET не являются исключением)
невозможно без ее администрирования и обслуживания на различных уровнях. Администриро-
вание, или менеджмент, сети заключается в выполнении администратором сети функций адми-
нистративного (директивно-логического) управления сетью, например, функции формирования
конфигурации сети, распоряжения ресурсами сети, регулирования прав доступа в сеть и т. д. Об-
служивание сети сводится в общем случае к автоматическому, полуавтоматическому или ручному
управлению сетью, как физической системой, например, ее мониторингу и сбору статистики о
прохождении сигнала, ее тестированию в случае возникновения неординарных или аварийных си-
туаций, восстановлению работоспособности в случае ее потери, например, путем резервного пере-
ключения, ремонту сети, если резервное переключение невозможно или оно не приводит к восста-
новлению работоспособности системы.
Эти функции, в свою очередь, невозможно осуществлять без использования сигнализации
различного рода о состояниях системы, например сигнализации о возникновении аварийного со-
стояния с помощью сигналов AIS. Сигнализация должна осуществляться по специальным встро-
енным или зарезервированным для этого служебным каналам, связывающим управляющие (опе-
рирующие на сети) системы OS и управляемые сетевые элементы NE.
Для решения задач управления (на всех уровнях: физическом, логическом, информацион-
ном и административном, из которых два последних относят к особой категории управления - ме-
неджменту) необходимо разработать модель сети и описать типы интерфейсов связи, необхо-
димые для осуществления взаимодействия всех подсистем, функционирующих в рамках этой сети,
и реализации функций управления на различных участках сети.
В отличие от существующих систем PDH, не имеющих стандартного описания модели и
интерфейсов (кроме физического) и специальных (служебных) управляющих каналов связи, сис-
темы SDH имеют свои системы управления - SMN (рассматриваемую как часть более общей сис-
темы управления сетями связи TMN), опирающиеся на достаточно проработанную в настоящее
время систему стандартов [60-67], описывающих модель, интерфейсы, схему взаимодействия и
функции блоков, каналов и подсистем управления. Эти стандарты опираются на целый ряд других
стандартов ITU-T серий G.xxx (например, G.774, G.784 [19, 23]), Q.xxx (например, Q.811 [73],
Q.812 [74]) и Х.ххх. Их взаимосвязь и взаимодействие в общем аспекте приводится в обзорах
Х.701 [70] и М.3000 [358]. Для конкретных случаев, связанных с реализацией функций управления
TMN, они описаны ниже.
6.1. Четырехуровневая модель управления сетью
Общая схема управления сетью может быть представлена четырехуровневой моделью управле-
ния, где каждый уровень выполняет определенную функцию, представляя верхнему уровню по-
следовательно обобщаемую нижними уровнями картину функционирования сети [68-69]. Эти
уровни следующие:
• бизнес-менеджмент (верхний уровень управления экономической эффективностью сети -
BOS);
• сервис-менеджмент (уровень управления сервисом сети - SOS);
• сетевой менеджмент (уровень систем управления сетью - NOS);
• элемент-менеджмент (нижний уровень элемент-менеджеров ЕМ или систем управления эле-
ментами сети EOS).
192 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Верхние уровни в этой иерархии функционируют на основе информации, передаваемой с
уровней, лежащих ниже, через интерфейс между этими уровнями.
Элемент-менеджер ЕМ осуществляет управлением отдельными элементами сети NE,
какими являются мультиплексоры, коммутаторы, регенераторы и.т.д., т.е. в общем случае обору-
дованием сети. Его задачи:
- инсталляция новых сетевых элементов (как локальных, так и удаленных);
- конфигурация элементов сети - т.е. распределение ресурсов сети между ее пользователями,
например, назначение числа и типов каналов и их адресация, распределение трибных интер-
фейсов, назначение приоритетов источникам синхронизации;
- мониторинг - определение степени работоспособности (статуса) сети, сбор и обработка сигна-
лов о возникновении аварийных ситуации AIS, несущих информацию типа “в элементе сети
NEj произошла ошибка А”;
- управление функцией передачи - управление операционными параметрами, отвечающими за
функционирование сети, а именно: проверка состояния интерфейсов, активация систем резерв-
ного переключения для перехода на резервное оборудование с целью защиты трафика;
- управление функциями TMN - управление потоками сигналов о возникновении аварийных со-
стояний, адресация возникающих при этом сообщений, формирование критериев фильтрации
ошибок, маршрутизация пакетов сообщений по служебным каналам, формируемым за счет
SOH в фреймах SDH, генерация и мониторинг сигналов синхронизации;
- тестирование элементов сети - проведение тестов, характерных для данного типа оборудо-
вания;
- локализация NE в рамках выделенного слоя - осуществление сервиса NE и обработка инфор-
мации от NE, специфических для данного слоя;
Функции ЕМ могут интерпретироваться как независимые функции OS, осуществляемые
конкретными NE с помощью данного ЕМ через сервисные интерфейсы, поддерживаемые данной
OS. Для осуществления этих функций все NE должны быть известны и различаемы программным
обеспечением конкретной OS. Если несколько OS взаимодействуют через одни и те же сервисные
интерфейсы, то в этом случае функции элемент-менеджмента могут быть распределены по не-
скольким OSj, как это показано ниже на рис. 6-1.
Рис. 6-1. Общая схема управления телекоммуникационными сетями TCN
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 193
Сетевой менеджер NM, или система управления сетью NMS, призваны управлять сете-
вым уровнем, или сетью в целом. На этом уровне менеждер абстрагируется от отдельных элемен-
тов сети, они рассматриваются лишь под углом зрения функций, выполняемых ими под управле-
нием элемент-менеджера. Это не значит, что NM их "не видит", прость они рассматриваются как
элементы, поддерживающие сетевые связи - маршруты, или тракты, в терминологии SDH.
NM использует следующие функции сетевого элемента NE:
- функцию связи, осуществляемую всеми элементами, имеющими возможность кросс-
коммутации;
- функцию доступа к мультиплексору, осуществляемую всеми мультиплексорами;
- функцию секции передачи, реализуемую между определенными эталонными точками или ме-
жду такой точкой и мультиплексором.
Сетевой менеджер - NM осуществляет следующие основные функции (см. ниже разд. 6.4.2):
• мониторинг - проверку тракта передачи с использованием функции проверки окончания мар-
шрута, проверку качества передачи и самой возможности связи, при этом NE используются ли-
бо непосредственно самой OS, либо через операционную систему ЕМ;
• управление сетевой топологией - управление функцией связи для переключения маршрутов
передачи (в том числе и в результате сбоев и последующего восстановления маршрута);
• локализацию в рамках выделенного слоя - осуществление сервиса NM и обработку информа-
ции от NE, специфических (сервиса и информации) для данного слоя.
Как и в любом слое, NM обеспечивает маршруты для слоя SM (см. ниже).
Сервис-менеджер - SM обеспечивает традиционные для глобальных сетей виды сервиса:
телефонный сервис, передачу данных различного вида, перенос трафика других технологий, на-
пример, ячеек ATM или пакетов IP, и др. Он выполняет следующие функции:
• мониторинг - проверку возможности осуществления сервиса, а также доступности маршрутов
передачи, подготовленных в слое NM;
• управление - управление характеристиками сервиса, а также формирование запросов сетевому
уровню на изменение маршрутов передачи;
• локализацию в рамках выделенного слоя - осуществление сервиса SM и обработку информа-
ции от NM.
SM - обеспечивает информацию о новых видах сервиса для слоя ВМ.
Бизнес-менеджер - ВМ обеспечивает мониторинг и управление типами сервиса с точки
зрения их эффективности и качества в соответствии с используемым критерием функционирова-
ния (как правило экономическим), а также формирование запросов на уровень сервиса, лежащий
ниже, на изменение вида сервиса.
6.2. Сеть управления телекоммуникациями TMN
Указанные менеджеры ЕМ, NM, SM формируют то, что принято считать ядром сети управления
телекоммуникациями - TMN. Сеть TMN осуществляет функции менеджмента и управления се-
тями телекоммуникаций и сервисом, предоставляемым этими сетями, и обеспечивает связь между
TMN и этими сетями и сервисом [60].
6.2.1. Концепция TMN и общая схема управления
Основная концепция TMN заключается в формировании такой архитектуры, которая позволит
: вязать различные типы управляющих систем OS:
EOS (система управления элементами),
NOS (система управления сетью),
-48
194 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
- SOS (система управления сервисом),
как между собой, так и с элементами сети NE (т.е. с сетевым оборудованием) для обмена управляющей
информацией через стандартные интерфейсы с помощью стандартных протоколов и сообщений.
Общая схема управления телекоммуникационными сетями TCN с помощью сети управ-
ления TMN приведена на рис. 6-1 [60]. Здесь OSj - управляющие системы, которые могут быть
связаны между собой через общую сеть передачи данных DCN, управляемую рабочей станцией
WS, которая также связывает их с различным аналоговым и цифровым телекоммуникационным
оборудованием, объединенным в общую сеть связи TCN. Как указано в [60], TMN должна под-
держивать пять типов менеджмента и управления:
- управление рабочими характеристиками систем;
- управление отказами и обеспечение надежности работы систем;
- управление конфигурацией систем;
- менеджмент бухгалтерской отчетности и тарификации (биллинга) в системе;
- управление безопасностью систем и обеспечение конфиденциальности информации, циркули-
рующей в них.
6.2.2. Архитектура TMN
Архитектура TMN рассматривается в трех аспектах:
- функциональном, определяющим состав функциональных блоков, позволяющий реализовать
сеть TMN любой сложности;
- информационном, основанном на объектно-ориентированном подходе и принципах, заложен-
ных в модели OSI (модели взаимодействия открытых систем)',
- физическом, описывающем реализуемые интерфейсы и дающим примеры физических элемен-
тов TMN.
6.2.2.1. Функциональные блоки и их компоненты
TMN включает ряд функциональных блоков, выполняющие следующие одноименные функции (в
скобках даны термины, используемые в русских переводах стандартов ITU-T):
OSF - функции управляющей (операционной) системы OS;
MF - функция устройств сопряжения М (медиаторная функция);
NEF - функция сетевого элемента NE;
QAF - функция Q-адаптера QA;
WSF - функция рабочей станции WS.
Для передачи информации между указанными блоками TMN используется функция пере-
дачи данных DCF. Пары функциональных блоков, обменивающихся информацией, разделены ме-
жду собой эталонными (или интерфейсными) точками. Три из указанных блоков, выполняющих
функции NEF, QAF и WSF, принадлежат TMN лишь частично, так как элементы NE, QA и WS яв-
ляются пограничными (см. рис. 6-2).
Функциональные блоки не только выполняют указанные функции, но и содержат допол-
нительные функциональные компоненты, реализующие определенные функции, а именно:
Блок OSF - обрабатывает управляющую информацию с целью мониторинга и/или управления.
а также реализует функцию управляющего приложения OSF-MAF;
Блок MF - обрабатывает информацию, передаваемую между блоками OSF и NEF (или QAF),
позволяя запоминать, фильтровать, адаптировать и сжимать информацию, а также
реализует функцию управляющего приложения MF-MAF;
Блок NEF - включает функции связи, являющиеся объектом управления, а также реализует
функцию управляющего приложения NEF-MAF;
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 195
Рис. 6-2. Типы и положение интерфейсов в схеме
управления сетью
Блок QAF - подключает к TMN логи-
ческие объекты класса NEF или
QSF, не являющиеся частью TMN,
осуществляя связь между эталон-
ными точками внутри и вне TMN,
а также реализует функцию
управляющего приложения QAF-
MAF;
Блок WSF - позволяет интерпретиро-
вать информацию TMN в терми-
нах, понятных пользователю
управляющей информации.
К дополнительным функцио-
нальным компонентам, не играющим
самостоятельной роли в качестве бло-
ков TMN, но включенных в состав
функциональных блоков, относятся:
DAF - функция доступа к (системному) каталогу - функциональный компонент, ассоции-
руемый со всеми функциональными блоками, которым необходим доступ к системному
каталогу;
DCF - функция передачи данных - используется для передачи информации между блоками,
наделенными управляющими функциями;
DSF - функция системного каталога - функциональный компонет, представляющий (как ло-
кально, так и глобально) распределенный каталог системы;
НМА - человеко-машинная адаптация - компонент, преобразующий информацию MAF к
удобному для отображения виду, используется в функциональных блоках OSF, MF;
ICF - функция преобразования информации - используется в промежуточных системах для
трансляции информационной модели с интерфейса на интерфейс, используется в функ-
циональных блоках MF, OSF, QAF;
MAF - функция управляющего приложения - фактически осуществляет управляющий (адми-
нистративный) сервис TMN, может играть роль либо Менеджера, либо Агента [65,67],
используется в функциональных блоках MF, NF, OSF и QSF;
MCF - функция передачи сообщения - используется для обмена управляющей информацией,
содержащейся в сообщении, используется во всех функциональных блоках;
MIB - база управляющей информации - играет роль репозитария (информационного архива)
управляющих объектов, не является объектом стандартизации TMN, используется в
схеме дистанционного мониторинга RMON, а также в схеме простого протокола
сетевого управления SNMP [70]; MIB применяется во всех, кроме WSF, функциональ-
ных блоках;
PF - функция презентации - преобразует информацию к удобному для отображения виду,
используется в функциональном блоке WSF;
SF - функция обеспечения безопасности - функциональный компонент, обеспечивающий безопас-
ность работы функциональных блоков в соответствии с требованиями пользователя (тип сервиса
по обеспечению безопасности конкретных блоков различают использованием двойных обозначе-
ний, например: MF-SF, NEF-SF, OSF-SF, QAF-SF, WSF-SF);
UISF - функция поддержки интерфейса пользователя - транслирует информацию, содержа-
щуюся в информационной модели TMN, в формат, удобный для отображения в рамках
человеко-машинного интерфейса, и, наоборот, транслирует информацию, вводимую
пользователем, в формат, требуемый для информационной модели TMN;
WSSF - функция поддержки рабочей станции - осуществляет поддержку функций рабочей
станции WSF.
13*
196 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
В табл. 6-1 показано, какие дополнительные функциональные компоненты включаются в
функциональные блоки как обязательные (О), необязательные (опциональные - НО) или их вклю-
чение недопустимо (ндп).
Таблица 6-1. Использование функциональных компонент функциональными блоками
Функциональные блоки Дополнительные функциональные компоненты
MAF1 ICF 0WSSF UISF DSF DAF SF
OSF О НО НО ндп НО НО но
WSF см. 2 см. 2 ндп О ндп НО но
NEFn3 О ндп ндп ндп НО но но
nefox НО ндп ндп ндп НО но но
MF но О НО ндп НО но но
QAF.,3 но О ндп ндп НО но но
QAF,., но О ндп ндп НО но но
Примечания: 1 - MAF рассматривается как дополнение к любой активности Агента/Менеджера.
2 - Эти функции могут рассматриваться как часть UISF.
Эталонные (интерфейсные) точки сети TMN
В сети TMN вводятся эталонные (интерфейсные) точки, определяющие границы сервиса.
Эти точки делятся на две группы. Первая группа включает точки внутри TMN, вторая - вне ее.
Точки первой группы делятся натри класса:
• q - точки между блоками OSF, QAF, MF и NEF, обеспечивают информационный обмен между
блоками в рамках информационной модели, описанной в стандарте ITU-T М.3100 [62]; эти
точки делятся на два типа:
- qx - точки между двумя блоками MF или блоком MF и остальными блоками;
- q3 - точки между двумя блоками OSF или блоком OSF и остальными блоками;
• f - точки для подключения блоков WSF к OSF и/или к MF, подробнее описаны в рекомендации
ITU-T Rec. М.3300 [66];
• х - точки между OSF, принадлежащих двум TMN.
Точки второй группы делятся на два класса:
• g - точки между WSF и пользователем (см. определение человеко-машинного интерфейса* в
стандарте ITU-T Rec. Z.341 [347], его спецификацию в стандарте Z.331 [348], а использова-
ние этого интерфейса в сетях связи в стандарте Z.361 [349]);
• га - точки между QAF и управляемым объектом, не принадлежащим TMN.
Ниже приведена сводная табл. 6-2 положения указанных эталонных точек.
Положение указанных эталонных точек определяет положение соответствующих им ин-
терфейсов TMN, обозначаемых заглавными буквами. Оно показано на рис. 6-2 и рис. 6-4 [60].
Пунктиром на рис. 6-2 отмечены границы TMN. В соответствии с ними интерфейсы Q и F являют-
ся внутренними для TMN, интерфейс X - пограничным, а интерфейсы М и G - внешними.
Таблица 6-2. Положение эталонных точек между функциональными блоками
NEF OSF MF QAF„3 QAFnx WSF non-TMN
NEF Чз Чх
OSF Чз Чз, х1 Чз Чз f
MF Чх Чз Чх Чх f
QAFoj Чз m
QAF(IX Чх m
WSF f f a
non-TMN m m a
Примечание: 1 - при условии, что OSF находятся в разных TMN.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 197
Функции TMN Функции TMN
блок А блок В
Рис. 6-3. Соотношение между функциями передачи данных
DCF и сообщений MCF
Функция передачи данных
DCF
Основная цель DCF - создать
транспортный механизм для переда-
чи информации между блоками, на-
деленными управляющими функ-
циями (рис. 6-3). В нашем случае он
осуществляется между функцио-
нальными блоками TMN А и В. Ха-
рактер взаимодействия между ними
равноправный {одноранговый).
Этот механизм взаимодействия
осуществляется на первых трех
уровнях модели OSI (физическом,
канальном и сетевом).
DCF может быть поддержана на уровне различных типов подсетей, например, на уровне
Х.25, WAN, MAN, LAN, SS#7 или ECC SDH.
Рис. 6-4. Типы и положение интерфейсов между блоками
управляющих функций
Внешний доступ к TMN
Доступ к TMN должен быть
как со стороны другой такой же
TMN, так и со стороны пользова-
теля сети. Схема такого доступа и
взаимодействия двух сетей TMN
приведена на рис. 6-4. При орга-
низации доступа пользователя
(как правило, с целью получения
лимитированной информации о
сети) должны быть предусмотре-
ны стандартные в таких случаях
процедуры, включая меры защи-
ты, преобразование протоколов,
трансляцию функций и сервисное
обслуживание. Один из вариантов
такого доступа: сетевой ме-
неджмент пользователя CNM,
описан в ITU-T Rec. Х.160 [359]
6.2.2.2. Информационный аспект архитектуры
При создании информационной модели обмена данными (сообщениями) в TMN используется объ-
ектно-ориентированный подход ООП и концепция Менеджер/Агент.
В рамках ООП управление обменом информацией в TMN рассматривается в терминах
Менеджер - Агент - Объекты. Менеджер (см. рис. 6-5), представляя управляющую открытую
систему, издает (в процессе управления системой) директивы и получает в качестве обратной свя-
зи от объекта управления уведомления об их исполнении. Директивы, направленные от менеджера
к объекту, доводятся до объекта управления агентом. Уведомления, направленные от объекта к
1 !енеджеру, доводятся до менеджера тем же агентом.
198 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Управляющая
открытая система
Управляемая открытая система
Менеджер
Агент
Исполнение директивы О
Направление уведомления О
Объекты
Окружение локальной системы
управления
Рис. 6-5. Схема взаимодействия между менеджером, агентом и объектами
Один Менеджер может быть вовлечен в информационный обмен с несколькими Агентами
и, наоборот, один Агент может взаимодействовать с несколькими Менеджерами. Агент может иг-
норировать директивы Менеджера по соображениям нарушения секретности доступа к объекту
или другим причинам. Все взаимодействие между Менеджером и Агентом осуществляется на ос-
нове использования протокола общей управляющей информации CMIP и сервиса общей управ-
ляющей информации CMIS, описанных в рекомендациях ITU-T Rec. Х.710 и Х.711 [72, 71].
Указанная схема взаимодействия может быть использована при организации связи и взаи-
модействия между несколькими системами на основе TMN. На рис. 6-6 показана схема взаимо-
действия трех каскадно связанных сетями TMN систем А, В и С, в которой система А управляет
системой В, которая, в свою очередь, управляет системой С. Здесь Менеджер М системы А управля-
ет системой В, ориентируясь на информационную модель системы В, которую он “видит” благодаря
тому, что она хранится в базе MIB системы В и доступна для М через Агента А этой системы.
На основе этой информации М, используя сервис CMIS и протокол CMIP организует дви-
жение вниз по стеку протоколов OSI системы А от прикладного уровня до физического, на кото-
ром происходит связь со стеком протоколов OSI системы В, а затем движение по нему вверх с вы-
ходом через CMIS/CMIP на Агента системы А. Он реализует директиву от М по управлению объ-
ектами (ресурсами) системы В, отображаемыми в MIB. По цепи обратной связи М системы А по-
лучает уведомление от этого объекта через Агента системы В. По цепи прямой связи информация
об изменении статуса/состояния объекта (ресурса) отображается в MIB системы В и поступает
Менеджеру М системы В, управляющему системой С. Алгоритм действий менеджера М системы
В аналогичен описанному для системы А. Ясно, что уведомление, получаемое Менеджером М
системы В, передается далее в систему А и производит изменение в MIB систем С и В.
Система А Информационная
Система В Информационная Система С
Рис. 6-6. Пример связи и взаимодействия TMN-систем
Организация указанного выше взаимодействия между системами подразумевает, что все
они используют общую базу знаний менеджмента SMK и одинаково ее интерпретируют. SMK
описана в ITU-T Rec. Х.701 [70] и Х.750 [360]. Другим важным моментом является использование
службы каталога, описанной в ITU-T Rec. Х.500 [361], для поддержки требований отсутствия
пересечений по именам и адресации в системе TMN.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 199
6.2.2.3. Общий аспект архитектуры TMN
Функциональный и информационный аспекты взаимодействия систем на основе TMN, кратко
описанные выше, являются хорошей основой для рассмотрения общего аспекта или собственно
архитектуры TMN.
На рис. 6-7 показан простой пример такой архитектуры управления сетями, где функцио-
нальные блоки представлены выполняющими только свои обязательные (О) функции (NEF, MF,
QAF, OSF, WSF). Эти блоки могут выполнять и другие (необязательные - НО) функции, как пока-
зано в табл. 6-3.
Таблица 6-3. Блоки TMN и выполняемые ими функции
Блоки TMN Выполняемые функции
NEF МР QAF OSF WSF
NE О но НО НО НО
MD - О НО но но
QA - - О - -
OS - но но О но
WS - - - - О
В схеме на рис. 6-7 управ-
ляющая система OS взаимодейст-
вует с телекоммуникационными се-
тями через три типа интерфейсов,
соответствующие эталонным точ-
кам: X, F, Q3. Взаимодействие осу-
ществляется через сеть передачи
данных DCN, реализующую прото-
колы уровней OSI 1-3 и поддержи-
вающую функцию DCF. DCN мо-
жет состоять из нескольких связан-
ных между собой подсетей различ-
ного типа. Например, это могут
быть подсети, образованные кана-
лами связи данных типа DCC в се-
тях SDH.
Рис. 6-7. Общая архитектура управ-
ления телекоммуникаци-
онными сетями
Через интерфейс F сеть DCN связана с рабочей станцией WS, играющей роль монитора
правляющей системы. Интерфейс X связывает DCN с “внешним миром”, через интерфейс Q3
OCN может быть напрямую связана с сетевым элементом NE или с Q-адаптером QA, позволяю-
щим подключать оборудование, имеющее несовместимые с TMN интерфейсы. Наконец, через ин-
ерфейсы Q3 и F сеть DCN подключается к устройствам сопряжения MD. Устройства MD, в свою
чередь, через интерфейс Qx подключаются к другим DCN или к подсетям той-же DCN, которые
ерез интерфейсы Qx связаны напрямую cNE и QA.
TMN протоколы
Кроме указанных выше протоколов CMIP, CMIS, существуют группы протоколов, под-
держивающих каждый из указанных выше интерфейсов: Q3, Qx, X и F. Выбор протокола зависит
от требований по реализации данной физической конфигурации. Прикладной уровень (верхний
200 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
уровень семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI/ISO) является общим
для всех групп протоколов, причем он не всегда требуется.
Для интерфейса Q3 на верхних уровнях (с 4 по 7) модели OSI используются протоколы в
соответствии с рекомендацией ITU-T Rec. Q.812 [74], на нижних уровнях (с 1 по 3) - в соответст-
вии с рекомендацией ITU-T Rec. Q.811 [73]. При этом первые три уровня требуются практически
всегда, так как транспорт сообщений TMN осуществляется протоколами сетевого уровня.
Для оборудования, не имеющего такого интероперабельного интерфейса, как Q интер-
фейс, приходится конвертировать используемые протоколы и сообщения в формат соответствую-
щего интероперабельного интерфейса. Такая конвертация осуществляется функцией MCF, а также
QAF, которые могут быть реализованы в QA, NE, MD или OS.
Б.2.2.4. Логическая многоуровневая архитектура TMN
Учитывая сложность управления в TMN, ее архитектуру можно представить как логическую мно-
гоуровневую архитекутру (LLA), разбитую на логические уровни, соответствующие функцио-
нальным уровням TMN (см. разд. 6.1).
Следуя этой концепции, архитектура LLA может быть представлена четырьмя уровнями
управления/менеджмента, построенными (как на фундаменте) на уровне сетевых элементов. В ре-
зультате архитектуру LLA можно представить в виде 5-уровневой модели вида [60]:
B-OSF - уровень бизнес-менеджмента
S-OSF -уровень сервис-менеджмента
N-OSF - уровень сетевого менеджмента
E-OSF - уровень элемент-меиеджмента
NEF - уровень сетевых элементов
- 5-й уровень;
- 4-й уровень;
- 3-й уровень;
- 2-й уровень;
- 1-й уровень.
Все уровни модели связаны между собой интерфейсами Q3, а с "внешним миром" - интер-
фейсами X. Каждый из 4 уровней менеджмента выполняет свои специфические задачи.
Уровень элемент-менеджмента:
- управляет и координирует подмножество сетевых элементов на основе индивидуального набо-
ра функций NEF;
- управляет и координирует подмножество сетевых элементов на основе набора функций NEF для кол-
лективного взаимодействия, когда группа элементов NE рассматривается OSF как единый логиче-
ский элемент, или OSF управляет взаимодействием (например, связями) между NEF;
- управляет сбором статистики, ведением журнала событий (Log) и т. д. на уровне NE.
Уровень сетевого менеджмента:
- управляет и ‘координирует поведение всех сетевых элементов в рамках своих задач и своего
домена;
- конфигурирует, модифицирует и обеспечивает сетевые возможности, требуемые для поддерж-
ки клиентского сервиса;
- осуществляет обслуживание сети;
- управляет сбором статистики, ведением журнала событий (Log) и т. д. на уровне сети и взаимо-
действует с уровнем сервис менеджмента для мониторинга производительности и др.
Уровень сервис-менеджмента:
- обеспечивает контакты (facing) и взаимодействие (interfacing) клиента/пользователя с различ-
ными администрациями;
- обеспечивает взаимодействие с операторами сети - сервис-провайдерами;
- управляет сбором статистики (нужной, например, для поддержки требуемого качества обслу-
живания);
- обеспечивает взаимодействие между различными типами сервиса.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 201
Уровень бизнес-менеджмента:
- несет ответственность за бизнес телекоммуникационной компании в целом и адекватное моде-
ли бизнеса функционирование всех лежащих ниже слоев:
- поддерживает процесс принятия решений по оптимальному вложению инвестиций;
- поддерживает бюджет административного управления и обслуживания сети.
Следует отметить, что в указанной многоуровневой архитектуре взаимодействие "агент-
менеджер" осуществляется как по вертикали (между уровнями, где осуществляются операции
управления агентом и уведомления со стороны агента, см. рис 6-5), так и по горизонтали (в преде-
лах
одного
уровня, реализуя механизм локальной передачи управления).
6.2.2.5. Примеры реализации DCN в сетях SDH
Сеть DCN для TMN должна, там, где это возможно, следовать модели OSI (МВОС), описанной в
ITU-T Rec. Х.200 [362]. Сеть соединяет элементы NE, QA и MD с OS с помощью интерфейса Q3, а
также MD с NE и QA с помощью интерфейса Qx. Использование интерфейсов Q обеспечивает сис-
теме максимально возможную гибкость.
В сетях SDH, использующих концепцию Менеджер-Агент, взаимодействие DCN (также
как и в TMN) реализуется с использованием MCF. На рис. 6-8,а,б приведены два примера реализа-
ции таких сетей, обеспечивающих функцию DCF в среде SDH. Объединяющий овал на линиях
связи на рис. 6-8 указывает, что оба интерфейса имеют объединенью транспорт.
Рис. 6-8. Примеры TMN для управления сетью SDH
б)
1 В первом примере (рис. 6-8,а) Менеджер управляющей системы OS, реализует функцию
управляющего приложения OSF-MAF и управляет, используя интерфейс Q3 и встроенные каналы
управления ЕСС, устройством сопряжения MD и элементами сети NE1 и NE2 через MCF. Кроме
этого, через интерфейсы Q3 и Qx реализуется и стандартная для концепции Менеджер-Агент схема
управления устройствами MD, NE1 и управляемым объектом МО.
Во втором примере (рис. 6-8,6) используется только эта стандартная схема управления всеми
ройствами, поддержанная функцией MF-MAF и осуществляемая через интерфейсы Q3 и Ох.
202 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
6.3. Общая схема управления сетью SDH
В свете вышесказанного, рассмотрим более подробно схему управления сетью SDH. Схема орга-
низационного управления сетью, см. рис. 6-9, является многоуровневой [23]. Нижний уровень этой
схемы включает SDH NE, которые обеспечивают транспортный сервис. Функции MAF внутри них
осуществляют связь с одноранговыми NE и поддержку управления ими, а также устройствами MD
и управляющей системой OS.
например регенератор
Рис. 6-9. Общая схема управления сетью SDH
Примечание: На схеме используются следующие обозначения:
MCF - функция передачи сообщения
MAF - функция управляющего приложения
NEF - функция сетевого элемента
ЕСС - встроенный канал управления
А
М
МО - управляемый объект
F, Q - интерфейсы
- агент
- менеджер
Нижний уровень состоит из трех сетевых элементов и в целом напоминает рис. 6-8,6 (два нижних
блока). В каждом элементе логически выделены три функции: MCF, MAF и NEF, причем MAF каждого эле-
мента может включать Агент или Менеджер, или их оба. Управляющее сообщение, поступающее по ЕСС,
через интерфейсы F и Q, или от элемента другой (не SDH) сети, передается с помощью MCF, затем интерпре-
тируется с помощью MAF и через агента, интерпретирующего NEF, передается на управляемый объект МО.
Реакция объекта передается обратно через агента и менеджера в канал ЕСС, или через интерфейсы F и Q, на
средний уровень - MD, взаимодействующий непосредственно с OS, которая управляется от ЕМ или NMS.
Формат сообщений в такой многоуровневой структуре поддерживается одинаковым, как при движении по
горизонтали, NE-NE, так и по вертикали: NE-MD, MD-OS.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 203
6.3.1 Подсеть SMS сети управления SMN
Сеть управления SDH (SMN), будучи сама частью TMN, состоит из нескольких подсетей SMS.
Архитектура подсетей SMS и их взаимодействие с TMN приведены на рис. 6-10 [23].
Блоки связи (OS, MD, GNE, NE)
ч—к- Связующие звенья, использующие стандартный протокол Q-интерфейса
* SDH ЕСС
Рис. 6-10. Архитектура подсетей SMS и взаимодействие SMS с TMN
Отметим ряд особенностей этой архитектуры:
- несколько адресуемых NE могут располагаться в одном (отведенном для оборудования) месте,
доступ к которому осуществляется через шлюзовые элементы сети GNE, например GNEe -
GNEg;
- функция MCF имеет возможность завершать, маршрутизировать или обрабатывать сообщения,
передаваемые по ЕСС или через внешний Q-интерфейс;
- на основе ЕСС можно сформировать звено связи между офисами или местами установки обо-
рудования;
- в пределах одного места установки оборудования можно организовать связь, используя либо
встроенные каналы управления ЕСС, либо локальную сеть связи LCN.
Топология SMS и ЕСС
Каждая подсеть SMS должна иметь хотя бы один элемент, соединений с MD или OS, он
называется шлюзовым элементом сети GNE, так как служит шлюзом в подсеть SMS.
На топологию сети ЕСС не накладывается ограничений - это может быть звезда, шина,
кольцо или ячеистая сеть.
6.3.2. Функции Управления
6.3.2.1. Общие функции управления
Управление каналами ЕСС. Так как ЕСС используются для связи NE, то каналы ЕСС должны
иметь следующие функции:
204 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
- запрос/получение сетевых параметров, таких как размер пакета, временные промежутки, каче-
ство сервиса и т.д.;
- формирование маршрута сообщения между узлами DCC;
- менеджмент сетевых адресов;
- запрос/получение сетевого статуса DCC для данного узла;
- возможность разрешать/запрещать доступ к DCC.
Фиксация временных событий. На все события, требующие фиксации во времени ставится вре-
менная метка с разрешением в одну секунду. Время фиксируется по показанию локального таймера NE.
Другие функции. Другие общие функции, например, защита на различных уровнях или
обеспечение безопасности, дистанционный вход в сеть, загрузка и модификация программного
обеспечения, обеспечиваются в настоящее время производителями SDH оборудования.
6.3.2.2. Управление сообщениями об аварийных ситуациях
Наблюдение за сообщениями об аварийных ситуациях.
Оно включает обнаружение и сохранение таких сообщений о событиях и условиях, которые со-
путствовали их появлению, причем не только в том оборудовании, в котором они были обнаруже-
ны. Система OS SMN должна поддерживать следующие функции:
- автономное сообщение о всех сигналах об аварийной ситуации;
- запрос на сообщение о всех зарегистрированных сигналах об аварийной ситуации;
- сообщение о всех таких сигналах;
- разрешение/запрет на автономное сообщение о всех сигналах об аварийной ситуации;
- сообщение о статусе функции “разрешение/запрет на автономное сообщение о всех подобных сигналах”.
Отслеживание истории сигналов/сообщений о возникновении аварийной ситуаци.
Оно включает: запись моментов возникновения таких сигналов и их хранение в регистро-
вом файле, регистры которого содержат все параметры сообщения об аварийной ситуации. Реги-
стры могут быть считаны по запросу или периодически. OS определяет режим работы регистров;
либо запись до заполнения с последующей остановкой или полным стиранием, либо непрерывная
запись с циклическим возвратом от конца к началу с перезаписью старых событий.
Другие функции.
Из них можно отметить, например, тестирование и регистрацию SDH оборудования.
Основные типы сообщений о возникновении аварийной ситуации.
Для того, чтобы получить более полное представление о типах аварийных ситуаций, кото-
рые отслеживаются в сети SDH, они представлены в виде таб. 6-4 [23], где в левом столбце поме-
щены типы аварийных ситуаций, а в верхней строке - места их возможного возникновения. В
ячейках таблицы помещен символ R, если требуется регистрация данного типа аварийной ситуа-
ции, или О, если такая регистрация не обязательна.
Таблица 6-4. Основные типы сообщений об аварийных ситуациях, отслеживаемые в сети SDH
SPI RS MS Path HOVC Path LOVC PPI/LPA SETS
TF R R
LOS R R
LOF R R3
LOP R R
FERF R R R
Т!М R R2
SLM R R
LOM R’
AIS R R R
Ехс О
LTI R
SD О
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 205
Примечание: В таблице использованы следующие сокращения:
TF Сбой при передаче SPI Физический интерфейс SDH
LOS Потеря сигнала RS Регенераторная секция
LOF Потеря фрейма MS Мультиплексная секция
LOP Потеря указателя Path HOVC Маршрут VC верхнего уровня
FERF Сбой при приеме на удаленном конце Path LOVC Маршрут VC нижнего уровня
TIM Несовпадение идентификатора трас- сировки PPI/LPA Плезиохронный физический интерфейс/ адаптпция маршрута VC нижнего
SLM Несовпадение типа сигнала уровня
LOM Потеря мультифрейма SETS Хронирующий источник
AIS Сигнал индикции аварийного состоя- ния синхронного оборудования
Exc Слишком много ошибок R* Для нагрузки, требующей индикации мультифрейма
LTI Потеря синхронизации на входе R2 Если подтверждается использование, байта J2 в VC-11, VC-12 и VC-2
SD Ухудшение качества сигнала R3 Для байт-синхронного отображения
6.3.2.3. Управление рабочими характеристиками
Сбор данных о рабочих характеристиках системы
Он связан как правило с определением параметров ошибок, описанных в рекомендациях ITU-T
Rec. G.826 [75] и М.2101.1 [350]. При их определении используются следующие ключевые терми-
ны (см. подробно [75]):
- ЕВ - блок с ошибками;
- ES - секунда с ошибками;
SES - секунда с серьезными ошибками;
ВВЕ - блок с фоновыми ошибками.
Как правило, используются основанные на них относительные параметры ошибок (т.е. па-
гры ошибок, отнесенные к фиксированному интервалу измерения параметров, который может
.,ь выбран равным 15 мин, 24 ч или 7 суток):
коэффициент ошибок по секундам с ошибками ESR,
- коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками SESR,
- коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками BBER (здесь под блоками с фоно-
выми ошибками ВВЕ понимаются те блоки с ошибками, что не вошли в SES).
Отслеживание истории мониторинга рабочих характеристик
Отслеживание истории мониторинга осуществляется заполнением двух типов регистровых
лов: 24-часовых файлов и 15-минутных файлов. Текущий 24-часовой регистровый файл по за-
чни снабжается текущей датой и перегружается в регистровый файл со вчерашней датой,
щдцать 15-минутных регистровых файлов образуют 4-часовую очередь с дисциплиной об-
. вания “первый пришел - первый ушел” FIFO.
Использование временных окон. Общая стратегия их использования описана в рекомен-
тазнх ITU-T Rec. М.20, М.2100, М.2120 [76-78]. В нашем случае с помощью OS в NE можно ус-
чть либо 15-минутное, либо 24-часовое временное окно. Как только время наступления со-
• совпадает или выходит за границу установленного окна, генерируется уведомление о пере-
пи (временной) границы или порога TCN.
Генерация отчетов о характеристиках системы
Данные о рабочих характеристиках системы могут быть затребованы OS для анализа, ис-
интерфейс между OS и NE. Эти данные могут запрашиваться периодически либо сооб-
- момент пересечения границы временного окна.
206 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Мониторинг системы в недоступные интервалы времени
В интервалы времени, когда система недоступна, съем данных о характеристиках системы за-
прещен, однако моменты его начала и конца должны фиксироваться и храниться в регистровом файле
из 6 регистров (см. ниже) и иметь возможность считываться OS по крайней мере один раз в день.
Мониторинг дополнительных параметров
К дополнительным параметрам, мониторинг которых возможен, относятся такие как:
- секунда, содержащая сигнал OOF (выход за границы фрейма), OFS,
- число защитных переключений, PSC,
- длительность (определенного) защитного переключения, PSD,
- недоступные секунды, UAS.
Факт выравнивания указателя административного блока - AU PJE, а также такой параметр,
как последовательные секунды с серьезными ошибками - CSES, могут быть полезны для управ-
ления, однако их мониторинг не обязателен. Если он осуществляется, то для накопления предыс-
тории указанных параметров (кроме CSES) используются регистровые файлы с 15-минутными или
24-часовыми временными окнами так, как описано выше. Для параметра AU PJE отдельно должны
фиксироваться как факты положительного, так и отрицательного выравнивания PJE для одного
выбранного административного блока AU внутри модуля STM-N.
Событие CSES наступает тогда, когда обнаруживается последовательность из X или боль-
ше SES. При обнаружении этого события последовательность прерывается фиксацией начала не-
доступного интервала времени, в течение которого CSES не регистрируются. Конец этого ин-
тервала фиксируется тогда, когда регистрируется секунда не являющаяся SES. По крайней мере 6
CSES (вместе с датами появления первых SES в последовательности) должны при этом запоми-
наться. Значение X устанавливается OS в диапазоне от 2 до 9 в процессе ее конфигурации.
6.3.2.4. Управление конфигурацией
Статус и защитное переключение
Основное назначение защитного (резервного) переключения - подключить резервное устройство
(или устройство резервного копирования) вместо основного устройства. Основные функции,
дающие возможность осуществить это следующие:
- включение/выключение ручного режима защитного переключения,
- включение/выключение принудительного режима защитного переключения,
- включение/выключение блокировки,
- запрос/установка параметров автоматического защитного переключения - APS.
Другие функции
Другие мероприятия и функции, связанные с управлением конфигурацией, такие, как разра-
ботка необходимого программно-аппаратного обеспечения и функции его инсталяции, равно как и
обеспечение необходимой секретности, относятся к компетенции производителя оборудования.
6.3.3. Протоколы и внутрисистемные взаимодействия
В рамках TMN подсеть SMS является локальной сетью связи LCN. Связь между SMS и OS может
осуществляться через одну или более сетей передачи данных DCN и LCN. Это требует организа-
ции взаимодействия между SMS и либо DCN, либо LCN, также как и между DCN и LCN. Ниже
кратко рассмотрено только взаимодействие между SMS и DCN. Взаимодействие между сетями не-
возможно без протоколов преобразования формата сообщений (которыми обмениваются сети) на
интерфейсных стыках. Ниже будут рассмотрены только протоколы так или иначе связанные со
служебными каналами передачи данных DCC.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 207
6.3.3.1. Обзор используемых протоколов
Для осуществления функций эксплуатации, администрирования, обслуживания и обеспечения
ОАМ&Р при передаче сообщений в сетях SDH по каналам DCC необходимо использовать набор,
или стек, протоколов, ориентированный на эталонную модель OSI.
Ниже приведен список уровней OSI и соответствующих им протоколов, выбранных для
обслуживания встроенных каналов управления ЕСС сетей SDH.
Физический уровень - DCC-протокол не оговорен. DCC представляет физический уровень, причем DCC регенераторной секции работает для передачи сообщений в виде потока 192 кбит/с (байты SOH D1-D3), a DCC мультиплексной сек- ции - потока 576 кбит/с (байты SOH D4-D12).
Канальный уровень - Протокол LAPD (Q.921, [79]). Обеспечивает через DCC сети SDH связь типа “точка-точка” между каждой парой смежных сетевых узлов. Ис- пользуются два типа сервиса: передача информации с подтверждени- ем приема AITS (спецификация этого типа сервиса приведена в [23, табл. 6-3] и основана на рекомендации ITU-T Rec. Q.921; используется по умолчанию), передача информации без подтверждения приема UITS (спецификация этого типа сервиса приведена в [23, табл. 6-2] и ос- нована на рекомендациях ITU-T Rec. Q.921, Q.922 и ISO 8473 [79-81]).
Сетевой уровень -В соответствии с рекомендацией ITU-T Rec. Q.811 [73] используется протокол ISO 8473 [81]. Он обеспечивает дейтаграммный (т.е. не ори- ентированный на установление предварительного соединения) сервис, удобный для высококачественных высокоскоростных сетей. Этот же стандарт [81] определяет протоколы сведения для передачи как по ори- ентированным, так и по неориентированным на установление соедине- ния подсетям на канальном уровне, для чего используется функция каче- ства обслуживания QOS. Ее параметры определяются протоколом стан- дарта ISO 8473 и относятся к компетенции поставщика сетевых услуг.
Транспортный уровень - Требуемый транспортный протокол - протокол класса 4, обеспечиваю-
щий, в соответствии с рекомендацией ITU-T Q.812 [74], надежную дос-
Сеансовый уровень тавку по сети и транспорт не ориентированного на установление соеди- нения низлежащего сетевого сервиса (см. стандарт ISO 8073/AD2 [82]), осуществляемые на уровне звена данных, как через ориентированные, так и через неориентированные на установление соединения подсети. - Сеансовый протокол, в соответствии с рекомендацией ITU-T Q.812 [74]. Он обеспечивает синхронизацию взаимодействующих систем связи при диалоге и управляет, с учетом требований двух верхних уровней, за- просами на транспортные соединения.
ровень представлений- Протокол этого уровня выбирается в соответствии с рекомендацией
ITU-T Q.812 [74]. Этот уровень и нотация абстрактного синтаксиса ASN. 1 должны обеспечивать возможность понимания как контекста, так и синтаксиса информации, передаваемой с прикладного уровня на низ- лежащие уровни.
Прикладной уровень - Протокол CMIP (см. стандарт ISO 9596 [83]), поддержка протокола передачи файла, доступа и менеджмента FTAM не требуется. Ис- пользуются следующие опции: - сервисный элемент общей управляющей информации CMISE,
F - сервисный элемент дистанционных операций ROSE, - сервисный элемент ассоциированного управления ACSE
208 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
6.3.3.2. Внутрисистемные взаимодействия
Каналы DCC регенераторных и мультиплексных секций используют сетевой протокол режима
без установления соединения CLNP, описанный в ISO 8473 [81]. Связь в сети DCN между OS и
SMS также базируется на протоколах OSI. Используется сетевой протокол режима с установ-
лением соединения CONP технологии Х.25, описанный в стандарте ISO 8208 [84], с протоколом
IP в качестве одной из опций в OS.
Согласно модели OSI взаимодействие между подсетями SMS и DCN должно происходить
на сетевом уровне, тогда как транспортный и более высокие уровни используются для взаимодей-
ствия между конечными системами, например, SNE и OS. Сетевой уровень, в соответствии со
стандартом ISO 7498 [85], должен быть прозрачен для потока данных между конечными система-
ми, т.е. поток данных обрабатывается функциями маршрутизации и ретрансляции сетевого
уровня и может зависеть только от качества сетевого сервиса различных подсетей. Взаимодейст-
вие подуровней сетевого уровня регламентируется стандартом ISO 8648 [86].
Взаимодействие между SMS и DCN
При передаче сообщений между SMS и DCN происходит взаимодействие между стеками
протоколов CLNP (в SMS) и CONP (в DCN). На нижних уровнях OSI взаимодействие основано на
стандарте ISO 10172 [87]. Стандарт ISO определяет функциональный блок взаимодействия 1FU,
который и осуществляет функцию ретрансляции и/или преобразование протокольных блоков
данных PDU между сетями.
Ретрансляция на сетевом уровне
Блок IFU, функционирующий в режиме ретрансляции на сетевом уровне NLR, является
регулярной промежуточной системой и представляет единственный, удовлетворяющий OSI, метод
взаимодействия между конечными системами, имеющими различные сетевые протоколы. Под
взаимодействием понимается функция сетевого уровня, определенная стандартами ISO 7498 и ISO
8648 [85,86]).
Правила функционирования CLNP на сети пакетной коммутации (PSN) Х.25, определя-
ются функцией сведения, зависящей от подсети, SNDCF, описанной в стандарте ISO 8473 [81].
Режим NLR может обеспечить взаимодействие между SMN и DCN, если обе сети исполь-
зуют протокол CLNP и соединение типа TP Class 4 (ТР4). В этом случае сетевой сервис верхнего
уровня SMS SNE - DCN OS играет роль сервиса, соответствующего режиму взаимодействия без
установления соединения на сети Х.25, обеспечивающей (через сеть DCN с протоколом CONP)
взаимодействие IFU с OS. При этом IFU анализирует адреса назначения сетевых протокольных
блоков данных NPDU, полученных от SMN, и транслирует соответствующие CLNP NPDU от SMS
на коммутируемые виртуальные цепи SVC Х.25 сети DCN.
6.3.4. Интерфейсы взаимодействия
Из всех интерфейсов, взаимодействующих с сетью TMN, мы рассмотрим только два: Q и F, кото-
рые являются внутренними интерфейсами сети TMN. Q-интерфейс (наиболее важный из них)
фактически является группой интерфейсов, объединеных общим названием.
6.3.4.1. Q-интерфейс
Для взаимодействия с сетью TMN, SMS использует Q-интерфейс (рекомендация CCITT G.771
[88]), имеющий три набора или стека протоколов: Bl, В2, ВЗ, определенных в рекомендации ITU-
Т G.773 [89, 1990 г.]. Эти стеки протоколов были позднее заменены на стеки: Al, А2 - короткий
стек и CONS1, CLNS1, CLNS2 (вместо Bl, В2, ВЗ соответственно) - полный стек, рекомендация
G.773 [89, 1993 г.].
Г лава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 209
В последней публикации описаны только стеки А1 и А2, которые в основном соответст-
вуют интерфейсу Qx, причем выбор конкретного варианта стека остается за производителем обо-
рудования. Профиль протоколов CONS1, CLNS1 и CLNS2 для уровней 1-3 модели OSI описан в
рекомендации ITU-T Q.811 [73], а для уровней 4-7 - в ITU-T Q.812 [74]. Они соответствуют как
интерфейсу Q/, так и Qx (при необходимости реализации всех уровней модели OSI) сетей SDH.
Короткие стеки протоколов А1 и А2 представлены в табл. 6-5.
Таблица 6-5. Стеки протоколов А1 и А2
Уровни Стек протоколов А1 Стек протоколов А2
Уровень 1 Физические интерфейсы ISO 8482, EIA 485 [90,91] Физический интерфейс не регламентирован
Уровень 2 ISO 3309, ISO 4335, ISO 7809 [92,93,94] ISO 8802-2 + DAD2, ISO 8802-3 [95,96,97]
Уровень 3 ISO 8473, ISO 8473/AD3 [81,98] ISO 8473 [81]
Уровень 7 ACSE - CCITT X.217, X.227 [99,100], поддержка ASE не обязательна ROSE - CCITT Х.219, X.229 [101,102] CMSE - ISO 9595, ISO 9596 [103,83]
Для уровней 4-6 модели OSI протоколы и отображающие функции не регламентируются.
Более подробное описание см. в рекомендации ITU-T G.773 [89].
Скорости передачи, поддерживаемые интерфейсом Qx, зависят от стека протоколов. Для А1 они рав-
ны 19200 и 64000 бит/с, хотя можно использовать и 128 кбит/с. Для А2 она равна 1 Мбит/с или выше.
На рис. 6-11 приведена модель сети DCN [73], на которой белые кружочки на концах линий по-
казывают положение интерфейсов Q3, соединительные линии между ними - маршруты связи между вы-
деленными точками, а двухбуквенный код аВ указывает типы сетей, подключенных к интерфейсам и
участвующих во взаимодействии. Буква а указывает на сеть, с которой данный интерфейс физически со-
единен, а буква В - на сеть, с которой соединен другой взаимодействующий интерфейс.
Например, код интерфейса ga (интерфейс показан у левого верхнего блока CLNS Х.25) гово-
рит, что данный интерфейс соединен с сетью CLNS/X.25 (буква g соответствует сети с пакетной
коммутацией Х.25, тип сервиса CLNS, см. расшифровку под рис. 6-11) и через сеть DCN по маршру-
ту ga — ag связан с интерфейсом ag, соединенным с сетью PSPDN (буква а соответствует сети пере-
дачи данных общего пользования с пакетной коммутацией PSPDN, тип сервиса CONS).
Рис. 6-11. Модель сети DCN с маршрутами связи интерфейсов Оз
14-48
210 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Г лава 6
Примечания: ’ г
1 - К интерфейсам Q3 могут подключаться OS, MD, QA и NE (на рис. 6-11 не показаны).
2 - Черными кружочками показаны эталонные точки блоков взаимодействия IWU.
3 - Функции взаимодействия типа 1 (Туре 1) - функции, которые выполняются на границах ме-
жду подсетями и не прозрачны для конечных систем.
4 - Функции взаимодействия типа 2 (Туре 2) - функции, которые выполняются на границах ме-
жду подсетями и могут быть прозрачны для конечных систем.
Сеть DCN разбита по типу сервиса на две части: сеть, использующая режим без установ-
ления соединений (CLM) - CLNS, и сеть, использующая режим с установлением соединений
(СМ) - CONS. При этом задействованы следующие профили протоколов трех нижних уровней:
CONS1 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.25 в режиме с установлением соеди-
нений, применим к эталонной точке между PSPDN и OS/MD/QA/NE;
CONS2 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.31 в режиме с установлением соеди-
нений на D-канале ISDN, применим к эталонной точке между ISDN и OS/MD/QA/NE;
CONS3 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.31 в режиме с установлением соеди-
нений на В-канале ISDN, применим к эталонной точке между ISDN и OS/MD/QA/NE;
CONS5, - интерфейс, использующий протоколы системы сигнализации SS#7 (ОКС 7) МТР и
SS#7 (ОКС 7) SCCP в режиме с установлением соединений;
CONS6 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.25 в режиме с установлением соеди-
нений через локальную сеть, применим к OS/MD/QA/NE, подключаемым к LAN;
CLNS1 - интерфейс, использующий локальные сети Ethernet с протоколом типа ISO 8802-2 и
режимом без установления соединений, применим к эталонной точке между LAN и
OS/MD/QA/NE;
CLNS2- интерфейс в режиме без установления соединений, использующий IP протокол на сети
Х.25 в режиме с установлением соединений, применим к эталонной точке между PSPDN и
OS/MD/QA/NE.
Более подробно стеки протоколов для указанных интерфейсов описаны в [73].
Скорости передачи, поддерживаемые интерфейсом Q3, зависят от типа CLNS. Для CLNS1
она составляет 1, 10 Мбит/с или выше. Для CLNS2 соответствуют ряду: 1200, 2400, 4800, 9600,
19200 и 64000 бит/с (допустимо в течение некоторого переходного периода использование скоро-
стей 48000 и 56000 бит/с).
Для CLNS1 в качестве физической среды распространения сигнала используют коаксиаль-
ный кабель, экранированную витую пару или ВОК. Для CLNS2 в качестве соединительных разъе-
мов допустимо использовать те, что поддерживают интерфейсные протоколы Х.21, X.21bis и ин-
терфейсы серии V.n. Из широко известных к ним относятся: Х.21 и V.35, а из не очень широко из-
вестных: ISO 2110 (X.21bis), ISO 2593 (Х.21, X.21bis), ISO 4902 (X.21bis) и ISO 4903 (X.21)
[104,105]. Описание сигналов на контактах и их соответствие сигналам интерфейсов Х.21 и
X.21bis также приведены в рекомендации ITU-T Q.811 [73].
6.3.4.2. F-интерфейс
Согласно общей концепции, местоположение интерфейса F соответствует положению эталонных
точек f Как было указано выше, через интерфейс F сеть DCN связана с рабочей станцией WS -
монитором управляющей системы. Благодаря этой связи, обеспечивается выполнение функций
OSF и MF, осуществляющих, как было описано выше, ряд управляющих действий, например:
- общую обработку управляющей информации,
- реализацию функции управляющего приложения OSF-MAF,
- обработку информации, передаваемой между блоками OSF и NEF (или QAF),
- реализацию функции управляющего приложения MF-MAF.
Г лава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 211
Возможностей управления сетью через интерфейс F со стороны диспетчера сети, сидящего
за дисплейным пультом управления WS, достаточно много даже на уровне основных функций
управления, включающих (см. разд. 6.3.2):
- общие функции управления,
- управление потоками сообщений о возникновении аварийных ситуаций,
- управление рабочими характеристиками оборудования,
- управление конфигурацией,
- управление билингом (выставлением счетов),
- обеспечение надежности и сохранение безопасности функционирования системы,
- тестирование системы.
Более подробно эти возможности перечислены в приложении А к рекомендации ITU-T
М.3300 [66].
6.4. Методы управления сетью SDH
6.4.1. Элемент-менеджер
Элемент-менеджер ЕМ - прикладной программный продукт, разрабатываемый производителями
оборудования SDH для управления и мониторинга отдельных элементов сети SDH. Его также на-
зывают узловым менеджером NM, так как фактически он управляет узлом сети SDH, который
может содержать несколько элементов (мультиплексоров) SDH.
Элемент-менеджер осуществляет следующие основные функции:
• инсталляцию и конфигурацию новых узлов сети,
• изменение конфигурации предварительно сконфигурированных узлов сети,
• мониторинг состояния узлов и характеристик производительности узлов сети.
Важно, что ЕМ может быть использован для управления не только локальными, но и уда-
ленными узлами сети. Его можно использовать в полевых условиях для ремонтных работ на трас-
се сети, а также для контроля за функционированием узлов.
Элемент-менеджеры ЕМ могут быть реализованы на различных компьютерных платфор-
мах в том числе и на IBM PC совместимых компьютерах (как правило, в варианте исполнения
ноутбук”) под управлением различных OS, например, Windows (версий 95, 98, NT). Информация,
олучаемая в процессе работы ЕМ, может храниться в файле или в базе данных, используемой се-
евым менеджером NM сети SDH. ЕМ обычно имеет интерфейс для подключения к локальной се-
и Ethernet и возможность работать с протоколом Q3.
Основное окно ЕМ, кроме стандартных для оконных интерфейсов опций - Options,
В indow, Help, содержит по крайней мере следующие опции основного меню:
• Node - для работы с узлом или элементом сети,
• Data - для отображения хранящейся информации,
• Monitor - для мониторинга сообщений о возникновении аварийных ситуаций и рабочих характе-
ристиках оборудования,
• Configure - для инсталляции новых узлов и изменения конфигурации узлов.
На рис. 6-12, на примере узлового менеджера Synfonet NM компании Nokia [121], показан
сновного окна приложений элемент-менеджера, в котором открыто еще одно окно “Subrack”
к а оборудования), где видны 17 слотов с установленными для данной конкретной конфигура-
|кш узла сменными блоками-картами. В этом окне показаны все основные параметры узла: имя
fName), тип (Туре), системный идентификатор (System ID), местоположение узла (Location), время
Node Time), версия (Release).
212 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Рис. 6-12. Вид основного окна приложений элемент-менеджера
Общие задачи, выполнемые элемент-менеджером, достаточно полно описаны в разд. 6.1, по-
этому здесь мы кратко остановимся только на некоторых практических аспектах выполнения наибо-
лее важных из этих задач: управления синхронизацией, конфигурирования кросс-соединений, мони-
торинга показателей ошибок и сообщений о возникновении аварийных ситуаций.
6.4.1.1. Управление синхронизацией
Конфигурация сети синхронизации каждого узла должна быть разработана в соответствии с пла-
ном синхронизации сети в целом, как описано выше (см. гл. 5). В соответствии с ним с помощью
элемент-менеджера (или узлового менеджера) осуществляются следующие начальные установки:
- устанавливаются источники, которые могут быть использованы в качестве эталонных;
- устанавливаются приоритеты в выборе эталонных источников;
- устанавливаются уровни качества передаваемых сигналов 2 Мбит/с и соответствующих им
сигналов синхронизации частотой 2 МГц;
- для каждого интерфейса STM-N выбирается либо фиксированный уровень качества, либо воз-
можность использования сообщений о статусе синхронизации SSM;
- выбирается сигнал таймера, который посылается с внешнего интерфейса.
Так как сигналы 2 Мбит/с и входные сигналы синхронизации 2 МГц не всегда несут сооб-
щений SSM (это имеет место, если они сформированы старым PDH-оборудованием), оператор
может установить им желаемый уровень качества (с помощью ЕМ) вплоть до PRC, если входной
сигнал 2 МГц был взят от источника высокого класса.
ЕМ может использовать три режима работы системы синхронизации:
• режим использования списка приоритетов для выбора наилучшего возможного источника син-
хронизации в качестве эталонного из списка, сформированного в соответствии с приоритетами;
• режим ручного выбора источника синхронизации-,
• режим удержания синхронизации. » л ; я?у у^ж ‘ч •
Образец экрана ЕМ, отображающего режим удержания синхронизации (HOLD), показан на
рис. 6-13 [121].
На экране показан режим режим удержания синхронизации (HOLD) и видны два окна: од-
но со списком приоритетов источников (STM-1 и Internal), другое - со списком возможных источ-
ников. В обоих списках указаны имена источников, уровни их качества, метод выбора (напр.,
вручную (Man) или с помощью сигнала SSM) и доступность в данный момент. На экране также
есть панели режимов и статуса источника.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 213
Node Dock | Output ] Qudty |
Health , Good J
Current Source Internal
-Mode * —- -
Priority List . P Manual
I- Auto Refresh :••
Г" Calibrate Internal Clock .
C Hold-Over
U7 2M «3
U7 2M Я4
U7 2M tt5
U7 2M ttS
G.812T
G.812T
G.812T
G.8I2T
Not OK
Not OK
Not OK
Not OK
Man
Man
Man
Man
Рис. 6-13. Вид экрана EM, отображающего режим синхронизации
6.4.1.2. Конфигурирование кросс-соединений
Мультиплексоры ввода/вывода и блоки кросс-коммутации способны осуществлять кросс-
соединения на уровне различных виртуальных контейнеров в зависимости от типа оборудования
SDH и его производителя. Однако если кросс-соединение на уровне VC-3 и VC-2 (триб 6 Мбит/с)
делают только некоторые производители, а для VC-2, как правило, только по запросу пользовате-
ля, то на уровне VC-4 и VC-12 (для европейских потребителей) кросс-соединения реализованы
практически на любом типе оборудования SDH. Режим такого соединения - двунаправленный.
Конфигурирование кросс-соединений может быть осуществлено элемент-менеджером по
специальной таблице кросс-соединений, формируемой в процессе конфигурации узла.
6.4.1.3. Мониторинг аварийных сообщений и рабочих характеристик
Сообщения об аварийных ситуациях могут отображаться как аппаратными средствами (например,
светодиодными индикаторами LED), так и программным путем на экране дисплея ЕМ. При этом
на экране может отображаться:
- источник аврийной ситуации;
- степень серьезности или статус проблемы (путем использования различных цветов у индикатора);
- список аварийных сообщений, относящихся к данному узлу;
- список аварийных сообщений, относящихся к данному блоку;
- журнал событий - log, отображающий список всех аварийных сообщений, случившихся за оп-
ределенный период времени, в том числе и тех, что были стерты.
Цвет индикатора аварийной ситуации или сообщения о возникновении аварийной ситуа-
ции может быть различный, например: красный, желтый и белый - в зависимости от степени серь-
езности проблемы, отражаемой индикатором или сообщением:
• красный - наиболее серьезная проблема, требующая активных действий, например, резервного
переключения,
• желтый - предупреждение о возможном критическом значении параметра,
• белый - указание, что все в порядке.
Иногда аварийные сообщения разбиваются на две группы A-сообщения и В-сообщения,
где A-сообщения эквивалентны критическим, или главным, а В-сообщения - второстепенным по
214 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
степени серьезности последствий. Кроме А- и В-сообщений могут использоваться и D-сообщения,
сигнализирующие об отключении А- и В-сообщений определенной группы.
Что касается мониторинга показателей ошибок и рабочих характеристик блоков, то режим
мониторинга (например, 15 минутные или 24 часовые интервалы) может быть установлен с помо-
щью ЕМ. Соответствующие результаты мониторинга сохраняются так, как было описано выше. В
табл. 6-6 показаны типы ошибок, фиксируемых при мониторинге - ES, SES, BE, UAS, и типы
функциональных блоков, для которых они вычисляются - RST, MST, HPT, LPT, EPPL
В таблице используются следующие обозначения:
ES _ - секунда с ошибками,
SES - секунда с серьезными ошибками,
BE - блок с ошибками,
UAS - недоступные секунды,
RST - окончание регенераторной секции,
MST - окончание мультиплексной секции,
НРТ - окончание маршрута контейнеров VC верхнего уровня,
LPT - окончание маршрута контейнеров VC нижнего уровня,
EPPI 2М - физический интерфейс PDH 2 Мбит/с,
EPPI 34М - физический интерфейс PDH 34 Мбит/с,
EPPI 45М - физический интерфейс PDH 45 Мбит/с,
EPPI140М- физический интерфейс PDH 140 Мбит/с,
BSMM - bsmm - байт-синхронный режим отображения,
АММ - amm - асинхронный режим отображения.
Таблица 6-6. Типы ошибок, фиксируемых при мониторинге
Функциональные блоки Типы ошибок
ES SES BE UAS
RST -1- + -t- -1-
MST -t- -t- -1- -t-
НРТ -t- -1- -t-
LPT + + -t- 4-
EPPI 2М (bsmm) + + + 4-
EPPI 2М (amm) -t-
EPPI34M (amm) 4- -i- +
EPPI 45M (amm) + + +
EPPI 140M (amm) + + +
6.4.2. Сетевой менеджер
Сетевой-менеджер NM - это прикладной программный продукт, разрабатываемый производите-
лями оборудования SDH для управления и мониторинга сетью SDH в целом. Он осуществляет це-
лый ряд функций управления, отмеченных выше в разд. 6.1, и задач сетевого управления в рамках
сетевого уровня модели OSI, среди которых:
- мониторинг - проверка маршрута (тракта) передачи,
- управление сетевой топологией,
- осуществление сетевого сервиса и обработка информации от сетевых элементов NE.
Функции управления, осуществляемые NM, как правило, соответствуют ряду рекоменда-
ций и стандартов, среди которых ITU-T Rec. G.784 [23], М.3010 [60], Х.217 [99], Х.227 [100], Х.219
[101], Х.229 [102], ISO 9595 [103], ISO 9596 [83] и ряд других стандартов группы М.3000-М.3400.
Как и ЕМ, но в более широких масштабах, NM осуществляет:
- обработку аварийных сообщений,
- управление рабочими характеристиками,
- управление конфигх рацией.
- управление программой обслуживания сети и тестирования ее элементов,
- управление безопасностью системы,
- административное управление.
В отЛичие от ЕМ менеджер NM реализуется, как правило, на достаточно мощных PC
платформах, работающих под OS Unix или OS Solaris (Unix-подобная OS), таких как рабочие
станции SUN SPARC (OS Solaris) или Hewlett Packard (с программной платформой HP OpenView,
работающей под OS Unix).
Используемое программное обеспечение, как правило, разрабатывается самой фирмой, хотя в
последнее время наметилась тенденция использования платформы “HP OpenView” - сетевого менеджера
компании Hewlett Packard, как одного из наиболее совершенных, в качестве основы для создания NM.
Рассмотрим в качестве образца сетевой менеджер Syncom eNM компании ECI [122]. Он
реализован на базе рабочей станции SUN SPARC по управлением OS Solaris. NM может управлять
как полнофункциональными мультиплексорами SDH (SDM) уровней STM-1, STM-4 и STM-16, так
и мультиплексорами класса “micro” (p.SDM-1/Е), а также оборудованием WDM, включая оптиче-
ские усилители различного класса (см. ниже разд. 10.1).
Syncom eNM имеет семь основных (кроме Exit и Help) опций. Шесть из них в точности со-
ответствуют шести перечисленным выше задачам управления - Alarm, Performance,
Configuration, Maintenance, Security, System. Седьмая - Trails, позволяет моделировать и форми-
ровать маршруты потоков данных в сети, резервировать маршруты и управлять ими.
Каждая опция позволяет генерировать свои экраны в соответствии с элементами меню опции,
отображающими выполняемую функцию или задачу. На рис. 6-14 представлен основной экран NM с
открытыми окнами: фильтрации потока аварийных сообщений, конфигурации карт на полке 211 и
конфигурации трибов 2 Мбит/с в на 16-портовой интерфейсной карте TR2-16S в слоте 106.
Рис. 6-14. Вид экрана сетевого менеджера eNM
Существуют два режима работы NM: режим управления (master mode) и режим мони-
торинга (monitor mode). Режим управления обеспечивает полный доступ ко всем возможностям и
опциям NM, кроме возможности импорта сохраненного файла конфигурации (доступного в режи-
ме мониторинга). В режиме мониторинга осуществляется, как правило, сбор и оценка показателей
216 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
работоспособности системы (см. разд. 6.4.5.2), все остальное запрещено. Ниже кратко описаны
возможности указанных семи опций.
6.4.2.1. Обработка аварийных сообщений
Эта опция позволяет:
- отображать текущие сетевые аварийные сообщения;
- просматривать текущие аварийные сообщения в соответствии с выбранным критерием, т.е.
осуществлять фильтрацию аварийных сообщений;
- вести журнал аварийных сообщений и допускать его просмотр в соответствии с выбранным
критерием, например, для выбранного NE, на заданном отрезке времени, для конкретной сте-
пени серьезности аварийного сообщения (severity level);
- присваивать определенные степени серьезности аварийным сообщениям (например, критиче-
ское, главное, второстепенное сообщения);
- устанавливать подачу звуковых сигналов для отдельных типов аварийных сообщений.
Особенность обработки аварийных сообщений заключается в возможности их маскирова-
ния, т.е. создания “маски” (развернутого логического условия), позволяющей исключить возмож-
ность отображения определенных типов аварийных сообщений или измененить степень серьезно-
сти их отображения на экране. Это делается для того, чтобы сконцентрироваться на нужных типах
сообщений (например, при анализе конкретной аварийной ситуации). На рис. 6-14 слева видно та-
кое окно. Существует ряд возможностей устанавливать маски как для степени серьезности ава-
рийных сообщений, так и для типа события, классифицированного как аварийное сообщение.
6.4.2.2. Управление рабочими характеристиками
Эта опция дает оператору или менеджеру сети возможность:
- открыть и просмотреть окно с итоговыми данными по рабочим характеристикам для конкрет-
ного сетевого элемента, пользователя или испытуемой линии;
- просмотреть динамику изменения рабочих характеристик конкретного элемента поинтервально
(выбирая интервалы в 15 мин или 24 ч);
- установить временные интервалы, используемые для определения характеристик качества об-
служивания QOS;
- сбросить счетчики, используемые при определении (вычислении) рабочих характеристик;
- установить пороги, формирующие допуски на значения параметров, используемых в процессе
мониторинга;
- собирать данные мониторинга для объектов типа VC-4.
6.4.2.3. Управление конфигурацией
Эта опция позволяет:
- добавлять/убирать сетевые элементы/узлы в/из сети;
- создавать и редактировать группы сетевых элементов/узлов;
- создавать/уничтожать временные связи между любым разрешенным спецификацией кросс-
коммутируемым трибным портом и сетью, включая создание соединений для локальной, плани-
руемой (линия-порт/порт-линия) и проходной (сквозной) кросс-коммутации для реализации функ-
ций ввода/вывода, прямой передачи со входа на выход (сквозного пропуска потока) и вещания-,
- присваивать и модифицировать атрибуты сетевых элементов;
- назначать сменным блокам (картам) соответствующие слоты на полке размещения оборудова-
ния (или в кассете);
- выбирать возможный источник синхронизации в качестве эталонного и устанавливать время
для сетевых элементов/узлов;
- конфигурировать сетевые элементы/узлы и сетевую топологию;
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 217
- конфигурировать матрицу защиты трибов (ТРМ);
- конфигурировать схему включения бустерного оптического усилителя.
На рис. 6-14 (в центре и справа) показаны два окна, позволяющие просмотреть текущую
конфигурацию трибной карты TR2-16s мультиплексора SDH.
6.4.2.4. Управление маршрутизацией потоков данных в сети
Эта опция позволяет:
- формировать в автоматическом режиме маршруты потоков данных (trail routes), используя
схему топологии сети, типы мультиплексоров, адреса терминальных точек клиентов, требуе-
мые емкости каналов данных и другую информацию;
- корректировать или заново формировать потоки данных (trails) вручную, используя сведения
о ресурсах сети SDH и ограничениях, существующих на отдельных ее участках;
- осуществлять мониторинг потоков данных на основе задания точек мониторинга РОН VC
нижнего уровня (точек LPOM);
- формировать следующие типы защиты потоков данных: без защиты, полная (двунаправленная),
частичная (путем дублирования контейнеров), типа SNCP (см. разд. 2.6), дублирование на
уровне ОВ, защита на уровне серверного потока данных (использующего блоки верхнего уров-
ня, например, AU-4, для защиты инкапсулированных в нем потоков нижнего уровня);
- реконфигурацию трафика и восстановление потока данных;
- просмотр списка потоков данных по клиентам/пользователям;
- визуальное представление неиспользованных ресурсов по потокам данных на определенном
сегменте сети на карте сети.
6.4.2.5. Управление программой обслуживания сети и тестирования ее элементов
Эта опция позволяет:
- оперировать на выбранных оконечных точках, перенаправлять выходящие и входящие сигна-
лы, организовывать шлейфы как на ближнем, так и на дальнем концах;
- осуществлять диагностику выбранного элемента/узла;
- осуществлять перезагрузку системы управления;
- искусственно инициировать поток аварийных сообщений и сигналов сбоя для выбранного объ-
екта и посылать сигналы AIS и FERF;
- блокировать автоматическое защитное переключение активного кольца;
- вручную переключать активное кольцо на резервное;
- осуществлять выбор источника синхронизации;
- просматривать список операций по обслуживанию, проведенных для данного NE;
- осуществлять резервное переключение трибных карт с помощью матрицы защиты трибов ТСМ;
осуществлять операции на уровне виртуальных контейнеров VC для поддержки операций с ТСМ.
Общее управление обслуживанием регламентируется стандартом ITU-T Rec. М.20 [76].
6.4.2.6. Управление безопасностью системы
>та опция позволяет:
устанавливать и менять пароли;
менять список пользователей, имеющих авторизованный доступ;
создавать списки групп пользователей с определенным уровнем доступа;
администратору системы разрабатывать иерархию уровней допуска пользователей;
блокировать рабочую станцию с установленной на ней eNM;
контролировать список пользователей, работающих в данный момент с системой.
Общее управление безопасностью регламентируется стандартом ITU-T Rec. М.3016 [357].
218 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
6.4.2.7. Административное управление
Эта опция позволяет:
- осуществлять копирование исторически важных данных в базу данных;
- осуществлять резервное копирование баз данных;
- загружать базы данных информацией из файлов пользователя и NM;
- распечатывать отчеты и сообщения, как стандартные для системы, так и сформированные опе-
ратором или администратором;
- загружать (в том числе и дистанционно) новые версии программного обеспечения и заменять
программные модули системы в NE, используя возможности каналов передачи данных;
- осуществлять процедуры регистрации пользователей системы NM;
- проверять наличие отклика (ping) со стороны любого NE на запросы со стороны eNM;
- просматривать текущую информацию о NM;
- изменять режим работы eNM (с режима Master на Monitor и обратно).
6.4.3. Сеть управления на основе каналов DCC
Рассмотрим некоторую обобщенную практическую двухуровневую схему управления сетью SDH,
которая состоит, например, из колец SDH, а кольцо состоит из нескольких узлов - мультиплексо-
ров. Соединение колец и узлов формирует SMN. Такое соединение можно сделать, используя либо
встроенные каналы связи DCC, которые обеспечиваются самим оборудованием SDH, либо внеш-
нюю кабельную проводку между узлами, реализующую сеть Х.25 или Ethernet. В любом случае
каждый узел должен быть доступен для управления. Для защиты наиболее важных участков сети
управления может использоваться резервирование.
Маршрутизация в сети управления может осуществляться, например, на основе протокола
связи между конечной и промежуточной системами ES-IS [106] или протокола связи между
промежуточными системами IS-IS [107], взятых из протоколов, обслуживающих интерфейс Q3.
Это обеспечит автоматическую маршрутизацию как в процессе инсталляции сети, так и при возник-
новении ошибок в сети, то-есть, если какое-то звено сети неисправно, то используется альтернатив-
ный маршрут. Схема маршрутизации должна автоматически изменяться и при изменении конфигу-
рации. Обычно используют два-три канала DCC на один узел, чтобы время маршрутизации не было
большим, однако при необходимости их число может быть увеличено до семи.
Элемент-менеджер
Рис. 6-15. Схема управления
сетью SDH
На рис. 6-15 приведена прак-
тическая схема управления сетью
SDH, состоящей из двух колец по
четыре мультиплексора в каждом,
с элемент-менеджером ЕМ
(нижний уровень управления),
подключенным к одному из узлов
сети (мультиплексору) через ин-
терфейс F, и сетевым менедже-
ром NMS (верхний уровень
управления), подключенным через
локальную сеть к сети SDH через
интерфейс Q3. Это может быть ло-
кальный (для данного кольца) или
центральный менеджер. Кольца
также соединены между собой по
контуру управления через интер-
фейс Q3.
Г лава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 219
6.4.3.1. Спецификация интерфейсов управления
С учетом вышесказанного, приведем сводные данные по локальной сети и интерфейсам управле-
ния Q3 и F. Для конкретного примера выберем LAN Ethernet типа 10BASE2, которой соответству-
ет набор протоколов CLNS1. Тогда профили стеков протоколов SDH и Q3 и протоколы маршрути-
зации, используемые в управлении сети SDH, регламентируются стандартами и рекомендациями,
приведенными в табл. 6-7.
Элемент-менеджер формально соединен с сетью через интерфейс F, фактически же (при
использовании локальной сети Ethernet) это тот же интерфейс Q3 с указанными протоколами
уровня 2. Учитывая, что применена сеть Ethernet 10BASE2 с тонким коаксиальным кабелем, ис-
пользуются соединительные разъемы типа BNC с импедансом 50 Ом.
Таблица 6-7. Стеки протоколов для управления сетью SDH
Профиль стека SDH Управление сетью SDH ITU-T G.784 [23]
Уровни 1 - 3 ITU-T Q.811 [73]
Уровни 4-7 ITU-T Q.812 [74]
Стек протоколов Q3 Уровень 2 ITU-T Q.921 LAPD для DCC [79]
LLC1 (ISO 8802-2) для Ethernet [95]
Уровень 3 CLNP ISO 8473, ISO 8348/AD2 [81,108]
Уровень 4 ITU-T X.214, X.224 [109,110]
Уровень 5 ITU-T X.215, X.225 [111,112]
Уровень 6 ITU-T X.216, X.226 [113,114]
Уровень 7 ACSE: CCITT X.217, X.227 [99,100]
ROSE: CCITT X.219, X.229 [101,102]
CMISE: ISO 9595-1, ISO 9596-1 [103,83]
Протоколы маршрутизации ES-IS ISO 9542 [106]
IS - IS ISO 10589 [107]
6.4.3.2. Адресация точки доступа сетевого сервиса NSAP
Каждый узел сети управления должен иметь свой адрес точки доступа сетевого сервиса NSAP.
Этот адрес присваивается узлу при инсталляции. Он уникален и служит для идентификации узла
при его подключении к ЕМ или NMS.
При управлении конкретной сетью важным параметром является максимальное число узлов
мультиплексоров), управление которыми возможно. Допустим, что это число равно 100. Тогда, если
пело узлов в результате роста сети превысило этот показатель, то сеть управления должна быть разбита
а области с меньшим числом управляемых узлов. Если такое разбиение нужно, то оно должно быть
роведено с учетом целого ряда ограничений, обычно указываемых в руководствах по маршрутизации.
Некоторые вещи полезно знать для того, чтобы осуществить такое разбиение:
- наиболее удобной топологией для сети управления, имеющей несколько областей, является то-
пология звезды (например, область в виде квадрата, можно разбить делением сторон пополам,
что дает 4 симметричные области с центром в центре квадрата),
- области управления могут не иметь ничего общего с топологией транспортной сети SDH (хотя
это и рекомендуется),
используя портативный компьютер в качестве ЕМ, нужно помнить, что при переходе из облас-
ти в область надо менять адрес NSAP у портативного компьютера.
Не рассматривая подробно процедуру разбиения на управляемые подобласти, укажем од-
ако, что возможность такого разбиения важна тем, что позволяет планировать использование бо-
ее совершенных уровней маршрутизации. Например, уровень 1 протокола IS-IS позволяет осу-
ествлять маршрутизацию только внутри одной области, тогда как уровень 2 позволяет осушест-
ять маршрутизацию и между областями в пределах одного домена.
220 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Структура адреса NSAP показана рис. 6-16. Максимальная длина его - 20 байтов.
Начальная часть домена IDP Специфическая часть домена DSP
AFI IDI Адрес области АА Идентификатор системы SID NSEL
Рис. 6-16. Структура адреса NSAP
Адрес NSAP состоит из двух частей: начальной и специфической частей домена, ISP и
DSP. Начальная часть домена IDP в свою очередь состоит из двух полей: поля идентификатора
полномочий и формата AFI (длиной в 1 байт) и начального идентификатора домена IDI (дли-
ной в 2 байта). Структура специфической части домена DSP соответствует протоколу IS-IS, вы-
бранному в нашем примере в качестве протокола маршрутизации. Поля фиксируются локальной
схемой нумерации, которой они и следуют. Так как нет жестко регламентирующих правил нуме-
рации адреса, то лучше придерживаться схемы нумерации, данной в стандарте ISO 10589 [107] для
данного протокола. Пример генерации и использования адреса NSAP приведен в гл. 7.
Внутри одной области начальная часть домена IDP и адрес области АА (длиной в 10 бай-
тов) постоянны. Только идентификатор системы SID (длиной в 6 байтов) изменяется от узла к
узлу в одной области, но его размер остается постоянным. Поле NSEL имеет длину в один байт и
принимается постоянным и равным 0.
6.4.3.3. Использование сети Ethernet для управления
Если в качестве локальной сети используется сеть Ethernet, то узлы в одной станции могут быть
соединены с помошью стандартных кабелей Ethernet. Максимальное число узлов сети Ethernet, ко-
торое может иметь одна станция (один или несколько узлов, имеющих одно функциональное на-
значение) сети SMN, ограничено.
Это может быть, например, 15, что ог-
раничивает общее число узлов сети SMN, под-
ключенных к сети Ethernet. Образующиеся от-
дельные “островки” сети Ethernet могут быть
соединены мостами, причем каждое такое со-
единение засчитывается как один дополни-
тельный узел сети Ethernet.
Все подключения кабелей к панели
разъемов мультиплексоров SDH (полок в преде-
лах одной стойки), при объединении нескольких
узлов SMN кабелями Ethernet, должны быть
сделаны до инициализации сети Ethernet так, как
показано на рис. 6-17. Если такими же кабелями
соединяются стойки, то должен соблюдаться тот
же принцип соединения. При наличии разного
числа (1 или 2) блоков управления CU на пол-
ках необходимо следовать указаниям руково-
дства по установке полок в стойку от конкрет-
ного производителя оборудования.
Рис. 6-17. Соединение трех узлов (полок) на
стойке кабелем Ethernet
6.4.3.4. Служебные каналы и внешние интерфейсы
Как уже упоминалось выше, заголовки SOH и РОН фрейма STM-N имеют достаточно большую
резервную емкость, которая может быть использована для формирования различных служебных
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 221
каналов. Общий объем заголовка составляет 90 (81+9) байт. Использование каждого байта эквива-
лентно формированию канала емкостью 64 кбит/с. Все указанные байты могут быть разделены на
три типа (см. рис. 6-18):
- байты, которые не могут эксплуатироваться пользователями SDH оборудования (их 36, они
Рис. 6-18. Байты SOH и РОН и возможности их
использования
байты, которые специально предназначены
для использования в служебных целях или
для создания служебных каналов (их 16,
они помечены символом и номером); к ним
относятся, например, канал DCCR
(D1,D2,D3), имеющий скорость 192 кбит/с
для обслуживания регенераторных секций,
канал DCCM (D4-D12) - 576 кбит/с для об-
служивания мультиплексных секций; кроме
этого существуют еще 4 байта - El, Е2 и F1,
F2, зарезервированые для создания четырех
каналов емкостью 64 кбит/с,
байты, к которым пользователь имеет дос-
туп, но функции которых не регламентиро-
ваны стандартами (их 38, они никак не по-
мечены).
Последние две группы байтов могут быть сгруппированы для создания служебных каналов
и скоммутированы на внешние интерфейсы, к которым может подключаться пользователь SDH
оборудования. Число таких интерфейсов (а значит и вариантов группирования) зависит от произ-
водителя оборудования. Например, компания Nokia в мультиплексорах уровня STM-1, 4 обеспе-
чивает 4-6 таких интерфейсов (рис. 6-19 [115]).
Рис. 6-19. Возможная схема коммутации внешних интерфейсов
222 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Как видно из рис. 6-19 и описано в [115], блок внешних интерфейсов позволяет осущест-
вить ряд вариантов группирования каналов, а также следующие функции:
- подключение физических интерфейсов (например, V.11 или G.703) к выбранным байтам заго-
ловка фрейма STM-N;
- две специальные функции с гибридным набором данных DH 1, DH 2 для данных, взятых из
избранных байтов заголовка фрейма ОН или из физического интерфейса V.l 1;
- подключение стека Q3 к выбранным байтам заголовка фрейма ОН или к внешнему физическо-
му интерфейсу (AUX-3).
Такая организация внешних интерфейсов и наличие гибридных наборов данных позволяет
с помощью сети SDH осуществлять управление PDH оборудованием, подключенным к мультип-
лексорам SDH с помощью интерфейсов V.11, используя каналы управления 64 кбит/с, сформиро-
ванные пользователем на основе байтов заголовка фрейма ОН 1,2,3,4. Это дает возможность соз-
давать на базе единой сети управления гибридные PDH-SDH комплексы, продляя жизнь оборудо-
ванию PDH.
Использование стека Q3 вместе с каналами данных через AUX-3 позволяет осуществить
маршрутизацию управляющей информации через сеть, которая не может напрямую использовать
каналы ЕСС.
6.5. Физический интерфейс G.703
Использование современных систем телекоммуникаций возможно только при наличии соответст-
вующих стандартных интерфейсов в терминальных устройствах (устройствах приема и передачи
сигналов). Ряд таких интерфейсов хорошо известен, ввиду их универсальности, например, RS-232
(или V.24), другие менее известны, ввиду их ориентации на определенные технологии телекомму-
никаций, например, V.35, G.703.
Если назначение и схема разводки сигналов одних интерфейсов, например, V.24, V.35,
приводится практически во всех специализированных справочниках и приложениях к каталогам
телекоммуникационного оборудования, то информацию о других, например, об интерфейсе G.703,
приходится черпать из описания регламентирующих их стандартов.
В связи с широким распространением технологий цифровой передачи данных, например
таких как PDH и SDH, пользователи каналов 64 кбит/с и 2 Мбит/с столкнулись с необходимостью
обеспечить стыковку уже имеющейся терминальной аппаратуры с интерфейсом G.703, применяе-
мым в этих технологиях. Полную информацию об этом интерфейсе можно найти, в основном, из
описания рекомендации ITU-T Rec. G.703 [14], краткие данные - в статье [26], основанной на вер-
сии стандарта [14] 1988 г.
Большинству пользователей для понимания того, что это за интерфейс и в каких случаях
его нужно использовать, такого исчерпывающего описания, как правило не требуется. Поэтому
ниже дано краткое описание особенностей этого интерфейса, основанное на последней опублико-
ванной версии стандарта [14], его использование и сведения о существующих конвертерах интер-
фейсов.
Интерфейс G.703 в мире телекоммуникаций используется достаточно давно. Впервые он
был описан в упомянутой рекомендации G.703 (“Физические и электрические характеристики ие-
рархических цифровых интерфейсов”) еще в 1972 г., как интерфейс ИКМ, однако окончательно
сформировался в редакциях этого стандарта 1984 и 1988 годов как интерфейс PDH. Затем он был
дополнен в 1991 г. электрическим интерфейсом STM-1 SDH (155.52 Мбит/с) и переиздан в “Белой
книге” стандартов ITU-T (03.93) как рекомендация 1991 г. Наконец, в конце 1998 г. он был допол-
нен двумя приложениями, касающимися интерфейсов на скоростях, соответствующих АС и ЯС, и
практически не изменился для ЕС по отношению к рекомендации 1991 г.
Формально стандарт G.703 основан теперь на целом ряде стандартов CCITT и 1TU-T:
G.702 [13], G.704 [15], G.742 [10], G.747 [351], G.751 [261], G.752 [352], G.753 [345], G.755 [353],
К.27 [354], К.41 [355] и стандарте IEC 60469-2 [356]. Таким образом, он фактически обслуживает
все электрические интерфейсы сетей с иерархией как PDH, так и SDH.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 223
6.5.1. Физические и электрические характеристики интерфейса G.703
Физические и электрические характеристики данного интерфейса регламентированы стандартом
ITU-T G.703 для обеспечения возможности соединения различных элементов цифровых сетей с
целью формирования международных линий связи или соединений.
В соответствии с этим описаны характеристики интерфейсов для скорости передачи дан-
ных, соответствующих скорости основного цифрового канала (ОЦК) 64 кбит/с (п.4), а также ско-
ростям, порождаемым цифровыми PDH иерархиями: АС - 1544, 6312, 32064, 44736 кбит/с (п.5-8),
ЕС - 2048, 8448, 34368, 139264 кбит/с (п.9-12). В п.13 описан интерфейс сигнала синхронизации
2048 кГц. В п.14 описана также ЯС, ее третий и четвертый уровни для скоростей 32064 и 97728
кбит/с (ее первые два уровня совпадают с АС, см. п.1.5.1). Дополнительно (в п.15) описаны харак-
теристики электрического интерфейса для скорости, соответствующей первому уровню SDH ие-
рархии, 155.52 Мбит/с (оптический интерфейс для скоростей всех уровней SDH иерархии описан в
стандарте ITU-T G.957 [24], см. выше).
Для сигналов со скоростями пх 64 кбит/с (п = 2,3, ... ,31), проходящих через оборудование
первичного уровня 2048 кбит/с, характеристики интерфейса те же, что и для 2048 кбит/с. Если же
оборудование специфицировано для 1544 кбит/с, то характеристики интерфейса для таких сигна-
лов (но сп = 2,3, ... ,23) те же, что и для 1544 кбит/с.
Стандарт не регламентирует характеристики интерфейсов для сигналов не относящихся к
указанным категориям.
6.5.1.1. Основные характеристики интерфейса
Основными характеристиками интерфейса G.703 являются:
• тип организации взаимодействия аппаратуры интерфейса - три типа, см. ниже;
• скорость передачи данных и частота синхронизирующего сигнала
• тип кода или алгоритм его формирования
• форма (маска) импульса и соответствующее поле допуска
• тип используемой пары для каждого направления передачи
• нагрузочный импеданс:
- для коаксиального кабеля
- для симметричной пары
• номинальное пиковое напряжение импульса
• пиковое напряжение при отсутствии импульса
- указана выше;
- зависит от скорости, см. ниже;
- зависит от скорости, см. G.703;
- коаксиальная/симметричная;
- 75 Ом (активный);
- 100-120 Ом (активный);
- 1,0 В (нормируемое),
- 1 -3 В (фактическое);
- 0 ± 0,1 В (нормируемое),
- 0,1-1 В (фактическое);
• номинальная ширина импульса - зависит от скорости, см. ниже
• отношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов - 0,95 - 1,05;
• отношение ширин положительного и отрицательного импульсов - 0,95 - 1,05;
• максимальное дрожание фазы на выходном порту - соответствует ITU-T G.823.
Как видно из этого перечня, ряд характеристик зависят от скорости передачи, а тип кода,
как указано в стандарте, зависит еще и от типа организации взаимодействия аппаратуры интер-
фейса. Рассмотрим более подробно некоторые из этих характеристик.
6.5.1.2. Тип организации взаимодействия аппаратуры интерфейса
а характеристика регламентирована только для скорости 64 кбит/с, при которой через интер-
4>ейс передаются три типа сигналов: информационный сигнал, 64 кбит/с, и два синхронизирую-
щих, или тактовых сигнала, 64 и 8 кГц.
224 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Стандартом предусмотрено три типа организации взаимодействия терминальной (управ-
ляющей-управляемой или приемной-передающей) аппаратуры между двумя терминальными уст-
ройствами: сонаправленный, с центральным тактовым генератором и противонаправленный.
Сонаправленный интерфейс (codirectional interface) СНИ - тип интерфейса, при котором
как информационный, так и тактовый (синхронизирующий) сигналы направлены в одну сторону:
терминалы равноправны и симметричны: оба указанных сигнала передаются от каждого терми-
нала к каждому (рис. 6-20).
Терминал
Терминал
---- Информационный сигнал
----Тактовый сигнал
Рис. 6-20. Сонаправленный интерфейс для скорости 64 кбит/с
Интерфейс с центральным тактовым генератором (centralized clock interface) ЦГИ -
тип интерфейса, при котором тактовые сигналы направлены от центрального тактового генера-
тора к обоим терминалам, а информационный сигнал как и раньше симметричен и может пере-
даваться от каждого терминала к каждому (рис. 6-21).
Терминал
----- Информационный сигнал
-----Тактовый сигнал
Рис. 6-21. Интерфейс с центральным тактовым генератором для скорости 64 кбит/с
Оба вышеописанных интерфейса рекомендуется использовать для синхронизируемых се-
тей и плезиохронных сетей, имеющих таймеры требуемой стабильности (см. ITU-T G.811 [118]).
Противонаправленный интерфейс (contradirectional interface) ПНИ - тип интерфейса, при
котором терминалы неравноправны и делятся на управляющий и управляемый; здесь тактовые
сигналы направлены только от управляющего терминала к управляемому, а информационный сиг-
нал как и раньше симметричен и может передаваться от каждого терминала к каждому (рис. 6-22).
Управляемый
терминал
Управляющий терминал
t
---- Информационный сигнал
----Тактовый сигнал
Рис. 6-22. Противонаправленный интерфейс для скорости 64 кбит/с
6.5.1.3. Особенности других характеристик интерфейса
Скорость передачи данных и частота синхронизирующего сигнала
Скорости передачи данных, указанные в стандарте, соответствуют (кроме 155,52 Мбит/с)
иерархиям PDH. Эти скорости, а также допуски на них, приведены в табл. 6-8. Для скорости 64
кбит/с и ЦГИ допуск определяется точностью использемого генератора (таймера). Тактовый сиг-
нал, использумый для синхронизации, может передаваться от отдельного источника, либо форми-
роваться из передаваемого информационного сигнала. Частота тактового сигнала может в таких
случаях совпадать или не совпадать с приведенной выше скоростью передачи данных и, в послед-
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 225
нем случае, она может быть в 2, 4, 8 раз меньше в зависимости от применяемого метода кодирова-
ния данных. Например, для скорости 64 кбит/с номинальной является тактовая частота 64 кГц, но
может использоваться и частота 8 кГц (октетная синхронизация).
Тип кода или алгоритм его формирования
Тип кода зависит не только от скорости передачи данных, но и от типа организации аппа-
ратуры интерфейса, например, для скорости 64 кбит/с. Из табл. 6-8 видно, что код не стандартизо-
ван только для скорости 64 кбит/с при использовании СНИ, это значит, что описание алгоритма
его формирования дается в самом стандарте, см. [14]. Если же код относится к классу известных и
алгоритмически описанных, как например, AMI, HDB3 и другие, то указывается его название и,
гели нужно, дается краткое описание его особенностей. Большинство кодов, указанных в табл. 6-8,
кратко описаны в разд. 1.4.5
4,29 мкс
(3.9 + 0,39)
7,8 мкс
(3,9 - 0,39)
Рис. 6-23. Маска импульса для скорости 64 кбит/с,
сонаправленный интерфейс
Рис. 6-24. Маска импульса для скорости 2048 кбит/с
Форма импульса и соответ-
ствующее поле допуска (маска
импульса)
Форма импульса и соответст-
вующее поле допуска (маска импуль-
са) приведены в стандарте отдельно
для каждой скорости передачи и типа
организации взаимодействия аппара-
туры интерфейса для скорости 64
кбит/с. Маски одиночного импульса
для скорости 64 кбит/с (сонаправлен-
ный интерфейс) и скорости 2048
кбит/с (Е1) приведены на рис. 6-23 -
6-24 [14], не только для иллюстрации,
но также для того, чтобы понять ха-
рактер и точность формирования до-
пуска (маски) импульса. Как правило,
формат маски представляет интерес
только для разработчиков интерфейс-
ных блоков.
Тип используемой пары и на-
грузочный импеданс
Как указано в табл. 6-8, мо-
гут использоваться либо коакси-
альный кабель, либо симметричная
пара проводов, либо то и другое
(см. табл. 6-8, позиция “импеданс”).
Тестируемый нагрузочный импе-
данс при использовании симмет-
ричной пары зависит от используе-
мой скорости передачи и варьиру-
ется в пределах 100 - 120 Ом.
Максимальные напряжения
импульса и уровень сигнала в паузе
Эти параметры зависят от ря-
да факторов, в том числе от скоро-
сти передачи и относительного
уровня шума, которые могут быть
указаны специально.
226 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Глава 6
Порядок значений возможных при этом уровней сигналов и шума можно оценить по до-
пускам на форму сигнала на рис. 6-23 - 6-24.
Ширина импульса
В стандарте указаны либо две ширины, соответствующие ширине импульса данных и ши-
рине тактового импульса, либо указана ширина кодированных импульсов, либо только номиналь-
ная ширина импульса данных (см. пояснения к табл. 6-8 ниже).
Остальные характеристики ясны из комментариев, указанных выше.
6.5.1.4. Интерфейс сигнала синхронизации 2048 кГц
Этот интерфейс рекомендуется использовать в тех случаях, когда нужно синхронизировать циф-
ровое оборудование с помощью внешнего источника синхронизации 2048 кГц (точность ±50x10'6).
Форма сигнала этого интерфейса должна соответствовать маске, приведенной на рис. 6-25.
