Системы передачи информационных сигналов

В настоящее время возникновение и развитие средств высокоскоростной (сотни - тысячи мегабит в секунду) и сверхвысокоскоростной (сотни - тысячи гигабит в секунду) обработки и передачи различных информационных сигналов (мультимедиа, видеоконференцсвязь, многоканальное цветное телевидение и др.) осуществляется на базе новых технологических решений. В основу этих решений положено слияние трех основных новейших технологий:

микроэлектроники и интегральной оптики, позволяющих на одном кристалле объединить оптические и электронные схемы для обработки сигналов;

временного TDM (Time Division Multiplexing) и волнового WDM (Wavelength Division Multiplexing) мультиплексирования цифровых оптических сигналов с использованием микропроцессоров;

передачи сформированных сигналов на большие расстояния (сотни - тысячи километров) по одномодовым оптическим волокнам с установкой в линейном тракте эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Проблема освоения и использования чрезвычайно широкой (тысячи - десятки тысяч гигагерц) полосы частот одномодовых оптических волокон в интересах многоканальной дальней (транспортная сеть) и местной (сеть доступа) связи приобрела практическое значение [23, 61, 65, 67, 68, 101, 107, 109].

В начале 80-х гг. началось широкомасштабное использование волоконно-оптических цифровых систем передачи (ЦСП) для высокоскоростной передачи цифровых сигналов. Однако уже через несколько лет стало ясно, что эти плезиохронные ЦСП, самые высокоскоростные мультиплексоры которых формируют на выходе цифровые потоки со скоростями передачи 274,176 и 564,992 Мбит/с (американская и европейская иерархии PDH соответственно), не могут справиться со стремительно растущими во всем мире объемами передаваемой информации.

Цифровой поток, имеющий скорость передачи 564,992 Мбит/с, позволяет образовать в нем всего лишь 7680 основных цифровых каналов (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с каждый. Но на современных телекоммуникационных сетях уже нужно иметь не тысячи, а десятки и сотни тысяч, а на некоторых информационных направлениях - миллионы ОЦК! Кроме того, использование на волоконно-оптических кабелях плезиохронных ЦСП крайне неэффективно, потому что задействуется только очень малая часть огромной полосы пропускания оптических волокон пока еще дорогого в производстве, но уже проложенного кабеля.

Поэтому уже в конце 80-х гг. были разработаны и приняты основные рекомендации ITU-T по созданию и использованию на волоконно-оптических сетях систем передачи SDH, для первого уровня иерархии которых установлена скорость передачи 155,52 Мбит/с. Скорости передачи более высоких уровней иерархии получаются умножением данной скорости на целое число, равное уровню иерархии: 4, 16, 64 или 256. Например, мультиплексор системы передачи SDH 64-го уровня образует на выходе цифровой поток со скоростью передачи 64 х 155,52 Мбит/с = 9953,28 Мбит/с, т. е. около 10 Гбит/с.

В 90-х гг. ведущие мировые компании вели интенсивные исследования и разработки в области волоконно-оптических технологий. Полученные результаты позволили наладить серийное производство систем передачи SDH высоких уровней и использовать их для построения различных транспортных сетей связи.

На Международной выставке «Системы и средства связи - «Связь - Экспокомм'2000», проходившей в Москве в мае 2000 г., компания Siemens демонстрировала систему передачи SDH 64-го уровня (скорость передачи 10 Гбит/с) типа TransXpress SL-64, а также мультиплексор типа SMA-256 для системы передачи SDH 256-го уровня (скорость передачи 40 Гбит/с).

Но этого было уже недостаточно. Одновременно с внедрением на волоконно-оптических сетях систем передачи SDH велись активные поиски путей дальнейшего повышения пропускной способности одномодовых оптических волокон (ООВ). К наиболее удачным разработкам в этой области следует отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволившую сделать прорыв в решении проблемы увеличения пропускной способности существующих волоконно-оптических магистралей. Пионерами здесь являются компании Alcatel и Lucent. В феврале 1998 г. компания Lucent представила на мировом рынке оптическую линейную систему типа WaveStar OLS 400G, основанную на технологии DWDM. Эта система в диапазоне длин волн 1528,77... 1560,61 нм (спектр частот 196,1...192,1 ТГц - полоса частот Дf = 4000 ГГц = 4 ТГц) одного ООВ образует 40 оптических трактов (с разносом между соседними трактами 100 ГГц), каждый из которых имеет пропускную способность 10 Гбит/с. Таким образом, система передачи WaveStar OLS 400G обеспечивает пропускную способность одного ООВ 10 Гбит/с х 40 = 400 Гбит/с [105].

Сегодня в индустрии телекоммуникаций технология DWDM стремительно развивается. Вот еще только один пример. В марте 2001 г. компания Alcatel устанавливает очередной мировой рекорд скорости передачи цифровых сигналов по одному ООВ типа 6911 TeraLight Metro. В каждом из образованных в этом волокне 256 оптических трактов передавался цифровой поток уровня STM-256. Суммарный поток со скоростью передачи 40 Гбит/с х 256 = 10,24 Тбит/с был передан на расстояние 100 км [84].

Автор, предлагая читателям эту монографию, искренне хочет помочь им изучить технологию SDH, освоить ее применение на современных волоконно-оптических транспортных сетях и сетях доступа, стать специалистами на уровне требований времени в области систем передачи и сетей SDH, подготовить себя к изучению более высокоскоростных технологий, например DWDM, UWDM, NWDM и др.

1. Общие сведения

Быстрое развитие телекоммуникационных сетей и необходимость существенного увеличения объема, надежности и экономичности передачи цифровых сигналов привели к коренным изменениям в практике построения и использования интегральных цифровых сетей.

