391

Ю. А. Зингеренко

ОПТИЧЕСКИЕ ЦИФРОВЫЕ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ И СЕТИ

СИНХРОННОЙ ЦИФРОВОЙ ИЕРАРХИИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2013

Учебное пособие посвящено принципам построения оптических цифровых телекоммуникационных систем и сетей, использующих технологию синхронной цифровой иерархии (SDH). Рассмотрены основные сведения о волоконно-оптических системах передачи, составляющих транспортную среду для систем передачи SDH.

Основное внимание уделено непосредственно технологии систем передачи SDH и ее постепенному движению в сторону совместной передачи непрерывного и пакетного трафика с целью реализации сетей нового поколения NGN. Материал учебного пособия разделен на четыре части: волоконно-оптические системы передачи, технология SDH, системы передачи второго поколения - NG SDH и направления развития SDH третьего поколения.

В частности, в учебном пособии, кроме вопросов, связанных с собственно технологией SDH и ее реализацией, рассмотрены проблемы синхронизации, измерение параметров ошибок, реализация передачи пакетного трафика в системах NG SDH – GFP, VCAT, LCAS, дополняющие NG SDH концепции RPR, TSI, OBS и др. Приведены принципы контроля сетей NG SDH, основные сведения о технологии Ethernet и GE, а также возможные направления развития для систем SDH третьего поколения.

Учебное пособие рекомендовано для студентов старших курсов специальности 210401 «Физика и техника оптической связи», а также для магистров направления подготовки 210400 «Телекоммуникации».

Введение.

В течение нескольких лет в СПб ГУ ИТМО студентам старших курсов специальности 210401 читается курс «Оптические цифровые телекоммуникационные системы», а магистрам направления подготовки 210400 «Телекоммуникации» - курс «Теория построения телекоммуникационных систем и сетей». Оба курса охватывают основные сведения как по компонентам волоконной оптики – оптическим волокнам и кабелям, оптическим соединителям, передающим и приемным оптоэлектронным модулям, волоконно-оптическим усилителям и элементам плотного спектрального уполотнени, так и по технологии построения систем передачи синхронной цифровой иерархии SDH. Основные сведения, излагавшиеся в рамках указанного курса, были опубликованы в учебном пособии «Оптические цифровые телекоммуникационные системы», изданном в 2010 г.

Дальнейшее развитие технологии систем передачи SDH и ее постепенное движение в направлении совместной передачи непрерывного и пакетного трафика с целью реализации сетей нового поколения NGN. А именно создание систем передачи NG SDH и движение в сторону систем SDH третьего поколения, стремление не отстать от научно-технического прогресса на современном этапе заставляет включить и эти вопросы для изучения студентов и, особенно, магистров.

Курсы включают в себя: принципы построения технологии SDH, методы мультиплексирования, образование струтуры циклов, формирование виртуальных контейнеров и трибутарных блоков, состав секционных и трактовых заголовков, назначение полей заголовков, принципы реализации системы тактовой сетевой синхронизации, воникновение джиттера и вандера, использование SSM сообщений о статусе синхронизации при резервном защитном переключении, принципы измерения параметров ошибок и мониторинг взаимного соединения, понятие о необходимых и эксплуатационных измерениях.

Курсы предусматривают ознакомление с решением проблемы передачи пакетного трафика и, в частности, с реализацией трех составляющих системы NG SDH: протокола GFP записи пакетного трафика в непрерывный, виртуальной конкатенацией VCAT и процедурой управления шириной транспортного коридора LCAS.

Приводятся некоторые дополнения к технологии NG SDH – концепция упругого пакетного кольца RPR, процедура коммутации сигналов TSI и концепция автоматической коммутации транспортной сети ASTN. Излагаются принципы контроля сетей NG SDH, и основные сведения о технологии Ethernet и GE. В заключение приводятся основные направления развития SDH в сторону систем третьего поколения.