В этой области
сигнал должен
быть монотонным
Т — средний период
синхронизирующего
сигнала
Рис. 6-25. Маска импульса для сиг-
нала синхронизации 2048 кГ ц
Здесь V означает максималь-
ное, a Vj - минимальное значение
амплитуды, что равно 1,5 В и 0,75
В соответственно для коаксиально-
го кабеля с импедансом 75 Ом и 1,9
Ви 1,0 В соответственно для сим-
метричной пары с импедансом 120
Ом. Максимальное дрожание фазы
на выходном порту - 0,05 Ш (двой-
ное пиковое значение). Форма за-
тухания сигнала выбрана так, что-
бы обеспечить устойчивость прие-
ма сигнала к дрожанию фазы на
входном порту.
Некоторые авторы предлага-
ют использовать (при указании на
этот интерфейс) ссылку на номер
параграфа в стандарте G.703, со-
держащего описание конкретного
интерфейса. В этом случае, напри-
мер, следуя этому предложению, для версии стандарта 1991 г. ссылка выглядела бы так: G.703/10,
а с учетом новой версии стандарта 1998 г. эта ссылка теперь должна выглядеть как G.703/13.
Это не совсем удобно, так как для однозначности интерпретации теперь требуется допол-
нительная ссылка на год издания стандарта. Поэтому кажется разумным остаться на старых пози-
циях и ссылаться на стандарт просто как на G.703, указывая в контексте, что имеется ввиду ин-
терфейс для сигнала синхронизации 2048 кГц, или интерфейс для сигнала Е1 - 2048 кбит/с.
6.5.2. Реализация интерфейса G.703
Физические и электрические характеристики интерфейсов: скорости передачи данных и их допус-
ки, а также соответствующие им типы кода, тип используемой пары и нагрузочный импеданс, но-
минальное напряжение импульса (амплитуда сигнала), напряжение при отсутствии импульса (ам-
плитуда паузы) и номинальная ширина импульса приведены в табл. 6-8.
Глава 6 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание 227
Таблица 6-8. Физические и электрические характеристики семейства интерфейсов G.703
Скорость, кбит/с 64 СПИ 64 ЦГИ 64 111111 1544 6312 32064 44736 2O4S S44S 34368 139264 •:-2s 155520
Допуск, хЮ1' +100 тай- мера +100 +32 +30 +10 +20 +50 +30 +20 ±15 ±10 ±20
Тип кода спец код AMI AMI AMI B8ZS B6ZS B8ZS5 AMI B3ZS HDB3 HDB3 HDB3 CMI AMI CMI
Импеданс (коакс.).о.н 75 75 75 75 75 75 75 75 75
Импе iaiic (симм.),ол< 120 110 120 100 110 120
Амплитуда сигнала,В 1,0 1,1 З,43 1,0 3,0 1,0 1,0 1,0 2,37 3,08 2,37 1,0 +0,55 2,3 ±0,55
Амп.ип зуда паузы. В 0,1 0,1 0,53 0,1 0,3 о,1 0,17б 0,27 0,2' 0,237 0,3s 0,237 0,1 ±0,059 0,23 ±0,059
Ширина импульса мкс, нс 3,9 7,82 15,6 7,84 15,6 7,84 323,5 79 15,6 11,2 244 59,0 14,55 3,59 5,12 3,216 6,432
Примечания:
1 Ширина импульсов приведена в мкс для скорости 64 кбит/с и в нс для остальных скоростей.
2 Пользователь должен иметь ввиду, что указанные типы кодов относятся только к интерфейсу, а не к ли-
нии в целом. Для электрических линий связи эти коды могут совпадать, для оптических - коды, как пра-
вило, не совпадают в силу невозможности непосредственного использования биполярных кодов в опти-
ческом кабеле. Например, при использовании кода HDB3 в оптических линиях связи в качестве интер-
фейсного могут использоваться также коды CMI, MCMI или код типа пВшВ.
Пояснения к табл. 6-8 (в соответствии со ссылочными номерами, указанными для параметров):
1-цифровой двухчастотный двоичный код, преобразуемый в двухполярный трехуровневый код путем по-
следовательного изменения полярности каждого двоичного блока с отменой изменения на каждом вось-
мом блоке (октетное кодирование - пятишаговая процедура кодирования описана в стандарте G.703 [14]);
2-большее значение соответствует ширине двойного импульса (“ 1 ”), меньшее - ширине одинарного импульса (“О”);
3-большее значение рекомендуется использовать в случае повышенного уровня шума;
4-большее значение соответствует ширине импульса данных, меньшее - ширине тактового импульса;
5-код B8ZS рекомендуется применять при использовании коаксиального кабеля, код B6ZS - при использо-
вании симметричной пары;
6-большее значение соответствует допуску на переходную область за срезом импульса, меньшее - на об-
ласть перед фронтом импульса;
7-приблизительное значение, соответствующее области за срезом импульса на 1Т от центра (допуск задается
экспоненциальными кривыми);
8-большее значение соответствует использованию симметричной пары, меньшее - коаксиальному кабелю;
9-используется симметричное поле допуска.
Из этой таблицы ясно, что полная реализация всех позиций интерфейса G.703 для возмож-
ных скоростей и типов организации взаимодействия аппаратуры - дело весьма трудоемкое, поэто-
му производители, указывая соответствие оборудования принятой реализации стандарта' G.703,
как правило, приводят конкретно используемую скорость передачи, например, скорость 2048
кбит/с в случае SDH канала 2 Мбит/с, или группу скоростей. Для скорости 64 кбит/с производите-
ли должны указывать еще и тип организации взаимодействия аппаратуры интерфейса, например,
сонаправленный.
Для сигналов со скоростями передачи п*64 кбит/с, характерных для систем ISDN и пере-
даваемых через мультиплексирующее оборудование иерархий, порожденных первичными скоро-
стями 1544 и 2048 кбит/с, интерфейс, как отмечалось выше, должен иметь те же физические и
электрические характеристики, что и соответствующий интерфейс 1544 кбит/с (для п=2, ... ,23)
или интерфейс 2048 кбит/с (для п=2, ... ,31).
6.5.3. Подключение сети с интерфейсом G.703 к аппаратуре пользователя
Схема подключения сети, расчитанной на использование интерфейса G.703, к аппаратуре пользо-
вателя зависит от наличия у пользователя входа с интерфейсом G.703, типа используемой среды
228 Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание Г лава 6
распространения (электрический или оптический кабель) и от параметров кабеля - его импеданса
(75 или 100-120 ом) и типа (коаксиальный кабель или симметричная пара проводов).
Схема подключения наиболее проста, если используется электрический кабель, а пользо-
ватель имеет вход с интерфейсом G.703. Тогда подключение осуществляется либо коаксиальным
кабелем с разъемом RG-59 (импеданс 75 ом), либо симметричной парой проводов (импеданс 100-
120 ом) на коммутационную панель “под винт” без специального разъема, либо с помощью разъе-
мов DB-15, RJ-11, RJ-48X. Как видно из табл. 6-8 симметричная пара используется только для час-
тот не выше 6312 кбит/с. Если импеданс кабеля (пары проводов) пользователя не согласуется с
импедансом линии, используется согласующий трансформатор (например, 120-симметричная па-
ра/75-коаксиальный кабель).
Если в качестве среды распространения используется оптический кабель, то оптический
сигнал преобразуется в электрический на входе аппаратуры пользователя и обратно (из электриче-
ского в оптический) на выходе аппаратуры пользователя. Преобразование осуществляется с по-
мощью специального опто-электронного/электронно-оптического преобразователя (называемого
также оптическим модемом), например, типа FLC, компании ADC Telecommunications. При этом
на оптических входах/выходах используются специальные оптические разъемы (соединители)
различного типа, например, SC, SMA, ST.
Если же аппаратура пользователя не имеет входа с интерфейсом G.703, а имеет входы с
другими интерфейсами, то пользователь должен быть достаточно внимательным к указанной в до-
кументации конкретной спецификации интерфейса (если она есть), чтобы избежать проблем со-
вместимости терминальной аппаратуры. В этом случае нужно использовать специальные конвер-
теры интерфейсов, которые позволяют состыковывать, например, локальные сети (LAN) с ин-
терфейсами V.24, V.35, Х.21 с глобальными сетями (WAN) с интерфейсами G.703.
Такие конвертеры производят ряд компаний. Наиболее известной из них на нашем рынке
является компания RAD Data Communications. Ограничимся, для примера, рассмотрением ее кон-
вертеров, чтобы показать возможности преобразования интерфейсов [59]. Из набора производи-
мых этой компанией конвертеров интерфейсов в табл. 6-9 представлены те, что имеют G.703 на
одной из сторон: стороне DCE/АКД (WAN выходы - верхние входы табл. 6-9) или DTE/ООД (LAN
входы - левые боковые входы табл. 6-9). Ясно, что при использовании таких конвертеров для со-
единения с аппаратурой пользователя применяются соответствующие разъемы.
. Табпнца 6-9. Конвертеры интерфейсов компании RAD Data Communications
DCE \ DTE G.703 64 кбит/с, СНИ G.703 64 кбит/с, цги, пни G.703 1544 кбит/с, TI G.703 2048кбит/с, El V.24 V.35 FEI V:36 X.21 FEI
V.24 ITA-703 SPD-703-1 UCI - M1C-24/35 RIC-24/35 UCI MIC-24/36 RIC-232T/ 530C; UCI MIC-24T/2IC RIC-232/530 UCI
V.35 SPD-703-1 UCI SPD-703/C ASM-40 FCD-l UCI-HS ASM-40 FCD-2 UCI-HS M1C-24/35 R1C-24/35 UCI - MIC-35T/36C UCI MIC-35T/2IC UCI
V.36 SPD-703-1 UCI SPD-703/C ASM-40 FCD-l UCI-HS ASM-40 FCD-2 UCI-HS M1C-24/36 RIC-530T/ 232C; UCI MIC-36T/35C UCI - CBL-36T/2IC UCI
-X.21 SPD-703-1 UCI SPD-703/C ASM-40 FCD-l UCI-HS ASM-40 FCD-2 UCI-HS MIC- 2IT/24C UCI MIC-21T/35C UCI MIC-21T/36C UCI
G.703 FCD-20 FCD-20
Пояснения к табл. 6-9:
1-большинство конвертеров, указанных в таблице, являются не только конвертерами интерфейсов, но и кон-
вертерами скоростей, согласующих скорости на входе, со скоростями, требуемыми на выходе. Здесь вход
соответствует стороне DTE, а выход - DCE;
2-для конвертера FCD-20, осуществляющего “обратное” конвертирование интерфейса G.703 в V.35 или в
Х.21, суммарный поток входных каналов пх64 на стороне G.703 не должен превышать 512 кбит/с. Такое
конвертирование может потребоваться для стыковки мультиплексоров, имеющих выход G.703, с аппара-
,, турой спутниковой связи, имеющей, например, только интерфейсы V.35 или Х.21. , тнэкзнг чсвдчд
Глава 7
Основные элементы расчета сетей SDH
Первые сети SDH в России начали создаваться с 1992 г., а эксплуатироваться с 1993 г. (од-
ной из первых была сеть SDH компании “Макомнет”, построенная в Москве с помощью специа-
листов компании Nortel). Первые сети проектировались, как правило, специалистами тех компа-
ний, которые поставляли оборудование SDH. В связи с широким распространением технологии
SDH и широким развертыванием сетей SDH в нашей стране в последнее время проектированием
таких сетей стали заниматься и отечественные специалисты. Учитывая это, ниже приведены ос-
новные элементы расчета сетей SDH без претензии на исчерпывающий характер изложения или
глубокое обобщение накопленного опыта подобных расчетов.
Массовое развертывание сетей SDH связано не только со строительством новых, но и с
модернизацией старых телефонных сетей, в том числе и тех, которые использовали достаточно со-
временные для России сети PDH на основе многомодового ВОК. Если новые сети SDH строились
первоначально по классической схеме кольца SDH, то впоследствии при модернизации телефон-
ных узлов в ряде случаев такие “островки SDH” связывались друг с другом в пределах одного
района в так называемое технологическое кольцо, которое только топологически было замкну-
тым кольцом, но логически не составляло единого кольца, так как в разных его сегментах сущест-
вовали разные потоки и не поддерживалась логика кольцевого взаимодействия и защиты.
Это было оправдано, если потоки на различных участках такого кольца значительно отли-
чались друг от друга и использование классических кольцевых SDH топологий не было оправда-
но, так как приводило к завышению необходимого числа каналов, циркулирующих по кольцу и,
как следствие, к необходимости использовать мультиплексоры SDH более высокого уровня. В
этих случаях оказывалось, что дешевле использовать сети с ячеистой топологией, используя
сформировавшуюся структуру потоков старых телефонных сетей, основанных на топологиях
“точка-точка” и “звезда”, тем более, что мультиплексоры SDH могли быть использованы как
кросс-коммутаторы при небольшом числе лучей в центральном узле.
Учитывая это факт, расчет сетей SDH ниже проводится на примере ячеистой сети.
7.1. Этапы проектирования и Техническое задание
на проектирование сети
Проектирование любого объекта (в том числе и сети связи) имеет (с точки зрения процедуры)
много общего. Оно разбивается на ряд хорошо известных этапов, включающих предпроектные ис-
следования, проработку Технического предложения, составление Технического задания (ТЗ), про-
ектные исследования и разработку Технического проекта (ТП), а также ряд последующих этапов
реализации проекта: обследование и выбор трассы ВОК, привязка числа мультиплексоров и реге-
нераторов к трассе с учетом удобных точек размещения оборудования и устройства необслужи-
ваемых регенерационных пунктов (НРП), собственно построение сети и приемки ее как объекта в
эксплуатацию.
В последнее время к этому добавились дополнительные этапы: объявление тендеров и вы-
бор подрядчиков для строительства трассы и сети в целом и поставщиков оборудования и ВОК, а
также организаций для обслуживания сети.
Из всей этой массы работ, выполняемых обычно проектными организациями, мы очень
кратко (фрагментарно) остановимся только на ТЗ и инженерно-технических аспектах ТП, специ-
фических для технологии SDH.
230
Основные элементы расчета сетей SDH .
Глава 7
7.1.1. ТЗ на проектирование сети SDH
Рассмотрим достаточно типичное ТЗ на проектирование сети SDH, в котором (после краткого
технико-экономического обоснования (ТЭО) причин, побуждающих строить эту сеть) приводится
перечень объектов, которые сеть должна соединить (или схема самой сети), указываются потоки
на сегментах, соединяющих узлы сети, прогнозируется рост этих потоков при благоприятной
коньюнктуре и описываются этапы развития сети, а также многое другое, включая ограничения на
стоимость проекта, параметры оборудования, режимы эксплуатации и т.д.
Кратко основные моменты, изложенные в таком ТЗ, могут выглядеть так:
- предполагается построить сеть SDH
- в районах развертывания сети SDH предполагается ввести в действие 6 цифровых АТС;
- предлагается связать все станции в единую сеть, используя технологию SDH;
- цифровые АТС позволяют коммутировать как основные цифровые каналы (ОЦК) со скоростью
64 кбит/с, так и каналы с первичной скоростью (ПЦК) иерархии PDH - 2 Мбит/с;
- каналы имеют интерфейсы G.703 и могут быть состыкованы с РРЛ или ВОК линиями магист-
ральной связи;
- сеть SDH предполагается построить в два этапа: 1 этап осуществляется, например, в зекущем
году, а 2 этап - в следующем году;
- существующий и предполагаемый на следующий год сетевой трафик, пересчитанный на число
каналов 2 Мбит/с, представлен в табл. 7-1 числами слева от главной диагонали ABCDEF (за ос-
нову для примера принята схема трафика, приведенная в [58]);
- часть каналов должны иметь 100% резервирование, т.е. защиту типа 1 + 1 (в терминологии сетей
SDH), они представлены числами в той же таблице, справа от диагонали ABCDEF.
Требуется выбрать топологию сети SDH и необходимое оборудование.
Таблица 7-1. Сетевой межстанционный трафик
1 этап 2 эта п 1 этап 2 этап 1 этап 2 этап 1 этап 2 этап 1 этап 2 этап 1 этап 2 этап
А А •' 30/10 70/14 30/5 50/10 30/3 60/12 10/1 15/3 10/0 17/4
В 30/10 70/14 в 7/2 17/4 4/0 10/4 5/0 7/2 4/1 8/2
С 30/5 50/10 7/2 17/4 С 2/2 7/7 ___ 3/1 —
D 30/3 60/12 4/0 10/4 2/2 7/7 D --- ___ — 4/1
Е 10/1 15/3 5/0 7/2 ___ 3/1 ___ — 2/0
F 10/0 17/4 4/1 8/2 ... — — 4/1 — 2/0 F
Сумма 110/19 212/43 50/13 112/26 39/9 77/22 36/5 81/24 15/1 27/6 14/1 31/7
Схема решения включает следующие основные этапы:
• выбор топологии,
• выбор требуемого уровня и числа мультиплексоров,
• выбор поставщика оборудования и изучение номенклатуры сменных блоков,
• конфигурация мультиплексорных узлов и составление спецификации оборудования.
7.1.2. Выбор топологии
Не вдаваясь в глубокий анализ ситуации можно предложить три возможные топологии: кольце-
вую, радиально-кольцевую и ячеистую.
Кольцевая топология, объединяя все шесть станций в кольцо, требует использования
мультиплексоров уровня STM-4 с суммарным потоком до 252 (4*63=252) каналов 2 Мбит/с, так
как общий поток по кольцу, определямый максимальным потоком на одном из его участков, равен
212 каналов 2 Мбит/с (см. табл. 7-1 - поток через узел А на 2 этапе). Преимуществом такого реше-
ния может быть только стопроцентное резервирование всех, а не только требуемых, каналов.
Глава 7
Основные элементы расчета сетей SDH
231
Радиально-кольцевая топология. Так как только два узла: Е и F имеют потоки меньше 63
каналов - 27 и 31 соответственно (см. табл. 7-1), то кольцо должно состоять из 4 мультиплексоров
уровня STM-4 и одной радиальной ветви (если Е и F связаны между собой непосредственно) или
двух радиальных ветвей (если они подключаются к кольцу порознь: ЕкС, a F к D и не связаны
между собой непосредственно). Радиальные ветви требуют топологии “точка-точка” типа упло-
щенного кольца (см. рис. 2-9, гл.2), если нужна защита, где “точка”, контактирующая с кольцом
или мультиплексор/узел связи должен быть типа ADM, а не ТМ, для организации перегрузки по-
тока с кольцевого узла на радиальный. В первом варианте решения поэтому потребуется 4 муль-
типлексора уровня STM-4 и три - уровня STM-1, во втором - на один мультиплексор уровня STM-
1 больше. В ряде случаев (наличие свободных слотов для кросс-коммутатора) роль мультиплексо-
ра связи может играть мультиплексор кольцевого узла, что уменьшает надежность сети, но приво-
дит к экономии одного (первый вариант) или двух (второй вариант) мультиплексоров связи.
Рис. 7-1. Схема простой ячеистой сети SDH
Ячеистая топология может иметь вид, при-
веденный на рис. 7-1. Она состоит из двух
квадратных ячеек и содержит шесть узлов. Ка-
ждый из них на практике соответствует муль-
типлексору уровня STM-N, установленному на
цифровой АТС. В нашем случае в узлах А, В,
С, D - мультиплексоры уровня STM-4, а в узлах
Е и F - уровня STM-1 (потоки между С и Е, Е и
F, D и F несут меньше 63 каналов).
Приведенный анализ показывает, что ячеистая сеть приводит к минимальному числу тре-
буемых мультиплексоров различных уровней и с этой точки зрения она оптимальна, однако сложно-
сти возникают при необходимости организации защиты выделенных каналов. Вопросы защиты ре-
шаются здесь как и в обычных сетях путем направления выделенного канала по двум маршрутам с
совпадающими конечными точками, например, по маршрутам А -> В и
Такая схема защиты “по разнесенным маршрутам” (1:1) иногда более предпочтительна,
чеМ схема защиты 1+1 в кольце SDH. Однако она требует более тщательного расчета числа пото-
ков, проходящих по отдельным ветвям сети, для того, чтобы убедиться, что оно не превышает
возможности кросс-коммутатора узлового мультиплексора, прежде чем ответить на вопрос о том,
какого уровня мультиплексор может быть использован в данном узле.
Рассмотрим эту проверку более подробно, основываясь на информации из табл. 7-1. В ре-
зультате получим следующую табл. 7-2, дающую сводную информацию о потоках, проходящих по
ВОК между узловыми мультиплексорами на станциях (защищаемые каналы, проходящие по ре-
зервным маршрутам, помечены буквой “р”). Число каналов дано по этапам 1/2. В последней стро-
ке помещены итоговые суммы на последнем этапе.
В качестве резервных были выбраны следующие маршруты:
- основной А -> В,
- основной А -> С,
- основной В -> D,
- основной С -> D,
- основной С -> Е,
- основной D -> F,
- основной Е-> F,
резервный А -> С -> D -> В;
резервный А -> В -> D -> С;
резервный В -> А -> С -> D;
резервный С -> А -> В -> D;
резервный С -> D -> F -> Е;
резервный D -> С -> Е -> F;
резервный Е -> С -> D -> F.
Заметим, что резервные маршруты в этой топологической структуре выбираются в преде-
одной ячейки.
232
Основные элементы расчета сетей SDH
Глава?
Таблица 7-2. Основные и резервные потоки по сегментам ячеистой сети
Потоки в сегментах ячеистой сети
А-> В А-> С В-> D С-> D С -> Е D -> F Е -> F
А-В 30/70 А-В(р) 10/14 А-В(р) 10/14 А-В(р) 10/14 А-Е 10/15 А-Е(р) 1/3 А-Е(р) 1/3
А-С(р) 5/10 А-С 30/50 А-С(р) 5/10 А-С(р) 5/10 A-F 10/17 A-F(p) 0/4 A-F |10/17
A-D 30/60 A-D(p) 3/12 A-D 30/60 A-D(p) 3/12 В-Е(р) 0/2 В-Е 5/7 В-Е 5/7
А-Е(р) 1/3 А-Е 10/15 А-Е(р) 1/3 В-С 7/17 B-F(p) 1/2 B-F 4/8 B-F(p) 1/2
A-F(p) 0/4 A-F 10/17 A-F(p) 0/4 B-D(p) 0/4 С-Е 0/3 С-Е(р) 0/1 С-Е(р) 0/1
В-С(р) 2/4 В-С(р) 2/4 В-С 7/17 C-D 2/7 D-F(p) 0/1 D-F 0/4 D-F(p) 0/1
B-D(p) 0/4 B-D(p) 0/4 B-D 4/10 С-Е(р) 0/1 E-F 0/2
В-Е(р) 0/2 В-Е(р) 0/2 В-Е 5/7 D-F(p) 0/1
B-F(p) 1/2 B-F(p) 1/2 B-F 4/8
C-D(p) 2/7 C-D(p) 2/7 C-D(p) 2/7
Сумма 166 Сумма 127 Сумма 140 Сумма 66 Сумма 40 Сумма 27 Сумма 33
7.2. Выбор оборудования и схемы функциональной связи узлов
7.2.1 Выбор требуемого оборудования
Полученная таблица подтверждает правильность выбора уровней мультиплексоров в узлах А-F и
может служить показателем эффективности использования коммутационной способности узлов. В
результате данного краткого обзора возможных топологий можно рекомендовать для использова-
ния ячеистую сеть с топологией на рис. 7-1 как оптимальную, так как она при минимальном числе
мультиплексоров (4 - уровня STM-4 и 2 - уровня STM-1) удовлетворяет поставленным условиям
по резервированию указанных каналов.
Для конфигурации узлов, составления спецификации сменных модулей и прорисовки
блок-схемы соединений сменных блоков всех узлов, кроме топологии сети (рис. 7-1) и той инфор-
мации, которая содержится в табл. 7-1 и 7-2, нужно знать номенклатуру функциональных сменных
блоков (не говоря о том, что нужно иметь ясное понимание их назначения и функциональных воз-
можностей).
Для этого необходимо выбрать оборудование конкретного производителя. Для нашего мо-
дельного примера проектирования сети было выбрано оборудование компании Nokia (принимая
во внимание ряд нужных особенностей мультиплексоров SDH, приведенных ниже). Учитывая два
этапа развития сети, следует указать, какие блоки будут установлены на первом и какие на втором
этапах.
7.2.2. Номенклатура сменных блоков SDH компании Nokia
Компания Nokia производит мультиплексоры SDH типа Synfonet уровня STM-1, 4, 16 [58]. Из них
для сетей малой и средней пропускной способности, требующих использования мультиплексоров
как уровня STM-1, так и STM-4 (что имеет место в нашем случае), наиболее подходящими, на наш
взгляд, являются мультиплексоры Synfonet STM-1/4, так как они используют одно и то же шасси
(полку) для карт STM-1 и STM-4, позволяют даже в версии STM-1 обслуживать (с блоком расши-
рения) до 126 потоков Е1 вместо стандартных 63. Кроме того этот мультиплексор позволяет рабо-
тать в качестве кросс-коммутатора как по схеме SXC 4/4, так и 4/3/1 (допуская коммутацию до 126
потоков Е1), и , что не менее важно, позволяет коммутировать потоки 64 кбит/с. Кроме того муль-
типлексор имеет возможность работать с блоком WDM, объединяя несущие 1300 нм и 1550 нм,
что важно при сопряжении старых и новых систем SDH и PDH. И, наконец, система управления
NMS позволяет управлять не только SDH, но и PDH оборудованием.
Ниже представлена номенклатура сменных блоков мультиплексора Synfonet STM-1/4.
- CU - блок управления и синхронизации (может дублироваться);
- SU - блок обслуживания интерфейсов (V.l 1, V.28, G.703);
Глава 7
Основные элементы расчета сетей SDH
233
- STM-4 - линейный оптический агрегатный блок 622 Мбит/с (приемо-передатчик);
- STM-1 - линейный оптический агрегатный блок 155 Мбит/с (приемо-передатчик с функциями
кросс-коммутатора);
- STM-1E - линейный электрический агрегатный блок 155 Мбит/с (приемо-передатчик с функ-
циями кросс-коммутатора);
- WDM - мультиплексор WDM, позволяющий передавать 2 несущие (1310 и 1550 нм) по одному
волокну;
- STM-1E - трибный интерфейсный блок 140 Мбит/с (1-портовая карта);
- 45М - трибный интерфейсный блок 45 Мбит/с с функцией терминального адаптера (ТА), упа-
ковывает ТЗ в AU-4, может быть сконфигурирован для работы со скоростью 34 Мбит/с;
- 34М - трибный интерфейсный блок 34 Мбит/с с функцией терминального адаптера (ТА), упа-
ковывает ЕЗ в AU-4, может быть сконфигурирован для работы со скоростью 45 Мбит/с;
- 2МТА - трибный интерфейсный блок 2 Мбит/с - интерфейсная карта на 16 портов 2 Мбит/с с
терминальным адаптером (ТА);
- 2М - трибный интерфейсный блок 2 Мбит/с - интерфейсная карта на 16 портов 2 Мбит/с без
терминального адаптера (ТА), функционирует только при наличии сменного блока 2МТА (до
трех карт 2М на одну карту 2МТА);
- SSW - блок системного кросс-коммутатора - центральный блок кросс-коммутатора типа DXC-
4/4/1 с эквивалентной емкостью коммутации 16xAU-4 для коммутации VC-4, VC-12;
- TSW1 - терминальный блок системного кросс-коммутатора - блок синхронизации AU-12 и AU-
4 на входе для осуществления кросс-коммутации;
- TSW0 - блок кросс-коммутатора для коммутации каналов 64 кбит/с с поддержкой сигнализации CAS;
- SPIU - блок питания полки (кассеты).
7.2.3. Конфигурация мультиплексорных узлов и составление спецификации
оборудования
Конфигурация узлов с мультиплексорами STM-1
Для работы любого SDH мультиплексора уровня STM-1 при минимальной конфигурации (1 триб-
ная интерфейсная карта - 16 каналов 2 Мбит/с) требуется следующий набор блоков: 2xSTM-l,
SSW, 2МТА, CU, SPIU, SU.
Следовательно, для узлов Е и F (обслуживающих на первом этапе 15 и 14 каналов, а на
втором этапе 27 и 31 канал соответственно) достаточно иметь минимальную конфигурацию на
первом этапе с добавлением по одному блоку типа 2М на втором этапе. Так как узлы Е и F соеди-
няются с узлами С и D оптическим каналом уровня STM-1, то никаких других блоков преобразо-
вания не требуется (рис. 7-2, узлы Е и F).
Конфигурация узлов с мультиплексорами STM-4
Для работы SDH мультиплексора уровня STM-4 при минимальной конфигурации (1 триб-
ная интерфейсная карта - 16 каналов 2 Мбит/с) требуется следующий набор блоков: 2xSTM-4,
SSW, 2xTSWl, 2МТА, CU, SPIU, SU, если данный мультиплексор связан с другим таким же муль-
типлексором по оптическому каналу уровня STM-4 (как например, мультиплексор узла В).
Для мультиплексора узла В, обслуживающего на первом этапе 50, а на втором - 112 кана-
лов соответственно, будет достаточно иметь на первом этапе минимальную конфигурацию с до-
бавлением 1 блока 2МТА и 2 блоков типа 2М, а на втором этапе добавить еще 4 блока 2М.
Для мультиплексоров узлов С и D, работающих фактически в режиме концентраторов и
дающих доступ потокам ячейки уровня STM-1 к ячейке уровня STM-4 (являющейся по сути
’технологическим” кольцом STM-4), нужно предусмотреть по одному блоку STM-1 для связи с
мультиплексорами Е и F соответственно на уровне оптического триба STM-1. Дополнительно они
должны быть укомплектованы необходимым числом трибных интерфейсных блоков 2 Мбит/с,
учитывая, что на первом этапе С и F должны обрабатывать 39 и 36 каналов, а на втором - 77 и 81
знал соответственно, необходимо максимально 5 карт для узла С и 6 - для D, 2 из которых долж-
ны'быть типа 2МТА, (рис. 7-2, узлы С и D).
234
Основные элементы расчета сетей SDH
Глава?
Станция: Е
Узел: Е
Станция: F
Узел: F
Рис. 7-2. Схема конфигурации и функциональной связи узлов SDH сети
Для мультиплексорного узла А, работающего в режиме мультиплексора ввода/вывода в
технологическом кольце Л В D С, требуется обслуживать НО каналов на первом и 212 ка-
налов на втором этапах. Это требует 9 (7 типа 2М + 2 типа 2МТА) трибных интерфейсных блоков на
первом и 14 (10 типа 2М + 4 типа 2МТА) на втором этапах. Учитывая, что возможность кросс-
коммутации узла STM-4 обычно составляет 252 (4x63) канала 2 Мбит/с, а возможность размещения
большого числа трибных интерфейсных блоков на одной полке ограничена, предлагается использо-
вать дополнительные полки (помечаемые как узлы Al, А2, АЗ), связанные с основной полкой на
уровне электрических трибов STM-1 (на рис. 7-2 приведено одно из возможных решений узла А).
Учитывая вышесказанное и блоки, приведенные на рис. 7-2 (на котором для простоты не
показаны блоки SPIU и SU), можно составить спецификацию на оборудование, необходимое для
формирования указанной сети.
Глава?
Основные элементы расчета сетей SDH
235
7.3. Формирование сети управления и синхронизации
Рассмотрим пример формирования сети управления для ячеистой сети SDH. В соответствии с вы-
шесказанным в разд. 6.4. в качестве основных каналов управления сетью SDH используются кана-
лы DCC. Для этих же целей могут быть использованы и каналы сети Ethernet.
Если сеть достаточно большая и разбита на несколько областей, то должны быть опреде-
лены связи между ними, адреса NSAP отдельных узлов и маршруты для передачи информации
управления.
В качестве примера ячеистой сети SDH, рассмотрим сеть на рис. 7-1.
Для нее одним из вариантов формирования сети управления может быть сеть, показанная
на рис. 7-3 [115]. На нем показаны фактически две сети. Одна сеть использует каналы DCC и объ-
единяет все шесть узлов (А-F) ячеистой сети (шесть станций: А (подстанция А) и станции В, С, D,
Е и F), другая - использует каналы Ethernet и объединяет три подстанции узла А (А1-АЗ). К по-
следней подстанции АЗ, присоединен узловой менеджер на базе PC.
Станция Е
System ID = 0000005010001
Станция F
System ID = 0000006010001
Рис. 7-3. Схема управления ячеистой сетью SDH
236
Основные элементы расчета сетей SDH
Глава 7
7.3.1. Определение адресов NSAP для узлов сети
Структура адреса NSAP соответствует той, что была приведена на рис. 6-16 в разд. 6.4.3 выше.
Единственным уточнением может быть то, что поле "адрес области” (10 байт) может быть разби-
то на две части: адрес домена (Domain - 8 байтов) и собственно адрес области (Area - 2 байта).
На практике адреса NSAP должны контролироваться (распределяться) некоей сетевой ад-
министрацией страны, где развертывается такая сеть, и схема нумерации должна быть локальной
для данной страны. Если сама сеть управления локальна и не соединяется ни с какой другой сетью
управления, то схема нумерации (отражаемая полем IDI) может быть выбрана достаточно произ-
вольно.
Код страны в сетях передачи также должен регламентироваться определенным стандар-
том. Им является стандарт ISO 3166, который содержит список трехзначных десятичных (двух-
значных шестнадцатиричных) кодов, выделенных для каждой страны и используемых для запол-
нения поля AFI.
В этой связи в данном примере используется произвольный адрес страны: IDI = 001F. а
также произвольный идентификатор AFI = 39. Адрес собственно области - 1, адрес домена - 1, т.е.
поле адреса области АА = 00000000000000010001. Поле NSEL = 0. Эти адресные поля остаются
постоянными для всех узлов рассматриваемой в данном примере сети SDH.
Системный идентификатор SID должен быть уникальным в данной области и должен отра-
жать структуру используемой сети SDH. В данном примере используется следующая структура SID:
- поле с номером станции (Station - 3 байта),
- поле с номером отсека (места установки), где установлено оборудование (Room - 1 байт),
- поле с номером полки (Subrack - 2 байта).
С учетом этого в табл. 7-3 помещены значения системных идентификаторов (исключая первые
два нулевых байта - 0000) для различных узлов сети. Именно эти номера и приведены на рис. 7-3.
Таблица 7-3. Значения системных идентификаторов для узлов сети
Узел А А1 ГШ‘* АЗ В С D Е !? F- Э
SID 01010001 01020001 01020002 01020003 02010001 03010001 04010001 05010001 06010001
7.3.2. Формирование сети синхронизации
Рассмотрим формирование сети синхронизации для той-же ячеистой сети на рис. 7-1. Для этого
используем общий подход, рассмотреннный ранее. Разбиваем сеть на три секции с логически свя-
занными узлами, см. рис. 7-4. Первая секция состоит из четырех узлов: А, С, D, В; вторая - из
двух: узлов Е и F ; третья - фактически содержит один узел А, т.е. A, Al, А2, АЗ.
В результате получаем общую схему синхронизации, показанную на рис. 7-5. Схема со-
держит один первичный источник PRC (Узел А) и один вторичный источник в транзитном узле
(G.812T - Узел В). Сплошными линиями показаны цепи первичной синхронизации, а штриховыми
линиями - цепи вторичной синхронизации.
Списки источников синхронизации, выбираемых по номеру приоритета для каждого узла,
сведены в табл. 7-4.
Таблица 7-4. Приоритетные списки источников синхронизации по узлам
Узел А Узлы А1,2,3 Узел В Узел С Узел D Узел Е Узел F
1) Внешний S1,2M, G.811 1) Слот 10, STM-1E 1) Слот 12, STM-4 1) Слот 9, STM-4 1) Слот 9, STM-4 1) Слот 9, STM-1 1) Слот 9, STM-1
2) Слот 9, STM-4 2) Внутрен- ний 2) Внешний S1,2M,G.812T 2) Слот 12, STM-4 2) Слот 12, STM-4 2) Слот 12, STM-1 2) Слот 12, STM-1
3) Внутренний 3) Внутренний 3) Внутренний 3) Внутренний 3) Внутренний 3) Внутренний
Глава 7
Основные элементы расчета сетей SDH
237
Рис. 7-4. Схема разбиения сети синхронизации Рис. 7-5. Схема первичной и вторичной
на три секции синхронизации ячеистой сети SDH
7.3.3. Соединение и конфигурирование узлов и маршрутизация потоков
Окончательный этап формирования сети управления состоит в механической установке оборудо-
вания узлов, их соединении с помощью кабелей и интерфейсных разъемов и инициализации узла:
установки программного обеспечения, тестирования правильности соединения, конфигурирования
узлов и блоков и прокладки маршрутов потоков данных.
Примерная процедура инициализации узла могла бы включать следующие этапы:
- подключить интерфейс F очередного узла (например А) к NM и запустить NM;
- ввести данные о типе узла, типе полки, имени узла и имени станции, где он расположен;
- установить требуемое программное обеспечение блоков узла;
- ввести адрес NSAP;
- перезагрузить систему и войти по введенному адресу NSAP;
- отредактировать приоритеты в списке источников синхронизации;
- сконфигурировать каналы управления DCC;
- сконфигурировать используемые блоки STM-N, снабдить каждый проложенный маршрут дан-
ных контейнера VC-4 идентификатором трассировки маршрута данных TTI.
Длина TTI не должна превышать 15 символов, если придерживаться при его формирова-
нии правил, предложенных ETSI и основанных на рекомендации ITU-T Е.164 [139]. Он должен
содержать как минимум имена исходного узла и узла назначения, символьный код виртуального
контейнера (например, А ~ VC-12, В ~ VC-2, С ~ VC-3, D ~ VC-4), номер тайм-слота терминально-
го кросс-коммутатора, осуществляющего вывод заданного виртуального контейнера. Описать это
более подробно можно только на примере конкретного оборудования. Идентификаторы ТП по-
зволяют контролировать корректность установки таблицы кросс-коммутации у кросс-
коммутаторов на всем пути следования виртуального контейнера.
238
Основные элементы расчета сетей SDH
Глава?
Параллельно формируется таблица маршрутизации виртуальных контейнеров с указанием
того, какие интерфейсы на оконечных узлах должны быть задействованы. Конкретный пример
маршрутизации потока 2 Мбит/с между узлами А и С сети, рассмотренной в нашем примере выше,
приведен в табл. 7-5 ниже [58].
Таблица 7-5. Схема маршрутизации потока 2 Мбит/с.
Идентификатор трассировки маршрута данных: А-С А018
Имя узла: А
Имя для кросс-коммутации: А-С АО 18
Интерфейс А: 2М Т4А/7 Канал А: 7
Интерфейс В: STM-4 слот 9 Канал В: УС-4Й1 (1,3,1)
Имя узла: С
Имя для кросс-коммутации: А-С АО 18
Интерфейс А: STM-4 слот 9 Канал А: VC-4#1 (1,3,1)
Интерфейс В: 2М Т4А/5 Канал В: 5
Пример физической связи узлов А (соединительный разъем Т4А, интерфейс 7) и С (соеди-
нительный разъем Т4А, интерфейс 5) по каналу 2 Мбит/с показан на рис. 7-6. Сигнал этого канала
передается в структуре сигнала STM-4 в канале 1,3,1 первого виртуального контейнера VC-4. Имя,
используемое для кросс-ком мутации может быть одним и тем же для всего маршрута данных.
Рис. 7-6. Пример связи узлов А и С па каналам 2 Мбит/с
7.4. Заключение и некоторые дополнения
7.4.1. Вместо заключения
Указанный выше пример расчета сети SDH достаточно фрагментарен и недостаточно подробен,
однако он дает возможность показать основные этапы расчета и задачи (проблемы), возникающие
при этом. Вместе с тем надо отдавать себе отчет в том, что расчет конкретной практической сети
может оказаться существенно более сложным, хотя и выполнимым при внимательном знакомстве
с описанием конкретной аппаратуры SDH, которое дает ее производитель.
В этой главе автор не касался целого ряда важных вопросов проектирования сетей SDH,
касающихся строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Желаю-
щие познакомиться с этими вопросами могут обратиться к обзору, помещенному в [416], а также к
появившимся в последнее время регламентирующим материалам по ВОЛС: правилам, руково-
дствам и инструкциям [273, 413, 414, 415]. 4
Глава?
Основные элементы расчета сетей SDH
239
7.4.2. Об использовании разветвителей для расширения возможностей сетей SDH
Часто оказывается, что возможности расширения пропускной способности сетей SDH исчерпыва-
ются значительно быстрее, чем предполагалось при их проектировании. Стандартным в этой си-
туации является использование двух подходов: интенсивного и экстенсивного расширения воз-
можностей сетей SDH.
При интенсивном подходе емкость системы увеличивают за счет перехода на новый уровень ие-
рархии систем SDH, двигаясь по цепочке: STM-1 -> STM-4 -> STM-16 -> STM-64. Этот способ иногда
бывает достаточно дорогим, если учесть, что для ряда систем он сопровождается полной заменой муль-
типлексоров, а не просто сменой карт. Российские сетевые операторы приступают к освоению последне-
го звена этой цепочки и для многих это означает полную смену оборудования.
Параллельно с этим используется и экстенсивный подход - увеличение числа волокон в
ВОК. Если первые проложенные в России в 1992 г. кабели имели только 8 волокон, то теперь ос-
ваиваются кабели с числом волокон до 144.
Как, однако, поступить, если вы вы владеете или арендуете кабель с ограниченным числом
волокон и не имеете возможности увеличить их число. Решений, в принципе, два:
1 - убрать резервные каналы (в ущерб надежности) и работать, удвоив емкость, без защиты на од-
ном волокне (вместо двух) или одной паре волокон (вместо двух);
2 - использовать системы с WDM, увеличив емкость в п раз (это очень дорого - один мультиплек-
сор WDM с 8 несущими будет стоить вам, в среднем, 100 тыс. USD).
В этой ситуации, частичным, но очень дешевым решением, будет использование оптических
разветвителей для организации дуплексных каналов по одному волокну, позволяющих удвоить ем-
кость вашей сети по цене порядка ста USD в расчете на 1 разветвитель. Некоторые компании, произ-
водяшие оборудование SDH, включают это решение, как вариант возможной работы на одном ОВ.
Что касается физических основ работы разветвителей, которые могут использовать
встречные световые потоки на одной несущей или использовать две несущих, как в системах
WDM (например, 1310 и 1550 нм), атакже их параметров, то можно обратиться к работе [417].
Схемы практического применения 3 портовых разветвителей на одной А. аналогичны при-
ведении на рис. 7-7,а,б, где показано использование простейших мультиплексоров WDM на две А.
в стандартной аппаратуре SDH компании Nokia.
STM-N (1310 нм) wnM хд/пм STM-N (1550 нм)
Рис. 7-7. Схемы использования оптических разветвителей в сетях SDH
а) двунаправленная передача; б) однонаправленная передача
Глава 8
Введение в технологию ATM
Технология ATM, или режим асинхронной передачи (русские сокращения РАП или АРП
- асинхронный режим передачи - практически не используются), ее особенности, преимущества и
недостатки широко (в отличие от других технологий) обсуждаются в периодической печати.
8.1. Основные сведения
Учитывая тот факт, что ATM, как технология, преодолела трудности роста (первые стандарты бы-
ли опубликованы еще в 1989 г. [219, 220]) и развивается, как самостоятельно, так и во взаимодей-
ствии с SDH и WDM, мы решили в этой книге дать некое систематизированное введение в эту
технологию, чтобы поднять уровень ее понимания в первую очередь среди специалистов, осваи-
вающих технологии PDH и SDH. Всех, желающих получить более глубокие сведения по ATM, от-
сылаем к источникам на русском [243, 244] или английском [43, 241, 242, 245] языках или другим
изданиям. Расшифровку используемых сокращений (указанных в тексте) можно найти в конце
книги в Словаре сокращений или в словаре [44], где читатель может также найти практически все
стандарты ITU-T по ATM и публикации ATM Forum по состоянию на середину 1999 г. В данной
главе были использованы материалы лекций по технологии глобальных сетей, читаемых автором,
и его невышедшая в свет публикация по ATM [162].
8.1.1. Исходные предпосылки создания ATM
Технология ATM не возникла на пустом месте как некая совершенно новая технология, а разраба-
тывалась сначала как часть технологии В-ISDN - широкополосной цифровой сети с интеграци-
ей служб/обслуживания - Ш-ЦСИС/ЦСИО). Модель ATM являлась составной частью модели В-
ISDN [219-223]. Позднее, ввиду задержки с внедрением технологии В-ISDN в целом, ATM стала
развиваться самостоятельно, чему во многом способствовала организация форума разработчиков
и компаний-пользователей ATM, известная под названием ATM Forum, одной из задач которого
стала разработка стандартов на интерфейсы ATM [224].
8.1.2. Назначение систем ATM
Основным назначением систем ATM (как и В-ISDN) было обеспечение высокоскоростной передачи
сигналов различного класса: голоса, данных, видео и мультимедиа. Предложенная как технология
широкого применения, ATM была ориентирована на использование физических уровней других вы-
сокоскоростных цифровых технологий, в частности, SDH/SONET и FDDI. В согласии с этим стан-
дартизованные скорости передачи соответствовали (ATM UNI, Version 3.0): 155 Мбит/с (SDH, 1
уровень), 100 Мбит/с (FDDI), 45 Мбит/с (DS-3 - PDH, 3 уровень). В качестве среды передачи для
ATM потоков первоначально предполагалось использовать волоконно-оптический кабель (ВОК).
8.1.3. Претензии на универсальность
Желание сделать технологию универсальной, пригодной для работы со всеми (как максимум) со-
временными телекоммуникационными технологиями, привело к тому, что скорости передачи
Глава 8 Введение в технологию ATM 24)
были расширены вверх по шкале уровней SDH и вниз/вверх по шкале PDH: 34 и 140 Мбит/с (ЕЗ и
Е4 - PDH, 3 и 4 уровни) [27], а также охватывали 1 уровень (ОС-1) SONET - 52 Мбит/с.
Желание не упустить при этом конечных пользователей локальных сетей, работающих че-
рез пользовательский интерфейс UNI и имеющих в компьютере сетевой адаптер ATM, привело к
появлению низкоскоростной версии, предложенной IBM (26, а затем и 13 Мбит.с), и к снижению
стандартизованной скорости передачи по шкале PDH до 1,5/2 Мбит/с (Т1/Е1) [230]. Это было
важно для продвижения технологии ATM, а также дало возможность использовать не только
ВОК, но и неэкранированную витую пару (UTP). Успехи стандартизации в этом направлении при-
вели даже к созданию сверхнизкоскоростного интерфейса FUNI - пользовательского интерфейса с
покадровой ретрансляцией, позволяющего использовать в каналах доступа ATM скорости переда-
чи 56/64 Кбит/с (DS0) [225].
8.1.4. Скорости передачи
Как ясно из предыдущего, скорости передачи, реализуемые системами ATM, перекрывают в на-
стоящее время диапазон от 64 Кбит/с до 40 Гбит/с и, как правило, соответствуют ряду: 64, пх64,
1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140, 155, 622 Мбит/с, 2,5, 10 и 40 Гбит/с или в стандартных
обозначениях: DS0, nxDSO, Tl/El, Т2/Е2, FLRIBM, LRIBM, DSJ3, ТЗ/ЕЗ, ОС-1, DSJ4, FDDI, Е4,
STM-1, STM-4, STM-16, STM-64 и STM-256.
Это не значит, что для них всех существуют стандартные спецификации физического
уровня В-ISDN (см. новые версии стандартов серии ITU-T 1.432 [230]), а в обзорах реализованных
систем ATM вы не встретите других скоростей, например, 3 Мбит/с, 10 Мбит/с или ОС-96. Пом-
ните только, что они могут быть не стандартизованы.
8.1.5. Размер пакета
Бытует мнение, что выбор размера пакета был основан на нескольких постулатах, два из них наи-
более характерны:
I - для обеспечения надежной коммутации пакетов на высоких скоростях передачи, размер паке-
та должен быть минимально возможным;
2 - малый и фиксированный размер пакета дает большую гибкость и увеличивает эффективность
передачи.
Первым постулатом обычно объясняют тот факт, что в технологии ATM длина пакета, на-
зываемого ячейкой, составляет всего 53 байта (5+48), из которых 5 байтов используется под заго-
ловок, а 48 байтов - под рабочую нагрузку. Для сравнения напомним, что кадр транспортного мо-
дуля STM-1 (SDH, 1 уровень), например, имеет длину 2430 байтов и используется для передачи со
скоростями до 40 Гбит/с.
Второй постулат еще более спорен. Известно, что для большей гибкости требуется пере-
менная длина пакета, а увеличение эффективности обратно пропорционально относительной ве-
тчине заголовка, которая, формально, достигает в ATM большой величины - 10,41%. Фактически
ке она может достигать и 20% (для сравнения - в технология Frame Relay эта величина составляет
всего 0,39%).
Оказывается, что главным при выборе размера рабочей нагрузки было не это, а необходи-
мость передавать без помех речь и видео. При обычной (без уплотнения) схеме кодирования речи
спользуется скорость передачи 64 Кбит/с. Наименее заметны искажения, вызванные выпадения-
ми кодированного сигнала длиной 4-16 мс [43]. Известно, что в ATM при обнаружении некоррек-
ируемой ошибки ячейка отбрасывается, но передача не повторяется, как например, в технологии
\,25. Значит наименее заметные искажения будут при однократном отбрасывании/выпадении
чеек длиной 32 - 128 байтов. Возникшая (ввиду 2 предложений - США и Европа) дилемма: вы-
'рать ячейку длиной 32 или 64 байта - привела к компромиссному варианту - 48 байтов, что (при
тбрасывании ячейки) может привести к выпадению фрагмента сигнала длиной 6 мс.
-48
242
Введение в технологию ATM
Глава 8
Выбор длины заголовка определялся допустимым уровнем коррекции ошибок при его об-
работке. При выборе схемы: 5 байтов заголовка (80 бит) с 1 байтом для схемы коррекции ошибок
заголовка НЕС - удается корректировать одиночную (в один бит) ошибку заголовка и обнаружи-
вать (с вероятностью 0,84) все множественные ошибки.
ATM коммутаторы и маршрутизаторы обрабатывают заголовок, и коды, корректирующие
ошибки, используются только для его защиты. Другие методы обеспечения надежности передачи
(например, проверка пакета в пункте приема и запрос на повтор передачи в случае обнаружения
ошибки) не применяются, что и позволяет реализовать высокие скорости передачи. Однако это же
и накладывает ограничения на канал передачи - он должен быть высоконадежным, чем и объясня-
ется ориентация на использование ВОК.
8.1.6. Стандартизация ATM
Стандартизация технологии ATM, начатая еще в рамках В-ISDN, сейчас все еще .не завершена, хо-
тя и ведется тремя организациями: ANSI, ATM Forum и ITU-T (МСЭ-Т). Причина ясна - черезмер-
ная универсальность технологии. Вместе с тем она достаточно проработана в настоящее время на
уровне интерфейсов сеть-сеть - NNI и пользователь-сеть - UNI [224, 226-230] для практической
реализации ATM систем, использующих оборудование одного производителя. Практика показы-
вает, что уровень стандартизации все еще не достаточен для надежного функционирования и сты-
ковки сетей ATM, использующих оборудование различных производителей, а также для сетей
ATM, взаимодействующих с ЛВС на основе первой версии стандарта LAN эмуляции.
С другой стороны ATM Forum (как ни одна из организаций по стандартизации) ведет ин-
тенсивную работу по стандартизации. Число разработанных им стандартов уже перевалило за 150
[44]. К этому нужно добавить более 30 стандартов, выпущенных по эгидой ITU-T [44], чтобы по-
нять какие титанические усилия вложены в эту технологию. Практика последних 5 лет показала
однако, что нигде так часто не меняется оборудование, как на сетях ATM.
8.1.7. Организация сети ATM
8.1.7.1. Схема структурной организации сети
Сети ATM имеют следующую базовую симметричную схему организации (показана “левая
часть”, “правая часть” - зеркально-симметрична):
пользователи —> частный UNI —> коммутатор частной сети ATM —> общий UNI —>
коммутатор общей сети А ТМ NNI коммутатор общей сети А ТМ сеть ATM
В этой схеме просматривается необходимость иметь два вида каждого типа интерфейсов
(использованы обозначения: общий - РЬ и частный - Рг):
- сетевой интерфейс - NNI - интерфейс между двумя коммутаторами общей сети ATM (или Pb-NNI);
- пользовательский интерфейс - UNI, состоящий фактически из двух типов интерфейсов:
• частный интерфейс UNI - Pr-UNI (PUNI) - между пользователем и коммутатором частной
сети ATM;
• общий интерфейс UNI- Pb-UNI - между коммутаторами частной и общей сетей ATM.
Схема организации сети ATM может быть более полной (см. рис. 8-1), если она включает
разные группы пользователей (ГП):
Глава 8
Введение в технологию ATM
243
in-l->Pr-UNI->K4C-l->-------->Pb-UNI->----->сеть А ТМ-В
4- 4-
Pr-NNI Ф ICI
Т I Т
Vn-2~>Pr-LNI^K4C-2->Pb-UNI->KOC-l->-------->сеть А ТМ-А
Т 4-
t ici
Т Т
V!A-3-^HBC-^M-^DXI~>DSU-~>—>Pb-UNI->------->сетьАТМ-С
Рис. 8-1. Схема организации сети ATM
Здесь используются следующие обозначения:
КЧС - коммутатор частной сети; КОС - коммутатор общей сети;
ЛВС - локальная сеть; М - маршрутизатор.
На рис. 8-1 появляются еще, по крайней мере, три интерфейса:
Pr-NNI- частный межсетевой интерфейс (PNNI) - между коммутаторами (узлами) частных
ATM сетей, отличающийся от Pb-NNI тем, что в нем не реализован ряд общих функций,
например, мониторинга или наведения порядка в сети;
DXI - интерфейс обмена данными между ЛВС и сетью ATM, осуществляемого через сервис-
ный блок данных - DSU;
ICI - межрегиональный интерфейс связи между различными региональными операторами
сети, используемыми для организации глобального транспорта потоков ATM.
8.1.7.2. Топологическая модель канала ATM
Топологическая модель канала ATM соответствует модели канала В-ISDN, ее “левая” часть имеет
вид, представленный на рис. 8-2 (“правая” часть - зеркально симметрична):
ТО—|—>ТА—|—>СО2—|—>СО1—|—>ЛО->коммутатор ATM—>сеть ATM—>
R SB Тв UB
Рис. 8-2. Топологическая модель канала ATM
Здесь используются следующие обозначения:
ТО - терминальное оборудование; ТА - терминальный адаптер;
СО1,2 - сетевые окончания 1 и 2; ЛО - линейное окончание;
R, SB, Тв, UB - эталонные точки модели В-ISDN (В - индекс, указывающий на широкополосную
ISDN).
8.1.7.3. Топология сетей ATM
'.ТМ легко позволяет реализовать стандартные сетевые топологические схемы: тачка - точка,
точка - многоточка, многоточка - многоточка и звезда.
Конкретные варианты архитектуры сетей ATM и используемых в них топологий, а также
-опросы их проектирования более подробно рассмотрены в работах [243; 244, гл.6,7], а также в
андартах ITU-T 1.326 [231] и 1.327 [238].
244
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.1.8. Трафик ATM и адресация сообщений
ATM является технологией, расчитанной на установление соединения между пользователями ус-
луг сети. Для установления соединения используется посылка с 20-байтовым адресом (см. разд.
8.6.3). После установления физического соединения или физической цепи оказывается сформиро-
ванным путь между соединяемыми пользователями и становится возможным организация вир-
туальных цепей или логических соединений, играющих роль звеньев этого пути, осуществляемая
путем использования адресной части заголовка.
8.1.8.1. Виртуальная адресация
Логическая адресация в ATM двухуровневая. В целом для нее формируется идентификатор
виртуальной цепи. Важно понимать, что цепь эта многозвенная, а отдельное звено - это участок
сети между двумя узлами ATM сети. Указанный идентификатор виртуальной цепи соответствует
лишь адресу ближайшего узла сети, который используется маршрутизаторами (коммутаторами)
для формирования нового адреса следующего маршрутизатора (коммутатора) в соответствии с
таблицами маршрутизации, сформированными первоначально в процессе установления соедине-
ния. Тем самым осуществляется последовательная ретрансляция ячеек до места их назначения.
Все пользовательские терминальные окончания - ТО имеют свои идентификаторы, а все
пользовательские интерфейсы UNI имеют в качестве идентификатора виртуальной цепи два иден-
тификатора: идентификатор виртуального пути - VPI и идентификатор виртуального кана-
ла - VCI, которые содержатся в заголовке ячейки. Каждое звено ассоциируется с парой значений
VPI/VCI (называемое иногда этикеткой) на одном конце звена сети, которая, в свою очередь, ото-
бражается на соответствующую пару на другом конце этого звена, см. рис. 8-3.
Каждая физическая цепь (прообразом которой может служить многожильный ВОК) может
содержать несколько виртуальных путей (жил кабеля), каждый из которых в свою очередь состо-
ит из нескольких виртуальных каналов (волокон). Такая схема упрощает адресацию, так как по-
зволяет объединять группу однородных (по какому-то признаку) пользователей в один VPI. Схема
маршрутизации в сети становится более гибкой и быстрой, так как для адресации нужной группы
пользователей достаточно прочитать только VPI - первые 12 бит заголовка ячейки.
Пара VPI/VCI является фактически ATM-эквивалентом понятия идентификатор канала
связи данных - DLCI, используемого в сетях Frame Relay, или понятия номер логического канала
- LCN, используемого в сетях пакетной коммутации Х.25. Вместе с тем оно не соответствует по-
нятию адрес источника/адрес назначения в классических локальных сетях.
Рис. 8-3. Пример адресации в сети ATM с использованием VPI/VCI
Глава 8
Введение в технологию ATM
245
Здесь ---------- VC между пользователями А и I (данные)
----------VC между пользователями В и G, С и Н (речь)
---------- VC между пользователями D, Е и F (видео)
8.1.8.2. Мультиплексирование и коммутация
Мультиплексирование в ATM может осуществляется иерархически на двух уровнях: нижнем -
мультиплексирование виртуальных каналов, верхнем - мультиплексирование виртуальных
путей. Число виртуальных каналов равно 216 = 65536, число виртуальных путей - 28 = 256, что
дает возможность сформировать 16777216 виртуальных цепей, проходящих через интерфейс UNI.
Эти возможности существенно расширяются в процессе маршрутизации, если учесть, что сущест-
вует еще одна степень свободы - адреса портов, на которые принимаются и с которых отправля-
ются ATM потоки.
При одинаковом числе портов коммутатора на входе и выходе равном п это дает п! допол-
нительных возможностей при коммутации ATM потоков, так как потоки с одним и тем же значе-
нием VPI/VCI, поступившие на разные входные порты, рассматриваются как независимые, см.
примеры в [239].
Учитывая вышесказанное, важно понимать следующее. Во-первых, указанные дополни-
тельные возможности являются вероятностными по сути и их число существенно сокращается (в
пределе с п! до п) с увеличением продолжительности ATM сессии. Во-вторых, значение VCI, хотя
и может изменяться в процессе прохождения по ATM сети, фактически (в большинстве случаев)
выбирается постоянным, чтобы ускорить обработку ячеек, а от сегмента к сегменту изменяется
только VPI.
8.1.8.3. Типы используемых соединений
Первоначально предполагалось, что сети ATM будут предоставлять услуги, основанные на двух
типах соединений:
- PVC - постоянные виртуальные цепи-,
- SVC - коммутируемые виртуальные цепи или вызовы.
Первый тип услуг фактически сводится к организации выделенного канала или по крайней
мере временной связи, устанавливаемой на время проведения ATM-сессии. Второй - основан на
типе связи, которая в настоящее время соответствует двум типам соединений:
- COD - соединение по требованию-,
COR - соединение по запросу.
Учитывая возможные топологические схемы, описанные выше, можно перечислить во-
. _ мь возможных типов соединений (пользовательских услуг), которые могут предоставить сети
'.ГМ:
• одностороннее соединение типа точка-точка - UPP;
• одностороннее соединение типа точка-многоточка - UPM;
• одностороннее соединение типа многоточка-многоточка - UMM;
• двустороннее симметричное соединение типа точка-точка - BSPP;
• двустороннее симметричное соединение типа точка-многоточка - BSPM;
• двустороннее симметричное соединение типа многоточка-многоточка - BSMM;
• двустороннее асимметричное соединение типа точка-многоточка - ВАРМ;
• двустороннее асимметричное соединение типа многоточка-многоточка - ВАММ.
В отличие от других технологий, ATM допускает как симметричные, так и асимметрич-
ные связи. При симметричных связях ширина полосы канала связи в обоих направления одинако-
ва. при несимметричных - может быть различна.
246
Введение в технологию ATM
Глава 8
Например, при использовании в приложениях технологии клиент-сервер сеть ATM, в
случае посылки файла от сервера к клиенту и использовании двустороннего асимметричного со-
единения, может перераспределить полосу пропускания, существенно увеличивая ее в направле-
нии от сервера к клиенту.
С другой стороны, при связи точка-многоточка образуется топологическое дерево, кор-
невой узел которого непосредственно связан с листьями, но листья при этом не имеют прямой
связи друг с другом. Аналогичная ситуация имеет место и при связи типа многоточка-
многоточка.
8.2. Модель В-ISDN и уровни ATM
8.2.1. Эталонная модель B-ISDN
Мы уже упоминали, что ATM как технология вышла из недр ISDN в процессе развития широко-
полосного сервиса, поддержанного в так называемой широкополосной ISDN или В-ISDN. Для нее
была разработана эталонная модель взаимодействия (подход модный по тем временам благодаря
использованию 7-уровневой эталонной модели взаимодействия открытых систем - OSI, или
ЭМВОС). Ясно, что эта же модель в общем виде соответствует и ATM.
Модель трехмерная и состоит из трех плоскостей: плоскости пользователя (UP), плоско-
сти управления (СР) и плоскости менеджмента (МР). Эти плоскости имеют по сути одинако-
вую структуру и, будучи представлены в двумерном виде, см. рис. 8-4, состоят из 4 уровней, кото-
рые могут быть конкретизированы для отдельных плоскостей путем разделения их на подуровни.
Как и в любой многоуровневой модели каждая плоскость определяется конкретным набо-
ром выполняемых функций, объединенных общей задачей. Плоскость управления (СР) отвечает за
установление и поддержку сетевого соединения (для соединения типа SVC), если сервисная услу-
га требует установки PVС, то функции СР не нужны и она не используется. Плоскость пользова-
теля UP отвечает за передачу и управление потоком информации и восстановление данных. Плос-
кость менеджмента МР разбита на две части. Одна не имеет уровневой структуры и отвечает за
функцию координации работы всех плоскостей (показана сверху), вторая аналогична по структуре
СР и UP и отвечает за сервис эксплуатации, управления и обслуживания (ЭТО) логических объек-
тов каждого уровня.
Функция IV Р: координация работы СР. UP, МР
кость СР Плоскость UP Функция МР: управление уров- нями
Верхние уровни Верхние уровни Верхние уровни
Уровень AAL Уровень AAL Уровень AAL
Уровень ATM
Физический уровень
Рис. 8-4. Представление эталонной модели В-ISDN и ATM
8.2.2. Уровни модели ATM и классы трафика
Рассмотренная модель взаимодействия ATM состоит из четырех уровней, три из которых описаны
в стандартах ITU-T 1.321 [222] и 1.413 [229], а именно: физического уровня, уровня ATM и уровня
адаптации ATM (AAL), который, в свою очередь, разбивается на два подуровня:
- CS - верхнего подуровня конвергенции - связи с верхними уровнями OSI;
Глава 8
Введение в технологию ATM
247
- SAR - нижнего подуровня сегментации и сборки - сегментации пакетов верхних уровней на
блоки, размещаемые в поле полезной нагрузки ячеек, и сборки пакетов из загруженных ячеек.
Верхний уровень AAL (см. схему на рис. 8-5 ниже) условно разбит на четыре сектора, со-
ответствующих четырем характерным типам сервиса, или классам услуг, которые могут быть
предоставлены сетями ATM:
- Класс А: услуги передачи изохронных приложений, требующие установления соединения и
постоянной скорости передачи для передачи голоса, музыки, видео, мультимедиа - CBR;
- Класс В: услуги передачи синхронизируемых приложений, требующие установления соедине-
ния и допускающие переменную скорость передачи - VBR, характерны для передачи пакетизи-
рованного видео и речи;
- Класс С: услуги передачи данных (асинхронных приложений), требующие установления соеди-
нения и допускающие переменную скорость передачи - VBR, они характерны, например, для се-
тей с пакетной коммутацией Х.25 или Frame Relay;
- Класс D: услуги передачи данных (асинхронных приложений), не требующие установления со-
единения и допускающие переменную скорость передачи - VBR, они характерны, например,
для так называемых “дейтаграммных” сетей (без установления соединения), к которым относят-
ся класические ЛВС [140].
Класс А Услуги, ориентированные на установление соеди- нения и синхронизацию: речь, видео, музыка и мультимедиа Класс В Услуги, ориентированные на установление соеди- нения и синхронизацию: пакетизированные видео и речь Класс С Услуги, ориентированные на установление соедине- ния и не требующие син- хронизации: передача дан- ных по Х.25 Класс D Услуги без установления соединения и без син- хронизации: дейта- граммные данные клас- сическ.-к LAN
CS: AAL CBR CS: AAL VBR CS: AAL VBR CS: AAL VBR
SAR: AAL SAR: AAL SAR: AAL SAR: AAL
ATM
Физический уровень (например, DS3, PDH или SDH/SONET)
Рис. 8-5. Схема классов обслуживания модели ATM
Нижний подуровень SAR уровня AAL отвечает за преобразование входных данных в
ячейки ATM, т.е. разбиение пакетов, сформированных протоколами верхних уровней OSI, на сег-
менты (сегментацию) и последующее формирование из них потока ячеек, скорость которого на-
страивается верхним подуровнем в зависимости от приложений. Верхний подуровень этого уров-
ня CS обеспечивает связь с указанными в секторах приложениями, которые требуют от ATM либо
постоянной скорости передачи CBR, либо допускают переменную скорость передачи VBR, как в
режиме с установлением соединения, так и без него.
8.2.3. Функции и связь уровней В-ISDN, ATM и OSI
Хотя формально считается, что В-ISDN представляет два нижних уровня модели OSI, фактически
нельзя найти точного соответствия уровням AAL и ATM среди уровней OSI. Можно только ука-
зать, что уровень ATM фактически частично выполняет функции уровней 1 и 2 модели OSI, тогда
как уровень AAL - функции уровней 2 и 3 модели OSI.
И
О
Вместе с тем сами уровни 1-3 модели В-ISDN состоят из ряда подуровней, выполняющих
определенные функции, определяемые стандартом ITU-T 1.321 [222], см. табл. 8-1.
248
Введение в технологию ATM
Глава 8
Таблица 8-1. Функции уровней модели ATM
АА L CS Функция конвергенции Функция менеджмента уровней
SAR Функция сегментации и сборки
ATM Функция общего управления потоком Функция обработки (генерации/удаления) заголовка Функция обработки VPI/VCI Функция мультиплексирования/демультиплексирования ячеек
PL ТС Функция согласования скорости путем добавления пустых ячеек Функция обработки поля НЕС - функция контроля ошибок Функция фиксации границ ячеек для их восстановления Функция адаптации - функция упаковки (извлечения) ячеек в (из) пере- даваемый фрейм Функция генерации/удаления протокольного блока данных PDU
PMD Функция синхронизации Функция собственно среды передачи
Физический уровень (PL) здесь представлен двумя подуровнями: подуровнем, зависящим
от среды передачи (PMD) и подуровнем конвергенции передачи к уровню ATM (ТС). Видно, что
по крайней мере 2 функции подуровня ТС уровня PL могут выполняться в рамках уровня ATM в
технологии ATM.
8.3. Взаимодействие уровней AAL, ATM и АТМ-сети
8.3.1. Взаимодействие уровней при передаче/приеме
Уровень адаптации ATM - AAL по сути является интерфейсом между приложениями пользовате-
ля и уровнем ATM и, как мы видели выше, поддерживает четыре различные группы приложений.
С учетом приложений схема взимодействия уровней AAL, ATM и сети ATM имеет вид, представ-
ленный на рис. 8-6 (физический уровень не конкретизирован, рассматривается движение по стеку
уровней сверху вниз).
Рис. 8-6. Схема взаимодействия уровней модели ATM
Тип информационной составляющей (или полезной нагрузки - Payload) пользовательских при-
ложений идентифицируется подуровнем CS уровня AAL, который определяет состав функций, необ-
ходимых для обработки данной полезной нагрузки. Затем она разбивается подуровнем SR уровня AAL
на сегменты (обычно длиной в 44-47 байтов) и упаковывается в 48-байтовую ячейку - протокольный
блок данных PDU, содержащий заголовок Н (обычно длиной 1 - 2 байта), и концевик Т (обычно дли-
ной в 0 - 2 байта). Содержимое Н и Т меняется в зависимости от типа приложений (полезной нагрузки).
Глава 8
Введение в технологию ATM
249
Далее на уровне ATM к 48 байтовой ячейке присоединяется заголовок ячейки - СН - длиной 5 байтов.
Полученная 53-байтовая ячейка затем обрабатывается на физическом уровне (при этом структура
ячейки не меняется, хотя она и упаковывается (инкапсулируется) в кадры, или фреймы, например
фрейм SDH/SONET, если ATM уровень организуется как надстройка над этим физическим уровнем) и
посылается в сеть ATM. Обратная схема обработки зеркально-симметрична:
сеть ATM -> Физичекий уровень -> Уровень ATM -> Уровень AAL -> Пользовательские приложения.
К этой схеме нужно сделать по крайней мере два замечания.
1. Стандарты ATM не определяют полностью какой тип обработки должен быть осущест-
влен на верхнем подуровне AAL, если он связан с приложениями, которые могут потребовать
специальной обработки (например, выравнивание задержки PDU при передаче речи или сжатие
видеоданных). Эта задача решается производителями оборудования ATM.
2. Сеть ATM, получая ATM-ячейку (сформированную на уровне ATM, обработанную на
физическом уровне и прошедшую через локальный интерфейс UNI), транспортирует ее в пределах
своих границ (NNI - NNI) до удаленного интерфейса UNI (используя информацию в заголовке
СН), начиная с которого и запускается обратная схема обработки, описанная выше.
При более детальном рассмотрении взаимодействия уровней можно отметить, что оно
происходит в точном соответствии с общей схемой взаимодействия уровней модели OSI, описан-
ной, например, в [140]. Согласно ей взаимодействие между уровнями осуществляется через точки
доступа к сервису - SAP, в которых определяется, как нужно обслужить поступающий с преды-
дущего уровня PDU. Характер обслуживания определен в соответствующем описании сервиса
(называемом примитивом), зависящем, в свою очередь, от уровня-источника (посылающего
PDU) и уровня-назначения (принимающего PDU), участвующих в этом взаимодействии. В ре-
зультате этого из полученного PDU на входе уровня назначения сначала формируется сервисный
блок данных - SDU, а уже затем новый PDU, соответствующий данному уровню (или подуровню).
Эта принадлежность PDU к конкретному уровню (подуровню) определяется соответстующей ему
приставкой (например, CS-PDU).
В соответствии с этим взаимодействие уровней модели ATM можно представить в виде
следующей схемы [228]:
Pay load ->AAL-SAP ~>AAL-SD U -+CS-PDU ^SAR-PDU ^А TM-SAP ~^A TM-SD U -ЭА TM-PD U
Заметим, что между подуровнями CS и SAR точка доступа к сервису не определяется.
8.3.2. Стек протоколов и прохождение ячеек через сеть
На представленном ниже рис. 8-7 показаны стеки протоколов OSI и ATM и приведена их схема
взаимодействия при передаче информации из одной локальной сети (слева) через Сервер-1 -
Маршрутизатор-1 - ATM интерфейс UNI-1 - Сетевой узел 1 и сеть ATM в другую локальную сеть
(справа) через ATM интерфейс UNI-2 - Сетевой узел 2 - Маршрутизатор 2 - Сервер-2.
Согласно этой схеме и общей сетевой процедуры, PDU, будучи сгенерированы на уровне
Приложений А одного конечного пользователя на стороне Сервера-1, добавляют соответствую-
щие заголовки при их движении с верхних уровней вниз до среды передачи. Затем вместе со все-
ми заголовками они подаются снизу на Маршрутизатор-1, в котором последовательно удаляются
заголовки физического уровня Ph и уровня звена данных D. Заголовок сетевого уровня N исполь-
зуется Маршрутизатором-1 для определения адреса Сервера-2.
Из маршрутной таблицы, хранящейся в маршрутизаторе, определяется, что следующим в
схеме обработки является сетевой узел ATM. Маршрутизатор использует стек протоколов ATM,
формирующих (при прохождении через слои AAL и ATM) ячейки ATM, которые через физиче-
ский интерфейс (нижняя затемненная часть стека) подаются на ATM интерфейс пользователь-сеть
UNI-1. Далее они попадают на Сетевой узел 1, формирующий поток ATM-ячеек через сеть ATM
(стек протоколов которой включает физический и ATM уровни и не содержит AAL уровня) до
250
Введение в технологию ATM
Глава 8
удаленного Сетевого узла 2. Оттуда в обратном порядке через ATM интерфейс UNI-2 они доходят
до стека протоколов Сервера-2 и по нему фильтруются вверх до уровня Приложений А другого
конечного пользователя.
Рис. 8-7. Схема взаимодействия стеков протоколов OSI и ATM при передаче через сеть ATM
8.4. Ячейки ATM
Ячейка ATM, или ATM PDU, грубо делится на две части: 48 байтов - рабочая нагрузка и 5 байтов
- заголовок. Заголовок имеет свою внутреннюю структуру, зависящую от типа интерфейса, через
который проходит ячейка.
8.4.1. Структура ячеек ATM
Рассмотрим структуру заголовка ячейки ATM. Она представлена на рис. 8-8 для двух типов ин-
терфейсов: UNI и NNI. Эти интерфейсы неравноправны. Так, для интерфейса сеть-сеть NNI не
нужна общая информация для управления потоком данных, хранящаяся в специальном поле об-
щего управления потоком данных - GFC, а для интерфейса пользователь-сеть - UNI (открываю-
щего путь в сеть) она нужна. Следовательно, в структуре заголовка ячейки ATM для интерфейса
UNI поле GFC (1-ый байт, биты 5-8) присутствует, а для интерфейса NNI - нет (фактически его 4
бита устанавливаются на нуль, оставляя те же 8 бит в адресной части VPI).
В результате заголовок ATM ячейки для этих двух интерфейсов имеет следующую структуру:
8765 4321 Биты
GFC VPI
VPI VCI
VCI
VCI PT C
НЕС
VPI
VPI VCI
VCI
VCI PT C
НЕС
8765 43.21 Биты
GFC - общее управление потоком данных
VPI - идентификатор виртуального пути
VCI - идентификатор виртуального канала
РТ - тип полезной назгузки
С - флаг допустимости потери ячейки
НЕС - код контроля ошибок заголовка
Интерфейс пользователь-
сеть UNI
Интерфейс сеть-сеть
NNI
Рис. 8-8. Структура заголовка ячейки ATM
Глава 8
Введение в технологию ATM
251
Поясним приведенные поля заголовка.
VPI - идентификатор виртуального пути. Один виртуальный путь, как известно, может содер-
жать несколько виртуальных каналов, поэтому общая полоса пропускания сначала распре-
деляется по виртуальным путям, а затем каждому пути, или VPI, назначается определенное
число виртуальных каналов, характеризующихся соответствующим VCI.
VCI - идентификатор виртуального канала. Для ускорения обработки ячеек ряд устройств, как
было отмечено, обрабатывает только VPI поля.
РТ - тип полезной нагрузки - определяет тип трафика, который может быть передан с помощью
ATM-ячеек. Сюда относится не только указание на тип передаваемой информации (данные,
речь, видео), но и информация о перегрузках (поле GFC не передает такой информации),
управлении и обслуживании.
С - флаг допустимости потери ячейки. Флаг устанавливается на “1” тогда, когда ячейка мо-
жет быть потеряна/отброшена без большого ущерба для ценности принятой информации.
НЕС-код контроля ошибок заголовка. Поле длиной в один байт, которое позволяет обнаружи-
вать множественные ошибки заголовка (а не всей полезной нагрузки) и исправлять одиноч-
J ную ошибку.
Кроме указанных функциональных назначений отдельных элементов заголовка ячейки
ATM, поля VPI и VCI могут служить для кодировки специальных сигнальных сообщений - мета-
сигналов, которые могут использоваться для установления различных режимов работы во время
сессий или сеансов связи и обслуживания. Например, может быть задан широковещательный
режим работы сети. Сеть может быть предупреждена о посылке “пустых” ячеек при отсутствии
полезной нагрузки с целью поддержания синхронного режима работы.
8.4.2. Особенности операций с ячейками t г . г < ........
Тот факт, что системы ATM работают на высокой скорости, объясняется не только жел нием уве-
личить скорость обработки передаваемых сообщений, но и попыткой скомпенсировать относи-
тельно большие потери скорости на обработку заголовков. Эта проблема известна как проблема
перегрузки заголовками (overhead). При заголовке 5 байт и полезной нагрузке самое большее 48
байт эта перегрузка составляет 10,41%. Однако с учетом того, что 4 байта могут дополнительно
использоваться на эти цели на уровне AAL, имеем соотношение 9 к 44, т.е. перегрузка может дос-
тигать 20,45%. Фактически эта величина может быть еще выше, если учесть 4% перегрузки, до-
бавляемой на физическом уровне при использовании, например, SONET. Становится ясно, что
ATM должна использовать высокоскоростные каналы передачи, имеющие широкую полосу про-
пускания, хотя бы для того, чтобы компенсировать большую перегрузку заголовками.
Другая проблема - обеспечение фиксированной (и небольшой по величине) задержку тра-
фика между источником и приемником, например, для передачи голоса и видеосигналов. Такой
трафик относится к классу изохронных. Для него ITU-T рекомендует иметь максимальную вели-
чину задержки не более 200 мс. Другие исследования показывают, что в отсутствии эхо макси-
мальная задержка может достигать до 600 мс.
Источники возможных задержек в ATM тракте вполне очевидны - это все операции, со-
вершаемые над голосовым сигналом в процессе его прохождения по тракту (они создают опера-
ционные задержки - С/SD). С другой стороны при прохождении по физической среде передачи
возникают задержки на распространение - PD (они определяются из расчета 4-5 мксек/км). Два
других вида-задержек, задержки на переключение - SD и задержки на нахождение в очереди -
QD, обусловлены коммутаторами. В стандарте ITU-T Recommendation Q.507, например, исходят
из средней задержки не более 450 мксек. Общие оценки могут быть получены суммированием
всех ошибок. Подсчет проведенный в [43] дает величину порядка 15 мсек для модельного приме-
ра. К этому надо добавить задержку, как минимум, в 6 мс возникающую из-за пропадании каждой
ячейки при стандарной (без уплотнения) схеме кодирования речи (64 Кбит/с) в канале связи.
252
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.5. Уровень адаптации ATM
Для того, чтобы иметь возможность поддержать различные классы сервиса, AAL использует не-
сколько протоколов AAL-n, каждый из которых, благодаря специфике CS и SAR, поддерживает
определенный класс сервиса: AAL-1 - Класс A, AAL-2 - Класс В, AAL-3/4 - Класс С и AAL-5 -
Класс D. Эта специфика отражается на структуре протокольного блока данных - PDU, соответ-
ствующего AAL [228].
Рис. 8-9. Структурная схема уровня AAL
Уровень CS, в соответствии с
общим соглашением модели
OSI, в целом включает (см. рис.
8-9) при движении по стеку
сверху вниз: точку доступа к
сервису - SAP, подуровень CS
(или подуровни SSCS+CPCS),
включающий (каждый) сервис-
ный (SDU) и протокольный
(PDU) блоки данных (причем
PDU имеет характерную для OSI
структуру: заголовок-полезная
нагрузка-концевик - H-PL-T, см.
рис. 8-6).
Для типов AAL-2 (частично), AAL-3/4 и AAL-5 подуровень CS дополнительно разбивается
еще на два подуровня: SSCS - CS, зависящий от сервиса, и CPCS - общая часть CS. Их структура
та же, что и исходного CS: SDU и соответствующее PDU. Наличие дополнительного подуровня
SSCS придает им большую гибкость в обслуживании приложений. Ниже CS по стеку протоколов
AAL непосредственно (без SAP и SDU) следует собственно SAR (или SAR-PDU, имеющий ту же,
что и CS-PDU, структуру: H-PL-T). Между подуровнями SSCS, CPCS и SAR на схеме рис. 8-9 пока-
заны примитивы - подпрограммы-функции, осуществляющие обработку блоков данных при пере-
ходе с одного подуровня на другой (нами не рассматриваются, их списки и функции см. в [228]).
В зависимости от типа AAL эта общая схема может меняться. Так, подуровень SSCS мо-
жет быть нулевым (как, например, для AAL-1), в том смысле, что он может обеспечивать только
отображение эквивалентных примитивов уровня AAL на CPCS и обратно. С другой стороны, по-
дуровень CPCS может отсутствовать в явном виде, будучи поглощенным более общим подуров-
нем CPS, включающим CPCS и SAR (как, например, для AAL-2).
8.5.1. Уровень адаптации AAL-1
Уровень AAL-1 обеспечивает следующие типы сервиса [228,1.363.1]:
- передачу блоков SDU с постоянной скоростью, определяемой источником, и доставку их с той
же скоростью;
- передачу сигналов синхронизации между источником и назначением;
- передачу информации о структуре сигнала между источником и назначением;
- индикацию (при необходимости) потерянной или с ошибками принятой информации, не вос-
становленной на уровне AAL-1.
Для обеспечения сервиса на уровне AAL-1 могут быть использованы следующие функции:
- сегментации и сборки пользовательской информации;
- блокирование (организация блоковой структуры) и разблокирование (восстановление потока
данных) пользовательской информации;
Глава 8
Введение в технологию ATM
253
- обработка изменений времени задержки ячеек;
- обработка изменений времени задержки сборки полезной нагрузки ячеек;
- обработка потери или ошибочной вставки ячеек;
- восстановление частоты таймера источника в точке приема;
- восстановление структуры данных источника в точке приема;
- мониторинг ошибок управляющей информации протокола AAL-PCI;
- обработка ошибок управляющей информации протокола AAL-PCI;
- мониторинг ошибок информационного поля пользователя и организация их возможной коррекции.
8.5,1.1. Блок PDU для AAL-1
Протокольный блок данных PDU для AAL-1 существует как в виде CS-PDU, так и SAR-PDU. Мы
будем подробно рассматривать только SAR-PDU в силу фантомного характера CS-PDU.
Блок SAR-PDU имеет следующую структуру:
4 бита 4 бита 8 бит 47 или 46 байт
SN SNP Указатель Р (для P-формата PL) Полезная нагрузка PL
Здесь использованы следующие обозначения для полей:
- поле SN - последовательный номер ячейки - состоит из флага CSI наличия/отсутствия указа-
теля дополнительного подуровня CS (1 бит) и собственно последовательного номера ячейки (3
бита), позволяющего организовать циклический счет ячеек по модулю 8 (цикл - последова-
тельность из 8 SAR-PDU, нумеруемых от 0 до 7);
- поле SNP - защита последовательного номера ячейки - позволяет осуществить обнаруже-
ние множественных и коррекцию одной ошибки заголовка SAR-PDU, состоит из поля CRC
(3 бита) и поля проверки на четность 7 битного кодового слова (1 бит), составленного из SN
и SNP-CRC;
- поле Р - указатель - состоит из бита проверки на четность и собственно указателя - 7-битного
поля смещения;
- поле PL - полезной нагрузки - может иметь два формата: нормальный формат (без указателя)
длиной 47 байт (флаг CSI=0) и P-формат, состоящий из поля указателя длиной 1 байт и собст-
венно поля PL длиной 46 байт (флаг CSI=1).
При формировании PL подуровень CS-AAL-1 позволяет использовать метод передачи
структурированных данных (SDT-method), под которыми понимаются цифровые данные, осно-
ванные на стандартной частоте дискретизации 8 кГц, используемые в стандартных системах ISDN
'59] для передачи голоса (64 кбит/с), голоса и данных (2x64 кбит/с, формат 2B+D), видеоконфе-
ренцсвязи (384 кбит/с, формат 6В), а также каналов Hl 1 (1536 кбит/с, формат 23B+D) и Н12 (1920
кбит/с, формат 30B+D).
В методе SDT для выделения границ структурированных данных используется указатель
Р. Протокол SDT генерирует обычный формат, если размер блок равен “1” (т.е. 1 байту), этот
формат используется всегда, когда значение SN соответствует нечетным числам: 1, 3, 5, 7, и Р-
формат, если размер блока больше, чем “1”, этот формат используется всегда, когда значение SN
соответствует четным числам: 0, 2, 4, 6 (т.е PL первого SAR-PDU в цикле всегда имеет Р-формат).
Указатель Р используется 1 раз внутри каждого цикла и использует “смещение”, величина которо-
го находится в пределах от 0 до 93 (93=46+47, где 46 и 47 длина двух PL - нормального и Р-
формата) и указывает на номер байта, являющегося началом границы структурированного блока
(подробнее см. [228,1.363.1]).
Другой особенностью обработки сигнала на уровне AAL-1 является возможность органи-
зации коррекции ошибок (и допустимость потерь ячеек) за счет использования упреждающей
коррекции ошибок (FEC), реализованной с помощью кодов Рида-Соломона (128, 124). Для этого
CS организует структуру фреймов и блоков FEC, где фрейм FEC - блок длиной 128 байтов,
254
Введение в технологию ATM
Глава 8
состоящий из 124 байтов данных и 4 байтов для кода Рида-Соломона, а блок FEC - блок длиной в
47 последовательных фреймов, т.е. длиной в 6016 байтов (128*47=6016). Этот код позволяет кор-
ректировать 2 ошибочных байта в каждом фрейме FEC, если не было потерь ячеек. Дополнитель-
ные заголовки при этом составляют 3,1%, а задержка эквивалентна времени обработки 128 байтов.
Могут быть использованы и другие методы, см. [228,1.363.1].
Итак, данная структура PDU AAL-1 позволяет обнаруживать потерянные или неправильно
пронумерованные ячейки, дает возможность (учитывая синхронность трафика) восстанавливать
частоту синхронизации в точке приема ячеек, использовать упреждающую коррекцию ошибок
полезной нагрузки пользователя при передаче высококачественных аудио/видео приложений, а
использование указателя дает возможность посылать частично заполненные ячейки для уменьше-
ния задержки при сборке сегментированного пакета в точке приема ячеек. Она позволяет исполь-
зовать два режима передачи CBR трафика: неструктурированный (UDT) и структурированный
(SDT), характерные для схемы кодирования ИКМ (АДИКМ).
8.5.2. Уровень адаптации AAL-2
Уровень AAL-2 обеспечивает следующие типы сервиса [228]:
- передачу блоков SDU с переменной скоростью, определяемой источником;
- передачу сигналов синхронизации между источником и назначением;
- индикацию (при необходимости) потерянной или с ошибками принятой информации, не вос-
становленной на уровне AAL-2.
Для обеспечения сервиса на уровне AAL-2 могут быть использованы следующие функции [228]:
- сегментации и сборки пользовательской информации;
- обработка изменений времени задержки ячеек;
- обработка потери или ошибочной вставки ячеек;
- восстановление частоты таймера источника в точке приема;
- восстановление структуры данных источника в точке приема;
- мониторинг ошибок управляющей информации протокола AAL-PCI;
- обработка ошибок управляющей информации протокола AAL-PCI;
- мониторинг ошибок информационного поля пользователя и организация их возможной коррекции.
Несмотря на сходство используемых функций с AAL-1, AAL-2 в силу специфики сервиса
имеет другие упомянутые ранее подуровни [228,1.363.2], а именно:
- SSCS - подуровень конвергенции, зависящий от сервиса - осуществляющий в принципе те же
функции, что и CS, но более диверсифицированные, которые поддерживаются не одним а не-
сколькими протоколами в зависимости от конкретного сервиса;
- CPS - подуровень общей части (уровня AAL) - подуровень, который должен осуществлять в
принципе те же функции, что CS и SAR.
Кроме того, вместо одной точки SAP здесь (на функциональной модели) используются не-
сколько точек SAP, т.е. SAP,, позволяющие обеспечить различные уровни качества обслуживания
QOSj. Этот факт в принципе позволяет (в отличие от AAL-1) осуществлять мультиплексирование
соединений на уровне AAL-2, которое должно происходить на подуровне CPS с тем, чтобы ассо-
циировать эти связи с одним соединением на уровне ATM.
Аналогично предыдущему мы будем рассматривать только PDU нижнего уровня, т.е. CPS-
PDU, которое одновременно является ATM-SDU в соответствии со спецификой OSI-подобных
многоуровневых моделей.
Учитывая большую дивертифицированность асинхронных типов сервиса, факт использо-
вания различных уровней QOS, а также возможность мультиплексирования соединений на поду-
ровне CPS, можно предположить, что результатом работы CPS должен быть некий промежуточ-
ный пакет переменной длины, который затем и будет инкапсулироваться в CPS-PDU. Таким паке-
том является CPS-Packet.
Глава 8
Введение в технологию ATM
255
8 .5.2.1. Блок PDU для AAL-2
Прежде, чем описывать протокольный блок данных CPS-PDU для AAL-2, опишем формат пакета
CPS-Packet, который имеет следующую структуру [228,1.363.2]:
8 бит 6 бит 5 бит 5 бит 1 - 45/64 байтов
CID LI UUI НЕС Полезная нагрузка
Этот пакет состоит из 3-байтного заголовка CPS-PH и полезной нагрузки CPS-PP перемен-
ной длины. Назначение полей пакета следующее:
CID - идентификатор канала - определяет пользователя данного канала, так как канал двуна-
правленный, то этот идентификатор должен быть одинаковым в оба направления, значения
идентификатора лежат в пределах 8-255;
LI -указатель длины - определяет длину полезной нагрузки в байтах, которая не должна пре-
вышать 45 (чтобы общая длина с учетом заголовка не превышала 48 байтов), в противном
случае она устанавливается длиной 64 байта (см. ниже случай полезной нагрузки, требую-
щей такой длины);
UUI - указатель типа пользователей CPS, между которыми устанавливается прозрачная связь
(например, между объектами SSCS), допустимые значения - 0-31, из которых 0-27 использу-
ется для объектов SSCS, а 30-31 для менеджмента уровней;
НЕС - код контроля ошибок заголовка - код CRC-5, вычисляемый для полей CID+LI+UUI;
CPS-PP - полезная нагрузка CPS - длина нагрузки указана в поле LI.
Указанные пакеты CPS Packet упаковываются в протокольные блоки CPS-PDU, имеющие
следующую структуру:
6 бит 1 бит 1 бит 0-47 байтов
OSF SN Р Полезная нагрузка (PAD)
Здесь используются следующие обозначения полей:
STF - начальное поле - поле длиной в 1 байт, объединяющее поля OSF, SN и Р;
OSF - поле смещения - указывает число байт между концом STF и началом первого пакета CPS-
Packet или, при его отсутствии, началом поля дополнения (до 48 байтов) PAD;
SN - номер последовательности - поле (1 бит), используемое для того, чтобы пометить (по
модулю 2) пары потоков CPS-PDU;
Р - бит проверки на четность - бит, используемый для обнаружения ошибок в начальном
поле путем проверки на нечетность.
Характерной особенностью данного формата полезной нагрузки CPS-PDU является то, что
полезная нагрузка может быть пустой, или нести один или большее число (полных или частич-
ных) пакетов CPS-Packet. Оставшаяся неиспользованной часть полезной нагрузки заполняется ну-
левыми байтами поля дополнения PDU до 48 байтов. Пакет CPS-Packet может перекрывать грани-
цы одной или двух ячеек ATM, причем граница деления пакета может быть в любом месте, вклю-
чая заголовок.
Для сравнения приводим старый тип PDU, описаннный в [244] для использования в связи с
AAL-2.
4 бита 4 бита 45 байт 6 бит 10 бит
SN IT Полезная нагрузка LI CRC
Здесь использованы следующие обозначения:
'N - последовательный номер ячейки-,
256
Введение в технологию ATM
Глава 8
IT - тип информационного сегмента передаваемого сообщения (начало - ВОМ, продолжение -
СОМ или конец сообщения - ЕОМ);
LI - указатель длины полезной нагрузки',
CRC - циклический избыточный код обнаружения и коррекции ошибок полезной нагрузки
(длины полей указаны ориентировочно).
Приведенная структура AAL-PDU поддерживает (максимально) передачу речи, видео и
данных в канале с переменной скоростью передачи (VBR сервис, использующий процедуру па-
кетирования). Для такой передачи речь и видео формируются в виде последовательности сооб-
щений, упакованных в пакеты переменной длины (определяемой полем LI), размещаемые в поле
полезной нагрузки, безошибочная передача которой контролируется полем CRC. Поле IT играет
роль этикетки, указывающей какая часть сообщения передается. Поле SN, как и в AAL-1 PDU,
также позволяет обнаруживать потерянные или неправильно пронумерованные ячейки.
При передачи речи, например, для уменьшения влияния потерянных ячеек на качество обслужива-
ния, используются не только специальные методы модуляции, но и специальные методы группирования би-
тов с одинаковым весом, принадлежащих последовательным выборкам, в отдельные группы и использова-
ние контрольных заголовков пакетов и процедур цифровой интерполяции речи для их коррекции - методы,
широко применяемые в традиционных цифровых системах передачи речи.
Более важным для специалистов по сетевым технологиям является то, что размер пакета
получается больше максимальной длины поля полезной нагрузки. Например, для АДИКМ с 4-х
битными выборками (скорость передачи 32 Кбит/с) длина информационной части пакета состав-
ляет 64 байта. Сам пакет при этом формируется в соответствии с форматом, регламентируемым
стандартом ITU-T Rec. G.764 [232]. Этот пакет затем инкапсулируется во фрейм данных ненуме-
рованного типа - UI с заголовком HDLC-типа и концевиком, содержащим поле контроля фрейм-
последовательности - FCS. Факт инкапсуляции с FCS (в дополнение к CRC) не предохраняет
речь/видео блоки от отбрасывания в случае обнаружения ошибок, вызванного необходимостью
избежать дополнительных задержек трафика, суммарная величина которого (при передаче речи)
не должна превышать 200 мс. Общее же число блоков, которые могут быть отброшены не превы-
шает трех и регламентируется в поле BDI пакета в формате G.764. Указанный фрейм затем и раз-
мещается в поле полезной нагрузки, используя указатели LI и IT.
8.5.3. PDU для AAL-3/4
Протокольный блок данных имеет следующую структуру:
2 бита 4 бита 10 бит 44 байта
6 бит 10 бит
ST SN MID Полезная нагрузка LI CRC
Здесь: ST - тип сегмента передаваемого сообщения (ВОМ, СОМ, ЕОМ, SSM), MID - иден-
тификатор сообщения (используется на стадии сборки сообщения из принятых ячеек-сегментов);
SN, LI и CRC - аналогичны предыдущему.
Исходно предполагалось использовать AAL-3 для передачи данных с переменной скоро-
стью передачи (VBR сервис), ориентированной на установление соединения, a AAL-4 - для того
же, но без установления соединения. Затем эти два типа были объединены в AAL-3/4, предназна-
ченный для взаимодействия ATM с SMDS и MAN, как наиболее близких к ATM технологий.
MAN и SMDS также использует 53 байтные ячейки. SMDS, например, не ориентирован на уста-
новление соединения и стандартно отображается на физический уровень DS3 и STM-1, что делает
реализацию данного протокола ATM наиболее простым.
AAL-3/4 поддерживает два типа передачи: сервис в режиме передачи сообщений и сервис в
режиме передачи непрерывного потока. Первый тип допускает разбиение SDU на более мелкие
сегменты, а второй - наоборот, допускает передачу нескольких SDU фиксированного размера в виде
одного PDU, причем допустимый минимальный размер SDU может составлять один байт.
Глава 8
Введение в технологию ATM
257
8.5.4. PDU для AAL-5
Протокольный блок данных имеет следующую структуру (которая дорабатывается):
Байты 0-65535 0-47 байта 1 байт 1 байт 2 байта 4 байта
Данные пользо- вателя PAD CPCS- UU CPI LI CRC
Здесь: PAD - поле, дополняющее PDU до длины в 48 байтов, CPCS-UU - общая часть CS-
тип нагрузки пользователя, CPI - указатель общей части CS, LI - указатель длины полезной на-
грузки, CRC - циклический избыточный код контроля данных пользователя (SSCS-PDU).