В настоящее время телекоммуникационные сети должны строиться на базе современных технологий цифровых систем передачи и устройств автоматической коммутации цифровых потоков, иметь гибкую и легко управляемую структуру. В них необходимо обеспечивать:

надежную, высококачественную передачу и оперативное переключение сигналов разноскоростных цифровых потоков на разветвленной транспортной сети;

выделение/вставку этих потоков в произвольных пунктах доступа цифрового линейного тракта;

возможность совместной работы оборудования SDH различных фирм-производителей на сети одного оператора и удобство взаимодействия нескольких сетевых операторов;

выполнение автоматизированного контроля качества функционирования, оперативного управления и эксплуатационного обслуживания различных элементов сети;

развитие существующих и появление различных новых видов электросвязи и дополнительных видов обслуживания, использующих как синхронный, так и асинхронный способы передачи цифровых сигналов.

Перечисленные и другие требования к плезиохронным ЦСП, на основе которых первоначально строились цифровые сети электросвязи, практически невыполнимы - это во-первых.

Во-вторых, с появлением ООВ оказалось возможным создавать волоконно-оптические линейные тракты, обеспечивающие высокие (единицы - десятки гигабит в секунду) и сверхвысокие (сотни - тысячи гигабит в секунду) скорости передачи цифровых сигналов. При этом длина секции (участка) регенерации составляет 80... 120 км и более. В таких линейных трактах на разветвленной сети практически отсутствуют необслуживаемые регенерационные пункты. Они совмещаются с пунктами выделения/вставки цифровых потоков. Производительность волоконно-оптических линейных трактов (произведение скорости передачи на длину регенерационной секции) превышает производительность трактов, образуемых с использованием кабелей с металлическими проводниками, в 100 и более раз, что радикально увеличивает экономическую эффективность первых [40].

Использование на волоконно-оптических трактах плезиохронных ЦСП для получения высокоскоростных цифровых потоков со скоростями передачи 140 и 565 Мбит/с приводит к громоздким и малонадежным техническим решениям. В указанных ЦСП применяется асинхронный метод группообразования цифровых сигналов, где результирующий цифровой поток формируется в последовательно соединенных мультиплексорах. При этом затруднен доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам для их выделения/вставки, ответвления и транзита, так как в промежуточном пункте нужно выполнять многоступенчатое демультиплексирование полученного цифрового группового сигнала (ЦГС). При нарушениях синхронизации ЦГС сравнительно большое время тратится на многоступенчатое восстановление синхронизации компонентных потоков.

Эти трудности легко преодолимы при использовании синхронного объединения цифровых сигналов, или синхронного мультиплексирования, которое используется в системах передачи SDH.

В третьих, пользователи сети электросвязи (сервис потребителей) непрерывным повышением своих требований к поставщикам оборудования сети ставят перед ними бесконечные проблемы (создают им постоянную «головную боль»), потому что традиционные сети электросвязи абсолютно не приспособлены к быстро изменяющемуся сервису потребителей.

Поэтому, учитывая накопленный в мире опыт разработки и использования синхронных систем передачи, Международный союз электросвязи ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standartization) в 1988 г. приступил к разработке и к настоящему времени в основном принял рекомендации по созданию и использованию систем передачи и сетей SDH.

Применение на сетях связи систем передачи SDH представляет собой качественно новый этап развития цифровых телекоммуникаций. В рамках технологии SDH разработаны не только новая иерархия скоростей передачи цифровых сигналов и новый метод мультиплексирования цифровых потоков, но и перспективная концепция построения и развития цифровых транспортных сетей, которая поддерживается международными рекомендациями и стандартами.

Концепция сети SDH позволяет оптимальным образом сочетать процессы высококачественной передачи высокоскоростных цифровых сигналов с процессами автоматизированного контроля, управления и обслуживания элементов сети в рамках единой системы. Для этого сеть SDH подразделяется на информационную сеть потребителей и сеть сервисных систем, обеспечивающих глубокую автоматизацию функций контроля, управления и обслуживания оборудования и элементов сети. Последнее достигается органическим внедрением техники специализированных ЭВМ в аппаратуру и оборудование цифровой сети.

Новая концепция сетей SDH предусматривает, что на первом этапе их внедрения и развития оборудование систем передачи SDH может использоваться для передачи цифровых потоков плезиохронных ЦСП по высокоскоростным волоконно-оптическим линейным трактам в структуре «точка-точка». В дальнейшем, благодаря заложенным в системах передачи SDH возможностям многократных выделений/вставок и ответвлений цифровых потоков, будут создаваться линейные, кольцевые и разветвленные сетевые структуры с пунктами выделения/вставки разноскоростных цифровых потоков.

В соответствии со структурой сети SDH в ней реализуется комплексный процесс перемещения сообщений, который включает собственно передачу информационных сигналов и функции контроля, управления и обслуживания. Для названия этого процесса в системах передачи и сетях SDH используется термин транспортирование, а соответствующие системы и устройства называются транспортными (транспортная система, цифровая транспортная сеть, синхронный транспортный модуль и т. д.).

Универсальные возможности транспортирования различных сигналов достигаются в сети SDH благодаря использованию принципа контейнерных перевозок. В сети перемещаются не сами сигналы нагрузки, а новые цифровые структуры - виртуальные контейнеры VC (Virtual Container), в которых размещаются информационные сигналы. Сетевые операции с контейнерами выполняются независимо от их содержания. После доставки на место и «выгрузки из контейнеров» сигналы нагрузки обрабатываются и обретают исходную форму.

Нагрузкой транспортной цифровой сети могут быть сигналы, формируемые на выходе мультиплексоров плезиохронных ЦСП, потоки ячеек асинхронного режима переноса ATM (Asynchronous Transfer Mode) или иные цифровые сигналы. Аналоговые сигналы предварительно должны быть преобразованы в цифровую форму, что может быть выполнено с помощью имеющегося или появившегося на сети нового оборудования. Во всех случаях передаваемые цифровые сигналы «выстраиваются по времени», т. е. из них формируются стандартные циклы передачи сигналов, или фреймы, повторяющиеся через 125 мкс.

В структуре сигнала систем передачи SDH предусмотрено формирование нескольких типов служебных сигналов, которые называют заголовками. Использование этих заголовков, буферов (оперативных запоминающих устройств) и специализированных ЭВМ позволяет оператору сети перемещать сигналы из конца одного цикла передачи в начало другого и наоборот. При этом возможно однозначно определить в общем цифровом потоке место расположения каждого первичного цифрового потока. Это позволяет оператору сети в любой момент знать, где находится закодированный сигнал пользователя и во времени, и в пространстве, что обеспечивает ему (оператору) доступ к отдельно взятому первичному цифровому потоку без ряда преобразований общего цифрового потока.