Несмотря на подготовку и издание за последние годы монографий, научных статей и учебных пособий по перечисленным вопросам, проблема обеспечения учебного процесса необходимой учебной литературой остается достаточно острой в свзи с отсутствеим единого учебника, полностью охватывающего оба перечисленных курса. Предлагаемое издание может частично устранить имеющийся недостаток. Учебное пособие ориентировано на студентов, изучающих курс «Оптические цифровые телекоммуникационные системы» и магистров, изучающих курс «Теория построения телекоммуникационных систем и сетей».

Одной из особенностей учебного пособия является наличие большого числа структурных и функциональных схем конкретных устройств, реализующих соответствующие узлы оборудования, а также примеры реализации измерительных устройств и примеры выполнения сетевых решений, в том числе решений, обеспечивающих заложенную в технологию SDH отказоустойчивость сети.

Глава 1. Основные сведения о восп.

1.1. Основные положения.

Волоконно-оптическая система передачи (ВОСП) – это такая система передачи, у которой информация предается по оптическим диэлектрическим волноводам (оптическим волокнам). Технология волоконно-оптических систем передачи, помимо вопросов технологии собственно волоконной оптики охватывает в большей степени вопросы, касающиеся оборудования формирования передаваемых электрических сигналов, его стандартизации, протоколов передачи, а также вопросы топологии сети связи и общие вопросы построения сетей. Сигналы, передаваемые по ВОСП, в подавляющем большинстве случаев являются цифровыми. Таким образом, ВОСП являются по сути дела разновидностью цифровых систем передачи (ЦСП), использующих в качестве среды передачи оптические волокна.

Передача информации в цифровом виде по ВОСП имеет значительный ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Именно этим объясняется стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи.

Преимущества ВОСП.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей Гц. Это обеспечивает потенциальную возможность передачи по одному волокну цифрового потока со скоростью в несколько терабит в секунду. Большая скорость передачи информации – одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи.

Малое затухание светового сигнала. Выпускаемое в настоящее время промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2 – 0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм. Малое затухание и небольшая дисперсия сигнала позволяют строить участки линий связи без регенераторов протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов и высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем, электрического оборудования и атмосферных воздействий (линии электропередачи, электродвигательные установки, грозовые разряды и т. д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния, присущего много парным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями при расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см может быть заменен двухволоконным ВОК диаметром 1,5 см даже с учетом множества защитных оболочек и стальной ленточной брони.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы непрерывного мониторинга целостности оптических волокон, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги.

Гальваничекая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать образования «земельных» петель, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания. Это предотвращает возникновение большой разности потенциалов, способной повредить сетевое оборудование.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность. Волокно изготавливается из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а поэтому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. Кроме того, ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество регенераторов на протяженных линиях при использовании ВОК значительно меньше, что сокращает капитальные и эксплуатационные расходы.

Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию – затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Тем не менее, благодаря совершенству современных технологий производства, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться не одно поколение оборудования.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, ВОСП имеют также и недостатки, главным образом вызванные дороговизной прецизионного монтажного оборудования.

Недостатки ВОСП.

Стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы должны преобразовываться в оптические и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще высокой. При создании оптической линий связи также требуется высоконадежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические разъемные соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители и аттенюаторы.

Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Кроме того, каждая сварка вносит дополнительное затухание, что необходимо учитывать определенным технологическим запасом на затухание переприемного участка.

Требование специальной защиты волокна. Теоретически стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа . На практике оптическое волокно, каким бы совершенным оно не было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например, нитями на основе кевлара. Если требуется удовлетворить еще более жестким требованиям на разрыв для подвесного, например, кабеля, то он может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Все это влечет увеличение стоимости оптического кабеля.

Преимущества от внедрения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки, дальнейшие перспективы развития технологии ВОСП в информационных сетях более чем очевидны и в настоящее время не имеют альтернативы.

Типовая схема ВОСП.