AAL-5 имеет более простую, чем AAL-3/4, структуру и был нацелен на обеспечение
транспорта протоколов верхних уровней через ATM. SSCS может быть равно нулю, тогда он ис-
пользуется только для того, чтобы отобразить примитивы верхних уровней на CPCS и обратно.
AAL-5 поддерживает сервис, ориентированный на установление соединения и удобен для
передачи трафика Frame Relay.
8.5.5. Дополнительные классы трафика
В процессе развития стандартизации ATM были предложены два новых типа сервиса:
UBR - нерегламентированная скорость передачи;
ABR - возможная скорость передачи.
В соответствии с ними в рамках ATM развивается два новых класса услуг:
- Класс X: ориентированные на соединение услуги передачи данных в широкополосной вирту-
альной сети, для которой использование AAL, тип трафика (VBR or CBR), а также требование
синхронизации регламентируются пользователем (т.е. прозрачны для данной сети). Тип серви-
са, полоса частот и уровень QOS выбирается пользователем с помощью сообщения, устанавли-
вающего конфигурацию сервиса Class X. Сервис носит название UBR;
- Класс Y: услуга передачи данных, которая позволяет пользователю сообщить менеджеру сети,
какая полоса пропускания и какой класс сервиса ему нужен для данной передачи (запрос мо-
жет быть одобрен или отвергнут). Такой тип сервиса носит название ABR. Он используется для
передачи случайно возникшего и некритичного к условиям передачи трафика.
8.6. Коммутация потоков ATM ячеек
Коммутатор является одним из наиболее важных элементов сети ATM, так как от его скорости и
эффективности при обработке ячеек зависит производительность всей сети. Одновременно ком-
эутатор является и маршрутизатором. Он должен уметь управлять как асинхронным, так и син-
ронным трафиком, с одной стороны, а также дейтаграммным и рассчитанным на установление
. «единения трафиком, с другой стороны.
Для осуществления коммутации потоков, использующих физические уровни SONET/SDH,
л!мутатор должен иметь скорость коммутации от единиц до нескольких десятков Гбит/с. Про-
вес коммутации ATM не является предметом стандартизации, поэтому коммутаторы и исполь-
емые в них решения являются объектами и решениями отдельных компаний. Частично эти ре-
шения обобщаются форумом ATM Forum, однако в публикации его регламентирующих докумен-
тов нет раздела коммутации, см. [44, Part II: Selected Standards/ATM Forum].
'-48
258
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.6.1. Коммутация и маршрутизация на основе заголовка ячейки
Мы уже описывали в общих чертах процесс коммутации и маршрутизации с использованием вир-
туальных каналов и виртуальных путей, см. п. 8.1.8. и рис. 8-3. Коммутация в этом смысле делится
на два типа: коммутации виртуальных путей и коммутации виртуальных каналов.
В первом случае для ускорения обработки потока необходимо анализировать только поле
VPI заголовка ячейки, во втором - как VCI, так и VPI. При этом значение VCI прозрачно проходит,
через коммутаторы, осуществляющие VPI коммутацию, в этом смысле несколько VPI-
коммутаторов, включенных подряд, можно рассматривать как выделенную линию. С другой сто-
роны любой узел может использовать идентификаторы VCI на любом маршруте VPI. Наконец,
для коммутатора-маршрутизатора одинаковы как VPI, так и VCI, учитывая что последние могут
устанавливаться и изменяться программным обеспечением самих коммутаторов, как по требова-
нию, так и в зависимости от требуемого уровня качества передачи сообщения QOS.
8.6.2. Временные и пространственные коммутаторы
Рассмотрим кратко какие типы коммутаторов могут быть использованы для коммутации ATM ячеек.
Пространственный
Временной
коммутатор
б)
В настоящее время используют-
ся два типа коммутаторов: простран-
ственные и временные (см. рис. 8-
10,а,б). И в том, и в другом случае ос-
новной задачей коммутаторов являет-
ся передача на выход трафика, орга-
низованного поканально и поступив-
шего со своими метками VPI/VCI на
вход.
Для пространственной комму-
тации трафик поступает на п входов
(портов) и коммутируется на т вы-
ходов (портов) (см. рис. 8-10,а).
Рис. 8-10. Схема пространственной
и временной коммутации:
а) пространственная коммутация;
б) временная коммутация
Для временной коммутации роль портов играют тайм-слоты, т.е. коммутатор получает на
вход последовательность ячеек, распределенных по п тайм-слотам и перераспределяет их по т
тайм-слотам выходной последовательности (см. рис. 8-10,6).
8.6.2.1. Временные коммутаторы
Временные коммутаторы работают с временными последовательностями, а потому требуют для
обработки организации очередей и буферов памяти для обработки ячеек с различными временны-
ми приоритетами и временем прихода.
Все временные коммутаторы принято делить на две группы [245]:
- коммутаторы с общей внутренней средой передачи',
- коммутаторы с общей памятью.
Глава 8
Введение в технологию ATM
259
Коммутаторы с общей внутренней средой передачи
Специфика работы временных коммутаторов предполагает операции мультиплексирова-
ния параллельных потоков ячеек и их преобразование в последовательный поток тайм-слотов.
Этот поток для осуществления операции мультиплексирования должен использовать общую
внутреннюю среду передачи, скорость на которой должна быть в к раз выше (где к - коэффици-
ент мультиплексирования потоков ячеек. Такими внутренними средами передачи могут быть ши-
ны или кольца, а коммутаторы с общей внутренней средой передачи делят на коммутаторы с об-
щей шиной или общим кольцом. Такого типа коммутаторы легко позволяют осуществлять режи-
мы широковещательной передачи (бродкастинга - broadcasting) и передачи точка-многоточка. Од-
нако очевидны и ограничения, накладываемые максимальной скоростью промежуточной среды
передачи на коэффициент мультиплексирования коммутатора.
Коммутаторы с общей памятью состоят из одного двухпортового модуля памяти, куда
записывается мультиплексированная последовательность. Память логически организуется в виде
очередей, число которых равно числу выходных портов. Узким местом таких коммутаторов явля-
ется время доступа к памяти, которое должно быть достаточно мало для поддержки необходимой
частоты обращений, как со стороны входного, так и выходного трафика.
Более подробно типы и особенности временных коммутаторов см. в [241, 242, 244, 245].
8.6.2.2. Пространственные коммутаторы
Временные коммутаторы в целом обладают двумя важными для высокоскоростных сетей недос-
татками: во-первых, необходимостью мультиплексирования на входе/демультиплексирования на
выходе, ограничивающей число используемых портов коммутатора, во-вторых, необходимостью
централизации управления процессов буферизации, увеличивающей сложность коммутатора.
Этих недостатков ,.ет у про-
странственных коммутаторов, кото-
рые нашли широкое распростране-
ние в сетях ATM. Эти устройства
позволяют одновременно коммути-
ровать параллельные потоки вход-
ных портов на выходные. Они, од-
нако, обладают рядом своих осо-
бенностей и свойств (см. ниже разд.
10.2), одно из наиболее важных -
свойство неблокируемости. На-
помним (см. разд. 10.2.3.), что ком-
мутатор называется неблокирую-
щим, если любой незанятый вход-
ной порт может быть соединен с
любым неиспользуемым выходным
портом, в противном случае (т.е. ес-
ли какое-то соединение не может
быть реализовано) коммутатор яв-
ляется блокирующим (см. там же
понятие неблокированности в
строгом и в широком смысле).
Рис. 8-11. Схема цифрового кросс-
коммутатора и таблицы
коммутации
260
Введение в технологию ATM
Глава 8
Пространственные коммутаторы используют атрибуты цифровых кросс-коммутаторов:
идентификаторы линий и траНков, когда каждый канал ОЦК DS0 ассоциируется на приемной сто-
роне с номером пути DS1 и номером входного физического порта (линией - DS3), а на выходе с
номером выходного физического порта (транком - DS3) и соответствующим номером пути DS1 и
канала DS0 (см. рис. 8-11, верхняя часть).
Схема коммутации такого коммутатора описывается таблицей кросс-коммутации (см. рис. 8-
11, нижняя часть), на которой можно проследить коммутацию двух входных потоков DS0 (1 и 2).
Схема работы коммутатора в общем случае достаточно проста: на входном порту Линия 1 (DS3)
считывается путевая метка VPI/VCI (DS1/DS0), достаточная для идентификации конечного пользо-
вателя (VCI), по маршрутной таблице для входной тройки: Линия 1-DS1(1)-DSO(1) - определяется
выходная тройка: Транк 2 (DS3)-DS1(1)-DSO(5) - и происходит трансляция содержимого (маршрут-
ной информации) входных заголовков в содержимое выходных заголовков (см. рис. 8-12).
Вход
Выход
Входной порт Заголовок Выходной порт Заголовок
а 1 X 5
а 4 W 6
ь 2 У 6
ь 2 У 6
с 3 Z 8
с 2 X 4
d 4 W 7
d 3 Z 7
Рис. 8-12. Маршрутизация и трансляция ячеек
Учитывая то, что коммутаторы могут осуществлять операции мультиплексирования (ком-
мутируя, например, несколько Входных потоков/портов в один поток/порт), они должны иметь
буфер (на входе и/или на выходе) для выравнивания потоков перед мультиплексированием и
уметь управлять очередью (на рис. 8-12 такие буферы установлены на выходе по одному на каж-
дый выходной порт). Таким образом, можно констатировать, что коммутаторы ATM должны вы-
полнять следующие функции: пространственную коммутацию, маршрутизацию, мультиплексиро-
вание, организацию/управление очередями и трансляцию заголовков.
Хотя технология ATM основана на технологии установления соединения и статической
маршрутизации, ничто не мешает ей (благодаря механизму трансляции заголовков) использовать
адаптивную динамическую маршрутизацию, свойственную системам, работающим без установле-
ния соединения.
8.6.3. Прокладка маршрутов в сети ATM
Рассмотрим процесс прокладки маршрута через коммутаторы сети ATM и начальную установку таб-
лиц маршрутизации. На рис. 8-13 показано, как это можно сделать, используя метки VPI/VCI [43]. J
Глава 8
Введение в технологию ATM
261
Рис. 8-13. Прокладка маршрута через сеть ATM
Сначала устанавливается соединение трех пользователей слева с ближайшими тремя узлами
сети ATM путем посылки сообщений управления вызовом в соответствии с ITU-T Q.2931 [233]. Это
сообщение содержит поле адреса назначения. Каждый узел анализирует это сообщение и адрес на-
значения в нем, чтобы после анализа своей таблицы маршрутизации определить следующий узел,
который должен принять это сообщение. Таблица маршрутизации каждого узла содержит текущие
сведения об узлах сети: доступной пропускной способности узла и другой информации, которая
корректируется при изменении состояния сети. Следовательно, такая таблица дает возможность оп-
ределить наилучший путь (в соответствии с заложенным критерием оптимальности/качества), по
крайней мере до следующего узла, в момент прихода сообщения типа Q.2931. После этого на осно-
вании пары VPI/VCI входного порта данного узла, на который пришло это сообщение, определяется
соответствующая ей и следующему узлу маршрута пара VPI/VCI выходного порта данного узла.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет проложен весь маршрут. Критерии оптималь-
ности/качества при этом определяются производителем оборудования ATM.
Как только маршрут будет проложен, необходимость в использовании адреса назначения отпа-
дает и используются только пары VPI/VCI (представленные присвоенными номерами портов на входе
и выходе). На рис. 8-13 также показано, что для пользователей слева, инициирующих прокладку мар-
шрута, такие номера присваиваются (на уровне интерфейса UNI) только после того, как весь маршрут
проложен и проверен и инициатору-пользователю пришло сообщение, подтверждающее этот факт.
Более подробно типы и особенности пространственных коммутаторов см. в [241, 242, 244,
245], а также в разд. 10.2. Характеристики ATM коммутаторов и их особенности описаны в ряде
публикаций, например в [390].
8.7. Использование сети ATM в качестве магистральной
Если сеть ATM реализована автономно, то при ее функционировании используемые методы адре-
сации не вызывают больших проблем. Сети ATM, однако, уже перешагнули границы автономной
реализации и все больше используются в качестве магистральных сетей, связывающих другие се-
ти. В этом случае важно знать, как их трафик должен передаваться через сети ATM, как отобра-
зить заголовки PDU этих сетей на ячейки ATM, а их сервис - на сервис сетей ATM.
8.7.1. Управление вызовом и соединением
Если первоначально при реализации сетей ATM упор делался на реализации сервиса, основанного
на создании постоянных виртуальных цепей PVC, то позднее (9.93) ATM Forum выпустил пер-
вую редакцию стандарта для реализации сервиса типа соединение по требованию COD, основан-
ного на создании коммутируемых виртуальных цепей SVC [224].
262
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.7.1.1. Соединение по требованию
Как и всякое соединение по требованию, сеанс связи (сессия) через сеть ATM требует выполнения
процедур установления и разрыва соединения. Процедура установления соединения должна
обеспечить сеть адресами вызывающего и вызываемого абонентов, а также уровнем качества об-
служивания QOS данной сессии. Эта процедура основана на стандарте ITU-T Q.2931 (производ-
ном от Q.931) [233]. Соединение по требованию в данном случае означает, что ATM UNI должно
поддерживать сединения типа коммутируемый виртуальный канал (SVC, channel).
Сигнализация, обеспечиваемая стандартом ITU-T Q.2931, поддерживает 14 основных ти-
пов сервисов, соединений и функций, перечисленных ниже:
1 - соединение по требованию типа коммутируемый виртуальный канал.
2 - коммутируемое соединение типа точка-точка.
3 - соединения, требующие как симметричной (одинаковой в обоих направлениях передачи),
так и несимметричной (зависящей от направления передачи) ширины полосы пропускания
канала передачи.
4 - поддержка только одиночных соединений на один вызов (точка-точка).
5 - поддержка основных функций сигнализации с помощью протокольных сообщений, инфор-
мационных элементов и процедур.
6 - поддержка транспортных сервисов ATM типа: Class A, Class С и Class X.
7 - запрос и индикация параметров сигнализации.
8 - поддержка VPCI (идентификации соединения виртуальных путей) и VCI (идентификации
соединения виртуальных каналов) внутри виртуальных путей, а также "переговоров" при
установлении VCI.
9 - поддержка внеполосной сигнализации для всех сообщений сигнализации (VCI=5 зарезерви-
ровано в каждом VPCI для сигнализации "точка-точка", мета-сигнализация и широковеща-
тельный тип трафика не поддерживаются).
10 - восстановление сигналов от ошибок.
11 - поддержка формата адресации Pb-UNI для однозначной идентификации конечных точек се-
ти ATM.
12 - совместимость из конца в конец параметров идентификации.
13 - взаимодействие сигнализации с узкополосной ISDN и обеспечение сервисов узкополосной
ISDN.
14 - поддержка совместимости вперед в протоколе сигнализации, как для сообщений, так и для
информационных элементов.
Эта система сигнализации называется также цифровой системой сигнализации пользо-
вателя DSS-2.
8.7.1.2. Адресация в сетях ATM
Поддержка SV С для сетей ATM одновременно означает необходимость установления соглашения
для кодирования адресов назначения и источника, учитывая, что эти адреса могут меняться от
сессии к сессии.
ATM-адреса моделируются базируясь на точке доступа сетевого сервиса (NSAP) моде-
ли OSI (ISO 8348/AD2; ITU-T Х.213, Е.191; ATM Forum) [108; 391 (Annex A), 394; 224, 393].
Структура NSAP анализировалась нами в разд. 6.4.3.2. Ниже кратко описаны форматы адресов
конечных систем ATM (AESA), используемых в сетях ATM, базируясь на [393].
Существуют четыре формата AESA: DCC, ICD, Е.164 NSAP и Е.164 Local [393]. Они при-
ведены ниже. Каждый из них представлен полем длинной в 20 байт. Три первых формата исполь-
зуются в спецификациях UNI 3.1, UNI Signaling 4.0, ILMI 4.0, PNNI и др., последний - использует-
ся в спецификации VTOA.
Глава 8
Введение в технологию ATM
263
Формат AESA типа DCC - национальный код данных
IDP __________________________________DSP_______________________
AFI j РСс"~ НО-DSP | ESI | SEL
। —-
Формат AESA типа ICD - международный указатель кода
IDP ___________DSP_____________________
AFI I 1СР~“ НО-DSP | ESI | SEL
I ioi
Формат AESA типа E.164 NSAP - адрес для сети общего пользования
IDP
Е.164
IDI
___________DSP
НО-PSP I ESI I SEL
Формат AESA типа Local - адрес для использования в частной сети
| IDP I DSP________________ I
I AFI | НО-PSP | ESI | SEL I
Здесь используются следующие обозначения полей и адресных форматов:
AFI - идентификатор полномочий и формата - определяет тип AESA и то, какие полномочия могут
быть присвоены кодами. Как указывалось, используется 4 типа AESA (длина AFI -1 байт):
• DCC - формат типа национальный код данных - присваивается каждой стране международ-
ной организацией ISO, при этом каждая страна свободна в выборе структуры и правил фор-
мирования DSP; для этого формата AFI = 39]6;
• ICD - формат типа международный указатель кода - используется для построения кодов
на основе унифицированных международно признанных кодовых систем (например, на ос-
нове штрихового кода, кода DDS и т.д., т.е. кодов не являющихся адресами); формат кури-
руется Британским институтом стандартов (BSI), сам код ICD определяет тип выбранной
кодовой системы, а выбравший ее оператор сети ATM (ASP) свободен в выборе структуры
и правил формирования DSP; для этого формата AFI = 47i6;
• Е.164 - формат типа международный план нумерации сети общего пользования - применяется
для полной совместимости с планом нумерации по стандарту ITU-T Е.164, в этом случае поле
EDI используется только под стандартный адрес Е.164; учитывая, что он может иметь длину до
15 байтов, поля НО-DSP, ESI, SEL могут быть нулевыми; для этого формата значение AFI = 4516;
• Local - формат типа план нумерации местной сети - используется для создания произ-
вольной нумерации, которая может использоваться в частной сети ATM; в этом формате по-
ле IDI отсутствует; для этого формата значение AFI = 49 i6;
DSP- специфическая часть домена - часть адреса домена, состоящая из трех полей: НО-DSP, ESI
и SEL, содержит адресную часть, определяемую администрацией сети и зависящую от типа
формата; как правило ISO передает полномочия какой-то организации быть такой админи-
страцией (АА), которая и определяет расположение и содержимое полей DSP, два поля DSP
(младшие байты): ESI и SEL фиксированы во всех форматах;
ESI - идентификатор конечной системы - поле длиной в 6 байт, определяет адрес конечной сис-
темы, которой может быть оконечное оборудование сети, например, компьютер, тогда поле
содержит МАС адрес (IEEE 802.2); ESI обычно используется комммутатором, терминирую-
щим поток ATM, для выбора интерфейса, к которому подсоединена конечная система;
264
Введение в технологию ATM
Глава 8
НО-DSP - поле, содержащее старшие байты DSP, может состоять из разного числа полей и оп-
ределяется администрацией сети, контролирующей AESA; НО-DSP вместе с AFI и IDI, как
правило, используется для маршрутизации вызова до коммутатора ATM, в то же время НО-
DSP может быть фактически нулевым полем, как было указано выше для формата Е.164;
IDI - идентификатор начальной части домена - он зависит от типов форматов, для первых
трех из них, для последнего формата он отсутствует, например, для формата DCC (AFI=39)
в этом поле может стоять 840Fi6, определяющее домен США;
IDP - начальная часть домена - часть (старшие байты) адреса домена, занимает два поля в
структуре адреса первых трех форматов и совпадает с AFI в последнем формате; может со-
держать адрес области/зоны в топологической иерархии домена (см. например RFC 1629
[44]);
SEL - селектор - поле длиной в 1 байт, не используется при маршрутизации в сетях ATM, но мо-
жет использоваться конечными системами для идентификации внутренних модулей, на ко-
торые направлен внешний вызов (например, это может быть номер порта TCP/IP или точка
SAP в сети ISO/OSI), или с его помощью может осуществляться выбор одного из множества
адресов, связанных с одним и тем же интерфейсом.
Существует определенная иерархия администраций, ответственных за назначение тех или
иных полей или кодов. Наверху этой иерархии стоит объединенная администрация ISO/ITU-T, ко-
торая назначает AFI, коды DCC и значения ICD, на следующем уровне идут национальные адми-
нистрации, определяющие следующие поля.
Использование указанных типов форматов основано на их специфике, указанной выше, хотя
некоторые авторы [392] и отмечают определенную проблематичность их однозначного выбора.
Формат типа DCC
Так, формат DCC нацелен на использование адресации при передаче данных по сети ATM.
Формат курируется Международной организацией по стандартизации ISO и основан на старом стан-
дарте ISO 3166 [43]. Поле НО-DSP в соответствии с ранними публикациями [224 (9.93), 244] может
быть представлено состоящим из 5 полей: DFI, АА, RSVD, RD и AREA, интерпретируемых так:
АА - (уполномоченная) администрация - администрация, уполномоченная одним из институтов
по стандартизации быть куратором какого-то типа формата;
AREA - область/зона - часть иерархической топологии доменной структуры, используемой при
адресации;
DFI - идентификатор формата DSP;
RD - домен, где происходит маршрутизация-,
RSVD -резервное поле.
В качестве примера приведем структуру НО-DSP адресного формата типа DCC, определенного
Американским национальным институтом стандартов ANSI (все цифры даны в 16-ричном формате).
i 1 байт 2 байта 1 байт 3 байта 6 байтов 6 байтов 1 байт
1 AFI DCC DFI Имя организации Определяется организацией ESI SEL
39 840F 80 809134
Интересно отметить, что 3 поля (из рассмотренных ранее 5 полей): RSVD, RD и AREA в
данном случае не рассматриваются как необходимые для ATM адресации.
Формат типа 1CD
Что касается формата ICD, то он также является старым форматом (учитывая, что был ос-
нован на стандарте ISO 6523 [395]) и включен как опция такого формата, который ранее уже ши-
роко использовался определенными организациями (например, Всемирной организацией здраво-
охранения ООН). Этот формат позволяет указанным организациям (уже использующим ICD) ис-
пользовать его еще и с целью размещения в нем сетевых адресов. Это использование, однако, ни-
как на влияет на критерии формирования традиционных (в духе ISO 6523) элементов адреса, на-
пример кода организации (ОС). Более того, ICD используется в качестве формата сетевой адреса-
ции, только для того, чтобы следовать уже используемому формату ISO 6523-ICD IDI.
Глава 8
Введение в технологию ATM
265
Формат типа Е.164
Формат адреса типа Е.164, как один из новых форматов, используется, главным образом
для того, чтобы иметь возможность стыковки с сетями общего пользования благодаря совмести-
мости формата Е.164 с их планом нумерации. Его номера должны идентифицировать интерфейс
между сетью провайдера сервиса ATM (ASP) и частной сетью ATM [393]. Формат Е.164 обычно
делят на два типа в зависимости от характера отображения на него адреса AESA:
- первый тип называют Е.164 с погруженным адресом AESA, для него характерно отсутствие
компонентов НО-DSP, ESI и SEL;
- второй тип - с непогруженным адресом AESA, в нем НО-DSP, ESI и SEL присутствуют и могут
управляться частной администрацией с целью использования ее в частной сети (см. информацию
о полях AESA в ISO 8348 [108]; одним из примеров такого типа можно считать Е.164 Natural,
рассмотренный в [393], где в поле IDI располагается "Адрес ISDN", а поле НО-DSP разбито на
два поля: RD и AREA.
Формат типа Local используется для произвольной адресации в частных сетях ATM, как
это было описано выше.
Мы коснулись только одного аспекта адресации в сетях ATM: концепции и типов адреса-
ции. Более подробную информацию о других аспектах и примерах адресации в таких сетях можно
почерпнуть, кроме прочих источников, в работе [393].
8.7.1.3. Процедура установления и разрыва соединения
Рассмотрим кратко, как происходит установление и разрыв соединения в коммутируемых сетях ATM.
Для установления и разрыва соединений используется набор стандартных сообщений,
управляющих соединением (СММ). Эти сообщения описаны в стандарте ITU-T Q.931 [396] и со-
держат характерные для стандарта Q.931 поля, такие, как; определитель протокола, информа-
ция о вызове, тип сообщения, длина сообщения. Однако информационное содержание сообще-
ний привязано к специфике интерфейса ATM UNI. Список этих сообщений и выполняемые ими
действия приведены в табл. 8-2.
Таблица 8-2. Список сообщений, управляющих соединением
Типы сообщений Действия
Установление вызова - Setup - Call Proceeding (Call Proc) - Connect - Connect Acknowledge (Connect Ack) - Инициализация установления вызова - Осуществление процедуры вызова - Вызов принят (соединение установлено) - Подтверждение установления соединения
Разрыв соединения - Release - Release complete - Инициализация разъединения (отбоя) - Завершение разъединения (отбоя)
Определение статуса - Status enquiry (SE) - Status - Запрос сообщения о статусе - Ответ на запрос о статусе или сообщение об ошибке
Глобальный перезапуск вызовов - Restart - Restart Acknowledge - Перезапуск всех виртуальных вызовов - Подтверждение факта перезапуска
Операции "точка-многоточка" - Add party - Add party acknowledge - Add party reject - Drop party - Drop party acknowledge - Добавление абонента к существующему соединению - Подтверждение факта добавления абонента - Отмена факта добавления абонента - Удаление абонента из существующего соединения - Подтверждение факта удаления абонента
266
Введение в технологию ATM
Глава 8
На рис. 8-14 приведена схема установления соединения между двумя абонентами через
сеть ATM, использующая рассмотренные выше типы сообщений.
Референсный
вызов
Адрес
Характеристики
трафика
Качество
обслуживания
Референсный ..
вызов
VPI/VC1
Референсный
вызов
Референсный
вызов
UNI UNI
• Обследование
маршрута
• Формирование
таблицы VC
Завершение
формирования VC
Пользователь
Референсный
вызов
Адрес
Характеристики
трафика
Качество
обслуживания
VPI/VCI
Референсный
вызов
Референсный
вызов
Референсный
вызов
Рис. 8-14. Схема установления соединения в сети ATM
Как видно из этого рисунка, процедура установления соединения начинается с посылки в
сеть ATM вызывающим абонентом сообщения Setup, которое доставляется сетью вызываемому
абоненту. Формат этого сообщения содержит несколько полей, позволяющих идентифицировать
сообщение и установить различные параметры уровня AAL, содержащих адреса вызывающего и
вызываемого абонентов и требуемый уровень QOS, а также другие параметры. Основные из них
перечислены в текстовых окнах слева и справа на рисунке.
Получив сообщение Setup, сеть посылает вызывающему абоненту сообщение Call Pro-
ceeding, перенаправляет сообщение Setup вызываемому абоненту и ждет от него сообщения Call
Processing. Это сообщение используется как индикатор того, что вызов был инициирован и ин-
формации для установления вызова больше не требуется.
Вызываемый абонент, если он принял вызов, посылает сети сообщение Connect. Это со-
общение сеть перенаправляет вызывающему абоненту. Оно содержит параметры, часть которых
совпадает с параметрами сообщения Setup, а также содержит ряд других идентификаторов, соз-
данных в результате обработки информации, содержащейся в оригинальном сообщении Setup.
Получив сообщение Connect, вызывающий абонент через сеть посылает вызываемому
абоненту сообщение Connect Acknowledge. На этом установление соединения завершается.
На рис. 8-15 приведена схема разрыва соединения между двумя абонентами через сеть
ATM, использующая рассмотренные выше типы сообщений.
Рис. 8-15. Схема разрыва соединения в сети ATM
Глава 8
Введение в технологию ATM
267
Как видно из этого рисунка, процедура разрыва соединения начинается с посылки абонен-
том в сеть ATM сообщения Release, которое доставляется сетью другому абоненту. В результате
действия этого сообщения соединение разъединяется. Само сообщение содержит только инфор-
мацию необходимую для его идентификации. Абонент, получающий сообщение Release, должен в
свою очередь послать сообщение Release Acknowledge. На этом завершается процесс разрыва со-
единения, или разъединения.
При использовании технологии SVC используют три типа состояния виртуальных каналов VC:
- соединенный виртуальный канал (CVC) - канал, рассматриваемый как соединеный всеми сто-
ронами: сетью, вызывающим и вызываемым абонентами;
-разъединенный виртуальный канал (DVC) - канал, рассматриваемый всеми сторонами как не
соединеный, но еще не готовый к новому соединению;
- свободный виртуальный канал (RVC) - канал, рассматриваемый всеми сторонами как не соеди-
неный и готовый к новому соединению.
В процессе управления соединением по требованию с помощью описанных процедур и со-
общений используются также такие понятия, как "состояние вызова" и "счетчики/таймеры". Послед-
ние используются для задания периода ожидания момента завершения определенных действий (на-
пример, при выполнении процедуры Setup). Подробнее об указанных процедурах см. в работе [43].
8.7.2. Метод туннельной проводки
В этом разделе мы кратко рассмотрим идею другой технологии использования сети ATM в каче-
стве магистральной, связывающей другие сети. Она касается сетей передачи данных и использует
интерфейсы В-ICI и DXI (см. рис. 8-1). В этой связи важным является то, как трафик различных
сетей проходит через сеть ATM, как PDU различных сетей транслируются в ячейки ATM и как
сервисы этих сетей отображаются на сервисы ATM.
С точки зрения пропуска трафика через магистральную сеть, наиболее простей является
идея “туннельной проводки” (tunneling) этого трафика через сеть ATM, когда сеть представляет-
ся в виде туннеля, который не контролирует и не взаимодействует с трафиком, т.е. сеть становится
для пропускаемого трафика “прозрачной”. Однако взаимодействующие через сеть пользователи
должны иметь возможность информировть друг друга о характере трафика с одной стороны и ус-
ловиться (или договориться) о том, какой стек протоколов использовать при обмене данного тра-
фика, с другой стороны.
Идея туннельной проводки реализуется путем использования операций, описанных в стан-
дарте ITU-T Q.2931 [233], и специального элемента, так называемого широкополосного инфор-
мационного сервисного элемента (ISE) низкого уровня. Роль последнего и заключается в том,
чтобы проинформировать о характере передаваемого трафика. Хотя стандарт Q.2931 позволяет
информировать о том, какие протоколы будут использоваться во время сессии, равно как и ука-
зать, какой тип полезной нагрузки посылается в блоке SDU, он не предусматривает никаких про-
цедур, дающих возможность договариваться в процессе взаимодействия. Это должно решаться с
помощью дополнительного программного обеспечения.
Прохождение сообщения через сеть ATM усложняется в этом случае только тем (см. рис.
8-16), что до “левого” частного UNI и после “правого” частного UNI устанавливаются дополни-
тельные блоки взаимодействия - IWU (которыми могут быть, например, маршрутизаторы), ото-
бражающие информацию, принятую от пользователя, в “Q.2931-сообщения” на передающем кон-
це и осуществляющие обратную операцию на приемном конце. Единственная сложность осущест-
вления этой схемы в том, что блоки IWU должны быть достаточно "интеллектуальны", чтобы по-
нимать протоколы уровней 2 и 3 сетей пользователя и распознавать тип используемой связи (точ-
ка-точка, многоточка-многоточка и ЛВС-ЛВС).
Согласно [43] информационный элемент ISE может идентифицировать следующие
протоколы:
268
Введение в технологию ATM
Глава 8
Рис. 8-16. Схема взаимодействия сетей по методу туннельной проводки
для уровня 2 OSI
• HDLC, LAPB, LAPD, MLP, ISO ТП6, Q.922, Х.25 SLP (а возможно и другие) - для трафика
типа "точка-точка" и "точка-многоточка";
• LLC, ISO 8802/2 (а возможно и другие) - для трафика "ЛВС-ЛВС".
для уровня 3 OSI
• ISO 8208, 8473, 9577, PPP, Т.70, Х.25 (а возможно и другие) - для трафика типа "точка-
точка" и "точка-многоточка";
• ISO 8208, 8473, 9577, SNAP, Т.70, Х.25 (а возможно и другие) - для трафика "ЛВС-ЛВС".
Что касается широкополосного элемента ISE, то он представляет собой довольно сложное
по структуре сообщение, длиной 22 байта, позволяющее передавать большое количество инфор-
мации, подробности см. в работе [43].
8.8. Взаимодействие сети ATM и ЛВС
8.8.1. LAN-эмуляция
8.8.1.1. Идея и версии LAN-эмуляции
Если сеть ATM используется как магистральная для связи локальных сетей, то должны быть пре-
дусмотрены, с одной стороны, средства совмещения МАС-адресов локальных (дейтаграммных)
сетей с сетевыми идентификаторами ATM (VPI/VCI), с другой - характер взаимодействия и серви-
сы дейтаграммных (LAN) и рассчитанных на установление соединения (ATM) сетей.
Один из подходов осуществить это носит название LAN-эмуляции (LANE). Основное тре-
бование к системе эмуляции состоит в том, что при работе через сеть ATM приложения и прото-
колы LAN должны выполняться без каких-либо изменений. Так как эти приложения и протоколы
выполняются поверх подуровня LLC уровня 2 OSI (питаемого подуровнем МАС того же уровня),
то подуровень LLC трогать (т.е. использовать для эмуляции) нельзя, а подуровень МАС можно
заменить на эквивалентный подуровень эмуляции LAN - LE. Этот подуровень, с одной стороны,
должен выполнять для LLC те же функции и сервисы, что и МАС (т.е. эмулировать LAN), с дру-
гой - работать поверх уровня AAL (технологии ATM), а именно взаимодействовать с AAL-5, и
обеспечивать трансляцию МАС-адресов в адреса ATM. To-есть, LE, как уровень, находящийся
между уровнями LLC (сверху) и AAL (снизу) должен иметь два интерфейса: LE/LLC и LE/AAL.
Учитывая специфику существующих LAN (Ethernet - IEEE 802.3, Token Ring - IEEE 802.5,
FDDI - ANSI X3T9.5), их эмуляция должна проводится дифференцированно (с точки зрения тре-
бований к LE) и только для одного типа LAN. ATM Forum проработал две спецификации LE для
Ethernet и Token Ring. В любом случае для обеспечения сервиса LE должны использоваться сле-
дующие элементы: клиенты LE и LE сервис, обеспечивающий сервисы, характерные для LAN.
Глава 8
Введение в технологию ATM
269
ATM Forum в январе 1995 г. выпустил первую редакцию стандарта LAN Emulation 1.0,
регламентирующего основные вопросы эмуляции LAN (ЛВС) [397]. В этой серии стандартов бы-
ли описаны функции клиента эмуляции LAN (LEC), и сервис LE, обеспечиваемый сервером эму-
ляции LAN (LES), сервером эмуляции и конфигурации LAN (LECS) и сервером пакетов широ-
ковещания и с неизвестным адресом (BUS). Не все оборудование сетей ATM поддерживало в то
время данный стандарт.
В июле 1997 г. тот же ATM Forum выпустил вторую расширенную редакцию стпандарта
LAN Emulation 2.0 [398], которая, несмотря на то, что отменяет первую и имеет внушительный
список нововведений (см. [398, Appendix D]), в целом сохраняет те же принципы функционирова-
ния схемы эмуляции (которые и будут кратко изложены ниже). Более того при определенных ус-
ловиях может быть достигнута совместимость и нормальная работа LEC (LANE v.2) и LEC (LANE
v.l), в том числе и благодаря использованию специальных флагов, указывающих на необходи-
мость использования новых особенностей, или новых типов переменных (TLV) версии 2 (v.2).
8.8.1.2. Описание сервиса LAN-эмуляции
В первую очередь опишем, что должно быть эмулировано (т.е. смоделировано средствами техно-
логии ATM так, чтобы для взаимодействующих LAN была видимость стандартной для них среды
взаимодействия). Во-первых должны быть эмулированы основные возможности и сервисы, а за-
тем новые возможности и улучшенные сервисы.
Основные возможности и сервисы
• Станции LAN взаимодействуют без предварительного установления соединения. LANE должна
создать видимость такого взаимодействия (учитывая, что в ATM нормально требуется предва-
рительное установление соединения).
• Станции LAN (Ethernet) используют обычно такие типы адресации как индивидуальная адре-
сация (уникастинг - unicasting), групповая адресация (мультикастинг - multicasting) и широ-
ковещательная адресация (бродкастинг - broadcasting), учитывая, что они используют техно-
логию множественного доступа к той же самой среде, - это и должно эмулироваться (учитывая,
что ATM использует в основном тип связи “точка-точка”).
• Приложения, выполняемые в LAN, используют стандартные стеки протоколов (например,
APPN, IPX), которые используют драйверы подуровня MAC (NDIS, ODI, DLPI), - эти драйверы
и должны эмулироваться, используя функции и примитивы ATM, чтобы верхние уровни LLC и
выше оставались неизменными для использования этих протоколов.
В ряде приложений приходится создавать несколько доменов (групп ATM-узлов) в рамках од-
ной сети, что приводит к необходимости ставить им в соответствие группу станций LAN, при-
соединенных к одному сегменту, - это приводит к понятию эмулированная LAN (ELAN).
• Схема LAN-эмуляции должна давать возможность устанавливать соединение не только между
конечными системами ATM, но и соединениями типа LAN-станция - LAN-станция и LAN-
станция - конечная система ATM (при этом она должна использовать существующий в LAN
метод соединения LAN с помощью мостов, как прозрачных (Transparent Bridging), так и ис-
пользующих маршрутизацию от источника (Source Routing Bridging).
Новые возможности и улучшенные сервисы
• LANE v.2 дает возможность локально управлять качеством обслуживания (QOS) для участков
связи между конечными системами ATM, а также имеет механизм для определения того, под-
держивает ли удаленная конечная система ATM систему управления QOS.
> LANE v.2 дает возможность выделять трафик, использующий групповую адресацию (мульти-
кастинг), из общего потока с широковещательной адресацией (бродкастингом) с помощью ме-
ханизма определения клиентов эмулированной LAN, которым требуется та или иная часть
мультикастинга, и соответствующие фильтры.
270
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.8.1.3. Уровневая архитектура LAN-эмуляции
Архитектура системы эмуляции, как мы поясняли выше, должна соответствовать уровневой
структуре OSI (которой следуют LAN) и строиться, как уровень промежуточный между AAL
(ATM) и LLC (и выше - LAN). При этом в уровневой архитектурной модели системы эмуляции
должны быть описаны на только два описанных выше (для простоты) интерфейса, но и все воз-
можные сервисные интерфейсы, через которые осуществляется взаимодействие ATM и LAN.
Схема уровневой архитектурной модели LAN-эмуляции представлена на рис. 8-17.
Рис. 8-17. Схема уровневой модели LAN-эмуляции
В этой модели роль такого промежуточного уровня, управляющего эмуляцией, играет уро-
вень LE, лежащий над уровнем ALL-5, и под верхними уровнями, из которых выделен уровень
LLC. Между этими уровнями цифрами в скобках выделены следующие 6 интерфейсов.
1 - Интерфейс между уровнем LE и верхними уровнями, включает возможности передачи и
приема пользовательских кадров данных.
2 - Интерфейс между уровнями LE и AAL, включает возможности передачи и приема кадров
AAL-5.
3 - Интерфейс к логическому блоку управления соединением, включает возможности запроса
процедур Setup или Release для немультиплексированных соединений виртуальных кана-
лов VCC.
4 - Интерфейс между уровнем LEC и логическими блоками менеджмента уровня LE, включает
возможности инициализации и управления клиентом LEC, а также получения информации о
его статусе.
5 - Интерфейс к логическим блокам мультиплексирования на уровне LLC, включает возможно-
сти передачи и приема LLC-мультиплексированных кадров; этот интерфейс используется
для LLC-мультиплексированных потоков, которые могут использовать VCC вместе с логи-
ческими объектами, не входящими в состав LANE v.2 (этот интерфейс не описан в докумен-
те LANE v.2).
6 - Интерфейс к логическим блокам мультиплексирования на уровне LLC, включает возможно-
сти запроса процедур Setup или Release LLC-мультиплексированных потоков; этот интер-
фейс используется для LLC-мультиплексированных потоков, которые могут использовать
VCC вместе с логическими объектами, не входящими в состав LANE v.2 (этот интерфейс не
описан в документе LANE v.2).
Глава 8
Введение в технологию ATM
271
Интерфейс UNI для LAN-эмуляции (LUNI)
Как показано в этой модели, взаимодействие между клиентом LE и сервисом LE осущест-
вляется через хорошо документированный интерфейс LUNI, использующий блоки PDU и прото-
колы, описанные в самом документе LANE v.2 [398]. Требования к функциям, которые должен
выполнять интерфейс на всех 4 этапах взаимодействия: инициализации, регистрации, процедуры
конвертации адресов и передачи данных, описаны там же.
Вопросы реализации элементов архитектуры LAN-эмуляции
Пользователи подключаются к сервису LE через клиентов LE, которые реализуются на ко-
нечных станциях ATM, либо как часть программных драйверов (между ОС и аппаратным обеспе-
чением ATM), либо в виде спецпроцессора, который является частью ATM адаптера.
Предполагается, что LANE будет использована в следующих двух конфигурациях.
1 - В виде промежуточных систем (например, в виде моста или маршрутизатора). В этом случае
реализуемые устройства обеспечивают связь через сеть ATM между традиционной LAN и
конечной станцией ATM в любой комбинации.
2 - В виде конечных станций (например, в виде ПК или главного компьютера - хоста (host)). В
этом случае реализуемые устройства обеспечивают связь между конечными станциями
ATM и указанными конечными станциями в рамках традиционной LAN или среди конеч-
ных станцией ATM.
8.8.1.4. Компоненты LAN-эмуляции и их функции
Компоненты ELAN-сети включают конечные системы ATM (рабочие станции ATM или мосты
ATM), имеющие (каждая) одного или больше клиентов LE, и компоненты сервиса LE (один или
более LES, LECS и BUS).
Клиент LE (LEC)
Клиент LE осуществляет перенаправление данных, конвертацию адресов, обеспечивает
сервисный интерфейс ELAN (Ethernet/Token Ring) с МАС-уровня к верхним уровням и реализует
интерфейс LUNI, чтобы взаимодействовать с другими компонентами в рамках одной ELAN.
Сервер LE (LES)
Сервер LE в общем случае осуществляет функции координации управления. Так, он обес-
печивает возможность регистрации и конвертации МАС-адресов и/или дескрипторов маршрутиза-
торов в адреса ATM.
Сервер LE и конфигурации (LECS)
Сервер LE и конфигурации (один или несколько) приписывает отдельных клиентов к раз-
чным ELAN сервисам, давая им соответствующие АТМ-адреса.
Сервер пакетов широковещания и с неизвестным адресом (BUS)
Сервер BUS обрабатывает данные, посланные клиентами LE на широковещательный
А.С-адрес (FFFFFFFFFFFF) - (режим broadcasting), а также данные с групповыми адресами (ре-
:м multicasting) и даже данные, посланные на индивидуальный адрес (режим unicasting) при
ювии, что они были посланы клиентом LE до того, как произошла конвертация АТМ-адреса на-
шачения данных с прямым адресом (т.е. до того, как было установлено соединение виртуального
канала данных с прямым адресом - DD VCC, см. ниже).
8.8.1.5. Соединения, осуществляемые при LAN-эмуляции
усмотрим какие соединения устанавливаются в процессе LAN-эмуляции участниками процесса
взаимодействия, а именно LEC, LES, LECS и BUS, при использовании простой схемы взаимодей-
зия лвух клиентов LE, приведенной на рис. 8-18.
272
Введение в технологию ATM
Глава 8
Рис. 8-18. Пример схемы взаимодействия двух клиентов LE
Все соединения, которыми оперирует LANE, являются соединениями виртуальных кана-
лов (VCC). Эти соединения могут быть обычными, или немультиплексированными VCC, кото-
рые поддерживаются LANE v.l, и мультиплексированными на уровне LLC, или LLC-
мультиплексированными VCC, которые поддерживаются LANE v.2. Последние VCC могут пе-
редавать трафик нескольких потоков LANE. Один поток LANE переносит трафик данных и/или
трафик управления только одной ELAN. Для LANE v.l понятия “поток” и VCC совпадают, для
LANE v.2 - нет.
Потоки данных с групповыми адресами (multicasting) и управления (типа MF и CD) пре-
даются по VCC с топологией “точка-многоточка”, остальные - по VCC с топологией “точка-
точка”. Кроме того, только потоки данных с прямым адресом (DD) могут' быть LLC-
мультиплексированы, тогда как другие потоки - нет. Данные типа DD (будучи LL-
мультиплексированы в канал VCC) могут распределяться по многим клиентам LE, использующим
этот канал, как общий.
Компоненты LAN-эмуляции устанавливают те или иные типы VCC. Это могут быть или
обычные, или LLC-мультиплексированные VCC. Если терминируется обычный VCC, то канал ос-
вобождается, если же терминируется один поток LLC-мультиплексированного VCC, то канал не
освобождается до тех пор, пока все потоки в нем не будут терминированы. В общем случае ком-
поненты LAN-эмуляции устанавливают следующие типы VCC:
• прямое виртуальное соединение для конфигурации (Configuration Direct VCC) - двунаправ-
ленное VCC, устанавливаемое клиентом LE между ним и LECS во время фазы Connect (Со-
единение) и используемое для получения информации о конфигурации, включая адрес LES
(см. линию 1 на рис. 8-18);
• прямое виртуальное соединение для управления (Control Direct VCC) - двунаправленное VCC
с топологией “точка-точка”, устанавливаемое клиентом LE между ним и LES для передачи тра-
фика управления во время фазы Initialization (Инициализация) (см. линию 2 на рис. 8-18);
• прямое виртуальное соединение для распределения трафика управления (Control Distribute
VCC) - однонаправленное (от LES к клиенту LE) и устанавливаемое сервером LES (по выбо-
ру) VCC с топологией “точка-многоточка“, используемое для распределения трафика управ-
ления (устанавливается во время фазы Initialization) (см. линию 3 на рис. 8-18);
• прямое виртуальное соединение для передачи данных (Data Direct VCC) - двунаправленное
VCC с топологией “точка-точка”, устанавливаемое клиентом LE между ним и другими клиен-
тами LE для обмена трафиком с индивидуальными адресами (режим unicasting); таких со-
единений может быть установлено несколько даже для одного клиента в зависимости от тре-
бований QOS, установлению таких соединений может предшествовать фаза запроса LE_ARP
для выяснения ATM-адреса назначения, а сами соединения могут быть как немультиплекси-
рованными, так и LLC-мультиплексированными (см. линию 6 на рис. 8-18);
• виртуальное соединение для передачи данных с групповой адресацией (Multicast Send
VCC) - двунаправленное VCC с топологией “точка-многоточка”, устанавливаемое клиентом
LE между ним и сервером BUS для обмена трафиком с групповыми адресами (режим multi-
Глава 8
Введение в технологию ATM
273
casting); это VCC процедурно устанавливается также как Data Direct VCC, но оно должно
быть ненаправленное (см. линию 4 на рис. 8-18);
• виртуальное соединение для перенаправления трафика с групповой адресацией (Multicast
Forward VCC) - однонаправленное (от BUS к клиенту LE) и устанавливаемое сервером BUS (по
выбору) VCC с топологией “точка-многоточка”, используемое для перенаправления трафика
сигнализации от BUS к клиенту LE, по крайней мере одно такое соединение должно быть уста-
новлено до того, как клиент LE сможет общаться с ELAN (см. линию 5 на рис. 8-18).
Указанные выше типы соединений показаны на схеме взаимодействия двух клиентов LE,
представленной на рис. 8-18.
8.8.1.6. Этапы и сервисные функции LAN-эмуляции
Схема взаимодействия с указанными типами соединений будет неполной, если не описать этапов
и соответствующих им сервисных функций, осуществляемых при LAN-эмуляции. К таким этапам
можно отнести следующие этапы: инициализация (Initialization), регистрация (Registration), кон-
вертация адреса (Address Resolution), передача данных (Data Transfer).
Каждому такому этапу соответствует ряд сервисных функций. Мы кратко рассмотрим
только этап инициализации, чтобы в целом понять, что и как происходит.
Этап инициализации
Инициализация является первым этапом в установлении взаимодействия между клиентами
LAN-эмуляции. Как только она заканчивается, становится возможным функционирование клиента
LE. Перед инициализацией клиенты LE и сервер LE обладают начальной информацией (адреса,
имена ELAN и т.д.), или начальным состоянием (НС). Схему инициализации можно описать с
помощью следующей последовательсти фаз-состояний'. *
НС -^соединение с LECS ~ЭКонфигурация~Эсоединение с LES-ЭНР-Эсоединение cBUS-ЭНФ
Здесь HP означает “начальную регистрацию”, а НФ - “нормальное функционирование”.
Первой фазой инициализации является фаза соединения с сервером LECS (Connect) и ус-
тановления соответствующего VCC (см. рис. 8-18). Затем клиент LE с помощью LECS осуществ-
ляет фазу конфигурации параметров. Далее клиент LE осуществляет фазу соединения с LES, если
оно успешно, то клиент LE получает свой идентификатор (LECID), узнает: к какой ELAN он при-
надлежит, максимальный размер кадра и тип LAN (Ethernet или Token Ring). После чего (в рамках
этой же фазы).
За этим следует фаза начальной регистрации, в течении которой клиент LE регистрирует
LAN-адреса назначений и дескрипторы маршрутов (Route Descriptors). После этого клиент LE
осуществляет фазу установления соединения с BUS, в рамках которой BUS устанавливает с ним
соединение типа MF. Успешным финалом этих этапов является состояние нормального функцио-
нирования схемы LAN-эмуляции. В случае неуспеха на каком-то этапе, он повторяется.
При работе в режиме установления SVC объекты LAN-эмуляции (клиенты LE, LES и BUS)
устанавливают соединения друг с другом с помощью сигнализации UNI.
То, что удалось описать выше, лишь малая часть того, что называется LAN-эмуляцией.
Подробности см. в стандартах ATM Forum [398].
В заключение мы приводим один из возможных упрощенных вариантов описания того,
как на практике в рамках LAN-эмуляции происходит взаимодействие через сеть ATM двух рабо-
чих станций А и В (принадлежащих разным ЛВС) и конвертация (установление) адресов, если для
трансляции МАС-адреса в ATM-идентификатор используется протокол устранения коллизий
адресных ссылок, или, проще, протокол конвертации адреса (ARP):
। - рабочая станция ЛВС А посылает МАС-кадр связанному с ней маршрутизатору А, кото-
рый играет роль клиента LE.
18-48
274
Введение в технологию ATM
Глава 8
2 - маршрутизатор А формирует запрос в виде ARP-пакета (с МАС-адресом рабочей станции на-
значения в поле адреса назначения) и посылает его серверу LES, подключенному к сети ATM.
3 - сервер LES по запросу находит ATM-идентификатор маршрутизатора В (LEC), связанного с рабо-
чей станцией ЛВС назначения В, и пересылает его маршрутизатору А в качестве ответа на запрос.
4 - маршрутизатор А устанавливает виртуальное соединение с маршрутизатором В, исполь-
зуя протокол коммутируемого виртуального вызова Q.2931.
5 - после установления соединения информация рабочей станции А размещается в ячейках
ATM и направляется маршрутизатору В.
6 - маршрутизатор В считывает заголовки ATM ячеек, заново формирует МАС-кадр и на-
правляет его рабочей станции В.
Кроме указанных методов эмуляции ЛВС, основанных на трансляции МАС-адресов, суще-
ствуют и другие методы. Например, МРОА, метод краевой ATM маршрутизации (AER), ис-
пользующий IP-адреса сети и подсети, и метод виртуальной ATM маршрутизации (AVR), ос-
нованный на использовании специального сервера централизованной маршрутизации (CRS)
[43]. Однако, кроме МРОА, они не нашли широкого применения.
8.8.2. Технология МРОА
Технология LANE, описанная выше, позволяет поддерживать несколько ELAN, используя одну
сеть ATM. Эта технология является достаточно эффективным средством соединения “внутренних
подсетей” (intra-subnet) через сеть ATM (можно сказать, что эти соединения используют мосты).
Однако, если, например, LAN или ATM сами разбиты на подсети, то для передачи трафика между
подсетями, рассматриваемыми как “внешние подсети” (inter-subnet) приходится использовать
маршрутизаторы. *
Для преодоления этого недостатка и обработки трафика inter-subnet, как и трафика intra-
subnet, в рамках LANE используется технология многопротокольной передачи через ATM
(МРОА), определяющая, как протоколы сетевого уровня должны использовать ATM QOS и пря-
мые соединения между различными виртуальными LAN. Другими словами технология МРОА по-
зволяет использовать информацию как на уровне мостов (уровень 2), так и на уровне маршрутиза-
торов (уровень 3) для определения оптимального пути между подсетями.
8.8.2.1. Компоненты МРОА
Существуют два типа логических компонентов МРОА: клиент МРОА (МРС) и сервер МРОА
(MPS), см. рис. 8-19.
Пограничное устройство
или МРОА хост
Клиент
МРОА
13-функция
Клиент LE
Маршрутизатор
Сервер МРОА Сервер следующего узла
Клиент LE Функция ма ршрутиза ци и
Рис. 8-19. Компоненты системы МРОА
Основная функция клиента МРС на стороне источника - обнаружить регулярный поток
пакетов, пересылаемых через ELAN к маршрутизатору, компонентом которого является MPS, оп-
ределить оптимальный для него путь и выбрать его в качестве альтернативного (короткого) мар-
шрута к адресу назначения. На стороне назначения МРС принимает поток и, если он направлен по
короткому маршруту, добавляет ему соответствующую инкапсуляцию канального уровня (уровня 2).
Глава 8
Введение в технологию ATM
275
Затем он пересылает его на более высокие уровни (например, на уровеньЗ), используя соответст-
вующую функцию перенаправления на этот уровень (показанную на рис. 8-19, как ЬЗ-функцию),
причем необходимую на стороне назначения информацию ему доставляет MPS.
Сервер MPS является компонетом маршрутизатора (см. рис. 8-19), который обеспечивает
перенаправление информации уровня взаимодействия клиенту МРС. Сервер включает полную
реализацию сервера следующего узла (NHS), определенного в NHRP в стандарте AF МРОА [399].
Он взаимодействует с локальным NHS и функциями маршрутизации (см. рис. 8-19) и отвечает на
запросы МРС (на обоих сторонах), снабжая их нужной информацией.
Клиент МРС со своей стороны взаимодействует с клиентом/клиентами LE (LEC). В погранич-
ном устройстве на рис. 8-19 может быть один или несколько МРС, с каждым из которых ассоциируют-
ся один или несколько LEC (однако каждый LEC может ассоциироваться только с одним МРС).
8.8.2.2. Потоки информации и управления в схеме организации МРОА
Потоки информации и управления в схеме организации МРОА показаны на рис. 8-20. Их можно
разбить на две категории: потоки управления и потоки данных.
Пограничное устройство
или МРОА хост Маршрутизатор
LECS
Потоки между
МРС и MPS
Потоки между
МРС и MPS
Потоки
конфигу-
рации
Клиент
МРОА
13-функция
Потоки
конфигу-
рации
“ Потоки между I —
МРС и MPS
<---------------
Сервер
МРОА
Сервер
следующего узла
Клиент LE
ELAN
Клиент LE
Функция
маршрутизации
Пограничное устройство
или МРОА хост
Маршрутизатор
Рис. 8-20. Потоки информации и управления в МРОА
Потоки управления
Потоки управления в свою очередь делятся на потоки конфигурации и потоки между
MPC-MPS, MPS-MPS, МРС-МРС. Согласно схеме организации МРОА [399] МРС и MPS взаимо-
действуют с сервером LECS для получения информации о конфигурации (см. выше разд. 8.8.1.5),
что вызывает потоки конфигурации. Потоки между МРС и MPS используются для менеджмента
кэш памяти МРС, хранящей текущую информацию. Потоки между MPS и MPS управляются стан-
дартными протоколами маршрутизации уровня взаимодействия и протоколом разрешения ад-
ресных ссылок следующего узла (NHRP). Управляющие потоки между МРС и МРС состоят из со-
общений об ошибочно принятых пакетах, служащих для сброса ошибочной информации в кэш
памяти.
Потоки данных
Потоки данных в свою очередь делятся на поток данных между МРС и МРС и потоками
данных между клиентом МРС и клиентами следующего yvzflNHC. Потоки МРС-МРС используют-
ся, главным образом, для передачи данных между клиентами МРС по оптимальному (короткому) со-
единению VCC через МРОА. Потоки MPC-NHC характеризуют обмен данными между указанными
клиентами путем установления соединений с индивидуальными адресами (режим unicasting).
18!
276
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.8.2.3. Операции, осуществляемые в системе МРОА
В системе МРОА осуществляются следующие операции:
• конфигурация - операция получения клиентом МРС и сервером MPS соответствующей ин-
формации от LECS;
• исследование - операция по изучению компонентами МРОА соответствующей информации о
ДРУГ ДРУге;
• получение адреса цели - операция определения адресов ATM для конечных точек оптималь-
ного (короткого) соединения (рассматриваемого в .качестве цели операции) с использованием
расширенного протокола NHRP;
• управление соединением - операция создания, поддержки и терминирования соединений
VCC для передачи данных и управляющей информации;
• передача данных - операция перенаправления данных уровня взаимодействия через короткое
соединение.
8.8.2А Пример оптимального (короткого) соединения в системе МРОА
В заключение краткого обзора технологии МРОА опишем пример установления оптимального (ко-
роткого) соединения при работе системы МРОА в результате изучения характера трафика, шедшего
первоначально по стандартному пути, сформированному в схеме LANE (см. рис. 8-21).
Рис. 8-21. Пример оптимального соединения в системе МРОА
На рис. 8-21 показана схема стандартного пути, по которому пакет передается через LANE
маршрутизатору. Следуя ему, пакет покидает систему МРОА через внутренний интерфейс сервиса
LEC на стороне входа клиента МРС (см. МРС1 слева) и направляется через ELAN к MPS1 и далее.
Если же этот пакет является частью потока, для которого был установлен короткий путь, то на
стороне входа МРС освобождает его от инкапсуляции канального уровня (DLL) и посылает его
через установленный короткий путь. Возможно, что перед этим МРС потребуется снабдить дан-
ный пакет информационной этикеткой (тэгом).
Если до этого не было зарегистрировано потока с данным адресом назначения, то пакет,
посланный на МРС (а он всегда содержит этот адрес), фиксируется как начало нового потока и,
если число таких пакетов превысит определенный порог, то МРС посылает запрос на получение
адреса ATM, который затем используется для установления короткого пути до некоторого специ-
фического элемента сети, наиболее вероятно, что это будет точка на стороне выхода клиента МРС
- МРС2.
По прибытии по короткому пути в эту точку на стороне выхода, пакет обследуется и, если
он соответствует записи в кэш-памяти на стороне выхода, то он снова инкапсулируется (используя
информацию в кэш-памяти) и направляется к верхним уровням, если нет - то он отбрасывается.
Так работает система МРОА.
Глава 8
Введение в технологию ATM
277
8.9. Отображение ATM потоков ячеек на физический уровень
Уже говорилось о том, что ATM может использовать протоколы физических уровней, разработан-
ные для других сетевых технологий. Кратко опишем (используя плоскость пользователя - U-plane
модели В-ISDN) как это делается при отображении ATM на физические уровни технологий SDH,
SONET, PDH и DS3, одобренных ATM Forum и используемых наиболее часто.
Это не значит, что указанные технологии являются единственными, чей физический уро-
вень может быть использован. Кроме них, ATM может использовать физический уровень FDDI
(PHY/PMD - 100 Мбит/с), IBM LAN-стандарты (UTP - 25,92 и 12,96 Мбит/с), учитывая, что АТМ-
Forum выпустил спецификации на все эти интерфейсы и протоколы физического уровня [43]. К
ним также относятся и некоторые радиоинтерфейсы, например, радиоинтерфейсы SONET и SDH.
Если физический уровень предполагается использовать в рамках архитектуры В-ISDN, то,
конечно, могут быть использованы примитивы физического уровня PHY-UNITDATA (между
уровнем ATM и физическим уровнем), однако в этом случае используются другие физические
уровни.
8.9.1. Упаковка ячеек ATM в полезную нагрузку виртуальных контейнеров SDH
Упаковка ячеек в поле полезной нагрузки фреймов SDH регламентируется стандартом ITU-T
G.707 [16]. Существует ряд общих правил, которые соблюдаются при упаковке ячеек в виртуаль-
ные контейнеры.
8.9.1.1. Общие правила упаковки ячеек
Операции передачи ячеек ATM в поле полезной нагрузки фрейма SDH осуществляются через фи-
зический уровень, который разбит на два подуровня (см. табл. 8-1):
- верхнего подуровня конвергенции передачи к уровню ATM - ТС, выполняющего функции кон-
троля заголовка - НЕС, идентификации и выравнивания ячеек внутри полезной нагрузки, обра-
ботки указателя и другие операции подготовки данных к передаче;
- нижнего подуровня, зависящего от физической среды - PMD, ответственного за синхрониза-
цию и кодирование в канале передачи данных.
Общая схема упаковки ячеек такова, что они отображаются на поле виртуального контей-
нера VC-n, или конкатенированной структуры из виртуальных контейнеров VC-n-mc, где п=1, 2, 3,
4, а т=4, 16 [16]. Учитывая, что поле полезной нагрузки конкретного контейнера VC-n может не
помещать целое число ячеек ATM (длиной 53 байта), разрешается пересечение границ фрейма
смежных контейнеров VC-n (т.е разрешается разбивать ячейку на две части, помещая их в смеж-
ных контейнерах).
Если в первый контейнер (из двух смежных контейнеров) загружается N целых ячеек и
часть ячейки, то длина последней ячейки фиксируется в указателе, размещаемом в байтах Н сек-
ционного заголовка SOH [27]. При локализации начала целой ячейки в следующем фрейме нужно
иметь ввиду, что оно может быть сдвинуто на любую длину в интервале 0-52 байта. Байты Н ис-
пользуются также для управления функциями конкатенации частей разбитых ячеек. Байт С2 SOH
используется для индикации факта загрузки ячеек ATM в контейнер, а байт G1 используется для
сигнализации ближайшему узлу сети ATM об отсутствии выравнивания ячеек, наличие которого
необходимо для осуществления коррекции ошибок.
Информационное поле ячейки (48 байт) должно скремблироваться (а заголовок нет) перед
тем, как оно будет отображено на поле PL контейнеров VC-n или VC-n-mc. При распаковке ячеек
ATM из контейнеров соответственно должна проводиться процедура дескремблирования перед
278
Введение в технологию ATM
Глава 8
тем, как ячейка будет передана на ATM уровень. Цель скремблирования - устранить возможность лож-
ного выравнивания границ ячеек, а также возможность дублирования слова синхронизации STM-N.
8.9.1.2. Отображение ячеек ATM на виртуальные контейнеры
Отображение ячеек на виртуальный контейнер VC-4-хс
Фиксируемая часть потока ячеек ATM загружается в контейнер С-4-хс так, что ее границы выравнива-
ются с границами контейнера С-4-хс, который затем отображается на виртуальный контейнер VC-4-хс
вместе с заголовком VC-4-хс РОН и (х-1) столбцом фиксированного наполнителя (см. рис. 8-22).
Рис. 8-22. Отображение ячеек ATM на виртуальный контейнер VC-4-хс
Виртуальный контейнер в свою очередь отображается на полезную нагрузку х фреймов
STM-1, имеющих скорость передачи 155,52 Мбит/с (фактическая скорость передачи ячеек -
149,760 Мбит/с). Так как размер PL контейнера С-4-хс (х • 2340 байтов) не является целократным
размера ячейки (53 байта), то ячейка может пересекать границу фрейма контейнера С-4-хс.
Отображение ячеек на виртуальные контейнеры VC-4/VC-3
Фиксируемая часть потока ячеек ATM загружается в контейнер С-4/С-3 так, что ее границы
выравниваются с границами контейнера С-4/С-3. С4/СЗ затем отображается на виртуальный контейнер
VC-4/VС-3 вместе с заголовком VC-4/VС-3 РОН. Следовательно, границы ячеек ATM выравниваются
с границами VC-4/VC-3. Так как размер PL контейнера С-4/С-3 (2340/756 байтов) не является цело-
кратным размера ячейки (53 байта), то ячейка может пересекать границу фрейма контейнера С-4/С-3.
Отображение ячеек на виртуаль-
ный контейнер VC-2-тс
Фиксируемая часть потока ячеек
ATM, имеющего скорость т х 6,784
Мбит/с, где т=2-7 для непрерывной кон-
катенации и т=2-21 для виртуальной кон-
катенации, загружается в виртуальный
контейнер VC-mc, организованный как 4-
фреймовый мультифрейм, см. рис. 8-23.
Фреймы этого мультифрейма состоят
из 1-байтного VC-2-mc РОН, (т-1) байта
фиксированного наполнителя и (т х 106)
байтов полезной нагрузки для непрерыв-
ной конкатенации.
V5 + (m-1)R байт
(т х 106) D байт
ГО
ю
оо4
04
X
Е
J2 + (т -1) R байт
(т х 106) D байт
N2 + (т -1) R байт
(т х 106) D байт
К4 + (т -1) R байт
(т х 106) D байт
500 мкс
D - данные; R - фиксированный наполнитель
Рис. 8-23. Отображение ячеек ATM на вир-
туальный контейнер VC-2-mc
Глава 8
Введение в технологию ATM
279
При виртуальной конкатенации указанные выше фреймы состоят из т независимых
байтов VC-2-mc РОН и (ли х 106) байтов полезной нагрузки. ATM ячейки загружаются в
поле полезной нагрузки VC-2-mc так, что их границы выравниваются с любой байтовой
границей VC-2-mc, так как VC-2-mc PL в точности эквивалентен (лих2) ячеек ATM (в расче-
те на 125 мкс фрейм).
500 мкс
D - данные
Отображение ячеек на виртуаль-
ный контейнер VC-2
В этом случае (см. рис. 8-24) VC-2
также представляет собой 4-фреймовый
мультифрейм. Его фреймы состоят из од-
ного байта VC-2 РОН и 106 байтов по-
лезной нагрузки. ATM ячейки загружа-
ются в VC-2 PL так, что их границы вы-
равниваются с любой байтовой границей
VC-2, так как VC-2 PL в точности экви-
валентен 2 ячейкам ATM (в расчете на
125 мкс фрейм).
Рис. 8-24. Отображение ячеек ATM на виртуальный контейнер VC-2
Отображение ячеек на виртуальный контейнер VC-12/VC-11
В этом случае поток ATM ячеек передается со скоростью 2,176 и 1,600 Мбит/с соответ-
свенно для VC-12 и VC-11. В плавающем режиме организации трибных блоков TU-n виртуальные
контейнеры VC-12/VC-11 также представляют собой 4-фреймовый мультифрейм. Его фреймы со-
стоят из одного байта VC-12/VC-11 РОН и 34/25 байтов полезной нагрузки соответственно. ATM
ячейки загружаются в VC-12/VC-11 PL так, что их границы выравниваются с любой байтовой
границей VC-12/VC-11, так как VC-12/VC-11 PL никак не связана с размером ячейки ATM (53
байта). Фактически выравнивание границ будет меняться от фрейма к фрейму в последовательно-
сти, которая будет повторяться каждые 53 фрейма.
8.9.2. Упаковка ячеек ATM в оболочку полезной нагрузки SONET
Операции передачи ячеек ATM в поле полезной нагрузки фрейма SONET также осуществляются
через физический уровень, разбитый на два подуровня ТС и PMD.
В SONET ячейки ATM могут быть упакованы в STS-3c, STS-1, DS3 и DS1. Рассмотрим для
примера упаковку ячеек в STS-Зс. Фрейм STS-3, имеющий скорость передачи 155,520 Мбит/с
поддерживает скорость передачи ячеек ATM 149,760 Мбит/с. В этом смысле упаковка ячеек в
STS-Зс аналогична упаковке в VC-4-хс. Так как размер полезной нагрузки SPE STS-Зс
(260x9=2340 байтов) не является целократным размера ячейки (53 байта), то ячейка может пере-
секать границу фрейма STS-Зс. Учитывая, что виртуальные трибы VT могут использовать как
плавающий, так и фиксированный режимы загрузки, то первая ячейка ATM может начинаться с
11 байта 1 строки фрейма (для плавающего режима это маловероятно). В этом случае в SPE по-
мещается 44 целых ячейки и еще 8 байтов, остальные ячейки размещаются в следующем фрейме.
Поле заголовков (секционного, линейного и РОН) заполнено так:
- секционный заголовок: 1 строка - А1А1А1А2А2А2АЗАЗАЗ, 2 строка - В1, остальные байты не
определены;
- линейный заголовок: 1 строка - Н1Н1Н1Н2Н2Н2НЗНЗНЗ, 2 строка - В2В2В2хххК2хх, 6 строка-
xxxxxZ2xxx, остальные позиции и те, что помечены символом х - не определены;
- столбец РОН: JlB3C2Glxxxxx [431.
280
Введение в технологию ATM
Глава 8
8.9.3. Упаковка ячеек ATM в фреймы PDH
Упаковка ячеек в поле полезной нагрузки фреймов PDH регламентируется стандартом ITU-T
G.804 [161]. При этом стандартизована загрузка только следующих типов фреймов всех трех сис-
тем иерархии:
- TI, Т2 и ТЗ (AC); El, Е2, ЕЗ и Е4 (ЕС); TI, Т2 и JP4 (ЯС). Однако стандартизация упаковки яче-
ек в Е2 по состоянию на конец 1999 г. не была завершена.
Ниже мы рассмотрим упаковку ячеек ATM только в фреймы европейской системы ЕС.
8.9.3.1. Упаковка ячеек в фреймы Е1
При упаковке во фрейм Е1 используется структура фрейма, как она описана в стандарте ITU-T
G.704 [15}? При этом используются только тайм-слоты 1-15 и 17-31, что обеспечивает поле полез-
ной нагрузки '30 байтов в расчете на 1 фрейм, поэтому фактически используется последователь-
ность (поток) фреймов, учитывая, что сама упаковка, кроме G.804, регламентируются стандартами
ITU-T 1.432.1,1.432.3 [230].
Так, для поддержания заданной синхронной скорости Е1 стандарт 1.432.1 предписывает
генерацию пустых ячеек, когда информационные ячейки не поступают с уровня ATM (см. функ-
цию согласования скорости подуровня ТС в табл. 8-1). Структура заголовка и полезной нагрузки
пустой ячейки имеет вид:
1 байт 2 байт 3 байт 4 байт НЕС 1 байт нагрузки промежут. байты 48 байт нагрузки
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0101 0010 ОНО 1010 ОНО 1010 ОНО 1010
Полезная нагрузка (48) байт скремблируется перед тем, как ее загружают в тайм-слоты
фреймов PDH для передачи, а при приеме она дескремблируется.
8.9.3.2. Упаковка ячеек в фреймы ЕЗ
При упаковке во фрейм ЕЗ используется структура фрейма, как она описана в стандарте ITU-T
G.832 [124]. Эта структура приведена на рис. 2-25 (см. гл. 2). При этом для ячеек используются
530 байтов фрейма ЕЗ, и осуществляется выравнивание байтовой структуры фрейма с байтовой
структурой ячейки, причем сама упаковка регламентируется стандартом ITU-T G.804, а выравни-
вание - стандартом 1.432.1 [230].
Также, как и для Е1, для поддержания заданной синхронной скорости ЕЗ 34,368 Мбит/с
стандарт 1.432.1 предписывает генерацию пустых ячеек, когда информационные ячейки не посту-
пают с уровня ATM (см. функцию согласования скорости подуровня ТС в табл. 8-1). Структура
заголовка и полезной нагрузки пустой ячейки имеет тот же вид, что описан в разд. 8.9.3.1.
Полезная нагрузка (48) байт скремблируется перед тем, как ее загружают в тайм-слоты
фреймов PDH для передачи, а при приеме она дескремблируется.
8.9.3.3. Упаковка ячеек в фреймы Е4
При упаковке во фрейм Е4 используется структура фрейма, как она описана в стандарте ITU-T
G.832 [124]. Эта структура приведена на рис. 2-27 (см. гл. 2). При этом для ячеек используются
2160 байтов фрейма Е4, а также выравнивание байтовой структуры фрейма с байтовой структурой
ячейки, причем сама упаковка регламентируется стандартом1ТП-Т G.804, а выравнивание - стан-
дартом 1.432.1 [230].
Глава 8
Введение в технологию ATM
281
Также, как и для Е1, для поддержания заданной синхронной скорости Е4 139,264 Мбайт/с
стандарт 1.432.1 предписывает генерацию пустых ячеек, когда информационные ячейки не посту-
пают с уровня ATM (см. функцию согласования скорости подуровня ТС в табл. 8-1). Структура
заголовка и полезной нагрузки пустой ячейки имеет тот же вид, что описан в разд. 8.9.3.1. •
Полезная нагрузка (48) байт скремблируется перед тем, как ее загружают в тайм-слоты
фреймов PDH для передачи, а при приеме она дескремблируется.
8.9.4. Упаковка ячеек ATM в кадры система DS3
Для передачи ячеек ATM физический уровень системы передачи DS3 использовался сначала даже
чаще, чем физический уровень SONET/SDH. Для этой цели применялась спецификация комму-
тируемого мулыпимегабитного сервиса данных - SMDS и протокол конвергенции к физиче-
скому уровню - PLCP (IEEE 802.6) [43].
В этом случае ячейки ATM загружаются в поле полезной нагрузки PLCP фрейма DS3 (см.
рис. 8-25). В нем размещается ровно 12 ячеек ATM с дополнительными 4-х байтовыми заголовка-
ми, при этом реализуется скорость передачи ячеек 40,704 Мбит/с (53x8=424 бит ячейки х 12 яче-
ек/фрейм DS3 х 8000 = 40704,000 кбит/с). Схема размещения значительно проще, чем в случае
SONET/SDH, так как положение ячеек фиксировано и выравнивания ячеек не требуется.
Синхронизация POI РОН Нагрузка PLCP
А1 А2 Р11 Z6 1 ячейка ATM
А1 А2 РЮ 2 ячейка ATM
... ячейка ATM
А1 А2 Р1 11 ячейка ATM
А1 А2 Р0 С1 12 ячейка ATM Концевик 1
1 байт 1 байт 1 байт 1 байт 53 байта 13-14 нибблов |
Рис. 8-25. Упаковка ячеек ATM в фрейм DS3
В дополнительном 4-байтном заголовке 2 байта (А1 и А2) используются для синхрониза-
ции PLCP, 1 байт используется как указатель маршрутного заголовка - POI, 1 байт - как мар-
шрутный заголовок - РОН. Концевик (управляемый байтом С1 РОН) добавляется к каждому
третьему фрейму и использется для его выравнивания.
8.10. Управление трафиком и качество обслуживания в сетях ATM
Проблемы управления трафиком и качеством обслуживания являются одними из ключевых
и сложных.
Управление трафиком само по себе распадается на две проблемы: одна - управление
трафиком и перегрузками, другая - управление распределением полосы пропускания. Нако-
нец, управление трафиком подразумевает управление входными потоками и выбор опти-
мального маршрута передачи данных.
Что касается управления качеством, то это задача достаточно новая (о чем свиде-
тельствует отсутствие этой рубрики в большинстве указанных выше изданий [43, 241-244]),
но интенсивно развивающаяся и не только применительно к ATM [400]. Хотя ATM Forum и
определил 6 категорий услуг, рассматриваемых как классы качества: CBR, VBR-nrt (VBR
не в режиме реального времени), VBR-rt (VBR в режиме реального времени), UBR, ABR и
GFR, однако не ясно, что делать на практике, когда реальное оборудование ATM поддер-
живает только некоторые из них [390].
282
Введение в технологию ATM
Глава 8
В силу специфики и ограниченности объема книги, мы можем только обозначить эти
проблемы, отослав интересующихся решением вопросов управления трафиком ATM к спе-
циализированным изданиям [43, 241, 242, 244, 245]. Что касается качества обслуживания,
то ряд моментов, хотя и в общем виде можно почерпнуть в стандартах ITU-T Е.800 [401],
где приведены многие (но не все) нужные определения, и ITU-T 1.350, где проблема качест-
ва обслуживания обсуждается в общем виде и сравнивются два показателя качества: каче-
ство обслуживания - QOS и производительность сети - NP.
8.11. Заключение
Как поняли терпеливые читатели, технология ATM достаточно сложна, чтобы осветить ее с
нужной степенью глубины и подробности на 43 страницах указанной главы. Понимая это,
автор оговорился во введении, что он постарается дать систематизированное введение.
Учитывая большой фактический объем материала по этой технологии, автор сознательно
опустил ряд тем, чтобы более подробно осветить другие темы, в частности, разд. 8.7-8.9,
как наиболее интересные для специалистов по глобальным сетям.
Вместе с тем, там, где это.было необходимо, были даны ссылки на другие источники
и материалы, где читатели могут углубить свои знания. Нужно отметить, что по технологии
ATM существует много журнальных публикаций, однако они либо поверхностные (и могут
содержать различного рода ошибки, либо специализированные, освещающие один вопрос.
Поэтому для тех, кто хочет самостоятельно углубиться в дебри ATM, можно рекомендовать
использовать основополагающие стандарты, описанные выше. Несмотря на то, что этот
путь наиболее трудный, он и наиболее перспективный, особенно тогда, когда используются
последние версии стандартов ITU-T и документов ATM Forum.
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
Синхронные цифровые сети, начав свое развитие с появления ИКМ систем в 60-х
годах, некоторое время эволюционировали исключительно как электрические сети. В нача-
ле 80-х появились первые оптические компоненты цифровых сетей - оптическое волокно,
которое в наше время стало доминирующей средой передачи. С развитием сетей SDH, на-
чиная примерно с 1993 г., стали использоваться оптические усилители - второй оптический
компонент цифровых сетей, без которых не мыслится в наше время ни одна глобальная
цифровая сеть. 1996 г. стал годом внедрения еще одного оптического компонента - оптиче-
ского мультиплексора (ОМ), основанного на технологии мультиплексирования с разделе-
нием по длинам волн (МРДВ), которая начинает сейчас свое победное шествие все больше и
больше внедряясь в синхронные цифровые сети.
Обозревая этот ряд текущих событий и прогнозируя перспективу развития оптических
синхронных цифровых сетей, можно предположить следующие возможные этапы их развития:
• первый - использование оптического волокна (ОВ), как среды передачи, и светового луча, как
несущей для информационного сигнала;
• второй - использование оптических усилителей (ОУ) для расширения возможностей передачи
сигнала без необходимости его регенерации;
• третий - внедрение технологии мультиплексирования с разделением по длинам волн для много-
кратного расширения полосы пропускания существующих оптоволоконных систем передачи;
• четвертый - использование режимов ввода-вывода несущих с разными длинами волн в мультип-
лексорах с разделением по длинам волн;
• пятый - реализация возможности маршрутизации оптических каналов для несущих с разными
длинами волн-,
• шестой - использование оптической кросс-коммутации несущих с разными длинами волн',
• седьмой - реализация возможности коммутации оптических цепей в оптических сетях общего
пользования',
• восьмой - реализация возможности оптического формирования пакетов и оптической пакет-
ной коммутации.
Первый четыре этапа уже пройдены на очереди пятый и шестой этапы развития оптиче-
ских сетей. Реализация каждого из них позволяет существенно и с разных сторон расширить воз-
можности синхронных систем связи. Так внедрение ОВ позволило в настоящее время расширить
скорость передачи (полосу пропускания) в расчете на один оптический канал вплоть до 160
Гбит/с, из которых только скорости до 40 Гбит/с оказались освоенным традиционными системами
(SDH, STM-256), оставив более высокие скорости солитонным системам. Внедрение даже одного
ОУ позволило расширить строительную длину регенерационной секции (SDH) до 200-300 км, то-
гда как их каскадное включение позволяет расширить ее до 600-700 км.
Использование МРДВ различных типов позволяет в 2-1024 раза увеличить пропускную
способность одного ОВ, позволяя тем самым реализовать огромные суммарные скорости переда-
чи (которые невозможно достичь традиционными методами) даже при умеренных скоростях со-
ставляющих потоков (например, 128x2,5 Мбит/с (STM-16) дают суммарную скорость 320 Гбит/с,
которая легко может быть доведена до 1,28 Тбит/с переходом на STM-64 и до 5,12 Тбит/с после-
дующей миграцией на STM-256). Реализация остальных этапов, не давая выигрыша в увеличении
скорости передачи, позволит добиться той же гибкости в использования сетей оптической связи,
какую демонстрируют современные сети электросвязи.
284
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
9.1. Оптическое волокно как среда передачи
В глобальных цифровых сетях связи (ГСС), как и в ЛВС, для передачи сигнала используются раз-
личные среды: эфир (в радиосистемах), медные провода (в ТФОП и ЛВС), медные кабели (в
ТФОП и ЛВС), волоконно-оптические кабели (ВОК) (в ТФОП, ЛВС и ГСС). Из них в ГСС и
ТФОП в последнее время все большее распространение получают ВОК. Это вызвано определен-
ными преимуществами оптического кабеля, основные из них:
- широкая полоса пропускания, позволяющая передавать сигналы со скоростью до десятков
Тбит/с и выше;
- низкий уровень потерь сигнала при распространении, позволяющий передавать сигналы без
регенерации на расстояние порядка 200-300 км.;
- нечувствительность к электромагнитным помехам, позволяющая прокладывать ВОК в мес-
тах с высоким уровнем таких помех, в том числе использовать для этой цели ЛЭП и опоры для
контактной силовой сети.
Другие преимущества, такие, как малые масса и размеры ВОК, его пожаробезопасность, а
также значительная сложность перехвата передаваемых сообщений (на фоне снижения цен прак-
тически до уровня цен на медные кабели) делают их использование еще более привлекательным.
Если учесть, что скорость передачи первого уровня иерархии SDH - технологии, пришедшей
на смену PDH, составляет 155 Мбит/с, а также то, что сети SDH заменяют в настоящее время тысячи
километров ТФОП, становится понятным, почему ВОК используется как единственная перспектив-
ная среда передачи сигнала в транспортных синхронных цифровых сетях SDH.
9.1.1. Основные понятия, важные при использовании оптического волокна
9.1.1.1. Физические понятия
В отличие от медного провода переносчиком сигнала в ОВ является не электрический ток, а све-
товой луч, распространиение которого в прозрачной среде ОВ как луча (или волны) должно под-
чиняться законам оптики. Законы оптики различны в зависимости от того, в каких рамках спра-
ведливости: линейной или нелинейной оптики - они рассматриваются. Свет, в соответствии с кор-
пускулярно-волновым дуализмом, может рассматриваться как волна, тогда к нему применимы за-
коны линейной и нелинейной оптики, или как поток частиц - фотонов [167], который имеет
квантовую природу: может рождаться, поглощаться, превращаться в другие частицы, подчиняясь
законам квантовой механики (значит, к свету в этом случае должны применяться законы кванто-
вой оптики).
Для понимания особенностей распространения света в рамках линейной волновой оптики
достаточно вспомнить законы: прямолинейного распространения света, независимости световых
пучков, преломления и отражения света на границе раздела сред и законы поглощения [167].
Для прозрачной среды процесс распространения света неотделим от процесса взаимодей-
ствия луча со средой, если учесть, что свет не просто луч, а электромагнитное излучение опреде-
ленной длины волны, взаимодействующее со средой в процессе распространения. Его поведение
подчиняется законам электромагнитного взаимодействия и описывается волновыми функциями,
являющимися решениями системы уравнений Максвелла. Придется вспомнить такие понятия, как
поляризация, мода колебаний, двойное лучепреломление, затухание, вызванное рассеянием и по-
глощением, дисперсия и др., которые могут быть рассмотрены как в рамках линейной, так и нели-
нейной волновой оптики.
Наконец, свет - это поток фотонов (частиц или корпускул), взаимодействие которых со
средой, как отмечалось, подчиняется законам квантовой оптики. Для понимания особенностей
взаимодействия в этом случае нужно иметь в виду, что источником излучения в аппаратуре син-
хронных цифровых сетей является лазер, интенсивность излучения которого значительно выше
интенсивности обычных источников света, что приводит к необходимости учета не только кван-
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
285
товых, но и нелинейных эффектов [175]. Достаточно вспомнить такие нелинейные эффекты, как:
нелинейное преломление, фазовую самомодуляцию, фазовую кросс-модуляцию, вынужденное не-
упругое рассеяние и некоторые другие [168], чтобы понять, насколько усложнится анализ таких
систем на физическом уровне.
Указанное выше требует в целом довольно серьезных знаний, которыми располагают далеко
не все читатели, занимающиеся построением волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). По-
ложение усугубляется еще и тем, что в ряде доступных изданий и журнальных публикаций авторы
довольно свободно используют не совсем привычную или же непонятную “оптическую” терминоло-
гию [33, 169, 176, 177]. Чтобы как-то облегчить восприятие этого нового для связистов “жаргона”
автор попытался, не вдаваясь глубоко в подробности описания указанных законов и эффектов, “на
пальцах” (в меру своего понимания) кратко пояснить, что и как, на чем они основаны и чем обуслов-
лены основные свойства волокон, важные для систем связи.
9.1.1.2. Другие важные особенности
Оптическое волокно в простейшем случае состоит из сердцевины и оболочки. Они имеют разные
(хотя и близкие по величине) в простейшем случае ступенчато изменяющиеся показатели прелом-
ления, например пс и nog, соответственно. Сердцевина при этом используется как собственно сре-
да передачи, а оболочка используется для создания границы раздела между ней и сердцевиной,
как между двумя физическими средами. Эта граница формирует физический канал волноводного
типа - световод, по которому и распространяется световой луч - переносчик передаваемого ин-
формационного сигнала.
Оптическое волокно может быть пластмассовым и стеклянным [170], однако в настоящее
время используется, как правило, волокно, изготовленное из кварцевого стекла (SiO2), имеющее
по сравнению с другими стеклами меньшее затухание.
В связи с возможной путаницей понятий приведем пару определений понятия “стекло”. По
определению Комиссии по терминологии бывшей АН СССР: “Стеклами называются все рентге-
ноаморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава ... обладающие, в результате по-
степенного увеличения вязкости, механическими свойствами твердых тел, причем процесс пере-
хода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым”. В учебнике [178] это оп-
ределение формулируется так: “Стекло - это квазиравновесная, изотропная, структурно-
неупорядоченная система, обладающая механическими свойствами твердых тел, например упру-
гостью формы. Среда, в которой могут распространяться продольные и поперечные упругие вол-
ны”. Важным для нас в этих определениях является подчеркивание фактов изотропности и от-
сутствия кристаллической структуры, а также возможности распространения продольных и
поперечных упругих волн.
Изготовление волокна происходит в два этапа [168]:
- изготовление цилиндрической заготовки с заданным профилем показателя преломления, на-
пример, методом химического осаждения из газовой фазы;
- вытягивание заготовки в волокно с сохранением соотношения диаметров сердцевины и обо-
лочки.
9.1.2. Свойства волокна, основанные на законах геометрической оптики
Некоторые фундаментальные закономерности/свойства волокна как любой прозрачной оп-
тической среды можно объяснить законами линейной (геометрической) оптики, основан-
ными на прямолинейности распространения светового луча и свойстве изотропности -
одинаковости распространения света в среде во всех направлениях (так как стекла являют-
ся однородными и изотропными средами). К ним относятся законы отражения/преломления
света и основанные на них явления.
286
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
9.1.2.1. Полное внутреннее отражение
Физической основой передачи светового сигнала по световоду (оптоволокну) является явление
полного внутреннего отражения (ПВО) света от границы раздела двух сред с различными пока-
зателями преломления. Для его реализации в оптоволокне показатель преломления сердцевины пс
должен быть больше, чем показатель преломления оболочки по6.
Явление ПВО наблюдается только для луча, падающего под углом, равным или большим
угла ПВО [167, 169], и состоит в том, что при ПВО преломленный луч скользит по границе разде-
ла и как бы исчезает из рассмотрения, тогда как вся энергия падающего луча передается отражен-
ному лучу, который претерпевает серию повторных отражений под углами ПВО и распространя-
ется вдоль волокна. Угол ПВО 0„ может быть вычислен по закону Снеллиуса'.
0п = arcsin (пов/п0.
(9-1)
Если принять, например, яс=1,48, яов=1,46, то (9-1) дает значение угла ПВО 0п = 80,6°.
На рис. 9-1 показано распростране-
ние луча по волокну, имеющему указанные
значения показателей преломления. Луч 2
падает под углом ПВО1 (преломленный луч
2 скользит по границе раздела), луч 1 падает
под углом большим, чем ПВО1 (преломлен-
ный луч 1 отсутствует, отраженный луч 1
распространяется). В идеальном случае -
при отсутствии рассеяния света и нулевой
дисперсии - луч 1 мог бы распространяться
внутри световода с л7 (играющего роль сер-
дечника) на сколь угодно большое расстоя-
ние. Луч 3 падает под углом, меньшим
Рис. 9-1. Распространение луча по световоду
ПВО], поэтому возникает преломленный луч
3, который, падая на границу оболочки, от-
ражается от границы л2-внешняя среда, до-
пустим под углом ПВО2, в результате рас-
пространяется по оболочке. Луч 4, падая под еще меньшим углом, проходит через обе границы
раздела, создавая как отраженный от второй границы луч 4, так и преломленный луч 4.
9.1.2.2. Числовая апертура
Учитывая конечный диаметр сердцевины dc, в оптическое волокно попадает не один луч, а пучок
лучей, образующий входной конус с углом при вершине 2<ра, определяемым так называемой чи-
словой апертурой NA (эквивалентом половинного угла при вершине конуса, равного апертур-
ному углу q>a)
NA0 = sin (ра= ^(Пс-Пав) [169] или NA] = к^(пс2-пОЙ2) [170]. (9-2)
Здесь в (9-2) приведены две формулы для вычисления NA, которые могут встретиться в
литературе. Они дают близкие значения числовой апертуры. Формула (9-2) в [169] используется
для теоретических расчетов, а (9-2) в [170] - для практических расчетов, где к=0,98 или к=0,94 в
зависимости от методики измерений (по стандарту EIA-455-29 [173] или EIA-455-44 [174], соот-
ветственно, см. Part II в [44]). Для данных показателей преломления, приведенных выше, указан-
ные формулы дают следующие значения числовой апертуры: 0,242487 или 0,237637 (для к=0,98) и
0,227938 (для к=0,94).
Г лава 9 Введение в оптические цифровые сети
287
Лучи 1 и 2, которые попадают под углом <р < (ра, называются апертурными. Они, испыты-
вая ПВО, распространяются по волокну. Лучи 3 и 4, для которых ср > <ра, начинают распростра-
няться по волокну, но постепенно затухают, так как при многократном отражении отдают часть
энергии преломленному лучу, выходящему из сердцевины в оболочку. Эти лучи называются вне-
апертурными и делятся на те, которые распространяются по оболочке - 3, отражаясь от границы
раздела оболочка-воздух, и те, которые выходят за границу оболочки волокна - 4.
9.1.3. Свойства волокна, основанные на законах электромагнитного поля
Свет как электромагнитная волна взаимодействует с веществом среды. В стекле свет взаимодей-
ствует с молекулами, которые электрически изотропны. Падающий свет - первичная волна, за-
ставляет колебаться заряженные частицы - электроны, также как и молекулы в целом, создавая
вторичные волны той же частоты, которые (по направлению) совпадают с первичной ввиду элек-
трической изотропности молекул.
В оптически однородной и изотропной среде в результате интерференции* (наложения)
первичной и вторичных волн образуется проходящая волна, фазовая скорость которой Уф зависит
от частоты.
Электрические и магнитные свойства вещества световода, определяющие его взаимодей-
ствие со световой волной, характеризуются относительными диэлектрической и магнитной про-
ницаемостями г ин удельной проводимостью. Фазовая скорость волны при этом определяется
соотношением:
I
Уф = c/*/(s-p) = с/п(со),
(9-3)
где с - скорость света в вакууме, an(oj) - показатель преломления среды, зависящий от частоты.
Из (9-3) видно, что фазовая скорость обратно пропорциональна показателю преломления
среды п, который собственно и зависит от частоты.
9.1.3.1. Моды колебаний
На уровне электромагнитного взаимодействия с молекулами учитываются пространственные
электрические Е и магнитные Н поля и явления поляризации*, как электрической Р, так и маг-
нитной В, допускающие колебания соответствующих векторов (Е, Н) только в определенных
плоскостях, что приводит к появлению в световоде многих (число это конечно, но может состав-
лять несколько сотен) типов колебаний, или мод (аналогично тому, что происходит в СВЧ-
волноводе), учитывая соблюдение “волноводных” условий распространения (соотношений длины
волны и размеров волновода): длина волны света Лс в оптоволокне имеет порядок 1 мкм, а диа-
метр световода dc - 10-100 мкм (Лс « dc).
Типы колебаний - моды - определяются решениями системы уравнений Максвелла (см.,
например, в [179]). При этом световод можно представить идеальным цилиндром с продольной
осью z (точка zo считается началом световода), оси х ну в поперечной (ху) плоскости образуют го-
ризонтальную (xz) и вертикальную (yz) плоскости. В этой системе существуют 4 класса волн (Е и
Н ортогональны):
• поперечные Т: Ez = Hz = 0; Е = Еу; Н = Нх;
• электрические Е . Е.^ 0, Hz = 0; Е = (Еу, Е.) - распространяются в плоскости (yz); Н = НХ;
• магнитные Н Hz ^0, Ez = 0; Н = (Нх, H.J - распространяются в плоскости (xz); Е = Еу;
• смешенные ЕН или НЕ : Ez 0,Hz 0; Е = (Еу, E-j, Н = (Нх> H-j - распространяются в плос-
костях (xz) и (yz).
При решении системы уравнений Максвелла удобнее использовать цилиндрические коор-
динаты (z, г, ф), при этом решение ищется в виде волн с компонентами Ev Hz вида:
288
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
Ez(r,a>) = A(a)F(p) ехр(ипф) exp(-ftz), Hz(r,co) = B(co)F(p) ехр(1тф) exp(-ftz), (9-4)
где A(a>) и B(oj) - нормирующие постоянные, F(p) - искомая функция, а ft - постоянная распро-
странения моды.
Решения для F(p) получаются в виде наборов из т (появляются целые индексы т) про-
стых функций Бесселя Jm(Kcp) для сердцевины и модифицированных функций Бесселя Кт(ко6р)
для оболочки. Параметр ft определяется как решение характеристического уравнения, получае-
мого из граничных условий, требующих непрерывности тангенциальных составляющих компо-
нент Ez и Hz поля на границы седцевины и оболочки [168]. Характеристическое уравнение, в свою
очередь, дает набор из п решений (появляются целые индексы я) для каждого целого т, т.е. име-
ем ftmn собственных значений, каждое из которых соответствует определенной моде. В результате
формируется набор (матрица тп) мод, перебор которых основан на использовании двойных ин-
дексов.
Оказывается, что в оптическом волокне существуют два типа мод НЕтп и ЕНтп. При т>0
имеем гибридные моды, а при т=0 - поперечные моды TEoi и TH9i- Моды, соответствующие апер-
турным лучам, называются направляемыми (см. рис. 9-1, луч 1), а внеапертурным лучам - излу-
чающими (см. рис. 9-1, луч 4). Часть внеапертурных лучей распространяется в оболочке, соответ-
ствующие им моды иногда называют оболочечными (см. рис. 9-1, луч 3). Они играют определен-
ную роль в уменьшении дисперсии волокон с плавным или специальным изменением профиля по-
казателя преломления и со сдвигом дисперсии (см. ниже).
Чем меньше диаметр dc, тем меньше сечение светового потока, поступающего в оптиче-
ское волокно, тем меньше различных типов колебаний (обусловленных множеством решений
уравнения Максвелла), или мод, возникает в оптоволокне. Волокно, в котором распространяется
несколько мод, называется многомодовым (ММ), а то, в котором распространяется одна мода -
одномодовым (ОМ). Для промышленно выпускаемых световодов ОМ-волокно имеет диаметр 7-10
мкм, а ММ-волокно - 50; 62,5; 85 и 100 мкм (см. разд. 9.4.1.1). В ОМ-волокне поддерживается
только одна гибридная мода НЕц, называемая основной модой, в ММ-волокне поддерживаются
различные, как поперечные, так и гибридные, моды.
Не все моды указанных наборов можно реализовать. Чтобы понять, какие моды могут воз-
никнуть, нужно провести достаточно сложный и кропотливый анализ. Мы ограничимся лишь са-
мыми общими рассуждениями, позволяющими объяснить широко используемые в этой связи тер-
мины. Более подробно смотри [171].