Для эффективного внедрения функций контроля, управления и обслуживания в действующие сетевые структуры и в существующие плезиохронные ЦСП потребовалась бы их существенная переработка. Например, в циклы передачи, формируемые мультиплексорами плезиохронных ЦСП, нужно было бы включить дополнительные позиции для контрольных и управляющих сигналов, а в оборудование передачи и оперативного управления - интерфейсные, контрольные и исполнительные устройства. В свете изложенного разработку систем передачи SDH можно рассматривать в качестве способа введения вышеупомянутых новшеств «с чистого листа». Фактически в рамках технологии SDH создается новая перспективная концепция не только цифровых сетей, но также аппаратуры и оборудования, учитывающая современные достижения системотехники и программирования. Однако при этом концепция SDH разработана так, чтобы она могла функционировать в окружении существующих сетей с использованием большей части действующей аппаратуры плезиохронных ЦСП.

Создание сетевых структур различных конфигураций, контроль и управление отдельными элементами сети и всей информационной сетью SDH в целом осуществляются программно и дистанционно с помощью специальной системы контроля, управления и технического обслуживания. Физической основой этой системы являются входящие в аппаратуру контрольно-управляющие микропроцессоры, Q-интерфейсы, встроенные каналы служебной связи и программное обеспечение. Такая система успешно решает задачи эксплуатационного обслуживания оборудования систем передачи SDH различных фирм-производителей в зоне одного оператора сети и обеспечивает автоматическое взаимодействие зон сети различных операторов. Все операции по выполнению функций контроля, управления и обслуживания сети SDH и каждого её элемента могут выполняться как из центрального пункта управления, так и из других пунктов сети, которым такое право предоставлено.

Уровни систем передачи SDH определяют структуру сигналов и скорость их передачи на интерфейсах сетевых узлов. По Рекомендации ITU-T G.704 (1995) для первого уровня иерархии в качестве основного цикла передачи синхронного сигнала с периодом повторения 125 мкс в системах передачи SDH был принят синхронный транспортный модуль 1-го уровня STM-1 (Synchronous Transport Module of level 1) [125]. По Рекомендации ITU-T G.709 (1996) сигнал STM-1 имеет скорость передачи 155,52 Мбит/с [127].

Скорости передачи сигналов высших уровней иерархии получаются умножением данной скорости на целое число, равное более высокому уровню систем передачи SDH. До 2000 г. указанными рекомендациями были определены также 4, 16 и 64-й уровни иерархии. Четвертому уровню соответствует сигнал STM-4 со скоростью передачи 622,08 Мбит/с, 16_му - сигнал STM-16 со скоростью передачи 2448,32 Мбит/с (2,5 Гбит/с) и 64-му - сигнал STM-64 со скоростью передачи 9953,28 Мбит/с (10 Гбит/с).

В октябре 2000 года ITU-T принял Рекомендацию G.707/Y.1322 по использованию сигнала 256-го уровня иерархии, т. е. сигнала STM-256 со скоростью передачи 39813,12 Мбит/с (40 Гбит/с) [126]. Этой же рекомендацией определен сигнал нулевого уровня STM-0 со скоростью передачи 51,84 Мбит/с, что соответствует синхронному транспортному сигналу STS-1 системы передачи синхронной оптической сети SONET (Synchronous Optical Network) (США) [43].

Принятие рекомендации по сигналу уровня STM-0 следует только приветствовать, так как мультиплексирование трех таких сигналов образует поток уровня STM-1, т. е. 51,84 Мбит/с х 3 = 155,52 Мбит/с. Это способствует еще большему развитию международной транспортной сети связи.

Системы передачи SDH 1, 4, 16, 64 и 256-го уровней позволяют образовать соответственно 1920, 7680, 30720, 122880 и 491520 основных цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с.

Сигнал STM-0 или синхронный транспортный модуль для радиорелейных систем передачи SDH STM-RR (Synchronous Transport Module for Radio Relay link) может использоваться на радиорелейных и спутниковых линиях передачи, где широко распространены тракты с полосой пропускания порядка 40 МГц. Кроме того, указанный тракт рекомендуется использовать в тех многочисленных приложениях, когда на данном участке сети нет необходимости в сравнительно большой пропускной способности тракта первого уровня систем передачи SDH.

В волоконно-оптический кабельный тракт сигналы систем передачи SDH поступают в коде линейного сигнала, в качестве которого используется бинарный код без возврата к нулю NRZ (Non Return to Zero).

Перед поступлением в линейный мультиплексор передаваемые сигналы скремблируются, что делает битовую последовательность сформированного цифрового линейного сигнала (ЦЛС) случайной. Цифровой линейный сигнал на входе линейного тракта имеет ту же скорость передачи, что и ЦГС данной системы передачи SDH.

Сегодня системы передачи SDH признаны во всем мире как самая современная и хорошо отработанная технология для построения транспортных сетей связи. Практически все развитые страны широко применяют системы передачи SDH, а некоторые развивают свои сети только на базе систем передачи SDH уже с 1996 года. Ведущие фирмы-производители резко сократили производство аппаратуры плезиохронных ЦСП. Альтернативы применению систем передачи SDH на широкополосных мультисервисных сетях до недавнего времени фактически не существовало.

Однако предоставление пользователям сети все большего числа новых услуг и переход на пакетные принципы передачи и коммутации цифровых сигналов требуют применения в сети высокопроизводительного и многофункционального оборудования, обладающего необходимой масштабируемостью, гибкостью и надежностью. Указанная проблема успешно решается путем комбинированного применения целого спектра новейших технологий:

1) одномодовых оптических волокон типа TrueWave RS, TrueWave XL, AllWave компании Lucent и типа SMF-28; LEAF, MetroCor фирмы Corning [1, 96];

2) технологии временного мультиплексирования сигналов, в частности,
технологии SDH различных уровней;

3) технологии плотного волнового мультиплексирования сигналов
DWDM.