Типовая схема системы связи, использующая ВОСП, показана на рис 1.1. Аналоговый сигнал, вырабатываемый абонентским устройством, например, телефонным аппаратом, приходит на узел коммутации, где аналогоцифровой преобразователь (АЦП) преобразует его в поток двоичных символов (битов). Индивидуальные битовые потоки в оборудовании мультиплексирования объединяются в общий групповой поток символов (электрических импульсов), который используется для модуляции оптического передатчика, посылающего поток оптических импульсов в оптическое волокно. На приемной стороне импульсы света преобразуются обратно в электрический сигнал при помощи оптического приемника. Восстановленный групповой поток электрических символов в оборудовании демультиплексирования разделяется на индивидуальные потоки, поступающие на цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). ЦАП восстанавливает исходный аналоговый сигнал и отдает его на абонентское устройство. Поскольку ВОСП образует, как правило, двунаправленный канал связи, оптические приемники и передатчики, ЦАП и АЦП, мультиплексоры и демультиплексоры на каждом из концов линии связи совмещаются в одном устройстве.

АЦП

АЦП

ЦАП

ЦАП

Мульти- Опт.

плексор ПРД

Опт. Демульти-

ПРМ плексор

Регенера-

тор

Аналоговый Аналоговый

сигнал сигнал

Цифровой Импульсы Импульсы Цифровой

поток 64 Кбит/с света света поток 64 Кбит/с

Рис. 1.1. Типовая схема системы связи с использованием ВОСП.

Основные компоненты ВОСП.

Оптический передатчик обеспечивает преобразование входного электрического (как правило, цифрового) сигнала в выходной световой сигнал. При цифровой передаче оптический излучатель передатчика «включается» и «выключается» в соответствии с поступающим на него потоком электрических импульсов. Для этих целей используются инфракрасные светоизлучающие диоды LED или лазерные диоды LD. Эти устройства обладают высоким быстродействием и способны поддерживать модуляцию излучаемого света со скоростями в сотни и тысячи Мбит/с. При построении сетей кабельного телевидения оптический передатчик осуществляет преобразование широкополосного аналогового электрического сигнала в аналоговый оптический. В этом случае оптический передатчик должен иметь высокую линейность.

Оптический приемник осуществляет обратное преобразование оптических импульсов в импульсы электрического тока. В качестве основного элемента оптического приемника в настоящее время используются p-i-n фотодиоды, имеющие малую инерционность.

Если приемная и предающая станции удалены на большое расстояние друг от друга, например, на несколько сотен км, то дополнительно требуется установка промежуточных ретрансляторов для восстановления энергетических и временных соотношений импульсов оптического сигнала. В качестве таких устройств могут использоваться регенераторы оптического сигнала и оптические усилители.

Оптический регенератор содержит оптический приемник, регенератор электрического сигнала и оптический передатчик. Регенератор электрического сигнала с точностью до коэффициента ошибок восстанавливает амплитуду и временное положение информационных импульсов, тем самым обеспечивая с помощью оптического передатчика восстановления формы оптического сигнала до первоначальной.

Оптический усилитель не осуществляет оптоэлектронного преобразования. Он, используя специальные активные волокна и лазеры накачки, непосредственно усиливает проходящий оптический сигнал, благодаря индуцированному излучению. Поэтому усилитель не обеспечивает полного восстановления формы оптического сигнала и не может полностью очистить его от шумов. Применение усилителя становиться предпочтительным в случае спектрального уплотнения, так как усилитель обеспечивает усиление всех оптических стволов одновременно, в то время, как использование регенераторов потребовало бы установки электрических регенераторов для каждой оптической несущей.

На практике на один регенератор из-за накопления шумов и искажения формы оптических импульсов может приходиться несколько последовательных оптических усилителей (до 4-8). Таким образом, эффективность использования оптических усилителей при построении спектрально уплотненных волоконно-оптических магистралей большой протяженности очень высока.

Волоконно-оптический кабель (ВОК). Характерная строительная длина оптического кабеля (длина непрерывного участка кабеля, поставляемого на одном барабане) варьируется в зависимости от производителя и типа кабеля в пределах 2-10 км. На протяженных участках между регенераторами или усилителями могут помещаться десятки строительных длин кабелей. При этом производится специальное сращивание, как правило, с помощью сварки, оптических волокон. Места сварки защищаются специальной герметичной проходной муфтой.