9.1.3.2. Частота отсечки и нормированная частота моды
Приведенные выше решения F(p) являются функциями от аргумента кр, к= (кс, ков), где к2 = кс2-
и ко9 = ff-ko62 - поперечные составляющие волновых векторов сердцевины и оболочки, соответ-
ственно. Причем кс и ко6, или кс и коб, связаны соотношением [168]:
к2 + ко62 = к2-коб2 = NA02k02, (9-5)
где к0 - 2л/Л9 - волновой вектор, а к2 = п2к9, коб2 = по9к2 - волновые векторы сердцевины и обо-
лочки, соответственно.
Важным понятием является частота отсечки световода fomc (называемая также крити-
ческой частотой [33]) - предельная частота, ниже которой невозможно возникновение моды с
определенными индексами. Для оптоволокна удобнее использовать обратную величину: длину
волны отсечки сердцевины Лотс = c/fomc. Ее можно определить, если учесть, что отсечка (как яв-
ление, она называется иногда “высвечиванием” моды, т.е. значительным, примерно на 20 дБ, сни-
жением уровня мощности излучения моды) определяется условием коб - 0, тогда из (9-5) получа-
ем, кс = NA9k9. Подставляя к9 = 2т^ет(/с = 2л/2.отс и умножая числитель и знаменатель на радиус
сердцевины гс, получаем:
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
289
2.0mc 7Vdc‘NAo/K(Tc . (9-6)
Если ввести понятие нормированной частоты V = ^((Kcrc)2jr(KO6r,)2) (нормирование ве-
дется по кр с использованием геометрического среднего на границе раздела сердцевина-оболочка-,
р = гс), то подставляя значения кс и ко6, получаем:
V=k0-rcNA0, (9-7)
Если выполняются условия отсечки, то Vomc = ксгс, то-есть (9-6) можно записать в виде:
Лотс = тг-dc NAg/Vomc. (9-8)
Нормированную частоту отсечки для каждой моды можно определить по характеристиче-
скому уравнению, упоминавшемуся в связи с параметром Д смотри, например, [171]. Ниже при-
ведены лишь значения Vomc для мод ТЕОт, ТНОт и HEim, существующих в ММ- и ОМ-волокне.
т f ml А m3 Тип волны
0 2,405 5,520 8,654 ТЕ/1т> ТН<)т
1 0,000 3,832 7,016 НЕц
Как видно из таблицы, для основной волны НЕц значение Vomc=Vif=0, следовательно
20ШС=е». Это значит, что для ОМ-волокон формально не существует ограничений на выбор Летс .
Однако фактически, нормированная частота отсечки для ОМ-волокна должна быть меньше 2,405,
так как при переходе от ОМ- к ММ-волокну, например за счет увеличения dc , в первую очередь
возникают моды с малыми индексами, такие как TEoi и ТН0], для которых Vof=2,4O5.
Используя формулу (9-8) и показатели ОМ-волокна компании Corning [180] (NAa=0,13,'
пс=1,4675), можно получить для волокна с сердцевиной dc=8,3 мкм значение Лотс=1409 нм. Это
значит, теоретически, что такое волокно может поддерживать только одну моду для 2 > 1409 нм, а
для 7=1300 нм, что меньше 1409 нм, оно должно поддерживать несколько мод, т.е. оно должно
быть ММ-волокном. Однако практически измеренное значение частоты отсечки равно Лотс=1260
нм [180], и, следовательно, такое волокно действительно может работать как одномодовое надли-
не волны Л=1300 нм и выше.
Поле Е для основной волны НЕц в ОМ-волокне имеет формально 3 равноценные состав-
ляющие: Ех, Еу, Е:, т.е. волна не является поляризованной. Фактически из двух поперечных состав-
ляющих (Ех, Еу) одна, как правило, преобладает, т.е. основая волна оказывается линейно поляризо-
ванной и часто записывается как волна LP0] (LP - linear polarized - линейно поляризованная).
9.1.3.3. Диаметр поля моды
Полученное выше расхождение теории и практики объясняется рядом причин. Одна из них кроет-
ся в фактическом распределении поперечных (т.е. в плоскости поперечного - ху - сечения ОВ) со-
ставляющих поля моды F(x,y). Ввиду сложности точных решений поперечное поле моды (назы-
ваемое также пятном моды) аппроксимируют гаусовской кривой вида
= ехр[-(х2 +у2)/г,т], (9-9)
где r„M - фактический радиус поля моды.
На практике размер, радиус (или диаметр) поля моды dttM , измеряемый (например, по ме-
тоду поперечного сдвига [268]) по ширине указанной гауссовской кривой распределения попереч-
ного поля на уровне 1/е (0,369) от максимума, больше диаметра сердечника dc благодаря наличию
экспоненциально-спадающего поля моды за границами сердечника.
Производители приводят измеренное значение диаметра поля моды dllM в качестве нор-
мируемого параметра ОМ-волокна, эквивалентного физическому диаметру сердечника. Диаметр
19-48
290
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
поля моды для типичного ОМ ОВ достаточно сложно зависит от длины волны [268]. Он имеет
максимум (12,7 мкм) в районе 1150 нм, минимум (9,4 мкм) в районе 1230 нм (эту точку также на-
зывают критическая длина волны) и участок линейного роста (с наклоном 6,67 нм/нм) от этой
длины волны в сторону длинных волн.
Интересно отметить, что теоретическое значение Лотс можно численно, с хорошей точно-
стью, скорректировать до практически замеренного умножением на отношение dc/dllM. Так, для то-
го же стекла Corning имеем: 1409-8,3/9,3=1257 нм, что согласуется с измеренным значением 1260
нм, приведенным в спецификации ОМ-волокна [180].
9.1.3.4. Число мод многомодового волокна
Число мод, возникающих в ММ-волокне N можно оценить, используя нормированную частоту V,
тогда оно определяется формулой N = V2/2/(1 + 2/М) [33], где М показатель степени кривой изме-
нения профиля пс (со для ступенчатого профиля и 2 - для плавного профиля), или
N = V2/2 (для М=оо), N = V>/4 (для М=2), где V = n-dcNAt/Ag (9-10)
Так, для широко используемого ММ-волокна с минимальным диаметром сердцевины dc =
50 мкм, длины волны источника Хв=1300 нм и показателей ММ-волокна компании Corning [181]
(NA0=0,20), получаем TV = 292 для ступенчатого и /V = 146 для плавного профилей показателя пре-
ломления. Этот показатель, как правило, не нормируется производителями, но видна тенденция к
его снижению путем перехода к меньшим диаметрам ММ-волокна: 200 - 100 - 62,5 - 50 мкм. Зату-
хание такого волокна (50 мкм) снижено в настоящее время до величин 0,5-0,8 дБ/км [181].
9.1.4. Профиль изменения показателя преломления
В простейшем случае оптоволокно имеет ступенчатый профиль изменения показателя пре-
ломления (см. рис. 9-2,а). Однако в таком волокне лучи, вошедшие под различными углами, име-
ют различную геометрическую длину пути (осевой - минимальную, крайний апертурый - макси-
мальную), что при одинаковой фазовой скорости света в среде (nc=const) приводит к различному
фазовому запаздыванию (или дисперсии фазы), являющееся одной из причин расплывания им-
пульса при его распространении по волокну.
Для уменьшения влияния этого явления (которое резко выражено для многомодового во-
локна и тем резче, чем больше диаметр сердцевины) можно изменять показатель преломления по-
степенно от края сердцевины к середине (зона максимума, см. рис. 9-2,6). Условия распростране-
ния при этом для разных лучей (осевого и апертурных) становятся разными (nc=variable)-. ско-
рость апертурных лучей (имеющих большую геометрическую длину) на периферии сердцевины
больше, чем скорость осевого луча. Это приводит к эффекту самофокусировки (за счет выравни-
вания времени прохождения различных лучей в оптоволокне) и резкому снижению дисперсии фа-
зы, т.е. к улучшению характеристик многомодового волокна со специально профилированным
показателем преломления, называемого иногда градиентным (результат неточного перевода
прилагательного graded (профилированный, плавно меняющийся) в термине graded index - профи-
лированный показатель преломления). Характер изменения профиля оценивается показателем
степени М кривой, аппроксимирующей кривую изменения показателя преломления. Как правило
М=2, т.е. профиль соответствует квадратичной параболе, по этой причине такой профиль точнее
называть параболическим или квадратичным.
Для одномодового волокна модовая дисперсия отсутствует, поэтому в основном использует-
ся простой ступенчатый профиль изменения показателя преломления (см. рис. 9-2,в). Другие типы
одномодового волокна - волокно со смещенной (нулевой) дисперсией, с плоской (ненулевой) дис-
персией или с компенсацией дисперсии имеют более сложный профиль показателя преломления
ввиду использования многослойных оболочек или специальных компенсаторов (см. разд. 9.4.1.1).
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
291
Рис.9-2. Основные профили показателя преломления оптоволокна
Волокна со смещенной дисперсией имеют дисперсионную характеристику, нуль кото-
рой смещен в область центра третьего окна - 1550 нм. Учитывая широкое использование систем
волнового мультиплексирования, требующих оптимизации показателя преломления не в одной
точке, а в определенном диапазоне длин волн, например, 1530-1565 нм и шире, а также учитывая
нежелательную возможность влияния четырехволнового смешения (см. ниже), волокна со сме-
щенной нулевой дисперсией, едва появившись, уступили место волокнам с ненулевой (и маломе-
няющейся в рабочем диапазоне) дисперсией, показатель преломления которой не равен нулю, но
мало меняется в указанном диапазоне волн. Показатель преломления таких волокон имеет харак-
терную форму трезубца, амплитуда центрального зубца которого существенно больше боковых
зубцов.
9.1.5. Основные характеристики оптических потерь волокна
9.1.5.1. Общая функция потерь
При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное за-
тухание, вызванное потерей мощности Р и обусловленное различными линейными и нелинейны-
ми механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна. Основными из них яв-
ляются механизмы поглощения и рассеяния. Закон изменения затухания по длине волновода имеет
общий вид;
19*
292
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
Р = Pg exp(-aL), (9-11)
где Ро - мощность, вводимая в волокно, L - длина волокна, а - постоянная затухания, или по-
тери в волокне. Используя эту формулу, можно получить выражение для оценки удельных по-
терь ауп в дБ/км [168]:
ауп = -(10/L)lg(P/P0) = 4,343 а. (9-12)
Типичный характер зависимости удельных потерь от длины волны (в диапазоне волн, ис-
пользуемых для ВОЛС: 0,7-1,6 мкм) и типа волокна приведен на рис. 9-3 [170].
Рис. 9-3. Характеристики удельных потерь в волокне
Характер зависимости общей функции потерь L„(A) можно представить в виде компози-
ции трех основных составляющих:
L„(A) = арр(л) + а„„(Л) + ами(п) . (9-13)
Первая составляющая арр характеризует потери от релеевского рассеяния, вторая а,т - по-
тери от поглощения примесями, третья а„н - потери от изгибов и других механических микро и
макропричин.
9.1.5.2. Релеевское рассеяние
Из характеристики (рис. 9-3) видно, что ассимптотически в заданном диапазоне потери умень-
шаются с ростом длины волны (пунктирная кривая), подчиняясь в основном закону релеевского
рассеяния. Этот фактор обусловлен рассеянием света на случайных изменениях плотности ве-
щества (стекла), вызванных примесями в процессе изготовления. Закономерность его изменения
имеет вид
= (9-14)
где постоянная Срр = 0,7 - 0,9 [(мкм4-дБ)/км] и зависит от материала оптоволокна.
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
293
9.1.5.3. Поглощение примесей
Другим характерным видом потерь, имеющим резонансный характер и оказывающим влияние на
вид представленных кривых, является поглощение примесей в кварце - основном материале для
изготовления оптоволокна. Поглощение самого кварца в этой области невелико. Поглощением на
примеси гидроксильных групп ОН~ в основном определяются пики потерь в области длин волн
1383, 1240, ИЗО, 950, 875, 825 и 725 нм [170]. Приводимая в справочниках [33] формула потерь
| а,„, = С,„/Д (9-15)
1 где коэффициент С1Ш = 27,29nctg5, a tg5 - тангенс угла диэлектрических потерь, объясняет только
тенденцию изменения и не может служить точной мерой потерь на поглощение.
На практике этот тип потерь существенно зависит от технологии изготовления ОВ и имеет
тенденцию к снижению. Так, например, на длине волны 1383 нм этот пик для современного ОМ
ОВ составляет у большинства компаний 0,4-0,6 дБ/км, а для специального волокна (например,
AllWave компании Lucent Technologies) уменьшается до величины 0,31 дБ.км (см. ниже), форми-
руя практически гладкую кривую затухания в диапазоне 1300-1620 нм, близкую к кривой релеев-
ского рассеяния.
I
9.1.5.4. Потери на изгибах и макронеоднородностях
Другими факторами, которые вносят вклад в общие потери, могут быть потери, вызванные меха-
ническими, конструктивными и эксплуатационными факторами при использования волокна, а
именно:
• потери, вызванные различными дефектами при соединении волокон:
- несогласованностью размеров сердцевины волокон и ее эксцентриситетом,
I- различием профилей показателей преломления волокон,
- несоосностью и скрещиванием продольных осей при соединении волокон,
- различием апертур волокон,
- неплоскостностью и плохой обработкой торцев волокон,
- неплотным соединением концов с образованием воздушной прослойки (потери на френелев-
ское отражение),
• потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна,
• потери, вызванные рассеянием на границе между сердцевиной и оболочкой.
| Соответствующие формулы для приблизительного расчета этих потерь можно найти в [170].
Характер зависимости наиболее важной составляющей этих потерь - потерь от рассеяния
на микроизгибах аМ11 - имеет вид
aMU = CMl/NA6, (9-16)
1 где СЛ,и - постоянная потерь на микроизгибах.
I Представленные кривые потерь и позволили исторически выделить три предпочтительных
диапазона длин волн, или три окна, (для практического использования стандартного ОВ в ВОЛС)
с центрами в точках: 850 (1 окно), 1300 (2 окно) и 1550 нм (3 окно). Затем 3 окно было расширено
в ПК область (вплоть до 1620 нм) за счет появления 4 окна и было сформировано 5 окно (между
вторым и третьим окнами) для целей широкополосных систем DWDM (см. ниже).
। 9.1.6. Основные характеристики искажений оптического сигнала
ттический сигнал, распространяясь по волокну, не только затухает, но и искажается благодаря
у" наличию естественной дисперсии различного рода (линейные искажения), вызывающей уши-
294
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
рение импульсов, а также нелинейных эффектов, основные из которых вызваны нелинейным
преломлением и генерацией третьей гармоники (нелинейные искажения).
9.1.6.1. Дисперсия
Под дисперсией в оптике понимают зависимость фазовой скорости световых волн уф от частоты
[167]. Это же относится и к показателю преломления п - п = п(со) (см. (9-3)).
В этом смысле дисперсия в объемной среде единственна и носит в оптике название хро-
матической дисперсии, подчеркивая факт разложения света на составляющие в хроматический
спектр. Дисперсия называется нормальной (или положительной), если п увеличивается с увели-
чением частоты со, и аномальной (или отрицательной), если п уменьшается с увеличением (У. За-
висимость фазовой скорости от со (или Л) для нормальной и аномальной дисперсий - обратная.
Понятие "дисперсия" в световоде уже не единственно и приходится различать три ее вида:
- модовая дисперсия - дисперсия, существующая только в многомодовом волокне и вызванная
различной скоростью распространения в световоде лучей разных мод, достигающих опреде-
лённого сечения ОВ (выхода) в разное время, что приводит к уширению входного импульса на
выходе;
- материальная дисперсия - дисперсия собственно материала световода, существующая незави-
симо от типа волокна (ММ или ОМ) и отличающаяся от хроматической дисперсии только тем,
что она соответствует волноводной (а не объемной) среде;
- волноводная дисперсия - дисперсия, существующая в так называемой волноводной среде,
сформированной по меньшей мере двумя физическими средами (в нашем случае сердцевиной и
оболочкой).
Модовая дисперсия
Этот тип дисперсии может быть уменьшен двумя путями:
- уменьшением диаметра сердцевины dc (см. (9-10));
- изменением профиля показателя преломления (как было описано выше для компенсации модо-
вой дисперсии), т.е. использованием многомодового волокна с плавно изменяемым показате-
лем преломления (более подробно см. [170]). В настоящее время многомодовые волокна такого
типа используются достаточно широко (если не исключительно).
Материальная дисперсия
Материальная дисперсии, или дисперсия материала, зависит (для прозрачного материала)
от частоты со (или длины волны Л) и материала ОВ, в качестве которого, как правило, использует-
ся кварцевое стекло. Дисперсия определяется электромагнитным взаимодействием волны со свя-
занными электронами материала среды, которое носит, как правило, нелинейный (резонансный)
характер и только вдали от резонансов может быть описано с приемлемой точностью, например,
уравнением Селлмейера [168]:
п2 (со) = 1 + XR](o}2/(co2 - со2), (9-17)
где coj - резонансные частоты, Rj - величина у-го резонанса, а суммирование по j для объемного
кварцевого стекла ведется по первым трем резонансам.
Возникновение дисперсии в материале световода даже для одномодовых волокон обу-
словлено тем, что оптический источник, возбуждающий вход (светоизлучающий диод - СИД или
лазерный диод - ЛД), формирует световые импульсы, имеющие непрерывный волновой спектр
определенной ширины (например, для СИД это примерно 35-60 нм, для многомодовых ЛД
(ММЛД) - 2-5 нм, для одномодовых ЛД (ОМЛД) - 0,01-0,02 нм, в специальных случаях, см. ниже,
он может сужаться до нескольких пикосекунд). Различные спектральные компоненты импульса
распространяются с разными скоростями и приходят в определенную точку (фазу формирования
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
295
огибающей импульса) в разное время, приводя к уширению импульса на выходе и, при опреде-
ленных условиях, к искажению его формы.
Для описания дисперсии в световоде используется разложение постоянной распростра-
нения моды 0 в ряд Тейлора в окрестности несущей частоты а>о [168]. Линейный член этого раз-
ложения, или параметр Д), характеризует групповую скорость движения огибающей импульса - у.
= с/пг (здесь пг - групповой показатель преломления), а квадратичный член, или параметр 02, ха-
рактеризует собственно дисперсию групповых скоростей - ДГС в волокне, имеющую размер-
ность [пс2/км]. Она и определяет уширение импульса. Интересно отметить, что в диапазоне длин
волн 500-1600 нм 02 почти линейно уменьшается от +70 до -40 [пс2/км], см. рис. 9-4, принимая ну-
левое значение на длине волны примерно 1270 нм. Эта длина волны называется длиной волны
нулевой дисперсии для объемной среды. Для оптоволокна эта длина волны сдвигается до значе-
ния порядка 1312 нм (см. ниже), чем и объясняется использование источников излучения 1310 нм
для одномодового ОВ. Для одномодового кварцевого волокна ДГС положительна для л<1312 нм и
отрицательна для л>1312 нм, а в окрестности л=1312 нм она нулевая.
Рис. 9-4. Зависимость дисперсии кварцевого стекла от длины волны
Из описанного ясно, что для уменьшения материальной дисперсии нужно, с одной сторо-
ны, переходить при выборе источников от оптических источников типа СИД к ЛД, а при выборе
волокна от ММ к ОМ волокну. С другой стороны, необходимо переходить от источников с дли-
нами волн порядка 850 нм к длинам волн порядка 1310 нм для использования эффекта нулевой
дисперсии. Эти естественные “теоретические” соображения, не могут, однако, служить в качестве
однозначной практической рекомендации. Так для ЛВС может оказаться более предпочтительным
использовать СИД на длине волны 850 нм, работающий на ММ волокно [333].
Волноводная дисперсия
Дисперсия реальных световодов отличается от дисперсии объемной среды наличием вол-
новодной структуры, изменяющей эффективный показатель преломления моды. В результате по-
является особая волноводная составляющая дисперсии, которая складывается определенным
образом с дисперсией материала, формируя результирующую дисперсию. Вклад волноводной
дисперсии зависит от радиуса сердцевины, разности показателей преломления сердцевины и обо-
лочки и числа оболочек. Для описания дисперсии в световоде с учетом ее волноводной состав-
ляющей вместо параметра 02 используется дисперсионный параметр D:
В = -2лс02/Л2. (9-18)
296
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
В избежание путаницы, возникающей при чтении различных публикаций, нужно помнить,
что для оптических волокон в справочниках в качестве дисперсионной характеристики приво-
дят зависимость от Л именно этого параметра D, имеющего размерность [пс/км/нм], а не [пс2/км],
и знак противоположный знаку дисперсии групповых скоростей fa- Поэтому и наклон зависимо-
сти дисперсионного параметра D от Л, называемый часто наклоном ненулевой дисперсии, будет
положительным (а не отрицательным). А фразы в публикациях "в области положительных (или
отрицательных) дисперсий" могут на самом деле иметь обратный смысл, так как дисперсия, по
определению, положительна при положительном (т.е. отрицательном, а не положительном, 2>).
Эти фразы правильны, если иметь ввиду, что под дисперсией фактически понимается дисперси-
онный параметр D.
Действие волноводной составляющей дисперсии сдвигает длину волны нулевой дисперсии
до величины = 1312 нм (см. рис. 9-5, кривая 1) [168]. Этот факт используется при выборе длины
волны источника (1310 нм) для работы с одномодовыми ОВ. Используя несколько слоев оболочки (и
тем самым изменяя параметры волноводного тракта), можно сдвинуть длину волны нулевой диспер-
сии в диапазон 1500-1600 нм. Для этого оказалось достаточным использовать две оболочки (см. рис.
9-5, кривая 2) - этот тип оптоволокна получил название - оптоволокна со сдвигом дисперсии (DSF).
Используя многослойную оболочку (см. рис. 9-5, кривая 3 - оболочка имеет 4 слоя), можно добиться
почти плоской и близкой к нулевой дисперсионной характеристики (Д>/= <1-6 пс/км/нм) в диапазо-
не длин волн от 1300 до 1650 нм. Этот тип оптоволокна может с успехом использоваться в синхрон-
ных оптических системах SDH с мультиплексированием по длинам волн.
Рис. 9-5. Зависимость дисперсии волокна D от длины волны и числа оболочек:
SC - одна оболочка, DC - две оболочки, QC - четыре оболочки
9.1.6.2. Методы компенсации дисперсии
Методы уменьшения дисперсии, рассмотренные выше, сводились к использованию профилиро-
ванных показателей преломления, длины волны с нулевой дисперсией, сдвигу нулевой дисперсии
за счет волноводной составляющей в область рабочих длин волн, созданию слабо меняющейся
дисперсионной характеристики с ненулевой, но малой дисперсией. Они уже реализованы в суще-
ствующих оптических волокнах (см. табл. 9-2 ниже).
Однако существует возможность и прямой компенсации дисперсии путем врезки в волок-
но, имеющее положительную дисперсию, участка ОВ с отрицательной дисперсией, причем так,
чтобы результирующая дисперсия на заданной длине волны или (с учетом использования WDM) в
Г лава 9
Введение в оптические цифровые сети
297
определенном диапазоне длин волн была близка к нулю. Использование этого метода возможно
упростит технологию изготовления кабеля и кажется достаточно перспективным. Одной из про-
мышленных разработок, основанных на такой технологи изготовления ОВ, является новая моди-
фикация кабеля TrueWave, названная TrueWave Balanced [199]. Этот кабель позволяет без исполь-
зования внешних компенсаторов передавать сигналы высокоплотных систем WDM (DWDM и
HDWDM) в стандартном для них в настоящее время диапазоне длин волн 1530-1565 нм.
Кроме указанных спецтехнологий для этих же целей был разработан специальный тип ОВ -
DCF - волокно, компенсирующее дисперсию (ВКД), которое в виде бухты ОВ определенной длины
может быть вставлено в виде модуля в стойку с аппаратурой SDH или WDM (см. разд. 9.1.9.2 и 9.4.1).
Важно иметь в виду относительно большой уровень вносимых потерь, который имеет такой модуль.
9.1.7. Нелинейные эффекты в волоконных световодах
Оптический световод, как и любой диэлектрик, демонстрирует нелинейное поведение в сильном
электромагнитном поле. Такие поля образуются даже при использовании относительно маломощ-
ных источников излучения за счет большой плотности мощности, реализуемой в силу малого по-
перечного сечения одномодового кабеля, имеющего порядок 5-10'11 м2.
Ситуация с такого рода нелинейными эффектами усугубляется в системах с оптическими
усилителями, которые применяются для обеспечения большей длины пролета (span) или регене-
рационного участка (составленного из нескольких пролетов), а также в высокоплотных системах
с разделением по длинам волн, где используются источники интенсивного лазерного излучения.
Наиболее явно проявляются нелинейные эффекты низших порядков, которые кратко рассмотрены
ниже. К ним относятся [168]:
• нелинейное преломление - явление, при котором показатель преломления зависит от интен-
сивности электрического поля Е',
• вынужденное неупругое рассеяние - явление, при котором оптическая волна передает часть
своей энергии нелинейной среде в результате взаимодействия с молекулами;
• модуляционная неустойчивость - явление модуляции стационарного волнового состояния
под действием нелинейных и дисперсионных эффектов;
• параметрические процессы - явления, вызванные взаимодействием оптических волн с элек-
тронами внешних оболочек {четырехволновое смешение ЧВС (FWM), генерация гармоник и
параметрическое усиление).
9.1.7.1. Нелинейное преломление, ФСМ и ФКМ
- азатель преломления оптической среды зависит не только от частоты (этот факт рассматрива-
в рамках линейной теории), но и от интенсивности света I, или квадрата напряженности элек-
еского поля Е:
п(а>,\Е\2) = П](а>) + п2(\Е\2), (9-19)
- линейная составляющая, описываемая уравнением Селлмейера и зависящая от частоты, п2
...инейная составляющая показателя преломления, зависящая от электрического поля.
Нелинейная составляющая п2 может быть выражена следующим уравнением [168]:
п№ = 3^3)i/8n/е I2 = knlE/2, (9-20)
. А„ - коэффициент нелинейности показателя преломления, р3>/ - составляющая нелиней-
на диэлектрической восприимчивости 3-го порядка (является компонентой (1111) тензора* 4-
порядка, ее значение используется в примере ниже, rf2) - нелинейная диэлектрическая воспри-
имчивость второго порядка - для изотропной среды, какой является ОВ, равна нулю)
298
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
Зависимость п от /Е1/ приводит к таким нелинейным эффектам, как фазовая самомодуля-
ция (ФСМ) и фазовая кросс-модуляция (ФКМ):
- ФСМ обусловлена нелинейным набегом фазы, который оптическое поле приобретает при рас-
пространении в световоде, причем этот набег увеличивается с увеличением длины распростра-
нения z, приводя к симметричному спектральному уширению коротких импульсов;
- ФКМ обусловлена набегом фазы, наведенным электрическим полем источника, излучающего
на другой длине волны; эта волна распространяется совместно с исходной и вызывает асим-
метричное спектральное уширение совместно распространяющихся импульсов.
Изменение фазы при появлении ФСМ вызывает паразитную частотную модуляцию
(ПЧМ) импульса, глубина которой растет с ростом z, что и объясняет уширение спектра импульса.
Этот спектр имеет обычно осциллирующий характер и зависит от формы импульса и его началь-
ной паразитной частотной модуляции (ПЧМ), которая наблюдается у многих источников излу-
чения. Если на ФСМ накладывается ДГС, то для волокна с положительной дисперсией ее влияние
обычное и сводится к уширению спектра и расплыванию импульса со временем. Если же диспер-
сия волокна отрицательна, то ее влияние необычное - гауссовский импульс несколько расширяет-
ся, затем стабилизируется, а спектр импульса сужается. Если же импульс имеет форму гиперболи-
ческого секанса (близок к гауссовскому), то в отсутствие начальной ПЧМ импульс ведет себя как
солитон - ни форма, ни спектр импульса не изменяются при распространении.
Таким образом, совместное действие ФСМ и ДГС в световоде в области отрицательных
дисперсий является одной из основных причин, которая объясняет существование оптических
солитонов (см. ниже).
9.1.7.2. Вынужденное неупругое рассеяние
Это явление, в отличие от упругого взаимодействия (изучаемого в линейной теории), обусловлено
неупругим взаимодействием, при котором оптическое поле передает часть своей энергии нели-
нейной среде. С этим взаимодействием связаны два явления:
- вынужденное рамановское/комбинационноерассеяние ВКР (SRS);
- вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна ВРМБ (SBS).
Квантовый механизм рассеяния состоит в том, что фотон падающего пучка (например
пучка лазерной накачки оптического усилителя) распадается на фотон меньшей (комбинационной
или разностной) частоты и фонон*. Если принять, что а>с и й)„ак - частоты сигнала и накачки, то это
происходит по схеме: о>нак - а>с- а>р. Излучение разностной частоты тр называется стоксовой
волной. Для ВКР стоксовая волна может распространяться в обоих направлениях, но преимущест-
венно распространяется в направлении падающего пучка, тогда как для ВРБМ - в противополож-
ном направлении.
Оба эти явления носят пороговый характер, хотя и имеют существенные различия: одно
наблюдается при мощностях накачки порядка 1 Вт (ВКР), другое - порядка 10 МВт (ВРМБ). Важ-
ной особенностью этих явлений является то, что их интенсивность в волоконных световодах мо-
жет увеличиваться на много порядков (до 109 раз на длине волны 1550 нм при затухании 0,2 дБ/км
[168]), создавая возможность для оптического усиления. Благодаря этому оба эти явления исполь-
зуются в оптических усилителях, имеющих одноименные названия: ВКР-усилители (или рама-
новские, или комбинационные усилители) и ВРМБ-усилители (см. ниже).
Явление ВРМБ стало предметом более пристального изучения в последнее время в связи с
значительным усовершенствованием систем передачи на одной несущей и достижением близких к
предельным показателей по длине пролета (участка тракта, покрываемого одной усилительной
секцией), за счет использования все более мощных лазерных источников излучения, а также пока-
зателей по скорости передаваемого сигнала, за счет увеличения разрешающей способности (сте-
пени монохроматичности) лазерного сигнала. В обоих случаях происходит увеличение плотности
потока световой энергии, приводящее к усилению нелинейных эффектов, которые в первую оче-
редь проявляются через ВРБМ, учитывая, что оно имеет самый низкий порог возникновения. Воз-
никнув, ВРБМ само приводит, при определенных уровнях излучения накачки, к возникновению
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
299
пороговых явлений, ограничивающих мощность полезного распространяющегося сигнала. Физи-
ческая суть явления такова.
Фонон, рождаемый в схеме указанного процесса, возбуждает акустические волны, рас-
пространяющиеся в том же направлении, но со значительно меньшей скоростью (порядка 5 км/с
[295]) за счет эффекта электрострикции* (основная волна распространяется в ОМ ОВ с фазо-
вой скоростью порядка 204000 км/с). Они создают пространственные колебания плотности в во-
локне (сгустки и разрежения), приводя к локальному изменению показателя преломления - эф-
фекту фотоупругости*.
Фотон, также рождаемый в схеме этого процесса, формирует стоксовую волну, которая
распространяется в обратном направлении и называется волной обратного рассеяния. Ее интен-
сивность тем выше, чем больше эффект фотоупругости, а он, в свою очередь, тем больше, чем
выше уровень накачки. При некотором его уровне, называемом пороговым уровнем ВРБМ, начи-
нает резко увеличиваться интенсивность волны обратного рассеяния, что ухудшает эффектив-
ность передачи основного сигнала. При дальнейшем увеличении подаваемого в ОВ сигнала ин-
тенсивность основного сигнала перестает расти и даже начинает падать.
Итак, очевидно, что ВРБМ приводит к двум эффектам:
- установлению верхней границы оптической мощности, эффективно используемой системой
(увеличение длины пролета, например, за счет увеличения мощности источника сигнала ока-
зывается ограниченным величиной порогового уровня ВРБМ);
- ухудшению качества основного сигнала за счет взаимодействия основной волны с волной об-
ратного рассеяния, а также с волной двойного обратного рассеяния, возникающей за счет от-
ражения волны обратного рассеяния.
Пороговый уровень ВРБМ зависит от ряда факторов: ширины линии лазерного источника
(чем она шире, тем пороговый уровень выше), эффективной площади поперечного сечения ОВ
(чем он больше, тем лучше), длины ОВ (при длине до 10 км проблем с ВРБМ не возникает) и тех-
нологии модуляции сигнала (лазерный источник с непосредственной модуляцией имеет ширину
порядка 1 ГГц, а с внешней модуляцией - 1МГц) [295].
9.1.7.3. Модуляционная неустойчивость
Это явление вызвано модуляцией стационарного волнового состояния под действием нелинейных и
дисперсионных эффектов. Оно проявляется, с одной стороны (во временной области), как распад не-
прерывной или квазинепрерывной периодической волны на последовательность сверхкоротких им-
пульсов, с другой стороны (в частотной области), как появление двух симметричных модуляционных
спектральных составляющих, отстоящих от основной (несущей) частоты а>о на <2..Р.Т:
^маКс=^(2уРо/1Р2Ь- (9-21)
Во временной области это соответствует тому, что стационарная гармоническая волна
преобразуется в периодическую последовательность импульсов с периодом Тмой = 2л/£2макс. Явле-
ние модуляционной неустойчивости в области отрицательных дисперсий также тесно связано с
возникновением солитонов (см. ниже).
Г
9.1.7.4. Четырехволновое смешение
Ряд нелинейных эффектов {четырехволновое смешение, генерация гармоник) возникает в резуль-
тате параметрического усиления, когда ОВ (световод) играет пассивную роль среды распростра-
нения, в которой нескольких оптических волн взаимодействуют благодаря нелинейному отклику
возбуждаемых ими электронов внешних оболочек. Эти нелинейные эффекты приводят к ушире-
нию спектра излучения источника при прохождении в среде за счет появления комбинационных
гармоник.
300
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
Заметный вклад в это вносит так называемое четырехволновое смешение ЧВС (FWM).
Суть его (с позиций квантовой механики) в том, что при взаимодействии четырех линейно поля-
ризованных вдоль оси х оптических волн с частотами а>], (о2, а>з и а>4 может произойти уничтоже-
ние фотонов одной частоты и рождение фотонов других частот при сохранении энергии и им-
пульса. Это обычно происходит по двум схемам:
- передача энергии трех фотонов четвертому, генерируемому на частоте а>4 - о)/+о)2+о)з;
- передача энергии двух фотонов двум новым, генерируемых на частотах а>з+а)4 = а>з+о)2-
Формально эти схемы можно свести в одну: со4 = а)]+а)2±а)зг обобщив ее для случая взаи-
модействия трех линейно поляризованных произвольных волн од, a>j, о)к\ а)ук = o)i+a>j±a)k. Появле-
ние этих гармоник можно проследить, подставив в формулу для нелинейной поляризации Рнел
значение E(r,t), полученное в результате суммирования взаимодействущих волн (например, несу-
щих системы WDM), см., [168], если учесть, что
Риел(г,1) = £о%(3)1 E3(r,t), a E(r,t) = E(z,t) = S{Etcos(a)$-fyz+<h)}. (9-22)
Строго говоря, явление ЧВС наблюдается при соблюдении фазового синхронизма волновых
векторов (Дк=0, к/^п^/с). В реальной среде ОВ оно выполняется с большей или меньшей точностью,
что позволяет говорить о степени эффективности ЧВС. Фазовый синхронизм легче всего выполняет-
ся в случае вырожденного ЧВС, когда а>] = В этом случае волна накачки с частотой а>] генерирует
две симметричные гармоники с частотами а>з {стоксовая, или низкочастотная, гармоника) и а>4 {анти-
стоксовая, или высокочастотная, гармоника), сдвинутые от частоты накачки на величину /2ЧС = шга)3
= аи-ан. Практически, если в световод вводится только излучение накачки и выполняются условия фа-
зового синхронизма, то генерация составляющих а)з и а>4 может инициироваться тепловыми шумами
{тепловыми фотонами), как при ВКР и ВРМБ. Разница только в том, что порог возникновения четы-
рехволнового смешения примерно в 2 раза ниже порога ВКР.
На практике легче всего добиться фазового синхронизма в простейшем случае - двух со-
вместно распространяющихся волн. Например, две несущих системы WDM а>] и а>2 дают, взаимо-
действуя, две боковые гармоники: стоксовую - 2о)]-а)2 и антистоксовую - 2o)rO)j (см. рис. 9-6,а).
Эти составляющие распространяются совместно с двумя исходными, отбирая у них часть энергии.
В случае трех совместно распространяющихся волн фазовый синхронизм легче получить
для схемы взаимодействия вида: а>ук = (y,+(yy-(yt, где vric, j^k. В результате формально происходит
генерация двенадцати гармоник, а именно: а)]]2, а)цз, а}12з, о)]32, 0)213, (O221, о)22з, 0)231, созп, 0)321, (Оззь
О332, а фактически семи гармоник, так как некоторые частоты совпадают: 0)213 = о)]2з = О)ц2, 0)332 =
(О312, о>231 - (O321 = О)зз2 дают совпадающие частоты (см. рис. 9-6,6) [299].
Рис. 9-6. Вид спектра несущих при наличии ЧВС:
а - спектр ЧВС при двух несущих; б - спектр ЧВС при трех несущих
б) й|23 й312 ЙЭ21
<0|12 <0«2
При наличии нескольких (больше трех) несущих, например, т, могут работать обе схемы
формирования ЧВС, а число гармоник N можно оценить по формуле N - т(т-1)2. Появление и
амплитуда тех или иных гармоник при этом зависят от факта и точности соблюдения фазового
синхронизма. Последнее существенно зависит от хроматической дисперсии в районе генерации
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
301
боковых составляющих, учитывая, что она определяет различие групповых скоростей взаимодей-
ствующих и генерируемых гармоник. Чем выше дисперсия, тем меньше вероятность соблюдения
фазового синхронизма взаимодействующих частот и ниже эффективность процесса ЧВС, характе-
ризуемая коэффициентом эффективности (см. ниже).
Ясно, что если разнос исходных частот в системах с разделением по длине волны фикси-
рован, то вероятность того, что комбинационные гармоники будут совпадать с исходными тем
больше, чем меньше указанный разнос, т.е. чем плотнее канальный (частотный) план. При этом
могут возникать существенные искажения, не говоря уже о засорении всего спектра усиливаемых
сигналов и возможности возникновения перекрестных помех в многоканальных системах связи.
Степень искажений зависит также от мощности генерируемых гармоник/#*. Эту мощность
можно оценить по следующей формуле [272, 291, 294]:
PiJk = r](27rfijk ai/3)2(kH/S3t<t)2(L/c)2PlPjPkexp(-aL), (9-23)
где г) - коэффициент эффективности ЧВС, - коэффициент, равный 3, если i=j, или 6, если
Ь/; называемый иногда коэффициентом вырождения’, к„ - коэффициент нелинейности показа-
теля преломления; Бэфф - эффективная площадь ОВ; с - скорость света; Pb Pj, Рк- мощности ис-
ходных несущих; а - коэффициент затухания; L - длина участка распространения взаимодействия.
Оценка на основе (9-23), приведенная в [272] без учета затухания и коэффициента эффектив-
ности ЧВС, при fjk=193,4 ТГц (1550 нм), ау=6, к^З-Ю'8 мкм2/Вт, БЭфф=50 мкм2, L=20 км, Р,, Pj, Pk=l
мВт, теоретически дает уровень мощности гармоники ЧВС порядка 9,45 мкВт, что соответствует
уровню порядка -20 дБ по мощности по отношению к уровню несущих. Оценка, проведенная по
аналогичной формуле (9-24) [291], при ^3>/ = 6-Ю’14 м3/Вт-с и п=1,4675, дает значение 6,5 мкВт. Рас-
хождение в результатах, очевидно, обусловлены приблизительностью значений rf3)t и кн.
Pijk = 1г(1024^-а;//пЧ2) ( ^3) t/S^^i2-(L/c)2 PiPjPk-exp(-aL). (9-24)
Если принять во внимание два неучтенных при подсчете параметра: ту и а, и использовать
прямой подсчет потерь за счет затухания при а=0,2 дБ/км, а также оценку ц=0,2, приведенную в
[291] для систем с разносом не больше 50 ГГц, то оказывается, что фактичекий уровень мощности
гармоники ЧВС может оказаться в 50-60 раз меньше.
9.1.8. Оптические солитоны
Термин "солитон" появился в 1964 г. при исследовании учеными Принстонского университета
N.Zabusky и M.Kruskal движения волны, возникающей при нелинейном колебании одномерной
решетки (описываемой так называемым уравнением KdV, см. ниже) и не разрушающейся при
столкновении с другими волнами [172].
Исторически же открытие солитона как физического явления относится к 1834 г., когда
случайно инженер-судостроитель John Russel наблюдал в Шотландии одиночную носовую волну,
возникшую в канале от внезапно остановившейся баржи. Эта волна, оторвавшись от носа баржи,
продолжала распространяться, не меняя скорости, высоты и формы на протяжении нескольких
километров. Она была названа им волной переноса/трансляции (wave of translation) [213].
О свойствах этой волны, изученных на основе натурного моделирования отрезка канала, им
было доложено на заседании Королевского Общества в 1844. Однако эти исследования оказались
невостребованными по крайней мере еще 50 лет. В 1895 г. датские ученые D.Korteweg и H.de Vries
объяснили этот феномен, получив решение нелинейного уравнения, названного их именем (KdeV).
Прошло еще почти 70 лет (1964), прежде чем волновое решение этого уравнения было названо со-
литонной (одиночной) волной. Однако эти исследования никак не были связаны с оптическими
волнами в дисперсных средах, т.е. в средах, где фазовая скорость волны зависит от ее частоты.
302
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
В 1971 г. существование солитонов в нелинейных дисперсных средах было доказано теоре-
тически В.Захаровым и А.Шабатом, в результате решения нелинейного уравнения Шредингера
НУШ (NLS), описывающего распространение электромагнитной волны в такой среде [186]. В
1973 г. A.Hasegawa и F.Tappert [197] заявили о возможности использования солитонов в оптово-
локне, а в 1980 г. коллективом исследователей Bell Laboratories во главе с L.Mollenauer было экс-
периментально доказано [187], что указанное выше решение НУШ физически осуществимо в од-
номодовом оптоволокне, что дало возможность сформировать оптические солитоны и продемон-
стрировать их уникальные для систем передачи свойства.
Для начала попытаемся дать формальное определение понятия "оптический солитон".
Итак, оптические солитоны - это волны (или волновые пакеты) специальной формы, воз-
буждаемые лазерным источником света в световоде при совместном действии дисперсионных и не-
линейных эффектов в области аномальной (отрицательной) дисперсии. Солитоны могут распро-
страняться в оптоволокне на значительные расстояния (несколько тысяч километров) практически
без искажения своей формы и сохраняются при столкновениях друг с другом, восстанавливая на-
правление движения, скорость и амплитуду, т.е. демонстрируя свойства, характерные для частиц.
9.1.8.1. Физика солитонов
В обычных ВОЛС основным фактором ограничивающим скорость передачи является уширение им-
пульса благодаря дисперсии групповых скоростей ДГС и рассмотренных выше нелинейных эффек-
тов. Их влияние снижают выбором значения несущей волны вблизи точки нулевой дисперсии. Од-
нако желание увеличить длину пролета или участка регенерации против обычной - 60-80 км (см.
2.6.3., табл. 2-1) приводит к необходимости использовать более мощные лазерные источники или же
использовать оптические усилители с достаточно мощными источниками накачки, что позволяет
достигать длины пролета или участка регенерации до 120-250 км. В обоих случаях ограничением яв-
ляется остаточная дисперсия и резкое увеличение нелинейных искажений, вызванное возрастанием
интенсивности светового потока через малую и ограниченную площадь поперечного сечения ОМ
волокна. Частично эта проблема снимается разработкой специальных волокон, например, типа LEAF
(см. ниже табл. 9-2), однако это не может кардинально решить проблему.
Увеличения дальности неискаженного распространения светового импульса можно также
достичь, если использовать длину волны в области отрицательной дисперсии, например, 1550 нм,
и сбалансировать для нее влияние ДГС и нелинейных эффектов, например, ФСМ, как было указа-
но выше. Однако чтобы понятие “сбалансировать” из качественного перешло в количественное
необходимо иметь аналитическое или численное решение волнового уравнения (НУШ), которое
отражало бы при определенных начальных условиях это состояние “баланса”. Речь идет о получе-
нии общего решения НУШ, определяющего условия возникновения и распространения солитонов.
Такое общее решение, полученное Захаровым и Шабатом [186], показало, что при всем
возможном многообразии комбинаций существует фундаментальный солитон (солитон первого
порядка) и солитоны N-vo порядка. Решение - потенциальная функция для фундаментального
солитона имеет вид:
u(Qt) = sech(r)exp(i^2). (9-25)
Оно дает начальную форму импульса солитона в виде гиперболического секанса - и(0,т) = sech(r).
Итак, если световой импульс имеет форму гауссовского импульса и распространяется в среде с
отрицательной ДГС, то при отсутствии начальной ПЧМ он формируется и ведет себя как солитон,
приобретая форму гиперболического секанса (см. рис. 9-7). Здесь Асоо - нормированная расстройка
частотного спектра; Тп = Т/То - нормированное время , где То - начальная длительность солитона.
Пиковая мощность солитона при этом определяется выражением:
Рм = /Р2//уто2, (9-26)
где То - длительность начального импульса солитона.
Г лава 9
Введение в оптические цифровые сети
303
(•о --oJTo
Рис. 9-7. Формирование солитона (а) и его спектра (б) из гауссовского импульса
в среде с отрицательной ДГС
Начальная форма импульса солитона N-ro порядка и(0, т) = Nsech(т), где N - целое число -
порядок солитона. Пиковая мощность, необходимая для его возбуждения, в Л2 раз больше мощ-
ности возбуждения фундаментального солитона.
Квадрат модуля потенциальной функции, описывающей солитоны N-ro порядка, - перио-
дическая функция с периодом Le
Lo = vLd/2 = ят02/2 /Л /.. (9-27)
Важной особенностью солитонного импульса высшего порядка является то, что его форма мо-
жет меняться на длине периода LOn, возвращаясь к исходной в конце периода, а его ширина на началь-
ном отрезке даже уменьшается, что может быть использовано для сжатия солитонов (см. рис. 9-8).
(и -viD)TD
Рис. 9-8. Динамика изменения спектра солитона 3-го порядка на длине, равной периоду солитона
304
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
Такой характер динамики импульса обусловлен совместным действием ФСМ (вызываю-
щей положительную ЧМ, приводящую к уширению импульса) и ДГС (вызывающей сжатие им-
пульса и увеличение интенсивности его в центральной части).
9.1.8.2. Методы формирования солитонов
Из предыдущего описания ясно, что солитон может быть сформирован в среде с отрицательной
дисперсией и только в том случае, если пиковая мощность начального импульса будет больше не-
которого порогового значения. Причем мощности, необходимые для генерации солитонов TV-го
порядка, растут в квадратической последовательности 1:4:9:16: ... :№.
Например, в экспериментах Молленауэра [187] для генерации солитонов в одномодовом
световоде использовался лазер, излучающий импульсы длительностью 7 пс на длине волны 1550
нм. Параметры световода, используемого для эксперимента, составляли: /32 - -20,4 пс2/км и у = 1,3
Вт1 км1. Учитывая, что длина импульса фундаментального солитона т0 составила 4 пс, и исполь-
зуя формулу (9-26), получаем Рм = 0,98 Вт. Следовательно, пиковые мощности для генерации со-
литонов с 1 по 4 порядок должны были составить ряд вида: 1, 4, 9, 16 Вт. Фактически же (изме-
ренные по автокорреляционной функции АКФ) они образовали ряд вида: 1,2; 5,0; 11,4 и 22,5 Вт.
Период солитона при этом составил 1,26 км. Для солитонов высших порядков была характерна
многопиковая форма импульса с большой амплитудой центрального пика и характерным пьеде-
сталом (см. рис. 9-9).
Ро=0,ЗВт Р0=1,2Вт Ро = 5,ОВт Р0=11,4Вт Р0=22,5Вт
Рис. 9-9. Форма солитонов 1-4 порядков (снятая по автокорреляционным функциям) и мощности,
требуемые для их формирования
9.1.8.3. Основные эффекты и ограничения, связанные с солитонами
При создании солитонных линий связи нужно учитывать ряд ограничений, основные из них:
- потери мощности солитона в световоде;
- наличие частотной модуляции в начальном импульсе;
- взаимодействие соседних солитонных импульсов.
Рассмотрим кратко суть этих ограничений, а также укажем основные методы сжатия им-
пульсов, которые могут быть использованы для уменьшения взаимодействия соседних солитон-
ных импульсов.
Глава 9
Введение в оптические цифровые сети
305
Потери мощности солитона в световоде
Для сохранения свойств солитона при распространении по световоду необходимо сохра-
нять его пиковую мощность, которая экспоненциально убывает по длине световода, см.-формулу
(9-11). Практика показывает, что ширина солитонного импульса г растет линейно при прохожде-
нии по световоду со скоростью меньшей, чем для обычного импульса в линейной среде:
т= то(1 + 0,19z/LD), (9-28)
где Ld - дисперсионная длина, на которой дисперсионные эффекты становятся важными для эво-
люции импульса, Ld = т02/ //?? /.
Солитонные линии связи могут использоваться либо для увеличения длины регенерацион-
ного участка (по меньшей мере в два раза по сравнению с обычной) вплоть до частот порядка 40
Гбит/с (уровень STM-256), либо для передачи информации на очень большие расстояния (не-
сколько тысяч километров) без использования регенераторов. Возникающая при этом неизбежная
потеря пиковой мощности солитона может быть компенсирована использованием оптических
усилителей (ОУ). Причем усилитель восстанавливает солитон как физическую сущность, обла-
дающую известными свойствами, после чего солитонный импульс самостоятельно сжимается до
первоначальной ширины.
В результате такого сжатия часть энергии солитона превращается в дисперсионную волну,
которая может стать значительной помехой в работе линии связи. Для ее ограничения приходится
уменьшать расстояние между ОУ до 10-25 км. Выходом из создавшегося положения является ли-
бо совершенствование ОУ (как это было сделано позже с использованием ОВ, легированного эр-
бием, см. ниже), либо усиление солитонов за счет ВКР, при котором существенно уменьшается
доля рассеянной энергии. Так как усиление распределено по всей длине световода, то излучение
накачки, имеющее более высокую частоту (меньшую длину волны, например порядка 1460-1480
нм), можно периодически инжектировать в световод в нескольких местах в направлении, проти-
воположном направлению распространения солитонов. Длина такой линии может составлять от
нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров.
Наличие частотной модуляции в начальном импульсе
Другим ограничивающим моментом является наличие паразитной частотной модуляции -
ПЧМ в начальном импульсе. Импульс, генерируемый лазерным источником не только имеет фор-
му, отличную от гиперболического секанса, но и подвержен ПЧМ. Она накладывается на ФСМ и
нарушает баланс между дисперсионными и нелинейными эффектами, который необходим для
существования солитонов. В этом случае поведение импульса может быть сложным: он может
сужаться в начале пути, а затем уширяться и устанавливаться окончательно, пройдя некоторое
расстояние, зависящее от периода солитона (см. рис. 9-8). При некоторых критических значениях
параметров солитон может даже разрушиться {коллапсировать), поэтому частотная модуляция
начального импульса должна быть сведена к минимуму.
Взаимодействие соседних солитонных импульсов
Солитонный импульс в системе связи играет роль информационного импульса. При увели-
чении скорости передачи информации (которая обратна длине периода, занимаемого информацион-
ным импульсом) расстояние между такими импульсами, а значит, и солитонами становится настоль-
ко малым, что нельзя избежать их взаимодействия. При определенном малом расстоянии между ни-
ми такое взаимодействие может периодически вызывать коллапс солитонов, что нежелательно, так
как это ведет к ошибкам в передаваемой информации. Если не принимать специальных мер, то со-
литонные системы могут обеспечить передачу на скоростях порядка 40 Гбит/с (т.е. на уровне STM-
256) с минимальным взаимным влиянием, если использовать импульсы шириной 2-3 пс. Используя
специальные меры, например устанавливая определенную ненулевую относительную фазу или не-
равную относительную амплитуду соседних солитонов (практически используемый вариант), мож-
но довести скорость передачи до 80 Гбит/с (т.е. на уровне ОС-1536) при длине участка регенерации
20-48
306
Введение в оптические цифровые сети
Глава 9
до 500 км и, наконец, используя солитоны, поляризованные в ортогональных плоскостях, - до 160
Гбит/с (т.е. на уровне STM-1024) при длине участка регенерации 225 км [172].
Сжатие солитонных импульсов
Одним из методов уменьшения эффекта взаимодействия солитонов и увеличения скорости
солитонных систем передачи является сжатие солитонных импульсов.
В световоде существует дисперсия групповых скоростей - ДГС, при которой различные
частотные составляющие распространяются с различными скоростями. Основанная на ДГС идея
сжатия достаточно проста: импульс сжимается (т.е. уменьшается расстояние между его перед-
ним и задним фронтами), если задержать приход переднего и/или ускорить приход заднего фрон-
тов. Чтобы это было возможно, импульс должен быть, например, линейно частотно модулирован
(ЛЧМ). ЛЧМ называется положительной, если частота линейно нарастает от переднего к заднему
фронту импульса, и отрицательной, если она линейно нарастает от заднего к переднему фронту.
Для сжатия импульса с положительной ЛЧМ нужна отрицательная ДГС, а для импульса с отрица-
тельной ЛЧМ - положительная ДГС.
Роль ЛЧМ в световодах может играть ФСМ, а водоразделом положительной и отрицатель-
ной ДГС является, как известно, длина волны нулевой дисперсии Ло. В этой связи компрессоры
импульсов (будучи основаны на нелинейных эффектах) делятся на две категории:
- волоконно-решетчатые компрессоры, используемые для ОВ с положительной ДГС (Л < Ло);
- компрессоры на эффекте многосолитонного сжатия, используемые для ОВ с отрицатель-
ной ДГС (Л > Ло);
В волоконно-решетчатых компрессорах импульс сначала распространяется в световоде с
положительной ДГС, приобретая ЛЧМ за счет комбинации нелинейных и дисперсионных эффек-
тов, а затем подвергается сжатию при помощи пары дифракционных решеток, создающих отрица-
тельную ДГС. Эти методы работают в диапазоне малых длин волн (первое и второе спектральные
окна) и не используются для сжатия солитонов, работающих в третьем окне.
Компрессоры на эффекте многосолитонного сжатия используют световод с отрицательной
ДГС. Такой световод в силу влияния ФСМ сам действует как компрессор. Дополнительная ком-
прессия может быть реализована для солитонов высших порядков. Она обусловлена начальной
фазой в периодической картине эволюции, через которую они проходят. В этой фазе солитон
высшего порядка сжимается. “Отсечь” эту фазу, т.е. оставить солитон сжатым, можно путем со-
ответствующего выбора длины отрезка начальной фазы световода LC3K. При этом коэффициент
сжатия ксж такого солитонного компрессора зависит от выбранного порядка солитона N. Эти ве-
личины определяются следующими эмпирическими зависимостями:
ксж = 4,1-N, Ьсж = Lon(O,32/N + 1,1/N2), (9-29)
где Lon - период солитона TV-го порядка.
Из формулы (9-29) видно, что уже выбор солитонов 2-3 порядков обеспечивает возмож-
ность сжатия импульса в 8-12 раз. Использование солитонов высших порядков, в свою очередь,
определяется возможностью формирования той или иной требуемой пиковой мощности солитона,
учитывая, что она растет пропорционально квадрату N.
В пограничной области (второе окно) можно использовать оба метода, что позволяет получить
большие (до 5000) коэффициенты сжатия и импульсы длительностью в несколько фемтосекунд.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
Оборудование, как основное, так и вспомогательное, используемое в оптических сетях не
менее разнообразно, чем в аналогичных электрических сетях, и включает как усилители, регенера-
торы (повторители), мультиплексоры и коммутаторы, так и модуляторы, преобразователи (кон-
вертеры), источники, приемники, фильтры, кабели и т.д. Это оборудование имеет не только доста-
точно широкую номенклатуру, но и большое разнообразие функциональных характеристик. В этом
издании мы не собираемся описывать все это оборудование в целом, а лишь кратко остановимся на
основных блоках: усилителях, коммутаторах, модуляторах и преобразователях, как формирующих
топологию сети, так и отвечающих за основные функциональные характеристики сети.
Более полный охват указанного оборудования или более подробные его характеристики по
отдельным блокам можно найти в ряде других источников, например, [169, 170, 196, 216, 217, 246,
260], или на Web-страницах фирм производителей и в фирменных спецификациях конкретного
оборудования.
10.1. Оптические усилители
Усиление оптических сигналов рассматривалось первоначально (60-е годы) как сопутствующее
явление, наблюдаемое при исследовании процессов в лазерных устройствах [194]. Однако уже в
начале 80-х годов в связи с развитием волоконно-оптической техники и технологии оно стало са-
мостоятельным направлением развития оптической техники. В это время наметились несколько
направлений в создании оптических усилителей:
- наиболее старое - использование оптических световодов, легированных активными редкозе-
мельными ионами, для усиления оптического пучка (один из результатов развития лазерной тех-
ники) - 1964 [194] (нами не рассматривается);
- использование полупроводниковых усилителей, разрабатываемых на единой основе (физики
твердого тела) с полупроводниковыми источниками излучения для формирования интеграль-
ного твердотельного устройства (1983) [195];
- прямое использование ОВ, как усилительной среды, а не только как среды распространения,
возможное в двух направлениях:
• использование нелинейных явлений типа ВКР и ВРМБ (1981, Ikeda М., см. ссылку в [168, с.228]),
• использование легирования материала ОВ редкоземельными материалами',
- параметрическое усиление (1982) [168]
Необходимость в использовании оптических усилителей (ОУ) в синхронных цифровых се-
тях стала особенно очевидной в связи с использованием регенераторов в технологии SONET/SDH.
Она диктовалась, в первую очередь, высокими скоростями передачи - 155 Мбит/с, 622 Мбит/с и
выше. На первом уровне SDH - 155 Мбит/с - использовались как электрический, так и оптический
SDH-трибы, однако регенераторы работали только с оптическими трибами на входе по схеме:
прием оптического сигнала - оптоэлектрическое преобразование (ОЭП) - электрическое усиление
и регенерация электрического сигнала - электрооптическое преобразование ООП) - передача оп-
тического сигнала.
Уже на следующем уровне SDH - 622 Мбит/с и выше - использование электрических три-
бов, ввиду необходимости дополнительного ОЭП, было бы неэффективным. Поэтому на этих
уровнях используют только оптические SDH-трибы, однако регенераторы работают по той же
схеме. С точки зрения минимизации числа преобразователей ОЭП-ЭОП, было бы логично осуще-
ствлять регенерацию по схеме: прием оптического сигнала - усиление и регенерация оптического
сигнала (с помощью оптических усилителя и регенератора) - передача оптического сигнала.
20*
308
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Реализовать указанную схему пока не удается ввиду отсутствия собственно оптических
регенераторов (понимая под этим оптическое восстановление формы деградированного оптиче-
ского сигнала и определенного уровня отношения сигнал/шум). Однако использование ОУ позво-
ляет увеличить длину регенерационного участка до 600-700 км, за счет разбивки его на несколько
пролетов, на границе которых используется только оптическое усиление. Это уменьшает число
регенераторов и упрощает схему передачи (за счет исключения промежуточных ОЭП-ЭОП преоб-
разований) и в целом удешевить оборудование.
Это дало дополнительный мощный толчок исследованиям в области оптических усилите-
лей. Особенно интенсивно начали разрабатываться полупроводниковые оптические усилители
(ППОУ) и усилители на основе нелинейных явлений в ОВ, а затем и оптические усилители на ос-
нове ОВ, легированного примесями редкоземельных элементов (главным образом эрбия). Эти по-
следние (а также ППОУ) и стали в настоящее время основными типами ОУ синхронных оптиче-
ских сетей.
10.1.1. Основные особенности оптических усилителей
Оптические усилители можно рассматривать в тех же терминах и используя те же параметры, что
и электронные усилители: коэффициент усиления, уровень (коэффициент) шума, динамиче-
ский диапазон, амплитудно-фазовую характеристику - АФХ. Однако они имеют и свои (для
ряда применений) существенные важные параметры, например, коэффициент усиления среды,
мощность насыщения, усиленное спонтанное излучение - УСИ (ASE), чувствительность к
поляризации сигнала, которые кратко рассмотрены ниже. Кроме того, вместо АФХ используют
обычно амплитудно-волновую характеристику - АВХ.
В общем случае коэффициент усиления ОУ для одного сигнала на центральной частоте
имеет вид
G0(co) = Рвых(со)/Рвх(со), (10-1)
где Рвых(со) и Рвх(со) - мощности оптического сигнала на входе и выходе усилителя, измеренные на
рабочей угловой частоте со (или соответствующей длине волны) при малом уровне входного сиг-
нала, гарантирующем отсутствие насыщения выходного сигнала.
Основным активным агентом таких усилителей является фотон, следовательно, идеальный
ОУ с коэффициентом усиления к должен синфазно генерировать на выходе ровно к фотонов на каж-
дый фотон, попавший на его вход. То есть ОУ должен пропорционально усиливать интенсивность
входного оптического сигнала, оставляя его форму неизменной, независимо от уровня интенсивно-
сти, длины волны, состояния поляризации, формы отображаемой двоичной последовательности.
Фактически же указанные факторы, а также ряд других факторов влияют на АФХ усилительной (или
активной) среды g(со) или частотный спектр Acog, а затем уже на АФХ собственно ОУ.
10.1.1.1. Принцип действия оптического усилителя
Если существует некая активная среда, имеющая только два энергетических состояния Е/
и Е2 (см. рис. 10-1,а), причем Е2 > Ej, т.е. Е2 является возбужденным по отношению к Ej
состоянием, то в равновесных условиях, число рабочих частиц (электронов, ионов или мо-
лекул - потенциальных усилительных агентов среды) распределено по статистике Больц-
мана так, что N2 < Nj. В результате, если на вход такой среды попадает фотон, то он с
большей вероятностью будет поглощен этой средой, что может сопровождаться переходом
частицы с уровня Е2 на уровень Е2, если энергия фотона со > (Е2 - Ej). Усиление в такой
среде невозможно, хотя и существует некоторая вероятность эмиссии (испускания) фотона,
если электрон спонтанно перейдет с верхнего возбужденного уровня на нижний релаксаци-
онный уровень.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
309
hv
N? < Ni
а)
№ » Nt
Усиление станет возможным, если уда-
стся создать инверсию населенностей уров-
ней, когда N2>Nj. Для этого используется сис-
тема энергетической накачки. В качестве на-
качки можно использовать инжекцию электро-
нов или излучение лазера соответствующей
длины волны для создания фотонов нужной
энергии (см., например, [218]). В результате
накачки и создания определенной инверсии на-
селенности активная среда становится способ-
ной генерировать вторичные фотоны (той же
частоты и направления распространения) с ко-
эффициентом размножения к при попадании
на ее вход возбуждающего фотона из светового
потока усиливаемого сигнала. В результате
осуществляется его усиление за счет возбуж-
даемой эмиссии.
Рис. 10-1. Схемы двухуровневой (а) и трехуров-
невой (б) моделей функционирования
активной среды
№
№
Важным для понимания моментом является то, что усиление носит распределенный харак-
тер (хотя в зависисмости от типа усилителя может носить и циклически-распределенный харак-
тер, например при наличии резонаторов в цепи обратной связи усилителей). Распределенный харак-
тер обусловлен генерацией вторичных фотонов в течение всего времени прохождения усиливаемого
оптического сигнала через активную среду, имеющую конечную длину L, что и обуславливает появ-
ления этого параметра в формулах для коэффициента усиления ОУ.
Нужно помнить также, что усиление неизбежно сопровождается двумя другими процесса-
ми: поглощением энергии светового сигнала, которое обычно носит экспоненциальный характер,
возрастая с ростом L, и спонтанной эмиссией вторичных фотонов, которая может быть усилена,
приводя к появлению так называемого усиленного спонтанного излучения (см. ниже).
Некоторые типы ОУ, использующие для накачки лазеры, требуют рассмотрения более
сложной трехуровневой схемы взаимодействия, где третий, так называемый метастабильный
уровень Е3 лежит между первым и вторым уровнями (см. рис. 10-1,6). Схема создания инверсии
населенностей при этом такова: с первого уровня частицы накачкой переводятся на второй, с ко-
торого они в результате релаксации переходят на третий (метастабильный) уровень, время жизни
которого (среднее время до спонтанного испускания фотона) достаточно велико. На этом третьем
уровне частицы накапливаются и создается достаточный уровень (не менее двукратного) инвер-
сии населенностей по отношению к первому уровню (N} > TV/).
10.1.1.2. Коэффициент усиления среды и усилителя
Практика показывает, что большинство оптических усилительных (активных) сред можно рас-
сматривать как однородную распределенную двухуровневую среду (см. выше), для которой коэф-
фициент усиления среды на единицу длины может быть описан выражением вида [196]:
g(<o) =go/[l+8a?td2+Pl/PH],
(Ю-2)
где go - максимальное (вычисленное для малого входного сигнала) значение коэффициента усиле-
ния, зависящее от мощности накачки; 8со - разность частоты входного оптического сигнала и
частоты квантового перехода электронов с верхнего уровня на нижний; td - время релаксаиии ди-
310
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
полей вещества активной среды, определяемое скоростью перехода диполей из одного равновес-
ного состояния в другое (имеет порядок 0,01-1 нс [196] в зависимости от типа диполей); Рс - опти-
ческая мощность входного сигнала; Рн - мощность насыщения.
i й нетат тгирнг ьмэт
iC ЖО1/ HXHG4
10.1.1.3. Мощность насыщения Рн ; •. Hi;H ЗОН
•11ЛЛ i ТГУХОТТ?
Аналогично электронным усилителям модуль
усиления ОУ зависит от уровня входного сигна-
ла. До определенного (малого) уровня рходной
мощности усиление практически постоянно, за-
тем оно начинает экспоненциально падать (см.
рис. 10-2) с ростом уровня входной мощности.
Этот "падающий" участок характеристики явля-
ется областью насыщения усилителя. Ее нали-
чие объясняется уменьшением коэффициента
размножения, вызванным возрастающим (с рос-
том входного сигнала) дефицитом частиц, кото-
рые способны генерировать вторичные фотоны,
на том уровне, где создается инверсия населен-
ности. Эта область численно характеризуется
мощностью насыщения Р„ на выходе усилителя,
определяемой по выходной характеристике на
уровне -3 дБм, при котором коэффициент усиле-
ния среды g(со) падает в два раза.
Амплитудно-фазовая характеристика ОУ зависит от ряда его специфических параметров,
влияние основных из них оценено ниже.
Влияние насыщения на АФХ
Оно обусловлено третьим слагаемым в (10-2), которое может приводить (в отличие от
электронных усилителей) к существенному снижению усиления среды в целом, даже в области,
казалось бы, далекой от насыщения. Так уже при Рс/ Рн=0,5 коэффициент усиления G усилителя
снижается на треть по сравнению Go при Рс/Рн « 1, когда это слагаемое не оказывает влияния на
коэффициент усиления. Являясь ограничительным фактором, насыщение может служить и регу-
лирующую роль в стабилизации общего коэффициента усиления при каскадном соединении мно-
гих усилителей в последовательной линии связи, что имеет место, например, на трансокеанских
линиях связи.
Влияние времени релаксации диполей на АФХ
Из (10-2) видно, что АФХ определяется двумя слагаемыми в знаменателе. Если принимать
во внимание зависимость от частоты только второго слагаемого, то грубо, в первом приближении,
ее можно аппроксимировать профилем Лоренца [191] (см. рис. 10-3). Тогда, используя его, мож-
но получить, что полная ширина спектра на уровне половины от максимума (FWHM) обратно
пропорциональна td, т.е. Асов =
Влияние длины активной ('усиливающей) среды
Уже отмечалось, что мощность усиливаемого оптического сигнала зависит от длины уча-
стка среды L от точки входа потока сигнала в усилитель до его выхода. Учитывая это, АФХ уси-
лителя при условии постоянного коэффициента усиления среды g(co) будет иметь вид [191]
G(со) = exp{g( co)L}. (10-3)
Рис. 10-2. Зависимость коэффициента усиления
от выходной мощности и определение
Учитывая экспоненциальный характер этой зависимости, можно констатировать, что
спектр G(co) усилителя будет существенно уже спектра g(co) среды, что и видно на рис. 10-3, где
приведены нормированные характеристики G(co) ag(co) в зависимости от расстройки (со - соо).
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
311
Нормированная расстройка (<о - Оо)
Рис. 10-3. Вид нормированных АФХ коэффици-
ентов усиления среды и ОУ в целом
Чувствительность усиления к поляри-
зации сигнала
Еще одним ограничивающим коэффи-
циент усиления G фактором является чувст-
вительность усиления ОУ к поляризации
усиливаемого сигнала, когда усиление может
меняться, и иногда значительно, в зависимо-
сти от поляризации. Ситуация ухудшается в
ВОЛС, учитывая, что в них состояние поля-
ризации сигнала не только не контролирует-
ся, но в волокне, даже одномодовом, может
хаотически меняться под действием случай-
ных изменений формы сердцевины и анизо-
тропии, вызванной статическим напряжением
отрезка оптоволокна (эффекты, известные,
применительно к ОМ ОВ, как модовое двой-
ное лучепреломление [168]). Аналогичным
эффектам подвержены и системы с WDM, в
которых степень поляризации входных сиг-
налов может быть различной.
Изменение поляризации приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) усиления,
которая может носить периодический характер (как, например, для усилителей бегущей волны).
Степень такой чувствительности зависит от типа ОУ, что отражено ниже в табл. 10-1.
10.1.1.4. Источники шума и динамический диапазон
Динамический диапазон определяется как диапазон входной мощности оптического сигнала, при
котором коэффициент усиления Go остается постоянным. Он тесно связан с другим параметром -
коэффициентом шума, зависящим от уровня усиленного спонтанного излучения, остаточным
сигналом накачки и перекрестной помехой, которые кратко рассмотрены ниже.
Усиленное спонтанное излучение
Оптические усилители добавляют шум к усиливаему оптическому сигналу. Этот шум обу-
словлен усиленным спонтанным излучением - У СИ (ASE). Это излучение возникает под дейст-
вием случайных возмущающих факторов различной физической природы, например нагрева уси-
лителя {тепловые фотоны), а также за счет наличия рассеянных фотонов. Шум приводит не
только к уменьшению динамического диапазона, но и к снижению максимально допустимого уси-
ления (см. разд. 10.1.2.). Уменьшение динамического диапазона обычно характеризуется извест-
ным параметром F - коэффициентом шума:
F = SNRex/SNReblx, (10-4)
где SNRex, SNReux - значения динамического диапазона на входе и выходе усилителя.
Оценка этого параметра ОУ осуществляется на “электрическом уровне” путем преобразо-
вания оптического сигнала в электрический с помощью фотодетектора. Для уменьшения коэффи-
циента шума, вызванного УСИ, сигнал на выходе ОУ фильтруют с помощью полосового оптиче-
ского фильтра - ПОФ.
Остаточный сигнал накачки
Существует еще один специфический источник шума в усилителях с накачкой - остаточ-
ный сигнал накачки на выходе усилителя, влияние которого (на передатчик или детектор в систе-
ме связи) может быть уменьшено как с помощью фильтра на выходе ОУ, так и путем соответст-
вующего выбора частоты источника накачки.
312
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Перекрестные помехи
Этот вид помех характерен для многоканальных ОУ в системах WDM. Он проявляется как
паразитная амплитудная (ПАМ) или паразитная частотная (ПЧМ) модуляции сигнала одного ка-
нала другими сигналами. В силу специфики помех, они не рассматриваются здесь детально.
Более подробные общие сведения об оптических усилителях можно найти также в работах
[190, 191, 195, 196].
10.1.2. Полупроводниковые оптические усилители
Полупроводниковые оптические усилители (ППОУ) оказались, если не исторически, то факти-
чески, первыми ОУ, проработанными до уровня промышленного использования. До недавнего
времени они считались наиболее подходящими усилителями оптических сигналов только в окне
длин волн 1300 нм [190], однако в последнее время появились сообщения об успешных разработ-
ках ОУ компании Alcatel и для окна 1550 нм [198], что особенно актуально, учитывая миграцию
современных оптических систем в этот диапазон волн.
10.1.2.1. Принцип действия ППОУ
ППОУ основаны на использовании возбуждаемой эмиссии, возникающей благодаря взаи-
модействию фотонов входного возбуждающего излучения с электронами на возбужденном уровне
в зоне проводимости - аналогично описанному выше. Полупроводник можно рассматривать при
этом как идеально простую систему с двумя неперекрывающимися энергетическими уровнями:
нижним (релаксационным) - валентная зона и верхним (возбужденным) - зона проводимости, раз-
деленными определенным зазором - потенциальным барьером (подробнее см., например, в [214]).
Как и в общем случае, оптическое усиление возможно при условии создания определенно-
го уровня инверсии населенности (здесь избытка электронов в зоне проводимости) за счет накач-
ки, роль которой здесь играет инжекция тока в полупроводник. Однако при этом уровень накачки
выбирается таким, что энергия основной массы электронов еще недостаточна для преодоления
потенциального барьера между зонами. Чтобы это произошло, требуется дополнительная энергия
возбуждения. Входной сигнал - источник первичных фотонов - и служит дополнительным источ-
ником возбуждения, энергия которого должна быть достаточна, чтобы сбросить электроны с
верхнего уровня на нижний, где электрон и дырка рекомбинируют, вызывая появление вторичных
фотонов. Если один первичный фотон вызывает эмиссию к вторичных фотонов, возникает к-
кратное оптическое усиление.
10.1.2.2. Типы полупроводниковых ОУ
Существуют два типа ППОУ: подпороговые и надпороговые усилители. Подпороговые усилите-
ли - это лазеры, работающие в режиме ниже порога генерации излучения. Надпороговые усилите-
ли (или усилители с фиксированным усилением) - напротив - лазеры, работающие в режиме выше
порога генерации излучения.
Первый тип ОУ может также отличаться отсутствием или наличием обратной связи (ОС),
обеспечивающей многократную процедуру усиления. Если усиление осуществляется за один проход
(ОС отсутствует), то ОУ называется усилителем бегущей волны - УБВ (TWA). На входном и вы-
ходном торцах такого усилителя (полупроводникового блока длиной L) формируются грани с анти-
отражающим покрытием (см. рис. 10-4,6), чтобы минимизировать отраженный луч, приводящий к
колебательности АВХ. Это позволяет поддерживать ее неравномерность на уровне не выше 1 дБ.
В многопроходных усилителях, наоборот, применяется оптическая обратная связь ООС,
в качестве которой используется оптический резонатор. Им может быть, например, плоский ли-
нейный резонатор Фабрц-Перо [167] - пара параллельных полупрозрачных зеркал, закрепляв-
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
313
мых на входе и выходе усилителя, между которыми в процессе многократного отражения оптиче-
ской волны и происходит усиление интенсивности оптического сигнала (за счет преобразования
энергии накачки в энергию сигнала) до величины, достаточной для выхода оптического луча за
пределы резонатора (см. рис. 10-4,а). Такой ОУ называется усилителем (с резонатором) Фабри-
Перо - УФП (FPA).
Отличительной особенностью указанных типов ОУ является то, что УБВ имеет непрерыв-
ную АВХ с достаточно большим плоским участком (порядка 60-100 нм на уровне -ЗдБ), тогда как
АВХ для УФП имеет вид, характерный для оптического гребенчатого фильтра с узкими пиками
импульсного усиления и постоянным шагом пиков гребенки, обусловленным наличием у резонанс-
ной системы ряда продольных мод с равномерным пространственным распределением (см. рис. 10-
4,а). Для широкополосных оптических систем плоская АВХ более предпочтительна, чем гребенча-
тая, которая к тому же чувствительна к изменению характеристик оптической системы в целом.
УФП УБВ
Рис. 10-4. Схемы и АВХ для первого типа SOA
Второй тип ОУ основан на использовании нормального (лазерного) режима функциониро-
вания, когда поддерживается постоянное усиление, необходимое для генерации основной излу-
чаемой моды [218]. В этих условиях могут быть без искажения усилены и нужные нам сигналы,
если их частоты достаточно далеки от частоты указанной моды. Различают два типа лазеров, ге-
нерйрующих одну продольную моду, которые могут играть роль такого ОУ:
- лазеры с распределенной обратной связью - ЛРОС (DFB lasers);
- лазеры с распределенным отражателем Брэгга - ЛРОБ (DBR lasers).
Усиление у таких лазеров в режиме ОУ осуществляется на частотах, отличных от резо-
нансной, и оказывается возможным благодаря тому, что АВХ лазера имеет достаточно большое
усиление на широком, непрерывном и гладком пьедестале, который обычно симметричен относи-
тельно резонансного пика генерируемой продольной моды (см. рис. 10-5). Такие усилители легко
могут обеспечить усиление 10-15 дБ и отличаются пониженным значением переходной помехи
при использовании в многоканальном режиме [190].
10.1.2.3. Характеристики ППОУ
Основными характеристиками ППОУ, как и любого усилителя, являются коэффициент усиления,
уровень шумов, динамический диапазон и неравномерность АВХ.
Коэффициет усиления
Под коэффициентом усиления ППОУ, реализуемым за один проход, понимается величина
G6(A) = exp{(yU]ge(A)-at)L}, (10-5)
где Уиз - коэффициент изоляции оптической моды; g0 - коэффициент усиления материала в отсут-
ствие насыщения; - коэффициент поглощения; L - длина усилителя.
314
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Зависимость (10-5) - экспоненциальная, характерная для систем с насыщением. Коэффи-
циент усиления зависит от длины усилителя и коэффициента усиления материала полупроводни-
ка. Ширина полосы АВХ для коэффициента усиления материала go, как уже отмечалось выше,
оказывается существенно большей, чем для Go. Эта особенность еще больше усиливается для
многопроходных усилителей типа УФП. В целом ширина полосы для УБВ оказывается на три по-
рядка шире, чем для УФП. Реализуемые коэффициенты усиления составляют: для УБВ - 15 дБ
(волна ТМ) или 22 дБ (волна ТЕ); для УФП - 22-25 дБ. Максимум коэффициента усиленйя зависит
от величины тока через полупроводник и лежит в диапазоне 1520 - 1460 нм, смещаясь в сторону
меньших длин волн при большей величине тока [190].
Уровень шума и динамический диапазон
Динамический диапазон без учета шума
ППОУ может достигать 35-45 дБ. Полупровод-
никовый усилитель, как и любой ОУ, добавляет
шум за счет У СИ к усиливаему оптическому
сигналу. Шум приводит не только к уменьше-
нию динамического диапазона, но и к сниже-
нию максимально допустимого усиления. В
этом можно наглядно убедиться, обратившись
к рис. 10-5, на котором показан типичный
спектр шума, вызванного У СИ. Этот спектр
много шире АВХ усилителя и имеет характер-
ную форму пьедестала. Из рисунка видно, что
уровень мощности шума составляет около 20
дБ, а уровень усиления сигнала на его фоне - 25
дБ. Это означает, что динамический диапазон,
который мог бы в отсутствие шума составить
45 дБ, уменьшается при наличии шума до ве-
личины 25 дБ.
Относительная расстройка
(А-Ао)
Рис. 10-5. Вид спектра шума и усиливаемого
сигнала
Импульсные усилители
Учитывая, что кодовые последовательности, передаваемые по цифровым сетям связи,
приводят к необходимости передачи импульсов, усилитель должен быть импульсным. Импульсы,
передаваемые по сети, фактически являются импульсами ЛД и имеют, как правило, симметрич-
ную гауссовскую форму. Импульсные усилители могут искажать форму этих импульсов, если ши-
рина импульса ти меньше времени жизни носителей заряда в полупроводнике тн. Это искажение
приводит к асимметрии импульсов - передний фронт становится круче, задний положе. Это явле-
ние проявляется тем больше, чем ближе коэффициент усиления к величине, соответствующей на-
сыщению. Если в этих условиях передается последовательность коротких импульсов, соответст-
вующая определенной структуре двоичной последовательности, то эта структура может искажать-
ся. Если же ти соизмеримо с тн, то импульс может уширяться, и тем больше, чем ближе усиление к
насыщению. Искажения формы импульсов может быть обусловлено возникновением ФСМ и
ФКМ, см. выше.
При многоканальном усилении, имеющем место в системах с WDM, может проявляться
еще один вид искажений - комбинационные гармоники, возникающие из-за перекрестной модуля-
ции - ПКМ (XGM) и четырехволнового смешения - ЧВС (FWM). ПКМ может проявляться либо в
виде амплитудной кросс-модуляции - АКМ, которая приводит к симметричному уширению спек-
тра импульса, либо в виде уже упоминавшейся ФКМ, которая приводит к асимметричному уши-
рению спектра импульса. Если, например, используются только две частоты fI и f2, то при ПКМ
возникают как минимум гармоники fiif2, а при ЧВС - гармоники 2frf2 и 2f2-fI. Наличие гармоник
приводит не только к нелинейным искажениям, но и к тому, что насыщение происходит при
меньшем уровне усиливаемого сигнала, а сам сигнал дополнительно случайно флуктуирует в за-
висимости от характера последовательности бит. Причем наибольшее влияние оказывает ЧВС.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
315
Если, например, одновременно усиливаются сигналы с длинами волн 1310 нм и 1550 нм,
то ЧВС приводит к появлению составляющих 1134 нм и 1917 нм, которые могут оказать влияние
только тогда, когда они лежат в полосе пропускания усилителя, что в данном случае маловероят-
но. Если же усиливаются четыре сигнала и больше в полосе 1450-1600 нм с разделением по дли-
нам волн порядка 50 нм и меньше, то уже, например, ЧВС сигналов 1500 нм и 1550 нм дают ср-
ставляющую 1449 нм, лежащую в полосе пропускания усилителя.
10.1.2.4. Применение ППОУ
ППОУ могут быть использованы по крайней мере в трех различных классах синхронных оптиче-
ских систем: усилителях, компенсаторах дисперсии и оптических коммутаторах.
Как усилители (т.е. по основному назначению) ППОУ могут быть использованы в качест-
ве предусилителей перед детектированием оптического сигнала, а также в качестве усилителей
мощности в линейных системах для компенсации распределенных потерь в линии, позволяющих
увеличить длину регенерационного участка. ППОУ могут быть интегрированы вместе с полупро-
водниковым лазером для создания эффективного источника в когерентных оптических системах.
ППОУ могут быть использованы как компенсаторы дисперсии в ОВ, учитывая то, что
они даже в одноканальном варианте вызывают увеличение крутизны фронта и уменьшение кру-
тизны среза импульсов (эффект, характерный для ЛЧМ, см. выше), а в многоканальном варианте к
нему прибавляется эффект ФКМ. Если использовать ЧВС в ППОУ для частотной конверсии
спектра, приводящей к инвертированию порядка следования частотных составляющих импульса,
т.е. фактически к изменению знака дисперсии, то можно компенсировать дисперсию на после-
дующем участке с ОВ [192].
ППОУ, наконец, могут быть использованы в качестве оптических коммутаторов для
пространственной коммутации или разделения по длинам волн.
Дополнительную информацию по ППОУ можно почерпнуть в работах [190, 193]. Ориен-
тировочные значения их параметров приведены ниже в табл. 10-1.
10.1.3. Оптические усилители, использующие нелинейные явления в ОВ
В оптических системах, использующих ВОК, для усиления сигналов можно использовать нели-
нейные явления в оптическом волокне, такие, как рассмотренные выше ВКР или эффект Рамана,
ВРМБ и параметрическое усиление [168].
10.1.3.1. Волоконные ВКР-усилители
Явление ВКР можно использовать для усиления оптического сигнала, если он распространяется
вместе с интенсивной волной накачки и его длина волны лежит в полосе комбинационного усиле-
ния. Эти усилители также называют комбинационными или рамановскими усилителями. Для
случая, когда интенсивность сигнала 1С меньше интенсивности накачки 1нак, усиление определяет-
ся следующим выражением:
Go — eXpfg^PиакРзфф^зфф) > (10-6)
где РНак-1нак$зфф - мощность накачки; ЬЭфф и 5Эфф - эффективные длина и площадь поперечного се-
чения ОВ, ag, - эквивалентная крутизна усиления ОУ (порядка 110‘13 м/Вт [168]).
Типичными параметрами являются мощность накачки 1 Вт, коэффициент усиления порядка
30 дБм (1000 раз). Мощность насыщения Р„ ВКР-усилителей значительно больше, чем ППОУ (1 вТ
против 1 мВт), причем накачка может быть как попутная, так и встречная. В качестве накачки ис-
пользуются лазеры с длиной волны 1060 нм (для усиления сигналов 1300 нм) и 1320 нм (для усиле-
ния сигналов с длиной волны 1550 нм). Этот тип усилителей достаточно широкополосен (5-10 ТГц)
316
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
и годится для усиления сигналов в схемах с WDM и усиления коротких импульсов (пикосекундного
диапазона). Ориентировочные значения параметров ВКР-усилителей приведены ниже в табл. 10-1. .
10.1.3.2. Волоконные ВРМБ-усилители
Явление ВРМБ также может быть использовано для усиления оптического сигнала. Однако ширина
полосы такого усиления значительно меньше, чем у ВКР-усилителей (десятки мегагерц против тера-
герц). Кроме того, частота накачки должна отличаться от частоты усиливаемого сигнала на малую
величину (<100 МГц), что делает их непригодными для усиления сигналов в схемах с WDM.
Формула для коэффициента усиления такого ОУ аналогична (10-4), с той только разницей,
что Р„ак и мощность насыщения усилителя Рн составляют около 1 мВт. Ориентировочные значе-
ния параметров ВРМБ-усилителей приведены в табл. 10-1.
10.1.3.3. Параметрические усилители
Параметрическое усиление основано на использовании явления, называемого частично вырожден-
ным четырехволновым смешением ЧВЧВС (см. выше). Стоксовая и антистоксовая компоненты
при этом называются сигнальной и холостой волнами. При точном синхронизме и gL»l, где g -
коэффициент параметрического усиления, в области, далекой от насыщения, а также в случае вы-
рождения по накачке, когда существует только одна частота накачки, формула для коэффициента
усиления параметрического усилителя, полученного за один проход, имеет вид [168]:
Go = {exp(yP„aKLce}}/4,
(Ю-7)
где у- среднее значение коэффициента нелинейности, Lce - длина световода.
Грубая оценка ширины полосы усиления дает величину порядка 100 ГГц. Эта величина
является промежуточной между аналогичными величинами ВКР-усилителей и ВРМБ-усилителей.
Параметрический усилитель имеет ряд специфических недостатков: требует точного соблюдения
фазового синхронизма, жесткого контроля длины световода, учета положения и уровня усиления
холостой волны, учета истощения накачки и уширения ее спектра, приводящих к уменьшению па-
раметрического усиления и др.
Эксперименты с такими усилителями показывают возможность достижения больших коэффи-
циентов усиления 38-46 дБм [168], однако требуют большой мощности накачки (30-70 Вт) и спец-
средств для поддержания синхронизма (световода с двойным лучепреломлением, управляемого давле-
нием). Это не позволяет (по крайней мере сегодня) использовать такие усилители в синхронных систе-
мах связи. Ориентировочные значения параметров ВРМБ-усилителей приведены ниже в табл. 10-1.
10.1.4. Оптические усилители на ОВ, легированном РЗЭ
Оптические усилители, использующие в качестве активного материала редкоземельные элементы
РЗЭ (или лантаниды - элементы с 57 по 71 в Периодической таблице Д.И.Менделеева), были известны
достаточно давно [194]. Однако активное исследование этого типа усилителей началось только с конца
80-х годов и активизировалось с появлением высококачественного ОВ и систем WDM.
10.1.4.1. Особенности работы ОУ
Объяснение принципа действия таких усилителей базируется на следующем. В процессе изготов-
ления основной материал (в нашем случае стекло ОВ) легируется (т.е. к нему добавляются) ред-
коземельными металлами, ионы которых создают активную среду для усиления в определенных
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
317
полосах длин волн, соответствующим полосам поглощения легирующего материала. Ионы в этих
полосах длин волн могут быть легко возбуждены (переведены на более высокий энергетический
уровень) излучением лазерной накачки соответствующих длин волн и далее относительно легко
могут (под действием принятого информационного светового сигнала) сбросить возбужденные
электроны на нижний уровень в процессе релаксации.
Этот процесс может не укладываться в двухуровневую модель взаимодействия, принятую
ранее в качестве основной, так как он может проходить как без излучения, так и с излучением фо-
тонов. В первом случае создаются фононы (энергия перехода вызывает акустические колебания
окружающего материала среды). Во-втором, происходит возбуждение фотонов. Причем переход
с возбужденного уровня ионов на уровень релаксации происходит через промежуточный мета-
стабильный уровень, обусловленный верхним уровнем лазерной накачки. То есть, модель взаимо-
действия становится трехуровневой. В любом случае для нормального взаимодействия энергия
падающего фотона в потоке сигнала должна быть равна разности энергий возбужденного уровня и
уровня релаксации.
Для легирования с целью последующего усиления до недавнего времени использовали,
как правило, только три РЗЭ [191]:
- неодим (Nd) и празеодим (Рг) - для усиления сигналов в окне 1300 нм,
- эрбий (Ег) - для усиления сигналов в окне 1550 нм.
В последнее время к ним добавился иттербий (Yb), используемый совместно с Ег для рас-
ширения спектра поглощения в области 700-1100 нм, что позволяет использовать новые более мощ-
ные источники накачки [201]. Спектры поглощения этих металлов позволяют определить длины
волн возможных источников накачки. Ими могут быть известные типы лазеров, генерирующих дли-
ны волн 797 и 1053 нм (например, DPSS-лазер на структуре Nd:YLF (неодим: флюорид иттрий-
лития'), позволяющий увеличить эффективность преобразования накачки до 85%.
10.1.4.2. Усилители для окна 1300 нм
Из указанных первых двух РЗЭ оптический усилитель на ОВ, легированном неодимом ОУЛИ
(NDFA), работает на длине волны порядка 1340 нм и едва ли может быть использован для получе-
ния существенного усиления на рабочей длине волны синхронных систем связи 1310 нм.
Более удачным, в этом плане, можно считать оптический усилитель на ОВ, легирован-
ном празеодимом ОУЛП (PDFA). Основными особенностями усилителей этого диапазона являет-
ся то, что материалом для легирования обычно является флюоритовое, а не кварцевое стекло, а
также низкая эффективность накачки (не выше 4 дБм/мВт). Согласно [191], опытные результаты
дают усиление порядка 34 дБм при мощности насыщения порядка 200 мВт.
10.1.4.3. Усилители для окна 1550 нм
Таким усилителем является оптический усилитель на ОВ, легированном эрбием ОУЛЭ (EDFA).
Этот тип усилителя использует кварцевое стекло в качестве материала для легирования эрбием.
Ионы эрбия имеют пики поглощения в окрестности длин волн 532, 660, 808, 980 и 1480 нм [201].
Из этого следует, что источником накачки могут служить известные типы лазеров с длинами волн
797/800, 980 и 1480 нм. Из них, согласно [191], лазеры на 800 и 980 нм соответствуют трехуровне-
вой модели взаимодействия, а на 1480 нм - двухуровневой модели, причем эффективность исполь-
зования лазера на 800 нм оказывается значительно ниже, чем на 980 нм.
Лазеры на 980 нм используются достаточно широко, учитывая их возможность благодаря
трехуровневой модели взаимодействия реализовать очень низкий уровень шумов (порядка 3-5 дБ).
Однако лазеры на 1480 нм, хотя и являются менее эффективными (70% по сравнению с эффектив-
ностью лазеров на 980 нм), считаются более предпочтительными (как более надежные), позво-
ляющими вместе с тем реализовать достаточно низкий уровень шума (порядка 5 дБ).
318
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
При использовании иттербия в качестве дополнительного легирующего элемента для
ОУ ЛЭ можно воспользоваться лазерными диодами накачки, работающими на длине волны 1053
нм (так называемые DPSS-лазеры). Их использование позволяет получить более мощный источ-
ник накачки, что повышает усиление или увеличивает срок службы при меньших фактически ис-
пользуемых мощностях.
Усилители, согласно [191], легко по-
зволяют реализовать коэффициент усиления
порядка 30-40 дБм, однако в [201] даются
более приземленные цифры для однокас-
кадного ОУ - 18-24 дБм. Фактически же
АВХ EDFA с неравномерностью ±10 дБ
практически перекрывает полосу 1520-1570
нм, имеет максимум усиления (40 дБм при
Рвх= -30 дБм) на длине волны 1532 нм и пла-
то (усиление 30 дБм) в интервале 1540-1550
нм [202, 235], см. рис. 10-6. При этом могут
быть обеспечены мощности насыщения по-
рядка 500 мВт.
Сам факт такой большой широко-
полосное™ (порядка 50 нм) потенциаль-
но позволяет применять их в системах с
HDWDM, однако для этого усиление
должно быть выравнено, по крайней мере
в стандартном диапазоне систем WDM
1530-1565 нм Для получения такой пло-
ской характеристики используются раз-
личные выравнивающие фильтры, сни-
жающие общее усиление до 16-18 дБм
при использовании одного лазера накач-
ки и до 19-22 дБм при двух лазерах на-
качки [202] в зависимости от требуемой
неравномерности (которая может дости-
гать 0,1-2 дБ) и перекрываемого диапазо-
на длин волн.
Другими важными особенностями
EDFA являются: низкая чувствитель-
ность к изменению поляризации сигнала,
а также практически полное отсутствие
переходных помех на выходе усилителя,
вызванных откликами системы на после-
довательность импульсов входного сиг-
нала. Ориентировочные значения пара-
метров ОУ EDFA также приведены в
табл. 10-1.
Рис. 10-6. Амплитудно-волновая характе-
ристика EDFA:
а) зависимость выходной мощности от уровня
входного сигнала;
б) АВХ УСИ при отсутствии входного сигнала;
в) АВХ при одной несущей с уровнем -6 дБм;
г) АВХ при многоканальном входном сигнале.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
319
Таблица 10-1. Параметры оптических усилителей
Параметры ВКР- усилители ВРМБ- усилители Полупровод- ни-ковые ОУ ОУ легирован- ный эрбием Параметриче- ские ОУ
Усиление при малом входном сигнале, дБм >40 >40 15-30 15-40 16
Неравномерность АВХ низкая высокая низкая ±1-10 дБ н.Д.
Эффективность, дБм/мВт 0,08 5,5 28 11 10-4
Выходная мощность 1 Вт 1 мВт >0,1 Вт >0,5 Вт н.Д.
Мощность насыщения н.Д. н.Д. ~12дБм н.Д. н.Д.
Перекрестные помехи незначительны Незначитель- ны значительны незначительны н.Д.
Динамические показатели >20 Гбит/с <100 МГц 20-30 Гбит/с >200 Гбит/с н.Д.
Широкополосность десятки нм <100 МГц 60-100 нм 30-50 нм 5000 ГГц
Коэффициент шума, дБ -3 >15 5-8 3-4 н.Д.
Чувствительность усиле- ния к поляризации значительна отсутствует 0,5-5 дБ <0,1 дБ <3-5 дБ
Вносимые потери, дБ <1 <1 <3-5 <1 н.Д.
10.1.5. Практическая реализация оптических усилителей
В результате проведенного обзора и основываясь на литературных данных, можно сказать, что
только два типа усилителей нашли в настоящее время широкое применение в оптических сетях
связи, это ППОУ и EDFA (ОУЛЭ).
Указанные ОУ по функциональному назначению можно-разбить на четыре группы [235]:
• мощные усилители - МУ (бустеры), устанавливаемые непосредственно за передатчиком; их
особенность в том, что они работают с большим сигналом на входе, обеспечивают максималь-
но допустимое усиление и высокий уровень сигнала на выходе (-10 дБм и выше) и не критичны
к уровню шумов;
• линейные усилители - ЛУ, устанавливаемые на линии в качестве повторителей; их особенность
в том, что они работают с сигналом среднего уровня на входе, обеспечивают необходимый
уровень сигнала на выходе и критичны к уровню шумов, который ограничивает общую длину
регенерационного участка системы;
• предусилители - ПУ, устанавливаемые непосредственно перед приемником; их особенность в
том, что они работают с сигналами очень низкого уровня (от -45 до -30 дБм) и потому очень
критичны к уровню шума усилителя;
• компенсаторы потерь - КП, устанавливаются внутри или на выходе таких устройств, которые
вносят потери, подлежащие компенсации (например, в оптических коммутаторах и маршрути-
заторах); их особенность в том, что они должны быть небольшого размера (для чего больше
подходят ППОУ), от них не требуется очень большого коэффициента усиления и низкого
уровня шумов.