Использование этих технологий позволяет увеличить трафик до сотен гигабит в секунду и более без замены волоконно-оптического кабеля (ВОК) и незначительными изменениями состава оборудования систем передачи на пунктах доступа транспортной цифровой сети.

Современная технология SDH обеспечивает мультиплексирование, прямую передачу цифрового потока уровня STM-256 (40 Гбит/с) по одному ООВ и демультиплексирование принятого потока.

Сущность технологии DWDM состоит в одновременной передаче по одному волокну нескольких десятков потоков, например, технологии SDH с различными скоростями передачи по «узким» спектральным полосам, например, 50 или 100 ГГц в заданном диапазоне длин волн ООВ. Указанные выше типы одномодовых волокон с нулевой смещенной дисперсией специально разработаны для технологии DWDM [80].

Таким образом, современные тенденции развития средств телекоммуникаций свидетельствуют о перспективности систем передачи, работающих по ООВ. В них совмещаются временное мультиплексирование для образования сигналов STM-N (Synchronous Transport Module of level N) и их передача по одному ООВ с использованием технологии DWDM [78, 101, 103].

Здесь уместно заметить, что на рубеже XX - XXI веков в печати появились публикации, предрекающие «закат» технологии SDH [12]. Но видя, что эти «пророчества» не сбываются, автор указанной работы убедился в возможности перехода «к оборудованию SDH нового поколения» [14].

В настоящее время установленное на транспортной сети оборудование волоконно-оптической магистральной связи в основном поддерживает потоки уровней от STM-1 до SТM-16. Системы передачи SDH уровня STM-64 уже появились на рынке и пользуются большим спросом. Их продажа для установки на транспортных сетях будет продолжаться высокими темпами. Технология, позволяющая создавать аппаратуру и оборудование SDH уровня STM-256, также отработана. Однако по экономическим соображениям реальное поступление на рынок мультиплексоров уровня STM-256 начнется не ранее 2005 г. [67]. Основой интегральной цифровой сети следующего поколения будут системы передачи SDH высокой пропускной способности (уровней STM-64, STM-256), системы передачи DWDM и оптическая аппаратура оперативного переключения, или оптические кросс-коннекторы.

Технология SDH продолжает развиваться, ее последними достижениями являются [68]:

недорогие и простые в установке и обслуживании мультиплексоры доступа (терминальные мультиплексоры ТМ (Terminal Multiplexer), мультиплексоры выделения/вставки DIM (Drop/Insert Multiplexer), или МВВ) уровней STM-1, STM-4, STM-16 с полным набором электрических и оптических интерфейсов, а также с поддержкой новых возможностей, например, IP over SDH;

2) высокопроизводительные универсальные мультиплексоры и кросс-коннекторы, поддерживающие скорости передачи сигналов до уровней STM-64, STM-256 и имеющие полные неблокируемые матрицы коммутации на уровне сигналов STM-1;

3) поддержка на выходных интерфейсах линейных мультиплексоров перестраиваемых на заданную длину волны оптических сигналов для их непосредственного ввода в оптические мультиплексоры систем передачи волнового или плотного волнового мультиплексирования, что позволяет упростить обслуживание сети и снизить ее суммарную стоимость.

По мнению специалистов компании Lucent, системы передачи SDH еще долгое время будут применять операторы для обеспечения доступа к транспортным сетям, а также для построения зоновых и местных сетей, в первую очередь, благодаря поддержанию разнообразных низкоскоростных интерфейсов доступа - от первичных цифровых потоков E1 (скорость передачи 2,048 Мбит/с) до сигналов уровня STM-1.

Технология SDH является достаточно апробированной и надежной основой для дальнейшего расширения как транспортных волоконно-оптических сетей, так и сетей доступа. Её несомненными достоинствами являются [63]:

1) международная стандартизация в рамках рекомендаций ITU-T, стандартов Европейского института стандартов по связи ETSI (European Telecommunications Standarts Institute) и Международной организации по стандартизации ISO (International Standartization Organization);

наличие автоматического резервирования различных видов, обеспечивающего высокую надежность и живучесть (отказоустойчивость) сетей;

развитые средства автоматического контроля, обслуживания и программного управления.

Более подробно другие достоинства систем передачи SDH рассмотрены ниже (см. подразд. 2.4.4), а также в работе [85].

Системы передачи SDH постоянно совершенствуют в соответствии с требованиями времени. Современное оборудование позволяет интегрировать технологию SDH с другими существующими и новыми технологиями (ATM, GE, IP, DWDM), обеспечивая транспортирование различных видов трафика. В перспективе такое оборудование может быть основой для построения м

1.1 Классификация сетей

Цифровые транспортные сети SDH, как и предшествующие им аналоговые и цифровые плезиохронные сети электросвязи, строятся по территориальному принципу и подразделяются на местные, внутризоновые, национальные и международные. Указанные сети могут быть разделены на еще более мелкие части, например, транзитные сети, сети доступа.

Такое деление позволяет:

наиболее полно и точно определить структуру и уровень сети;

быстро организовать и устойчиво управлять действиями персонала сети (дежурная смена, аварийная бригада) по восстановлению поврежденных соединений;

активно применять гибкие и разнообразные способы изменения конфигурации сети.

Упрощенная структурная схема физической сети SDH приведена на рис. 1.2. Она иллюстрирует деление определенной (заданной) трассы сети на сети более низкого уровня, или подсети.

Подсеть - это весьма широкое понятие. В международном масштабе подсетью может считаться сеть какого-либо региона, например, стран Европы, или сеть какой-либо страны, например Украины, которая, в свою очередь, содержит три уровня иерархии сети: магистральную (базовую), региональную (зоновую) и местную, или сеть доступа (сеть потребителей), как показано на рис. 1.

Однако, подсеть может иметь всего один сетевой элемент, который, выполняя различные функции, простирается через многочисленные слои, либо состоять из большего числа элементов сети.