Указанные типы ОУ, их обозначения и положение в схеме оптической системы связи по-
казаны на рис. 10-7.
МУ
ЛУ
ПУ
Рис. 10-7. Типы оптических усилителей мощности
320
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
В свою очередь, ЛУ делятся на ЛУ первого поколения, ЛУ-I, и ЛУ второго поколения, ЛУ-П.
ЛУ-1 может быть однокаскадным или двухкаскадным, но он не имеет дополнительного входа между
каскадами. ЛУ-П - двухкаскадный и имеет такой вход, что дает возможность для его более гибко-
го функционального использования: позволяет осуществлять внутреннюю коммутацию и различ-
ные функциональные преобразования (например, компенсацию УСИ, установку модуля компенса-
ции дисперсии, ввод/вывод одного из усиливаемых каналов в системах WDM и др.). Это дает воз-
можность уменьшить количество или номенклатуру используемого оборудования, а значит, и уп-
ростить возможное решение.
10.1.5.1. Реализация усилителей EDFA
Для начала рассмотрим более подробно простую реализацию EDFA. Ее можно представить в виде
следующей схемы, представленной на рис. 10-8:
1550 нм
Рис. 10-8. Простая однокаскадная схема EDFA
Схема состоит из двухканального волнового мультиплексора WDM (оптического развет-
вителя), к одному каналу которого подключено через оптический фильтр-изолятор ОФИ-1 во-
локно - источник информационного сигнала 1550 нм, к другому - лазерный диод накачки ЛД, ге-
нерирующий сонаправленную волну накачки 980 или 1480 нм. С выхода мультиплексора сигнал
подается в кольцо специального ОВ, легированного эрбием. Длина волокна в кольце 15-20 м.
Усиленный в кольце сигнал 1550 нм является выходным сигналом усилителя, который снова по-
дается в волокно через оптический изолятор ОФИ-2. Дополнительные оптические фильтры-
изоляторы на обоих концах легированного ОВ ставятся для предотвращения распространения
света в обратном направлении, которое может привести к осцилляции излучения лазера.
Практические ОУ имеют некоторые особенности, которые не видны из этой схемы [202,235]:
- легированное ОВ имеет меньший диаметр сердечника (порядка 2 мкм), чем стандартное ОМ
ОВ, для увеличения плотности пучка благодаря сужению на переходе из стандартного в леги-
рованное ОВ, что позволяет увеличить эффективность процессов возбуждения и усиления;
- допускается большое затухание легированного ОВ (порядка 10 дБ/км), вызванное значитель-
ной концентрацией примеси;
- используется как сонаправленное, так и противонаправленное включение пучка накачки, по-
следнее позволяет примерно на 2 дБ увеличить усиление (при этом примерно на 1 дБ увеличи-
вается шум);
- для получения более устойчивой работы лазера накачки (отсутствие осцилляций) используются
специальные фильтры-стабилизаторы на основе, например, оптоволоконной решетки Брэгга*-,
- для получения более широкой полосы усиления и уменьшения неравномерности коэффициента
усиления (создания "плоской" волновой характеристики") в них используются специальные
выравнивающие устройства, например оптоволоконные решетки Брэгга-,
для увеличения усиления наряду с однокаскадными ОУ с одним лазером накачки разрабаты-
ваются и выпускаются ОУ с двумя лазерами накачки (которые теоретически можно рассмат-
ривать как двухкаскадные при наличии двойного комплекта основных блоков), а также двух-
каскадные усилители с дополнительным выходом/входом между каскадами.
Глава 10 Функциональные элементы оптических сетей 321
Блок-схема практического EDFA с двумя лазерами накачки приведена на рис. 10-9.
1550 нм
1550 нм
Рис. 10-9. Блок-схема EDFA с двумя лазерами накачки
Входной сигнал 1550 нм из сигнального ОВ проходит через входной оптический фильтр-
изолятор ОФИ и первую оптоволоконную решетку Брегга с коротким периодом РБКП-1 (фиксатор
уровня усиления), поступая на один из входов первого мультиплексора WDM-1. На его второй вход пода-
ется сонаправленная волна накачки 980 нм от первого лазерного диода ЛД-1 (мощностью 100 мВт). С вы-
хода WDM-1 смешанный сигнал поступает в первое кольцо ОВ, легированного эрбием ОВЛЭ-1 (длиной
10 м). Усиленный 1550 нм сигнал с выхода первого кольца через решетку Брегга с длинным периодом
РБДП (выравниватель АВХ) поступает на один из входов второго мультиплексора WDM-2. На его второй
вход подается вторая сонаправленная волна накачки 980 нм от лазерного диода ЛД-2 (мощностью 120
мВт). С выхода WDM-2 смешанный сигнал поступает во второе кольцо ОВ, легированного эрбием
ОВЛЭ-2 (длиной 20 м). Усиленный сигнал 1550 нм с выхода второго кольца через вторую решетку Брегга
с коротким периодом РБКП-2 (фиксатор уровня усиления) поступает через выходной оптический фильтр-
изолятор ОФИ на выход усилителя. Здесь РБКП используются в качестве буферного звена, исключающе-
го изменение (зависимость) коэффициента усиления ОУ при изменении уровня мощности входного сиг-
нала, а РБДП играет роль звена, выравнивающего усиление в полосе пропускания ОУ.
10.1.6. Схемы и параметры промышленных оптических усилителей
Оптические усилители выпускаются многими фирмами, как теми, которые выпускают аппаратуру
SDH (например, Alcatel, Lucent Technologies) и WDM (Ciena, Pirelli), так и специализированными
фирмами (например, Philips, HP, IRE-Polus). На рис. 10-10 приведена блок-схема промышленного
EDFA с двумя лазерами накачки типа 1713 компании Lucent Technologies.
Рис. 10-10. Блок-схема промышленного EDFA с двумя лазерами накачки
21-48
322
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Отличительной особенностью промышленных схем является использование микропроцес-
сорных контроллеров, позволяющих с помощью оптических ответвителей и схем мониторинга кот-
ролировать уровни входной, выходной и отраженной от выхода мощности оптического сигнала, а
также управлять основными параметрами усилителя, в том числе и температурой лазерных ИС.
Особенностью данного усилителя (рис. 10-10) является использование двух лазеров накач-
ки, работающих на одно и то же волокно. Один лазер работает в сонаправленном, а другой - в
противонаправленном режиме накачки на длине волны 1480 нм. В схеме используются три ОФИ,
из которых ОФИ-1 и ОФИ-2 предохраняют усилительную среду (ОВ) от воздействия отраженных
от входа и выхода оптических сигналов, а ОФИ-1 и ОФИ-3 - от взаимовлияния двух лазеров на-
качки. Параметры усилителя (среди других) приведены в табл. 10-2, а характер изменения его
ключевых параметров показан на рис. 10-2 (зависимость коэффициента усиления от выходной
мощности) и рис. 10-6,а (зависимость выходной мощности от уровня входного сигнала) [235]. По
виду выходного спектра УСИ в отсутствие сигнала (рис. 10-6,6) можно судить о широкополосно-
сти усилителя и степени неравномерности характеристики усилителя, а при наличие сигнала (рис.
10-6,в) видно, как меняется спектр УСИ (коэффициент усиления составляет примерно 34 дБм).
Промышленные усилители, как правило, выполняются в виде интегрированного блока, ус-
тановленного на внешней интегрирующей плате, содержащей свернутую в кольцо бухту легиро-
ванного ОВ, МП и заказные СБИС, используемые для обработки сигнальной информации. К та-
ким СБИС относится и контроллер, позволяющий управлять конфигурацией параметров. Доступ к
контроллеру осуществляется обычно с помощью ASCII-терминала или ПК через асинхронный по-
следовательный порт на скорости 9600 бит/с, что позволяет контролировать уровни входа и выхо-
да усилителя.
Ниже в табл. 10-2 приведены для примера основные параметры ОУ трех компаний-
производителей.
Таблица 10-2. Основные параметры оптических усилителей типа EDFA
Основные параметры [234,235,236,260] Lucent 1712 Lucent 1713 Alcatel 1664 Ciena IRE-Polus EAU-200
1 Диапазон скоростей модулирующего сигнала, Гбит/с 2,5-10,0 2,5-10,0 0,6-2,5 0,05-10 н.Д.
2 Диапазон усиливаемых длин волн, нм 1530-1560 1535-1565 1530-1565 1540-1560 1530-1570
3 Полоса усиления УСИ, нм 35 35 н.Д. н.Д. н.Д.
4 Неравномерность АВХ, дБ н.Д. н.Д. н.Д. ±1 н.Д.
5 Диапазон усиливаемых сигналов, дБм н.Д. н.Д. н.Д. -30 - +0 н.Д.
6 Диапазон усиливаемых вход-ных сигналов в режиме бустера, дБм >-6,0 >-6,0 -6,0-+4,0 Н.Д. н.Д.
7 Выходная мощность в режиме бустера, дБм 12, 14, 16 12,14,16 10, 13,15 14, 17 н.Д.
8 Мощность насыщения, дБм н.Д. 10,75 н.Д. н.Д. 23
9 Коэффициент малосигнального усиления, дБ 33, 30, 38 30, 35 н.Д. 35 42
10 Чувствительность в режиме линейного усилителя, дБм н.Д. н.Д. -29 н.Д. н.Д.
11 Чувствительность в режиме предусилителя, дБм -30 -30 -37 -30 н.Д.
12 Поляризационная чувствительность, дБ 0,2-0,5 0,2-0,5 н.Д. н.Д. 0,2
13 Волновая чувствительность, дБ <1,5 0,6-1,5 н.Д. н.Д. н.Д.
14 Температурная чувствительность, дБ 0,4-1,0 0,4-1,0 н.Д. н.Д. н.Д.
15 Коэффициент шума, дБ <5; 7; 5 <8,5 н.Д. <5 5,5-6,0
16 Длина волны накачки, нм 980 (1-2) 1480(1-2) н.Д. 980 965
17 Диапазон рабочих темпе-ратур, °C 0-+65 0-+65 н.Д. н.Д. -30 - +65
Некоторые из этих параметров нуждаются в комментариях (ссылки даны по номеру пара-
метра).
1 - рекомендуемый диапазон, фактически может быть расширен в сторону коротких длин волн;
3 - ширина АВХ в отсутствие сигнала; згН
6 - приведены значения для трех модификаций указанного усилителя;
Г лава 10 Функциональные элементы оптических сетей 313
“ - приведенное значение для ОУ 1713 показывает различие между 5 (1-я опция) и 6 параметрами;
- - приведены значения для трех модификаций указанного усилителя;
1 - относительный параметр вида ЛРо(Лр), где ЛРо - изменение максимальной выходной мощно-
ги в диапазоне Др - диапазоне возможного изменения поляризации сигнала;
12 - относительный параметр вида АРо(АХ), где АР0 - изменение максимальной выходной мощно-
сти в диапазоне АХ. - диапазоне усиливаемых длин волн;
13 - относительный параметр вида АРо(АХ), где АРо - изменение максимальной выходной мощно-
сти в диапазоне АТ - рабочем температурном диапазоне;
14 - через приведены значения для трех модификаций указанного усилителя или через диа-
пазон его изменения;
15 - в скобках указано количество лазеров накачки, использующих данную длину волны.
Разные производители могут указывать различные наборы параметров в спецификациях
ОУ, что видно из табл. 10-2, указывая те требования, которые должны соблюдаться при их изме-
рении. Сопоставление параметров будут правомерны, строго говоря только при идентичности ус-
ловий их измерения.
10.1.7. Разработка сверхширокополосных оптических усилителей
Рассмотренные выше ОУ оптимизируются, как правило, под третье окно прозрачности и в той или
иной мере отвечают возросшим требованиям на ширину полосы и допустимую неравномерность
АВХ со стороны систем с WDM. Если первоначально стандартная ширина этого окна прозрачно-
сти принималась равной 30 нм (1530-1560 нм), то потом она была расширена до 35 нм, а сейчас, в
связи с появлением стандарта на "канальный план" систем с WDM, использующих разнос по час-
тоте 100 ГГц (см. ниже), стандартной считается ширина окна 40,8 нм, или 5,1 ТГц.
Наличие горба АВХ на длине волны порядка 1534 нм в усилителях EDFA с невыравнен-
ной АВХ приводило к тому, что полоса 1530-1542 нм не использовалась в системах с WDM, что
привело к более интенсивному использованию длинноволнового поддиапазона (L band, см. ниже)
1545-1560 нм в обычной полосе C-Band. Однако появление стандартного канального плана для
DWDM стимулировало увеличение числа каналов с разносом 100 ГГц до 32-40 и ускорило созда-
ние двухкаскадных ОУ с АВХ, выравненной во всей полосе 3-го окна шириной 40,8 нм, позво-
ляющей максимально разместить 51 канал.
Успехи в технологии высокоплотного мультиплексирования HDWDM, основанные на исполь-
зовании новых технологий: 3-D Optics WDM, CG, FAG [204], AWG [253, 260] (см. ниже), позволяю-
щих, потенциально создавать до 131 канала с разрешением не хуже 0,5 нм [204], поставили разработ-
чиков ОУ перед необходимостью существенно расширить полосу пропускания ОУ. Рассмотрим одно
из возможных решений этой проблемы, предложиеных специалистами Bell Labs [250].
Было предложено удвоить полосу усиления с 5,1 ТГц до 10,2 ТГц за счет использования
двухканальной схемы усиления, где полоса пропускания каждого из каналов составляет те же 5,1
ТГц. Первый канал, названный C-Band (обычная полоса), имеет (на уровне -ЗдБ) те же частоты
среза, что и обычный ОУ: 191,0 и 196,1 ТГц. Второй канал, названный L-Band (нижняя полоса),
смещен по частоте на 5,1 ТГц в сторону нижних частот и имеет частоты среза 185,9 и 191,0 Гц.
Сложенная вместе полоса этого сверхширокополосного усилителя СШПУ (UWBA) равна 10,2
ТГц или 84,3 нм (40,8+43,5нм) и позволяет разместить 102 канала с шагом 100 ГГц или 204 канала
с шагом 50 ГГц.
Схема этого усилителя приведена на рис. 10-11. Она интересна, кроме указанных характе-
ристик, своим схемотехническим решением и демонстрирует возросшую сложность оптической
схемотехники. Сема составлена из шести секций. Первая секция представляет собой входной ши-
рокополосный каскад предварительного усиления EDFA с фильтром-изолятором и одним лазером
накачки, выход которого подается на вторую секцию, играющую роль демультиплексора, разде-
ляющего входной поток на два канала. Для этого входной поток подается на первый порт цирку-
лятора*, транслирующего его на вход второго порта, связанный с дифракционной решеткой*,
21*
324
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
пропускающей нижние частоты на вход второго канала L-Band (нижняя часть схемы) и отражаю-
щей верхние частоты на выход второго порта циркулятора, транслирующий его на вход третьего
порта, связанный с первым каналом C-Band (верхняя часть схемы). Третья секция (одинаковая в
обоих каналах) служит для компенсации дисперсии в обоих каналах и представляет собой одно-
каскадный усилитель с фильтром-изолятором и отрезком волокна, компенсирующего дисперсию
на выходе. Четвертая секция служит в качестве выравнивающего фильтра и регулятора коэффи-
циента усиления и представляет еще один каскад усиления с фильтром-изолятором, выравниваю-
щим фильтром и аттенюатером на выходе. Пятая секция служит собственно оконечным усили-
телем мощности. Их схемы разные для первого и второго каналов. Для первого канала (C-Band)
это - однокаскадный усилитель с тремя лазерами накачки (двух сонаправленных и одного проти-
вонаправленного). Для второго канала (L-Band) это - трехкаскадный усилитель с сонаправленной
накачкой. Шестая секция представляет собой мультиплексор, реализованный (как и демультип-
лексор) на циркуляторе и дифракционной решетке и осуществляющем объединение двух полос
усиления в одну.
Вход Демуль-
Компенсатор Выравнивающий фильтр Оконечный усилитель мощности Мульти-
типлексор дисперсии (ВФ) и регулятор коэф-
плексор
Q ОВЛЕ
CS Аттенюатор EEJ ОФИ
И ВФ
ЛД-1480нм у~ ЛД-980нм
□Ш Дифракционная В Компенсатор Циркулятор
решётка S дисперсии
Рис. 10-11. Схема сверхширокополосного двухканального оптического усилителя
Г лава 10
Функциональные элементы оптических сетей
325
10.2. Оптические кросс-коммутаторы
Несмотря на существенные успехи в развитии технологии оптических сетей, связанные с развити-
ем WDM, коммутация каналов, оборудования и данных (пакетов, фреймов, кадров, ячеек) до по-
следнего времени осуществлялась электронными коммутирующими устройствами - маршрути-
заторами и кросс-коммутаторами. Это объяснялось рядом особенностей, присущих электрон-
ным коммутаторам, и прежде всего их функциональной гибкостью и универсальностью.
Все коммутаторы отличаются двумя важнейшими показателями: скоростью переключе-
ния и емкостью - числом коммутируемых каналов или коммутируемых стандартных модулей
(например, STM-1).
В иерархии скоростей переключения в оптических сетях различают обычно четыре уровня
скоростей переключения [303]:
низкие - время переключения порядка 10’3 с, т.е. миллисекунды,
средние - время переключения порядка 10'6 с, т.е. микросекунды',
высокие - время переключения порядка 10'9 с, т.е. наносекунды',
очень высокие - время переключения порядка 10’12 с, т.е. пикосекунды.
Низкие скорости переключения достаточны для осуществления операций автоматической
конфигурации-реконфигурации оборудования (например, оптическое байпасное переключение -
ОБП (OBS) для обхода выключенного или вышедшего из строя блока) или обновления таблиц
маршрутизации. Емкости коммутаторов при этом для большой сети требуются значительные.
Средние скорости достаточны для осуществления защитного переключения колец или
альтернативных маршрутов в сетях, коммутирующего сетевой трафик из одного волокна в другое.
Емкость коммутатора 2x2 оказывается здесь достаточной.
Высокие скорости требуются для коммутации потоков данных. Время переключения должно
быть существенно меньше времени прохождения обрабатываемого пакета (которое, например, для 53
байтной ячейки ATM составляет 42 нс при скорости потока 10 Гбит/с), т.е. наносекунды.
Очень высокие скорости требуются для внешней модуляции светового потока потоком бит
данных. Время переключения должны быть по крайней мере на порядок меньше длительности
одного битового интервала, составляющей для потока 10 Гбит/с 100 пс.
Что касается емкости, то оптический коммутатор 16x16 считается большим, хотя не идет
ни в какое сравнение с электронными коммутаторами емкостью 2048x2048 каналов.
К другим показателям, характеризующим работу коммутаторов, относятся следующие.
• Коэффициент ослабления коммутируемого сигнала на выходе в режиме "выключено" по
сравнению с режимом "включено" (может изменяться от 40-50 дБ до 10-15 дБ в зависимости от
типа коммутатора). Этот показатель должен быть как можно больше.
• Вносимые коммутатором потери - вызываемое коммутатором ослабление сигнала, которое
должно быть как можно меньше.
• Переходное затухание коммутатора - отношение мощности сигнала на нужном (скоммути-
рованном) выходе к мощности сигналов на всех остальных выходах. Этот показатель должен
быть как можно больше.
• Поляризационные потери коммутатора (PDL) - ослабление коммутируемого сигнала, вы-
званное его поляризацией. Уровень этих потерь зависит от места коммутатора в системе связи
и должен быть как можно меньше. Для их снижения на входе коммутатора может быть исполь-
зовано специальное волокно, препятствующее возникновению поляризации сигнала.
10.2.1. Типы базовых оптических кросс-коммутаторов
Существуют несколько технологий, используемых для создания оптических коммутаторов. В со-
ответствии с ними можно выделить следующие типы оптических коммутаторов:
механические оптические коммутаторы,
электрооптические коммутаторы',
326
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
термооптические коммутаторы;
оптоэлектронные коммутаторы на основе ППОУ;
интегральные активно-волноводные коммутаторы;
коммутаторы на фотонных кристаллах;
коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах.
коммутаторы на ИС с набором матриц оптоэлектронных вентилей, связанных при взаимо-
действии оптическим лучом
10.2.1.1. Механические оптические коммутаторы
Механические оптические коммутаторы - МОК (MS) используют механическое перемещение
элемента, коммутирующего световой поток от входных оптических портов к выходным, к кото-
рым подключены ОВ. Таким коммутирующим элементом может быть [260, 298, 299]:
Рис. 10-12. Вариант механического опти-
ческого переключателя
вращающийся отрезок оптического волновода, поворачиваемый на определенный фиксиро-
ванный угол для соединения входного порта с i-м выходным портом или пары входных пор-
тов с i-й парой выходных портов (порты расположены по окружности);
вращающаяся призма или зеркало (плоское
или сферическое вогнутое), поворачивае-
мое на определенный фиксированный угол
и коммутирующее отраженный луч (по-
сланный как падающий от входного порта)
на выходной порт (см. рис. 10-12);
направленные звездообразные/древовидные
разветвители*, позволяющие фокусиро-
вать световой поток на одном из выходных
портов за счет изменения коэффициента
связи, осуществляемого путем механиче-
ского воздействия на разветвитель в зоне
оптической связи (например, его скручи-
ванием или растяжением).
МОК имеют один или два (дуплексные) входных и п выходных портов, время переключе-
ния от 10 до 500 мс и, следовательно, могут использоваться только для автоматической реконфи-
гурации сети. Их достоинство - небольшие вносимые потери (минимально до 0,5 дБ) и большое
переходное затухание (до -80 дБ). Емкость таких коммутаторов может достигать сотен выходных
портов (например, коммутаторы FS-S, FS-M, FS-L компании Fujikura перекрывают диапазон вы-
ходных портов от 50 до 1600), однако число входных портов ограничено, как правило, одной па-
рой, что и определяет специфику их использования. Хотя эти типы коммутаторов наиболее прора-
ботаны, их использование в системах оптической коммутации большой размерности пхп пробле-
матично не только с точки зрения числа входов, но и с точки зрения управления процессом ком-
мутации. Параметры коммутаторов приведены в табл. 10-3 [260, 299].
10.2.1.2. Электрооптические коммутаторы
Электрооптические коммутаторы - ЭОК (EOS) также используют направленные разветвители
для фокусировки светового потока на одном из выходных портов за счет изменения коэффициента
связи. Однако оно осуществляется путем изменения коэффициента преломления материала раз-
ветвителя в зоне оптической связи. На рис. 10-13 приведена схема такого коммутатора, оптиче-
ские волноводы которого изготовлены из ниобата лития (LiNbC^). Эффект коммутации достигает-
ся за счет изменения коэффициента преломления материала под действием напряжения, прикла-
дываемого к двум электродам в зоне оптической связи.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
327
Рис. 10-13. Схема электрооптического коммутатора 2x2
ЭОК обладают исключительно высокой скоростью переключания (порядка 10-100 пс), ог-
раничиваемой паразитной емкостью конфигурации электродов, и могут использоваться для реали-
зации очень высоких скоростей переключения, требуемых для внешних модуляторов. Емкость
этих типов коммутаторов мала (2x2), хотя и может быть увеличена путем интеграции нескольких
таких коммутаторов на одной подложке. Кроме того, они имеют относительно высокие вносимые
и поляризационные потери (см. табл. 10-3).
10.2.1.3. Термооптические коммутаторы
В этих типах коммутаторов используется явление изменения коэффициента преломления под дей-
ствием температуры. В качестве коммутирующего устройства при этом используется интерфе-
рометр Маха-Цендера* - ИМЦ (MZI), материал волноводов которого под действием температу-
ры изменяет эффективный коэффициент преломления п}ф, а, следовательно, и /3 - постоянную
распространения моды (так как Р=2лп)ф/Л). Это, в свою очередь, ведет к изменению разности фаз
между двумя плечами интерферометра (см. рис. Ю-!4,а), вызывающему эффект коммутации
входного сигнала с одного выхода на другой. Базовыми здесь являются коммутирующие элемен-
ты размера 2x2, которые при определенном каскадировании позволяют сформировать коммутато-
ры емкостью 8x8. Обозначение такого базового элемента (БЭ) приведено на рис. 10-14,6.
Рис. 10-14. Схема термооптического коммутатора 2x2:
а) схема интерферометра Маха-Цендера, б) обозначение БЭ
Основой БЭ является MZI, построенный из двух последовательно включенных направлен-
ных разветвителей (3 дБ), связанных между собой двумя оптическими волноводами различной
длины, для создания разности фаз ЛЬ (см. рис. 10-14,а). Учитывая, что каждый направленный раз-
ветвитель создает на выходах разность фаз л/2, получаем разность фаз на выходах БЭ лЛрЛЬ (вы-
ход 1) и РЛЬ (выход 2). Выбирая ЛЬ так, что рЛЬ=кл, получаем разность фаз между выходами,
равную я, т.е. сигнал со входа 1 попадает на выход 1, если для него равенство /ЗЛЬ=кя соответст-
вует к нечетному, и на вход 2, если это равенство соответствует к четному. Локальный дозирован-
ный импульсный нагрев элемента, изменяющий левую часть равенства, эквивалентен изменению
четности к, т.е. приводит к факту коммутации сигнала с одного выхода на другой.
328
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Термическая природа этих устройств делает их достаточно инерционными (см. табл. 10-3),
кроме того, они обладают большими вносимыми потерями и малым переходным затуханием. По-
следнее может быть улучшено, если подложки устройств коммутатора будут выполнены не из
кварцевого стекла, а из специальных полимеров.
10.2.1.4. Оптоэлектронные коммутаторы на основе ППОУ
Для оптической коммутации можно использовать и полупроводниковые оптические усилители -
ППОУ, если в качестве параметра, управляющего механизмом коммутации, использовать напря-
жение смещения. Если существенно уменьшить это напряжение, то инверсии населенности дос-
тичь не удастся и произойдет поглощение входного сигнала усилителем, моделирующее состоя-
ние "выключено". Напротив, если при увеличении напряжения восстанавливается нормальное
усиление сигнала, усилитель моделирует состояние "включено". Таким образом, сочетание нор-
мального усиления с отсечкой сигнала, то есть моделирование ключевого режима работы устрой-
ства, делает возможным использовать ППОУ (как и его электронный аналог) в качестве оптиче-
ского, точнее, оптоэлектронного коммутатора.
Параметры такого коммутатора также приведены в табл. 10-3. Он обладает достаточно вы-
соким быстродействием (1 нс) и может (при интегрировании с пассивными оптическими компо-
нентами - разветвителями) использоваться для построения коммутаторов большой емкости, одна-
ко высокая стоимость ППОУ (в его макрореализации как отдельного компонента) делает это ре-
шение неконкурентным по сравнению, например, с электрооптическими коммутаторами, имею-
щими сопоставимые по быстродействию характеристики. Однако использование интегральных
технологий в направлении совместной интегральной реализации пассивных (разветвители) и ак-
тивных (усилители) компонентов может привести к конкурентным по ценам решениям, как пока-
зывает нижеследующий тип коммутатора.
10.2.1.5. Интегральные активно-волноводные коммутаторы
Разработка интегральных активно-волноводных коммутаторов/переключателей - АВК (AWS -
Active-Waveguide Switch [303]) - явилась логическим следствием развития идей создания опто-
электронных коммутаторов на основе полупроводниковых ОУ. Результатом стало интегрирова-
ние в единую оптоэлектронную интегральную схему (ОЭИС) полупроводниковых ОУ и оптиче-
ских волноводных устройств, связывающих отдельные элементы системы в единый узел коммута-
тора, соответствующий выбранной для него топологической схеме.
ОЭИС представляет собой многослойную монолитную ИС, в структуре которой сформи-
рованы: оптический волновод, ОУ, лазер, оптический модулятор (ОМ), детектор, приемник и пе-
редатчик. Основой ОЭИС является активно-волноводная гетероструктура с выделенным "вол-
новодным" слоем, имеющим с точки зрения оптики ступенчатый профиль показателя преломле-
ния (SISCH - Step-Index Separate-Confinement Heterostructure), а с точки зрения структуры зонных
энергетических уровней - квантовые потенциальные ямы* - КИЯ (QW - Quantum Well), которые
могут служить ловушками для носителей заряда (см. рис. 10-15) [303]. Волноводный слой получен
эпитаксиальным выращиванием слоя InGaAsP между двумя слоями InP (p-типа сверху и и-типа
снизу, формирующими р-п переход). Меньшая ширина запрещенной зоны в таком слое вызывает
приток в него дырок и электронов, "оседающих" в КПЯ. В результате создается избыток носите-
лей, которые могут рекомбинировать под действием оптического сигнала, распространяющегося
по волноводу, создавая условия для оптического усиления сигнала в полосе примерно 60 нм с
центральной частотой 1550 нм. Такая структура называется активно-волноводной, позволяющей
осуществить ряд функций по обработке сигнала путем изменения ее конфигурации и условий
функционирования.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
329
p'hnGaAs
Рис. 10-15. Схема активно-волноводной гетероструктуры с р-п переходом
При наличии на таком р-п переходе обратного смещения тока через переход нет. КПЯ ад-
сорбируют (поглощают) фотоны, и устройство работает как оптический аттенюатор. При уме-
ренном токе через переход этот волновод работает как оптический проводник без потерь. При
больших токах через переход волновод становится оптическим усилителем с коэффициентом
усиления порядка 18 дБ/мм на длине волны 1550 нм. Используя внешнее управление током через
переход (через контакт наверху "гребня" гетероструктуры), можно модулировать световой поток
в волноводе сигналом управления. С другой стороны, используя тот же контакт, можно детекти-
ровать фототок, генерируемый в волноводе. И наконец, путем формирования отражающих гра-
ней на краях этого гребня, гетероструктура становится лазером, а значит, и источником сигнала.
Изменение направления оптического сигнала в волноводе на перпендикулярное, требуе-
мое для формирования оптической схемы коммутатора, можно получить за счет использования
явления полного внутреннего отражения - ПВО сигнала от граней, вытравленных в гетерострук-
туре в месте стыка волноводов. Угол ПВО в 90° можно получить, учитывая большой коэффициент
преломления слоя InGaAsP (~3,5).
Одна из наиболее удачных для оптических коммутаторов схем матричного коммутатора,
используемого в схеме БЭ размера 2x2 такого АВК на основе активно-волноводной структуры
приведена на рис. 10-16 [303].
Порт С оптического луча Порт D
,-ЖЛ.
Рис. 10-16. Схема базового элемента 2x2 активно-волноводного коммутатора
330 Функциональные элементы оптических сетей Глава 10
Схема имеет четыре порта входа/выхода А, В, С, D, связанных между собой сетью оптиче-
ских ортогонально состыкованных отрезков волноводов с зеркальными гранями ПВО, вытравлен-
ных в местах стыка. Входные и выходные (вертикальные на рисунке) отрезки волноводов упира-
ются одним из своих концов в отражательные трехгранные призмы (грани которых также вы-
травлены в указанной структуре), формируя вместе с двумя "плечами" (горизонтальными отрез-
ками волноводов) Т-образные расщепители оптического луча. Функции коммутирующих элемен-
тов играют электроабсорбционные ключи, сформированные внутри гребня гетероструктуры. Схе-
ма показана в положении, когда два левых ключа включены (свет проходит со входа А на выходы
С и D), а два правых ключа выключены.
Объединяя четыре таких БЭ, можно создать образцы АВК размера 4x4. Согласно [303],
такие АВК формируются в виде ОЭИС размером 2x3 мм с 5-мк оптическими волноводами и со-
держат 16 коммутирующих ключей. Для обеспечения одинаковых коэффициентов усиления и от-
ношений сигнал/шум коммутатор имеет одинаковую длину волноводов между всеми возможными
портами входа/выхода. При ширине полосы устройства 10 нм его базовые блоки могут быть ис-
пользованы для создания неблокирующего матричного коммутатора емкостью 1024x1024. Основ-
ные характеристики БЭ приведены в табл. 10-3.
10.2.1.6. Коммутаторы на фотонных кристаллах
Одной из основных проблем оптических активно-волноводных коммутаторов является изменение
направления распространения оптического луча на перпендикулярное (т.е. под углом 90°). Для
этой цели в них использованы интегральные аналоги оптических угловых призм. Для решения
этой же задачи с успехом могут быть использованы фотонные кристаллы [304].
Фотонные кристаллы (ФК) - периодические диэлектрические структуры, имеющие за-
прещенную зону, которая препятствует распространению света определенного частотного диапа-
зона. Создавая точечные или линейные дефекты (или физически резонансные полости - РП, или
внутренние каналы) в таком кристалле, можно осуществить “туннельную” проводку оптической
несущей через запрещенную зону (используя туннельный эффект) и коммутацию несущей из од-
ного внутреннего канала в другой. Как показывает анализ [316], используя ФК, можно решить три
важные для оптических систем проблемы:
создать (внутри их трехмерной структуры) волноводы, позволяющие осуществить (практически
без потерь мощности) передачу оптического луча с поворотом оси распространения на 90°;
осуществить пересечение двух оптических волноводов в одной плоскости с пренебрежимо ма-
лым уровнем переходных помех;
выделить (отфильтровать) один или несколько каналов (несущих), перенаправив их по другим
адресам.
Решение первой проблемы можно с успехом использовать при модернизации схемы ак-
тивно-волноводного коммутатора путем использования фотонной (а не оптоэлектронной) инте-
гральной схемы (ФИС) на ФК (вместо призм) для поворота оптической несущей. Решение второй
проблемы позволяет исключить взаимодействие световых потоков при пересечении и решить
проблему пересекаемости при использовании планарных волноводных решений (см. ниже). Нако-
нец, решение третьей проблемы позволяет напрямую использовать ФК как элемент или базовый
блок оптического коммутатора. На рис. 10-17 приведена гипотетическая схема такого блока, как
логическое расширение автором схемы фильтра канала вывода - ФКВ (CDF - channel drop filter),
предложенных в литературе по ФК [315].
Схема состоит из трех оптических волноводов - шин: общей шины (bus) в центре и шин
вывода (drop) с обеих сторон, связанных между собой оптической резонаторной системой - ОРС
(по 2 или 4 резонансных полости - РП с каждой стороны). Схема работает следующим образом.
Оптическая волна, распространяющаяся в общей шине в прямом направлении, возбуждает в РП
определенные моды колебаний, которые в результате взаимодействия переходят из РП в шины
вывода, распространяясь в прямом или обратном направлении (формируя понятия: вывод, в пря-
мом направлении и вывод в обратном направлении).
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
Выводе
обратном
направлении
Выводе
прямом
направлении
Стержни фотонного кристалла
Рис. 10-17. Гипотетическая схема базового элемента 2x2 на фотонных кристаллах
Конструкция ОРС определяет параметры фильтров (например, число мод) и эффектив-
ность передачи энергии несущей из общей шины в шины вывода при фильтрации, зависящую от
потерь фильтра. Для большей эффективности при использовании одной РП на несущую она на-
страивается на одномодовый режим, при двух - используются две зеркально симметричные (чет-
ные и нечетные) моды одной частоты. Настраивая РП шин вывода на разные несущие, можно вы-
водить входные несущие на ту или иную шину выхода, то есть, осуществляя режим коммутации
каналов (несущих). Если на вход схемы подаются две несущие, она реализует БЭ размера 2x2, ко-
торый может каскадироваться для формирования схем размера пхп. Проблемным остается управ-
ление перестройкой РП в процессе коммутации.
10.2.1.7. Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах
Этот тип коммутаторов использует способность жидких кристаллов (ЖК) становиться прозрач-
ными (или светопроводящими) или непрозрачными под действием приложенного управляющего
напряжения, широко используемую в ЖК-матрицах плоских мониторов.
При построении оптического коммутатора реализуется следующая технология [317]. На
подложку, покрытую электропроводящим слоем (общим электродом) и поверх него светоотра-
жающим слоем, наносится световодный ЖК-слой (СЖК-слой), на который наносится второй све-
тоотражающий слой и поверх него - слой управляющих электродов. Подавая напряжение на
управляющие электроды, в СЖК можно формировать прозрачные и непрозрачные зоны, причем
непрозрачные зоны могут быть светоотражающим (это зависит от материала СЖК). Выбирая не-
обходимую топологию управляющих электродов, можно формировать в СЖК-слое плоско-
пространственные оптические каналы передачи, составленные из линейных отрезков. При разви-
той системе управления электродами можно менять топологию каналов, и менять их состояние:
открывать и закрывать (создавая в них прозрачные и непрозрачные зоны), имитируя таким обра-
зом работу обычного, например матричного, коммутатора.
Используя несколько слоев, разделенных дополнительным (непрозрачным в обычном со-
стоянии) СЖК-слоем, в которых сформированы межслойные (вертикальные) переходы на управ-
ляемых дифракционных решетках с фокусирующими системами, можно сформировать много-
332
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
слойный СЖК-куб, существенно увеличивающий возможности плоского матричного коммутато-
ра. Схема матричного коммутатора такого типа приведена на рис. 10-18. В отличие от предыду-
щих технологий многослойные световодные ЖК-матрицы сразу позволяют создавать многопорто-
вые коммутаторы, минуя стадию базового элемента размера 2x2, хотя и за счет сложной системы
электрического управления процессом коммутации.
Рис. 10-18. Оптический полномасштабный коммутатор на световодных ЖК-матрицах
10.2.1.8. Коммутаторы на матрицах оптоэлектронных вентилей, коммутируемых лазерным лучом
Этот тип коммутаторов использует так называемую интеллектуальную глобальную (N4) техноло-
гию взаимодействия с помощью оптического луча, распространяющегося в свободном простран-
стве [318]. В этой технологии используются модули, состоящие из трех-пяти фиксированных
пространственно разнесенных плоско-параллельных матриц (массивов), взаимодействие между
элементами которых осуществляется с помощью оптического (лазерного) луча (см. рис. 10-19).
Рис. 10-19. Схема использования матриц оптоэлектронных вентилей,
коммутируемых лазерным лучом
Элементами входной (слева) матрицы размера 8x8 являются лазеры с вертикальной резона-
торной полостью и поверхностной эмиссией (VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser), излу-
чающие лучи на элементы матрицы (в середине) размера 8x8, в качестве которых используются со-
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
333
ставные элементы дифракционного оптического взаимодействия (DOIE - Diffractive Optical
Interconnect Element). Эти элементы (в соответствии с хранящимися в них коммутационными шаб-
лонами), в свою очередь, направляют (маршрутизируют) лазерные лучи на один или несколько ин-
теллектуальных элементов выходной (правой) матрицы размера 8x8, которые играют роль детекто-
ра, приемника и лазерного драйвера и изготавливаются по кремниевой МОП технологии.
Используя указанный набор матриц, можно коммутировать с помощью лазерного луча по-
ток любого элемента входной матрицы либо на любой из п2 элементов выходной матрицы (моде-
лируя соединение точка-точка), либо на несколько таких элементов (моделируя соединение точка-
многоточка, или функцию вещания, причем число одновременно соединяемых точек зависит от
мощности лазера и порога срабатывания детектора). Интеллектуальность элементов выходной
матрицы, называемых элементами DANE (Detect, Amplify, Negate, Emit), определяется тем, что
они выполняют четыре функции: детектируют принимаемый сигнал (Detect), усиливают его
(Amplify), инвертируют усиленные импульсы, выполняя функцию NOR (ИЛИ с отрицанием) со-
вместно с пороговым элементом детектора (Negate), и возбуждают эмиссию лазера VCSEL (Emit),
выходной сигнал которого в соответствии с теоремой DeMorgan дает на выходе сигнал, эквива-
лентный преобразованию “AND” (“И”) над входными битами данных. Указанные матрицы упако-
вываются в модули, допускающие каскадирование. [
Таблица 10-3. Сравнительные характеристики базовых оптических коммутаторов
Тип коммутатора Реализо- ванный размер Вносимые потери, дБ Переходное затухание, дБ Поляриза- ционные по- тери, дБ Время пе- реклю- чения
Механический 8x8 3 55 0,2 10 мс
Термооптический, кварцевый 8x8 10 15 Низкие 2 мс
Термооптический, полимерный 8x8 10 30 Низкие 2 мс-
Электрооптический: LiNbOa 4x4 8 35 1 10 пс
Оптоэлектронный: ППОУ 4x4 0 40 Низкие 1 нс
Активно-волноводная ИС 4x4 0 30 н/д 1 нс
10.2.2. Логика и топология многокаскадных оптических коммутаторов о
Рассмотренные выше базовые оптические коммутаторы достаточно легко реализуются как пере-
ключатели ихл только при и=2. Сложность технической реализации существенно возрастает с
ростом и, что косвенно подтверждает и реализованный размер таких коммутаторов ( и не выше 4,
8), приведенный в табл. 10-3. Поэтому при построении коммутаторов большого размера исполь-
зуют различные технологии каскадирования базовых переключателей 2x2 или 1х2/2х1.
В целом большие коммутаторы можно представить в виде упорядоченных наборов вход-
ных и выходных портов, связанных между собой коммутируемой сетью связи (КСС). Если рас-
сматриваемые коммутаторы осуществляют коммутацию цепей, а не пакетов, то КСС управляется
централизованной системой управления (см. рис. 10-20). Если же осуществляется коммутация
ячеек, пакетов или виртуальных контейнеров, то схема управления может быть распределенной и
дополнительно могут быть использованы различные типы буферов на входе и выходе, схемы ор-
ганизации очередей для устранения внутренних блокировок и т.д.
Мы рассматриваем ниже более простой случай - коммутацию цепей. Основной упор при
таком подходе делается на реализацию КСС. Топология сетей при этом формально может быть
различна (шина, кольцо, звезда, дерево, матрица, каждый с каждым) - та, что используется для се-
тей в мультипроцессорных компьютерных системах [307], где роль наборов входных и выходных
портов играют процессоры и блоки памяти. Однако, учитывая специфику коммутации цепей, в
качестве топологий-кандидатов рассматривают только последние три, а с учетом сложности по-
следней - две оставшиеся (дерево и матрица). Причем согласно вышесказанному основным прин-
ципом-построения остается каскадирование базовых переключательных элементов - БЭ. л
334
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Рис. 10-20. Блок-схема коммутатора с КСС и централизованным управлением
В рамках выбранной топологии ряд факторов может оказать существенное влияние при
такой реализации, к ним относятся: длина коммутируемой цепи и связанное с ней время ожида-
ния переключения КСС (network latency), расширяемость сети, степень связи (connection degree)
узлов сети [307].
Длина коммутируемой цепи может быть разной в зависимости от топологии и может ха-
рактеризоваться минимальной и максимальной длиной цепи, а значит, и минимальным и макси-
мальным временем ожидания переключения.
Расширяемость сети предполагает легкость подключения новых узлов сети, а под степе-
нью связи понимается порядок аппроксимирующего сеть эквивалентного гиперкуба (см. ниже).
Прежде чем рассматривать реализацию коммутаторов большого размера, рассмотрим бо-
лее подробно логику работы БЭ размера 2x2, как элемента коммутации цепей при передаче сигна-
ла и приведем связанные с этим (и важные для последующего) определения.
10.2.2.1. Логика коммутации базовых элементов размера 2x2
Базовый элемент (как переключатель) может быть представлен в виде четырехполюсника с двумя
входами Б и 12 и двумя выходами О] и О2 (см. рис. 10-21). Переключатель может находиться в
двух основных состояниях, реализующих эквивалент топологии "точка-точка" при передаче [307]:
в проходном соединении, при котором порт Б соединен с О], а 12 - с О2 (рис. 10-21,а);
в перекрестном соединении, при котором порт Б соединен с О2, а 12 - с О] (рис. 10-21,6),
Кроме этого переключатель может реализовать два дополнительных состояния, эквива-
лентных "широковещательной передаче" (или бродкастингу - broadcasting):
широковещательную передачу с нижнего порта, при которой порт Б не соединен ни с одним
выходным портом, а порт 12 соединен с обоими выходными портами (рис. 10-21,в);
широковещательную передачу с верхнего порта, при которой порт 12 не соединен ни с одним
выходным портом, а порт Б соединен с обоими выходными портами (рис. 10-21,г).
Кроме сложности реализации коммутаторов большого размера другой причиной исполь-
зования каскадных сетей является стоимость коммутатора, пропорциональная числу используе-
мых базовых элементов (БЭ). Так, при использовании матричного коммутатора пхп требуется п2
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
335
БЭ, тогда как использование каскадных схем позволяет снизить это число до уровня n*Log(n) БЭ.
Из множества классов каскадных схем наиболее распространен класс известный как сети типа
Баньян (использующие топология дерева).
а) Проходное соединение
а) Вещание с нижнего порта
Рис. 10-21. Состояния базового переключателя 2x2:
а) проходное соединение, б) перекрестное соединение, в, г) широковещательная передача
10.2.2.2. Древовидные сети типа Баньян
Наиболее простым является следующее определение этой сети: сетью типа Баньян называется
древовидная сеть, имеющая точно один путь между любыми парами вход-выход [307]. То есть это
сеть, которая не имеет избыточности. Ниже рассмотрены два (из множества возможных) примера
сетей типа Баньян: сеть Омега и сеть Дельта, на основе которых строятся различные типы кас-
кадных коммутаторов.
Сеть Омега
Эта сеть может быть реализована с помощью хорошо формализованных топологических
структур на основе понятия гиперкуба. Формальные определения, связанные с ним, приведены ниже.
Гиперкубы
Гиперкуб - упорядоченная структура, определеяемая топологически как связная сеть, со-
стоящая из п узлов, расположенных в угловых точках (вершинах) многомерного куба в простран-
стве размерностью N, где N=log2n. Гиперкубы могут быть описаны итеративно в порядке возрас-
тания размерности. 0-куб - точка (1 узел - п=2°=1), 1-куб - линейный сегмент (2 узла - п=21=2), 2-
куб - квадрат (4 узла - п=22=4), 3-куб - куб (8 узлов - п=23=8), и т.д.
Как сеть КСС гиперкуб характеризует число и направленность связей между БЭ. Число свя-
зей, осуществляемых из каждого узла, равно порядку гиперкуба. Учитывая, что каждая связь в ги-
перкубе соединяет два смежных узла, направленность связей определяется адресами вершин гипер-
куба. Эти адреса формируются в виде двоичных кодов, длина которых, равна порядку гиперкуба, a i
позиция (бит) характеризует гиперкубы (/-1) порядка (см. рис. 10-22 для 1-куб - 3-куб).
и------------------и
''t— Номер столбца
а)
Рис. 10-22. Адресация узлов гиперкубов:
а) для 1-куба; б) для 2-куба; с) для 3-куба
Плоскость
0
Плоскость
1
336
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Например, для гиперкуба 4-куб (имеющего 16 узлов и состоящего из двух гиперкубов 3-
куб} адрес узла состоит из 4 бит. Рассмотрим для определенности узел с адресом 1001. По сравне-
нию с 3-куб слева добавляется наиболее значимый бит (в нашем случае 1), который характеризует
номер гиперкуба (п-1) порядка, т.е. 3-куб, или куба “1” (из двух возможных кубов “0” и “1”), в
вершине которого 001 и расположен данный узел. Техника адресации узлов гиперкуба позволяет
сформировать топологию гиперкуба, используя простое правило:
• соединять только те узлы, чьи двоичные адреса отличаются точно на одну битовую позицию.
Применив это правило, получаем, что узел 1001 связан с 4 другими узлами: узлом 0001 (на кубе
“О”) и узлами 1000,1011 и 1101 (на кубе “1”).
Топологию гиперкуба можно отобразить на плоскость (в результате получаем непланар-
ный граф} и использовать для формирования сети типа Баньян на основе БЭ размера 2x2. В ре-
зультате получаем сеть Омега. Пример такой сети размера 8x8 приведен на рис. 10-23 [307]. Эта
сеть дополнительно позволяет осуществлять операции обмена и перестановки, под которыми
(для сети с 2N входами: Io - I2n-i и 2N выходами: О0 - O2N.j} понимается следующее:
операция обмена соединяет 7, с Oj+i, когда j нечетно, и 7, с Ij.j, когда j четно;
операция перестановки соединяет Ij с O2j moduio n, когда 0 < j < 2N-1.
Рис. 10-23. Сеть Омега размера 8x8
Эту сеть легко можно настраивать и перестраивать для реализации нужного соединения, ис-
пользуя поразрядно операцию XOR (исключающее ИЛИ) над полями адреса входа и адреса выхода
и устанавливая в соответствии с результатом операции состояние соответствующего каскада комму-
тирующего БЭ размера 2x2. Например, если нужно соединить вход 16 (адрес 110} с выходом О3 (ад-
рес 001}, осуществляем указанную операцию над адресами: 7 XOR 0, 1XOR О, OXOR 1, получаем в
результате двоичную последовательность 101 и устанавливаем (например, с помощью управляюще-
го контроллера) соотвественно перекрестное соединение (1) на первом каскад, проходное соедине-
ние (0) на втором и перекрестное соединение (1) на третьем (см. выделенный путь на рис. 10-23).
Контроллер может одновременно соединить несколько других пар вход-выход (например,
In с О4, Ii с 01,7? с О3 и т.д.), но не может соединить 1п с О2 , учитывая конфликтные ситуации с
переключениями, возникающие при необходимости использовать те же БЭ второго и третьего
каскадов (помечены точками).
Сеть Дельта
Другим примером сетей типа Баньян является сеть Дельта. Если это сеть имеет к каска-
дов и каждый КЭ реализован в виде кросс-коммутаторатхп (т.е. с т входами и п выходами), то
она может иметь следующие характеристики (свойства) [307]:
к к
сеть в целом может коммутировать т входов на п выходов;
если А.2 двоичный адрес назначения, то каскадные коммутирующие БЭ могут быть установле-
ны в позиции перекрестного соединения (1) или проходного соединения (0) в соответствии с
разрядными битами А.2.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
337
Пример сети Делыпа размера 8x8 и БЭ типа 2x2 приведен на рис. 10-24.
Рис. 10-24. Сеть Дельта размера 8x8
Эта сеть дополнительно может обладать функцией широковещания. Например, на рис. 10-24
выделенными линиями показано вещание сигнала со входа 10 на выходы О;, О4, Ср и О6 .
10.2.3. Особенности построения многокаскадных оптических коммутаторов
При построении многокаскадных оптических коммутаторов - МОК, технология построения КСС
также может накладывать определенные ограничения, поэтому функциональную пригодность и
эффективность МОК оценивают обычно с помощью следующих показателей [299]:
требуемое число базовых элементов, учитывая, что стоимость реализации коммутатора по
меньшей мере пропорциональна их числу;
однородность коммутации, т.е. такая ситуация, при которой потери при коммутации не за-
висят от комбинации портов входа-выхода;
пересекаемость связующих волноводов (crossover), которую желательно минимизировать
или исключить вовсе, учитывая, что при наличии такого пересечения могут возникнуть потери
мощности оптического излучения и переходные помехи (crosstalk) в результате взаимодействия
световых потоков;
характеристики блокировки, т.е. принадлежность МОК к одному из двух классов коммута-
торов: блокирующих или неблокирующих.
Поясним три последних показателя и дадим нужные определения.
Мерой однородности коммутации могут служить максимальное и минимальное числа
базовых переключателей (элементов) на оптическом пути, соединяющем различные комбинации
портов входа-выхода, и соответствующие им оценки максимальных и минимальных потерь при
коммутации.
Возможность пересечения волноводов обусловлена тем, что большие МОК изготавлива-
ются как ОИС на единой подложке и для исключения возможности пересечения топология МОК
должна быть реализована в виде плоского графа* (учитывая, что ОИС, в отличие от электронных
ИС, не может быть многослойной). При использовании фотонных кристаллов* и технологии из-
готовления фотонных ИС - ФИС вместо ОИС это требование (ограничение) снимается [316].
Коммутатор называется неблокирующим, если любой незанятый входной порт может
быть соединен с любым неиспользуемым выходным портом, в противном случае (т.е. если какое-
то соединение не может быть реализовано) коммутатор является блокирующим.
В свою очередь, неблокирующие коммутаторы делятся [299]:
- на коммутаторы, неблокирующие в строгом смысле, т.е. такие неблокирующие коммутаторы,
которые при использовании любой процедуры соединения не требуют перемаршрутизации ка-
кого-либо соединения;
22-48
338
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
на коммутаторы, неблокирующие в широком смысле, т.е. такие неблокирующие коммутато-
ры, которые при использовании определенной процедуры соединения не требуют перемаршру-
тизации какого-либо соединения;
на перестраиваемые неблокирующие коммутаторы, т.е. такие неблокирующие коммутаторы,
которые в любом случае требуют перемаршрутизации какого-то из соединений.
Первый тип является наиболее желаемым, однако он требует при реализации наибольшего
числа БЭ (см. табл. 10-4). Второй тип является некоторым компромиссом между первым и треть-
им типами (см. там же) и используется очень широко. Преимущество последнего, третьего, типа
коммутаторов - относительно малое число требуемых БЭ (см. там же). Его основной недостаток -
временный (на время перемаршрутизации) разрыв установленного соединения. Не все приложе- |
ния могут допускать такую ситуацию. Кроме того, этот тип коммутаторов требует более сложных *
алгоритмов управления.
Рассмотрим описанные в литературе четыре основные схемы (или архитектуры) КСС, ко-
торые могут быть использованы в каскадных оптических коммутаторах большого размера [299,
305,306]:
схема матричного кросс-коммутатора (crossbar);
схема КСС Бенеша;
схема КСС Шпанке-Бенеша;
схема КСС Шпанке.
10.2.3.1. Схема матричного кросс-коммутатора
Рассмотрим схему матричного кросс-коммутатора на примере коммутатора 4x4 (использующего
БЭ размера 2x2), приведенного на рис. 10-25.
Из рисунка видно, что для ее реали-
зации требуется матрица 4x4, состоящая из
16 БЭ. На рисунке выделен (как один из
примеров) канонический путь коммутации
(т.е. по “строке” и “столбцу” - тот путь, ко-
торый нужно соблюдать) при соединении
входа 1 с выходом 3, использующий БЭ,
расположенные в "строке" 1 (от входа до
пересечения со столбцом 3) и "столбце" 3
(от пересечения со строкой 1 до выхода)
данной матрицы. Указанный путь осуществ-
лен путем установки всех БЭ, кроме БЭ,з, в
состояние "перекрестного соединения" (БЭ13
установлен в состояние "проходного соеди-
Рис. 10-25. Схема матричного кросс-коммутатора
нения"). Кроме этого пути существует ряд
других путей, рассматриваемых как некано-
нические (т.е. не обеспечивающие свойства
неблокируемости).
Как показывают исследования, схема на рис. 10-25 является неблокирующей в широ-
ком смысле, т.е. неблокирующей, если используются канонические правила соединения входа
I с выходом у, описанные выше, а значит, она не требует перемаршрутизации уже осуществ-
ленных соединений. Вместе с тем она не является неблокирующей в строгом смысле, так как
требует соблюдения указанных правил при прокладке соединения. Этот пример подтверждает
тот факт, что схема матричного коммутатора требует п2 БЭ типа 2x2, а также то, что длина
кратчайшего пути равна 1, а наиболее длинного - (2л - 1). Граф схемы на рис. 10-25 является
планарным, а значит, при изготовлении схем не возникнет необходимости в пересечении оп-
тических волноводов.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
339
10.2.3.2. Схема КСС Бенеша
Рассмотрим схему КСС, предложенную Бенешем [299]. Пример такой схемы размера 8x8, исполь-
зующей БЭ размера 2x2, приведен на рис. 10-26.
Рис. 10-26. Схема КСС Бенеша
Схема Бенеша существенно отличается от предыдущей. Она является примером неблоки-
рующих схем, требующих перемаршрутизации некоторых уже осуществленных соединений. Од-
нако она требует значительно меньше КЭ размера 2x2, чем матричный коммутатор: для размера
8x8 - 20 вместо 64. В общем случае такая схема размера пхп требует n(llog2n - 1)/2 БЭ размера
2x2, где п предполагается числом из ряда 2'”. Другим преимуществом этой схемы является то, что
длины кратчайшего и наиболее длинного путей одинаковы и равны (llogin - 1) БЭ размера 2x2.
Очевидным недостатком является то, что схема представляется непланарным графом и не позво-
ляет избежать пересечения волноводов при изготовлении. Этот факт не будет служить препятст-
вием при использовании фотонных кристаллов.
10.2.3.3. Схема КСС Шпанке-Бенеша
Указанный выше недостаток “непланарности” преодолен в схеме Шпанке-Бенеша, предложенной в 1987 г.
[299,305]. Пример такой схемы размера 8x8, использующей БЭ размера 2x2, приведен на рис. 10-27.
Рис. 10-27. Схема КСС Шпанке-Бенеша
Эта схема, как и предыдущая, относится к классу неблокирующих схем с перемаршрутиза-
цией, но требует большего числа БЭ размера 2x2 - 28 вместо 20 (“плата” за планарность), хотя все
еще существенно меньше, чем схема матричного коммутатора - 64. В общем случае такая схема
размера пхп требует л(л - 1 )/2 БЭ 2x2, где л предполагается числом из ряда 2'”. Длины кратчайше-
го и наиболее длинного путей в схеме неодинаковы и составляют л/2 и л БЭ 2x2, соответственно.
22*
340
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
10.2.3.4. Схема КСС Шпанке
Схема Шпанке, предложенная в 1987 [299, 306],
является примером схем неблокируемых в строгом
смысле. Пример такой схемы размера 4x4, исполь-
зующей БЭ размера 2x2, приведен на рис. 10-28.
Рис. 10-28. Схема КСС Шпанке
Платой за неблокируемость в строгом
смысле является большее, чем даже в схеме
матричного коммутатора, число используемых
БЭ - 24 против 16, однако типы используемых
БЭ проще - 1x2 и 2x1 вместо 2x2. В общем слу-
чае такая схема размера пхп требует 2л(л - 1)
БЭ типа 1x2 и 2x1 (число которых одинаково в
силу симметричности схемы). Длины кратчай-
шего и наиболее длинного путей в схеме оди-
наковы и составляют 2log2n БЭ.
Характеристики рассмотренных выше типов схем КСС сведены в табл. 10-4.
Таблица 10-4. Сравнительные характеристики различных типов архитектур КСС
Характеристики Матричный кросс- коммутатор КСС Бенеша КСС Шпанке- Бенеша КСС Шпанке
Неблокируемость В широком смысле С перестройкой С перестройкой В строгом смысле
Число базовых элементов п2 n(2log2n -1)/2 п(п-1)/2 2п(п-1)
Пересекаемость Нет Есть Нет Есть
Максимум потерь . 2п-1 21одгп -1 п 21одгп
Минимум потерь 1 21одгп -1 п/2 21одгп
Значительные успехи в области исследования и разработки оптических систем передачи и
существенное увеличение скоростей передачи, как за счет объединения оптических несущих с
помощью мультиплексоров DWDM [13], так и увеличения скоростей передачи на одной оптиче-
ской несущей до 40 Гбит/с, привели к ускорению работ по созданию промышленных образцов оп-
тических кросс-коммутаторов достаточно большого размера. Особенно интенсивно в этом на-
правлении работают такие крупные телекоммуникационные компании, как Alcatel, Lucent
Technologies, Marconi и Siemens. Если создание полнофункциональных промышленных кросс-
коммутаторов большого размера (порядка 1024x1024) пока еще дело будущего, то более перспек-
тивным в настоящее время представляется создание коммутаторов средних размеров (64x64 -
256x256) и использование их в качестве блоков коммутации маршрутизаторов оптических несу-
щих в оптических сетях с DWDM или в качестве локальных кросс-коммутаторов в оптических
мультиплексорах ввода-вывода сетей SDH.
Так, компания Lucent Technologies разработала прототип оптического коммутатора-
маршрутизатора “WaveStar LambdaRouter”, осуществляющего коммутацию оптических каналов с
помощью матрицы из 256 микроскопических зеркал, размешенных на площади 6,3 см“. Каждое
зеркало рассчитано на прием определенной длины волны излучения. Использование этого оптиче-
ского маршрутизатора позволяет в 16 раз увеличить пропускную способность аппаратуры, ис-
пользуемой в сетях SDH и ATM, доводя ее до 40 Гбит/с по каждому из коммутируемых каналов.
Эта технология реализована в коммутатарах Lucent GX550 и Lucent 64000 [363].
Компания Marconi Communications разработала оптическую DWDM-систему
SmartPhotonix, в состав которой входит кросс-коммутатор на 32 канала, осуществляющий опера-
ции оптического ввода/вывода каналов мультиплексора.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
341
10.3. Оптические волновые конверторы
Оптические волновые конверторы - ОВК (или просто волновые конверторы - ВК, или трансля-
торы) - устройства, преобразующие входной оптический сигнал с длиной волны Л,- в выходной
оптический сигнал с длиной волны Aout. Такие устройства широко используются, например, в
мультиплексорах WDM (см. ниже) для согласования набора входных несущих с рабочим набором
длин волн мультиплексора, определяемым обычно диапазоном АВХ используемого ОУ.
Например, на рис. 10-29 показан набор несущих {1310, 1540, 1541 нм}, который для нор-
мального функционирования должен быть согласован с набором мультиплексора {1540, 1542,
1544 нм}. Из этого набора несущая 1310 нм не соответствует рабочей длине волны мультиплексо-
ра, а 1541 нм не соответствует шагу сетки по длине волн (2 нм) волнового плана мультиплексора.
Такие устройства входят в состав интерфейсных блоков систем WDM. Другим важным примене-
нием конвертора является преобразование длин волн при оптической маршрутизации по длине
волны, как внутри одной оптической сети, так и на стыке таких сетей (этот вариант в данной книге
не рассматривается). . ..
Волновые интерфейсы
..нм
__________________________1540 НМ
Удовлетворяет
1541 нм
Не удовлетворяет
1310 НМ I----”-----1 1544 НМ
г"'"'........| о К | ---
Не удовлетворяет
___Q_______
Интерфейс ОВ
Рис. 10-29. Использование ВК в интерфейсном блоке системы WDM
10.3.1. Типы волновых конверторов
Существующие волновые конверторы используют различные нелинейные эффекты для генерации
гармоник нужной длины волны. Конверторы могут использовать как фиксированные (Ф), так и
настраиваемые или переменные (П) наборы длин волн на входе и выходе, соответственно. По это-
му критерию ВК могут быть следующих четырех типов: Ф-Ф, Ф-П, П-Ф, П-П. Последние из них
наиболее универсальные.
По другим критериям - используемому механизму модуляции или типу нелинейных преоб-
разований - можно выделить следующие типы таких конверторов [299]:
- оптоэлектронные конверторы',
- конверторы на основе оптической кросс- модуляции-,
- конверторы на основе эффекта четырехволнового смешения-,
- конверторы на основе других нелинейных эффектов.
10.3.1.1. Оптоэлектронные конверторы
Такие типы конверторов являются наиболее простыми и широко используемыми в системах
WDM конверторами.
Конвертор, как правило, состоит из трех блоков: оптического приемника-преобразователя,
электронного регенератора и оптического передатчика. Приемник несущей осуществляет как
усиление, так и оптоэлектронное преобразование сигнала. Регенератор формирует требуемую вы-
ходную частоту (длину волны) и подает ее на выходной лазер, используемый в качестве передат-
чика. Такой конвертер относится к классам П-Ф, при использовании лазера с фиксированной час-
тотой, или П-П, если используется перестраиваемый лазер.
342
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Как и все регенераторы, электронный регенератор может быть трех типов:
- 1 тип - R (1R), или просто регенератор-усилитель',
- 2 тип - R2 (2R), или регенератор-усилитель-формирователы,
- 3 тип - R3 (3R), или регенератор-усилитель-формирователъ с ресинхронизацией.
Регенератор первого типа не осуществляет нелинейных преобразований и потому прозра-
чен для любых форматов входных сигналов, его недостаток - дополнительный шум усиления и,
как следствие, снижение отношения сигнал/шум.
Регенератор второго типа заново формирует сигнальную последовательность и поэтому
применим только для двоичных или импульсных сигналов определенного формата, ввиду чего ме-
нее прозрачен для других входных сигналов, однако позволяет увеличить отношение сигнал/шум.
Регенератор третьего типа не только заново формирует, но и заново синхронизирует по-
следовательность, что позволяет кроме увеличения отношения сигнал/шум существенно умень-
шить дрожание фазы. Однако этот тип регенератора наименее прозрачен для входных сигналов.
10.3.1.2. Конверторы на основе оптической перекрестной модуляции
В таких конверторах используются возможности перекрестной (со стороны основной несущей)
модуляции дополнительной, пробной, несущей, проходящей через то же устройство, что и основ-
ная несущая.
Такая модуляция возможна, если характеристики устройства изменяются при изменении
интенсивности входного сигнала. Таким устройством может быть ППОУ, а в качестве перекрест-
ной модуляции могут использоваться: кросс-модуляция усиления - КМУ (Cross-Gain Modulation -
CGM) и кросс-модуляция фазы - КМФ (Cross-Phase Modulation - СРМ).
В первом случае (КМУ) используется зависимость усиления ППОУ от мощности (интен-
сивности) входного сигнала (см. рис. 10-30). На этом рисунке показана прямоугольная форма из-
менения интенсивности входного сигнала (несущая ЯД подаваемого на ППОУ. Параллельно с
ним на модулируемый вход усилителя подается пробный сигнал (несущая Ар) требуемой на выхо-
де конвертора частоты. На рисунке показано, как изменение интенсивности основного сигнала
меняет плотность носителей в области усиления (чем больше интенсивность, тем меньше плот-
ность носителей - ясно, что форма кривой плотности с обратным знаком повторяет форму сигнала
интенсивности). В свою очередь усиление пропорционально (в зоне линейности усиления) плот-
ности носителей. В такт с усилением меняется (модулируется) и пробный сигнал, фильтруемый на
выходе ППОУ фильтром, настроенным на Ар. Как видно из рис. 10-30, основной и пробный сигна-
лы распространяются сонаправленно, тогда как изменение интенсивности этих сигналов оказыва-
ется в противофазе (пробный сигнал запаздывает на 180°).
Сигнал X*
Пробный сигнал
Фильтр Ар
ППОУ
Пробный сигнал Ар
Сигнал ! , I
Плотность носителей | | [ [~~
Усиление | | । |
Выход пробного сигнала | | j [~
Время
Рис. 10-30. ВК на основе кросс-модуляции усиления в ППОУ
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
343
Во-втором случае (КМФ) используется зависимость между плотностью носителей ППОУ
и изменением коэффициента преломления среды ППОУ, которая изменяет фазу пробного сигнала.
Это изменение фазы с помощью схемы интерферометра MZI может быть преобразовано в измене-
ние интенсивности пробного сигнала. Схема такого преобразования и основанного на нем ВК
приведена на рис. 10-31.
Рис. 10-31. ВК на основе кросс-модуляции фазы в ППОУ
В этой схеме используются два ППОУ, включенных (каждое) в соответствующее плечо
интерферометра Маха-Цендера* - ИМЦ (MZI). Оба плеча MZI имеют одинаковую длину', но
разветвители с каждой из сторон (А и В) имеют асимметрию коэффициента передачи у. Проб-
ный сигнал подается со стороны В интерферометра, а основной сигнал - со стороны А. В отсутст-
вие основного сигнала пробный сигнал появляется на выходе А в неизменном виде. При наличии
же основного сигнала, изменяющего плотность носителей а ППОУ, фазовые изменения, возни-
кающие в усилителях в каждом из плеч (ввиду асимметрии у), будут различны, что приводит к
модуляции интенсивности суммарного пробного сигнала, появляющегося на выходе А, за счет ин-
терференции двух его составляющих (см. форму сигналов на рис. 10-31).
Как видно из рис. 10-31, основной и пробный сигналы распространяются в данной схеме
противонаправленно, тогда как изменение интенсивности этих сигналов оказывается в фазе. Осо-
бенностью этой схемы в отличие от предыдущей является, с одной стороны, меньшая требуемая
мощность основного сигнала для создания той же глубины модуляции, с другой - вдвое большее
число ППОУ.
10.3.1.3. Конверторы на основе эффекта четырехволнового смешения
В этом случае используется нелинейный эффект ЧВС в ОВ, при котором три несущие с частота-
ми f],f2 vif3 приводят к генерации четвертой несущейf=fi+ ,f2 -фз или ф=2ф2-ф3 приф2=ф2 (см. разд.
9.1.7.4).
Особенность процесса в том, что генерируемая несущая лежит в полосе взаимодействую-
щих частот, которые, в свою очередь, близки между собой. Учитывая небольшую амплитуду ге-
нерируемой составляющей, обычно используют ППОУ, а также специальное ОВ, в котором эф-
фект ЧВС сильно выражен. Тогда подача на ППОУ основного ф5 и пробного фр сигналов приводит
к генерации на выходе ВК частоты fout = 2ф-фр, при условии, что все указанные частоты лежат в
рабочей полосе частот усилителя. Применительно к генерируемой длине волны получаем Xout = Л5
лр/(2Лр - фф
344
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Основное преимущество этого метода конвертации в том, что он прозрачен по отношению
к формату преобразуемого сигнала. В качестве недостатков можно отметить: а) необходимость
фильтра генерируемого сигнала на выходе ППОУ; б) снижение эффективности конвертации с
увеличением разности частот основного и пробного сигналов.
10.3.1.4. Конверторы на основе других нелинейных эффектов
В общем случае могут быть использованы другие нелинейные эффекты, возникающие при взаи-
модействии двух оптических несущих.
Например, при использовании ферроэлектрического кристалла - периодической полос-
ковой доменной решетки (нанесенной на подложку их оксида ниобата лития - LiNbCL) с чере-
дующимися направлениями поляризации у соседних полосковых доменов - в качестве нелинейной
оптической среды, происходит генерация (на выходе волновода) разностной частоты fout = fp - f5
(или длины волны Л„11( = As Лр /(As - Лр) ) при совместном прохождении основной несущей fs и
пробного сигнала fp (сигнала лазерной накачки) по поперечному волноводу (см. рйс. 10-32) [326].
Область домена с
Исходный
сигнал
!
/-р-длина волны накачки
Xs-длина волны сигнала
Хс-конвертированная
длина волны
1/Xc=1/Xp-1/Xs
200
150
1ОО
50
о
Конверти-
рованный
сигнал
1,53 1,535 1,54 1,545 1,55
Длина волны, мк
Рис. 10-32. Схема ВК на ферроэлектрической доменной решетке
Образец схемы такого ВК класса П-П компании ЗЭК1 Electric Industry Со., Ltd. позволяет,
используя перестраиваемый лазер с номинальной мощностью 10 мвт и длиной волны 770 нм, до-
биться диапазона перестройки несущей на выходе конвертера порядка 100 нм, покрывающего ра-
бочий диапазон используемых WDM систем. Недостатком такого ВК (впрочем, как и всех ВК, ос-
нованных на нелинейных эффектах) является низкий уровень генерируемого сигнала (например,
для генерации 1545 нм сигнала, приведенного в [326], он почти в 2000 раз меньше уровня основ-
ной несущей) и необходимость использования дополнительного усилителя.
В заключение можно отметить, что нелинейные эффекты в ОВ, приводящие к генерации
новых гармоник, обусловлены в основном нелинейностью показателя преломления. Они могут
наблюдаться и при относительно малых интенсивностях входного излучения, учитывая очень
низкие потери светового пучка частоты а>0 в волокне (особенно в области третьего окна прозрач-
ности). Механизм генерации (кроме ЧВС) позволяет генерировать гармоники вида а>0 ± а> (напри-
мер, стоксова и антистоксова частоты в процессах ВКР и ВРМБ или при явлении модуляционной
неустойчивости) или гармоники вида а>0 ± па> (например, при ЧМ, характерной для ФСМ), или же
второй и суммарной гармоник 2а>о и (щй + а>), что имеет место при взаимодействии двух несущих
(например, основного и пробного сигнала) или в процессе параметрического усиления [168].
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
345
Эффективность конкретной реализации той или иной технологии конвертации зависит от
многих факторов. Одним из важных при этом является уровень амплитуды генерируемой гармо-
ники. Указанные выше методы позволяют реализовать амплитуды порядка 0,1% от амплитуды
основного сигнала или сигнала накачки.
10.4. Оптические модуляторы
10.4.1. Форматы линейых кодов
Для передачи данных по оптическому волокну цифровые данные должны быть конвертированы в
линейный код, имеющий формат, удобный для передачи по ОВ.
Им может быть, например, униполярный вариант линейных кодов NRZ или RZ, который
сводится к посылке короткого импульса (включению оптического источника на короткий период
меньший половины длительности двоичного интервала) в середине этого интервала (на срезе им-
пульса RZ) при наличии " 1" в цифровой последовательности или к выключению оптического ис-
точника в отсутствие "1" (при наличии "0" этой последовательности, см. рис. 10-33). Такой метод
кодирования называется модуляцией/манипуляцией по типу "включено-выключено" - МВВ
(или ООК - On-Off Keying).
Рис. 10-33. Пример базовых линейных кодов, используемых для оптической передачи
Из теории известно основное преимущество метода NRZ - примерно вдвое меньшая поло-
са частот, занимаемая модулированной последовательностью по сравнению с методом RZ. Однако
при наличии в исходном коде длинных последовательностей "1" или "0" существенно изменяется
постоянная составляющая последовательности, ухудшающая условия ее приема. С другой сторо-
ны, ухудшаются условия восстановления сигнала синхронизации. При использовании RZ эти про-
блемы возникают только при длинных последовательностях "0". Проблемы решаются либо ис-
пользованием специальных кодов, например известного кода HDB3 (см. разд. 1.4.5.), либо исполь-
зованием техники скремблирования. Специальные коды - предмет кропотливой оригинальной
разработки - имеют различную полосу частот и достаточно сложные схемы кодирова-
ния/декодирования, реализуемые при оптимизации определенных параметров.
Скремблирование - процесс более простого преобразования (как правило, не изменяюще-
го полосу частот), основанного на технике шифрования данных с взаимнооднозначным соответст-
вием исходной и скремблированной последовательности и использующего простые и однотипные
побитные операции (например, сложение по модулю 2) между исходной и эталонной последова-
тельностью (порождающим многочленом).
Учитывая, что длительность двоичного интервала при использовании современных скоро-
стей синхронной иерархии 2,5 - 10 Мбит/с мала (0,4 - 0,1 нс), длительность импульса источника не
должна превышать 0,2-0,05 нс (200-50 пс), что делает невозможным, например, использование
346
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
светодиодов в качестве источников оптического излучения в таких системах. Поэтому основными
источниками должны быть лазерные диоды.
10.4.2. Методы модуляции оптической несущей
Фактическим переносчиком данных в ОВ является оптическая несущая, излучаемая источником.
Она и должна быть в конечном счете промодулирована. Сделать это можно тремя способами:
- непосредственной модуляцией оптической несущей линейной кодовой последовательностью - ЛКП;
- модуляцией несущей с использованием специального модулятора, сигнал которого модулирует-
ся с помощью ЛКП;
- модуляцией с использованием промежуточной поднесущей, которая затем непосредственно
модулирует оптическую несущую;
- модуляцией с использованием поднесущей и модулятора.
10.4.2.1. Непосредственная модуляция оптической несущей
Такая модуляция может быть осуществлена, например, путем непосредственного включения или
выключения по методу МВВ оптической несущей (тока возбуждения/накачки лазерного источни-
ка) в соответствии с ЛКП. Однако этот метод имеет ряд существенных недостатков:
- нелинейная зависимость мощности излучения от тока (нелинейность ватт-амперной характе-
ристики)-, структурные методы ее линеаризации на основе управляемых источников оптиче-
ского излучения - УИОИ рассмотрены в [272],
- метод оказывает динамическое влияние на спектр излучения лазера и амплитуды отдельных
мод резонатора,
- метод достаточно прямолинеен и не позволяет в полной мере использовать другие более про-
грессивные методы кодирования, основанные на модуляции амплитуды и фазы, используемые
в специальных модуляторах,
- метод не удобен для систем WDM, где несколько источников модулирующих сигналов муль-
типлексируются для передачи по одной несущей.
10.4.2.2. Модуляция с использовавнием внешнего модулятора
Использование специального, или внешнего, модулятора, как правило, улучшает функциональ-
ные характеристики систем передачи и гибкость системы в целом, например, при необходимости
позволяет менять формат используемой ЛКП, а также позволяет использовать готовые решения,
наработанные в других областях и для других применений, включая комплексные решения с ис-
пользованием промежуточной несущей.
Модуляция с использованием промежуточной несущей
Вместо использования непосредственной модуляции, для которой трудно найти электронные
компоненты, учитывая высокую частоту оптической несущей (порядка 100 ТГц), можно осущест-
вить процесс модуляции на более низких частотах, используя промежуточную несущую, или подне-
сущую, на радиочастоте в диапазоне 10 МГц - 10 ГГц. Этой модулированной поднесущей можно за-
тем модулировать основную несущую. Основное отличие этой схемы модуляции в том, что могут
быть использованы различные стандартные методы и устройства модуляции: амплитудные, частот-
ные, фазовые и комбинированные, разработанные для конкретного диапазона радиочастот.
Использование поднесущей необходимо и при многоканальной модуляции в системах
WDM. В этом случае отдельные входные потоки модулируют свои поднесущие, которые затем
мультиплексируются в одну поднесущую, модулирующую оптическую несущую. Схема исполь-
зования промежуточной несущей показана на рис. 10-34 (в качестве примера показана амплитуд-
ная манипуляция тока возбуждения лазера).
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
347
Оптическая мощность
Рис. 10-34. Модуляция с использованием промежуточной несущей
Модуляция с использованием поднесущей и модулятора
Эта схема модуляции является комбинацией предыдущих методов. Она может быть при-
менена для использования готовых решений одноканальных модуляторов в схемах WDM. При
этом возможно сочетание положительных особенностей обоих методов.
10.4.3. Типы оптических модуляторов
Оптические модуляторы как устройства могут быть основаны на различных физических законах и
использовать различные механизмы и методы воздействия на оптическую или радионесущие час-
тоты.
Различают следующие типы модуляторов:
- акустооптические модуляторы, использующие законы акустооптики*,
- электрооптические модуляторы, использующие законы электрооптики*,
- электрооптические модуляторы, использующие ППОУ.
10.4.3.1. Акустооптические модуляторы
Принцип действия акустооптического
модулятора (АОМ) основан на зависи-
мости показателя преломления некото-
рых оптически прозрачных материалов
(например, ниобата лития LiNbCh) от
давления. Это давление может быть соз-
дано акустическими (ультразвуковыми -
УЗ) волнами, генерируемыми пьезоэлек-
трическим преобразователем - пьезокри-
сталлом (ПК), наклеенным на образец
акустооптического материала для созда-
ния акустооптической ячейки (АОЯ), яв-
ляющейся основным элементом модуля-
тора (см. рис. 10-35). Акустическая волна
создает в оптической среде структуру с
периодически изменяющимся показате-
лем преломления, играющую роль ди-
фракционной решетки. Линии равного
показателя преломления (на рис. 10-35
Рис.10-35. Схема прохождени пучка света в АОМ
348
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны Лае.
АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах,
сканерах, модуляторах, фильтрах и процессорах - в зависимости от того, каким параметром оптическо-
го луча осуществляется управление [327, 328]. Так как оптические модуляторы осуществляют модуля-
цию интенсивности оптического луча, то и от АОЯ требуется модуляция интенсивности луча.
При падении входящего пучка на АОЯ (см. рис. 10-35) в результате его взаимодействия с
фронтом звуковой волны от ПК (характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пуч-
ка d, длины световой волны Л и внутреннего угла падения в ) возникает дифракция света на
ультразвуке, приводящая к расщеплению входного пучка на проходящий и дифрагированный.
В оптических модуляторах используется условия возникновения дифракции Брэгга* (ана-
логично может быть использована дифракция Рамана-Ната* [328]), т.е. выполняется соотноше-
ние 2Л[11:$1п в = тЛ, где Л11в играет роль постоянной решетки - а, т - порядок отражения, а Л -
длина световой волны в материале АОЯ [328].
Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%)
модуляция проходящего света требует очень большой акустической мощности. Модуляция созда-
ется амплитудно-модулированной звуковой волной, взаимодействие с которой и модулирует ин-
тенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора. Быстро-
действие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное
сечение светового пучка и имеет порядок 10'7с.
АОМ является достаточно простым и надежным устройством, хотя и имеет определенные
недостатки, основные из них следующие [272, 328]:
- нелинейность функции преобразования;
- уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает
их использование в высокоскоростных схемах SDH;
- смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модули-
рующей частоты;
- невысокая эффективность дифракции, определяемая отношением интенсивностей дифрагиро-
ванного и падающего пучков (ее увеличение достигается за счет увеличения мощности акусти-
ческого сигнала).
10.4.3.2. Электрооптические модуляторы
Оптические характеристики любой среды, например такие, как показатель преломления и поляри-
зация света, зависят от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под дей-
ствием приложенного электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению так
называемого эллипсоида показателей преломления* и состояния поляризации [17, 18].
В средах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в виде
линейного электрооптического эффекта Поккельса*, в средах с центральной симметрией, напро-
тив, наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра*. Эти два наиболее значи-
тельных электрооптических эффекта могут быть использованы при построении электрооптиче-
ских модуляторов.
Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса
Линейный эффект Поккельса на практике проявляется вращением плоскости поляризации
входной световой волны при приложении напряжения к кристаллу ввиду изменения показателей
преломления по направлениям осей х и у кристалла (т.е. изменения эллипсоида показателей пре-
ломления). Для некоторых кристаллов (например, ниобата лития) этот поворот может достигать
величины 90° в зависимости от приложенного напряжения.
Можно сформировать схему модулятора, если поместить такой кристалл (называемый ячейкой
Поккельса - ЯП) между двумя пластинами линейного поляризатора* и анализатора*, плоскости по-
ляризации которых отличаются на 90° (как показано на рис. 10-36). В этой схеме при отсутствии на-
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
349
пряжения на ЯП плоскость поляризации луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается
и световой луч, плоскополяризованный благодаря линейному поляризатору на входе, на выход анали-
затора (а значит и модулятора) не проходит. Если увеличивать напряжение на ЯП до максимума, то
ячейка дополнительно будет поворачивать плоскость поляризации вправо, сокращая при максимуме
напряжения практически до нуля угол между плоскостями поляризации луча на выходе ячейки и ана-
лизатора и обеспечивая в результате полное прохождение входного луча на выход модулятора.
Таким образом, ЯП позволяют
осуществить модуляцию световой волны
по интенсивности путем амплитудной мо-
дуляции подаваемого на него напряжения.
Частота модуляции может достигать 10
ГГц и выше, глубина модуляции - до
99,9%. Реализация такого типа модулято-
ров характерна для использования элемен-
тов дискретной оптики, тогда как для ин-
тегральной оптики более характерным яв-
Рис. 10-36. Схема электрооптического модулятора
на ячейке Поккельса
ляется использование управляемых на-
правленных ответвителей [319] и модуля-
торов, использующих схему интерферо-
метра Маха-Цендера.
Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера
Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) состоит из
двух идентичных плеч интерферометра (см. рис. 10-37). Распространяющиейся по этим плечам моды, в
зависимости от величины приложенного к электродам напряжения V и длины волновода L в зоне взаи-
модействия полей, приобретают сдвиг фаз Дер = ктДп„, L, пропорциональный амплитуде изменения
эффективного показателя преломления моды Дпт &ПтГЕ/2, где г - электрооптический коэффициент
рабочей оптической среды, кт - волновой вектор моды [329]. На выходе ИМЦ происходит модуляция
входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его мод.
входное ОВ
Подложка из ниобата лития
Рис. 10-37. Схема электрооптического модулятора типа интерферометра Маха-Цендера
На схеме рис. 10-37 показаны два типа электродов: электроды для создания бегущей волны
модулирующего электрического поля и статического электрического поля смещения рабочей точки
на передаточной функции такого модулятора (см. рис. 10-38). Модулирующие электроды протя-
женны для создания эффективного распределенного (на длине L) взаимодействия полей электриче-
ской и оптической волн. Такое взаимодействие позволяет достичь определенного коэффициента
ослабления сигнала - КОС {extinction ratio - ER) на выходе модулятора, характеризующего дости-
жимую глубину модуляции (порядка 20 дБ). Модулирующее напряжение приложено так, чтобы за-
медлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить его в другом, что позволяет
уменьшить его амплитуду Иг, требуемую для достижения Дер- л, до уровня, пригодного для ИС.
350
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
Рис. 10-38. Передаточная характеристика модулятора типа ИМЦ
Передаточная функция ИМЦ представлет собой синусоиду, из которой для управления
процессом модуляции выбирают одну из полуволн, задавая определенное напряжение смещения с
помощью другой системы электродов (электродов смещения) [330]. Это напряжение может быть
выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной функции (см.
рис. 10-38) [331].
Оптимальное конструирование и достижения интегральной оптической технологии сдела-
ли такой тип модулятора наиболее широко используемым в различных приложениях, и прежде
всего в системах SDH и WDM. Параметры, характерные для таких модуляторов, приведены в
табл. 10-5 на примере модуляторов компании Laser2000 [330].
Таблица 10-5. Характеристики высокоскоростных модуляторов интенсивности типа ИМЦ
Параметры модулятора 500-Х-8 500-х-Юб 500-Х-13 500-Х-15
Рабочая длина волны, нм 800 1060 1320 1550
Ширина полосы (-3 дБ), ГГц 3, 5,10, 20 3, 5,10, 20 3, 5,10, 20 3, 5,10, 20
Модулирующее на- 3, 5,10 ГГц 2,5 3,0 3,5 4,5
пряжение, В 20 ГГц 3,0 3,75 4,8 5,5
Напряжение смещения, В <13 <16 <20 <25
Оптическая мощность, мВт 5 10 50 75
Электрические возвратные потери, дБ <-10 <-10 <-10 <-10
Вносимые потери, дБ <4,5 <4,5 <4,5 <4,5
Оптический коэффициент ослабления, дБ >20 >20 >20 >20
Оптическое обратное отражение, дБ <-50 <-50 <-50 <-50
Входной соединительный шнур, тип ОВ Panda ЗМ DWS Panda Panda
Выходной соединительный шнур, тип ОВ Panda ЗМ DWS SMF-28 SMF-28
Размер блока, мм 77x35x13 77x35x13 77x35x13 77x35x13
10.4.3.3. Электрооптические модуляторы, использующие ППОУ
Для модуляции интенсивности могут быть использованы ППОУ, создающие кросс-модуляцию
усиления (КМУ) и, путем дополнительного использования MZI, кросс-модуляцию фазы (КМФ),
как это было описано нами выше в разд. 10.3.1.2. При этом схемы модуляторов практически не
отличаются от схем на рис. 10-30 и 10-31.
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
351
10.5. Оптические мультиплексоры ввода-вывода
Одной из основных операций мультиплексоров/демультиплексоров синхронных цифровых сетей
является ввод/вывод трибов (PDH, SDH, SONET), или компонентных сигналов (ATM), или пото-
ков. Оптические мультиплексоры ввода/вывода (OMBB) (Optical Add/Drop Multiplexer - OADM)
также осуществляют эту операцию, однако они делают это на двух уровнях: оптическом и элек-
трическом, в результате схема организации их существенно усложняется. ~
10.5.1. Структура оптических мультиплексоров первого поколения
Оптический мультиплексор-демультиплексор (называемый для простоты мультиплексором -
OADM) - это устройство, имеющее на входе и выходе по п волокон, каждое из которых передает
по т оптически мультиплексированных каналов. Мультиплексор состоит в настоящее время из
следующих основных блоков [334] (см. рис. 10-39):
- электронного мультиплексора-демультиплексора ввода-вывода - ADM, выполняющего те же
функции, что и описанные выше мультиплексоры SDH;
- оптического демультиплексора (или сплиттера - splitter/divider), осуществляющего следую-
щие операции:
• выделение транзитного потока из нескольких несущих и передача его непосредственно на оп-
тический демультиплексор;
• выделение нескольких оптических несущих (обычно по одной с каждого волокна) для вывода
их тем пользователям, которые их зарезервировали и имеют оптические интерфейсы с под-
соединенными выходными волокнами;
• выделение нескольких оптических несущих (один или несколько каналов в которых должны
быть выделены для пользователей, подключенных к данному мультиплексорному узлу), пе-
редачи их на блоки приемников электронного мультиплексора, для оптоэлектронного преоб-
разования и последующего электронного демультиплексирования с выделением нужных ка-
налов (трибов или компонентных сигналов), зарезервированных пользователями;
- оптического мультиплексора (или комбайнера - combiner), осуществляющего следующие операции:
• ввод транзитного потока от демультиплексора (оптические несущие) и объединение его с
двумя другими оптическими потоками от передатчиков электронного демультиплексора и
прямыми оптическими каналами от пользователей (обычно по одной несущей на ОВ);
• формирование потока из нескольких оптических несущих (обычно по одной с каждого во-
локна) для ввода их от тех пользователей, которые зарезервировали их и имеют оптические
интерфейсы с подсоединенными входными волокнами;
• формирование потока из нескольких оптических несущих (один или несколько каналов в ко-
торых должны быть выделены для пользователей, подключенных к данному мультиплексор-
ному узлу), путем электронного мультиплексирования каналов (трибов или компонентных
сигналов), зарезервированных пользователями, и передачи агрегатных потоков на блоки пе-
редатчиков электронного мультиплексора, для электрооптического преобразования и после-
дующей передачи на комбайнер;
- оптического предусилителя ПУ на входе мощного оптического усилителя МУ на выходе,
включаемых при необходимости увеличить бюджет мощности (для перекрытия требуемой
длины пролета или секции).
На приведенном рисунке для примера показан OADM принимающий 8 несущих, 4 из ко-
торых транзитным потоком передаются со входа на выход, а 4 других выводятся. Две несущие
принимаются и выводятся через оптические интерфейсы пользователям, две другие принимаются,
преобразуются в электрические и демультиплексируются до трибов нужного уровня требуемых
иерархий (заданных схемой конфигурации) с помощью ADM, которые затем выводятся через его
электрические интерфейсы пользователям. Аналогично показано, что вводятся четыре несущие:
две из них вводятся через оптические интерфейсы от пользователей, а две - формируются с помо-
352
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
щью ADM из трибов нужного уровня требуемых иерархий, введенных через электрические ин-
терфейсы каналов доступа от пользователей.
пользователю пользователя
Рис. 10-39. Схема оптического мультиплексора ввода-вывода первого поколения
Нужно отметить некоторые важные особенности (читай недостатки) мультиплексоров
первого поколения.
- Число оптических несущих, которое можно ввести-вывести в/из OADM ограничено сложно-
стью решения и возможностями устройств оптического ввода-вывода, используемых для этого.
Так из табл. 11-5 видно, что число таких несущих (оптических каналов) составляет для разных
систем от 1/10 до 1/4 от общего числа оптических каналов (несущих). Это объясняется, в ос-
новном, экономическими соображениями. Для реализации вывода оптических несущих ис-
пользуются модули оптических фильтров, для реализации ввода - пассивные WDMмодули (см.
разд. 11.1.6), стоимость которых составляет $1000-2000 в расчете на несущую. Возможность
реконфигурации несущих практически удваивает эту цену [334].
- OADM вводят и выводят несущие на фиксированных частотах и не имеют возможности дина-
мической реконфигурации оптических несущих, так как модули оптических фильтров реали-
зуются аппаратно и не имеют возможности перестраиваться.
- OADM не имеют (за некоторым исключением) возможности конвертации длин волн входных
несущих.
- Скорости, используемые в системах WDM, ограничиваются на уровне STM-16 (2,5 Гбит/с), в
том числе и по соображениям фильтрации оптических несущих.
Указанные недостатки постепенно преодолеваются. В первую очередь появились возмож-
ности конвертации длин волн входных несущих (методы конвертации и схемы конверторов см. в
разд. 10.3). При использовании оптических конверторов и перестраиваемых лазерных источников
появилась возможность реконфигурации оптических несущих. Наиболее сложным оказалось соз-
дать оптический кросс-коммутатор (см. разд. 10.2), который сделал бы OADM таким же гибким и
полнофункциональным, каким является ADM.
10.5.2. Структура оптических мультиплексоров второго поколения
Ускоренному преодолению указанных недостатков способствует интенсивное внедрение техноло-
гии WDM в целом и все более широкое использование оптической маршрутизации, основанной на
возможности ввода-вывода оптических несущих в OADM.
Если предположить, что указанные выше недостатки преодолены, то можно нарисовать
структурную схему оптического мультиплексора второго поколения (рис. 10-40).
Г лава 10
Функциональные элементы оптических сетей
353
Рис. 10-40. Схема оптического мультиплексора ввода-вывода второго поколения
Она отличается не только увеличенным числом мультиплексированных каналов (128-256
против 8-32), но и использованием более высоких скоростей передачи (10-40 Гбит/с), а также на-
личием полноразмерного неблокируемого оптического кросс-коммутатора (ОХС), а также
управляемого блока волновых конверторов, позволяющих ввести-вывести любое количество оп-
тических несущих, осуществить, если необходимо, их динамическую реконфигурацию' и пере-
маршрутизацию. Наличие такого мультиплексора не только позволит увеличить емкость систем
передачи до нового терабитного уровня (1,28-10 Тбит/с), но и сделает реальным построение пол-
ностью оптических сетей (AON) - конечной цели развития оптоволоконных сетей связи.
10.5.3. Оптические технологии ввода-вывода несущих
Рассмотрим кратко существующие оптические технологии ввода-вывода несущих с разделением
по длине волны в промежуточных узлах сети. Использование этих технологий - ключевой момент
в осуществлении динамической реконфигурации оптической WDM-системы, под которой пони-
мается возможность оператора сети дистанционно добавить или убрать определенное число опти-
ческих несущих для оптимизации производительности сети или с целью наделить ее операцион-
ной гибкостью.
В настоящее время сущетсвуют по крайней мере четыре технологии, позволяющие осуще-
ствить ввод-вывод оптических несущих [336]:
- фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга*;
- фильтры на основе интерферометра Фабри-Перо*;
- интерференционные фильтры на тонких пленках*;
- поляризационные фильтры на жидких кристаллах*;
- акусто-оптические перестраиваемые фильтры.
10.5.3.1. Основные требования, предъявляемые к фильтрам ввода-вывода
Фильтры, созданные на основе указанных технологий, должны удовлетворять ряду требований, а
именно:
• иметь малые вносимые потери, чтобы не требовать установки оптических усилителей-
компенсаторов;
23-48
354 Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
• потери фильтра не должны зависеть от состояния поляризации входного сигнала, чтобы ис-
ключить изменение выходной мощности при изменении состояния поляризации;
• полоса пропускания фильтра не должна зависеть от температуры в рабочем диапазоне темпе-
ратур системы в целом; -ч
• АВХ фильтра должна быть максимально плоской, чтобы допускать каскадирование фильтров в
системах WDM без потери плоскостности АВХ в рабочем интервале длин волн;
• крутизна спада АВХ в переходной полосе должна быть достаточно большой, чтобы свести к
минимуму влияние переходного затухания соседних каналов.
• изготовление фильтра должно быть высокотехнологично и иметь относительно невысокую
удельную стоимость (в расчете на одну несущую).
10.5.3.2. Фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга
Оптоволоконная дифракционная решетка Брэгга* отличается от обычной дифракционной ре-
шетки* тем, что необходимое периодическое изменение показателя преломления для создания
собственно структуры решетки осуществляется в сердцевине ОВ путем облучения отрезка ОВ
ультрафиолетовым источником света через специальную маску (структуру с периодически изме-
няющимся коэффициентом пропускания).
Принцип, на котором основана фильтрация с помощью такой решетки, в следующем. При
распространении двух волн (с постоянными распространения 01 и 02) в одном направлении пере-
качка энергии одной волны в другую (возникновение дифракционного максимума) происходит,
если выполняются условия совпадения фаз Брэгга-Вульфа* (Б-В) [299]:
/01 -/?/=2я/а, (10-8)
где а - постоянная решетки. Если вторая волна суть отраженная от решетки первая, то Д2 = а
Р 2ттЭфф / 2,
тогда условие Б-В (10-8) примет вид
~ 2^б — 2пЭффа (10-9)
Волна fa носит название волны Брэгга. Эта волна соответствует центральной частоте
главного лепестка спектральной характеристики в диапазона волн, отражаемых решеткой Брэгга.
Спектр симметричен относительно волны Брэгга, а его боковые лепестки затухают достаточно
слабо. Разница амплитуд главного и первых боковых лепестков не более 10 дБ, а ширина главного
лепестка в единицах нормированной расстройки zU/«=l,8 [299].
Для существенного уменьшения амплитуды боковых лепестков используется специальная
технология "отсекания пьедестала" отраженного спектра за счет использования неоднородной
решетки Брэгга, показатель преломления которой уменьшается по длине от центра к краям решет-
ки. В результате разница амплитуд увеличивается до 30 дБ, однако ширина главного лепестка при
этом возрастает с 1,8 до 3 (в единицах нормированной расстройки) [299]. На рис. 10-41 приведена
схема модуля ввода-вывода на основе фильтра на решетке Брэгга.
Рис. 10-41. Схема модуля ввода-вывода несущих на основе решетки Брэгга
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
355
Схема модуля состоит из двух циркуляторов* и оптоволоконной решетки Брэгга между
ними. Входной (первый) циркулятор играет роль фильтра вывода несущей, а выходной (второй) -
играет роль мультиплексора ввода несущей. В принципе он может быть заменен на модуль муль-
типлексора WDM на два входа на основе стандартного разветвителя.
На рис. 10-42 приведена схема модуля для ввода-вывода 4 несущих на основе решеток
Брэгга с использованием циркулятора и разветвителя для вывода несущих и комбайнера с развет-
вителем на два входа для ввода несущих.
^2 ^-3
Вывод?.,
Ввод?.;
Рис. 10-42. Схема модуля ввода-вывода четырех несущих на основе решетки Брэгга
К недостаткам этого типа фильтров следует отнести то, что решетка Брэгга рассчитывает-
ся на определенную длину волны и не может перестраиваться.
10.5.3.3. Фильтры на основе резонатора Фабри-Перо
Основным элементом такого фильтра является резонатор Фабри-Перо*, составленный из двух
плоскопараллельных зеркал с высокой отражающей способностью внутренних поверхностей. Та-
кой фильтр широко используется в оптике, а принципы, заложенные в нем, используются в ин-
терференционных фильтрах на тонких пленках, поэтому они будут кратко рассмотрены ниже.
Пусть расстояние между зеркалами равно /.
Входной луч падает нормально к плоскости по-
верхности левого зеркала (см. рис. 10-43), про-
ходит внутрь полости резонатора, частично
проходит через правое зеркало и частично от-
ражается от него. Отраженный луч вновь отра-
жается от левого зеркала и этот процесс много-
кратно повторяется. Если / целократно й/2, то
все многократно отраженные лучи, проходя-
щие через правое зеркало, оказываются в фазе.
Такие длины волн называются резонансными.
Рис. 10-43. Схема фильтрации света
резонатором Фабри-Перо
Резонатор
Фабри-Перо
Входной
сигнал
Многократные
отражения
Излучаемые в фазе
волны складываются
Передаточная функция такого фильтра TFp(f) (10-10) является периодической функцией
частоты/(см. рис. 10-44) [299].
TFP(f) = {l-A/(l-R)f/{l+(2 Ж sin(2nfT)/(l-R)2}, (10-10)
где А - потери на поглощение света зеркалом; R - отражательная способность поверхности зер-
кал; г - задержка на распространение света через резонаторную полость.
23*
356
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
f/FSR
Рис. 10-44. Передаточная функция фильтра на резонаторе Фабри-Перо
Полосы пропускания фильтра повторяются на частотах, удовлетворяющих соотношению
/т- к/2, где к - целое положительное число. Крутизна спада характеристики фильтра в переход-
ной полосе тем больше, чем выше R. Из рис. 10-44 видно, что фильтр Фабри-Перо (ФП) фильт-
рует гребенку частот, что может быть нежелательно при использовании их в системах с WDM,
если только все несущие не лежат в так называемом свободном спектральном диапазоне
(FSR), равном расстоянию между центрами соседних полос пропускания.
Чтобы оценить, сколько несущих может быть расположено в этом спектральном диапазо-
не, достаточно вычислить отношение F = FSR/FWHM, где FWHM - ширина полосы фильтра ФП
на уровне половины от максимума. Это отношение (finesse) можно вычислить, используя выраже-
ние (10-10), в результате получим [299]:
F = tc^/R/(1-R) (10-11)
Используя (10-11), можно получить оценку числа несущих, которые можно было-бы раз-
местить в FSR в системе с WDM, использующей фильтр ФП. Если R меняется в диапазоне 0,9-
0,99, то F изменяется от 29 до 312. Однако эта оценка еще должна быть связана с тем конкретным
канальным (частотным) планом, который используется в конкретной системе WDM.
Отличительная особенность фильтров ФП - возможность их перестройки, а значит и воз-
можность реконфигурации мультиплексора ввода-вывода, где эти фильтры используются. Для пере-
стройки фильтра, достаточно изменить т - nl/c, что эквивалентно изменению п - коэффициента пре-
ломления среды между зеркалами, или /. Механическое изменение расстояния I достаточно грубо и
может изменить параллельность зеркал, поэтому обычно используют пьезоэлектрическую среду ме-
жду' зеркалами и изменяют расстояние между ними, прикладывая напряжение на пьезоэлектрик.
Вместе с тем нужно отметить, что и такое решение достаточно сложно, а сами фильтры ФП не на-
шли должного применения в современных системах WDM, уступив место конкурентным решениям.
10.5.3.4. Интерференционные фильтры на тонких пленках
Одно из таких решений - применение интерференционных фильтров на тонких пленках. Эти
фильтры применяется в современных системах с WDM также широко, как и фильтры на решетке
Брэгга.
В рассматриваемых фильтрах роль зеркал, ограничивающих резонаторную полость, игра-
ют тонкие диэлектрические пленки многократного отражения. Эти фильтры делятся на два
типа: тонкопленочные фильтры с одной резонаторной полостью (TFF) и тонкопленочные
фильтры со многими резонаторными полостями (TFMF).
Глава 10
Функциональные элементы оптических сетей
357
На рис. 10-45 приведена схема трехрезонаторного фильтра, полости которого разделены
отражающими слоями тонких пленок (длиной Х/4) с чередованием слоев с высокими Н и низкими
L значениями показателя преломления. Эта структура в виде стека формируется путем последова-
тельного выращивания или осаждения диэлектрических отражающих и пропускающих слоев на
стеклянной подложке G.
На рис. 10-46 приведен вид нормированных АВХ таких фильтров с 1, 2 и 3 резонаторами [299].
Для однорезонаторного фильтра формула стека, например, имеет вид: G(HL)9HLL(HL)9HG [299].
Отражательные
слои диэлектрика
Кварцевая подложка
Рис. 10-46. Нормированная АВХ резонаторных
фильтров на тонких пленках
Рис. 10-45. Схема тонкопленочного фильтра
с тремя резонаторными полостями
Из рис. 10-46 видно, что форма АВХ фильтра зависит от числа резонансных полостей. Чем
их больше, тем выше крутизна спада характеристики фильтра в переходной полосе и тем более
плоской будет вершина АВХ. В отличие от фильтров ФП, фильтры на тонких пленках пропускают
только одну волну, длина которой зависит от высоты полости. Однако эти фильтры также имеют
FSR, нормированная ширина полосы которой составляет примерно ±0,4 Xq/X [299].
К недостаткам этого типа фильтров следует отнести то, что они рассчитываются на опре-
деленную длину волны и не могут перестраиваться.
10.5.3.5. Поляризационные фильтры на жидких кристаллах
Еще одна технология фильтрации использует свойства жидких кристаллов вращать плоскость по-
ляризации (свойства, характерные для кристаллов с двойным лучепреломлением). Эта технология
выглядит многообещающей в плане возможности управляемой реконфигурации, однако она толь-
ко начала развиваться и имеет ряд нерешенных вопросов.
Фильтр на жидких кристаллах схематически можно представить в виде трехэлементной
сборки (см. рис. 10-47), где образец жидкокристаллической пленки, вращающей на 90° плоскость
поляризации света для волны определенной длины, помещается между поляризатором*, линейно
поляризующим свет, и анализатором*, пропускающим только линейно-поляризованный свет с
плоскостью поляризации, формируемой поляризатором.
Рис. 10-47. Схема поляризационного фильтра на жидких кристаллах
Так как жидкий кристалл в нормальном состоянии поворачивает плоскость поляризации
на 90°, для определенного диапазона волн, то этот диапазон блокируется на выходе анализатора
358
Функциональные элементы оптических сетей
Глава 10
(сборка работает, как оптический изолятор). Если приложить к кристаллу определенное напряже-
ние, то плоскость поляризации для указанного диапазона доворачивается еще на 90° и совпадает с
плоскостью поляризации, пропускаемой анализатором. Луч света указанной длины волны (или
диапазона длин волн) проходит на выход.
Недостатком данного фильтра является то, что он работает с одной несущей длиной вол-
ны, которая должна быть предварительно выделена из обрабатываемого мультиплексором набора
несущих.
10.5.3.6. Акусто-оптические перестраиваемые фильтры
Наиболее продвинутой технологией фильтрации, основанной на вращении плоскости поляриза-
ции, является акустооптическая технология, достаточно подробно рассмотренная нами в разделе
"Оптические модуляторы" (см. разд. 10.4.3.1).
Схема акусто-оптического фильтра (см. рис. 10-48) [336] представляет собой п-п кристалл
ниобата лития, в котором сформированы титановые волноводы. На кристалле монтируется пьезоэлек-
трический вибратор акустических волн, управляемый ВЧ-источником с частотой 170-180 МГц. Вибра-
тор генерирует поверхностную акустическую волну (ПАВ), распространяющуюся по тонкопленоч-
ному акустическому волноводу, расположенному в центре под углом к основному световому потоку.
. Слева и справа от него расположены поляризационные расщепители светового потока.
ТМ
ТЕ ТЕ
Х2....Д32,
Оптический_____
входной сигнал
Поляризационный
расщепитель пучка
ТМ
ТЕ
ТМ
LiNbO
f1,f3
Управляющий
входной сигнал
Черный - ТЕ (поперечно-поляризованная электрическая волна)
Синий - ТМ (поперечно-поляризованная магнитная волна)
тм тм
ТЕ
л.2( А.4,
выходной сигнал
(оптические)
мдз,...,;.зг
Поляризационный
расщепитель пучка
Рис. 10-48. Схема акустооптического перестраиваемого фильтра
Фильтр функционирует следующим образом: входной расщепитель разделяет входной поток
на ТЕ (показана внизу) и ТМ (вверху) моды, которые в потоке проходят через акустический волно-
вод. ПАВ этого волновода приводит к гармоническому изменению показателя преломления в нем
(возникновению акустической решетки Брэгга). Это создает условия для "акустической" (звуковой)
дифракции Брэгга или вращению на 90° плоскости поляризации одной из длин волн, которая и
фильтруется вторым расщепителем на выходе, как несущая, выводимая из мультиплексора.
Достоинством фильтра является возможность изменения длины волны выводимого сигна-
ла путем изменения частоты управляющего генератора, возбуждающего ПАВ, а следовательно,
постоянной решетки Брэгга. Фильтр может быт настроен на вывод одной несущей, группы несу-
щих или всех несущих. Другими достоинствами такого фильтра являются: низкий уровень вноси-
мых потерь, низкая потребляемая мощность, широкая полоса перекрытия при перестройке (по-
рядка 80 нм в 3 окне) и независимость от скорости передачи данных. Температурная нестабиль-
ность компенсируется использованием стабилитаторов.
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
Развитие оптоволоконных сетей связи сначала шло по линии увеличения скоростей переда-
чи, используя иерархию SDH/SONET и схему "одно волокно - один канал". Промышленные систе-
мы связи быстро перешли с STM-1 (155 Мбит/с) на STM-4 (622 Мбит/с), а затем и на STM-16 (2,5
Гбит/с). Необходимость такого интенсивного развития диктовалась быстрым ростом трафика
Internet ввиду его популярности и расширения числа предоставляемых им услуг. Увеличение емко-
сти каналов доступа к сети Internet, в свою очередь, давало возможность пользователям широко ис-
пользовать каналоемкие мультимедийные приложения, что, как положительная обратная связь, за-
ставляло операторов сетей доступа увеличивать, как число каналов, так и скорость передачи по ним.
Некоторая задержка на этом "интенсивном" пути развития произошла при переходе от
STM-16 (2,5 Гбит/с) к STM-64 (10 Гбит/с). С одной стороны были объективные трудности в соз-
дании электронных компонетов систем SDH для этого диапазона частот, с другой - "старые" типы
ВОК в большинстве своем не обеспечивали нужную надежность систем связи благодаря возрос-
шему влиянию дисперсии поляризованной моды PMD. Результаты этой задержки заставили ис-
кать новые "оптические решения" не только производителей ВОК и приверженцев "интенсивного"
пути развития, но и приверженцев "экстенсивного" пути развития, а именно: организации не-
скольких оптических каналов в одном волокне.
Производители ВОК откликнулись на этот вызов созданием новых образцов оптических
кабелей (см. гл. 12), приверженцы "интенсивного" пути развития видели выход не только в разра-
ботке новых высокоскоростных электронных схем, пригодных для использования в мультиплек-
сорах SDH/SONET на скоростях STM-64 и STM-256 (40 Мбит/с), но и в создании солитонной
технологии передачи. Приверженцы же "экстенсивного" пути развития предложили широко ис-
пользовать известную технологию спектрального мультиплексирования и двигаться в направле-
нии создания полностью оптических сетей с оптической коммутацией оптических несущих, ка-
налов и пакетов и их оптической же маршрутизацией.
Ниже будут рассмотрены эти новые направления и технологии с той подробностью, кото-
рая соответствует масштабам их современного использования.
11.1. Основы технологии WDM
11.1.1. Введение в технологию WDM
Оптическое мультиплексирование с разделением по длинам волн (называемое также волновым, или
спектральным мультиплексированием) - МРДВ (WDM) - сравнительно новая технология оптического
(или спектрального) уплотнения. Схема такого мультиплексирования была показана в разд. 1.3.4. •+'
Не вдаваясь глубоко в историю вопроса, хочется отметить, что технология WDM была
разработана очевидно раньше 1980 г., несмотря на утверждение J.-P.Laude (компания Instruments
SA) о приоритете компании в разработке указанной технологии, сделанное в [204] и повторенное
автором этой книги в статье [301]. Наиболее ранние описания не только техники волнового муль-
типлексирования, но и разработанных мультиплексоров/демультиплексоров WDM, обнаруженные
автором, относятся к 1977 г. [337, 338], тогда как первая найденная автором публикация J.-P.Laude
датирована 1981 г. [340].
Это говорит о том, что WDM (как технология) стала активно разрабатываться с начала 70-
х годов. Первые устройства были расчитаны на использование в популярном в то время 1 окне
(700-850 нм) [339] с ориентацией на многомодовое ОВ, предназначались для объединения 2-4 ка-
360
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
налов и базировались на макро- и микрооптике. Затем, в силу общей тенденции, произошло сме-
щение акцентов в сторону 2 и 3 окон и в пользу одномодового ОВ.
В 1985 г. специалистам Bell Labs (AT&T) впервые удалось мультиплексировать 10 каналов
(2 Гбит/с) с разносом 1,3 нм. С тех пор вот уже 15 лет эта технология совершенствуется и набира-
ет силу. Однако вплоть до 1995 г. (насколько известно автору) она была мало распространена.
Первые практические системы использовали для целей мультиплексирования потоков направлен-
ные ответвители, чтобы объединить два канала в одном волокне. Затем мультиплексоры WDM
стали использоваться для объединения двух несущих 1310 и 1550 нм в одном волокне, давая воз-
можность не только удвоить емкость ВОЛС, но и сопрячь старые сети на одномодовом ОВ (ис-
пользующие 1310 нм) с новыми (использующими 1550 нм).
Время широкого признания WDM как конкурентной технологии фактически пришло пять лет
назад, когда появились первые полнодуплексные 4 канальные системы с разносом несущих 800-400
ГГц. Их быстрому внедрению мешала высокая стоимость оборудования WDM и быстрый прогресс в
области создания массовых и дешевых мультиплексоров SDH/SONET. Однако последние три года эта
технология резко увеличила свое распространение на сетях операторов дальней связи. Сейчас про-
мышленные системы WDM позволяют объединять до 128-160 каналов, а. та же Bell Labs, сообщила в
начале 2000 г. об удачных экспериментах по мультиплексированию 1024 каналов в одном волокне.
В настоящее время WDM играет для синхронных оптических систем передачи ту же роль,
что и мультиплексирование с частотным разделением МЧР (FDM) для аналоговых систем пере-
дачи данных в 60-е годы. По этой причине системы с WDM часто называют системами оптиче-
ского мультиплексирования с частотным разделением ОМЧР (OFDM). Однако по сути своей
эти технологии (FDM и OFDM) существенно отличаются друг от друга. Отличие OFDM от FDM
не только в том, что OFDM использует оптический, а не электрический сигнал.
FDM использует механизм AM модуляции с одной боковой полосой -ОБИ и определенную
систему поднесущих. Модулирующий сигнал для поднесущих одинаков по структуре, так как является
стандартным каналом ТЧ (см. разд. 1.З.1.). При OFDM механизм модуляции, необходимый в FDM для
сдвига несущих, вообще не используется, несущие генерируются отдельными источниками (лазерами),
сигналы которых затем объединяются мультиплексором в единый многочастотный сигнал. Каждая его
составляющая (несущая) принципиально может передавать поток цифровых сигналов, сформирован-
ный в соответствии с методами, применяемыми в различных синхронных технологиях. Например, одна
несущая формально может передавать ATM трафик, другая SDH, третья PDH и т.д. Для этого несущие
модулируются цифровым сигналом, соответствующим передаваемому трафику.
11.1.2. Модель взаимодействия транспортных технологий
Формально для систем WDM не важно, какие методы кодирования и формирования конкретного
цифрового сигнала использовались. Хотя, как правило, в этих системах и передается однотипный
трафик, но это диктуется, как правило, используемым методом синхронизации и единообразием
процесса обработки. В отличие от систем SDH транспортируемый сигнал не упаковывается в кон-
тейнеры и не подвергается обработке в соответствии со структурой мультиплексирования SDH
для формирования транспортного модуля STM-N, который только и может быть передан через
физический уровень в канал связи (среду передачи).
Если упрощенно представить многоуровневую модель взаимодействия основных техно-
логий SDH/SONET, ATM и IP (без учета возможности переноса IP через ATM), осуществляющих
транспортировку сигнала в глобальных цифровых сетях, то до появления систем WDM она имела
вид, представленный на рис. 11-1,а. Модель состояла из трех уровней и среды передачи и показы-
вала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM, IP) через оптическую среду пере-
дачи он должен быть инкапсулирован в транспортные модули/сигналы STM-N/STS-n(OC-n), спо-
собные, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, пройти через физический
уровень в оптическую среду передачи. Отсюда была ясна необходимость создания технологий ин-
капсуляции ячеек ATM, например, в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или в вирту-
альные трибы SONET (ATM over SONET), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
361
SONET), чем и занимались соответствующие подкомитеты по стандартизации в ANSI, ISO, ITU-T,
ETSI, разрабатывая стандарты на эти технологии.
ATM IP
SDH/SONET
Физическим уровень
Оптическая среда передачи
а)
ATM IP ATM IP
SDH/SONET
WDM
Физический уровень
Оптическая среда передачи
б)
Рис. 11-1. Модель взаимодействия основных транспортных технологий:
а) до внедрения технологии WDM; б) после внедрения технологии WDM
После появления систем WDM модель принимает вид, представленный на рис. 11-1,6. Те-
перь модель имеет три или четыре уровня, не считая среды передачи. Появился промежуточный
уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий
через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологии
SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.
Технология WDM не требует инкапсуляции ячеек ATM или пакетов IP в промежуточный
транспортный модуль/сигнал, что не только упрощает процедуру обработки и транспортировки
трафика, генерируемого системами ATM или IP, но и существенно уменьшает длину заголовков,
повышая процент информационной составляющей трафика, а значит и эффективность передачи в
целом. Естественно, что ATM и IP трафик может быть передан и по традиционной схеме с ис-
пользованием SDH/SONET, трафик которых может быть также передан с помощью систем WDM,
что сохраняет преемственность старых схем транспортировки и увеличивает гибкость систем
WDM-SDH/SONET в целом.
11.1.3. Блок-схема систем с WDM
Упрощенная схема системы с WDM (для примера показаны четыре канала) имеет вид, представ-
ленный на рис. 11-2 (показан один прямой канал).
Передающая часть
Принимающая часть
Рис. 11-2. Блок-схема системы с WDM
Передающая часть системы принимает п (п=4) входных потоков данных (кодированных
цифровых импульсных последовательностей с длиной волны несущей Т,) от различных источни-
ков (для примера на 1-ом канале показан SDH мультиплексор SMUX, на n-ом канале - ATM муль-
типлексор). Эти потоки обрабатываются соответствующими интерфейсными блоками Инпц и мо-
дулируют несущие (модуляция осуществляется основной полосой) с помощью оптических моду-
ляторов Mi. Модулированные оптические несущие с длиной волн Д- мультиплексируются (объе-
362
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
диняются) с помощью мультиплексора WDM Мих в агрегатный поток на выходе, который после
усиления (с помощью бустера или мощного усилителя МУ) подается в волокно.
Приемная часть системы принимает поток с выхода волокна, усиливает его предваритель-
ным усилителем ПУ, демультиплексирует, т.е. разделяет на составляющие потоки с несущими Я/,
которые детектируются с помощью детекторов Д, (на их входах могут дополнительно использо-
ваться полосовые фильтры Ф-, для уменьшения переходных помех и увеличения помехоустойчи-
вости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДМ,, восстанавливающими
на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности, подаваемые на
вход демультиплексоров соответствующих технологий (см. рис. 11-2). Кроме МУ и ПУ в системе
могут быть использованы и линейные усилители ЛУ (как рассматривалось выше).
11.1.3.1 . Узкополосные и широкополосные WDM _
Эра WDM, как указывалось выше, практически началась с объединения двух несущих 1310 и 1550
нм, что позволяло удвоить емкость системы и было оправдано всей историей развития ВОЛС.
Многие стандартные системы SDH предлагают это сейчас, как один из вариантов исполнения, на-
пример, [121]. Ряд исследователей называет такие системы широкополосными WDM (разнос по
длине волны составляет 240 нм) в противовес узкополосным WDM (разнос у них на порядок ниже -
24-12 нм, что давало возможность разместить в окне 1550 нм 4 канала) [248].
Такое деление систем WDM на узкополосные и широкополосные кажется на данный мо-
мент не совсем корректным, так как у "широкополосных" WDM спектр не перекрывался, а состо-
ял из двух изолированных полос. С другой стороны в настоящее время формируется класс дейст-
вительно широкополосных систем DWDM, полоса которых перекрывается в смежных окнах
прозрачности (3-м и 4-м), формируя полосу порядка 92 нм от 1528-1620 нм (в будущем эта полоса,
возможно, будет перекрывать диапазон 1280-1620 нм), если ориентироваться на характеристики
пионера в этой области WaveStar AllMetro DWDM System компании Lucent Technologies, исполь-
зующей волокно, устраняющее пик поглощения в области 5-го окна прозрачности (1383 нм) [250].
11.1.4. Канальный (частотный) план
Хотя рассчитывать и сейчас на совместимость оборудования разных производителей систем
DWDM не приходится, необходимо было стандартизовать номинальный ряд несущих - "каналь-
ный (частотный) план", чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также позициониро-
вать уже существующие WDM и DWDM системы. Эту задачу в первом приближении решил МСЭ,
выпустив стандарт в конце 1998 г. ITU-T Rec. G.692 [247].
11.1.4.1. Стандартный канальный план
Первоначально в основу проекта стандарта ITU-T G.692 (он был предложен как G.mcs в 1997 г.)
был положен канальный план с равномерным расположением несущих частот каналов с мини-
мальным разносом (шагом) каналов на 0,1 ТГц, или 100 ГГц. Выбранная область частот покрыва-
ет стандартизованный диапазон Лст-5,1 ТГц и практически соответствует диапазону длин волн
(от 1528,77 до 1569,59 нм) АВХ широко используемых оптических усилителей. При использова-
нии постоянного шага h=0,l ТГц (100 ГГц) в этом диапазоне можно максимально разместить 51
канал с несущими, указанными в верхнем ряду табл. 11-1 (для пересчета на длины волн использу-
ется формула Я = c/f= 2,9979245 8-1017// [нм/Гц], при этом шаг по X получается разным от 0,780
до 0,821 нм, или в среднем 0,8 нм), см. табл. 11-1,а:
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
Таблица 11-1а. Стандартный канальный план с разносом каналов на 100 ГГц
(ТГц 196,1 196,0 195,9 195,8 195,7 191,4 191,3 191,2 191,1 191,0
А, нм 1528,77 1529,55 1530,33 1531,12 1531,90 1566,31 1567,13 1567,95 1568,77 1569,59
Кроме указанного предполагалось использование шага 0,2 ТГц (200 ГГц, или в среднем 1,6
нм), см. табл. 11-1,б ниже):
Таблица 11-16. Стандартный канальный план с разносом каналов на 200 ГГц
f, ТГц 196,1 195,9 195,7 195,5 195,3 191,9 191,7 191,5 191,3 191,1
А, нм 1528,77 1530,33 1531,90 1533,47 1535,04 1562,23 1563,86 1565,50 1567,13 1568,77
Предлагались также другие большие шаги 0,4 ТГц (400 ГГц, или 3,2 нм), 0,6 ТГц (600 ГГц,
или 4,8 нм) и 1,0 ТГц (1000 ГГц, или 8,0 нм). Так, для шага 400 ГГц предлагалось два альтерна-
тивных плана, рассчитанных на использование только 4 каналов (см. табл. 11-1,в):
Таблица 11-1 в. Стандартный канальный план с разносом каналов на 400 ГГц
(ТГц 193,9 193,5 193,1 192,7 192,3 или 193,7 193,3 192,9 192,5
А, нм 1546,12 1549,32 1552,52 1555,75 1558,98 1547,72 1550,92 1554,13 1557,36
В работе [250] приведена таблица соответствия канальных планов оборудования WDM семи
ведущих производителей канальному плпну ITU-T по состоянию на 1.10.98, из которой было видно,
что все они соответствуют этому плану, так как не используют шага меньше 100 МГц (таблица не
включала компанию Ciena). Кроме того оказывалось (см. табл. 11-2), что весь стандартный диапазон
Дст поделен на два поддиапазона: S (Short band), использующий более короткие длины волн, и L
(Long band), использующий более длинные волны, в обозначении компании Alcatel [249] (компания
ECI для тех же поддиапазонов использует обозначения В (Blue): 1529-1545 нм и R (Red): 1545-1560
нм [257]. Эти обозначения в настоящее время стали доминирующими.).
Выбор того или иного поддиапазона диктуется неравномерностью АВХ, достижимой в
нем. Анализируя АВХ оптических усилителей становится ясно, что более предпочтителен в этом
смысле поддиапазон L, позволяющий получить хорошую неравномерность даже со стандартными
ОУ без специального выравнивания.
Упомянутая таблица может быть представлена в следующем расширенном виде (см. табл. 11-2):
Таблица 11-2. Практика использования стандартного канального плана
Компания Alcatel Bell core Cambri an Ciena IBM Lucent MCI Nortel Osi-com Pirelli (Cisco)
Шаг (разнос) 0,2; 0,1 0,2 0,2;0,1 0,1:0,05 0,4 0,1 0,4; 0,1 0,1 0,2; 0,1 o,1
Начало плана S 1531,90 - - - 1530,33 1528,77 -
Конец плана S 1542,94 - - - 1541,35 1539,77 -
Начало плана L 1547,72 1547,72 1545,32 1550,12 1549,32 - 1546,92
Конец плана L 1558,98 1558,98 1560,61 1560,61 1560,61 - 1558,98
Число каналов 8L;16S;32-40SL 8L 16;32 16L; 40L 10 16L 4L;8S 8S 8; 16 16L
" Из табл. 11-2, где S и L соответствуют указанным выше поддиапазонам, видно, что в настоящее
время компании Ciena, а в будущем видимо и другие компании, использующие шаг 0,05 ТГц (50 ГГц),
выйдут за рамки первоначального стандартного плана, желая увеличить число каналов как в области
наиболее плоской АВХ стандартного ОУ (Ciena), так и во всей стандартизованной области выравнен-
ного усиления ОУ 1529-1565 нм. Однако этого не произошло, так как к моменту публикации проект
364 Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
стандарта был скорректирован и в окончательной версии (на 23.10.98), появилась таблица с канальным
частотным планом, учитывающим и меньший шаг 0,05 ТГц (50 ГГц, или 0,4 нм).
Ясно, что число каналов, которое можно разместить в стандартном диапазоне, можно оце-
нить по формуле Nif=[Acn/h], где функция Int означает операцию взятия целой части. Используя ее,
получим табл. 11-3 (где в верхней строке указан шаг, а в двух нижних - соответствующее ему мак-
симальное число каналов Nh, и число каналов Nh2, выбираемое по схеме шага, кратного 2"):
Таблица 11-3. Оценка максимального числа каналов, реализуемых в полосе ОУ 5,1 ТГц
h, ТГц 1 0,6 0,5 0,4 0,2 0,1 0,05
Nh 5 8 10 12 25 51 102
Nh2 4 8 8 8 16 32 64
Из этой таблицы видно, что схема канального плана с числом каналов кратным 2", которой
придерживаются ряд производителей, нерациональна с точки зрения использования стандартизо-
ванной выравненной полосы ОУ. В окончательной редакции стандарта ITU-T G.692 [247] допус-
кается формирование не более 41 канала для шага 100 ГГц и 81 канала для шага 50 ГГц. Этот по-
казатель уже перекрыт рядом компаний, производящих 96 (Ciena), 128 (Pirelli-Cisco) и 160
(Cambrian-Nortel) канальные системы (см. табл. 11-5).
11.1.4.2. Перспективный канальный план
Расширения числа каналов можно достичь тремя путями: уменьшением шага h до 0,05 ТГц (50
ГГц) и частичным расширением частотного плана до 191,0 ТГц, что дает возможность довести
число каналов максимально до 102; кардинальным уменьшением шага до 25 ГГц и удвоением
числа каналов до 162 (в рамках G.692) или, максимально, до 204; расширением стандартной поло-
сы Аст вправо до частот порядка 186 ТГц (1612 нм), что позволяет удвоить Аст до величины 10,2
ТГц (84 нм) за счет частичного использования 4-го окна прозрачности (1600 нм) [250]. Первый
путь был использован компанией Ciena [252], второй - Lucent [250]. Эксплуатация вдвое большей
полосы (2x5,1 ТГц), хотя и требует использования специальных сверхширокополосных оптических
усилителей СШПУ (UWBA) с АВХ, охватывающих полосу 10,2 ТГц, но дает возможность увели-
чить число каналов до 102 при шаге 100 ГГц, до 204 при шаге 50 ГГц и до 408 при шаге 25 ГГц.
Это можно сделать, как мы видели выше (см. 10.1.7.), разбивая общую полосу усиления на
две, называемые С-Band (Conventional Band) - обычная полоса и L-Band (Longwave Band) - динн-
новолновая полоса (в терминологии Bell Labs.) - не путайте с поддиапазоном L band в терминоло-
гии Alcatel, который теперь оказывается расположенным в правой половине C-Band). В этом
смысле логично использовать обозначения ECI, т.е. говорить о C-band, как о полосе, состоящей из
высокочастотной части (синей полосе) В и низкочастотной части (красной полосе) R. Тогда, для
систем WDM получаем следующую перспективную схему канального плана на 102 канала с ша-
гом 100 ГГц и на 204 канала с шагом 50 ГГц (см. рис. 11-3):
194,0 ТГц
1545,32 нм
|4 Синяя (В) - м Красная (R) - ►>
◄ — C-Band ► ◄ L-Band ►
196,1 ТГц 1528, 77 нм 40,82 нм 191,0 ТГц 1569,59 нм 43,06 нм 185,9 ТГц 1612,65 нм
Рис. 11-3. Перспективная схема расширенного канального плана
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
365
В настоящее время есть тенденция расширения этого плана вправо, по меньшей мере до
1620 нм. Вместе с тем ясно, что дальнейшее расширение числа каналов потебует расширения ка-
нального плана влево в сторону коротких волн. Формально (с точки зрения уровня затухания) ос-
воение полного диапазона 1260-1620 нм (185,06-237,93 ТГц) длиной 360 нм (в некоторых работах
его расширяют до 400 нм за счет сдвига правой границы до 1660 нм) позволит разместить огром-
ное количество каналов: 528 (при шаге 100 ГГц), 1057 (при шаге 50 ГГц) и 2114 (при шаге 25
ГГц). Однако лимитирующим здесь будет реализованная полоса усиления широкополосных ОУ
(перекрыть одним усилителем полосу в 53 ТГц в настоящее время не представляется возможным).
Другой путь - еще большое уменьшение шага до 12,5 ГГц (~0,1 нм) - также кажется пределом
возможного. Пока такая точность реализуется только измерительными приборами и не поддержи-
вается существующими мультиплексорными модулями WDM.
11.1.5. Классификация WDM на основе канального плана
В
В различных публикациях на тему WDM принято выделять три типа мультиплексоров WDM:
- обычные WDM - МРДВ,
- плотные WDM (DWDM) - ПМРДВ,
- высокоплотные WDM (HDWDM) - ВПМРДВ.
Хотя до сих пор и нет точных границ деления между этими типами, можно предложить,
вслед за специалистами компаний Alcatel и ECI, некоторые границы, основанные на исторической
практике разработки систем WDM и указанном выше стандарте G.692 [247] с его канальным пла-
ном (см. также [249, 250]), называемым также "волновым планом" или "частотным планом", в за-
висимости от того, используется ли волновая или частотная шкала канального плана. Итак, можно
называть:
- системами WDM - системы с шагом (разносом) каналов по частоте >200 ГГц, позволяющие
мультиплексировать не более 16 каналов,
- системами DWDM - системы с шагом (разносом) каналов по частоте равным 100 ГГц, позво-
ляющие мультиплексировать не более 64 каналов,
- системами HDWDM - системы с шагом (разносом) каналов по частоте <50 ГГц, позволяющие
мультиплексировать более 64 каналов.
Если число каналов в этой спецификации можно считать достаточно условным; то шаг по
частоте играет принципиальное значение, в последней позиции он может быть и 25 ГГц.
11.1.6. Технологии и схемы реализации мультиплексных модулей WDM
Первые мультиплексоры класса WDM, как известно, использовались для мультиплексирования
двух несущих 2-го и 3-го окон прозрачности - 1310 и 1550 нм, расстояние между которыми 240 нм
было настолько большим, что при реализации не требовалось специальных фильтров для их раз-
деления. Дальнейшие усилия, направленные на улучшение селективности (уменьшение разноса
каналов) при использовании традиционной технологии оптических фильтров на базе дискретной
оптики позволили достичь следующих результатов:
- разнос каналов - 20-30 нм;
- переходное затухание между каналами 20 дБ;
- уровень вносимых потерь - 2-4 дБ.
Это позволило формировать не более 4 каналов во 2-м окне прозрачности в 1987-1990 гг.
[170]. В 1996-1999 гг. произошел существенный прорыв в технологии мультиплексирования, обу-
словленный с одной стороны переходом к интегральным оптическим технологиям, с другой - ми-
ниатюризацией и улучшением качества изготовления элементов традиционной дискретной опти-
ки, появлением промышленной микрооптики.
Ниже кратко рассмотрены основные технологии мультиплексирования-демультиплек-
сирования. Учитывая, что процедуры мультиплексирования и демультиплексирования взаимно
366
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
обратные и мультиплексор выполняет те же функции, что и демультиплексор, если заменить вход
на выход, поэтому мы будем рассматривать только демультиплексоры.
Все демультиплексоры можно разделить на два больших класса: демультиплексоры на
микрооптических устройствах и на оптоволоконных направленных разветвителях [341].
Первый класс устройств использует микрооптику для реализации двух основных техно-
лоОгий мультиплексирования, основанных на разделении несущих с помощью фильтрации на ос-
нове:
- интерференционных фильтров’,
- явления угловой дисперсии.
11.1.6.1. Технология мультиплексирования на основе интерференционных фильтров
Технология на основе интерференционные фильтры наиболее старая и известная, так как исполь-
зует известные принципы работы резонатора Фабри-Перо, рассмотренные в разд. 10.5.3.
Так как один интерференционный
фильтр разделяет поток А], ... , Ап на два по-
тока: А] и А2, ... , Ап, т.е. способен выделить
только одну несущую из многоволнового
потока, то для демультиплексирования п не-
сущих необходимо установить п фильтров.
Схема такого демультиплексора на 4 длины
волны приведена на рис. 11-4. Из него вид-
но, что эти фильтры сформированы (напы-
лены) по обе стороны стеклянного блока
(плоскопараллельной пластины, служащей
для отражения непроходящего через фильтр
потока) и снабжены специальными линзами
для коллимации* и фокусировки светового
потока. В данной конструкции для этой цели
используются так называемые оптоволо-
конные GRIN-линзы*. и : ;
Нужно учитывать, что затухание та-
ких фильтров на центральной частоте поло-
сы пропускантя достаточно велико, что де-
лает целесообразным их использование в
WDM с 4-8 каналами.
Рис. 11-4. Схема демультиплексора WDM на интерференционных фильтрах
11.1.6.2. Технология мультиплексирования на основе явления угловой дисперсии
Эта технология использует совершенно другие физические принципы: входной коллимированный
пучок, падающий на диспергирующий элемент, разделяется им на несколько пучков, в зависимо-
сти от длины волны несущих. Эти пучки, расходящиеся под различными углами, фокусируются и
собираются отдельными оптическими элементами. На выходе (в фокальной плоскости) этих эле-
ментов формируются изображения входного пучка, размеры которых юстируются так, чтобы они
соответствовали диаметру сердцевины выходного ОВ. Существует ряд проблем в получении нуж-
ного четкого изображения выходного пучка, обсуждение которых можно найти в [341].
В качестве диспергирующих элементов могут быть использованы:
- призмы, как проходные, так и отражательные (схема Литтроу* - Littrow - более предпочти-
тельна, так как позволяет использовать один комплект линз и уменьшить габариты устройств);
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
367
- дифракционные решетки (плоская, отражательного типа), как с разделением входного и вы-
ходного пучков, так и с их совмещением (схема Литтроу).
Дифракционные решетки нашли наиболее широкое применение в качестве демультиплек-
соров WDM. Устройства, основанные на них можно разделить по конструкции на две категории:
• плоские линейные решетки с отдельными фокусирующими элементами-,
• самофокусирующиеся системы с решетками.
Наиболее удачной конструкцией первого типа можно считать цилиндрическую GRIN-линзу
с наклонной плоской дифракционной решеткой (на стороне противоположной входу) [341]. Среди
конструкций второго типа можно отметить ряд удачных (все используют схему Литтроу) [341]:
- схема, использующая для коллимирования и самофокусировки вогнутое зеркало с плоской
дифракционной решеткой (см. ниже схему 3DO),
- схема, использующая для самофокусировки двояковогнутую дифракционную решетку,
- схема, использующая для самофокусировки вогнутую цилиндрическую дифракционную ре-
шетку и планарный волновод.
11.1.6.3. Современные технологии мультиплексирования
Указанные выше технологии были разработаны в конце 80-х годов [342]. В 90-е годы стали ин-
тенсивно развиваться интегральные оптические технологии, в результате в настоящее время ис-
пользуются три конкурирующие технологии выделения каналов (демультиплексирования) [204].
Две из них, на основе интегральной оптики, используют технологии выделения несущих с помо-
щью либо дифракционной решетки на массиве волноводов - AWG (Arrayed Waveguide Grating)
[253], либо вогнутой дифракционной решетки - CG (Concave Grating), являющуюся фактически
развитием технологий самофокусировки с вогнутыми решетками, описанными выше. Третья - на
основе дискретной микрооптики, использует технологию выделения несущих с помощью трех-
мерного оптического мультиплексирования - 3DO (3-D Optics WDM) [204], являющуюся фак-
тически развитием технологии самофокусировки с -вогнутым зеркалом и плоской дифракционной
решеткой, описанной выше. Ниже мы рассмотрим более подробно технологии AWG и 3DO, как
наиболее перспективные.
Технология, использующая дифракционную решетку на массиве волноводов
В основе первой из них (см. рис. 11-5,а) положен обобщенный принцип инетерферометра Ма-
ха-Цендера*. Мультиплексор AWG состоит из двух многопортовых разветвителей* (входного и вы-
ходного), соединенных массивом планарных оптических волноводов (МПОВ). Длина каждого волно-
вода L( отличается от соседних на фиксированную величину AL, т.е. Lj = Lr.i + AL, Lr+i = Lr + AL. Сле-
довательно, каждую пару волноводов вместе с входным и выходным разветвителями можно рассмат-
ривать как интерферометр Маха-Цендера, a AWG в целом - как обобщенный интерферометр Маха-
Цендера, т.е. устройство, генерирующее п копий входного сигнала (с помощью входного разветвите-
ля), распространяющихся в одинаковых средах различной длины, и складывающее эти сигналы, при-
шедшие с разным фазовым запаздыванием, на выходе (с помощью выходного разветвителя).
AWG может использоваться как мультиплексор (п:1), осуществляющий объединение п
входных сигналов с группы входных портов Я/, Я/,---, Я,/, в один выходной - Яй, или демультип-
лексор (1:п), осуществляющий разбиение входного потока Я« = 2Я/ (i=l,2, ... п) на отдельные не-
сущие А], &2 f‘"9 Ап и подачу их на группу выходных портов п.
Эту схему конечно можно было реализовать с помощью соединения п/2 MZI, однако схе-
му AWG проще реализовать в виде планарной схемы с помощью интегральных оптических тех-
нологий, так как входной и выходной разветвители и массив волноводов реализуются на одной
кремниевой подложке. Волноводы реализуются в виде планарных оптоволоконные световодов
(диоксид кремния, легированный Ge или Та), сформированных на этой же подложке. 32-
канальные AWG производятся промышленностью в виде готовых модулей, отличающихся малы-
368
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
ми габаритами и средним уровнем вносимых потерь (см. табл. 11-4). Их температурный коэффи-
циент достаточно высок (0,01 нм/°С), что требует использования стабилизаторов температуры.
б)
Рис. 11-5. Схема мультиплексирования WDM на основе дифракционной решетки на массиве волноводов:
а) схема мультиплексора с входным и выходным разветвителями; б) конструкция входного разветвителя по
схеме с кругом Роуленда; в) схема мультиплексора с одним разветвителем и отражающим зеркалом
Принцип работы мультиплексора AWG
Допустим, что он имеет входной пхт и выходной тхп разветвители, соединенные масси-
вом из т световодов, длина которых отличается на AL, т.е. £/+/ = Li + AL. Входной разветвитель
расщепляет сигнал с любого входного порта i на т входов массива световодов, пусть это будет
световод к. Пусть далее выходной разветвитель соединяет любой из т выходов массива светово-
дов с выходным портом /. Тогда общий путь, проходимый светом от порта i до порта j через све-
товод к равен Dikj = (dik + Lk + dkj). Длина Lk = Lk + (k-l)AL, где Lt длина минимального (первого)
световода. Пусть аналогично длина dik = d, + (k-l)Sdh a dkj = dj + (k-l)8dj, где dt и dj минимальные
пути пути между входными/выходными портами разветвителей и входами/выходами световодов.
Тогда относительные фазы сигналов, проходящих от порта i до порта j через любой световод к,
т.е. к = 1, 2, ... ,т, равны:
(pikj = 27tni(di + dj)/A + 2л(к-1) {ni(8di + Sd^ + n2 AL}/A. (11-1)
Здесь n2 и П] - коэффициенты преломления материала световодов (и2) и входного и выходного
разветвителей (и2).
Первое слагаемое в (11-1) постоянно, второе - дает изменение относительной фазы 8<plkj.
Те из волн, проходящих по пути Dikj , для которых {nrfSdi + 8dj) + п2 AL} = рА будут складываться в
фазе на выходе /, а, следовательно, несущая А будет демодулироваться. Указанное условие будет
выполняться (но для другого А), если заменитьр наp+L, т.е. будет демодулироваться А и т. д. Это
говорит о том,что:
- АВХ мультиплексора AWG имеет периодическую, гребенчатую форму;
- все длины волн системы WDM должны лежать в соответствующем свободном спектральном
диапазоне FSR.
Указанные свойства напоминают нам интерферометрический фильтр на резонаторе Фаб-
ри-Перо, а физика работы говорит о том, что массив световодов с длиной каждого, отличающейся
от соседних на AL, играет роль дифракционной решетки, что делает понятным его название -
мультиплексор на основе дифракционной решетки на массиве волноводов.
Для понимания работы этого широко используемого типа мультиплексоров WDM инте-
ресно сделать некоторые замечания, касающиеся некоторых деталей конструкции мультиплексе-
лава 11
Новые технологии оптических сетей связи
369
ра, играющих важную роль в выполнении условий фильтрации (сложения в фазе компонентов
сигнала на выходе) поясняемых рис. 11-5,6, а именно [299]:
- входы массива световодов (выходные порты входного разветвителя) лежат на окружности ре-
шетки волноводов ОРВ (grating circle) радиуса R с центром в точке входа центрального вход-
ного волновода,
- входы других входных волноводов лежат на окружности (вписанной в ОРВ между ее центром и
точкой касания общей касательной) диаметра /?; эта окружность называется кругом Роуленда,
- шаг распределения входных ОВ и массива световодов постоянен в направлении касательных в
точках, между которыми вписан круг Роуланда;
- длина дуги ОРВ, занимаемая входами массива световодов, должна быть много меньше /?;
- при соблюдении вышеперечисленного длина пути между любым входом входного разветвите-
ля и его любыми двумя последовательными выходными портами постоянна;
- при соблюдении вышеперечисленного диапазон FSR примерно постоянен и не зависит от вы-
бора пары вход-выход (z-j) мультиплексора.
Для сокращения размеров мультиплексора вдвое и экономии компонетов можно использо-
вать схему Литтроу для компоновки мультиплексора, разрезав его схему на рис. 11-5,а пополам и
поместив в плоскости разреза зеркало (см. рис. 11-5,в). Потоки несущих с выхода массива свето-
водов будут отражаться зеркалом и подаваться со стороны внутренних выходных портов единст-
венного разветвителя в тот же волновод разветвителя, где будет происходить интерференция
входных и отраженных волн. Входной порт должен размещаться при этом в центральном входном
порту разветвителя.
Технология самофокусировки с вогнутым зеркалом и плоской решеткой
Эта технология, названная в [204] технологией трехмерного оптического мультиплек-
сирования, использует фактически классичекую схему самофокусировки с плоской отражатель-
ной дифракционной решеткой (1), вогнутым зеркалом (2) и массивом волоконных световодов (3)
(см. рис. 11-6,а), размещенных в пазах физической решетки с фиксированным шагом (см. рис. 11-
6,в). Схема работы (в режиме демультиплексора) проста: мультиплексированный поток из вход-
ного волокна (А), расходясь конусом с углом /3, отражается от зеркала и падает на дифракцион-
ную решетку, отражающую под разными углами свет разной длины волны. Эти дифрагированные
лучи отражаясь от зеркала фокусируются в определенных точках, где и должны быть расположе-
ны приемные порты массива волокон, выделяющих соответствующие несущие. Для примера по-
казано выделение одного такого канала, конус лучей которого (с тем же углом /7) фокусируется в
точке В (порте выходного волокна).
Рис. 11-6. Схема WDM на основе трехмерного оптического мультиплексирования
а) оптическая схема мультиплексирования; б) конструкция мультиплексора; в) схема организации массива
волокон
Все элементы конструкции строго фиксированы в монолитном стеклянном блоке (4), что
позволяет выдерживать и сохранять высокую точность изготовления (см. рис. 11-6,6). Указанная
конструкция может быть использована как с параболическим, так и сферическим зеркалами, име-
24-48
370
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
ет коэффициент увеличения равный 1. Она афокалъна (т.е. не имеет фокуса), так что все исходя-
щие и входящие в волокна углы одинаковы. Одномодовые волокна укладываются в канавки спе-
циальной физической решетки. Конструкция мультиплексора дает возможность использовать в
решетке до 131 канавки (канала), что позволяет реализовать оптический шаг <1 нм, или до 262 ка-
налов - с шагом <0,5 нм [204].
Во всех указанных решениях процедура мультиплексирования предполагается обратной
по отношению к рассмотренной процедуре демультиплексирования. Параметры мультиплексоров
WDM, реализованных на основе последних трех технологий, сведены в табл. 11-4 [204].
Таблица 11-4. Сравнение различных технологий оптического мультиплексирования
Техно- логия Максима- льное число каналов Разнос ка- налов, нм Вносимые потери, дБ Переходное затухание, ДБ Чувствитель- ность к поля- ризации, % Температурный коэффициент, 0.01 нм/°С
AWG 32-64 0,1 -15 6-8 -5 - -29 2 0,01
CG 78 1 -4 10-16 -7 - -30 2-50 н/д
3-DO 262 0,4 - 250 2-6 -30 - -55 0 н/д
Из табл. 11-4 видно, что технология 3-DO (3-D Optics) WDM имеет преимущество по че-
тырем из пяти параметров и может быть использована в системах WDM до уровня HDWDM с
разносом каналов не меньше 0,4 нм.
11.1.7. Характеристики промышленных мультиплексоров WDM
В настоящее время еще используется "старые" {первого поколения) системы WDM, мультиплекси-
рующие 2 канала с несущими 1310 нм и 1550 нм, соответствующими первому и второму окнам
прозрачности. Эти системы, как уже упоминалось, являются вариантами, доступными при постав-
ке ряда коммерческих систем SONET/SDH. Используется сейчас и определенное количество 4-8-
канальных систем, об одной из них (T31-BDX, компании Pirelli-Cisco) упоминалось ниже. Их
можно условно отнести к системам второго поколения (кроме 4-канальной системы компании
Siemens, см. табл. 11-5).
Бурное развитие систем WDM/DWDM пришлось на 1997-1999 гг., когда были разработа-
ны системы третьего поколения, основанные на стандартном канальном плане и имеющие 16 и
больше каналов. В настоящее время начался этап их повсеместного внедрения. В 1999 г. появи-
лись и системы четвертого поколения, имеющие число каналов 96-160, существенно улучшенные
мультиплексоры оптического ввода-вывода и двухкаскадные ОУ с возможностью включения мо-
дуля DCM между каскадами.
В табл. 11-5 приведены известные автору промышленные системы WDM/DWDM разных
производителей. Если сравнить список производителей оборудования WDM и SDH (см. табл. 2-1
и 11-5), то первый можно разделить на две группы: традиционные производители систем
PDH/SDH и сопутствующего оборудования (Alcatel, ECI, Ericsson, Lucent Technologies, NEC,
Nokia, Nortel, Pirelli (приобретена компанией Cisco), Siemens) и остальные (ADVA, Cambrian
(приобретена компанией Nortel), Ciena, Eonyx, IBM, Osicom) - новые производители. Первые -
разрабатывали системы WDM как транспортные средства применительно к WAN для их исполь-
зования совместно с системами SDH/SONET, вторые - как транспортные средства для MAN (так
называемый класс "Metro" - от слова "metropolitan - городской/столичный", а не от слова "metro-
метро") и LAN, что видно по набору логических интерфейсов систем этих производителей, ис-
пользуемых для стыковки (преобразования) логических форматов сигналов на входе и выходе
систем WDM. В этом смысле к первой группе следует присоединить и компанию Ciena, которая
примыкает к ней не только по длине покрываемой стандартной дистанции (640 км), но и по числу
Глава 11 -
Новые технологии оптических сетей связи
371
используемых каналов (40-96) и даже перекрывает их по используемому минимальному разносу
частот (50 ГГц - пионер использования такого плотного канального плана).
Беглый взгляд на таблицу в целом наглядно демонстрирует разницу систем производите-
лей первой и второй групп, хотя среди последних немало хороших систем у таких компаний, как
Cambrian, IBM, Osicom. Это разница, прежде всего, в следующем:
- в дистанции, покрываемой системами в целом или в числе используемых пролетов и секций,
- в возможности организации кольцевых и полносвязных (ячеистых) топологий,
- в возможности оптического ввода (добавления) и вывода (выделения) каналов (несущих волн) на
транзитных узлах (см. Число каналов Вв/Выв),
- в использовании отдельного оптического управляющего канала (дополнительной несущей вол-
ны), а также специальной иерархической системы управления - TMN.
Общая емкость в расчете на одно волокно у наиболее продвинутых компаний этой группы
составляет в настоящее время 1,28-1,60 Тбит/с, что выше чем у систем производителей второй
группы. Лидерами по этому показателю являются компании Alcatel, Cambrian-Nortel, Lucent
Technologies и Pirelli-Cisco.
В отличие от них компании второй группы предлагают, как правило, более простые и де-
шевые решения, рассчитанные на использование (по длине) одной секции и не имеющих возмож-
ности ввода/вывода отдельных каналов на промежуточных узлах (в силу отсутствия последних).
Однако они имеют больше логических интерфейсов и позволяют работать с сигналами различных
форматов, характерных для технологий, используемых в LAN: ATM, Ethernet, Fast Ethernet,
Gigabit Ethernet, FDDI и широко используют интерфейсы связи с ПК (Fiber Channel) и мини-
компьютерами (ESCON).
Дадим некоторые пояснения используемым в таблице параметрам систем.
- Тип системы - дуплексные, или двунаправленные, (D), используют две оптические несущие на
канал, и полудуплексные, или однонаправленные, (S), используют одну оптическую несущую
на канал. Большинство производителей указывает число каналов п без указания типа системы,
тогда считается, что система в принципе может работать как полудуплексная с п каналами или
как дуплексная с п/2 каналами. Там, где прозводитель явно указал на возможность работы в
дуплексном режиме стоит D или D, S, если нет - то S. В ряде случаев существует несколько ва-
риантов заказных спецификаций, на что нужно обращать особое внимание. Так схема разме-
щения каналов в указанных выше поддиапазонах (В, R) может зависить как от числа каналов п,
реализуемых данной системой WDM, так и от конструктивных особенностей оборудования и
возможностей производителя обеспечить дуплексные (двунаправленные) или полудуплексные
(однонаправленные) каналы. Например, оборудование компании ECI позволяет комплектовать
16 канальную систему как двунаправленную (2x16), размещая по 16 каналов в поддиапазонах
В и R с зазором на 8 каналов на стыке поддиапазонов, либо как однонаправленную (1x16), раз-
мещая 16 каналов в двух поддиапазонах без зазора и без возможности модернизации в вариант
(2x16), или же размещая 16 каналов в одном поддиапазоне В или R с возможностью модерни-
зации в вариант (2x16).
- Код - как правило широко используются два типа линейного кодирования: NRZ и RZ. Первый
позволяет реализовать большую плотность эквивалентных бит на секундный интервал и более
предпочтителен в системах SDH верхних уровней иерархии. Второй - широко используется в
системах DWDM в силу специфики работы модуляторов. Интересно отметить, что система
WL4 компании Siemens использует мультиплексор SDH типа SMA256, работающий на скоро-
сти 40 Гбит/с и реализованный на электронных компонентах (используется электронная систе-
ма мультиплексирования ETDM, а не оптическая - OTDM), что позволяет добиться высокой
общей емкости системы (160 Гбит/с) уже при 4-х каналах. Наличие такого мультиплексора по-
зволяет надеятся, что в недалеком будущем может бвть реализована система WL32 общей ем-
костью потока через одно волокно 1,28 Тбит/с, если будут преодолены трудности с перекрыти-
ем оптических импульсов при таком сочетании высокой плотности каналов (разнос 100 ГГц) и
высокой скорости потока в канале - 40 Гбит/с.
24*
372
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
Таблица 11-5. Промышленные системы с WDM (начало)
Компания Модель Входной сигнал нм Число каналов данных Тип Код Емкость волокна Гбит/с Число каналов Вв/Выв Топология Секция - пролеты Секция - дистанция км
Число макс. Потери дБ Длина км
ADVA (Cisco) Abraxas н.д. 4 D н.д. 1,25 н.д. Н.Д. 1 н.д. 5 5
4/8 OCM н.д. 4,8 D н.д. 20 н.д. Н.Д. 1 н.д. 50 50
Alcatel 1640 WM н.д. 40 S н.д. 100/400 4 т-т,т-мт,к2 8 н.д. 25,120 640
1686 WM н.д. 16 S н.д. 40 4 Н.Д. н.д. н.д. 25,120 640
1690 WM 1260-1570 16/32 S н.д. 40/80 8 т-т,т-мт,к2 1 12 48 48
1610 OA LHT н.Д. 16 S н.д. 40 н.Д. н.Д. н.д. н.д. н.Д. н.д.
Cambrian (Nortel) OPTera Metro Н.Д. 8/32/64 D.S н.д. 20/80/160 н.д. П-П, К, 3 1 н.д. 50 50
OPTera LH Н.Д. 32-80/160 D/S н.д. до 1600 2-16 Т-Т, К, 3, я н.д. н.д. н.Д. н.Д.
Ciena MultiWave 1600 1290-1560 16 S NRZ/RZ 40 4 т-т, т-мт 5 30 120 600
Sentry 1600 1250-1600 16 S н.д. 40 4 Т-Т, т-мт 4/5/10 33/30/25 120-100 480-1000
Sentry 4000 1250-1600 40 S н.д. 100 8 т-т, т-мт 2/5 33/25 120/90 450-500
Firefly 1290-1560 24 S н.д. 60 н.Д. н.д. 1 19 65 65
Metro н.Д. 24 S н.д. 60 1-24 Т-Т, К, 3, я н.Д. н.Д. н.Д. переменная
ECI LumiNet-SR н.Д. 8/16/32/40 S н.д. 20-100 8 т-т 1 н.Д. 60-95 60-95
LumiNet-MR н.Д. 8/16/32/40 S н.д. 20-100 8 т-т 1 Н.Д. 140-160 140-160
LumiNet-LR н.Д. 8/16/32/40 S н.д. 20-100 8 т-т 3/5/8 н.Д. 140-90 420-720
Eonyx SM9600 Н.Д. 16 S н.д. 1,25 н.Д. Т-Т, К, 3 1 Н.Д. 40 40
Ericsson Erion Networker 1260-1580 16 D.S н.д. 20/40 н.Д. т-т,т-мт,к2 1 17/14 н.Д. н.Д.
Fujitsu Flashwave Metro н.Д. 4/8/16 S н.д. 40/80/160 н.Д. Т-Т 1 н.Д. 60 60
Flashwave 320 н.Д. 1-16/32 S н.д. 10-320 н.Д. т-т.т-мт н.д. н.Д. н.Д. 400
IBM Corp. 9729-001 н.Д. 10 D н.д. 20 н.Д. т-т 1 н.Д. 40,50 40,50
9729-041 н.д. 4 D н.д. 4 н.д. т-т 1 н.Д. 40.50 40,50
ITC OM/9000/25-8/16 н.Д. 8/16 D н.д. 10/20 н.д. н.д. 1 н.Д. 50 50
Lucent OLS 40G Н.Д. 8 S н.д. 20/80 на заказ Т-Т, к 3,8 н.д. 120,80 360,640
OLS 80G н.Д. 16 S н.д. 40/160 на заказ т-т, к, к2 3,8 н.д. 120,80 360,640
OLS 400G н.Д. 40/80 S н.д. 200/400 8 т-т, к2, к4 8 н.д. 80 640
Marconi PLT16/40 н.д. 16/40 S н.д. 160/400/700 4/8 т-т,т-мт,к2 1/н.д. н.д. н.Д. 160/840
PMA8/32 н.д. 8/32 S н.д. 80/320 н.Д. т-т,т-мт, к2 1/н.д. н.д. н.Д. 80/н.д.
NEC SpectralWave н.д. 40/80 S н.д. 400/800 4 т-т 1/2/5/8 22-40 80-160 160-640
SpectralWave н.д. 160 S н.д. 1600 8 т-т 1/2/5/8 22-40 80-160 160-640
Nokia STM-16/WDM н.д. 4/8/16 S н.д. 40 — 0 т-т, к, к2 н.Д. н.Д. н.Д. 300
Nortel S/DMS TN н.д. 8 S н.д. 80 н.Д. т-т, к2 н.Д. н.Д. н.Д. н.Д.
S/DMS TN-WDM Н.Д. 16/32 S н.д. 160/320 н.Д. т-т, к2, к4 н.Д. н.Д. н.Д. н.Д.
Osicom Gigamux Н.Д. 8,16 D.S н.д. 40 н.Д. Т-Т 1 н.Д. 80 80
Gigamux EPC Н.Д. 32 S н.д. 80 н.Д. т-т 1 н.д. 80 80
Pirelli T31-BDS н.д. 4 D NRZ 40 н.Д. т-т, к 3,4 н.д. 100 300-400
T31-MWS н.д. 4,8 D.S NRZ 20 н.Д. т-т, к 5 н.д. 100 500
T31-OMDS16 н.д. 16 S NRZ 40 н.д. т-т 1 н.д. 88 88
WaveMux н.д. 32/64 S NRZ 80/160 12 т-т, к, я 5,80 н.д. 120 600-6000
Siemens WL8/16/32* н.д. 8/16/32 S NRZ 20-320 нд. т-т, к2 5 н.д. 120-140 1200
WLS н.д. 8/16/32 S н.Д. 20-320 н.д. Т-Т 8/5 н.д. 120-140 1200
MTS н.д. 46/32/160 “5“ нд. 40-1600 н.д. т-т н.Д. н.д. 120 600-10000
Примечания Типы поддерживаемых логических интерфейсов
ADVA (приобретена компанией Cisco) ATM Интерфейс ATM co скоростью используемого канапа SONET/SDH
Cambrian Cambrian Systems Corporation CL Coupling Links (интерфейс IBM co скоростью 1 Гбит/с)
(приобретена компанией Nortel) E Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 10 Мбит/с)
Ciena Ciena Corporation ESCON Enterprise System Connection (интерфейс IBM, скорость 200 Мбит/с)
ITC Inrange Technologies Corporation FC Fiber Channel (оптический интерфейс вв/выв, скорость до 4250 Мбит/с)
Lucent Lucent Technologies FE Fast Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 100 Мбит/с) t.
NEC Nippon Electric Corporation FDDI Fiber Distributed Data Interface (интерфейс LAN, скорость 100 Мбит/с)
Nortel Northern Telecom GE Gigabit Ethernet (стандартный интерфейс LAN, скорость 1 Гбит/с)
Osicom Osicom Technologies, Inc. HDTV High Definition Television (интерфейс ТВ высокой четкости, скорость ОС-1)
Siemens Siemens Telecom Networks IP Internet Protocol (протокол пакетной передачи по сети Internet)
: - OC-nn Optical Carrier (интерфейс SONET на соответствующей скорости)
PDH STM-nn Интерфейс PDH (обычно на скорости 140 Мбит/с) Интерфейс SDH на соответствующей скорости
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
373
Таблица 11-5. Промышленные системы с WDM (продолжение)
Скорость на входе (М/Г)бит/с Разнос несущих ГГц Диапазон или полоса ТГц или нм Допуск по дисперсии пс/нм Тип волокна Канал управления нм/МГц Тип поддерживаемых логических интерфейсов Управление
SNMP IP TMN
45-155 М н.Д. н.Д. н.д. н.д. н.д. ATM, E,FE, FDDI, ОСЗ.ТЗ + -
ЮМ-1,25 Г н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. ATM, E.FE, FDDI, OC3-OC24 + -
100 М-10 Г 100 196,0-192,1 12800 н.д. н.д. FDDI,OC-48,192;STM-16,64 - Q.F
100 М-2,5 Г 200 196,0-192,1 12800 н.д. н.д. FDDI, OC-48, STM-16 - Q.F
100 М-2,5 Г 200 195,7-192,3 н.д. SF н.д. ATM/GE/FC/FDDI/ESCON/IP/STM-1/4/16 + Q.F
ДО 2,5 Г 200 195,7-192,3 н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д.
ДО 2,5 Г н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. FC,FE,GE,OC-3,12,48 - -
0.622//2.5/10 Г 50/100 1528-1603 н.д. н.д. 1510/1625 ATM/GE/IP/OC-48/192,STM-1/4/16/64 +/+ Q3
50 М-2,5 Г 100 1540-1560 н.д. SF 2 М, фрейм OC-3,12,48,48c;STM-16,PDH-1,2;1,7r +/+ Q3
140 М-2,5 Г 100 193,7-192,1 н.д. SF 1310/2 OC-3,12,48,48c;STM-16;PDH;Fast IP +/+ Q3
2,5 Г 50 н.д. н.д. н.д. 1310/2 OC-48,48c;STM-16 + Q3
155 М-2,5 Г 100 н.д. н.д. н.д. 1310/2 OC-3,3c,12,12c,48,48c;STM-1,16,PDH,IP Q3
140 М-2,5 Г 200 н.д. н.д. н.д. 1310 OC-3,12,48,48c;STM-1,4,16,PDH -r -r
34 М - 2,5 Г 100/200 1529-1960 1800 SF 1510 ATM;CATV;IP;OC-12,48;PDH;STM-4,16 - +
34 М-2,5 Г 100/200 1529-1560 3000 SF 1510 ATM;CATV;IP;OC-12,48;PDH;STM-4,16 - +
34 М-2,5 Г 100/200 1529-1560 14000 SF 1510/2 ATM,CATV;IP;OC-12,48;PDH;STM-4,16 - +
100-155 М н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. FDDI,ATM-0 C-3 - -
140 М-2,5 Г 100 192.3-193.8 10200 SF 1510/2 OC-3,12,48;STM-1,4,16,PDH-140 +/+ 4*
100 М-10 Г н.Д. н.д. н.д. SF н.д. ATM/FDDI/STM-16,64 + +
100 М-10 Г н.Д. н.д. н.д. SF н.д. ATM/FDDI/STM-1/4/16,64 + +
16М-1 Г 125 194,7-192,3 н.д. н.д. н.д. CL,Escon,FDDI,FE,OC-3,ST + -
16М-1 Г 125 н.Д. н.д. н.д. н.д. CL,Escon,FDDI,FE,OC-3,ST + -
10М-622 М н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. ATM-0 C3,12;ESCON,E,FC,FDDI -r -
155 М-10 Г 200 193,5-192,1 н.д. SF.NZDF 1532 OC-3,12,48,192,STM-1,4,16,64 - +
155 М-10 Г 100 193,6-192,1 н.д. SF.NZDF 1532 OC-3,12,48;STM-1,4,16,64 - 4-
2,5-10 Г 100 -195,6-187,6 н.д. н.д. н.д. OC-48,192;STM-1,4.16,64 - -r
155 М-10 Г 100/200 н.д. н.д. SF/NZDF н.д. STM-1,4,16,64 н.д. Н.Д.
34 М-2,5/10 Г 100/200 н.д. н.д. SF/NZDF н.Д. ESCON/FC/FDDI/FE/GE/PDH/STM-1,4.16 н.д. Н.Д.
2,5-10 Г 100 C/C+L н.д. SF н.д. OC-48,192:STM-1,4,16,64 4- -4-
2,5-10 Г 50 C+L н.д. SF н.д. OC-48,192,STM-1,4,16,64,256 -r -t-
2,5 Г н.Д. н.д. н.д. SF н.д. PDH-140, STM-1,4,16 . - -r
2.5Г-10Г 200 н.д. н.д. н.д. н.д. OC-48,192;STM-16,64 - 4-
2,5 Г -10 Г 100 н.д. н.д. н.д. н.д. OC-48,192;STM-16,64 - 4*
51 М - 2,5 Г н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. ATM/SONET-OC-3,12,48;FC,GE,HDTV + -
51 М-2,5 Г н.Д. н.д. н.д. н.д. н.д. ATM/SONET-OC-3,12,48;FC,GE,HDTV + -
140 М-10 Г 200 195,5-192,5 н.д. н.д. 1310 PDH,OC-48,192,STM-16,64 - 4-
140 М-2,5 Г 200 1534-1561 н.д. н.д. 1310 PDH,OC-48,STM-16 - +
140 М-2,5 Г 100 195,3-192,1 1600 н.д. н.д. PDH,ATM/SDH-OC-3,12,48;STM-1,4,16 - -
2,5 Г 100 196,0-192,1 10000 н.д. 1480/2 OC-48,STM-16 - +
2,5-10 Г 100 н.д. н.д. SF 1480/2 OC-48,192;STM-16,64 - Q3
2,5-10 Г 100 н.д. н.д. SF 1480/2 OC-48,192;STM-16,64 - Q3
2,5-ЮТ 50/100 н.д. н.д. . SF 14&0/2 OC-48,192;StM-16,64 - н.д.
Примечания, обозначения
*- TransXpress Infinity WL8/16/32 допускает 48 каналов для STM-16
** - Расстояние удваивается установкой регенератора
*** - Используется электронная система SDH SL256
з - топология "звезда”
к - топология "кольцо"
к2 - топология "двойное копьцо с защитой"
к4 - топология "сдвоенное двойное кольцо с защитой"
т-т - топология "точка-точка"
т-мт - топология "точка-многоточка"
я - топология "ячеистой сети"
Вв/Выв - Ввод/вывод каналов на промежуточных узлах
Допуск - максимально допустимое значение
накопленной дисперсии секции ВОЛС
374
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
- Число каналов ввода-вывода - реализовать оптический ввод/вывод трибов, участвующих в
схеме первичного (электрического - ETDM или оптического OTDM) мультиплексирования SDH
(опция drop/insert) в оптический канал (представленный отдельной оптической несущей) или из
него в схеме вторичного оптического мультиплексирования WDM, достаточно сложно. Поэто-
му ряд систем WDM вообще не реализует эту опцию, обеспечивая лишь работу в режиме точ-
ка-точка (т-т), либо ограничивает число каналов, не которых эта опция может быть реализована
(например, 4 из 16, 8 из 40, 12 из 64 - см. табл. 11-5), не говоря уже о том, что снизу она вообще
может быть ограничена на уровне виртуального контейнера VC-4.
- Топология - в порядке сложности в системах WDM могут быть реализованы топологии: точка-
точка (т-т) без возможности оптического ввода/вывода трибов SDH; последовательная линейная
цепь (л) с возможностью ввода/вывода трибов SDH; звезда (з) или точка-много точек (т-мт), реа-
лизуемые с помощью концентратора; кольцо, которое может быть представлено в трех видах:
одинарное кольцо без защиты (к), двойное кольцо с защитой (к2), счетверенное кольцо с полно-
дуплексной защитой (к4); ячеистая сеть (я) с возможностью динамической маршрутизации.
- Пролет (span)- участок пути, перекрываемый в результате компенсации потерь от затухания
сигнала за счет запаса по усилению (бюджета) или за счет усиления в ОУ. Пролеты (в соответ-
ствии с G.692) по длине могут быть длинными L - до 80 км (как правило не содержат ОУ),
очень длинными V - 120 км (как правило содержат МУ или ПУ) и сверхдлинными U - 160 км,
как правило содержат мощный усилитель МУ и предварительный усилитель ПУ. Секции огра-
ничены терминальными мультиплексорами ТМ.
- Секции - участок пути, перекрываемый одним или несколькими пролетами в соответствии с
конфигурацией (числу пролетов системы), на границе которого распложены регенераторы (в
соответствии со стандартом G.692 длина секции - до 640 км); регенераторы применяются для
восстановления оригинальной формы сигнала после нескольких пролетов.
- Дистанция - максимальное расстояние, на которое могут быть переданы данные, определяется
числом пролетов и/или секций и длиной, перекрываемой одним пролетом/секцией. Учитывая
приведенные выше данные по длинам перекрытий и секций, дистанция может быть равна 640-
1280 км. Секции могут стыковаться без использования регенераторов путем соединения ТМ
(back-to-back); использование одного регенератора, например, в системе WL8 компании
Siemens, позволяет удвоить общую дистанцию передачи сигнала.
- Скорость входных данных, Тип поддерживаемого логического интерфейса - указаны грани-
цы диапазона скоростей, которые определяются, кроме прочего, фактом поддержки того или
иного логического интерфейса (или формата данных), определяющего с сетями каких техноло-
гий может стыковаться указанная система. Например, если минимальная скорость равна 10
Мбит/с, а в типах интерфейсов указан интерфейс Е - значит система WDM может стыковаться
с сетью обычного Ethernet, если используемая скорость равна 100 Мбит/с и указан интерфейс
FE - значит допустима стыковка с сетью Fast Ethernet. Если интерфейс GE, то допустима сты-
ковка с сетью Gigabit Ethernet на скорости 1 Гбит/с, и т.д., см. список типов поддерживаемых
интерфейсов и скорость, поддерживаемую этими интерфейсами в примечаниях к табл. 11-5.
Для технологии ATM могут использоваться несколько скоростей передачи, например, если в
интерфейсах указано АТМ-ОСЗД2 - это значит, что система WDM стыкуется с сетями ATM на
двух скоростях технологии SONET ОС-3 (155,52 Мбит/с) и ОС-12 (622,08 Мбит/с).
- Допуск - указывает, какую максимальную накопленную на длине одной секции дисперсию сис-
тема WDM способна преодолеть без потери качества сигнала, определяемого уровнем ошибок
системы (показатель BER), Эта величина используется для проверки возможности системы
(секции) перекрыть определенную дистанцию. С этой целью, зная конкретный тип волокна и
соответствующее ему значение дисперсионного параметра D, определяемого для граничной
длины волны в занимаемой полосе, проводится подсчет фактически накопленной дисперсии
путем умножения значения D, размерность [пс/нм/км], на длину секции, выраженную в кило-
метрах (плюс допуск по затуханию для защиты от возможного ухудшения затухания от целого
ряда параметров ВОЛС. Если фактический допуск меньше предельного - система работоспо-
собна при использовании данного волокна, если нет - должно быть использовано другое во-
локно или уменьшена длина секции, или, если последнее нежелательно или невозможно, то
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
375
следует использовать компенсаторы дисперсии, о которых мы уже упоминали выше (допуски
на накопленную дисперсию приведены в стандарте G.692).
- Канал управления - имеется ввиду оптический канал супервизорного управления ОКСУ, назы-
ваемый в оригинальных документах каналом OSC (Optical Supervision Channel) [256]. Этот ка-
нал организуется для проверки ОУ (расположенных на промежуточных узлах) на дополни-
тельной оптической несущей, которая лежит за пределами фактически используемой полосы
(внеполосная OSC), хотя может лежать и внутри полосы (внутриполосная OSC), занимаемой
стандартным частотным планом, так и соответствовать некоторым стандартным (но неисполь-
зуемым для основной полосы) несущим (хотя последнее не рекомендуется стандартами) или
частотам накачки лазеров в оптических усилителях. Например, из табл. 11-5 видно, что исполь-
зуется следующий ряд частот: 1310, 1480, 1510, 1532, 1625 нм (рекомендуемая стандартом
G.692 длина волны OSC равна 1510 нм).
- Управление - имеется ввиду управление системой в целом, включая управление мультиплексо-
рами SDH/SONET или оборудованием сети, с которой стыкуется аппаратура WDM. В этом
смысле оно разбивается на традиционное для систем SDH/SONET полноценное управление на
основе TMN с использованием интерфейсов Q и F, с одной стороны, и на супервизорное
управление с использованием агента SNMP, популярного для локальных сетей, с другой. Или
же используется специально разработанная система управления сетью WDM, включающая в
последнее время специальную систему мониторинга ВОК.
В табл. 11-5 приведены не все параметры, которые могут быть найдены в спецификациях
фирм. Одним из таких парметров является длина волны входного сигнала, для которого могут
быть указаны один или два диапазона значений лин волн, например, 1260-1625. Этот диапазон го-
ворит о том, что система может работать дополнительно как во втором, так и третьем окнах про-
зрачности. При этом все необходимые преобразования длины волны несущей входного сигнала в
длину волны одного из свободных каналов системы осуществляется транспонде-
ром/конвертором системы WDM.
11.1.8. Практический пример 8-канального, мультиплексора WDM
Для того, чтобы лучше представить себе особенности работы мультиплексоров WDM, рассмотрим
блок-схему серийного 8-канального мультиплексора WL8 компании Siemens [256]. Его основные
характеристики приведены в табл. 11-5. Этот мультиплексор позволяет объединить 8 оптических
несущих, разнесенных на 200 ГГц друг от друга и расположенных в соответствии со стандартным
канальным планом [247] в полосе 192,1-193,5 ТГц (1560,61-1549,32 нм). В качестве служебного
супервизорного канала OSC используется 9-й канал на частоте 202,6 ТГц (1480,0 нм).
Каждая оптическая несущая может модулироваться в настоящее время входным сигналом
с выхода мультиплексора SDH SL16 уровня STM-16 (2,5 ГГц) компании Siemens, а в перспективе
может использовать выходной сигнал мультиплексора SL64 уровня STM-64 (10 ГГц), что позво-
лит довести канальную емкость одного волокна с 20 до 80 Гбит/с, перекрывая одной секцией рас-
стояние до 120 км без регенератора.
Система мультиплексирования WDM комплектуется тремя модулями: оптическим тер-
минальным модулем ОТМ (WLT), оптическим усилительным модулем ОУМ (WLP) и оптическим
регенераторным модулем ОРМ (WLR), см. рис. 11-7. Общая схема их взаимодействия такова:
сигналы 8 синхронных линейных терминальных мультиплексоров SLT-nn мультиплексируются и
усиливаются модулем WLT, дополнительно усиливаются модулем WLP (если есть необходи-
мость, например, перекрыть одной секцией расстояние до 120 км) и подаются в ВОК (модули
WLT и WLP формируют секцию). Затем сигналы принимаются следующей секцией или (если
нужно, например, обеспечить передачу на расстояние большее 600 км) регенерируются модулем
WLR и передаются на следующую секцию и так до последней - приемной секции, где происходит
их демодуляция.
Итак, указанные модули позволяют реализовать топологию "точка-точка" в следующих
трех вариантах, когда используются один, два или три модуля в связке с кабелем ВОК:
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
377
1 - WLT - ВОК - WLT - ВОК ... ВОК - WLT;
2 - WLT - WLP - ВОК - WLP - WLT - ВОК ... ВОК - WLP - WLT;
3 - WLT - WLP - ВОК - WLP - WLT - ВОК ... ВОК - WLR - WLP - WLT - ВОК ... ВОК - WLP -
WLT.
В режиме передачи модуль WLT мультиплексирует в блоке WDM-MX 8 потоков (кана-
лов) SDH (от 8 терминальных мультиплексоров SLT) уровня STM-16 (и до STM-64), формируя аг-
регатный поток 20 (80) Гбит/с, который усиливается бустером ОВ, после чего к нему с помощью
комбайнера (простого мультиплексора WDM на 2 входа) добавляется несущая служебного супер-
визорного канала OSC 2S. Общий поток затем либо подается в ВОК (вариант 1), либо усиливается
модулем WLP (вариант 2). В последнем случае из входного потока выделяется несущая канала
OSC As, анализируемая контроллером SPC, которая затем с помощью комбайнера снова объеди-
няется с усиленным основным потоком. Основной поток (8 несущих) усиливается предваритель-
ным усилителем ОР (первый каскад двухкаскадного усилителя в модуле WLP) и затем передается
или в бустер ОВ (при замкнутой перемычке в модуле OAU-М) или, используя возможность меж-
каскадного доступа через интерфейс доступа II, подается на вставляемый межкаскадный блок,
например, в компенсирующее дисперсию волокно (при необходимости коррекции общей диспер-
сии), а затем в бустер ОВ и далее в ВОК. В варианте 2 поток из ВОК подается на вход модуля
WLP приемной стороны, а в варианте 3 - на вход регенераторного модуля WLR.
В режиме приема модуль WLT либо принимает поток из ВОК (вариант 1), либо от WLP
(вариант 2), в котором обработка осуществляется в той же последовтельности, что и описана вы-
ше, но по другому каналу (блок OAU-S) с использованием того же SPC. Принятый WLT поток,
после предварительного усиления в блоке ОР, демультиплексируется блоком WDM-DX на и вы-
ходных потоков, подаваемых на входные интерфейсы терминальных мультиплексоров SLT.
Схема модуля регенератора WLR похожа на схему WLT, но симметрична - имеет два ком-
плекта блоков ОР/ОВ (т.е. как OAU-М, так и OAU-S) и два комплекта блоков WDM-MX/WDM-
DX. Последние замкнуты на стандартный SDH-регенератор SLR (уровня STM-16 или STM-64),
который собственно и осуществляет регенерацию по классической схеме: О/Е-преобразование
сигнала на входе электронная регенерация и обратное Е/О-преобразование сигнала на выходе.
Общее управление осуществляется во всех трех модулях контроллером SPC блока OAU-
М, на вход которого подаются сигналы управления и аварийной сигнализации различного типа:
внешнее управление AUX и внутреннее служебное управление EOW, подаваемое через блок дос-
тупа к заголовку ОНА; управление от NMS типа TMN через интерфейс Q и сигналы аварийной
сигнализации С-AL, подаваемые через блок TIF.
11.2. Основы солитонных линий связи
Солитоны нашли применение, по крайней мере, в трех областях:
- в области создания солитонных лазеров;
- в области сжатия оптических импульсов;
- в области создания солитонных линий связи.
Подробности использования солитонов в первой области можно найти в [168]. Использо-
вание солитонов для сжатия импульсов освещено выше. В этом разделе мы остановимся более
подробно на возможностях создания солитонных линий связи и перспективах их использования на
практике.
В области создания солитонных линий связи за последнее время был достигнут опреде-
ленный прогресс и были созданы экспериментальные образцы таких линий, см. работы [168, 172,
212]. Прогресс в создании солитонных линий связи мог бы быть, видимо, более значительным, ес-
ли бы не бурное развитие систем с волновым мультиплексированием WDM.
Са>
CD
WLT
WU>
WLR
Рис. 10-7. Блок-схема мультиплексора WDM компании Siemens
Примечание:
1) Если используется модуль ОНА, то эти
Интерфейсы автоматически разъединяются
Новые технологии оптических сетей связи Г лава
378
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
11.2.1. Экспериментальные солитонные линии связи
Уже в 1983 г. Хасегава (Hasegawa), см. [168, с. 134], предложил схему солитонной линии связи,
приведенную на рис. 11-8.
Рис. 11-8. Схема солитонной линии связи с ВКР-усилителями
Схема линии связи основана на топологии “точка-точка” и реализует архитектуру линей-
ной последовательной цепи, состоящей из линейных сегментов световодов длиной L с ВКР-
усилителями. Усиление организовано так (см. рис. 11-8): на концах каждого сегмента установле-
ны направленные ответвители (НО), через которые в линию связи (световод) в обоих направлени-
ях вводится излучение накачки от непрерывного лазера, работающего на длине волны 1460 нм. В
схеме может быть использовано как обычное ОМ волокно (02 = -20 пс2/км), так и ОМ волокно со
сдвигом дисперсии (02 = -2 пс2/км) с параметром у = 5 Вт '-км ' и эффективной площадью сердце-
вины 25 мкм2, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составляли 40-50
км, а общая длина линии - 600 км. Она была ограничена, в основном, случайным шумом коге-
рентного усиления, вызывающего флуктуацию времени прихода импульса на детектор (эффект
Гордона-Хауса (Gordon-Haus effect)).
Большим толчком в создании новых экспериментальных солитонных линий связи было
появление в 1989 г. ОУ с диодной накачкой, использующего ОВ, легированное эрбием (EDFA), в
качестве усилительной среды и работающего на длине волны 1480 нм. Эти усилители относятся к
классу усилителей с сосредоточенным (а не распределенным, как усилители на ВКР) усилением.
Уже в 1993 г. появились экспериментальные линии солитонной связи, использующие эти усили-
тели [212]. Одна из них была разработана компанией AT&T (США). Она использовала скорость
передачи 8,2 Гбит/с, эквивалентную длину линии 4200 км, длину ОВ сегмента между усилителями
28 км, сегмент ОВ включал AT&T DSF-волокно (25 км) и AT&T Э5-волокно (3 км). При этом дос-
тигнутый уровень BER был не ниже 10'9. Схема экспериментальной линии приведена в [212], бо-
лее подробно см. [211]. Другая линия связи была разработана компанией NTT (Япония). Она ис-
пользовала скорость 10 Гбит/с на эквивалентной длине линии 50000 км и длину ОВ сегмента ме-
жду усилителями - 50 км [212].
Усилители типа EDFA были использованы также и в экспериментальной системе связи
(1994, см. [172, 188]), рассчитанной на более высокую скорость передачи данных - 80 Гбит/с и ОМ
волокно, работающее на длине волны 1550 нм. Реализованные значения L составляли 25 км, а об-
щая длина линии - 500 км с уровнем BER=10'10 (см. рис. 11-9). При этом расстояние между усили-
телями выбиралось так, чтобы оно было больше периода солитона или сравнимо с ним. Кроме то-
го, использование волокна со сдвигом дисперсии (DSF) позволило существенно уменьшить мощ-
ность источника, требуемую для формирования солитона.
Указанная экспериментальная линия состояла из 20 линейных сегментов длиной по 25 км
каждый. Сегмент объединял усилитель EDFA и ОМ волокно соответствующей длйны. Схема
функционировала следующим образом.
- Генератор информационной последовательности (ГИП) на входе системы управлял импульсным
источником излучения частотой 10 ГГц и (через электрический усилитель ЭУ) оптическим моду-
лятором на ниобате лития (NL - LiNbO3). Эта связка или блок были эквивалентны одному каналу
данных со скоростью 10 Гбит/с. Для получения информационной последовательности импульсов
Глава 11
379
со скоростью 80 Гбит/с был использован оптический мультиплексор, реализованный в виде пла-
нарной оптической ИС, обединяющий 8 таких эквивалентных канала.
- Для выделения на приеме сигнала канальной синхронизации 10 ГГц указанные блоки настраи-
вались так, чтобы амплитуды генерируемых ими солитонов отличались друг от друга (см. рис.
11-9, вид сигнала перед мультиплексором)
- Сформированный мультиплексором оптический сигнал, усиленный в ОУ EDFA, подавался с
его выхода далее на первый линейный сегмент EDFA1-STF. Пройдя по цепочке из двадцати та-
ких сегментов, сигнал демультиплексировался с выделением тактового сигнала синхронизации
10 ГГц, используемого в схеме детектора ошибок.
Рис. 11-9. Схема солитонной линии связи с усилителями на волокне, легированном эрбием
Источником излучения служил лазер, работавший на частоте 10 ГГц (период 100 пс) в ре-
жиме с активным захватом моды (ML laser) и с кольцом ОВ, легированного эрбием (EDF), в цепи
обратной связи ОС. Лазер генерировал солитонные импульсы длительностью 2,7-3,0 пс на длине
волны 1552 нм. Сигнал на выходе мультиплексора имел битовый интервал 12,5 пс, это соответст-
вовало расстоянию между солитонами примерно в 3 ширины солитонного импульса, что создава-
ло условия для отсутствия их взаимодействия.
В качестве ОВ использовалось волокно со сдвигом дисперсии, которое имело на длине
волны 1552 нм дисперсию -0,19 пс/км/нм. Кодированные информационные импульсы усилива-
лись ОУ EDFA до солитонной пиковой мощности порядка 8,2 дБм.
При демультиплексировании информационного сигнала 80 Гбит/с использовался рефлек-
тор в виде нелинейной оптической петли, нечувствительной к поляризации (PI-NOLM). Часть пе-
реданного сигнала принималась PIN-диодом для выделения сигнала таймера 10 ГГц. Этот сигнал
использовался затем для управления лазерным диодом 1533 нм с распределенной обратной связью
(DFB), генерирующим 9 пс импульсы вместо исходных. Эта импульсная последовательность ис-
пользовалась далее для управления указанным рефлектором, сформированным в виде 6 км отрез-
ка сохраняющего поляризацию ОВ со сдвигом дисперсии.
Указанная схема линии связи позволяла работать и на скорости 160 Гбит/с (эквивалент
STM-1024). В этом случае битовый интервал уменьшался вдвое - 6,25 пс, что соответствовало рас-
стоянию между солитонами равному примерно ширине солитонного импульса, а это уже создава-
ло условия для их взаимодействия. Для его уменьшения использовалась ортогональная поляриза-
ция соседних солитонов, при этом была достигнута максимальная длина участка передачи 225 км
с уровнем BER=10'10 [172].
380
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
11.2.2. Использование солитонных генераторов на существующих линиях
SDH
Выше было отмечено, что солитон может быть сформирован только в среде с отрицательной дис-
персией на длине волны генерации солитона. Это, однако, не означает, что для солитонных линий
связи обязательно должны использоваться волокна с небольшой ненулевой, но отрицательной
дисперсией (например, типа NZDSF).
Солитон может распространяться и на участках с положительной дисперсией, характер-
ных для уже существующих ВОЛС, но при этом нужно, чтобы средняя дисперсия групповых ско-
ростей (СДГС) на всей длине линии, или на анализируемом участке, была отрицательной. Для
линии связи, составленной из и участков длины Z, с различной дисперсией di, (как нормальной,
так и аномальной) СДГС может быть подсчитан по формуле:
СДГС = £ (Li-d^/X (1Д, (11-2)
где суммирование ведется по всем / = 1,2,3...п. Например, на линии, составленной из двух участ-
ков 60 и 30 км с дисперсией на этих участках -1,75 и +2,0 пс/км/нм соответственно, имеем отрица-
тельную СДГС, равную -0,5 пс/км/нм, что позволяет использовать ее для организации солитонной
линии связи, если период солитона больше суммарной длины участков (90 км). Устанавливая по-
сле каждых двух таких участков усилитель, можно существенно увеличить общую длину линии
связи (например, до 1170 км, см. описание эксперимента в [172])
Доказательством практичности такого подхода могут служить закончившиеся полевые ис-
пытания модернизированной четырехканальной системы WDM, использующей оборудование
SONET на скорости передачи ОС-192 по волокну NDSF общей протяженностью 450 км, прове-
денные компаниями Pirelli и MCI (см. рис. 11-10) [255].
St. LouisTermlnal Site
DCO : : DCG
Рис. 11-10. Схема модернизированной 4-канальной солитонной линии связи
Модернизация заключалась в использовании генераторов солитонных импульсов, уста-
новленных после существующих коммерческих передатчиков ОС-192, конвертеров RZ/NRZ, ус-
тановленных перед коммерческими приемниками ОС-192 и вставок волокна, компенсирующего
дисперсию (DCF) на оконечных и 5 транзитных узловых станциях. Модернизированная система
позволила не только избавиться от использования регенераторов на относительно длинных участ-
ках (84-92 км), но и продемонстрировала устойчивость работы и высокое качество принимаемого
сигнала на обычном волокне. На этой же линии путем использования одноканального незащи-
Глава 11
Новые технологии оптических сетей связи
381
щенного (с одним кольцом) режима удалось продемонстрировать устойчивую работу модернизи-
рованной системы на сети с обычным волокном длиной 900 км. При этом потребовалось увели-
чить отношение сигнал/шум всего на 2 дБ.
11.2.3. Перспективы использования солитонных линий связи
Как было указано выше перспективность солитонных систем и их преимущество перед обычными
методами оптической передачи, основанными, в отличие от солитонных, на устранении или
уменьшении нелинейных эффектов и использующими ОВ со сдвигом дисперсии, оценивается как
в направлении повышения скорости передачи, так и в направлении увеличения длины регенераци-
онного участка. Основными препятствиями этому были: шум когерентного усиления (эффект
Гордона-Хауса), аккумуляция усиленного спонтанного излучения (ASE) и солитон-солитонные
взаимодействия ССВ.
11.2.3.1. Перспективы повышения скорости передачи
Основным препятствием здесь является солитон-солитонное взаимодействие.
До начала широкого внедрения систем передачи на основе мультиплексирования с разде-
лением по длинам волн МРДВ (WDM) предполагалось, что на скоростях выше 10 Гбит/с солитон-
ные системы будут иметь преимущество перед обычными методами оптической передачи. Однако
бурное развитие систем волнового мультиплексирования, начиная с 1995 г., использующих техни-
ку компенсации дисперсии - специальные кабели с ненулевой (но небольшой по величине) дис-
персией (NZDSF) и плоской дисперсионной характеристикой в области 1530-1565 нм, передвину-
ло этот рубеж сначала до 40 Гбит/с, затем до 80 Гбит/с, а сейчас и до 320-640 Гбит/с.
Из рассмотренного выше видно, что для длительностей импульсов источника порядка еди-
ниц пикосекунд скорость передачи данных 160 Гбит/с в одном канале является фактически предель-
ной (скважность импульсов примерно 2). Дальнейшее увеличение скорости возможно лишь за счет
уменьшения длительности генерируемых лазерными источниками импульсов - перехода к фемтосе-
кундному диапазону (10'18с). Это увеличивает скважность импульсов (при сохранении периода гене-
рации импульса, что важно при использовании тех же типов лазеров) и уменьшает взаимодействие
солитонов. Для уменьшения длительности импульса солитона можно использовать эффект многосо-
литонного сжатия, описанный выше. Например, уже выбор солитона второго порядка дает, согласно
(6-25), возможность сжать исходный 3 пс импульса лазера, используемого в качестве источника в
вышеприведенной схеме на рис.6-9, до уровня порядка 0,4 пс (400 фс). Это позволило бы (даже без
формирования солитонов с ортогональной поляризацией) получить удвоение скорости передачи
данных (320 Гбит/с, битовый интервал 3,125 пс), учитывая, что оптические мультиплексоры (опти-
ческие ИС) способны нормально работать на таких скоростях.
Вместе с тем, нужно отметить, что современный уровень развития обычных оптических
систем мультиплексирования типа МРДВ позволяет даже при умеренных скоростях мультиплек-
сируемых потоков (например, 2,5 Гбит/с - STM-16, или 5 Гбит/с - ОС-96) формировать агрегатные
потоки 80 (или 160) Гбит/с при коэффициенте мультиплексирования к=32, 160 (или 320) Гбит/с
при к=64 и, наконец, 320 (640) Гбит/с при к=128. Это говорит о том, что в этом направлении ис-
пользование чисто солитонных линий связи не дает выигрыша (уже при к=32) по сравнению с
обычными оптическими системами на основе SDH/SONET - WDM/DWDM. Учитывая же необхо-
димость обеспечить и поддерживать в системе определенную пороговую мощность, требуемую
для генерации и сохранения солитона, можно констатировать, что эра солитонных линий связи
может кончится, так и не начавшись.
Конечно, солитонные линии связи могут также использовать технику мультиплексирова-
ния WDM, однако учитывая высокий уровень мощности генерации солитонов, требуемый в соли-
тонных системах, и высокий уровень нелинейных эффектов, создать волокно с плоской в широ-
ком диапазоне длин волн дисперсионной характеристикой (а значит и гарантировать приемлемо
382
Новые технологии оптических сетей связи
Глава 11
большой коэффициент мультиплексирования) будет, видимо, достаточно сложно, хотя и можно
фантазировать о создании солитонных WDM систем с коэффициентом мультиплексирования к=32
и скоростью солитонного сигнала в одном канале 80 Гбит/с.
\
11.2.3.2. Перспективы увеличения длины регенерационного участка
Что касается перспектив увеличения длины регенерационного участка, то они значительно лучше
для солитонных систем, чем для обычных оптических, даже учитывая несомненный прогресс по-
следних усовершенствований, позволивший довести длину регенерационного участка обычных
систем до 250-500 км при использовании ОУ типа EDFA.
Для синхронных солитонных систем, которые могут работать на сверхдальние расстоя-
ния без регенераторов, а используют только усилители типа EDFA в 1991-1992 гг. была пред-
ложена технология одновременного управления солитоном во временной и частотной облас-
тях [189, 172].
Эта технология использует два механизма управления:
- периодическую синхронную модуляцию (ПСМ) - для управления позицией солитона во вре-
менной области;
- узкополосный перестраиваемый полосовой фильтр (УППФ) - для управления в частотной
области.
ПСМ позволяет не только устранить дрожание фазы солитона, вызванное эффектом Гордона-
Хауса, но и значительно уменьшить уровень шума, вызванного спонтанным излучением (ASE).
УППФ, который представляет собой узкополосный следящий фильтр с полосой 0,3-0,4 нм,
центральная длина волны которого перестраивается, управляет, в частотной области, контуром
стабилизации энергии солитона.
Используя эту технологию управления солитоном удалось на кольце солитонной линии
связи длиной 500 км с усилителями типа EDFA, расставленными через каждые 50 км, добиться
прохождения 180 млн. км полностью без ошибок [189, 172]. Этот поразительный результат позво-
лил авторам заявить уже в названии статьи, что не существует предела длины регенерационного
участка при использовании солитонов.
11.3. Перспективы использования полностью оптических сетей связи
Разработка в последнее время рассмотренных выше элементов оптических сетей, использующих
чисто оптические принципы работы: усилители, кросс-коммутаторы, волновые конверторы,
внешние модуляторы источников оптического излучения и оптические мультиплексоры вво-
да/вывода (наряду с широко используемыми оптическими передатчиками и приемниками и опти-
ческой средой передачи - ОВ) создали предпосылки для разработки полностью оптических сетей -
ПОС (AON - All Optical Networks), базирующихся на технологии WDM как на транспортной тех-
нологии.