Сеть SDH в первую очередь характеризуется интенсивным взаимодействием между двумя более или менее независимыми функциональными сетями:

сеть транспортирования информационной нагрузки, или транспортная сеть (в некоторых источниках, например, в работе [77], ее называют информационной сетью);

сеть управления этим транспортированием, или сеть TMN (Telecommunications Management Network).

Транспортные сети SDH, в свою очередь, содержат:

транспортные функциональные группы, которые перемещают передаваемые сигналы из одной точки в другую (из одного пункта в другой); вместе с информационными сигналами эти функциональные группы передают также служебные сигналы для обеспечения контроля, технического обслуживания (эксплуатации) сетей и управления ими;

оборудование доступа и кросс-соединений, которое позволяет удовлетворить все требования потребителей при помощи гибкого их обслуживания.

Рис. 1.

Сеть управления телекоммуникациями содержит управляющую функциональную группу, но она не выполняет основных операций по обработке сигналов. Эта группа контролирует транспортирование сигналов, выполняет функции управления и различных услуг, а также функции обслуживания сети (эксплуатационные функции).

В том случае, если сеть TMN по какой-либо причине не обеспечивает контроль транспортирования нагрузки и управление транспортированием, временно эти функции возлагаются на местную систему контроля, управления и обслуживания. Поэтому оборудование местной системы управления должно иметь в своем составе устройства, позволяющие ей выполнять функции TMN. Принципы управления сетью SDH достаточно подробно описаны в Рекомендациях ITU-T G.774 и G.784. Вопросу взаимной связи между транспортной сетью и сетью TMN будет уделено достаточное внимание в последующих разделах.

1.2 Слои транспортной сети

Для упрощения описания принципов построения транспортной сети SDH она представляется моделью, в основе которой - идея деления на сетевые функциональные слои. Каждый сетевой слой в свою очередь разделяется на более мелкие слои. В основу модели сети положены три обширных класса сетевых слоев:

сетевой слой каналов;

сетевой слой трактов;

сетевой слой среды передачи.

Соседние слои связаны между собой отношением «клиент - сервер». Верхний слой занимает пользователь, или потребитель. Он является клиентом, которого обслуживает ниже лежащий сетевой слой. Последний, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего (нижнего) слоя и т. д. Например, потребители сети (абоненты) являются клиентами для слоя каналов, который обслуживает абонентов, т. е. слой каналов является сервером (обслуживателем) для своих клиентов. Далее слой трактов обслуживает слой каналов, который является клиентом для слоя трактов и т. д.

Все сетевые слои выполняют определенные функции и имеют стандартизированные интерфейсы (точки доступа). Функции каждого слоя не зависят от способа физической реализации нижнего обслуживающего слоя. Наконец, в каждом слое реализуются функции контроля, управления и обслуживания (контроль качества передачи, управление автоматическим переключением на резервное оборудование, локализация повреждений, обмен служебными сигналами и т. д.).

Деление транспортной сети на слои позволяет:

изменять и внедрять независимо друг от друга отдельные сетевые слои, часть которых может сохраняться при смене технологии одного из слоев;

иметь в каждом слое сети собственные средства для контроля и обслуживания транспортируемых сигналов клиента (например, специальные биты в цикле передачи), для борьбы с отказами (например, системы оперативного переключения), что повышает качество обслуживания потребителей сети, минимизирует усилия при авариях и снижает влияние аварий в данном слое на другие сетевые слои;

облегчить создание и эксплуатацию сети, достичь наиболее высоких технико-экономических показателей в работе сети;

выделять соответствующие элементы сети в системе контроля, управления и обслуживания.

Слои транспортной сети приведены на рис. 2. Рассмотрим их более подробно.

Сетевой слой каналов непосредственно обеспечивает пользователей (потребителей) услугами различных видов электросвязи, предоставляя абонентам:

различные (арендованные, коммутируемые) каналы ТЧ или ОЦК;

цифровые каналы с различной пропускной способностью (2B+D, пх64 кбит/с);

- возможность передачи сигналов путем коммутации пакетов и т. д.

Терминалы абонентов (аналоговые телефонные аппараты, цифровые телефонные аппараты, цифровые абонентские терминалы и т. д.) подключаются к комплекту терминального оборудования системы передачи SDH абонентскими аналоговыми или цифровыми линиями.

Рис. 2

Передаваемые аналоговые сигналы абонентов предварительно преобразуются в цифровую форму. В сетевом слое каналов могут выполняться соединения различных участков сети, например, коммутация каналов в коммутируемой сети. Сеть каналов соединяет комплекты терминального оборудования систем передачи SDH различных пунктов через цифровые автоматические коммутационные станции.

Сетевой слой каналов обеспечивает службы аренды каналов, пакетной коммутации, коммутации каналов и др. Сети слоя каналов являются независимыми от следующего слоя, т. е. сетевого слоя трактов.

Сетевой слой трактов образуется путем объединения групп каналов и служит для обеспечения различных типов сетей слоя каналов: сеть коммутации каналов, сеть коммутации пакетов, сеть аренды каналов. На сети SDH имеется два сетевых слоя трактов: тракты низшего порядка и высшего порядка (в случае использования на сети систем передачи PDH число сетевых трактов будет определяться иерархией применяемой на сети системы передачи PDH: от первичного до четверичного тракта).

По сетевым трактам высшего порядка передаются сигналы циклов передачи VC-3 и VC_4, т. е. с них начинаются сетевые тракты высшего порядка.

Сетевые тракты низшего порядка начинаются с VC-11, VC-12 и VC-2.

Сигналы, например VC-12, формируются из сигналов оборудования первичного мультиплексирования (ОПМ).

Образование трактов высшего и низшего порядков показано на рис. 3.

Все тракты начинаются и оканчиваются в аппаратуре оперативного переключения (АОП), которая либо является автономной, либо входит в состав мультиплексоров систем передачи SDH. С помощью АОП выполняется коммутация трактов, т. е. они резервируются, вставляются (вводятся), выделяются (выводятся) и т. д. При этом возможно создание и обслуживание разветвленных, кольцевых и других эффективных сетевых конфигураций.

Все операции на сети SDH по переключению трактов (управление соединениями, контроль качества соединений и т. д.) осуществляются автоматически, программными методами и дистанционно. Сетевые слои трактов являются независимыми от сетевого слоя среды передачи.

Сетевой слой среды передачи образуется путем объединения нескольких трактов и зависит от среды передачи. Слой среды передачи делится на два сетевых слоя: слой секций и слой физической среды, в качестве которой на сети SDH могут использоваться ООВ кабеля или радиорелейные линии передачи. Секции выполняют все функции, которые обеспечивают транспортирование сигналов между двумя пунктами (точками) слоя трактов. В слое секций сети SDH имеется два слоя: слой мультиплексных секций MS (Multiplex Section) и слой регенерационных секций RS (Regenerator Section), которые показаны на рис. 4.

Слой MS - это линейный тракт с частью функций мультиплексора. Он обеспечивает транспортирование сигналов между пунктами, где тракты оканчиваются либо переключаются.

Рис. 4

Слой RS обеспечивает транспортирование сигналов между регенераторами или между регенераторами и пунктами окончания трактов. Регенерационные секции полностью зависят от среды передачи. Граница между соседними сетевыми слоями, где один слой обеспечивает услуги транспортирования сигналов для другого слоя, выступает как совокупность «клиент - сервер». Такие совокупности устанавливаются в том случае, если клиент желает получить доступ к сети слоя - серверу.

1.3 Основные звенья модели сети

Совокупности слоев клиента и сервера, а также основные звенья модели сети SDH приведены на рис. 5.

Рис. 5

Поступающие в каждый слой сигналы клиента проходят через точки доступа, лежащие на границах слоя. Сеть внутри слоя состоит из трех основных типов звеньев: согласующие устройства (адаптеры), терминальное оборудование и устройства соединения. Эти звенья связывают точки доступа путем соединения звеньев между собой внутри слоя.

Вначале поступившие в точки доступа передаваемые сигналы адаптируются, т. е. согласуются с функциями передачи данного слоя. Эти операции над сигналами выполняются в согласующих устройствах, которые являются весьма многофункциональными. Например, в сетевом слое каналов в качестве согласующего устройства может быть оборудование аналого-цифрового преобразования речевых сигналов абонента или оборудование преобразования непрерывно поступающей от абонента цифровой последовательности в циклическую форму, т. е. в канальный цифровой поток, например, со скоростью передачи 64 кбит/с; в слое трактов согласующими устройствами являются терминальные мультиплексоры; в слое секций - синхронные линейные мультиплексоры, в которых сигналы нескольких трактов высшего порядка и служебные сигналы объединяются в цикл передачи сигналов синхронного транспортного модуля соответствующего уровня.

С выхода согласующего устройства данного слоя сигналы поступают в терминальное оборудование, где к передаваемым сигналам нагрузки добавляются сигналы специальных (трактовых, секционных) заголовков. Сигналы этих заголовков используются для обеспечения процесса транспортирования информационных сигналов внутри данного слоя.

Из оконечного оборудования сигналы передаются в устройства соединения, которые в различных сетевых слоях выполняют разные функции: транзитного соединения канальных цифровых потоков в коммутируемой сети, оперативного переключения трактов различного порядка в сетевом слое трактов, регенерации НДС в слое RS и т. д. При этом соединения звеньев в каждом слое выполняются по принципу или 1:1, например, транзитное соединение ОЦК в слое каналов, или 1:N, например, мультиплексирование цифровых потоков в сетевом слое мультиплексных секций.

Целостность информации клиента в пределах данного сетевого слоя обеспечивает трасса. Этот функциональный элемент отвечает за передачу сигналов в слое-сервере. Он формируется путем объединения звеньев оконечного оборудования данного пункта, промежуточных устройств передачи и оконечного оборудования другого пункта (на дальнем конце). Трасса включает средства транспортирования информационных сигналов и средства системы контроля, управления и обслуживания. Понятие трассы, определяющее соединение из конца в конец, не может отождествляться с самим понятием соединения. Трасса - это генерация, независимая от условий сетевого слоя. Введенное в сетях SDH понятие «трасса» обобщает понятия каналов, трактов и секций. Канал, тракт и секция являются трассами в сетях соответствующего слоя.

2. Основы построения сетей SDH

Современные телекоммуникационные сети должны быть высокоскоростными, иметь гибкую, легко управляемую структуру и при этом обеспечивать возможность совместной работы аппаратуры и оборудования различных фирм-производителей (поставщиков) как на сети одного оператора, так и при взаимодействии нескольких сетей различных операторов.

Основная тенденция развития таких сетей - это всеобъемлющая интеграция, т. е. интеграция цифровых систем передачи и коммутации, интеграция услуг на одной абонентской линии (включая ISDN и B-ISDN) и, наконец, интеграция терминалов на базе компьютерной техники и технологии мультимедиа: терминалы, включаемые в ISDN по интерфейсу основного доступа с конфигурацией 2В + D; терминалы, включаемые на первичной скорости передачи с конфигурацией 30В + D; терминалы, работающие в сети LAN и др.

Реализация указанных требований и тенденций развития стала возможной благодаря появлению высокоскоростных (до 40 Гбит/с включительно) цифровых систем передачи, построенных на основе принципов и стандартов синхронной цифровой иерархии, а также мощных цифровых коммутационных систем (трафик до 30000 Эрл) с использованием системы общеканальной сигнализации ОКС № 7. В основе этих современных телекоммуникационных технологий используются новые достижения науки и производства и, прежде всего, в области волоконно-оптической техники, микроэлектроники и программного обеспечения.

Появление ВО ЦСП на основе технологии SDH расширило области их применения, включая оптические линейные тракты, идущие непосредственно к пользователю. Однако, использование систем передачи SDH с мощными мультиплексорами и кросс-коннекторами «превратило» сеть, по сути, в распределенный цифровой кроссовый узел.

Эти обстоятельства привели к тому, что возникла необходимость пересмотреть многоуровневую структуру прежней первичной сети общего пользования (магистральная, внутризоновая и местная - городская и сельская), представив ее двумя уровнями: транспортной сетью и сетью доступа.