Однако несмотря на очевидные успехи в этой области связи, говорить об практическом
использовании чисто оптических сетей пока еще рано, так как не решен целый ряд вопросов и
проблем. Одними из основных являются проблемы регенерации (не усиления) оптического сигна-
ла и проблема логической обработки потоков ячеек, пакетов и фреймов.
Некоторое представление о полностью оптических сетях, модельные разработки которых
испытываются на стендах или полигонах выдущих компаний мира можно получить из обзора та-
ких разработок, приведенного в работах [260, 299]. А представление о методах маршрутизации
оптических несущих в таких сетях можно получить из книги [404].
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и
кабелей
Оптическое волокно (ОВ), уложенное в волоконно-оптический кабель (ВОК) для защиты
его от внешних воздействий, уже более десяти лет используется в качестве среды передачи как в
плезиохронных (PDH), так и в синхронных цифровых системах связи (SONET/SDH). В России его
широкому распространению способствовало (особенно интенсивное за последние 5 лет) развитие
сети цифровых АТС в рамках создания ВСС РФ. Вполне понятно, что в ряде ведущих по тематике
связи журналах и издательствах за последние годы был опубликован ряд статей и книг, посвя-
щенных различным аспектам использования ОВ и ВОК и их характеристикам [267, 269-271, 297-
299]. Учитывая практическую важность выбора надлежащего волокна и кабеля для ВОСП ниже
изложен материал о характеристиках промышленно выпускаемых оптических волокон и кабелей.
Учитывая справочный характер материала и его большой объем, сделано это максимально обоб-
щенно (с привлечением большого количества таблиц и ссылок, при необходимости, на статьи,
опубликованные другими авторами).
Знание параметров волокон и кабелей нужно не только инженерам-проектировщикам сис-
тем связи, но и менеджерам, принимающим решения по закупке ВОК, а также всем, кто, наряду со
знанием технологии цифровых сетей и общим теоретическим представлением об оптической сре-
де передачи сигнала, почерпнутым из гл. 9, хочет получить более подробную информацию о во-
локне и кабеле, стандартном наборе их параметров, их сравнительной оценке и факторах, которые
могут быть решающими при выборе кабеля для конкретных применений. Дополнительные сведе-
ния, кроме указанных выше специализированных публикаций, можно также получить в каталогах
упомянутых ниже фирм-производителей.
Кабели выпускаются многими компаниями, как зарубежными, например, Alcatel, АМР,
BICC Cables Company/BICC KWO Kabel GmbH, Focas, Fujikura, Hellukabel, Lucent Technologies,
Mohawk/CDT, NK Cables, Philips, Pirelli, Samsung, Siemens, Sumitomo, так и отечественными, на-
пример, "Москабельмет" (Москва, теперь "Москабель-Фуджикура"), "Оптен" (С.-Петербург), "Оп-
тика-кабель" (Москва, теперь "Москабель-Фуджикура"), "Самарская оптическая кабельная компа-
ния (СОКК)" (Самара), “Завод "Сарансккабель” (Саранск), "Севкабель-оптик" (С.-Петербург),
“Трансвок” (Боровск, Калининская обл.), "Электропровод" (Москва), и др.. Российские компании,
как правило, используют импортное оборудование и волокно, их продукция соответствует миро-
вому уровню качества и подтверждена соответствующими сертификатами, что позволяет исполь-
зовать ее с выгодой для отечественного потребителя.
Более полную информацию можно получить: по оптическим волокнам - в каталогах фирм-
производителей [180-185], по оптическим кабелям - в каталогах фирм-производителей [274-283,285-289],
а также в специализированных обзорных публикациях, например, [183-184,246,267-271,297-299].
Оптическое волокно для промышленных целей выпускается как кабельными (преимуще-
ственно для изготовления собственных кабелей), так и специализированными зарубежными ком-
паниями: Alcatel, Corning, Fujikura, Furukawa, Lucent Technologies.
Основной упор при изложении будет сделан на следующие темы:
характеристики промышленно выпускаемых одномодовых оптических волокон;
характеристики промышленно выпускаемых оптических кабелей;
типы и методы маркировки оптических кабелей;
Ниже кратко рассмотрена классификация основные типов оптических волокон, выпускае-
мых компаниями-производителями.
384 Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей Глава 12
12.1. Классификация типов промышленных оптических волокон
Оптическое волокно, или световод, - гибкий и прозрачный (стеклянный или пластмассовый) ци-
линдрический стержень, имеющий в поперечном сечении форму круга, состоит, как было указано
выше в гл. 9, из трех концентрических слоев: сердцевины (с), оболочки (об) и покрытия (п) - пока-
затели преломления которых соотносятся как: и„ > пс > поб.
В системах связи ОВ является средой для передачи сигнала. Сигнал - модулированная по
интенсивности световая волна - распространяется, в основном, внутри сердцевины, диаметром от
7 до 200 мкм (в зависимости от типа волокна), точнее по цилиндрическому волноводу, образован-
ному сердцевиной и оболочкой, используя явление полного внутреннего отражения света от
поверхности оболочки (как указано в гл. 9).
Существуют три основных физических параметра, по которым проводят обычно класси-
фикацию типов ОВ:
во-первых, по числу распространяющихся в них типов волн, или мод, ОВ делятся на два
больших класса: многомодовые и одномодовые-,
во-вторых, ОВ делят по профилю показателя преломления,
в-третьих, ОМ волокно делят по характеристике дисперсии.
12.1.1. Классификация многомодовых волокон
По профилю показателя преломления-.
ММ волокна делятся на:
волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
волокна со сглаженным (типа квадратичной параболы) профилем показателя преломления
(называемым также градиентным).
Многомодовые (ММ) волокна в свою очередь делятся (условно) на 4 класса (Al - А4) в соответст-
вии с материалом (стекло/пластмасса) и толщиной слоев (сердцевина/оболочка) [268]:
- класс А1: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 50/125, 62,5/125, 85/125 и 100/140 мкм;
- класс А2: стекло/стекло, диаметры сердцевины/оболочки: 200/240 мкм;
- класс АЗ: стекло/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 200/280 мкм;
- класс А4: пластмасса/пластмасса, диаметры сердцевины/оболочки: 980/1000 мкм.
В системах связи используются почти исключительно волокна класса А1 (практически только
первые два типоразмера), а остальные используются в локальных вычислительных сетях - ЛВС.
Учитывая относительно большое затухание многомодового волокна, оно используется при
прокладке внутри объектов или на небольшие расстояния до 1-2 км. В этой связи его основным
(если не сказать единственно массовым) потребителем являются ЛВС, а не городские или магист-
ральные сети связи (практически целиком ориентированные на ОМ волокно). Поэтому ниже в си-
лу специфики книги этот тип волокон рассматривается исключительно кратко, интересующихся
отсылаем к работам [33, 246, 268], заметим, при этом, что данные в [33], на наш взгляд, сущест-
венно устарели.
12.1.2. Классификация одномодовых волокон
Одномодовые (ОМ) волокна изготавливаются из кварцевого стекла, имеют постоянный диаметр
оболочки - 125 мкм, а диаметр сердцевины составляет 7-9 мкм, однако нормируемым параметром
является диаметр поля моды (8-11 мкм), который характеризует потери при вводе света в волок-
но и зависит от длины волны (фактически он на 10-12% больше диаметра сердцевины). Методы
измерения этого параметра определены европейскими (IEC 793-1-С9) и американскими (EIA/TIA-
455-164/-165/167А) стандартами (см. ниже).
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
385
12.1.3. Классификация волокон по профилю показателя преломления
По профилю показателя преломления-.
ОМ волокна делятся на:
- волокна со ступенчатым (прямоугольным) профилем показателя преломления;
- волокна с профилем показателя преломления специального типа, например, в форме трезубца,
простого треугольника, сегментированного треугольника, треугольника на прямоугольном
пьедестале, W-образного профиля, многоступенчатого (квадрупольного) профиля.
Иногда (см. [268]) профили показателя преломления делят на 3 типа: профили для ОВ без
сдвига дисперсии, со сдвигом дисперсии, со сглаживанием дисперсии.
12.1.4. Классификация волокон по характеристике дисперсии
По характеристике дисперсии ОМ волокна делятся на (в скобках - английские сокращения):
- стандартное волокно ОМ-СВ, или волокно с несмещенной дисперсией ОМ-ВНД (SF - Standard
Fiber, SSF или SSMF - Standard Single Mode Fiber);
- волокно co смещенной дисперсией ОМ-ВСД (DSF - Dispersion-Shifted Fiber);
- волокно с ненулевой смещенной дисперсией ОМ-ВНСД (NZDSF - Non-Zero Dispersion-Shifted
Fiber);
- волокно для компенсации дисперсии ОМ-ВКД (DCF).
12.1.5. Классификация специальных типов волокон
Наконец, в последнее время в связи с развитием оптических усилителей (ОУ) и систем с WDM
появились специальные типы волокон:
кварцевое волокно для компенсации дисперсии - ВКД, или DCF - Dispersion Compensating
Fiber - волокно, используемые в специальных модулях для компенсации дисперсии - МКД, или
DCM - Dispersion Compensating Module;
кварцевое волокно, легированное эрбием - ВЛЭ, или EDF - Erbium-Dopped Fiber - волокно,
используемое в ОУ типа EDFA - Erbium-Dopped Fiber Amplifier;
кварцевое волокно, легированное неодимом - ВЛН, или NDF - Neodim-Dopped Fiber - волок-
но, используемое в ОУ mnaNDFA - Neodim-Dopped Fiber Amplifier;
волокно, сохраняющее (состояние) поляризации - ВСП (PMF - Polarization Maintaining Fiber) -
используется в целом ряде ОВ датчиков, требующих сохранения состояния поляризации;
кварцевое волокно для ультрафиолетовой области спектра (например, волокно исполь-
зуемое в диапазоне 190-250 нм для различных применений);
кварцевое волокно с большой площадью сечения сердечника (с сердечником 300-800 мк для
целей создания световых потоков большой яркости и мощности, используемых для измерений
и спецприложений).
Ниже рассмотрены основные типы и параметры современных ОМ ОВ, выпускаемых (как
для целей магистральной связи, так и специальных, таких как ВКД и ВСП), упомянутыми компа-
ниями-производителями, наиболее широко представленными на российском рынке.
12.2. Характеристики промышленных оптических волокон
Российские кабельные компании, выпускающие ВОК, используют как импортное ММ и ОМ ОВ,
так и отечественное ММ ОВ. Их продукция, как правило, соответствует мировому уровню качест-
ва и подтверждена соответствующими сертификатами, что позволяет использовать ее с выгодой
для отечественного потребителя. Волокно, используемое этими производителями, может выби-
раться потребителями для обеспечения своих конкретных нужд на стадии оформлении заказа.
25-48
386
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Ниже приведены сведения о параметрах десяти наболее перспективных ММ и ОМ ОВ, вы-
пускаемых компаниями Corning, Lucent Technologies и Fujikura, которые могут использоваться и ис-
пользуются в отечественной кабельной промышленности. При этом упор сделан только на те пара-
метры, которые важны для общего понимания технологии передачи сигнала по волокну. Ряд специ-
фических метрологических и точностных характеристик волокна, не приведенных в таблицах ниже,
можно найти в стандартах ITU-T, EIA, IEC и спецификациях производителей на волокно.
Для удобства читателей сведения о параметрах кабелей, а также рекомендуемые стандар-
тами ITU-T значения, представлены в виде таблиц, а также даны рекомендации по использованию
ОВ в современных системах связи. Кроме этого приведены сведения о некоторых специальных
волокнах и параметрах промышленных модулей для компенсации дисперсии (МКД), выпускае-
мых компаниями Corning, Lucent Technologies и Sumitomo Electric и Fujikura.
12.2.1. Основные параметры многомодовых волокон
Основные параметры ММ ОВ описаны и регламентированы в рекомендациях ITU-T. G.650, 651
[141, 343]. Однако G.651 не отражает естественно все разнообразие марок ММ ОВ. Значительно
более информативны фирменные спецификации компаний-производителей. Для указанных выше
трех основных производителей параметры ММ ОВ сведены в табл. 12-1. Для справок в ней приве-
дены также параметры ММ ОВ, регламентируемые в рекомендации ITU-T. G.651.
Таблица 12-1. Параметры промышленных и рекомендуемых стандартом ММ волокон
Параметры \ Производитель Corning Fujikura ITU-T
Тип или марка, или стандарт волокна 50'125 62.5/125 InfiCore 300 InfiCore 600 InfiCore 1000 InfiCore 2000 G-50/125 G-62.5/125 G.651
Рабочиеркна, нм 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300 850,1300
Затухание, дБ/км ЙдДЗбОнм 2,4-2,5 2,8-3,0 <3,0 <2,5 <3,0 <2,5 <2,4 <3,0 <4,0
1300 нм 0,5-0,7 0,6-0,8 <0,7 <0,8 <0,7 <0,8 <0,7 <0,7 <2,0
Прирост затухания 850 нм <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 н/д н/д н'д
при изгибе, дБ/км "// 1300 нм <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 <0,5 н/д н/д н/д
Диапазон рабочих температур, иС -60-+85 -60-+85 -60-+85 -60-+85 -60-+85 -60-+85 н/д н/д н/д
Изменение затухания в диапазоне рабочих температур, дБ/км <0,20 н/д <0,20 н/д <0,20 н/д <0,20 н/д <0,20 н/д <0,20 н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/д
Полоса пропускания, ц 850 нм 400-600 160-200 н/д н/Д н/д н/д >400 >200 >200
МГц/км » . ,,1300 нм у/т» 600-1000 200-600 н/д н/Д н/д н/д >600 >600 >200
Длина волны нулевой Дисперсии, нм 'У»уж; 1297-1316 1332-1354 1332-1354 1297-1316 1332-1354 1297-1316 н/д н/д н/р
Наклон нулевой дисперсии,; ncW/км ту» 0,101 0,097 0,097 0,101 0,097 0,101 н/д н/д н/р
Хроматическая дисперсия, 850 нм н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/д <120
пс/нм/км 1300 нм ' н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/Д <6
Числовая апертура » 0,200±0,015 0,275±0,015 0,275±0,015 0,200±0,015 0,275±0,015 0,200±0,015 н/д н/Д 0,18-0,24
Групповой показатель 850 нм 1,49 1496 н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/р
преломления ,, 1300 нм » » 1486 1487 н/д н/д н/д н/д н/д н/д н/р
Профиль показателя преломления : парабола парабола парабола парабола парабола парабола парабола парабола парабола
Диаметр сердцевины, 'Шт|;»/У,,у»у»:»|у;у»уу. 50±3,0 62,5±3,0 62,5±3,0 50±3,0 62,5±3,0 50+3,0 50±2,5 62,5±2,5 50+3,0
Некруглость сердцевины, % <5,0 <5,0 <5,0 <5,0 <5,0 <5,0 н/д н/д н/д
Диаметр оболочки, мкм 125±2,0 125±2,0 125+2,0 125±2,0 125±2,0 125±2,0 125+2,0 125±2,0 125+3,0
Некруглость оболочки, % <2,0 <2,0 <2,0 <2,0 <2,0 <2,0 н/д н/д н/д
Неконцентрич. сердцевины и оболочки, мкм » <3,0 <3,0 <3,0 <3,0 <3,0 <3,0 н/д н/д <6,0
Диаметр покрытия, мкм 245±5 245±5 245±5 245±5 245±5 245+5 245±5 245+5 245±5
Неконцентрич. оболочки и покрытия, мкм <12,0 <12,0 <12,0 <12,0 <12,0 <12,0 н/д н/д н/д
Сила снятия покрытия, Н У/» 2,24 2,24 2,24 2,24 2,24 2,24 н/д н/д н/д
Перемотка с натяжением, ГПа 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 н/д н/д н/д
Параметр динамической усталости, гц 20 20 20 20 20 20 н/д н/д н/д
Стандартная длина волокна на катушке, км 1,1-4,4 2,2-8,8 2,2-8,8 1,1-4,4 2,2-8,8 1,1-4,4 н/д н/д н/д
Примечания:
н/р - не регламентирован; н/д-нет данных
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
387
Параметры, используемые в табл. 12-1, как правило, достаточно известны и понятны, од-
нако некоторые из них нуждаются в дополнительных пояснениях.
Тип волокна - стандартное ММ волокно обозначено в соответствии с фирменными обо-
значениями, используемыми в указанных компаниях. ММ волокна с профилем квадратичного
типа {градиентным профилем) иногда обозначаются как GIF.
Рабочие окна (прозрачности) - приведены только первые два окна прозрачности: в окре-
стности - 850 (1) и 1310 нм (2).
Затухание, Прирост затухания, Полоса пропускания, Хроматическая дисперсия и
Групповой показатель преломления даются для двух фиксированных длин волн: 850 и 1310 нм,
соответствующих используемым окнам прозрачности.
Полоса пропускания - параметр BW - имеет размерность [МГц-км], т.е. соответствует ши-
рине полосы, обеспечиваемой ВОЛС длиной 1км (этот параметр иногда называют широкополос-
ностъ, хотя правильнее говорить нормированная полоса пропускания). Для волоконной линии
произвольной длины L, фактически обеспечиваемая полоса вычисляется как BW/L, т.е. она об-
ратно пропорциональна длине линии. Этот параметр нормируется только для ММ волокон, для
которых трудно вычислить суммарную модовую дисперсию.
Параметр динамической усталости - фактор сопротивления динамической усталости,
определяющий способность волокна противостоять долговременным механическим нагрузкам
(чем выше п, тем больше надежность волокна, см. стандарт FOTP-31 в обзоре в гл. 13).
В табл. 12-1 помещены, в основном, оптические характеристики волокон. Ряд других важ-
ных механических, точностных и температурных параметров указанных волокон может быть най-
ден в соответствующих каталогах и спецификациях указанных компаний-производителей.
12.2.2. Основные параметры одномодовых волокон
Основные параметры ОМ ОВ описаны и регламентированы в рекомендациях ITU-T Rec. G.650, 652-
655 [141-145], которые используются, в основном, для ссылок в официальных документах на тип во-
локна. Значительно более информативны фирменные спецификации компаний-производителей. Для
указанных выше трех основных производителей параметры ОМ ОВ сведены в табл. 12-2. Она дает
представление о современном уровне развития технологии ОВ. Для справок в ней приведены также па-
раметры ОВ, регламентируемые в рекомендациях ITU-T Rec. G.652, G.653, G.654 и G.655.
Кроме параметров, используемые в табл. 12-1, пояснение которым дано выше, дополни-
тельно нуждаются в пояснениях следующие параметры табл. 12-2.
Тип волокна - стандартное ОМ волокно обозначено как SSF, ОМ волокно со смещенной
дисперсией - DSF и для волокно с ненулевой смещенной дисперсией - NZDSF. Знак "+" означает,
что дисперсионный параметр D (называемый также дисперсией, хотя эти понятия разные в том
числе и по знаку) положителен, знак - что он отрицателен (см. рис. 12-1, этот знак важен для
солитонных систем связи). Для SSF параметр D? ("дисперсия" на рабочей длине волны Л) может
быть расчитан по формуле:
Вх = (Л-Л04/Л3)Х„/4,
где Ло - длина волны нулевой дисперсии, a. So - наклон зависимости ТГЛ(Л) при нулевой дисперсии -
параметры, которые приводятся в табл. 12-2.
Рабочие окна (прозрачности) - кроме обозначений первых трех окон указывается и более
точный интервал, например, 1530-1565 нм, если ОВ оптимизировано для работы именно в этом
интервале. Первоначально под окнами понимались узкие области минимумов кривой поглоще-
ния света в ОВ в окрестности - 850 нм (1), 1310 нм (2), 1550 нм (3). Сейчас 2 окно - это область
от 1280 до 1325 нм, 3 окно - от 1529 до 1565 нм, 4 окно - от 1565 до 1620 нм, 5 окно - от 1325 до
1450 нм. Например, волокно AllWave (компании Lucent Technologies) может работать в четырех
окнах со 2 по 5, т.е. в полосе от 1280 до 1620 нм..
Затухание дается как для фиксированных длин волн: 1310, 1383 нм (пик затухания, вы
званный наличием гидроксильных групп ОН), 1550 нм, так и внутри трех окон, что важно
25*
388
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Таблица 12-2. Параметры промышленных и рекомендуемых стандартами ОМ волокон (начало)
Параметры Параметры промышленного волокна
Corninp Fujikura
Фирменное обозначение УМН-Жи SMF-DS SMF-LS LEAF SM-9/125 DSM-8/125 DSMNZ-9/125
Тип волокна : •:: ? SSF DSF NZDSF- NZDSF+ SSF DSF NZDSF
Соответствие стандарту 1Ти-Т||||Ж G.652 G.653 G.655 G.655 G.652 G.653 G.655
Рабочие окна прозрачности, нм - 1310/1550 1550 1530-1560 1530-1625 1310/1550 1310/1550 1310/1550
Затухание, дБкм :Ж 1310 нм <0,4/0,34 <0,5/0,38 <0,5/0,38 <0,5 <0,4/0,34 <0,45 <0,45
:а 1383 нм (максимум ОН) <2,0/0,40 <2,0/0,6 <2,0/0,6 <1,0/0,6 <0,60/0,55 <0,40 н/д
7 1550нм <0,30/0,20 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25/0,21 <0,25 <0,25
в окно 1285-1330 нм <0,45/0,39 н/п н/п н/п <0,39/0,3 н/д н/д
в окне 1525-1565/1575 нм <0,35/0,25 <0,3 <0,3 <0,3/0,25 <0,25 <0,30 <0,25
в окне 1565-1625 нм <0,35/0,25 <0,3 <0,3 <0,3/0,25 <0,25 <0,30 <0,25
Прирост затухания при температурах -60 - ,+55/85“ С /г/ -/<0,05 -/<0,03 н/д -/<0,05 <0,05/0,05 <0,05/0,05 <0,05/0,05
Диамётр поля 1310 нм 9,2±0,4 н/д 6,6 н/п 9,3±0,5 н/д н/д
моды, мкм " 1550 нм 10,5±1,06 8,1+0,65 8,4 9,6±0,4 10,5±1,0 8,1 ±0,65 9,5+0,5
Длина волны отсечки (кабепя/волбкна), нм , 1260/- 1260/- 1260/- Н/Д 1260/1330 1100-1330 -/1450
Длина волны нулевой дисперсии, нм 1301,5-1321,5 1535-1565 н/Д н/д 1301-1322 1525-1575 н/д
Наклон кривой D при нулевой дисперсии, пс'(нм2?км) 0,092 0,085 н/д н/Д 0,092 0,085 н/д
Область ненулевой дисперсии, нм н/п н/п >1530 >1530 >1322 н/п Н/д
Дисперсия хромати- 1310 нм н/д н/п н/п н/п <3,5 н/д Н/д
ческая, пс/км/нм , :: „ • . 1550 нм см. ниже <2,7 см. ниже см. ниже <5,3 <5,3 1,0-6,0
Изменение дисперсии в окне 1550 нм, пс/(НМ?кМ) ? 7-11,5 <2,7 -3,5--0,1 2,0-6,0 н/п н/п н/д
Дисперсия поляризованной моды (PMD), по/км > <0,2 н/д н/д <0,2 <0,2 <0,5 <0,5
Дисперсия PMD для протяженной линии1, пс/км <0,1 н/д н/д <0,08 н/д н/д н/д
Ограничение по PMD на Скорость передачи, Гбйт/с1|| н/д н/д н/д 40 н/д н/д 40
Диаметр сердцевины, мкмV 8,3 н/д н/д н/д н/д н/д н/д
Эффективная площадь светового поляр мкм2 н/д н/д н/д 72 Н/д н/д 72
Числовая апертура 0,13 0,17 0,16 Н/Д 0,13 н/д н/д
Групповой локазатИа/S::::: 13,10 нм 1,4675 1,4718 1,471 н/п 1,4668 1,468 н/д
преломления ^//aaJ/B8:/ 1550 нм 1,4681 1,4711 1,470 1,469 1,4671 1,468 1,469
Зид профиля показателя:преломпения](К:аЯ|1|||/| ступенька трезубец трезубец трезубец ступенька н/д н/д
Фактор сопротивления динамической усталости : 20/25' 20 20 20 20 20 20
Диаметр оболочки, мкм 125±1 125±1 125±1 125±1 125±1 125±1 125±1
Некбнцёнтричность сердцевины и оболочки/мкм <0,5 <1,0 <0,5 <0,5 <0,8 <0,8 <0,8
Радиус собственной кривизны волокна, м >4 >2 >4 >4 >4 >4 >4
Диаметр покрытия, мкм 245±5 245±10 245+5 245±5 245+5 245±10 245±10
Примечания:
' - статистическая величина PMD измеренная, в соответствии с IEC SC 86A/WG1
2 - Значения, вычисленные на основе других параметров
3 - Указанные значения соответствуют области ненулевой дисперсии
4 - Указаны два значения: новое и старое (для новой и старой технологии волокна TrueWave)
5 - Треугольный профиль представляет собой равнобедренный треугольник на прямоугольном пьедестале
6 - Выпускается в двух вариантах с покрытиями СРС и CPC+Duradad - для второго варианта диаметр поля моды на 1550 нм равен 10,35±0.8
7 - Большее значение соответствует волокну с покрытием CPC+Duradad
Общее замечание: через наклонную черту приведены либо альтернативные, либо наиболее вероятные значения параметров
G.652 - Стандарт для ОМ волокна, имеющего нулевую дисперсию на 1310 нм и допустимого для работы на 1550 нм
G.653 - Стандарт для ОМ волокна со сдвигом дисперсии, имеющего нулевую дисперсию на 1550 нм и допустимого для работы на 1310 нм
G.654 - Стандарт для ОМ волокна, оптимизированного по затуханию для работы на 1550 нм и имеющего нулевую дисперсию на 1310 нм
G.655 - Стандарт для ОМ волокна со сдвигом дисперсии, имеющего малую ненулевую дисперсию на 1550 нм и допустимого для работы на 1310 нм
н/д - нет данных
н/н - не нормированы
н/п - неприменимо
прикидки возможности использования волокна в системах WDM. Как правило приводятся два
значения (через разделительную черту): первое соответствует максимально возможной величи-
[_не, второе - фактически наблюдаемой на практике - не нее можно ориентироваться с большой
гей вероятности.
Примечай.
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
389
Таблица 12-2. Параметры промышленных и рекомендуемых стандартами ОМ волокон (продолжение)
Параметры Параметры промышленного волокна Параметры, рекомендуемые стандартами
Lucent G.652 G.653 G.654 G655
Фирменное обозначение" True Wave TrueWave RS AllWave н/п н/п н/п н/п
ТИП ВОЛОКНа : : ' : NZDSF+ NZDSF+ NZDSF+ SSF DSF LMF NZDSF+
Соответствие стандарту ITU-T G.655 G.655 G.655 н/п н/п н/п н/п
Рабочие окна прозрачности, нм 1530-1560 1525-1620 1285-1620 1300/1550 1500-1600 1550 1530-1565
Затухание, дБ/кМ 1310 нм у, <0,5/0,4 <0,5/0,4 <0,35 <1,0/0,34 <1,0 н/н н/н
1383 нм (максимумОН) <2,0/0,5 <1,0/0,5 <0,31 <2,0 <2,0 н/н н/н
1550 нм <0,25/0,2 <0,25/0,22 <0,25/0,21 <0,5/0,25 <0,5/0,25 =0,22/0,15-0,1 <0,35/0.19-0,25
в окне 1285-1330 НМ н/п н/п <0,45 н/н н/н н/н н/н
в окне 1525-1565/1575 нм <0,3 <0,3/0,27 <0,3/0,26 н/н н/н н/н <0,5
в окне 1565-1625 нм <0,3 <0,3/0,27 н/д н/н н/н н/н <0,5
Прирост затухания при температурах -60 - +55/85" С , н/д <0,05 <0,05 н/н н/н н/н н/н
Диаметр поля МОДЫ, мкм 1310 нм н/п н/п 9,3±0,5 9,0-10,0+10% н/н н/н н/н
1550 нм 8,4 8,4±0,6 10,5+1,0 9,0-10,0±10% 7,0-8,3+10% 10,5+10% 8-11±10%
Длина волна отсечки (кабеля/волокна),Енм 1260/1450 1260/- 1260/- 1260/1280 1270/- 1350/1530 <1480/<1470
Длина волны нулевойдисперсии, нм 1521,5/1532,54 -146У 1300-1322 1310±10 1550±25 1310+10 н/н (1529,412)
Наклон кривой D при нулевой дцсперсии, псУнмЧкм 0,095 0,045 0,092/0,088 0,093 0,085 0,06 <0,169
Область ненулевой дисперсии, нм: • Е 1529/1640-1565’ >1450 >1322 н/н н/н н/н н/н (>1529,412)
Дисперсия хромати- ческая, пош'нм 1310 нм " н/п -9 н/п н/н н/н н/н н/н
1550 нм см. ниже -4,52 см. ниже н/н н/н н/н н/н
Изменение дисперсии в окне 1550 нм, пфнм/км , f 1,0-4,0/5,53 3-7' н/д 3,5-20 3,5 20 0,1-6,0
Дисперсия поляризованной моды (РМЙ), пс/км' S: <0,5 <0,5 <0,5 н/н н/н н/н <0,5
Дисперсия Pk/D для протяженной линии' , лакм"" н/д <0,1 0,05 н/н н/н н/н н/н
Ограничение по PMD на скорость передачи, Гбит/с 10 40 40 н/н н/н н/н 400
Диаметрсердцевины, мкм „ у 6 н/д н/д н/н н/н н/н н/н
Эффективная плоцддь светового поля, мкм" н/д н/д н/д н/н н/н н/н н/н
Числовая апертура "у ... н/д н/д н/д н/н н/н н/н н/н
Групповой показатель преломления Т 1310 нм 1,4738 1,471 1,466 н/н н/н н/н н/н
1550 нм 1,4732 1,47 1,467 н/н н/н н/н н/н
Вид профиля показателя преломления треугольник" н/д н/д ступенька н/н н/н н/н
Фактор сопротивления динамической усталости """ 20 20 20 н/н н/н н/н н/н
Диаметр оболочки, мкм • 125±1 125±1 125+1 125±1 125±1 125±1 125+1
Неконцентричнбсть сердцевины и оболочки, мкм " <0,6 <0,6 <0,6 <0,8 <0,8 <0,8 <0,8
Радиус собственной кривизны волокна, м < >2 >2 >2 н/н н/н н/н н/н
Диаметр покрытия, мкм у г 245±10 245+10 245±10 245±10 245±10 245±10 245±10
Прирост затухания - приводится (при необходимости использования кабеля в широком
диапазоне температур) для двух диапазонов температур (от -60 до +55°С) или (от -60 до +85°С)
через разделительную черту, если дано одно из них, то знак означает отсутствие данных.
Аналогичный прирост может произойти и от других факторов, например, при эксплуатации ВОК
в водной среде или "мокрых" коллекторах, от чрезмерно малого радиуса кривизны при частых
изгибах волокна и др.
Длина волны отсечки - приводятся (через разделительную черту) оба значения: для серд-
цевины и кабеля в целом, или одно из них (знак означает отсутствие данных). Первое -
обычно выше второго, которое определяется в результате измерений и служит практическим
ориентиром длины волны отсечки. Если кабель используется для передачи несущих с длинами
волн ниже длины волны отсечки, то возникающие дополнительные моды могут привести к су-
щественному увеличению дисперсии.
Длина волны нулевой дисперсии - приведена по каталогу, либо вычислена приблизитель-
но на основании других данных. Совместно с наклоном при нулевой дисперсии она дает воз-
можность оценить значение дисперсии для конкретной длины волны, используя интерполяцион-
ные формулы.
390
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Область ненулевой дисперсии приводится для ОМ волокна, оптимизированного для ра-
боты с системами WDM в указанной области (см. рис. 12-1). Знание ее важно как при оценке
влияния на эти системы четырехволнового смешения (см. выше), так и при использовании во-
локна в солитонных системах связи, для которых средняя дисперсия волокна должна быть от-
рицательна на участке передачи (т.е. среднее значение дисперсионного параметра D должно
быть положительно).
Изменение дисперсионного параметра Вхв 3 окне - приводится для ОМ волокна с нену-
левой дисперсией и соответствует границам указанного окна (см. рис. 12-1). Параметр В? на
длине волны 2 может быть расчитан, используя линейную интерполяцию и граничные значения
указанного параметра:
Вл — (D^np - В Ллев) '(3, - З,пр)/Лл + В Лир,
где Влпр и Вллев - значения дисперсии на границах окна (правой и левой соответственно), а Ал -
ширина оптимизированного окна в нанометрах. Эти величины приведены в табл. 12-2. Знание D?
важно для расчета накопленной дисперсии на длине пролета (span) - участка передачи, пере-
крываемого одним ОУ. Ограничения на нее приводятся в спецификациях на системы с WDM в
рамках параметра, называемого конфигурацией системы-, например, 4x33, 5x30, где первая
цифра - число перекрытий на одну секцию, а вторая - бюджет ОУ на одно перекрытие в дБ.
Для волокон типа NZDSF характер изменения дисперсии в окне 1530-1620 нм приведен на рис.
12-1 на примере волокон компании Lucent Technologies. Наименьший наклон здесь демонстри-
рует волокно TrueWave RS - 0,241, наибольший - Large Area - волокно с увеличенной площа-
дью светового поля (0,617 [D]/hm), где [D] - размерность параметра D.
Рис. 12-1. Вид дисперсионной характеристики ОВ типа NZDSF
Дисперсия поляризованной моды - этот параметр дает максимально-возможное значение PMD.
Дисперсия PMD для протяженной линии - этот параметр дает статистическое значение
PMD в кабеле (среднеквадратическое значение коэффициентов PMD отдельных волокон в кабе-
ле, измеренное по методике IEC SC 86A/WG1, Метод 1). Этот параметр используется для более
достоверной оценки накопленной (на длине секции) дисперсии PMD для высокоскоростных сис-
тем (10 Гбит/с по одному волокну и выше) связи.
Эффективная площадь светового поля - этот параметр вводится, как эквивалент площа-
ди сердцевины для высокоплотных систем с разделением по длине волны (DWDM). В этих сис-
темах используются источники лазерного излучения высокой интенсивности, что приводит к
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
391
возрастанию нелинейных эффектов. Для снижения плотности оптической мощности, при общем
увеличении ее уровня, необходимо увеличивать эффективную площадь светового поля, что де-
лается за счет оптимизации профиля показателя преломления. Например, в разработанном для
этих целей волокне LEAF (компании Corning) эта площадь повышена настолько, что дает при-
рост допустимой мощности источника излучения на 2 дБ (используемый профиль - трезубец).
Вид профиля показателя преломления - кроме прямоугольного профиля показателя пре-
ломления, в волокнах типа NZDSF со сдвигом нулевой дисперсии в область окна 1550 нм для
формирования относительно плоской дисперсионной характеристики с малой величиной дис-
персии, используются специальные профили. Наиболее широко используемые из них трезубец
и треугольник на пьедестале (Л-профиль), формируемые наличием нескольких оболочек с
разным значением показателя преломления.
Радиус собственной кривизны волокна - параметр, влияющий на смещение центра волокна
при укладке его для сварки в V-образную канавку (чем меньше радиус, тем больше смещение).
В табл. 12-1 и 12-2 помещены, в основном, оптические характеристики волокон. Ряд дру-
гих механических, точностных и температурных параметров волокон отражены в меньшей степе-
ни. Дополнительную информацию по ним можно найти в соответствующих каталогах и специфи-
кациях компаний-производителей.
12.2.3. Рекомендации по применению волокон в системах связи PDH, SDH и WDM
Все волокна используются в той или иной мере в системах связи с технологиями PDH, SDH и
WDM. Поэтому имеет смысл привести краткую сводку рекомендаций, которые накопились в про-
цессе использования ОВ в этих системах.
• ММ волокна практически не используются в современных сетях SDH и WDM, но продолжа-
ют использоваться в сетях PDH, причем как правило в окне 1310 нм, а не 850 нм.
• SSF-волокна используются наиболее широко (как самые старые и массовые типы ОВ, тысячи
километров которых уже проложены) и соответствуют по затуханию рекомендации ITU-T
Rec. G.652. За последние годы их фактическое затухание было уменьшено (до величин по-
рядка 0,18-0,19 дБ/км, и даже ниже для отобранных образцов ВОК) и может соответствовать
требованиям Rec. G.654. SSF, соответствующие Rec. G.652, могут быть использованы для
любых применений. Их единственный недостаток - большая хроматическая дисперсия на
длине волны 1550 нм - 17-20 пс/(нм-км), но она может быть скомпенсирована использованием
модулей DCM (см. ниже). Именно такое решение применяется, например, для систем с WDM
в тех случаях, когда используется "старая" оптическая кабельная сеть.
• DSF-волокна (соответствуют ITU-T Rec. G.653) широко используются для систем SDH (осо-
бенно STM-16 и выше) с одной несущей. Однако, если в перспективе предстоит переход на
системы с WDM, их использование нежелательно (ввиду ярко выраженного эффекта четы-
рехволнового смешения - ЧВС, так как нуль дисперсии лежит внутри используемого рабоче-
го диапазона систем WDM, что облегчает возникновение ЧВС).
• NZDSF-волокна (соответствуют ITU-T Rec. G.655) оптимизированы для работы в системах с
WDM и DWDM. Выбор конкретного типа волокна при этом зависит уже от используемого
диапазона длин волн, так как в этой полосе значение дисперсии не должно быть нулевым или
очень малым (для исключения ЧВС). В пределах выбранного диапазона оно должно быть од-
ного знака и составлять не менее 2-4 пс/(нм-км).
• С точки зрения использования ОВ для среднескоростных систем SDH (при скоростях до 2.5
Гбит/с включительно, т.е. на уровне STM-16), можно констатировать, что при одной несущей
может быть использовано любое волокно, удовлетворяющее по затуханию и накопленной дис-
персии требованиям заказчика. Если предполагается впоследствие переходить к WDM, то мож-
но применять любое волокно, кроме DSF, используя при этом два альтернативных технических
392
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
решения: либо волокно SSF + волокно DCF, либо волокно NZDSF с малым наклоном дисперси-
онной кривой - конкретный выбор диктуется при этом экономическими соображениями.
• С точки зрения использования ОВ для высокоскоростных систем SDH (10 Гбит/с и выше, т.е.
на уровне STM-64, STM-256), также можно констатировать, что при одной несущей может быть
использовано любое волокно, удовлетворяющее по затуханию, накопленной дисперсии и вели-
чине дисперсии поляризованной моды - PMD (должна быть не хуже 0,1 -0,2 пс/км'1'2), или до-
пуску на ее накопленное значение, требованиям заказчика (см. замечание в п.1 относительно
дисперсии PMD протяженной линии). Если предполагается впоследствие переходить на WDM.
то превалирующим остается требование-ограничение на накопленное значение PMD, а в ос-
тальном соображения те же, что и в предыдущем пункте. Если же требования по PMD не удов-
летворяются даже при расчете по значению для “протяженной линии”, то единственной (не счи-
тая снижения скорости или уменьшения длины перекрытия и/или секции), на наш взгляд, аль-
тернативой является использование солитонных генераторов совместно с системой SDH или
SDH/WDM. В этом случае (как показывают не только исследования, но и практика использова-
ния двух промышленных систем солитонной связи) могут быть допущены значения дисперсии
PMD до 0,5 пс/км'!/2, учитывая меньшую чувствительность солитонов к PMD.
12.2.4. Применение волокна для компенсации дисперсии
Как уже отмечалось, согласно статистике, наибольший процент уложенного кабеля содержит стан-
дартное ОМ волокно, имеющее большую величину хроматической дисперсии, 17-20 пс/(нм нм), н?
длине волны 1550 нм. Если планируется увеличить длину перекрытия или секции, ограниченна i
допустимой величиной накопленной дисперсии, или необходимо уменьшить дисперсию в связи с
переходом со скорости передачи 2,5 Гбит/с на 10 Гбит/с, или планируется использование систем
WDM, или же, наконец, оказывается необходимым установить солитонные генераторы для повыше-
ния надежности работы вашей линии связи (а для нормальной работы таких генераторов требуется,
как известно, отрицательная средняя (накопленная на длине секции) дисперсия) - можно использо-
вать специальное волокно для компенсации дисперсии - ВКД (DCF). Это волокно производится ря-
дом компаний, например, Corning, Lucent Technologies, Sumitomo Electric.
Волокно укладывается (в виде бухты) в специальные модули - модули компенсации дис-
персии - МКД (DCM), выпускаемые как в виде отдельно используемых модулей, оснащенных
оконцованными коннекторами монтажными шнурами (типа - pigtail), так и в виде модулей, мон-
тируемых в стойках 19” и 23”. Размер модулей могут быть разными, например, для DCM Cornii
имеем: тип В - 235x235x40 мм, тип D - 267x267x40 мм и тип С - 278x432x44 мм; для DCFV
Sumitomo: 228x202x41 мм.
В табл. 12-3 приведены доступные типы и параметры таких модулей (волокон), выпускаемых
компаниями Corning, Lucent Technologies и Sumitomo Electric. Приведенные параметры соответствуют
длине волны 1545-1550 нм, а среднее значение PMD измерено в диапазоне длин волн 1500- 1565 нм. В
этой таблице фактически вместо дисперсии используется дисперсионный параметр D. По ’
“эффективностью модуля” понимается отношение дисперсии модуля к вносимому затуханию.
В практике использования волокна существуют два подхода в стремлении уменьшить нако-
пленную дисперсию на длине секции. Один базируется на использовании волокна с малой дисперси-
ей (волокна с нулевой дисперсией, если речь идет об использовании одной несущей, или волокна
NZDSF с минимально-возможным наклоном кривой дисперсии в рабочем окне, если речь идет об
использовании нескольких несущих в системах с WDM), другое - на использовании чередующихся
участков с положительной и отрицательной дисперсией (параметром D). Второй подход (в силу не-
однородности используемого волокна в сети и вытекающих из этого сложностей в случае ремонта)
подвергался критике. Однако он был дешевле. С появлением промышленных МКД, а также учиты-
вая, что установка МКД носит не “распределенный” (как для ВОК), а “сосредоточенный” характер
(модуль устанавливается в стойку, или на полку (в шасси) ОУ между первым и вторым каскадами
усиления, сложности “с ремонтом” исчезли. В результате все более широкое применение находит
связка: волокно SSF+DCM (стандартное волокно + МКД). У такого решения два недостатка (как это
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
393
видно из табл. 12-3): дополнительные вносимые потери, которые должны быть учтены при подсчете
накопленного затухания, и увеличение суммарного PMD, которое должно быть учтено для высоко-
скоростных систем (10 Гбит/с на несущую и выше) при подсчете накопленного PMD.
Таблица 12-3. Параметры модулей (волокна) для компенсации дисперсии (начало)
Компания Coming Lucent Technologies1 Fujikura Ltd.
Типмодуля DCM-20 DCM-40 DCM-6Q, ШЩВ JDCM-95 DK-40 DK-60 :t(|DIE80 15DC-340 (15DC-680
Компенсируемая длиНайинии’, км 20 40 60 80 95 40 60 80 20 40
ДйсперсйявоНокна (МоДулДрЖ^ -329±5 -658±10 -988±10 -1317±15 -1564±15 -680±21 -1020±31 -1360±41 -340±10 -680±10
Наклондйспёрсйи(О),лЯМЙ///’ЯЕ н/Д н/Д н/Д н/д н/д <-1,2 <-1,9 <-2,5 <0,366 <0,726
Вносимое затуДИ дБ <3,2 <5,0 <6,8 <8,6 <10,0 <5,2 <7,0 <8,9 <3,1 <5,0
Эффективность Волбкна (EQMj, пс/нм/дБ: н/Д н/д н/Д н/Д н/Д н/Д н/Д н/д >180 >180
Эффективность моДупФЩОМ)*: пС/нм/дБ/№ 102,8 131,6 145,3 153,2 156,4 130,82 145,72 152,82 >110 >140
Среднее значение PMD, пс <0,8 <1,1 <1,4 <1,5 <1,6 <0,6 <0,75 <0,9 <1,0 <1,4
Значение PDL, дБ (размах) н/д н/Д н/Д н/д н/Д н/д н/Д н/Д н/Д н/Д
Типы выпускаемых модулей: “ с В, С В, С В, С D, С D.C 107993297 107993305 107993313 FJ F3
Таблица 12-3. Параметры модулей (волокна) для компенсации дисперсии (продолжение)
Компания • /// / //у Sumitomo Electric industries Fujikura Ltd.
Типмодуля у/:/,, У/ P-DCFM-20 P-DCFM40 P-DCFf® P-DCFM80 15DC-1020 15DC-1360 15DSC-340 15DSC-680 15DSC-1020 15DSC-1360
Компенсируемая длина линии4, км 20 40 60 80 60 80 20 40 60 80
Дисперсия волокна модуля, гс'нгл'ш :'3| -340 -680±11 -1020+16 -1360±21 -1020±20 -1360±20 -340±10 -680±10 -1020±20 -1360±20
Наклон дисперсии (D).x'iim2 н/Д <1,2/0,8 <1,8/1,2 <2,4/1,6 <1,086 <1,446 <-0,6 <-1,2 <-1,8 <-2,4
затухание,' дБ/ / j:/' н/д <4,4/3,7 <6,1/5,1 <7,8/6,7 <6,9 <8,8 <3,7 <5,9 <8,0 <10,1
Эффективность волокна (ВОЙ/!Унм/д6/7/ н/д н/д н/д н/д >180 >180 >160 >160 >160 >160
Эффективность модуля (БСЦ/ пс/нм/дБ н/Д >155 >167 >174 >150 >155 >92 >115 >128 , >135
Среднее значение РЩ пс.: Ж н/Д <1,0/0,6 <1,2/0,7 <1,4/0,8 <1,7 <2,0 <1,2 <1,7 <2,0 <2,3
Значение PDL, дБ (размах) <0,1 <0,1 <0,1 <0,1 н/Д н/Д н/Д н/д н/д н/д
Т ипы выпускает» модулей s’ S1 S S F3 F3 s’ F F*
Примечания:
* - Эффективность модуля определяется отношением дисперсии волокна модуля к вносимому затуханию
1 - По ицциведуальному заказу могут поставляться модули с дисперсией волокна до -2040 по'нм'км (DK-120)
2 - Параметры вычислены автором для номинальных значений вносимого затухания
3 - Размеры модуля - S - 228x202x41 мм
4 - В предположении, что использовалось волокно типа G.652
5 - Размеры модуля - F - 230x250x40 мм
6 - Параметры реконструированы автором по кривой дисперсии
В любом случае при использовании МКД необходимо проводить поверочные расчеты не
только накопленного затухания с учетом вносимых ими потерь, но и накопленного значения PMD,
особенно для высокоскоростных систем.
Используемая терминология
Ряд терминов, используемых в документации по ОВ, означая одно и то же, может иметь раз-
ные написания и образовывать разные сокращения. Учитывая отсутствие регламентирующих эти
термины отечественных стандартов, ниже для некоторых терминов приведены используемые вари-
анты. В левой колонке приведены термины используемые в статье, в правой - в другий изданиях.
Диаметр поля моды - диаметр модового пятна, диаметр модового поля (ДМП).
394
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Дисперсионный параметр (Z)) - дисперсия.
Дисперсия поляризованной моды - поляризационная модовая дисперсия (ПМД).
Трезубец (профиль показателя преломления) - W-профиль, “треугольник в кольце”.
Четырехволновое смешение (ЧВС) - четырехволновое смешивание, смешивание четырех волн.
12.2.5. Оптическое волокно, сохраняющее состояние поляризации
Еще одним примером специальных ОВ является волокно, сохраняющее состояние поляризации
(ВСП). Известно, что обычное ОМ ОВ не сохраняет состояние поляризации. Точнее состояние по-
ляризации в волокне меняется, как правило, случайным образом по длине волокна и зависит от
ряда факторов в том числе дефектов волокна и остаточного напряжения в нем. Другими словами,
состояние поляризации в ОМ ОВ неконтролируемо.
Для некоторых приложений, использующих явление интерференции лазерных лучей, а не
их интенсивность, важно сохранить состояние поляризации. К ним относятся все приложения,
использующие волноводные ОВ датчики, например, в ОВ гироскопах, прецизионных измерителях
угловых скоростей, а также датчики для высокоточных оптических измерений. Во всех этих слу-
чаях может быть использовано ВСП. В табл. 12-4 в качестве примера, приведены параметры неко-
торых типов таких волокон, промышленно выпускаемых компаниями Corning (волокно типа
“Panda” - SM.xx-P и PMF-38 с эллиптическим профилем сердечника) и Sumitomo Electric и рас-
считанных на различные длины волн, включая; 630, 850, 980, 1300, 1550 нм.
Таблица 12-4. Характеристики ВСП
Corning Sumitomo Electric
Параметры SM.85-P SM.98-P SM.13-P SM.15-P PMF-38 РМ-063 РМ-085 РМ-130 РМ-155
Длина волны отсечки, нм 700-800 970 1100-1290 1290-1540 710±50 н/д н/Д н/д н/д
Рабочая длина волны, нм 850 980 1300 1550 780/850 630 850 1300 1550
Диаметр поля моды, мкм 5,5±1 6,6±1 9,5±1 10,5±1 н/Д н/д н/д н/д н/Д
Диаметр оболочки волокна, мкм ., 125±3 125±3 125±3 125±3 80+3 125 125 125 125
Диаметр покрытия оболочки волокна, мкм 250±20 400±20 250/400+20 400±20 185±15 н/д н/д н/д н/д
Коэффициент двриН® лучепрёЛрмлениЛ](|][ н/д н/д н/Д н/д >1,5,10-4 >3,10-4 >3,10-4 >3,10-4 >3,10-4
Переходная помёха, дБДа ДлинеТООм <-30/-40 <-25 <-25/-40 <-30/-40 н/д <-35 <-35 <-35 <-35
Затуханиесигнала, дБ® <3,0/2,0 <3,0 <1,0/0,5 <0,5/0,3 <10 <12 <3 <2 <2
12.3. Типы и характеристики промышленных оптических кабелей
Волоконно-оптические кабели (ВОК) выпускаются многими зарубежными и отечественными
компаниями. Решение о закупке ВОК, принимаемые менеджерами компаний, должно базировать-
ся на знании основных типов и параметров ВОК и используемого в нем оптического волокна
(ОВ). Типы и параметры ОВ описаны в разд. 12-2. В этом разделе рассмотрены основные типы и
параметры ВОК, выпускаемых отечественными производителями, кроме кабелей в грозотросе
(они в нашей стране только осваиваются), для которых приведены параметры ВОК, выпускаемых
в основном зарубежными компаниями, кроме компании "СОКК".
Цель представленного материала - помочь менеджерам разобраться в обилии типов ВОК,
их конструкций и параметров и сделать правильный выбор кабеля для конкретного применения.
Для облегчения выбора сведения о классификации, типах и параметрах ВОК, а также рекоменда-
ции по их применению, были обобщены и представлены в виде таблиц, которыми менеджеры
могли бы воспользоваться.
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
395
12.3.1. Классификация типов оптических кабелей
Учитывая наличие по отдельным типам ВОК уже опубликованного материала, ниже приводится
раткий обзор того, что есть на рынке оптических кабелей связи, учитывая большое разнообразие
кабельных изделий, а также то, что большинство кабелей (например, все кабели в грозотросе и
другие кабели воздушной подвески) делаются под конкретные требования заказчиков, что еще
'олее увеличивает типаж изделий.
Существует большое количество типов ВОК в зависимости от назначения, условий прокладки
и конструкции составляющих элементов.
По назначению все кабели можно разделить на три категории:
I - внутренней прокладки (indoor),
2 - наружной прокладки (outdoor),
3 - специальные.
12.3.1.1 . Кабели внутренней прокладки
Кабели внутренней или внутриобъектовой прокладки используются внутри телефонных станций,
офисов, зданий и помещений клиентов/абонентов.
По условию прокладки эти кабели в свою очередь можно разделить на:
кабели вертикальной прокладки (riser cable);
кабели горизонтальной прокладки (distribution cable);
шнуры коммутации (patch cord).
Ниже эти типы кабелей нами не рассматриваются, интересующиеся могут обратиться к [246, 268].
12.3.1.2 . Кабели наружной прокладки
Кабели наружной прокладки могут применятся практически на любых (сельских, городских, зо-
новых и магистральных) линиях связи.
По условию прокладки эти кабели в свою очередь можно разделить на:
- воздушные (aerial),
- подземные (buried),
- подводные (undersea, underwater)
Кабели воздушной подвески
Кабели воздушной подвески подвешиваются на опорах различного типа и в свою очередь
делятся на кабели:
самонесущие (self-supporting, например, типа ADSS - All-Dielectric Self-Supporting - полностью
диэлектрические самонесущие} - с несущим тросом или без него, подвешиваемые на опорах
различного типа, в том числе на опорах ЛЭП и контактной сети железных дорог;
прикрепляемые (lashed, например, типа ADL - полностью диэлектрические прикрепляемые),
которые крепятся к несущему проводу с помощью диэлектрических шнуров или ленты, или же
с помощью специальных зажимов, или спиралевидных отрезков металлической проволоки;
- навиваемые (wrapped, например, типа SkyWrap компании Focas) - навиваются вокруг несуще-
го, например, фазового провода или провода заземления (грозотроса);
- встраиваемые в грозотрос (типа OPGW - Optical Ground Wire - ОКГТ - оптический кабель в
грозотросе).
Кабели подземной прокладки
Кабели подземной прокладки в свою очередь делятся на:
- кабели, прокладываемые в кабельной канализации или туннелях-,
- кабели, закапываемые в грунт-,
- кабели автоматической прокладки (АП) в специальных трубах (например, трубах типа Silicore
- ПЭ трубы компании Dura-Line).
Подводные кабели
Эти кабели делятся в свою очередь на:
396
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
- кабели, укладываемые на дно несудоходных рек, неглубоких озер и болот (используются при
прохождении водных преград небольшой длины);
- кабели, укладываемые на дно морей и океанов (что может означать не только укладку на дно, но и
закрепление на определенной глубине, или закапывание в донный грунт на определенную глубину).
12.3.1.3 . Специальные кабели
К специальным кабелям относят следующие:
- одноволоконные полностью диэлектрические (ПД) кабели в тонкой специальной оболочке для
использования в сети внутренней коммутации различных спецустройств и приборов;
- многоволоконные плоские ПД кабели, используемые для внутренних шин и компьютерных се-
тей суперкомпьютеров;
- многоволоконные объемные (матричные) ПД кабели, используемые для прямой (несканируе-
мой) передачи плоских графических изображений объектов (например, для передачи видео-
изображений - содержат тысячи или десятки тысяч волокон).
12.3.2. Типовые конструкции оптических кабелей
По конструкции кабели деляться на ряд типов в зависимости от назначения, условий прокладки и
испольуемых конструктивных элементов. К этим элементам относятся:
- оптические волокна, имеющие первичное и вторичное защитные покрытия, или специально подго-
товленные для укладки в кабель (например, соединение вместе в плоскую ленту, а несколько пло-
ских лент в матрицу - для увеличения общего числа волокон в кабеле до нескольких сот);
- трубчатые модули, пластмассовые или металлические, в которых располагаются ОВ, назы-
ваются также оптическими модулями (ОМ);
- профилированные сердечники, в продольных (по винтовой линии на периферии) пазах кото-
рых укладываются отдельные волокна, пучки волокон или размещаются трубчатые модули;
- силовые элементы, центральные (в виде корда или металлической жилы) - ЦСЭ или внешние (в
виде одного или нескольких повивов металлической проволоки. В качестве ЦСЭ может быть
стеклопластиковый (СП) стержень, пучок специальных высокопрочных арамидных нитей (типа
Кевлар, Тварон или Терлон), стальная проволока или алюминиевый профилированный стержень:
- специальные элементы, например, токопроводящие слои и повивы кабеля в грозотросе
(ОКГТ) для уменьшения удельного сопротивления троса току короткого замыкания (КЗ);
- технологические элементы типа гидрофобных заполнителей (гелей) или водоблокирующих
лент, препятствующих проникновению (и распространению вдоль кабеля) влаги, увеличиваю-
щей затухание в ОВ кабеля, и различных технологических обмоток и оболочек, служащих для
различных целей, в том числе и для тех же целей, что и гели;
- технологические элементы типа корделей (модулей-заполнителей), используемые вместо
оптических модулей в случае малого числа требуемых волокон для сохранения выбранной
геометрии конструкции кабеля (их диаметры, как правило, одинаковы с диаметром трубок для
удобства формирования повива);
- специальные интегрированные элементы типа служебных жил медного провода, используе-
мых вместе с модулями и корделями в гибридных кабелях для заказчиков, использующих две
среды передачи.
- защитная броня либо в виде стальной (чаще гофрированной) ленты для защиты от механиче-
ских повреждений и грызунов, либо в виде круглых (реже сегментированных) стальных нержа-
веющих или оцинкованных проволок накрученных в виде повивов (в один или несколько слоев)
для придания нужных защитных и механических свойств.
Модуль ОВ, или ОМ, представляет собой трубку, изготовленную из полимерного мате-
риала, алюминия или нержавеющей стали, внутри которой в наполнителе {гидрофобном геле) или
без него свободно (loose tube - LT) уложен пучек ОВ или же пучки ОВ относительно плотно уло-
жены в нескольких дополнительных пластмассовых трубках - buffered tube - ВТ, что удобно для
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
397
селекции отдельных групп по типу волокон, по назначению или группам пользователей (для этих
целей волокно покрывается цветной оболочкой, обычно в пучке волокон может использоваться до
12 (реже 18) различных цветов).
Кабели могут быть одномодульными и многомодульными. В одномодульных кабелях труб-
ка находится в центре и содержит ОВ, расположенные свободно или сформированные в пучки. В
многомодульных кабелях несколько трубок скручиваются вокруг центральной жилы, или цен-
трального силового элемента - ЦСЭ, вместе с модулями-заполнителями (корделями) и/или слу-
жебными жилами (например, медными проводами в оболочке), образуя внутренний (или первый)
повив (скрутку). Он чаще называется сердечником кабеля (включая в него ЦСЭ и необязательные,
но часто используемые технологические обмотки и оболочки). Для единообразия с таблицей ка-
белей в грозотросе за этой скруткой вокруг ЦСЭ оставлен статус первого повива, учитывая, что в
грозотросе даже в многомодульных конструкциях используются полые металлические (а не пла-
стмассовые) трубки с волокнами, так что скрутка ничем не отличается от повива.
Использование тех или иных элементов зависит не только от конструктивных особенно-
стей кабеля, диктуемых его типом, но и от того, является ли кабель полностью диэлектрическим
или нет. Для диэлектрического кабеля ЦСЭ, например, изготавливается из высокопрочного стек-
лопластика и/или арамидных нитей или высокопрочных волокон/нитей, тогда как для недиэлек-
трического кабеля в качестве ЦСЭ может быть использована стальная проволока или стальной
трос (в полиэтиленовой оболочке или без нее).
Для подвесных кабелей кроме ЦСЭ может использоваться внешний силовой элемент -
ВСЭ, изготавливаемый из тех же материалов, что и ЦСЭ. Кабель в этом случае приобретает в се-
чении форму “8”, но имеет общую (например полиэтиленовую) оболочку, при этом параметр
“диаметр кабеля”, учитывая некруглость конструкции, заменяется на “габариты кабеля”. Кабели с
ВСЭ относятся к классу самонесущих кабелей.
Рисунки некоторых типовых конструкций оптических кабелей отечественных производи-
телей приведены в ряде публикаций, например, [324], где представлены кабели компании
“СОКК”, и [275], где представлены некоторые конструкции кабелей других компаний, приведен-
ных в табл. 12-5. Они, конечно, не исчерпывают многообразия всех конструкций, поэтому для бо-
лее подробного знакомства, нужно обращаться к спецификациям и каталогам производителей.
12.3.3. Основные параметры промышленных оптических кабелей
В качестве иллюстрации в табл. 12-5 приведены основные характеристики промышленных кабе-
лей, выпускаемых пятью отечественными производителями, такими как: ЗАО "Москабельмет"
(Москва, теперь “Москабель-Фуджикура”), ЗАО НФ "Электропровод" (Москва), ЗАО "Самарская
оптическая кабельная компания (СОКК)" (Самара) и ОАО "Завод Сарансккабель" (Саранск). Их
изделия покрывают практически весь спектр выпускаемых в России ВОК (более подробные таб-
лицы см. в работе [447]).
Сокращения, используемые в табл. 12-5, приведены в примечаниях к самой таблице. Неко-
торые позиции этой таблицы нуждаются в пояснении, которые даны как ниже под таблицей, так и
в виде Общих и Частных замечаний ниже. Кроме этого, можно сделать следующие общие замеча-
ния, показывающие, что в отличие от производителей медного кабеля, предлагающих жестко
фиксированную номенклатуру изделий, производители ВОК готовы (и способны) делать кабели
по индивидуальным заказам, подбирая нужные заказчику параметры и тип волокон, а также типо-
размеры ВОК.
Общие замечания:
- код типа кабеля не всегда точно указывает на возможную область его применения, смотрите
для ориентации варианты использования кабеля в табл. 12-6 для конкретной компании;
- "Dura-Line" (Дюралайн) - технология для автоматизированной пневматической прокладки с
всасысанием кабеля в трубы Silicore;
- минимальное допустимое число волокон в кабеле обычно равно 2 или 4; .
398
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Таблица 12-5. Основные параметры некоторых промышленных оптических кабелей (начало)
Параметры Москабель-Фуджи кура сокк
Гил прокладки кабеля :: городской городской междугор. междугор. междугор, подвесной городской городской-АП междугор. междугор.
A-D(ZN)b2Y A-D(ZN)b2Y A-Db2Y A-D2Yb2Y DL-D(ZN)2Y ADSS-D2Y ОКП-01,02 ОКЛ-01.02-АП ОКЛК-01,02 ОКПСТ-1,2
ДойустШе ййёШбп™есИДИ& ДО 24 до 60 Д012 ДО 24 Д012 ДО 24 до 144 до 144 Д0144 до 144
Кэмпания-пролззсдитель волбюна Fujikura Fujikura Fujikura Fujikura Fujikura Fujikura Coming Coming Coming Coming
ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ ОМ ММ, ОМ ММ, ОМ ММ, ОМ ММ, ОМ
ЙНоппастмаЯЩ 1-6 1-5 1 1-6 1 1-6 1-12 1-12 1-12 1-12
Диаметр трубки модуля, ммн 2,0 2,3 20 2,0 2,0 2,0 2,0-3,0 20-3,0 20-3,0 20-3,0
Число/диаметр корделей 0-5/2,0 0-4/2,0 н/п 0-5/2,0 н/п 0-5/2,0 0-11/2,0-3,0 0-11/2,0-3,0 0-11/2,0-3,0 0-11/2,0-3,0
Число пучкоаЧисло волокон в пучке модуля н/п н/п 1-2/4-12 н/п 1-2/4-12 н/п н/п н/п н/п н/п
Диаметр ЦСЭ, мм тчШпНШШШШп: <; чч 2,1 2,1 н/п 2,1 н/п 2,1 1-3,1;2,1;2,5 1-3,1;2,1;2,5 1-3,1;2,1;2,5 1-3,1;2,1;2,5
тип цсэ СП СП н/п СП н/п СП СП,СПр,СТ СП,СПр,СТ СП.СПр.СТ СП.СПр.СТ
Диаметр/тип оболочки: ЦСЭ, мм л :: у н/п н/п н/п н/д н/п н/п 3,5-9,0/ПЭ 3,5-9,0/ПЭ 3,5-9,0/ПЭ 3,5-9,0/ПЭ
дйИНйвщИй№ н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п
(Двый повйв ЦалИниевыйЩмм н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п н/п
- стальной, п/мм дИТ. н/п н/п 12/- н/п н/п н/п н/п н/п 17-24/1,2-1,6 н/п
или сфуткамщулейШ у: 1-6/2,3 1-5/2,3 н/п 1-6/23 н/п 1-6/20 4-12/2,0-3,0 4-12/2,0-3,0 4-12/2.0-3.0 4-12/20-3,0
Второй повив - алошниевьм, Млм н/п н/п н/п rfn н'п н/п н/п н/п н/п Н/П
-стальной, п/мм н/п н/п н/п 24/1,2 н/п н/п н/п н/п 24/2,1-2,6 Н/П
Третий повив - алкминиевьм; ймЙйЦ, н/п н/п н/п н/п н/п н/п Н/П н/п Н/П Н/П
-стагъной, п/мм н/п н/п н/п н/п н/п н/п rfn н/п н/п Н/П
Дополнительная броня/силовой элемент у СГЛ/НТ СГЛ/АН н/п Н/П /НТ /НТ -/АН -/АН Н/П -/АН
Толщина/тип промежуточной оболочки, мм н/п н/п 0,8-1,0/ПБТ 0,8-1,0/ПБТ 0,8-1,0/ПБТ 0,8-1,0/ПБТ н/п н/п 1,0/ПЭ 1,0/ПЭ
Толщинами" внешней защитной оболочки, мм 2-3/ПЭЛНГ 2-3/ПЭ.ПНГ 2-3/ПЭ.ПНГ 2-3/ПЭ.ПНГ 2-3/ПЭ.ПНГ 2,0-3,0/ПЭ 2,0/ПЭ 2,0/ПЭ 2,0/ПЭ 2,0/ПЭ
ВнадОйиЩ ВИгэбаритьр имТмщИЦЦ 13,5 15,5 13,6 16,2 11,6 12,7 10,0-20,0 10,0-20,0 15,0-28,5 14,0-25,0
всагкабйДМЙ'АП), кг/км 167 167 323 367 108 124 70-300 80-350 300-1800 185-500
Рабочая температура окружающей среды, °C -40-460 -40-460 -40-460 -40-460 -40-460 -60 - 460 -40-460 -40-450 40-460 40-460
Минимальный радиус изгиба кабеля, мм 250 250 250 300 250 250 200400 200400 300-570 280-500
Расчетная минимальная разрывная нагрузИН/С н/д н/д н/д н/Д н/д нФ н/д н/д 16-140 н/Д
Эквивалентный модуль упругости кабеля, кН/мм2 н/н н/н н/н н/н Н/Н н/н н/д н/д 115-200 н/Д
коэффициент линейного расширения,И(У/К н/н н/н н/н Н/Н н/н н/н 10,2-26,7 13,7-30,4 13,9-14,0 12,7-31,2
Допустимое растятваицееусилие, кН 2,7 27 7,0 7,0 2,7 6,0 1,0-3,0 1,0-3,0 7,0-80,0 1,0-60
Допустимое раздавлйвИЦеё уМе/Щсм ,, сстт 0,4 0,4 1,0 1,0 0,4 0,4 0,2 0,2 0,4-1,0 0,4
Стойкость к удару, Нм н/н н/н н/н н/н iVh тйч 12.5 12,5 25-100 125-25
СфоитегьнаЯдлина (дгмна поставки), км й ' <5,2 <5,2 <5,2 <5,2 <5,2 <5,2 Потреб. Тип "Duraiine” Потреб. Потреб.
Примечания:
АН-Арамцдньенити/волокно ВН - Высокопрочные нити
АП - Автоматическая прокладка в трубах Dural ine ДЭ - Диэлектрик н/н - Не нормируется
АПЛ • Алюминированная пластмассовая лента М - Металлическая н/п - Неприменимо
НТ - Нити Таврон ПНГ • Пластикат не годдерживаючций горения
(X - Оцинкованная сталь С,Al,F| - Coming, Alcatel, Fujikura
н/д - Нет данных ОСП - Оплетка из стальной проволоки
Com/Fuji - Coming/Fujikura СПр - Стальная проволока СТ • Стальной трос 1 - Самонесущий диэлектрический кабель воздушной подвески 2 - Кроме указанных типов компания производит Тип-5 - ОКГТ - аттический кабель в грозотросе, см. Тэ5л.Б17 3 - Броня или силовой элемент расположены между промежуточной и внешней оболочками
C,Fj, Fr, L - Coming, Fujikura,Furukava, Lucent Technologies "* По требованию заказчика кабели могут быть изготовлены с оболочкой из негорючего полиэтилена
- вместе с оптическими модулями (при малом количестве волокон) могут быть использованы
модули наполнители - кордели',
- вместо корделей (по желанию заказчика) производитель может включать 2, 4, 8 медных жил;
- внешняя оболочка, как правило, изготавливается из полиэтилена (ПЭ) или (по желанию заказ-
чика) из специального материала с замедлением или нераспространением горения (часто такую
оболочку называют просто негорючей);
- максимальная строительная длина, указанная в таблице, взята из ТУ или рекламных проспектов,
фактически производители готовы поставлять для заказчика любые согласованные длины от не-
скольких десятков метров до 6,5 километров, если позволяют размеры транспортных катушек;
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
399
Таблица 12-5. Основные параметры некоторых промышленных оптических кабелей (продолжение)
СОКК Электропровод Са зансккабель
подвесной подвесной городской городской мэодгор. ivex^ropi подвесной подвесной подвесной городской городской мхугор MXW. подвесной
ОКПЖО1-6 ОКПЖО1-5 ок-м оком ОКБ-М ОКБ-Т ОК4М ОКА-Т СКА/ПТ ОКГ-0,22 СКТЮ.22 СКБО.22 СКДО,22 СКК-0,22
до 36 ДО 60 472 472 472 424 4-48 424 4-48 2-72 2-72 2-72 2-72 2-72
Coming Coming <2 Fj, Fr, L <2 Fj, Fr, L CFj.Fr.L С Fj, Fr, L С Fj, Fr, L С fj, Fr, L С Fj, Fr, L CAl.Fj САН САН САН САН
миом миом МИОМ МИОМ ми см МИОМ миом МИОМ миом ом МИ ом ми СМ МИ СМ МИ см ми
1-6 15 312 312 312 1(Мзтап) 38 1 (Мттап) 38 1-12 1-12 1-12 1-12 1-12
25 3,0 2 2 2 3,36,0 2 3,05,0 2 1,324 1,324 1,324 1.8-24 1.8-24
35/25 34/3,0 -12,0 -/20 -/20 -/3,050 -2,0 -73,0-6,0 -20 35/1,324 35/1,324 35/1,324 35/1,324 35/1,324
н'п н'п н/п н'п н/л н/п Нп н/п н'п н/п Нп н/п н'п НП
26 23 20 20 20 н/п 20 н/п 20 2368 205,8 236,8 236,8 2368
СП СП СП,СТ СП,СТ спст н/п СП нп СП СП.СГР СП.СГР СП,СГр СП.Сф СП.Сф
н'п н'п 3,36,О'ПЭ 336, ого 336,О'ПЭ нп н/п н/п н/д •/ПЭ •/ПЭ -/ПЭ •ЛЭ ЛЭ
н'п нп н/п н'п н/п н/п н/п н/п 2/СПСТ,ВН н/п н/п н'п Нп Н’П
н'п н'п н'п н'п н41 н/п н'п н/п н/п нй н/п н/л Нп нп
н'п н'п н'п н'п Ил 1318/1,324 н/п 16-18/1,6-24 н/п н/л н/п н41 Нп н'п
452,5 45/30 312/20 3122,0 3122,0 н/п 3820 н/п 38/20 1-12/1,8-24 1-12/1,324 1-12/1,324 1-12/1,324 1-121,324
Н'П н'п н'п н'п н/л н/п н/п н/п н/п Ип н/п Нп Нп н'п
Н'П н'п н'п н/п 1318/1,324 н41 н/п н41 н41 н/п нй 1424/1,2-20 1424/1,2-20 Нп
Нп nil н/л нп н/п н41 н/п Нп нй н/п н/п нй н'п Нп
Hn uti н'п н/п н/п н41 н/п н/п Нп н/п н/п н'п 1424/1,2-3,0 н'п
/ah’ /AH’ н'п cm н/п н/п ВН cm НП нп СПП НП нп /АН
о.&пэ 0,8ПЭ н/п 1,0ПЭ 0,8-1,0113 Л1Э 1,0ПЭ •лэ НП нп 1,31,2/ПЭ 1,31,2/ПЭ 1,31,2/ПЭ 1,31,2/ПЭ
1,2/ПЭ 1,2/ПЭ 20ПЭ 20ПЭ 20ПЭ 20'ПЭ 20'ПЭ 20ПЭ 20'ПЭ 20ТТЭ,ГНГ 2О'ПЭ,ГНГ 20'ПЭ 20'ПЭ 2ОПЭ
13,0-16,3 137-16,7 11,0-15,0 15,0-18,5 15,321,5 н/д 127-14,3 Н'Д 9,4 9,7-16,0 14,321,4 14,1-220 16,330,0 12320,0
140-216 153225 83176 190-324 433934 Н'Д 172-218 нй Ш137/166 110 220 550 1500 190
-60-+70 -60-+70 -40-+60 -40-+50 -40-+60 -40-+60 50-+60 50-+60 50-+60 -50-+60 -50-+60 -50-+60 -50-+60 50-+70
190-240 203250 н/Д Н'Д н/д н/д н/д н*д НД 250 250 250 250 250
13,7-84,0 125-77,0 Н'Д Н'Д Н'Д Н'Д НД Н'Д Н/Д • 7,0 7,0 7,0 7,0 7,0
1026-121,2 1029-124,6 н/н н/Н н'п н/н н/н НН н/н НН н/н НН НН НН
1,4-22,8 1,324,5 н/н н/н н/н н/н н/н н/н н/н н/н н/н НН НН н/н
3,030,0 3,330,0 1,5 3,5 10,0 7,0 3,320,0 3,37,0 337,0 30 30 7,0 до 80,0 ДО 20,0
0,3 0,3 Н'Д Н'Д н/д н/д н/д нй Н'Д 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
1050 1050 Н'Д н/д Н'Д Н'Д Н'Д Н'Д Н'Д 125 125 125 125 125
ГЬтреб. ГЬ треб. 20 20 20 20 20 20 20 <6,5 <5,5 <4,2 <3,0 <55
- в таблице не отражены некоторые общие детали конструкций: наличие гидрофобного за-
полнителя (геля) в трубках и между ними, а также технологических (например, водобло-
кирующих) лент.
Частные замечания
Эти замечания призваны конкретизировать назначение и область применения ка-
белей в соответствии со спецификациями производителя. Для более компактного пред-
ставления эти спецификации были обобщены, унифицированы и сведены в табл. 12-6 (см.
ниже). В ней приведены только производители, представленные в табл. 12-5 и использу-
ются следующие сокращения: КК - кабельная канализация, ЖД - железные дороги, ЛЭП
- линии электропередач.
Указанные таблицы 12-5, 12-6 (см. ниже) позволяют провести предварительный
выбор типа кабеля, уточнив его, если надо, по спецификации производителя. Это может
касаться таких параметров, как внешний диаметр кабеля и погонная масса кабеля, а так-
же "более тонких" деталей конструкции или конкретной специфики применения. Ясно,
что окончательный выбор может потребовать дополнительных консультаций с произво-
дителем.
400
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Таблица 12-6. Назначение, область применения и условия прокладки кабелей
Назначение, область применения и условия прокладки кабеля Моска- бельмет COKK Электропровод Оптика- Кабель Саранск- кабель
1 - прокладка в КК, трубах, блоках, коллекто-рах на мостах и кабельных шахтах A-D(ZN)b2Y ОКЛ-01,2 ОКЛК-01,2 ОКЛСТ ОК-МпП ОК-МгпТ (п=6,8,12;т=6,8) окк окст ОКГ-0,22 ОКЛ-0,22
2 - то же, что и 1, но при возможности поврежде- ния грызунами A-D(ZN)b2Y ОКЛСТ-1,2 - окст ОКЛ-0,22
3 - автоматическая прокладка в полиэтиле-новых трубах и трубах типа"Duraline" DL-D(ZN)2Y ОКЛ-01.2-АП - - ОКК-0,22
4 - прокладка в легких грунтах (с грызунами), " кроме мерзлотных, в КК, трубах, блоках, коллек- то-рах на мостах и кабельных шахтах A-Db2Y A-D2Yb2Y ОКЛК ОКЛСТ ОКБ-МтП ОКБ-М8Т ОКС-МтП ОКС-М8Т ОМЗКГм ОКБ-0,22
5 - прокладка в грунтах всех категорий (с грызу- нами), кроме мерзлотных, в КК, трубах, блоках, коллекторах на мостах и кабельных шахтах, не- глубоких болотах и несудоходных реках A-Db2Y A-D2Yb2Y ОКЛК ОКБ-М6П ОКБ-М8П ОКБ-М8Т ОМЗКГм ОКБ-0,22
6 - воздушная подвеска на опорах контактной се- ти ЖД, на столбах освещения и телефонной свя- зи ADSS- D2Y(ZN)2Y ОКЛЖ-01-5 ОКЛЖ-01-6 ОКА-М6П ОК/А-М6П ОК/П-М6П ОК/Т-М6П окп ОКК-0,22
7 - то же, что и 6, и еще на опорах ЛЭП (до 110 ®|ввв .у ADSS- D2Y(ZN)2Y ОКЛЖ-01-5 ОКЛЖ-01-6 ОКА-М6П ОК/А-М6П ОК/П-М6П - ОКК-0,22
8 - то же, что и 7, но полностью диэлектриче-ский самонесущий - типа ADSS ADSS- D2Y(ZN)2Y ОКЛЖ-01-5 ОКЛЖ-01-6 ОК/А-М6П ОК/П-М6П ОКА-М6П - -
9 - подвеска на опорах любых ЛЭП вместо обыч- ного грозотроса (ОКГТ) - окгт-мт ОКГТ-01 - - -
12.3.4. Оптические кабели воздушной подвески
Все многобразие кабелей - велико, и в рамках этой работы мы лишь очерчиваем его границы,
приводя классификацию кабелей воздушной подвески, не имея возможности рассматривать их бо-
лее подробно. Для иллюстрации приведем краткий обзор только одного из типов подвесных кабе-
лей, который для широкого внедрения сетей SDH/WDM в нашей стране играет большую роль,
учитывая огромную протяженность ее территории. Речь идет о кабелях, встроенных в грозотрос.
12.3.4.1. Типы кабелей, свзанных с грозотросом
Кабели, связанные с грозотросом можно разделить на кабели:
1 - встроенные в грозотрос - ОКГТ (OPGW - Optical Ground Wire);
2 - навиваемые на грозотрос (Wraped);
3 - прикрепляемые к грозотросу (Lashed).
Кабели, встроенные в грозотрос
Этот тип кабелей, согласно мировой статистике, применяется в 80-90% случаев использова-
ния кабелей воздушной подвески. Его конструкция может быть различной и зависит от компании
производителя. В общем случае она содержит две группы элементов: специальные элементы конст-
рукции грозотроса и общие элементы ОК, включая модули, содержащие оптическое волокно.
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
401
Элементы грозотроса представлены одним или несколькими металлическими пови-
вами. Если их два, то они могут называться внешними и внутренними, если больше, то их
нумеруют. Эти повивы могут быть выполнены из стальной проволоки, или из алюминиево-
го сплава с магнием и железом, например, алдреевой проволоки (АА), или стальной, плаки-
рованной алюминием, проволоки (ACS), или просто алюминиевой проволоки. Внешний по-
вив выполняется, как правило, из проволоки большей электропроводности (алюминиевой
или алдреевой), а внутренний - из проволоки большей прочности (стальной с различными
покрытиями).
Оптические модули, как правило, аналогичны описанным выше, включая то, что
трубки модулей могут быть металлические. Кабели также могут быть одномодулъными и
многомодульными.
С одной стороны, кабель ОКГТ, как любой грозотрос, должен выполнять свои
специфические функции молниеотвода, для чего внешние металлические слои (повивы)
должны иметь низкое удельное сопротивление, высокую допустимую плотность тока
короткого замыкания, и ряд других специфических характеристик. С другой стороны,
он должен служить механическим носителем ОВ и предохранять его от любых воздей-
ствий среды, механических повреждений, возможности оплавления оболочки (в случае
удара молнии), т.е. в общем случае предохранять его от прекращения функционирова-
ния даже в самых неблагоприятных ситуациях, таких как протекание тока КЗ и разогрев
грозотроса.
В табл. 12-7 (см. след, стр.), приведены параметры таких кабелей и их предельные
значения, обеспечиваемые компаниями-производителями.
Считаем, что параметры, приведенные в табл. 12-7 не нуждаются в дополнительных
пояснениях (используемые сокращения приведены под таблицей). Отметим только, что в
ней представлен первый ОКГТ отечественной разработки, проведенной компаниями СОКК
и ОПТЭН, отличающийся оригинальностью конструкции - наличием сплошной алюминие-
вой оболочки, используемой в дополнении ко второму повиву.
12.4. Маркировка оптических кабелей
Кроме знания параметров оптических волокон и кабелей, важным моментом, помогающим
на практике выбрать кабель или провести сравнение кабелей при отсутствии информации о
них в соответствующих таблицах, является знание системы маркировки кабелей различны-
ми производителями (материал данного раздела базируется на публикациях [322, 448]). Это
особенно важно, если учесть отсутствие отечественных стандартов на маркировку ВОК. В
этой ситуации отечественные производители вынуждены использовать или стандарты тех
компаний, с которыми они связаны рамками СП или делового сотрудничества, или разраба-
тывать системы маркировки самостоятельно.
Учитывая, что не только инженеры и менеджеры, но и сами производители оптиче-
ского кабеля заинтересованы в знании маркировок других производителей и разработке
единой системы маркировки, ниже приведены различные системы таких маркировок и при-
меры их расшифровки, а также предложены решения, которые могли бы стать основой при
разработке такой системы маркировки.
12.4.1. Маркировка промышленных оптических кабелей
Маркировка ВОК достаточно разнообразна и зависит от компаний-производителей.
Обычно используются два типа маркировки: кодовая буквенно-цифровая и непосредст-
венная, когда вслед за маркой кабеля последовательно указываются значения основных
параметров. Рассмотрим маркировку кабелей наружной прокладки.
26-48
402
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Таблица 12-7. Параметры промышленных ОКГТ и их предельные значения
Параметры Alcatel Alcatel Kabelmetal Fujikura Fujikura Fujikura NK Cables
Тип кабеля OPGW OPGW OPGW OPGW . OPGW OPGW
Марка кабеля
Диапазон изменения числа оптических волокон 4-32 15,18,24 24,36,48 24,36,48 24,36,48 2-96
Число пластмассовых/металлических модулей ОВ 4 1(М) 1(М) 4,6,8 (М/П) 1(М) 1(П)
Диаметр пластмассовой трубки модуля, мм н/п н/п н/п HRS н/п 8
Диаметр металлической трубки модуля, мм н/п 2,1-3,0 5,8-6,5 5,8-6,5 5,8-6,5 н/п
Диаметр и тип центрального опорного элемента, мм 8,2 АА 2,5-3,0 ACS н/п FRP н/п н/п
Первый повив - алюминиевый, АА н/п н/п 1/5,8-6,5 1/5,8-6,5 1/5,8-6,5 18/2,01
грозотроса, п/мм - стальной, ACS 12/2,82 5-6/2,5-3,0 6-9/3,3-3,86 6-9/3,3-3,86 14-15/2,6-3,2 н/п
Второй повив - алюминиевый, АА 18/2,82 10-13/2,25-3,75 н/п н/п 8-9/2,6-3,2 10/2,5
грозотроса, п/мм - стальной, ACS н/п н/п н/п н/п н/п 10/2,5
Третий повив - алюминиевый, АА н/п 15-19/2,75-3,5 н/п н/п н/п н/п
грозотроса, п/мм - стальной, ACS н/п н/п н/п н/п н/п н/п
Внешний диаметр кабеля, мм 19,5 12,1-24,1 11,5-13,1 11,5-13,1 16,9-18,1 19,2
Масса кабеля, кг/км 920 367-1184 488,9-584,5 488,9-584,5 575,3-758,7 721
Сечение стальных элементов, мм2 187,4 81,5-334,7 81,6-101,9 81,6-101,9 140,9-191,5 155,3
Сечение алюминия, мм2 281,1 н/д н/д н/д н/д 335,4
Общее сечение металлических элементов, мм2 468,5 н/д н/д н/д н/Д 490,7
Отношение сечений алюминий(АА)/сталь(АСЗ) 1,5 1,73-7,60 0,126-0,29 0,126-0,29 н/д 2,16
Рабочая температура окружающей среды, °C н/д н/д -60--*80 -60 --*80 -60--*80 -60--*80
Минимальный радиус изгиба кабеля, мм 300 н/д н/д н/д н/д 288
Максимальное усилие тяжения, кН н/д н/д н/д н/д н/Д 13
Расчетная разрывная нагрузка, кН 126,9 н/д 73,4-91,1 73,4-91,1 71,7-92 93,4
Конечный модуль упругости, кН/мм2 110,5 69,2-96,6 124-139,4 124-139,4 91,1-95,8 85
Коэффициент линейного расширения, Ю^/К 17,3 16,7-20,3 13,6-14,3 13,6-14,3 17,0-17,4 17,5(оС)
Максимально допустимая нагрузка (тяжение), кН 82,5 169,3-267,9 н/д н/д н/д 42
Допустимая эксплуатационная нагрузка, кН Н/д н/д н/д н/Д н/д н/д
Допустимый ток КЗ (16°С) в течение 1с, кА н/д 5,8-28,6 6,2-8,3 6,2-8,3 12,9-17,7 14,6
Термическая стойкость к току КЗ (16-200°С), кА2*с 363/160 н/д 42,7-74 42,7-74 н/д н/д
Стойкость к грозовому разряду (ITU-T Rec. К.25), Кл н/д н/д н/д н/д н/д н/д
Сопротивление постоянному току, Ом/км 0,19 0,114-0,543 0,514-0,759 0,514-0,759 0,193-0,268 0,269
Примечания:
А - Алюминий
АА - Алюминиевый сплав
АВ - Арамидное волокно
ACS - Сталь, плакированная алюминием/цинком
FIST - Fiber In Steel Tube - OB в стальной трубке
HRS - Heat-Resistant Sheath
*** - Указаны параметры базовых конструкций кабеля. По требованию заказчика кабели могут бьпъ изготовлены
с другим числом волокон, разрывной нагрузкой и термической стойкостью к току КЗ
ДЭ -Диэлектрик н/п -Неприменимо
МБ - Многослойная броня ОБ - Однослойная броня
н/д -Нет данных С-Сталь СП - Стеклопластик
1 - Поверх 1 повива наложена алюминиевая трубка -1.25 мм
2 - Алюминиевая трубка: 12,24,30,36,48,60; стальная - 36,54,60,72,84,96
ST - Оцинкованная сталь
12.4.1.1. Маркировка кабелей ЗАО “Севкабель-Оптик”
Примером отчественной кодовой маркировки может служить кодировка кабелей компании
“Севкабель-оптик”, которая приведена в табл. 12-8 (код приведен в русской и латинской
версиях).
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
403
Таблица 12-7. Параметры промышленных ОКГТ и их предельные значения (продолжение)
Philips Philips Pirelli Pirelli Siemens Siemens СОКК СОКК
OPGW OPGW OPGW OPGW OPGW OPGW OPGW OPGW
ОБ МБ окгт-мт ОКГТ-01
8,12,16,24 12,24,32 до 48 16,24,48 12-962 12,14,30,60 2-16 до 36
1,2 (М) 1-4 (М) 4(П) 4,6 1 (А,С) 1 (А.С.П) 1(П) 1-6 (П)
н/п н/п н/д н/д н/п 5-6,5 4 2
2,7-3,2 2,7-3,2 н/д 9,1-9,9 4,5-6,5 5-6,5 н/п н/п
2,75-3,6 ACS 3,25 ACS АВ дэ н/п н/п н/п 2 СП
н/п 8-17/2,1-3,25 н/д н/д 0-6/2,7-3,9 5-14/1,7-3,6* н/п н/п
4-5/2,75-3,25 4-5/3,25 н/д 12-15/2,34-3 2-8/2,7-3,9 4-15/1,5-3,6 13/1,21 18/1,21
6-10/12-15,2 8/3,25 н/д 21/2,48 н/п 12-18/2,5-3,6 Трубка Трубка
н/п 8/3,25 н/д н/п н/п н/п н/п н/п
14-17/3,25 н/п н/п н/п н/п н/п 4/2,1 4/2,1
н/п н/п н/п н/п н/п н/п 12/2,1 14/2.1
18,5-21,7 16,3-20,6 13,3-17,0 14-19,8 9,9-14,3 12,5-25,2 13,2 14,7
706-1048 604-976 380-841 570-1030 205/220-695/7153 330-1090 590 680
203,1-293,4 141-240,2 37-320 65-174 45-96 80-306 56,27 68,85
н/д н/д н/д н/д н/д н/д 43,26 44
н/д н/д н/д н/д н/д н/д 99,53 112,86
4,17-5,87 2,00-3,01 1,25-1,47 н/д 0-3,09 2,81-6,46 0,77 0,64
н/д н/д -60 - +70 н/д -60 - +70 н/д -60 - +70 -60 - +70
н/д н/д 332-425 300-350 н/д 190-380 150 ' 170
н/д н/д н/д н/д н/д н/Д н/д н/д
87,5-132,8 74,6-133,0 42-122 80-103 24-108 43-128 74,6 91,3
72,7-78 81,2-93,0 н/д н/д 83-162 71-87,5 138,7 144,7
18,9-19,7 17,1-18,4 н/д 14,2-16,3 13,0-18,1 17,6-20,0 16 15,5
180-200 210-255 н/д н/д н/д 176-238 44,2 54.8
н/д н/д 17-49 н/д н/д н/д 14,9-18,6 18,3-22,8
17,5-24,8 10,7-18,5 н/д н/д н/д 6,0-25,9 9 9,49
н/д н/д 50-138 75-332 14-88 н/д 81 91
н/д н/д н/д н/д н/д н/д 85 85
0,127-0,180 0,17-0,294 0,42-0,62 0,24-0,56 0,42-1,91 0,12-0,5 0,47 0,52
Таблица 12-8. Маркировка кабелей компании «Севкабель-Оптик»
№ Код Расшифровка кода маркировки
Русск Лат
1 СЕВ SEV ОАО “Севкабель”
СКО SCO ЗАО “Севкабель-Оптик"
2 Д D Модульный, с диэлектрическим центральным элементом
О О Трубчатый (центральный модуль)
3 А А Алюмополиэтиленовая (полиэтилен, покрытый алюминием)
П Р Полиэтиленовая
Н N С замедленным распространением горения
4 О О Без дополнительных внешних покровов
Л L С гофрированной продольно наложенной стальной лентой и ПЭ оболочкой
Н N С гофрированной стальной лентой и оболочкой из пластмассы, с нераспространением го- рения
С С С однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой
У Y С усиленной однослойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой
2 2 С двухслойной броней из стальных проволок и ПЭ оболочкой
м М С обнослойной броней из стеклопластиковых стержней и ПЭ оболочкой
26*
404 Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей Глава 12
№ Код Расшифровка кода маркировки (продолжение табл. 12-8)
Русск Лат
4 Т Т С периферийными диэлектрическими силовыми элементами и ПЭ оболочкой
5 Число оптических волокон (четное)
6 Е Е Одномодовое стандартное волокно
С S Одномодовое волокно со смещенной нулевой дисперсией
Н N Одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией
М М Многомодовое волокно
7 Число волокон в модуле/пучке
8 Число элементов в скрутке
9 М2 М2 Две медные жилы
М4 М4 Четыре медные жилы
М8 М8 Восемь медных жил
Например: СЕВ - ДПС - 024 Е 06 - 06 - М2
SEV - D Р С - 024 Е 06 - 06 - М2
12.4.1.2. Маркировка кабелей ЗАО “СОКК”
Примером непосредственной цифровой маркировки (кроме буквенных обозначений типа кабеля)
может служить кодировка обозначений кабелей, используемая Самарской оптической кабельной
компанией (СОКК), представленная в табл. 12-9. Элементы маркировки отделяются символом
Таблица 12-9. Маркировка кабелей компании «СОКК»
№ Код Расшифровка кода маркировки
1 ОКГТ Оптический кабель, встроенный в грозотрос, для подвески на опорах ЛЭП
окл Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации и внутри зданий
оклк Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации, грунтах всех категорий, на мостах, через болота и водные переходы
ОКЛСт Оптический кабель для прокладки в трубах, коллекторах, кабельной канализации, в гравий- но-песчанных и тяжелых глинистых грунтах, с защитой от грызунов
оклж Оптический кабель самонесущий для подвески на опорах линий связи, контактной сети же- лезных дорог и ЛЭП
2 01,02, S, МТ Модификация типа кабеля
3 Количество элементов в повиве сердечника (кроме ОКГТ-МТ)
4 2-96 Количество оптических волокон
5 Диаметр сердцевины/диаметр оболочки в мм
6 Коэффициент затухания в дБ/км на длинах волн 1310 нм/1550 нм
7 Хроматическая дисперсия в пс/нм/км на длинах волн 1310 нм/1550 нм
8 Допустимая растягивающая нагрузка в кН
или (для ОКГТ) внешний диаметр кабеля в мм
9 Для ОКГТ - термическая стойкость к току КЗ в кА2*с
10 Для ОКГТ - разрывная нагрузка в кН (или кГ)
Например: ОКЛ-01-6-16-10/125-0,36/0,22-3,5/18-1,0
_ ОКГТ-МТ-24-Ю/125-0,36/0,22-3,5/18-13,2-81/71,6 (или 7600)
12.4.1.3. Маркировка кабелей ЗАО НФ "Электропровод"
Маркировка кабелей компании "Электропровод" приведена в табл. 12-10. В ней нет явного указа-
ния на рабочую длину волны волокна, но ее можно установить по двум другим параметрам: диа-
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
405
метру сердцевины и коэффициенту затухания, если использовать указанные в примечании значе-
ния, связывающие эти параметры ОВ.
Таблица 12-10. Маркировка кабелей компании «Электропровод»
№ Код Расшифровка кода маркировки
1 ОК Оптический кабель в полиэтиленовой оболочке
2 Если используется ПЭ оболочка с нераспространением горения
3 «Аг ?tiiiis Силовой элемент из арамидных нитей
Б Броня из стальных оцинкованных проволок
В Оболочка из поливинилхлоридного пластиката
О Оплетка стальными оцинкованными проволоками
кС«»ЯИЯ11в Броня из стальной гофрированной ленты
/А Подвесной кабель с внешним силовым элементом из арамидных нитей
/П Подвесной кабель с внешним силовым элементом из стеклопластикового прутка
/Т : Подвесной кабель с внешним силовым элементом из стального троса
4SSi: м Модульная конструкция кабеля
т Конструкция с центральной трубкой
5 N Количество элементов (модулей, корделей) в повиве
(0/0) Наружный диаметр модуля/диаметр буферного покрытия (для внутриобъектовых кабелей)
0 Диаметр центральной трубки
6 Центральный силовой элемент - стеклопластиковый пруток
liSiliisiB! Центральный силовой элемент - стальной трос
7 8 Одномодовое оптическое волокно диаметром 8 мкм (со сдвигом дисперсии)
10 Одномодовое оптическое волокно диаметром 10 мкм (стандартное)
50 Многомодовое оптическое волокно диаметром 50 мкм
62,5 Многомодовое оптическое волокно диаметром 62,5 мкм
8 Предельное значение коэффициента затухания в дБ/км
9 4-72/"п" 4-72(х) Количество ОВ/количество СЖ (если есть) Количество ОВ (допустимое растягивающее усилие-для кабеля ОКА)
Например: ОКВО-М12(0,9)Т-Ю-0,4-8
ОКНБ-М8Т-10-0,25-8/4
ОК/Т-М6П-Ю-0,4-12
ОКБ-Т6,0-8-0,22-32
Примечания
1 - ОМ волокно со сдвигом дисперсии (диаметр сердцевины - 8 мкм) работает на длине волны 1550 нм и по-
ставляется с затуханием 0,2-0,25 дБ/км.
2 - ОМ волокно стандартное (диаметр сердцевины - 10 мкм) работает на длинах волн 1550 и 1310 нм и по-,
ставляется с затуханием: 0,2-0,25 дБ/км (для 1550 нм) и 0,35-0,4 (для 1310 нм).
3 - ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины - 50 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и по-
ставляется со следующими значениями затухания: 2,4-5,0 дБ/км (для 850 нм - широкополосность: 400-600
МГц-км) и 0,5-1,5 (для 1310 нм - широкополосность: 400-1500 МГц-км).
4 - ММ волокно стандартное (диаметр сердцевины - 62,5 мкм) работает на длинах волн 850 и 1310 нм и по-
ставляется со следующими значениями затухания: 2,8-5,0 дБ/км (для 850 нм - широкополосность: 160-400
МГц-км) и 0,6-1,5 (для 1310 нм - широкополосность: 200-800 МГц-км).