В Рекомендации ITU-T G.803 [140] понятие «транспортирование» определяется как функциональный процесс перемещения информации между разнесенными пунктами доступа, а понятие «передача» - как физический процесс распространения цифровых сигналов в физической среде.

Транспортная сеть - это совокупность всех ресурсов, выполняющих не только функции транспортирования информации, но и функции контроля, оперативного переключения, управления и обслуживания. На сегодняшний день системы передачи SDH в наибольшей степени отвечают требованиям, необходимым для построения транспортных сетей [59, 63].

Применение оборудования систем передачи SDH на сети доступа позволяет расширить номенклатуру пользователей, предоставляя им услуги не только в объеме B-ISDN, но и возможность взаимодействия с сетями LAN, использующими технологии ATM, Ethernet, IP и др. [3, 63, 80].

В новейшей Рекомендации ITU-T G.7041/Y.1303 (2002) определен механизм адаптации сигналов пользователей или клиентов для размещения этих сигналов в контейнерах или сцепках систем передачи SDH. Предусмотрено два типа такой адаптации:

с размещением (инкапсуляцией) кадров (Frame-Mapped) - для таких клиентских сигналов, как пакеты IP и кадры Ethernet;

прозрачная (Transparent) адаптация - для клиентских сигналов Gigabit Ethernet, Fibre Channel, ESCON и других, использующих блочные коды 8В/10B [63].

Перспективным направлением построения современной сетевой инфраструктуры является также использование в высокоскоростных сетях единой системы сигнализации, позволяющей объединять самые различные типы систем передачи. В качестве такой объединяющей технологии сегодня рассматривается технология универсальной многопротокольной коммутации меток - GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switcing) [5, 6]. Она унифицирует составляющую управления в сети, начиная с обычных пакетных сетей и заканчивая коммутацией длины волны или оптического волокна в оптических транспортных сетях технологий SDH, DWDM, IP over DWDM и др. [84].

2.1 Топология сетей SDH

Чтобы спроектировать сеть в целом, нужно пройти несколько этапов, на каждом из которых решается та или иная функциональная задача, поставленная в техническом задании на проектирование.

Первой из них является задача выбора топологии сети. Эта задача может быть решена достаточно просто, если известен возможный набор элементарных (базовых) топологий, из которых может быть составлена топология сети в целом. Ниже рассматриваются такие элементарные базовые топологии и их особенности.

2.1.1 Топология линейной сети «точка - точка»

Участок сети, непосредственно связывающий два узла телекоммуникаций, расположенных в оконечных пунктах, или пунктах доступа ОП1 и ОП2, является наиболее простым примером базовой топологии сети SDH. Такая конфигурация называется системой телекоммуникаций «пункт с пунктом без регенератора», или топология «точка - точка» [77].

В результате в технике проводной связи появилось новое понятие - однопролетная линия передачи. При проектировании однопролетных линий передачи разброс длин их СЛТ компенсируется выбором и применением того или иного типа оптического лазера с соответствующей мощностью излучения на его выходе. В СЛТ малой протяженности (менее 10 км) в качестве излучателя ОПД, в зависимости от скорости передачи транспортируемой нагрузки, следует выбирать ЛД с пониженной мощностью оптического излучения. В СЛТ средней (до 50 км), и большой (120 км) и более протяженности рекомендуется применять ОПД с лазерными диодами, работающими на длине волны 1,55 мкм [3].

Во всех случаях рассматриваемая топология реализуется с помощью синхронных линейных мультиплексоров SLM, которые могут работать как по схеме без резервирования (так называемый незащищенный режим) СЛТ (рис. 6), так и по схеме со стопроцентным резервированием, или с системой защиты типа «1+1» (рис. 7) с целью повышения надежности СЛТ. При этом мультиплексоры SLM могут быть различного уровня иерархии, например, как показано на рис. 2.2.

Рис. 6

В СЛТ с системой защиты типа «1+1» используются оба линейных, или так называемых агрегатных порта (Пер, Пр) линейных блоков А и В, которые позволяют образовать основной и резервный СЛТ. Для построения указанных СЛТ прокладываются два кабеля по географически разнесенным трассам. Эти названия СЛТ являются условными. С выходов линейных блоков А и В оптические ЦЛС между двумя пунктами передаются по обоим СЛТ одновременно, а в пункте приема осуществляется выбор «лучшего» принятого сигнала. Резервирование СЛТ с системой защиты типа «1+1» в сетях SDH является их внутренней особенностью и не имеет ничего общего с внешним резервированием, когда используется альтернативный (резервный) путь от одного пункта сети к другому. При выходе из строя одного из СЛТ система передачи в считанные десятки миллисекунд автоматически переходит на второй линейный тракт.

Рис. 7

Несмотря на свою простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется при транспортировании больших потоков информации по высокоскоростным СЛТ как на океанских просторах, так и на соединительных линиях ГТС, оборудованных мощными цифровыми АТС для обслуживания телефонного трафика [23, 101].

Эту же топологию используют для отладки участков сети при переходе к новой более высокой скорости передачи сигналов при использовании технологии SDH, например, от скорости передачи 622,08 Мбит/с к 2488,32 Мбит/с или от 2,5 к 10 Гбит/с. Она же является основной для топологии сети с пунктами выделения/вставки и используется как составная часть топологии «звезда» и радиально-кольцевой топологии. Топологию сети «точка - точка» с системой защиты типа «1+1» можно рассматривать как вырожденный вариант топологии «кольцо».

2.1.2 Топология линейной сети с пунктами выделения/вставки

В топологии сети между двумя точками (оконечными пунктами), рассмотренной в подразд. 4.1.1, интенсивность трафика может быть не очень великой. В то же время существует необходимость в ряде пунктов СЛТ выполнить ответвление, где могут выводиться (выделяться) и вводиться (вставляться) каналы доступа. Такая топология реализуется с использованием как линейных мультиплексоров SLM, включаемых на обоих концах СЛТ, или в оконечных пунктах доступа, так и мультиплексоров выделения/вставки DIM, которые включаются в СЛТ в промежуточных пунктах доступа ПП1. Рассматриваемую топологию можно представить либо в виде простого последовательного СЛТ без резервирования, как показано на рис. 8, либо более сложным СЛТ с резервированием, т.е. с системой защиты типа «1+1», как изображено на рис. 9.

При использовании схемы, показанной на рис. 8, не обеспечивается защита сети против отказов в оптическом СЛТ, и DIM сконфигурированы как незащищенные. Линейные мультиплексоры на концах СЛТ в этом случае используют только один агрегатный порт и также являются незащищенными.

Вариант топологии, изображенной на рис. 9, часто называют «плоское кольцо», которое образуется дублированием трафика с помощью дополнительного участка СЛТ [59]. Защита от отказов в СЛТ в таком варианте топологии обеспечивается маршрутизацией трафика одновременно по обоим (противоположным) направлениям вокруг искаженного кольца (имеется в виду не круглого по форме).

Таким образом, повреждение СЛТ на любом участке кольца не приводит к потере связи любого из мультиплексоров промежуточного пункта с оконечными пунктами доступа или же DIM между собой при наличии нескольких таких мультиплексоров в структуре СЛТ.

Если же оптические волокна обоих СЛТ находятся в одном кабеле, то такое «плоское кольцо» менее надежно, так как при повреждении кабеля связь будет прервана с некоторым числом мультиплексоров в зависимости от места повреждения. Однако дублирование трафика хотя бы и в «плоском кольце» обеспечивает защиту сети от неисправностей аппаратуры и позволяет проводить техническое обслуживание (ТО) мультиплексоров даже с отключением ОПД и ОПМ с одной стороны.

Мультиплексор DIM может иметь на входе и выходе тот же набор цифровых каналов доступа, что и ТМ. Дополнительно к возможностям обычного кросс-соединения, обеспечиваемого SLM, мультиплексор DIM позволяет осуществлять сквозные кросс-соединения входных цифровых потоков в обоих направлениях, например, на уровне контейнеров VC-4 в потоках, поступающих с линейных портов.

Кроме того, в DIM можно выполнить оперативные переключения выходов каналов приема на входы соответствующих каналов передачи в одном из направлений в случае выхода из строя (повреждения) другого направления. Наконец, имеется возможность, в случае аварийного повреждения DIM пропускать оптический ЦЛС мимо него в обходном режиме. Все это позволяет эффективно использовать DIM в топологии сети типа «кольцо».

2.1.3 Кольцевая топология сети с использованием мультиплексоров выделения/вставки

Такая топология сети (ее схема приведена на рис. 10) широко применяется для построения сетей SDH с использованием первых двух уровней систем передачи SDH (скорости передачи 155,52 и 622,08 Мбит/с) на сети доступа [22]. Основная особенность и достоинство этой топологии - легкость обеспечения системы защиты типа «1+1» благодаря наличию в синхронных мультиплексорах DIM двух пар оптических линейных (агрегатных) портов. Они дают возможность образовать СЛТ в форме двойной кольцевой структуры со встречными цифровыми потоками (на рис. 10 они показаны стрелками).

Кольцевая топология обладает рядом свойств, которые позволяют сети самовосстанавливаться, т. е. обеспечивать защиту от некоторых достаточно распространенных типов отказов. Поэтому остановимся на основных свойствах кольцевой топологии сети более подробно.

Рис. 10

«Интеллектуальные» возможности DIM позволяют образовать кольцевые самовосстанавливающиеся («самозалечивающиеся») сети двух типов: однонаправленные и двунаправленные [59].

В сетях первого типа используются два оптических волокна. Каждый передаваемый цифровой поток направляется по кольцевой сети в обоих (противоположных) направлениях, а в пункте приема, как и в случае защиты по схеме «1+1» в топологии сети «точка - точка», осуществляется выбор одного из двух принятых сигналов (лучшего по качеству, например, по наименьшему коэффициенту ошибок). Передача цифровых потоков по всем основным участкам СЛТ происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным - в противоположном. Поэтому такая кольцевая сеть и называется однонаправленной с переключением СЛТ или с закрепленным резервом. Схема прохождения сигналов по основному и резервному участкам СЛТ рассматриваемой кольцевой сети показана на рис. 10 [77, 164].

Двунаправленная кольцевая сеть может быть образована с помощью двух (топология «сдвоенное кольцо») или четырех (два «сдвоенных кольца») оптических волокон. В двунаправленной кольцевой сети с двумя волокнами передаваемые ЦЛС не дублируются. При работе такой сети цифровые потоки пунктов доступа передаются по кольцу кратчайшим путем во встречных направлениях (отсюда и название «двунаправленное кольцо»). При возникновении отказа на любом участке СЛТ посредством DIM, включенных на концах отказавшего участка, выполняется переключение всего цифрового потока, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. Такую конфигурацию сети называют также кольцом с переключением участков или кольцом, защищенным с помощью совместно используемого резерва.

Пример двунаправленной кольцевой сети с двумя ОВ приведен на рис. 11 [59]. На нем показаны схемы прохождения сигналов для одного из вариантов соединения пунктов доступа в рабочем (доаварийном) режиме (рис. 11, а) и в аварийном режиме при отказе одного из участков СЛТ кольцевой сети, который перечеркнут крестом (рис. 11, б). Поврежденный участок СЛТ исключается из схемы кольца, но связь между всеми пунктами доступа на сети сохраняется.

Рис. 11

Сравнивая однонаправленную и двунаправленную кольцевые сети с двумя волокнами между собой, следует заметить, что при отказе одного участка можно сохранить полную работоспособность любой из этих сетей. Однако в большинстве случаев двунаправленное кольцо сети оказывается более экономичным, поскольку требует меньшей пропускной способности. Это объясняется тем, что для сигналов, передаваемых на различных пересекающихся участках кольцевой сети, используют одни и те же оптические волокна (как в основном, так и в аварийном режиме работы). В то же время однонаправленное кольцо сети проще в реализации.