12.4.1.4. Маркировка кабелей по германскому национальному стандарту DIN
Структура маркировки кабелей наружной прокладки, основанная на германском нацио-
нальном стандарте DIN VDE 0.888 (часть 3), см. [268], приведена в табл. 12-11. В ней для
кабелей наружной прокладки (первая буква А) может быть до 17 буквенно-цифровых пози-
ций, причем позиции отсутствующих в конструкции элементов опускаются (последние три
позиции необязательные и берутся в скобки), для кабелей внутренней проводки (первая бу-
ква J) может быть до 10 позиций.
406
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
Таблица 12-11. Маркировка кабелей в германском национальном стандарте VDE 08881
№ Код Расшифровка кода маркировки
|Г А Кабель наружной прокладки
ADSS Диэлектрический самонесущий кабель
J Кабель внутренней проводки//внутриобъектной прокладки
2 В Модуль без заполнителя и пучком волоки в трубке со свободной укладкой
D Модуль с заполнителем и пучком волоки в трубке со свободной укладкой
Н Модуль без заполнителя и одним волокном в трубке со свободной укладкой
W Модуль с заполнителем и одним волокном в трубке со свободной укладкой
3 S Металлический силовой элемент в сердечнике кабеля
4 F Заливочная масса в пустотах между скручиваемыми элементами в сердечнике кабеля
VgggSK Y Оболочка из поливинилхлорида - ПВХ
ШЯЯШш Оболочка из полиэтилена - ПЭ
(L)2Y Оболочка, армированная алюминиевой лентой
(L){ZN)2Y Полиэтиленовая оболочка, армированная алюминиевой лентой с неметаллическими силовы- ми элементами
(ZN)2Y Полиэтиленовая оболочка с неметаллическими силовыми элементами
(ZN)(SR)2Y Оболочка, армированная стальной гофрированной лентой (СГЛ) с неметаллическими сило- выми элементами
6 B/b Броня
BY/bY Броня с поливинилхлоридной защитной оболочкой
B2Y/B2Y « Броня с полиэтиленовой защитной оболочкой
7 N*m Число волокон или пучков/модулей * число волокон в пучке/модуле
8 : Одномодовое волокно
G Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления
9 50; 62,5; 9 Диаметр сердцевины (ММ) или диаметр поля моды (ОМ), мкм
10 125 Диаметр оболочки, мкм
И 0.7:0.22 Коэффициент затухания на рабочей длине волны, дБ/км
12 В Рабочая длина волны 850 нм
F Рабочая длина волны 1300 нм
н Рабочая длина волны 1550 нм
п Коэффициент широкополосное™, МГц-км (ММ) или дисперсия, пс/(нм-км) (ОМ)
Послойная скрутка
15 Материал силовых элементов (не обязательно)
16 Площадь сечения силовых элементов (не обязательно)
17 Допустимое растягивающее усилие
Например: A-W F (ZN)2Y 8 G 50/125 0,7 F 800 LG
1 2 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14
ADSS-D 2Y(ZN)2Y 4x4 E 9/125 0,22 H 18 (6,0)
1 2 5 7 8 9 10 11 12 13 17
Эту кодировку использует ряд европейских компаний, например, Alcatel, Hellukabel.
Philips, Siemens, использовал российский производитель ЗАО “Москабельмет” (Москва, теперь
“Москабель-Фуджикрура”), а также дистрибутор-производитель КК “Гриф” (Москва).
Замечания:
Для некоторых расшифровок кодов могут использоваться другие эквивалентные варианты:
1 - N в позиции 5 означает “с замедлением распространения или с нераспространением горения ”.
2 - Вместо одних терминов могут использоваться другие термины, например:
- полностью диэлектрический
- пучок оптических волокон
- модуль свободной укладки
- с гидрофобным заполнением
- вместо неметаллический
- вместо '''многоволоконная жила ”,
- вместо ‘'полая трубка модуля ”,
- вместо “сзаполнителем”,
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
407
- коэффициент широкополосности - вместо “широкополосности".
- с замедлением распространения горения - вместо “в негорючем исполнении ”
3 - Во втором примере в позиции 5 первая часть 2Y описывает материал промежуточной оболочки, вторая -
(ZN)2Y - материал внешней оболочки.
12.4.1.5. Маркировка кабелей компании Fujikura
Структура маркировки кабелей наружной прокладки компании ‘’Fujikura’' [279] приведена в табл.
12-12. Она содержит 9 групп.
Таблица 12-12. Маркировка кабелей компании “Fujikura”
№ Код Расшифровка кода маркировки
1 FR-OG Кабель с замедленным распространением горения
2 OGC Кабель типа корда (для легкого оснащения оптическими коннекторами)
OGNM Неметаллический (полностью диэлектрический) кабель
OGT Кабель с волокнами, упакованными в плоскую ленту
3 - Однослойный или многослойный ОВ модуль, с волокнами в плоской ленте
L Трубчатый модуль со свободной укладкой ОВ
S Сердечник с профильными пазами для укладки ОВ
и Одномодульный тип
4 JF Гидрофобный заполнитель
Е Полиэтиленовая оболочка
LAP Алюминированный полиэтилен
V Оболочка из ПВХ
5 -СМ Г Гофрированная металлическая броня
-ss - ;v Самонесущий кабель
-w С цветным покрытием
6 SM-9/125-UV ОМ волокно с сердечником/оболочкой 9/125 мкм )
SM-9/125-UV-nn Упаковка ОМ волокна в плоскую ленту с числом волокон пп и с сердечником 9 мкм и оболочкой 125 мкм
DSM-8/125UV ОМ волокно со сдвигом дисперсии и с сердечником/оболочкой 8/125 мкм
DSMNZ-9/125-UV ОМ волокно со сдвигом дисперсии и с сердечником/оболочкой 9/125 мкм
G-50/125 ММ волокно с сердечником 50 мкм и оболочкой 125 мкм
G-62/125 ММ волокно с сердечником 62.5 мкм и оболочкой 125 мкм
G-62/125-пп Упаковка ММ волокна в плоскую ленту с числом волокон пп с сердечником 62.5 мкм и оболочкой 125 мкм
7 (x nn)C Число (пп) оптических волокон
8 +(d) Диаметр медной проволоки
9 (mm)C Число медных проводов
(mm)P Число пар медных проводов
(mm)Q Число двойных пар медных проводов
Пример: FR-OGJFLAP SM 10/12505x48C
OGTSLAP SM 10/12505х48С
12.4.2. Предложения по унификации кодировки и маркировки оптических кабелей
*
12.4.2.1. Предложение по кодировке кабелей для баз данных
При описании типов оптических кабелей производители обычно дают наглядные рисунки сечений
ВОК с пояснениями отдельных элементов конструкции кабеля в сечении. Эти рисунки обычно го-
ворят специалистам больше словесных описаний, особенно если они цветные. Однако, в ряде слу-
408
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
чаев такое описание должно быть формализовано, в общем случае кодировано, для того, чтобы
его можно было поместить в базу данных оптических кабелей и проводить поиск нужного кабеля
по формализованному запросу или по шаблону. В принципе, информация не потеряется, если кон-
струкция кабеля будет описана кодограммами или сокращенными обозначениями, типа тех, что
даются в схемах маркировки, но расположенными строго в соответствии с последовательным рас-
положением элементов/слоев, начиная от центра (как, например, это делается при обозначении
электронной структуры атома).
Если использовать унифицированные сокращения элементов конструкции кабеля, то мож-
но было бы создать универсальную, не зависящую от производителя, схему сокращений и осно-
ванную на ней кодировку. Например, используя уже имеющиеся наиболее ходовые сокращения
элементов конструкции кабеля, можно привести пример кодированного описания конструкции
городского кабеля A-D(ZN)b2Y завода “Москабельмет”, теперь “Москабель-Фуджикура”.
Пример: ОК:ЦСЭ-СП/ГЗ/М-ПТ-ПБТ-ГЗ-ОВ/ВБЛ/СЭ-АН/СГЛ/ВО-ПЭ, что в переводе на нор-
мальный язык означало-бы следующее: оптический кабель с ЦСЭ из стеклопластика (СП), за-
полненный гидрофобным заполнителем (ГЗ) с плавающими в нем модулями (М) в виде пласт-
массовых трубок (ПТ) из полибутилентерефталата (ПБТ) с гидрофобным заполнителем (ГЗ)
внутри и оптическим волокном (ОВ), водоблокирующей лентой (ВБЛ) вокруг сердечника кабе-
ля, и дополнительной оболочкой из арамидных нитей (АН) поверх нее, играющей роль силово-
го элемена (СЭ), покрытой броней из стальной гофрированной ленты (СГЛ), а затем внешней
оболочкой (ВО) из полиэтилена (ПЭ).
Указанные кодированные описания легко получить и для других кабелей, используя уни-
фицированный словарь сокращенных обозначений элементов конструкции промышленных ВОК.
12.4.2.2. Предложения по маркировке промышленных кабелей
Другое, в настоящее время более важное, приложение схем кодировки кабелей - унифицирован-
ная маркировка ВОК. Главная проблема здесь, как известно, заключается в наличии большого
разнообразия систем классификации и кодирования оптических кабелей, используемых разными
производителями при формировании марки кабеля. Такая ситуация сложилась вследствие суще-
ственного снижения активности федеральных органов стандартизации в результате ухудшения
общей экономической ситуации. Преодолеть это можно на наш взгляд не только “сверху”, как
предлагается в [323], но и “снизу” - путем обсуждения некоторых начальных предложений по
маркировке кабелей, их корректировке и дополнению и разработке на их основе общепринятой
(вначале в рамках некого консорциума российсских производителей ВОК, системы маркировки
которых приведены в данной работе) системы сокращений и кодирования пригодной для едино-
образного формирования марки кабеля, помещаемой на поверхности промышленных ВОК.
На основе анализа приведенных выше маркировок, разработанных разными компаниями, можно
предложить, во-первых, рубрикатор содержимого отдельных групп, характеризующих тип, конструкцию и
параметры кабелей и используемого в них волокна, во-вторых, соответствующую рубрикатору унифициро-
ванную систему маркировки промышленных кабелей, которая (на наш взгляд) дает понятную и легко рас-
шифровываемую марку кабеля, однако получается слишком длинной. В-третьих, анализируя предложенную
и существующие системы маркировки на основе матрицы корреляции параметров, выбранных разными
производителями (субъектами кодировки) в качестве маркообразующих, предлагается сокращенный вари-
ант унифицированной системы маркировки.
Рубрикатор
1 - Тип используемой среды передачи;
2 - Тип кабеля по назначению;
3 - Тип кабеля по условию прокладки;
4 - Тип конструкции сердечника кабеля;
5 - Тип конструкции внешнего силового элемента;
6 - Промежуточная оболочка и ее толщина;
Глава 12
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
409
7 - Тип первого повива: материал, число проволок и их диаметр; ~z, э - . .. ’
8 - Тип второго повива: материал, число проволок и их диаметр; —-- -
9 - Тип третьего повива: материал, число проволок и их диаметр; -
10 - Тип дополнительной брони;
11 - Тип внешней оболочки и диаметр кабеля; j
12 - Тип оптического волокна и номера окон прозрачности, где он может нормально работать;
13 - Число волокон в кабеле и физические парметры волокна (затухание, PMD);
14 - Число медных (служебных) жил и их диаметр;
15 - Масса 1 км кабеля;
16 - Механические характеристики (физические параметры), важные для отдельных типов кабеля.
Последние две рубрики (кодовые группы) могут быть опущены для сокращения обозначения.
12.4.2.3. Унифицированная маркировка кабеля
При разработе унифицированной маркировки автор использовал следующие правила-
ограничения:
кодовые группы маркировки не должны повторяться;
информация, объединенная в одной кодовой группе должна быть, по возможности, альтерна-
» - тивна (т.е. не должна повторяться);
длина кода в рамках одной кодовой группы должна быть одинакова;
при отсутствии в кабеле описываемого группой признака, группа должна опускаться;
кодовые группы должны отделяться единым разделителем -тире;
первая кодовая группа должна играть роль марки кабеля и включать информацию о среде пе-
редачи, назначении кабеля и условии его прокладки;
кодовая группа может состоять из нескольких классификационных подгрупп’,
классификационная подгруппа может содержать дополнительные признаки, коды которых
указаны в скобках);
-' несколько одноименных параметров, указываемых в рамках одной кодовой группы, должны
отделяться разделителем
несколько разноименных параметров, указываемых в рамках одной кодовой группы, должны
отделяться разделителем
С учетом указанных правил можно предложить следующую схему маркировки, допускаю-
щую 16 кодовых групп (№), первые три из которых объединяются в марку, см. табл. 12-13.
Таблица 12-13. Предлагаемая унифицированная схема маркировки кабелей
№ Код Расшифровка кода маркировки
1 кк Композитный кабель (оптические и медные жилы)
ок Оптический кабель
СК Специальный оптический кабель
2 в Кабель внутренней прокладки (внутриобъектовый)
н Кабель наружной прокладки
3 гп Горизонтальной проводки (внутренней прокладки)
мэ Межэтажный (внутренней прокладки)
шн Шнур ю(внутренней прокладки)
ГТ Встраиваемый в грозотрос (воздушная подвеска)
нг Навиваемый на грозотрос (воздушная подвеска)
пг Прикрепляемый к грозотросу (воздушная подвеска)
НФ Навиваемый на фазовый провод (воздушная подвеска)
ПФ Прикрепляемый к фазовому проводу (воздушная подвеска)
сн Самонесущий (воздушная подвеска)
ЗА Укладка в землю (с автоматической прокладкой в трубах типа "Dura-Line")
ЗК Укладка в землю (в кабельных коллекторах, трубах, блоках)
зт Укладка в землю (в траншею)
410
Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей
Глава 12
№ Код Расшифровка кода маркировки (продолжение табл. 12-13)
3 , зл Укладка в землю (в любых вариантах: ЗА, ЗК, ЗТ)
рд Речная укладка (по дну мелких рек, озер и болот)
ЗР Укладка в землю (в любых вариантах: ЗА, ЗК, ЗТ) и речная укладка (РД)
мд Морская укладка (по дну морей и океанов)
М3 Морская укладка (с закапыванием в донный грунт)
МП Морская укладка (с подвеской кабеля на определенной глубине)
4 Ц(СП) Конструкция с ЦСЭ из стеклопластикового прутка
Ц(СТ) Конструкция с ЦСЭ из стального троса
М(пМ) Конструкция без ЦСЭ с модулями из металла (л - количество модулей)
М(лП) Конструкция без ЦСЭ с модулями из пластмассы (л - количество модулей)
5 В(СП) Конструкция с внешним силовым элементом (ВСЭ) из стеклопластика
В(СТ) Конструкция с ВСЭ из стального троса
6 ПО(0 Промежуточная оболочка толщиной f - мм
7 1А(/?/о) 1 повив из алюминиевой проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
1C(n/d) 1 повив из стальной проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
8 2A(n/d) 2 повив из алюминиевой проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
2C(n/d) 2 повив из стальной проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
9 3A(n/c/) 3 повив из алюминиевой проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
3C(n/o) 3 повив из стальной проволоки (л - количество проволок и d их диаметр)
10 Б(СГЛ) Броня из стальной гофрированной ленты (СГЛ)
Б(ххх) Другие виды брони (ххх - сокращенный код брони)
Ill П ВХ(сУ) Внешняя поливинилхлоридная (ПВХ) оболочка (диаметр кабеля в мм)
ПЭ(сО Внешняя полиэтиленовая (ПЭ) оболочка (диаметр кабеля в мм)
ПЭН(ф Внешняя ПЭ оболочка, не распространяющая горение (диаметр кабеля в мм)
12 ОМ(п/п) Одномодовое оптическое волокно, работающее в окнах (0/1 /2/3/4/5)
ММ(50/л) Многомодовое оптическое волокно диаметром 50 мкм, работающее в окне 1 или 2
ММ(62/л) Многомодовое оптическое волокно диаметром 62,5 мкм, работающее в окне 1 или 2
13 л(затухание//Р MD) Количество ОВ (предельное значение коэффициента затухания в рабочих окнах в дБ/км//РМ0 в пс/км-1/2)
14 M(d) Количество медных служебных жил (диаметр жилы)
15 Погонная масса 1 км кабеля в кг
16 Т(#) Допустимое растягивающее усилие, в кН
Д(#) Допустимое раздавливающее усилие, в кН
С(#) Термическая стойкость к току КЗ (для ОКГТ)
Другие, важные для конкретного типа кабеля, физические параметры
Примеры:
В качестве примера рассмотрим унифицированную маркировку некоторых кабелей российских
производителей, представленных в табл. 12-5 в разд. 12-3.
1) ОКНЗК-Ц(СП)-Б(СГЛ)-ПЭ(13,5)-ОМ(2/3)-16(0,34/0,21//0,2)-167-Т/Д(2,7/0,4) -обозначение
для городского кабеля типа A-D(ZN)b2Y . . . компании “Москабельмет”, марка - ОКНЗК;
2) ОКНЗЛ-Ц(СП)-1ТО(1,0)-ПЭ(15,0)-ОМ(2/3)-24(0,34/0,20//0,2)-300-Т/Д(7,0/0,4) - обозначение
междугородного кабеля типа ОКЛК-01, 02 компании “СОКК”, марка ОКНЗЛ;
3) ОКНЗР-Ц(СТ)-ПО(1,0)-2С(16/1,6)-ПЭ(15,5)-ОМ(2/3)-24(0,34/0,20//0,2)-436-Т(10,0) - обозна-
чение междугородного кабеля типа ОКБ-М компании “Электропровод”, марка ОКНЗР
Учитывая, что указанная маркировка получается слишком длинной, ее можно сократить
как за счет отбрасывания двух последних групп (15-16) и исключения сведений о PMD, тогда те
же кабели будут иметь следующую маркировку:
1) ОКНЗК-Ц(СП)-Б(СГЛ)-ПЭ(13,5)-ОМ(2/3)-16(0,34/0,21)
2) ОКНЗЛ-Ц(СП)-ПО(1,0)-ПЭ(15,0)-ОМ(2/3)-24(0,34/0,20)
3) ОКНЗР-Ц(СТ)-ПО(1,0)-2С(16/1,6)-ПЭ(15,5)-ОМ(2/3)-24(0,34/0,20)
Глава 12 Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей 411
Оптимизация числа параметров маркировки
В этом виде маркировка выглядят уже достаточно компактной, хотя можно провести и оп-
тимизацию кодировки в целом. Для этого составим матрицу корреляции маркаобразующих пара-
метров, используемых различными системами маркировки, которая позволит, используя “вес пара-
метра”, сделать заключение “о важности” того или иного элемента кодировки в глазах производите-
лей. В качестве “значений” строк матрицы будут использованы указанные выше 16 позиций рубри-
катора, расширенные дополнительными строками-позициями, используемыми в других системах
кодировки. В качестве “значений” столбцов матрицы могут быть использованы сокращенные назва-
ния производителей ВОК (субъектов маркировки), представивших системы маркировки.
В результате обработки полученной матрицы (44x8) был получен список параметров,
приведенный ниже в порядке мест, занятых в рейтинге весовых коэффициентов:
1 -Количество волокон в кабеле (1 параметр).
2 -Тип конструкции сердечника кабеля, тип дополнительной брони (2 параметра).
3 -Тип кабеля по назначению, тип оптического волокна, диаметр сердцевины (или поля моды) во-
локна, диаметр оболочки волокна (4 параметра).
4 -Тип кабеля по условию прокладки, тип силового элемента в сердечнике кабеля, тип внешней
оболочки, спецификатор Н для негорючей оболочки, затухание в кабеле на рабочих длинах
волн для ОМ ОВ (5 параметров).
5 -Тип используемой среды передачи, спецификатор наличия гидрофобной массы в сердечнике ка-
беля, количество медных (служебных) жил, допустимая растягивающая нагрузка (4 параметра).
6 - Количество элементов в скрутке/повиве сердечника, тип конструкции внешнего силового эле-
мента, тип первого (второго или внешнего) повивов (из металлической проволоки), рабочие
длины волн, количество волокон в модуле/пучке (5 параметров).
7-8 - Модификация типа кабеля по назначению (3), спецификатор использования скрутки элемен-
тов в сердечнике (7), тип внутренней оболочки для защиты от влаги (10), промежуточная обо-
лочка (ПО) и ее толщина (12-13), тип второго и третьего повивов и сведения о количестве про-
волок и их диаметре во всех трех повивах (15-19), диаметр кабеля (23), спецификация типов
ОМ ОВ (SSF, DSF, NZDSF) (25), тип профиля многомодового ОВ (28), номера окон прозрачно-
сти (где ОВ нормально работает) (29), коэффициент широкополосности для ММ ОВ (32), хро-
матическая дисперсия на рабочих длинах волн (33), PMD кабеля (34), спецификаторы укладки
волокон в плоскую ленту и цветной окраски волокон (37-38), диаметр медных жил (40), масса 1
км кабеля (41), разрывная нагрузка (43), термическая стойкость к току КЗ (для ОКГТ) (44).
Первыми кандидатами на исключение являются параметры, занявшие два последних (7-8)
места. Из предложенной нами схемы кодировки туда попадают параметры: (12-13), (15-19), 23, 29,
34, 40, 41, 43, 44. Что касается ПО и металлических повивов (12-13, 15-19), то они являются важ-
ными конструктивными элементам^ кабеля и, видимо, есть смысл их оставить, убрав (для сокра-
щения маркировки) указания на толщину ПО и числовые характеристики проводов повивов. Диа-
метр кабеля (23), видимо, следует оставить. Что касается номеров окон прозрачности (29), то они
используются как более короткий эквивалент параметра “рабочие длины волн”. Параметры (34,
41, 43, 44) - PMD кабеля, масса кабеля, разрывная нагрузка и термическая стойкость, видимо,
следует убрать. Что касается параметра (40) - диаметр медной жилы, его нужно оставить, так как
он важен для расчетов возможностей кабеля в телефонии и передаче данных. Итак, если принять
эти соображения, то приведенные выше маркировки приобретут следующий окончательный вид:
1) ОКНЗК-Ц(СП)-Б(СГЛ)-ПЭ(13,5)-ОМ(2/3)-16(0,34/0,21)
2) ОКНЗЛ-Ц(СП)-ПО-ПЭ(15,0)-ОМ(2/3)-24(0,34/0,20)
3) ОКНЗР-Ц(СТ)-ПО-2С-ПЭ(15,5)-ОМ(2/3)-24(ОД4/ОДО)
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
В развитии современных сетевых технологий стандарты играют очень большую, если не
сказать определяющую роль. Глобальные цифровые сети, в которых эти технологии используют-
ся, покрывают большие пространства и пересекают не одну государственную границу. Для их
функционирования требуется высокая степень стандартизации оборудования.
13.1. Обзор стандартов цифровых сетей
13.1.1. Организации по стандартизации
Практически все ведущие государства мира и крупные корпорации международного уровня имеют ин-
ституты или комитеты по стандартизации, однако только некоторые из них признаны на международ-
ном уровне, а из этих последних только такие организации, как ANSI, Belcore, EIA, ETSI, IEC, IEEE,
ISO, ITU-T и NIST разрабатывают стандарты в области технологий цифровых сетей, ВОК, ВОЛС, ВОТ
и ОВ международного уровня. К ним относятся нижеследующие институты.
ANSI (American National Standards Institute) - Американский национальный институт
стандартов - частная неправительственная некоммерческая организация, членами которой явля-
ются компании - производители оборудования, сетевые операторы и другие.
Bellcore (Bell Communications Research) - Исследовательский центр в области связи ком-
пании Bell Telephone (США).
EIA (Electronic Industries Association) - Ассоциация электронной промышленности (США)
ETSI (European Telecommunications Standards Institute) - Европейский институт стандар-
тов в области связи (EEC, основан в 1988)
IEC (International Electrotechnical Commission) - Международная электротехническая ко-
миссия (МЭК) (основана в 1906).
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Институт инженеров no электро-
технике и радиоэлектронике (ИИЭР) (США)
ISO (International Standards Organization) или International Organization for Standardization -
Международная организация no стандартизации (МОС, основана в 1946) - организация, разраба-
тывющая международные стандарты во всех областях кроме электроники и электротехники, кото-
рые готовит МЭК (IEC)
ITU (The (United Nations) International Telecommunications Union) - Международный Союз
Электросвязи (МСЭ) - Агентство ООН (Комитеты CCIR и ITU-T, заменивший с 1.3.93 Комиссию
CCITT - МККТТ)
ITU-T (The ITU Telecommunication Standardization Sector) - Сектор стандартизации элек-
тросвязи МСЭ - постоянный орган по стандартизации в области электросвязи МСЭ с 1.3.93
NIST (National Institute of Standards and Technology) - Национальный институт стандар-
тов и технологий - официальный орган по разработке и утверждению стандартов в США (до 1988
г. назывался Национальным бюро стандартов), часть Департамента торговли США
Госстандарт СССР, в настоящее время Государственный Комитет РФ по стандартизации,
метрологии и сертификации.
Выборочные списки стандартов этих организаций можно найти в [44].
Стандарты, описывающие принципы организации и функционирования синхронных циф-
ровых сетей связи, первоначально разрабатывались в основном двумя организациями: Американ-
ским национальным институтом стандартов (Комитет Т1Х1) и Международным Консультатив-
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
413
ным Комитетом по Телеграфии и Телефонии. Последний представил свои результаты в 1988 г. в
виде серии рекомендаций (де-факто стандартов) G.700-G.7xx, рассмотренных на Пленарной Ас-
самблее Международного союза электросвязи в 1988 г. и опубликованных в 1989 г. в так назы-
ваемой Синей книге - CCITT Blue Book. В настоящее время разработкой этих и сопутствующих
стандартов занимаются несколько организаций:
- ANSI;
- СЕРТ - Объединение Европейских администраций почт и связи;
- CCIR (МККРТ) - Международный консультативный комитет по радио и телевидению;
- CCITT (МККТТ) - Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии, до
28.2.93;
- ETSI, IEC (МЭК) и ISO;
- ITU (МСЭ), подкомитеты CCIR и CCITT, имеет с 1.3.93 сектор стандартизации в области элек-
тросвязи ITU-T (до 28.2.93 рекомендации выходили под эгидой CCITT, а затем ITU-T);
- ITU-T (МСЭ-Т), начиная с 1.3.93;
Кроме этого корпоративные стандарты разрабатываются также рядом компаний, напри-
мер, Bellcore, AT&T и другими.
Первая попытка разработки стандартов синхронных оптических сетей относится к 1984 г.
Первый стандарт таких сетей “Syntran” базировался на скорости 45 Мбит/с (канал ТЗ), в это же
время AT&T предложила использовать в качестве стандартной скорость 150 Мбит/с. В 1985 г.
Bellcore внесла в комитет Т1Х1 предложение на проработку стандарта синхронной оптической се-
ти SONET.
В 1986 г. стандартом SONET заинтересовался комитет CCITT. Одна из его исследователь-
ских групп (SG XVIII) и занялась разработкой стандарта SDH. Первоначально порождающие ско-
рости SONET и SDH были разными и нецелократными (50 и 155 Мбит/с). В феврале 1988 г. было
принято согласованное решение по начальной скорости оптической несущей ОС (ОС-1 = 51.84
Мбит/с), при которой скорость синхронного транспортного модуля STM-1, равная 155,52 Мбит/с,
оказалась равной утроенной скорости ОС-1, или скорости ОС-3. Это решение привело к оконча-
тельной доработке технологии SDH, оформленой в виде трех рекомендаций G.707 [16], G.708 [16]
и G.709 [16], принятых в 1988 г. и опубликованных в 1989 г. в “Синей книге”.
Рекомендации CCITT, получив всеобщее признание, стали фактически международными
стандартами - отправным пунктом для разработчиков аппаратуры SDH. В 1990-1997 гг. комитет
CCITT (до 1993 г.), а затем его преемник - сектор по стандартизации ITU-T, продолжили разработку
новых стандартов по SDH, в том числе и подвергая ревизии старые стандарты. В настоящее время
группа стандартов, прямо или косвенно связанных с SDH, уже насчитывает несколько десятков. Есть
смысл хотя бы перечислить их, тем более, что выше были описаны только основные из них.
13.1.2. Краткий обзор стандартов SDH и PDH
В этом обзоре мы ограничимся только рекомендациями ITU (МСЭ) серии G и L и приведем не
только стандарты по технологии SDH, но и некоторые сопутствующие стандарты по технологий
PDH, оптическим сетям и кабелям (ВОК). Частично стандарты по данной теме других организа-
ций приведены в обзоре [446], а структурированные перечни стандартов можно найти в [44].
Интересующие нас стандарты, в основном, сосредоточены в большой группе стандартов
G.xxx (ITU-T), представляющей рекомендации по системам и средам передачи голоса и данных.
Основная группа рекомендаций по SDH состредоточена в сериях G.7xx, G.8xx и G.9xx.
Так, серия G.70x дает наиболее общее представление об этой технологии: G.701 (термины) [70],
G.702 (скорости иерархии PDH) [13], G.703 (электрический цифровой интерфейс) [14], G.704
(структура фреймов PDH) [15], G.707 (основной стандарт SDH: скорости, сетевой интерфейс,
структура мультиплексирования, который заменил сейчас старые стандарты G.707, G.708, G.709)
[16]). Эти стандарты были достаточно подробно рассмотрены выше.
Рекомендация G.711 [30], описывает общую процедуру ИКМ (основу PDH и SDH).
414
Стандарты и терминология цифровых сетей
Глава 13
Рекомендации G.742 [10] и G.745 [344] описывают структуру фреймов PDH 2 уровня, а
G.751 [261], 753 [345] и 754 [346] - структуру фреймов PDH 3 и 4 уровней для различных проце-
дур выравнивания (G.742 и G.751 подробно рассмотрены выше).
Рекомендация G.773 [89], описывающая стек протоколов для интерфейса Q, также под-
робно рассмотрена в тексте выше.
Группа рекомендаций: G.774 [19], G.774.1-9 [20, 21, 151-156] - посвящена информацион-
ной модели управления сетью SDH и ее элементами. Она описывает классы объектов сети управ-
ления TMN, требуемые для управления элементами и подсистемами сети SDH, а также для мони-
торинга их рабочих характеристик.
Группа рекомендаций: G.780 [157], G.781 [22], G.783 [22], G.785 [158] - описывающих
терминологию и оборудование сетей SDH, его типы, характеристики и выполняемые функции,
была частично рассмотрена выше, включая формализацию логических функций, выполняемых
оборудованием SDH.
Рекомендация G.784 [23], посвященная системе управления сетью и оборудованием SDH,
достаточно подробно описана в тексте выше. Рекомендация G.803 [159] посвящена формализо-
ванному рассмотрению транспортных функций архитектуры сети SDH, основных функций защи-
ты и самовосстановления сетей SDH, а также проектированию топологии сети синхронизации и
взаимодействия сетей PDH и SDH (достаточно подробно описана выше, в том числе и в гл. 5).
Рекомендация G.803, в части требований к хронирующим источникам для оборудования
SDH, поддержана рекомендациями G.811 [73], 812 [74] и 813 [163].
В рекомендации G.804 [161] описан метод передачи ATM ячеек по существующим сетям
PDH. В частности рассмотрен метод отображения ячеек на структуру кадров PDH для всех скоро-
стей передачи PDH-трибов (он подробно описан выше).
Рекомендация G.825 [164] описывает схемы управления дрожанием (jitter) и дрейфом
(wander) фазы цифровых последовательностей в сетях SDH. Для измерения этих характеристик, а
также других характеристик SDH оборудования, существует ряд приборов ведущих фирм, рас-
смотрение которых выходит за рамки данной книги.
Рекомендации G.821 [см. в 43] и 826 [75], а также М.2100 [77] и 2101.1 [350] описывают
основные этапы вычисления параметров ошибок и оценок производительности систем PDH и
SDH, которые не нашли отражения в данной книге.
Рекомендация G.831 [123] дополняет рекомендацию G.803 в части описания требований к
административному управлению разбитой на уровни сети передачи. Она определяет процесс
управления маршрутом (трактом) при использовании схем защиты, в частности те его аспекты,
которые требуют поддержки при пересечении границ административных доменов.
В рекомендации G.832 [124] рассмотрена возможность транспортировки элементов струк-
туры мультиплексирования SDH, через сети PDH (подробно рассмотрена выше).
В рекомендациях G.841 [125] и 842 [381] рассмотрены типы и характеристики самовосста-
навливающихся топологий архитектуры сетей SDH (они обсуждаются в разд. 2.6).
В рекомендации G.861 [126] рассмотрены вопросы интеграции спутникового, радиорелей-
ного и наземного (кабельного) сегментов транспортных сетей SDH (также обсуждаются выше в
гл. 4).
В двух новых рекомендациях G.871 [420] и 872 [421] рассмотрены основы оптических
транспортных сетей и их архитектуры - вопросы, которые мы подробно не рассматривали в книге.
В новой серии рекомендаций (см. G.911 [422]) ITU-T начинает рассмотрение общих пара-
метров ВОЛС и их доступности к сервису.
В рекомендациях G.957 [24], 958 [25] и 959.1 [423] описаны оптические интерфейсы обо-
рудования и систем SDH, рассмотренные нами (G.957), а также цифровые линейные системы SDH
(G.958) и физический уровень оптических систем (G.959.1). В новой редакции рекомендации
G.957 должен быть описан интерфейс для уровня STM-64 (пока см. G.691).
В двух новых сериях: G.97x (971-976) [44] и G.98x (981-983) [44] рассмотрены: в первой -
подводные оптические кабельные системы, нашедшие широчайшее применение в мире, во второй
- пассивные оптичесие сети (PON) и их применение на «последнем километре».
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
415
13.1.3. Краткий обзор стандартов волоконно-оптических сетей
Разработка стандартов в области волоконно-оптической техники (ВОТ) в крупных мировых цен-
трах по стандартизации началась в период с середины 70-х годов. Уже в 1980 г. CCITT (ITU-T)
выпустил (тогда еще в "желтой" книге) первую рекомендацию по ОВ [2]. В настоящее время такие
работы ведутся во многих рабочих группах институтов/организаций по стандартизации (см. вы-
ше). Учитывая, что общее число стандартов, выпущенных ими и, так или иначе, связанных с ВОТ,
огромно [43], мы ограничимся кратким рассмотрением только стандартов ITU-T (МСЭ-Т), что ка-
сается аналогичных стандартов EIA/TIA и частично Bellcore, то см. [446].
13.1.5.1. Стандарты на оптическое волокно и ВОК
Одной из первых была разработана большая группа стандартов (всего около 200) ассоциации EIA
под общим номером EIA/TIA-455-хх [44], которая описывает различные методы/процедуры испы-
таний (FOTP) одномодового и многомодового ОВ и ВОК для оценки различных параметров и их
предельных значений, а также свойств ОВ и ВОК. Они широко используются при разработке из-
мерительных приборов, новых методов тестирования ОВ и ВОК и касаются различных аспектов
технологии их изготовления.
Что касается ITU-T, то он разработал группу рекомендаций G.65x, которая описывает
ВОК, а именно: G.650 [141], G.652 [142], G.653 [143], G.654 [144], G.655 [145] - описывают харак-
теристики одномодовых ВОК, широко используемых в сетях SONET/SDH, а рекомендация G.651
[343] - характеристики многомодовых ВОК, используемых (кроме ЛВС) в сетях PDH. Характери-
стики отечественных оптических кабелей связи и их сравнение со указанными стандартами можно
найти также в гл. 12.
Стандартами ITU-T по ОВ и ВОК рассмотрены методы испытания основных характери-
стик одномодовых волокон [141], регламентированы основные параметры, которым должны
удовлетворять ВОК с многомодовыми волокнами, имеющими градиентный профиль показателя
преломления [343] и характеристики ОМ ОВ различного типа: стандартного ОВ с прямоугольным
профилем показателя преломления [142], минимизированного по затуханию в окне 1550 нм ОВ с
тем же профилем [144], ОВ со сдвигом дисперсии в область окна 1550 нм (DSF) [143] и ОВ с не-
нулевой но малой дисперсией в окне 1550 нм, оптимизированного для работы с ОУ типа EDFA в
системах DWDM в полосе 1530-1536 нм [145].
Стандарты на ОВ и методы измерения его характеристик выпускают также ANSI, Bellcore,
IEC, Госстандарт (узаконивший некоторые публикации МЭК) и другие организации, см. напри-
мер, ссылки [73,79] и [86] в статье [446].
13.1.5.2. Стандарты на оптические функциональные компоненты и системы
Эту группу стандартов в части пассивных элементов представляют в ITU-T 3 стандарта G.671,
L.36 и L.37 [418, 444, 445], регламентирующие общие характеристики передачи пассивных эле-
ментов [418], а также параметры оптических соединителей [444] и оптоволоконных ответвителей
[445].
Группа рекомендаций: G.661 [146], G.662 [147], G.663 [148], G.681 [149] - описывает характеристики
активных оптических компонентов, таких как оптические усилители [146-148], и их использование в под-
системах линейных сетей SDH [149].
Еще одна группа рекомендаций: G.691 [419] и 692 [247] - описывает интерфейсы многока-
нальных оптических систем с ОУ [147] (она подробно рассмотрена в связи с технологией WDM в
гл. 11), а также с мультиплексорами SDH уровня STM-64 [419].
Ассоциация EIA также выпустила ряд стандартов, см. ссылки на [52, 56, 58, 66, 67] в ста-
тье [446], на оптоволоконные терминальные устройства, а также на проектирование ВОСП, ис-
пользующих одномодовые ВОЛС.
416
Стандарты и терминология цифровых сетей
Глава 13
13.1.5.3. Стандарты на оптические транспортные сети и ВОЛС
Эта группа стандартов в ITU-T представлена рекомендациями [420-432]. В ней регламентируются
общие вопросы и архитектура оптических транспортных сетей [420, 421], а также параметры, ин-
терфейсы и физический уровень систем, использующих ВОЛС. Отдельная группа стандартов рег-
ламентирует характеристики, интерфейсы и регенераторы подводных ВОЛС [424-428].
Сети доступа и линейные системы для сетей доступа представлены стандартами [429-432].
В ней регламентируются методы тестирования сетей доступа подводных ВОЛС [429], а также па-
раметры PDH сетей доступа для ЛВС [430] и пассивных оптических сетей (ПОС) доступа на пер-
вичной [431] и более высоких скоростях иерархии PDH [432].
Ассоциация EIA выпустила ряд стандартов, см. ссылки [54,57] в статье [446], на процедуру
тестирования ВОЛС и цифровых ВОСП.
Стандарты на конструкцию, прокладку и защиту ВОК и других элементов ВОЛС пред-
ставлены группой рекомендаций [290, 433-443]. В ней регламентируются различные методы про-
кладки ВОК (наземные, подземные и воздушные: в том числе и с размещением ВОК в грозотросе
[442]), стыковки отдельных участков ВОЛС и методы измерения параметров кабеля ВОЛС под
нагрузкой [435].
13.2. Терминология цифровых сетей
Стремительное развитие компьютерных, информационных и сетевых технологий в мире за по-
следнее десятилетие привело к появлению большого числа новых терминов, циркулирующих в
среде специалистов в виде особого жаргона, основанного в массе своей на использовании русских
калек с английских терминов. Отечественные институты стандартизации в силу ряда известных
обстоятельств оказались неподготовленными к тому, чтобы переварить нахлынувший поток тер-
минов и предложить их отечественные эквиваленты, узаконенные российскими стандартами.
В этой связи специалисты по сетевым технологиям сами занялись наведением порядка в
терминологии, используя единственно возможный в такой ситуации подход с позиции здравого
смысла, основанный на использовании статистики применения тех или иных терминов.
Альтернативная терминология отечественных специалистов по электросвязи, зародившая-
ся еще до широкого развития компьютерных сетевых технологий [166], продолжала существовать
в русских переводах стандартов CCITT и ITU-T и была отражена в РТМ [12].
13.2.1. Истоки появления новой терминологии
Традиционные телефонные (проводные и беспроводные) сети связи, использующие аналоговые
методы передачи, уже давно пережили свой столетний юбилей и сформировали свою устойчивую
терминологию. Традиционные ЭВМ общего назначения, или (в современной терминологии)
мэйнфреймы, недавно отметили свой пятидесятилетний юбилей и их терминология в основе сво-
ей также устоялась.
Системы цифровой телефонии и компьютерные сети, напротив, начали развиваться только
с начала 60-х годов, когда ЭВМ уже вышли на рубеж третьего поколения. Наиболее важные мо-
менты этого развития были перечислены в [215].
Этот перечень показывает, что развитие компьютерных сетей и цифровых сетей связи, на-
чиная 1962 г., происходит практически параллельно, причем так, что отечественная терминология
в обоих случаях (в части передачи данных) остается достаточно единообразной (с приматом тер-
минологии сетей связи) вплоть до 1986 г., в основном благодаря усилиям Госстандарта.
В то же время компьютерная техника и технология развивались существенно быстрее, чем
технологии цифровых сетей связи, где методы ИКМ и PDH были тогда господствующими. В ком-
пьютерной технике не только происходила смена поколений, но и появлялись новые классы ЭВМ -
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
417
мини-, микро-, супер-ЭВМ, мультипроцессорные и многомашинные комплексы ЭВМ. Можно с
уверенностью сказать, что развитие компьютерной техники, ее внутренней архитектуры и техно-
логии мультипроцессорной обработки явилось источником практически всех модельных решений,
использованных позднее при развитии новых сетевых технологий. То же можно сказать и о разви-
тии терминологии. В области компьютерной техники и технологии она охватывала существенно
больший круг терминов, чем в технике цифровой связи.
13.2.2. Об истоках разногласий в терминологии
Компьютерные сети в начале своего развития были в основном локальными и применялись
практически исключительно для передачи данных. В результате общая терминология компью-
терных сетей и сетевого оборудования мало отличалась от собственно компьютерной.
Сети цифровой связи были в начале своего развития в основном глобальными телефон-
ными сетями и использовались практически исключительно для передачи речи. В результате их
терминология тяготела к традиционной терминологии аналоговых сетей связи и существенно от-
личалась от компьютерной. Например, использовались термины стык - вместо интерфейс, ок-
тет - вместо байт, цикл - вместо кадр или фрейм, посылка - вместо блок данных, уплотнение
канала и группобразование - вместо мультиплексирование, и так далее.
Если бы два типа сетей развивались параллельно и не пересекались, то существование
двух отличных друг от друга групп терминов, имеющих одинаковую этимологию, как-то могло
быть оправдано. Однако необходимость передавать данные на большие расстояния привела к ис-
пользованию уже существовавших телефонных сетей и созданию наложеных сетей, использую-
щих технологии пакетной коммутации - Х.25, ретрансляции кадров - Frame Relay, режима асин-
хронной передачи - ATM. Это позволило связывать локальные сети в единую глобальную сеть,
формировать виртуальные сети и их сегменты, использовать компьютер в качестве терминального
или транзитного узла сети путем простой установки интерфейсной карты в слот и связывать поль-
зователей (абонентов сети) путем простой записи его адреса в маршрутизаторе. В результате про-
изошло взаимопроникновение обеих типов сетей на уровне оборудования.
В этой ситуации различие терминологий стало объективным тормозом становления новых
сетевых технологий, причем не “у них”, разрабатывающих эти технологии, а у нас, в России, ли-
шенной в эти годы не только достаточного количества ПК, но и (что более важно) отечественной
литературы по цифровым сетям.
Отсутствие отечественной терминологии в области новых информационных технологий
привело, с одной стороны, к разнобою в переводе одних и тех же английских терминов (например,
термин/га/яе в зависимости от технологии переводится специалистами то как цикл, то как кадр,
то как посылка или пакет, но не как фрейм), с другой - к широкому использованию русских
“калек” и английской аббревиатуры в качестве новых сетевых терминов, что дало возможность,
по крайней мере, избежать какого-бы то ни было непонимания в среде специалистов по локаль-
ным сетям. Сейчас можно сказать, что терминология традиционных локальных сетей (Token Bus -
ARCnet, Ethernet, Token Ring и FDDI) практически устоялась только потому, что мало кто пытался
ее переводить. Аналогичная ситуация характерна и для других новых ЛВС технологий.
Сейчас, когда специалисты по ЛВС начали использовать технологии ATM и SDH для пе-
редачи потока ATM ячеек на физическом уровне, вопрос об использовании единой терминологии
в локальных и глобальных сетях стал как никогда актуальным.
13.2.2.1. Замечание о терминах, используемых в технологиях PDH и SDH
В технологиях PDH и SDH используется довольно много новых терминов, не характерных для
других сетевых технологий. Одни из них переведены удачно, перевод других можно было-бы ос-
порить. Ниже приведены некоторые наиболее важные из них:
27-48
418
Стандарты и терминология цифровых сетей
Глава 13
1 - frame - переводится или как кадр, или как цикл, или как фрейм. Во всех случаях это блок дан-
ных фиксированной длины, представляемый либо в виде одномерного последовательного поля
(технологии Frame Relay, PDH), либо в виде двумерной таблицы (технология SDH). Предлага-
ется использовать термин кадр (для одномерного последовательного поля), либо фрейм (для
двумерной таблицы и вообще для технологий PDH и SDH, где они достаточно тесно перепле-
таются). В технологиях PDH и SDH традиционно для обоих представлений frame переводят как
“цикл”. Однако цикл - понятие временное: “Цикл - совокупность явлений, процессов, состав-
ляющая кругооборот в течение известного промежутка времени”, [138, с.1492, 1-ый столбец].
Фрейм - понятие пространственное. Когда пишут, что цикл в SDH представляет собой структу-
ру, состоящую из 9 строк и 270 столбцов, то, вольно или невольно, определяют временное по-
нятие, как пространственное, что, по сути, является ошибкой. В то же время нормально звучат
связки типа: “цикл повторения фрейма составляет ...”, где временное понятие используется в
качестве указания на периодичность повторения пространственного понятия.
Использование термина фрейм, позволяет избавиться и от еще одного непривычного тер-
мина сверхцикл, предлагаемого в качестве эквивалента исходного термина multiframe (муль-
тифрейм). Приставка “мульти” напоминает о том, что мультифрейм получен путем мультип-
лексирования фреймов. Приставка “сверх”, напротив, не соответствует этимологии исходного
термина.
2 - trib, tributary - переводится как компонентный сигнал, подчиненный сигнал [12] или еще
более странно - нагрузка, поток нагрузки [165]. Вариант, используемый автором - триб. По-
следний термин базируется на русской кальке триб при переводе слова trib, tributary, к нему
примыкает и группа производных терминов с прилагательным трибный'. трибный блок
(tributary unit) трибный интерфейс (tributary interface). Такой перевод кажется наиболее аде-
кватным и вовсе не случайным. Разработчики технологий PDH и SDH, используя термин trib
(tributary), хотели подчеркнуть тот факт, что это не просто произвольная составляющая - ком-
понентный сигнал, участвующая в схеме мультиплексирования, а такая составляющая, которая
соответствует {подчиняется) иерархии PDH (PDH trib - триб PDH) или иерархии SDH (SDH
trib - триб SDH). С этой точки зрения термин подчиненный сигнал сохраняет этимологию ис-
ходного термина. Однако он и основанные на нем связки типа “интерфейс подчиненного сиг-
нала” громоздкими по сравнению с кратким и четким термином “трибный интерфейс”. Как и в
предыдущем случае “русские кальки” - триб, трибный блок, трибный интерфейс звучат
проще, полностью сохраняют этимологию исходных терминов и что не менее важно нормаль-
но воспринимаются специалистами по этим технологиям, воспитанными на оригинальных пуб-
ликациях рекомендаций CCITT (ITU-T).
Что касается замечаний, что правильнее переводить трибутарий (вместо триб) и соот-
ветственно трибу тарный (вместо трибный), то можно заметить, что trib (триб) - граммати-
чески правильная краткая форма слова tributary (трибутарий), см., например [130, с.2440].
Именно ее в силу краткости автор и предлагает использовать в качестве термина.
Для законченности рассуждений, дадим некоторые определения:
- триб - цифровой поток или сигнал, используемый в схеме мультиплексирования PDH или
SDH, или SONET иерархий для формирования более высокого уровня соответствующей иерар-
хии;
- триб PDH - триб, скорость передачи которого соответствует одной из PDH иерархий (напри-
мер, трибы 2, 8, 34, 140 Мбит/с соответствуют европейской иерархии PDH);
- триб SDH - триб, скорость передачи которого соответствует SDH иерархии (например, трибы
155, 622, 2488, 9952 Мбит/с);
- триб SONET - триб, скорость передачи которого соответствует иерархии SONET (например,
трибы 52, 104, 155, 207 и т.д. до п х 51.84 Мбит/с).
Чтобы показать разницу между понятием компонентный сигнал и триб, укажем, например,
что сигнал 512 кбит/с (так называемый дробный Е1) может быть компонентным сигналом
мультиплексора, но не может быть трибом, так как не соответствует ни PDH, ни SDH, ни
SONET иерархиям.
Производные термины:
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
419
- трибный блок (TU) - блок данных, содержащий виртуальный контейнер (инкапсулирующий
один или несколько соответствующих трибов) вместе с указателем блока, определяющим по-
ложение начала полезной нагрузки внутри виртуального контейнера следующего уровня (в ко-
торый инкапсулирован данный блок);
- группа трибных блоков (TUG) - структура, полученная в результате мультиплексирования не-
скольких трибных блоков в схеме формирования модуля STM-N.
3 - alarm - переводится как тревожный сигнал, сигнал тревоги [131], сообщение об отказе
[126], аварийн(ое\ый) состояние/сигнал [132]. Широко используется производный термин -
Alarm Indication Signal (AIS) - сигнал индикации аварийного состояния. В книге автором ис-
пользуется перевод слова alarm как “аварийное состояние”, хотя и его перевод как “аларм”,
можно было бы обосновать не только широким использованием его в жаргоне “сетевиков”, но
и потому, что он краток, соответствует оригиналу и легко связывается для создания адекватных
оригиналу производных терминов, например, сигнет аларма, индикатор аларма, цветокоди-
ровка аларма, статус аларма, а также потому, что это более широкое понятие. Оно не обяза-
тельно означает аварийное состояние в нашем понимании или не всегда является сообщением
об отказе. Образно говоря, аларм понятие цветное, а не черно-белое, как сигнал тревоги. Оно
отображает одно (текущее, или привязанное к какому-то (прошедшему) моменту времени) со-
стояние из множества состояний системы. Алармы можно игнорировать (фильтровать) или
группировать для формирования обобщенного показателя.
4 - unit - переводится как блок в связках типа: AU - административный блок, AUG - группа адми-
нистративных блоков, TU - трибный блок, TUG - группа трибных блоков; использование для
всех вышеназванных понятий термина модуль, как это сделано в [165], трудно оправдать, хотя-
бы потому, что в оригинале стандартов используются оба термина: блок и модуль, причем по-
следний используется только для STM - синхронного транспортного модуля. Кроме того, мо-
дуль - законченное образование, тогда как блок - его составная часть. Как известно, в SDH ие-
рархии TU, TUG, AU, AUG - суть логические блоки (не существующие самостоятельно), из ко-
торых и собирается физически существующий транспортный модуль STM.
Для других терминов, используемых автором, все необходимые определения терминов ин-
тересующиеся могут найти в соответствующих стандартах, наиболее полно они отражены в
[133,134,135].
Для удобства читателя все используемые в данной книге сокращения и соответствующие
им переводы терминов помещены в Списке сокращений в конце книги.
13.2.2.2. Замечание об использовании и переводе термина ATM
В последнее время в связи с бурным развитием новых информационных технологий и, в частно-
сти, технологии ATM, идет поток публикаций в изданиях разного уровня. В них используется раз-
личные термины для обозначения одних и тех же вещей, что естественно при отсутствии отечест-
венных стандартов в этой области. Ниже хотелось бы остановиться на самом термине - ATM.
В литературе по сетевым технологиям существует несколько вариантов перевода термина
ATM - Asynchronous Transfer Mode: режим асинхронной передачи (1), асинхронный режим пере-
дачи (2), асинхронный метод передачи (3), асинхронный режим переноса (4), асинхронный режим
доставки (5), асинхронный способ переноса (6).
Термин ATM появился в 1984 г. в связи с разработкой модели В-ISDN (в те годы сущест-
вовал термин и технология STM - Synchronous Transfer Mode: режиму синхронного переноса.
STM - цифровая TDM технология, используемая в телефонных сетях для передачи плезиохронно-
го трафика на скоростях Т1 и ТЗ. Использование термина “режим переноса” вместо “режима пе-
редачи” диктовалось необходимостью отличать синхронность передачи, поддерживаемую в кана-
ле связи, от асинхронности трафика, переносимого в инкапсулированном виде (в виде ячеек, паке-
тов или сообщений), при которой заполнение ячеек (пакетов) может меняться от нуля до макси-
мально полного. В этом смысле ATM должна была бы называться синхронной передачей с ре-
жимом асинхронного переноса или даже синхронной передачей с режимами синхронного и
27*
420
Стандарты и терминология цифровых сетей
Глава 13
асинхронного переноса. Однако классы сервиса, описанные выше, показывают, что собственно
ATM может использовать как синхронные, так и асинхронные режимы для передачи речи, видео и
данных. Факт синхронности же канала передачи привносится тем, что ATM на физическом
уровне использует другие технологии - плезиохронныые или синхронные по своей сути (напри-
мер, PDH и SONET/SDH)
Для специалистов по телекоммуникациям факт синхронности передачи ясен, а факт асин-
хронного переноса информации ячейками ATM достаточно важен, отсюда ясны варианты перево-
да 4, 5 и 6. Однако многие из переводчиков, видимо, не понимают или не знакомы с моделью OSI
и гибкостью использования физического уровня, заложенной в технологии ATM. Для специали-
стов по ЛВС, делающих упор на передачу данных, а не речи, более важен факт допустимой асин-
хронности передачи данных и речи, отсюда ясны варианты перевода 1, 2 и 3. На факт синхронно-
сти передачи на физическом уровне они, как правило, не обращают внимания (считая этот уро-
вень “внешним” по отношению к ATM) или же не знакомы с его ролью и функционированием.
Нам кажется, что применительно к собственно технологии ATM наиболее компромиссно-
верным переводом является (1), делающий акцент на слове “режим”, а не на слове
“асинхронный”, как в (2), хотя оба они широко используются в литературе по компьютерным се-
тям. Вариант (3) считаю наименее удачным и дезориентирующим. Варианты (4) - (6), видимо не
найдут поддержки у компьютерных специалистов, а именно они и будут играть определяющую
роль в развитии технологии ATM в будущем.
13.2.3. Некоторые общие предложения по выбору терминологии
Было бы логично изложить некий подход, которым автор руководствуется при выборе нового
термина или его перевода с языка оригинала, и остановиться на некоторых спорных терминах. Так
как все новые сетевые термины пришли к нам “от них”, то проблема терминологии сводится к
проблеме их заимствования или адекватного перевода. Было бы логично при этом придерживать-
ся ряда “постулатов”.
1 - При выборе варианта перевода нужно следить, чтобы “множество возможных толкований”
данного варианта не пересекалось или минимально пересекалось с аналогичным множеством у
других терминов.
2 - Вариант перевода или термин должен сохранять этимологию исходного (переводимого) тер-
мина.
3 - При выборе варианта перевода следует учитывать сложившуюся практику перевода, если она
не противоречит другим постулатам.
4 - Следует избегать описательных переводов терминов, а если этого сделать не удается - нужно
использовать “русскую кальку” в качестве нового термина, ожидая, что либо этот термин-
калька получит поддержку, либо другие предложат более удачный термин.
5 - Вариант перевода, используемый в качестве термина, должен быть кратким, позволяющим
легко образовывать производные формы или связки.
В последнее время у разных специалистов происходит сближение позиций по использова-
нию одинаковой терминологии. Например, сейчас практически не существует разногласий по
двум распространенным дилеммам:
- октет - байт. В обоих случаях это поле длиной в восемь бит, обрабатываемое как единое целое
(термин октет в значении 8-битный (а не 7-битный) байт появился на рубеже 50-60 годов в свя-
зи с развитием ИКМ). Практически все стали использовать термин байт.
- стык - интерфейс. В обоих случаях это совокупность технических и программных средств, ис-
пользуемых для сопряжения устройств или систем, или программ. Практически везде стал ис-
пользовться термин интерфейс, как более широкое понятие, используемое в связке с пояс-
няющими его определениями: логический интерфейс, физический интерфейс, программный
интерфейс (в [127], например, приведено 28 таких связок).
Глава 13
Стандарты и терминология цифровых сетей
421
Вместе с тем существует ряд терминов, в том числе и трактуемых как наиболее правиль-
ные, перевод которых и сейчас вызывает споры и в силу этого определенный выбор автора требу-
ет некоторого пояснения
13.2.4. Некоторые предложения по выбору терминологии в цифровых технологиях
Для обозначения форматов данных, используемых в различных информационных технологиях,
используются различные термины, которые во ряде случаев обозначают одно и тоже. Ниже при-
ведены некоторые предложения по их унификации, основанные на анализе используемого разно-
образия терминов: ячейка, кадр, пакет, цикл, фрейм, контейнер и сообщение. Все они фактиче-
ски используются для одного и того же - для обозначения блока данных фиксированной или пе-
ременной длины, имеющего определенную и различную (в зависимости от технологии) структуру
составляющих его полей. Наиболее логичным было бы использовать единообразную и вместе с
тем непересекающуюся терминологию, предлагаемую ниже вместе с кратким определением каж-
дого термина:
- кадр - блок данных постоянной (фиксированной) длины, представленный в одномерном виде
(ATM, FDDI, PDH);
- фрейм - блок данных постоянного (фиксированного) размера, представленный в двумерном виде
или развернутый в виде одномерного блока с сохранением структуры двумерного (PDH, SDH);
- пакет - блок данных переменной длины, представленный в одномерном виде (Arcnet, Ethernet,
FDDI, Token Ring, Frame Relay, X.25, ISDN);
- сообщение - блок данных переменной длины, состоящий из нескольких кадров или пакетов,
представленный в одномерном виде;
- контейнер - блок данных, имеющий ряд фиксированных размеров, представленный в двумер-
ном виде (SDH).
Что касается SDH, то в силу вышесказанного ее блоки данных должны называться фрей-
мами, если вы описываете их как фиксированную двумерную структуру (например, матрицу раз-
мера 9x270 - 9 строк по 270 байт), или если вы рассматриваете их как одномерный блок, сохра-
няющий структуру двумерного представления. Первое представление удобно для логических ма-
нипуляций и анализа, второе - как блок для обработки в неком физическом устройстве. В данной
книге автор использует для PDH и SDH единообразные термины фрейм и мультифрейм. Иначе
пришлось бы использовать двойственные термины кадр, мультикадр/фрейм, мультифрейм, что не
удобно, особенно когда в одном тексте приходится описывать одну структуру, представляемую то
в одномерном, то в двумерном виде.
Заключение
Планируя подготовку нового (5) издания книги «Синхронные цифровые сети SDH», автор
первоначально не предполагал включения новых технологий связи, кроме родственных SDH техно-
логий - PDH и SONET, равно как и материала по оптическим сетям передачи данных. Однако бурное
развитие оптических методов и технологий, и в первую очередь технологии WDM, изменило перво-
начальные планы. В результате на свет появилась фактически новая книга с названием «Современ-
ные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи». В число современных технологий связи по
мнению автора входят технологии: ATM, Frame Relay, IP, ISDN, PDH, SONET/SDH, WDM. В первое
издание новой книги автор не включил (по разным причинам) технологии Frame Relay, IP и ISDN,
ограничившись такими транспортными технологиями, как ATM, PDH, SONET/SDH и WDM.
Автор, как и раньше, отдавал себе отчет, что наиболее сложная вещь - популярность изложе-
ния. Его опыт чтения лекций по новым сетевым технологиям показывал, что если слушатели, к приме-
ру, будущие или бывшие компьютерные специалисты, знакомые с технологией локальных сетей, то
для них более простыми для понимания будут вопросы, касающиеся модели OSI, протоколов, управле-
ния, адресации, маршрутизации, администрирования, мониторинга рабочих характеристик, сетевого
менеджмента и технологии ATM в целом. Наиболее сложными для них могли бы оказаться материалы
глав, касающихся чисто «связных» технологий, таких как PDH и SONET/SDH. Если же слушатели -
будущие или бывшие выпускники вузов связи, то каргина, как правило, прямо противоположная. Вме-
сте с тем и той и другой категории слушателей-потенциальным читателям, видимо, будет относительно
сложно осваивать новые оптические технологии - волоконно-оптическую технику, ОВ и ВОК.
Учитывая ограничения на объем издания, автор постарался, как ему кажется, собрать то
наиболее важное, что необходимо для понимания конкретных технологий. Он постарался придать
книге законченный вид, предлагая ее вниманию читателей, и будет благодарен им за высказанные
замечания, которые можно будет учесть в последующих изданиях.
Автор рассчитывает, что читатели будут терпимы к неизбежным в такой большой работе
опечаткам (часть из них указана в Списке опечаток в конце книги), учитывая сжатые сроки верст-
ки издания, а также невозможность, в некоторых случаях, корректировать в процессе верстки ри-
сунки, подготовленные графиком издательства. Автор также рассчитывает, что читатели найдут
возможность сообщить о таких опечатках редакции или автору.
Большой объем и насыщенность материала, обилие терминов и огромное количество со-
кращений, как показывает практика, не способствует легкости чтения. Этому не способствует и
достаточно разнообразная тематика, требующая разносторонней подготовки читателя в области
физики (оптика, электричество, некоторые разделы физики твердого тела), радиосвязи, локальных
сетей и компьютерных технологий. Однако чтение ее, наверняка, окажется полезным для читате-
ля, как в плане приобретения специальных знаний, так и расширения кругозора.
Для облегчения работы над книгой, автор снабдил ее списками используемых обозначений
и сокращений, а также толковым словарем неосновных терминов. С этой же целью он привел дос-
таточно обширный список ссылок на материалы стандартов, чтение которых должно стать сле-
дующим этапом в освоении материала, изложенного в книге.
Автор благодарит сотрудников российских отделений компаний Alcatel, ECI, Lucent
Technologies и Siemens, а также российских компаний Камател, Морион и ЭЗАН за предоставлен-
ные материалы по выпускаемому оборудованию SDH; сотрудников российских представительств
компаний Corning, Fujikura, Lucent Technologies и Sumitomo за предоставленные материалы по оп-
тическому волокну; специалистов компаний и заводов Москабель-Фуджикура, Сарансккабель,
СОКК и Электропровод за предоставленные материалы по оптическим кабелям.
Автор благодарен ответственным сотрудникам Министерства РФ по связи и информатиза-
ции за поддержку издания книги и руководству издательства «Радио и связь» за поддержку автора
и максимально полное издание материалов, подготовленных для этой книги.
Автор надеется, что его работа окажется полезной как новым читателям, так и тем непред-
взятым и терпеливым читателям, которые знакомы с автором по его книге “Синхронные цифро-
вые сети SDH”.
Оглавление
Предисловие ..............................................................................3
Краткое содержание .......................................................................6
Введение .................................................................................7
Глава 1. Основы технологии передачи цифровых сигналов (технология PDH) ...................9
.1.1. Особенности канала связи .........................................................9
1.1.1. Емкость канала связи...................................................... 9
1.1.2. Стандартный телефонный канал.............................................. 10
1.2. Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ)................................................10
1.3. Методы мультиплексирования потоков данных .......................................12
1.3.1. Частотное мультиплексирование .............................................12
1.3.2. Временное мультиплексирование .............................................13
1.3.3. Временное мультиплексирование двоичных потоков данных ..................... 15
1.3.4. Волновое мультиплексирование ............................................. 16
1.4. Кодирование цифровых данных в ИКМ системах ......................................17
1.4.1. Практические методы формирования цифровой последовательности ..............17
1.4.2. Методы двоичного кодирования и ошибки квантования.......................... 18
1.4.3. Параметры стандартных ИКМ систем ...........................................19
1.4.4. Система СЕРТ. Форматы фрейма и мультифрейма ...............................20
1.4.5. Практические методы линейного кодирования потока данных в канале ..........21
1.5. Цифровые иерархии и технология PDH ..............................................24
1.5.1. Схемы плезиохронных цифровых иерархий - PDH................................24
1.5.2. Общие особенности систем PDH...............................................26
1.5.3. Структура фрейма и мультифрейма первичного уровня иерархии PDH ............28
1.5.4. Структура фреймов верхних уровней ЕС иерархии PDH..........................31
1.5.4.1. Структура фреймов второго уровня ЕС иерархии PDH...................32
1.5.4.2. Структура фреймов третьего и четвертого уровней ЕС иерархии PDH....33
1.5.5. Функциональные модули и топология систем PDH ..............................35
1.5.5.1. Характеристики промышленных систем PDH ............................36
1.5.6. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии ................................37
1.5.7. Необходимость и цели разработки синхронных иерархий .......................40
Глава 2. Синхронные цифровые сети на основе технологии SDH ..............................42
Введение .............................................................................. 42
2.1. Принципы построения синхронной цифровой иерархии ................................43
2.1.1. Особенности построения синхронной цифровой иерархии .......................43
2.1.2. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH (первая редакция) ......45
2.1.3. Виртуальные контейнеры и другие элементы синхронной иерархии ..............46
2.1.4. Обобщенная схема мультиплексирования потоков в SDH (третья редакция) ......49
2.1.5. Детальный пример схемы формирования модуля STM-1 ..........................51
2.1.6. Другие варианты сборки модуля STM-1 по схеме ETSI .........................55
2.1.7. Сборка модулей STM-N ......................................................58
2.1.8. Структура фреймов STM-N ...................................................60
2.1.8.1. Административные блоки в STM-N ....................................60
2.1.8.2. Мультиплексирование административных блоков .......................61
2.1.8.3. Мультиплексирование трибных блоков ................................63
2.1.8.4. Схема нумерации AU-n/TU-n в кадре STM-1 ...........................64
2.1.8.5. Указатели AU-n ....................................................65
2.1.9. Структура заголовков фреймов STM-N ...................................... 67
2.1.9.1. Структура заголовка SOH для STM-1 .................................67
2.1.9.2. Структура заголовка SOH для STM-N..................................69
2.1.9.3. Структура маршрутных заголовков РОН ...............................70
2.1.10. Транспортировка виртуальных контейнеров SDH по сетям PDH .................71
2.1.10.1. Транспортировка VC-12 с помощью фрейма ЕЗ ........................71
2.1.10.2. Транспортировка VC-n с помощью фрейма Е4 .........................72
2.2. Введение в функциональную архитектуру транспортных сетей ........................74
2.2.1. Принципы построения сетевой транспортной модели ...........................74
Оглавление
461
2.2.2. Сетевая транспортная модель систем SDH .......................................75
2.2.3. Базовые понятия и элементы функциональной архитектуры ........................77
2.2.4. Логические функции, выполняемые функциональными элементами ...................79
2.2.4.1. Функция физического интерфейса SDH....................................80
2.2.4.2. Функция окончания регенераторной секции...............................80
2.2.4.3. Функция окончания мультиплексной секции...............................81
2.2.4.4. Функция окончания транспорта виртуальных контейнеров..................82
2.2.4.5. Номенклатура обобщенных логических функций и модельных понятий........83
2.2.5. Возможность мониторинга в рамках транспортной модели..........................84
2.3. Функциональные модули реальных сетей SDH............................................86
2.3.1. Типы и задачи функциональных модулей сетей SDH ...............................86
2.3.2. Мультиплексоры................................................................87
2.3.2.1. Терминальный мультиплексор............................................87
2.3.2.2. Мультиплексор ввода/вывода ...........................................89
2.3.3. Концентраторы ................................................................90
2.3.4. Регенераторы и усилители .....................................................90
2.3.5. Коммутаторы ................................................................ 92
2.3.5.1. Типы коммутаторов SDH.................................................92
2.3.5.2. Функции, выполняемые коммутатором.....................................93
2.3.5.3. Методы кросс-коммутации и взаимодействие сетей SDH....................94
2.4. Базовые топологии реальных сетей SDH................................................96
2.4.1. Топология “точка-точка”.......................................................97
2.4.2. Топология “последовательная линейная цепь”....................................97
2.4.3. Топология “звезда”, реализующая функцию концентратора ........................98
2.4.4. Топология “кольцо”............................................................98
2.4.5. Топология “ячеистая сеть” ....................................................99
2.5. Архитектура реальных сетей SDH ................................................... 100
2.5.1. Радиально-кольцевая архитектура .............................................100
2.5.2. Архитектура типа “кольцо-кольцо”.............................................100
2.5.3. Линейная архитектура для сети большой протяженности .........................102
2.5.4. Архитектура разветвленной сети общего вида ..................................104
2.5.5. Сравнительный анализ эффективности архитектурных решений.................... 109
2.6. Методы защиты синхронных потоков и оборудования SDH................................. 111
2.6.1. Общие методы защиты и восстановления работоспособности сети................... 111
2.6.2. Функционально-логические методы защиты синхронных потоков....................113
2.6.2.1. Основные термины и определения в технологии защиты потоков............ 113
2.6.2.2. Схема защиты с разделением ресурсов каналов типа MS SPRing...........114
2.6.2.3. Схема защиты с разделением ресурсов колец типа MS DPRing............ 116
2.6.2.4. Схема защиты соединений подсети типа SNCP........................... 117
2.6.2.5. Схема защиты MS SPRing с разделением ресурсов каналов для 4-волоконного
кольца........................................................................118
2.6.3. Взаимодействие элементов архитектуры сетей SDH при наличии защиты............. 119
2.6.3.1. Основные термины и определения при взаимодействии колец..............120
2.6.3.2. Основы взаимодействия колец при использовании схем защиты ...........120
2.6.3.3. Взаимодействие колец, использующих схему защиты MS SPRing............121
2.6.4. Общие итоги и возможности использования схем защиты .........................123
2.7. Аппаратурная реализация функциональных модулей сетей SDH.......................... 125
2.7.1. Схемная реализация и характеристики синхронных мультиплексоров ..............125
2.7.1.1. Реализация мультиплексоров уровня STM-1 компании Nortel..............125
2.7.1.2. Реализация мультиплексоров уровня STM-4 компании Marconi.............127
2.7.1.З. Реализация мультиплексоров уровня STM-4/16 компании Alcatel......... 129
2.7.1.4. Реализация мультиплексоров уровня STM-64 компании Nortel ........... 132
2.7.1.5. Реализация кросс-коммутаторов типа 1641 SX компании Alcatel..........134
2.7.2. Обзор аппаратной реализации промышленного оборудования сетей SDH.............135
2.7.2.1. Технические характеристики оборудования............................. 137
2.7.2.2. Новые технологические решения........................................140
2.7.2.3. Номенклатура аппаратуры SDH/WDM компаний-производителей..............141
Заключение ............................................................................ 150
462
Оглавление
Глава 3. Основы синхронной технологии SONET................................................151
Введение............................................................................... 151
3.1. Синхронная цифровая иерархия - SONET...............................................151
3.1.1. Уровни иерархии SONET........................................................152
3.1.2. Стандарты SONET............................................................. 153
3.2. Схема мультиплексирования и формирование фрейма SONET..............................153
3.2.1. Методы формирования полезной нагрузки фреймов SONET..........................155
3.2.1.1. Схемы формирования виртуальных трибов............................... 156
3.2.1.2. Методы формирования SPE..............................................157
3.2.1.3. Структура управляющих заголовков SONET.............................158
3.3. Функциональные элементы и структуры систем SONET...................................160
3.3.1. Интерфейсы, или сервисные адаптеры SONET.....................................161
3.3.2. Стандартная конфигурация SONET...............................................161
3.3.3. Многоуровневая модель взаимодействия SONET...................................162
3.4. Функциональные модули и аппаратура сети SONET..................................... 163
3.4.1. Типы функциональных модулей..................................................163
3.4.2. Аппаратное обеспечение сетей SONET.......................................... 163
Заключение............................................................................. 165
Глава 4. Радиорелейные и спутниковые системы SONET/SDH.....................................166
4.1. Структурные схемы радиорелейных и спутниковых систем SDH.......................... 166
4.2. Особенности радиорелейных линейных систем SDH .................................... 167
4.2.1. Структура фрейма STM-RR и методы его мультиплексирования.................... 167
4.2.2. Архитектурные принципы, применяемые в SDH РРЛ............................... 169
4.3. Особенности спутниковых систем SDH ................................................170
4.3.1. Схема мультиплексирования, структура мультифрейма и.состав модулей SSTM-xx . 171
4.3.1.1. Структура фреймов спутниковых модулей SSTM-xx......................171
4.3.1.2. Структура мультифрейма SSTM и управление трафиком..................172
4.3.1.3. Состав модулей SSTM-xx.............................................. 173
4.3.2. Схема демультиплексирования/ремультиплексирования модулей SSTM-xx........... 173
4.3.3. Архитектурные принципы, применяемые в спутниковых SDH сегментах............. 174
4.3.4. Структура сети и сценарии модельного взаимодействия..........................174
4.4. Возможности аппаратурной реализации радиорелейных и спутниковых систем SDH.........175
Глава 5. Синхронизация цифровых сетей .....................................................176
5.1. Основные понятия.................................................................176
5.2. Стандарты и нормы синхронизации цифровых сетей связи...............................176
5.2.1. Стандартный подход к решению задачи синхронизации............................177
5.2.2. Стандартные режимы работы хронирующего источника.............................177
5.3. Общее решение задачи синхронизации...............................................178
5.4. Характеристики хронирующих источников............................................179
5.5. Оборудование, используемое для синхронизации сети................................. 180
5.5.1. Автономные сетевые таймеры...................................................181
5.5.2. Системы точного времени ГЛОНАСС и GPS....................................... 182
5.5.2.1. Система ГЛОНАСС.................................................... 182
5.5.2.2. Система GPS..........................................................182
5.5.2.3. Параметры систем ГЛОНАС и GPS....................................... 183
5.5.2.4. Определение текущего времени пользователя в системе ГЛОНАС.......... 184
5.6. Синхронизация цифровых сетей SDH...................................................185
5.6.1. Особенности синхронизации сетей SDH..........................................185
5.6.1.1. Источники синхронизации сетей SDH....................................185
5.6.1.2. Качество хронирующего источника .....................................186
5.6.2. Примеры построения сети синхронизации....................................... 187
5.6.2.1. Пример синхронизации кольцевой сети SDH............................. 187
5.6.2.2. Пример синхронизации ячеистой сети SDH...............................189
Глава 6. Управление сетью: функционирование, администрирование и обслуживание............191
6.1. Четырехуровневая модель управления сетью.......................................... 191
6.2. Сеть управления телекоммуникациями TMN ........................................... 193
6.2.1. Концепция TMN и общая схема управления...................................... 193
6.2.2. Архитектура TMN............................................................. 194
Оглавление
463
6.2.2.1. Функциональные блоки и их компоненты ................................194
6.2.2.2. Информационный аспект архитектуры....................................197
6.2.2.3. Общий аспект архитектуры TMN....................................... 199
6.2.2.4. Логическая многоуровневая архитектура TMN............................200
6.2.2.5. Примеры реализации DCN в сетях SDH...................................201
6.3. Общая схема управления сетью SDH...................................................202
6.3.1 Подсеть SMS сети управления SMN...............................................203
6.3.2. Функции управления...........................................................203
6.3.2.1. Общие функции управления ............................................203
6.3.2.2. Управление сообщениями об аварийных ситуациях........................204
6.3.2.3. Управление рабочими характеристиками ................................205
6.3.2.4. Управление конфигурацией.............................................206
6.3.3. Протоколы и внутрисистемные взаимодействия ..................................206
6.3.3.1. Обзор используемых протоколов...................................... 207
6.3.3.2. Внутрисистемные взаимодействия.......................................208
6.3.4. Интерфейсы взаимодействия ...................................................208
6.3.4.1. Q-интерфейс..........................................................208
6.3.4.2. F-интерфейс..........................................................210
6.4. Методы управления сетью SDH........................................................211
6.4.1. Элемент-менеджер ...........................................................211
6.4.1.1. Управление синхронизацией............................................212
6.4.1.2. Конфигурирование кросс-соединений....................................213
6.4.1.3. Мониторинг аварийных сообщений и рабочих характеристик...............213
6.4.2. Сетевой менеджер.............................................................214
6.4.2.1. Обработка аварийных сообщений........................................216
6.4.2.2. Управление рабочими характеристиками.................................216
6.4.2.3. Управление конфигурацией.............................................216
6.4.2.4. Управление маршрутизацией потоков данных в сети......................217
6.4.2.5. Управление программой обслуживания сети и тестирования ее элементов..217
6.4.2.6. Управление безопасностью системы ....................................217
6.4.2.7. Административное управление..........................................218
6.4.3. Сеть управления на основе каналов DCC........................................218
6.4.3.1. Спецификация интерфейсов управления..................................219
6.4.3.2. Адресация точки доступа сетевого сервиса NSAP........................219
6.4.3.3. Использование сети Ethernet для управления..........................220
6.4.3.4. Служебные каналы и внешние интерфейсы................................220
6.5. Физический интерфейс G.703.........................................................222
6.5.1. Физические и электрические характеристики интерфейса G.703...................223
6.5.1.1. Основные характеристики интерфейса...................................223
6.5.1.2. Тип организации взаимодействия аппаратуры интерфейса................223
6.5.1.3. Особенности других характеристик интерфейса..........................224
6.5.1.4. Интерфейс сигнала синхронизации 2048 кГц.............................226
6.5.2. Реализация интерфейса G.703 .................................................226
6.5.3. Подключение сети с интерфейсом G.703 к аппаратуре пользователя...............227
Глава 7. Основные элементы расчета сетей SDH...............................................229
7.1. Этапы проектирования и Техническое задание на проектирование сети..................229
7.1.1. ТЗ на проектирование сети SDH................................................230
7.1.2. Выбор топологии.............................................................230
7.2. Выбор оборудования и схемы функциональной связи узлов...;..........................232
7.2.1 Выбор требуемого оборудования ...............................................232
7.2.2. Номенклатура сменных блоков SDH компании Nokia...............................232
7.2.3. Конфигурация мультиплексорных узлов и составление спецификации оборудования .233
7.3. Формирование сети управления и синхронизации.......................................235
7.3.1. Определение адресов NSAP для узлов сети .....................................236
7.3.2. Формирование сети синхронизации .............................................236
7.3.3. Соединение и конфигурирование узлов и маршрутизация потоков..................237
7.4. Заключение и некоторые дополнения..................................................238
7.4.1. Вместо заключения ...........................................................238
464
Оглавление
7.4.2. Об использовании разветвителей для расширения возможностей сетей SDH........239
Глава 8. Введение в технологию ATM........................................................240
8.1. Основные сведения ............................................................... 240
8.1.1. Исходные предпосылки создания ATM...........................................240
8.1.2. Назначение систем ATM.......................................................240
8.1.3. Претензии на универсальность .............................................. 240
8.1.4. Скорости передачи ..........................................................241
8.1.5. Размер пакета...............................................................241
8.1.6. Стандартизация ATM..........................................................242
8.1.7. Организация сети ATM .......................................................242
8.1.7.1. Схема структурной организации сети..................................242
8.1.7.2. Топологическая модель канала ATM....................................243
8.1.7.3. Топология сетей ATM.................................................243
8.1.8. Трафик ATM и адресация сообщений ......................................... 244
8.1.8.1. Виртуальная адресация...............................................244
8.1.8.2. Мультиплексирование и коммутация....................................245
8.1.8.3. Типы используемых соединений........................................245
8.2. Модель В-ISDN и уровни ATM........................................................246
8.2.1. Эталонная модель В-ISDN.................................................... 246
8.2.2. Уровни модели ATM и классы трафика..........................................246
8.2.3. Функции и связь уровней В-ISDN, ATM и OSI.................................. 247
8.3. Взаимодействие уровней AAL, ATM и сети ATM.........................;..............248
8.3.1. Взаимодействие уровней при передаче/приеме..................................248
8.3.2. Стек протоколов и прохождение ячеек через сеть..............................249
8.4. Ячейки ATM .......................................................................250
8.4.1. Структура ячеек ATM.........................................................250
8.4.2. Особенности операций с ячейками............................................ 251
8.5. Уровень адаптации ATM.............................................................252
8.5.1. Уровень адаптации AAL-1.....................................................252
8.5.1.1. Блок PDU для AAL-1 .................................................253
8.5.2. Уровень адаптации AAL-2.....................................................254
8.5.2.1. Блок PDU для AAL-2..................................................255
8.5.3. PDU для AAL-3/4.............................................................256
8.5.4. PDU для AAL-5...............................................................257
8.5.5. Дополнительные классы трафика...............................................257
8.6. Коммутация потоков ячеек ATM .................................................... 257
8.6.1. Коммутация и маршрутизация на основе заголовка ячейки.......................258
8.6.2. Временные и пространственные коммутаторы....................................258
8.6.2.1. Временные коммутаторы.............................................. 258
8.6.2.2. Пространственные коммутаторы........................................259
8.6.3. Прокладка маршрутов в сети ATM..............................................260
8.7. Использование сети ATM в качестве магистральной...................................261
8.7.1. Управление вызовом и соединением............................................261
8.7.1.1. Соединение по требованию............................................262
8.7.1.2. Адресация в сетях ATM...............................................262
8.7.1.3. Процедура установления и разрыва соединения ........................265
8.7.2. Метод туннельной проводки...................................................267
8.8. Взаимодействие сети ATM и ЛВС.....................................................268
8.8.1. LAN-эмуляция ............................................................. 268
8.8.1.1. Идея и версии LAN-эмуляции..........................................268
8.8.1.2. Описание сервиса LAN-эмуляции.......................................269
8.8.1.3. Уровневая архитектура LAN-эмуляции..................................270
8.8.1.4. Компоненты LAN-эмуляции и их функции................................271
8.8.1.5. Соединения, осуществляемые при LAN-эмуляции.........................271
8.8.1.6. Этапы и сервисные функции LAN-эмуляции..............................273
8.8.2. Технология МРОА.............................................................274
8.8.2.1. Компоненты МРОА.................................................... 274
8.8.2.2. Потоки информации и управления в схеме организации МРОА............ 275
Оглавление
465
8.8.2.3. Операции, осуществляемые в системе МРОА...............................276
8.8.2.4. Пример оптимального (короткого) соединения в системе МРОА.............276
8.9. Отображение потоков ячеек ATM на физический уровень.................................277
8.9.1. Упаковка ячеек ATM в полезную нагрузку виртуальных контейнеров SDH............277
8.9.1.1. Общие правила упаковки ячеек..........................................277
8.9.1.2. Отображение ячеек ATM на виртуальные контейнеры.......................278
8.9.2. Упаковка ячеек ATM в оболочку полезной нагрузки SONET.........................279
8.9.3. Упаковка ячеек ATM в фреймы PDH...............................................280
8.9.3.1. Упаковка ячеек в фреймы Е1........;.................................. 280
8.9.3.2. Упаковка ячеек в фреймы ЕЗ.......................................... 280
8.9.3.3. Упаковка ячеек в фреймы Е4............................................280
8.9.4. Упаковка ячеек ATM в кадры системы DS3........................................281
8.10. Управление трафиком и качество обслуживания в сетях ATM............................281
8.11. Заключение....................................................................... 282
Глава 9. Введение в оптические синхронные цифровые сети.....................................283
9.1. Оптическое волокно как среда передачи ..............................................284
9.1.1. Основные понятия, важные при использовании оптического волокна ...............284
9.1.1.1. Физические понятия ...................................................284
9.1.1.2. Другие важные особенности......................’......................285
9.1.2. Свойства волокна, основанные на законах геометрической оптики.................285
9.1.2.1. Полное внутреннее отражение...........................................286
9.1.2.2. Числовая апертура ....................................................286
9.1.3. Свойства волокна, основанные на законах электромагнитного поля................287
9.1.3.1. Моды колебаний........................................................287
9.1.3.2. Частота отсечки и нормированная частота моды..........................288
9.1.3.3. Диаметр поля моды.....................................................289
9.1.3.4. Число мод многомодового волокна.......................................290
9.1.4. Профиль изменения показателя преломления......................................290
9.1.5. Основные характеристики оптических потерь волокна............................ 291
9.1.5.1. Общая функция потерь..................................................291
9.1.5.2. Релеевское рассеяние..................................................292
9.1.5.3. Поглощение примесей...................................................293
9.1.5.4. Потери на изгибах и макронеоднородностях..............................293
9.1.6. Основные характеристики искажений оптического сигнала.........................293
9.1.6.1. Дисперсия.............................................................294
9.1.6.2. Методы компенсации дисперсии..........................................296
9.1.7. Нелинейные эффекты в волоконных световодах....................................297
9.1.7.1. Нелинейное преломление, ФСМ и ФКМ.....................................297
9.1.7.2. Вынужденное неупругое рассеяние.......................................298
9.1.7.3. Модуляционная неустойчивость..........................................299
9.1.7.4. Четырехволновое смешение .............................................299
9.1.8. Оптические солитоны ..........................................................301
9.1.8.1. Физика солитонов......................................................302
9.1.8.2. Методы формирования солитонов.........................................304
9.1.8.3. Основные эффекты и ограничения, связанные с солитонами................304
Глава 10. Функциональные элементы оптических сетей .........................................307
10.1. Оптические усилители...............................................................307
10.1.1. Основные особенности оптических усилителей...................................308
10.1.1.1. Принцип действия оптического усилителя ..............................308
10.1.1.2. Коэффициент усиления среды и усилителя............................. 309
10.1.1.3. Мощность насыщения Рн...............................................3.10
10.1.1.4. Источники шума и динамический диапазон...............................311
10.1.2. Полупроводниковые оптические усилители ......................................312
10.1.2.1. Принцип действия ППОУ................................................312
10.1.2.2. Типы полупроводниковых ОУ............................................312
10.1.2.3. Характеристики ППОУ..................................................313
10.1.2.4. Применение ППОУ......................................................315
10.1.3. Оптические усилители, использующие нелинейные явления в ОВ ..................315
30-48
466
Оглавление
10.1.3.1. Волоконные ВКР-усилители ..............................................315
10.1.3.2. Волоконные ВРМБ-усилители .............................................316
10.1.3.3. Параметрические усилители..............................................316
10.1.4. Оптические усилители на ОВ, легированном РЗЭ...................................316
10.1.4.1. Особенности работы ОУ..................................................316
10.1.4.2. Усилители для окна 1300 нм.............................................317
10.1.4.3. Усилители для окна 1550 нм.............................................317
10.1.5. Практическая реализация оптических усилителей .................................319
10.1.5.1. Реализация усилителей EDFA.............................................320
10.1.6. Схемы и параметры промышленных оптических усилителей...........................321
10.1.7. Разработка сверхширокополосных оптических усилителей...........................323
10.2. Оптическая коммутация и коммутаторы..................................................325
10.2.1. Типы базовых оптических кросс-коммутаторов.....................................325
10.2.1.1. Механические оптические коммутаторы....................................326
10.2.1.2. Электрооптические коммутаторы..........................................326
10.2.1.3. Термооптические коммутаторы............................................327
10.2.1.4. Оптоэлектронные коммутаторы на основе ППОУ.............................328
10.2.1.5. Интегральные активно-волноводные коммутаторы...........................328
10.2.1.6. Коммутаторы на фотонных кристаллах.....................................330
10.2.1.7. Коммутаторы на многослойных световодных жидкокристаллических матрицах .331
10.2.1.8. Коммутаторы на матрицах оптоэлектронных вентилей, коммутируемых
лазерным лучем................................................................332
10.2.2. Логика и топология многокаскадных оптических коммутаторов......................333
10.2.2.1. Логика коммутации базовых элементов размера 2x2........................334
10.2.2.2. Древовидные сети типа Баньян...........................................335
10.2.3. Особенности построения многокаскадных оптических коммутаторов..................337
10.2.3.1. Схема матричного кросс-коммутатора (crossbar)..........................338
10.2.3.2. Схема КСС Бенеша.......................................................339
10.2.3.3. Схема КСС Шпанке-Бенеша................................................339
10.2.3.4. Схема КСС Шпанке.......................................................340
10.3. Оптические волновые конверторы ......................................................341
10.3.1. Типы волновых конверторов......................................................341
10.3.1.1. Оптоэлектронные конверторы.............................................341
10.3.1.2. Конверторы на основе оптической перекрестной модуляции.................342
10.3.1.3. Конверторы на основе эффекта четырехволнового смешения.................343
10.3.1.4. Конверторы на основе других нелинейных эффектов...................... 344
10.4. Оптические модуляторы................................................................345
10.4.1. Форматы линейых кодов .........................................................345
10.4.2. Методы модуляции оптической несущей ...........................................346
10.4.2.1. Непосредственная модуляция оптической несущей..........................346
10.4.2.2. Модуляция с использовавнием внешнего модулятора .......................346
10.4.3. Типы оптических модуляторов.................................................. 347
10.4.3.1. Акустооптические модуляторы............................................347
10.4.3.2. Электрооптические модуляторы...........................................348
10.4.3.3. Электрооптические модуляторы, использующие ППОУ........................350
10.5. Оптические мультиплексоры ввода-вывода...............................................351
10.5.1. Структура оптических мультиплексоров первого поколения.........................351
10.5.2. Структура оптических мультиплексоров второго поколения.........................352
10.5.3. Оптические технологии ввода-вывода несущих.....................................353
10.5.3.1. Основные требования, предъявляемые к фильтрам ввода-вывода.............353
10.5.3.2. Фильтры на основе оптоволоконных дифракционных решеток Брэгга..........354
10.5.3.3. Фильтры на основе резонатора Фабри-Перо................................355
10.5.3.4. Интерференционные фильтры на тонких пленках............................356
10.5.3.5. Поляризационные фильтры на жидких кристаллах...........................357
10.5.3.6. Акусто-оптические перестраиваемые фильтры..............................358
Глава 11. Новые технологии оптических сетей связи ............................................359
11.1. Основы технологии WDM................................................................359
11.1.1. Введение в технологию WDM......................................................359
Оглавление 467
11.1.2. Модель взаимодействия транспортных технологий.............................360
11.1.3. Блок-схема систем с WDM...................................................361
11.1.3.1. Узкополосные и широкополосные WDM.................................362
11.1.4. Канальный (частотный) план ...............................................362
11.1.4.1. Стандартный канальный план........................................362
11.1.4.2. Перспективный канальный план.................................... 364
11.1.5. Классификация WDM на основе канального плана..............................365
11.1.6. Технологии и схемы реализации мультиплексных модулей WDM .................365
11.1.6.1. Технология мультиплексирования на основе интерференционных фильтров.366
11.1.6.2. Технология мультиплексирования на основе явления угловой дисперсии..366
11.1.6.3. Современные технологии мультиплексирования........................367
11.1.7. Характеристики промышленных мультиплексоров WDM ..........................370
11.1.8. Практический пример 8-канального мультиплексора WDM.......................375
11.2. Основы солитонных линий связи...................................................377
11.2.1. Экспериментальные солитонные линии связи..................................378
11.2.2. Использование солитонных генераторов на существующих линиях SDH...........380
11.2.3. Перспективы использования солитонных линий связи..........................381
11.2.3.1. Перспективы повышения скорости передачи...........................381
11.2.3.2. Перспективы увеличения длины регенерационного участка ............382
11.3. Перспективы использования полностью оптических сетей связи......................382
Глава 12. Характеристики промышленных оптических волокон и кабелей ......................383
12.1. Классификация типов промышленных оптических волокон ............................384
12.1.1. Классификация многомодовых волокон........................................384
12.1.2. Классификация одномодовых волокон ...................................... 384
12.1.3. Классификация волокон по профилю показателя преломления...................385
12.1.4. Классификация волокон по характеристике дисперсии.........................385
12.1.5. Классификация специальных типов волокон...................................385
12.2. Характеристики промышленных оптических волокон..................................385
12.2.1. Основные параметры многомодовых волокон...................................386
12.2.2. Основные параметры одномодовых волокон....................................387
12.2.3. Рекомендации по применению волокон в системах связи PDH, SDH и WDM........391
12.2.4. Применение волокна для компенсации дисперсии..............................392
12.2.5. Оптическое волокно, сохраняющего состояние поляризации....................394
12.3. Типы и характеристики промышленных оптических кабелей...........................394
12.3.1. Классификация типов оптических кабелей....................................395
12.3.1.1. Кабели внутренней прокладки.......................................395
12.3.1.2. Кабели наружной прокладки.........................................395
12.3.1.3. Специальные кабели................................................396
12.3.2. Типовые конструкции оптических кабелей....................................396
12.3.3. Основные параметры промышленных оптических кабелей........................397
12.3.4. Оптические кабели воздушной подвески......................................400
12.3.4.1. Типы кабелей, свзанных с грозотросом .............................400
12.4. Маркировка оптических кабелей.................................................. 401
12.4.1. Маркировка промышленных оптических кабелей................................401
12.4.1.1. Маркировка кабелей ЗАО “Севкабель-оптик”..........................402
12.4.1.2. Маркировка кабелей ЗАО “СОКК”.....................................404
12.4.1.3. Маркировка кабелей ЗАО НФ "Электропровод".........................404
12.4.1.4. Маркировка кабелей по германскому национальному стандарту DIN.....405
12.4.1.5. Маркировка кабелей компании Fujikura..............................407
12.4.2. Предложения по унификации кодировки и маркировки оптических кабелей.......407
12.4.2.1. Предложение по кодировке кабелей для баз данных...................407
12.4.2.2. Предложения по маркировке промышленных кабелей....................408
12.4.2.3. Унифицированная маркировка кабеля.................................409
Оптимизация числа параметров маркировки..............................411
Глава 13. Стандарты и терминология цифровых сетей .......................................412
13.1. Обзор стандартов цифровых сетей.................................................412
13.1.1. Организации по стандартизации.............................................412
13.1.2. Краткий обзор стандартов SDH и PDH........................................413
30*
468
Оглавление
13.1.3. Краткий обзор стандартов волоконно-оптических сетей....................415
13.1.5.1. Стандарты на оптическое волокно и ВОК .........................415
13.1.5.2. Стандарты на оптические функциональные компоненты и системы....415
13.1.5.3. Стандарты на оптические транспортные сети и ВОЛС...............416
13.2. Терминология цифровых сетей .................................................416
13.2.1. Истоки появления новой терминологии....................................416
13.2.2. Об истоках разногласий в терминологии................................ 417
13.2.2.1. Замечание о терминах, используемых в технологиях PDH и SDH.....417
13.2.2.2. Замечание об использовании и переводе термина ATM..............419
13.2.3. Некоторые общие предложения по выбору терминологии.....................420
13.2.4. Некоторые предложения по выбору терминологии в цифровых технологиях....421
Заключение............................................................................422
Список используемых обозначений ......................................................423
Латинских..........................................................................423
Греческих..........................................................................424
Список используемых сокращений .......................................................425
Англоязычные сокращения............................................................425
Русскоязычные сокращения...........................................................441
Толковый словарь неосновных терминов .................................................445
Список литературы.................................................................... 449
Список замеченных опечаток
стр. Напечатано (позиция) Должно быть
10 фильтровываться (19 строка снизу) фильтроваться
84 2.2.4. (заголовок) 2.2.5.
89 2.3.3.2. (заголовок) 2.3.2.2.
90 2.3.4. (заголовок) 2.3.3.
90 2.3.5. (заголовок) 2.3.4.
92 2.3.6. (заголовок) 2.3.5.
92 2.3.6.1. (заголовок) 2.З.5.1.
93 2.3.6.2. (заголовок) 2.3.5.2.
94 2.3.6.3. (заголовок) 2.3.5.3.
188 (рис. 5-1,6) (линия 2 через узел D д.б. PRC и сплошной, а линия 1 - наоборот, штриховой)
189 (рис. 5-2,а) (цифры 2 всюду соответствуют резервным связям)
239 (рис. 7-7,а,б) (направление стрелок у блоков RX 1,2,3,4 д.б. противоположно нарисованному)
277 8.9. Отображение ATM потоков ячеек 8.9. Отображение потоков ячеек ATM
281 8.9.4. Упаковка... система DS3 8.9.4. Упаковка ... системы DS3
382 [260, 299]. А ... (2 строка снизу) [260, 299], а...
Производственное издание
Слепов Николай Николаевич
Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи
Редактор М. М. Лисина
Технический редактор Т.Н. Зыкина
Обложка художника В. Г. Ситникова
ИБ № 2941
ЛР 010164 от 29.01.97
Оригинал-макет подготовлен автором
Подписано в печать с оригинал-макета 10.11.2000
Формат 60x84/8 Бумага офсетная № 1 Гарнитуры: Times New Roman, Arial, Arial Narrow
Печать офсетная Усл. печ. л. 54,4 Уч.-изд. л. 45,3 Тираж 2500 экз.
Изд. № 24 230 Заказ № 48
Издательство "Радио и связь", 103473 Москва, 2-й Щемиловский пер., д. 4/5
Типография издательства "Радио и связь", 103473 Москва, 2-й Щемиловский пер., д. 4/5