Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

котором участке сети соединение нужно установить вдоль канала, через который уже проходит максимально возможное количество информационных потоков. Отказ может случиться и на конечном участке составного канала, например, если абонент способен поддерживать только одно соединение, что характерно для многих телефонных сетей. При поступлении второго вызова к уже разговаривающему абоненту сеть передает вызывающему абоненту короткие гудки – сигнал «занято»;

нерациональное использование пропускной способности физических каналов. Та часть пропускной способности, которая отводится составному каналу после установления соединения, предоставляется ему на все время, т.е. до тех пор, пока соединение не будет разорвано. Однако абонентам не всегда нужна пропускная способность канала во время соединения; например, в телефонном разговоре могут быть паузы, еще более неравномерным во времени является взаимодействие компьютеров. Невозможность динамического перераспределения пропускной способности представляет собой принципиальное ограничение сети с коммутацией каналов, так как единицей коммутации здесь является информационный поток в целом;

обязательная задержка перед передачей данных из-за фазы установления соединения.

Многоканальные системы передачи информации (МСПИ) по выделенным (некоммутируемым) и коммутируемым каналам связи – основа построения современных сетей связи. МСПИ используют 4 основных способа уплотнения линии связи (разделение каналов связи, мультиплексирование каналов связи):

1. Частотное уплотнение: FDM (Frequency Division Multiplexing (Mode))-мультиплексирование с частотным разделением каналов. Терминологически допустимо мультиплексирование

счастотным уплотнением или частотное мультиплексирование.

2.Временное уплотнение (разделение, мультиплексирование) каналов:

ВУ (ВД) – TDM (Time Division Multiplexing) – мультиплек-

сирование с временным разделением каналов. Различают син-

31

хронное и статистическое (асинхронное) временное мультиплексирование (STDM), разновидности TDM. Обычно по умолчанию под TDM понимают синхронное временное разделение.

3.Волновое разделение (уплотнение, мультиплексирование) каналов связи:

– WDM (Wavelength Division Multiplexing) – мультиплекси-

рование с разделением (уплотнением) по длине волны;

– DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – плотное волновое мультиплексирование (когда расстояние между соседними длинами волн не более 2 нм);

– WDM иногда рассматривают как разновидность FDM.

4.Кодовое разделение (CDM, CDMA) каналов связи – Code Division Multiplexing – мультиплексирование с кодовым разделе-

нием или CDMA – Code Division Multiple

2.2. МСПИ с частотным разделением каналов связи

Техника частотного мультиплексирования была разработана для телефонных сетей, но применяется сейчас и для других видов сетей. Основная идея этого метода состоит в выделении каждому соединению собственного диапазона частот в общей полосе пропускания линии связи.

На рис. 2.1 представлен принцип частотного уплотнения каналов связи: N – общее количество каналов; fi – диапазон частот каждого канала; fЗ – расстояние между диапазонами частот.

Для МСПИ с выделенными частотными каналами характерны те же достоинства и недостатки, что и для любых систем с коммутацией каналов. Однако в них можно выделить некоторые специфические черты.

В МСПИ с выделенными частотными каналами нет фазы «установление канала» в каждом сеансе связи. Это улучшает производительность системы: уменьшаются задержки сообщений, увеличивается в целом производительность и эффективность системы (объем данных/время, качество связи). Однако в подобных системах, как правило, зафиксированы пары «источник–получа-

32

тель», и поэтому ограничена либо отсутствует адресная часть сообщения. На фоне улучшения производительности системы ухуд шается ее гибкость: пары «источник информации – получатель информации» фиксируются, и для их изменения нужно производить перенастройку системы.

Рис. 2.1. Прин ип частотного уплотнения каналов связи

Структура МСПИ с выделенны и (некоммутируемыми) частотн ми каналами связи приведена на рис. 2.2.

На рис. 2.2 показан однонаправленный (симпле сный) поток информации. При двунаправленном обмене используют дуплексный канал связи, как правило, 4-п оводный (пространственное разделение физических каналов связи).

Рис. 2.2. Структура МСПИ с выделенными (некоммутируемыми)

частотными каналами связи

Информация из источника информации (ИИ) проходит через канальный кодер m/n (если это необходимо) и поступает на моду-

33

лятор, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал в диапазоне частот, выделенном данному каналу. Далее сигналы с каждого канала складываются на аналоговом сумматоре ∑ и поступают на общий модулятор системы, который отправляет просуммированный сигнал в линию связи. В линии связи действует помеха ξ. На входе приемного полукомплекта стоит общий демодулятор, выход которого разделяется по частотным каналам связи с помощью соответствующих полосовых фильтров. Информация каждого канала проходит через свой демодулятор, снова восстанавливаясь в цифровую форму, и (возможно) канальный декодер n/m, попадая к своему получателю информации ПИ.

Формальное представление составного или скоммутированного частотного динамического канала связи (на один сеанс связи) может быть таким:

2.3. МСПИ с волновым разделением каналов оптической связи

2.3.1. Волоконно-оптические линии связи

ВОЛС – волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило – ближнем инфракрасном) диапазоне.

ВОЛС имеет ряд преимуществ перед другими средами передачи данных.

Широкая полоса пропускания – обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей, до 350Тгц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну информации в несколько терабит в секунду. Широкая полоса пропускания – это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой информации.

34

Следующее преимущество – малое затухание светового сиг-

нала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2–0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малые значения затухания и дисперсии позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить пропускную способность канала путем передачи различных видов модуляции сигналов и малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготов-

лено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медно-кабель- ных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки, сварка и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа.

Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообра-

зования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2 : 5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Коли-

35

чество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические системы имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и ненадежности лазерных источников излучения.

Кроме того, актуальным является требование специальной защиты прочности волокна. На сегодняшний день с появлением новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптических сетях многие из недостатков устранены.

2.3.2. Методы волнового мультиплексирования

Метод волнового мультиплексирования (Wave Division Multiplexing – WDM) предполагает использование того же принципа частотного разделения каналов, но только в другой области электромагнитного спектра. Информационным сигналом является не электрический ток и не радиоволны, а свет. Для организации WDMканалов в волоконно-оптическом кабеле используются волны инфракрасного диапазона длиной от 850 до 1565 нм, что соответствует частотам от 196 до 350 ТГц. Как правило, используются спектральные каналы в окнах прозрачности 1310 и 1550 нм.

Наряду с WDM-технологией применяется и DWDM-техно- логия.

Термин DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) оз-

начает плотное волновое мультиплексирование, используется по отношению к WDM-устройствам с расстоянием между соседними каналами 1,6 нм и менее.

Мультиплексорам DWDM (в отличие от более традиционных WDM) присущи две отличительные черты:

−использование только одного окна прозрачности 1550 нм,

впределах области усиления EDFA (1530–1560 нм);

−малые расстояния ∆λ между мультиплексными каналами

(3,2 / 1,6 / 0,8 /0,4 или 0,2 нм).

36

На сегодня рекомендацией G.692 сектора ITU-T определены два частотных плана (набор частот, отстоящих друг от друга на некоторую постоянную величину):

частотный план с шагом (разнесением частот между соседними каналами) 100 ГГц (∆λ = 0,8 нм), в соответствии с которым для передачи данных применяется 41 волна (несущие) в диа-

пазоне от 1528,77 (196,1 ТГц) до 1560,61 нм (192,1 ТГц);

частотный план с шагом 50 ГГц (∆λ = 0,4 нм), позволяющий передавать в этом же диапазоне 81 длину волны.

Некоторыми компаниями выпускается также оборудование, называемое оборудованием высокоуплотненного волнового мультиплексирования (High-Dense WDM, HDWDM), способное работать с частотным планом с шагом 25 ГГц.

Первым применением технологии DWDM были протяженные магистрали, предназначенные для связи двух сетей SDH. При такой простейшей двухточечной топологии способность устройств DWDM выполнять коммутацию волн (функцию add-drop) является излишней, однако по мере развития технологии и усложнения топологий сетей DWDM эта функция становится востребованной.

По сути, WDM и DWDM – это реализации идеи частотного аналогового мультиплексирования, но в другой форме. Отличие сетей WDM/DWDM от сетей FDM – в предельных скоростях передачи информации. Если сети FDM обычно обеспечивают на магистральных каналах одновременную передачу до 600 разговоров, что соответствует суммарной скорости в 36 Мбит/с (для сравнения с цифровыми каналами скорость пересчитана из расчета 64 Кбит/с на один разговор), то сети DWDM обеспечивают общую пропускную способность до сотен гигабитов и даже нескольких терабитов в секунду.

Заметим, что в WDM- и DWDM-каналах (спектральных каналах) данные могут кодироваться как дискретным способом, так

ианалоговым.

37

или фильтрации) оптических сигналов разных длин волн – каналов в одно волокн из множества волокон или из одного волокна в несколько волокон. На передающей и приемной сторонах мо-

волокну, не взаимод йствуя между собой (рис. 2.3).

Рис. 2.3 Схема оптического сегмента, использующего передачу мультиплексного сигнала по волокну

Наряду с функцией объединения (рис. 2.4, а) устройства

ройств совмещают режимы мультиплексирования и демультиплексирования в одном устройстве. Такие устройства могут также использоваться для мультиплексирования и демультиплексирования вунаправленных потоков (рис. .4, в).

Мультиплексорам DWDM (в отличие от более традиционных WD M) присущи две отличительные черты:

− использовани только одного окна прозрачности 1550 нм, в пределах области усиления EDFA (1530–1560 нм);

38

− малые расстояния между мультиплексными каналами, обусловленные шириной спектра излучения, ∆λ (3,2 / 1,6 / 0,8 / 0,6 / 0,4 / 0,2 или 0,1 нм).

а

б

в

Рис. 2.4. Устройство WDM: а – мультиплексирование с уплотнением по длинам волн; б – демультиплексирование; в – мультиплексирование/ демультиплексирование встречных потоков (а и б – пример симплексного (однонаправленного) канала передачи, в – пример дуплексного (двунаправленного) канала передачи)

Самым важным параметром в технологии плотного волнового мультиплексирования, бесспорно, является расстояние между соседними каналами.

2.3.3. Элементы волоконно-оптической системы

Передающие оптоэлектронные модули (ПОМ), применяемые в волоконно-оптических системах, предназначены для преобразования электрических сигналов в оптические. Последние должны быть введены в волокно с минимальными потерями.

39

Приемные оптоэлектронные модули (ПРОМ) являются важными элементами волоконно-оптической системы. Их функция – преобразование оптического сигнала, принятого из волокна, в электрический. Последний обрабатывается далее электронными устройствами.

Одним из основных функциональных элементов ПРОМ является фотоприемник, например лавинный фотодиод, преобразующий полученный оптический сигнал в электрическую форму. На рис. 2.5 приведены функциональные элементы приемных оптоэлектронных модулей (ПРОМ) – аналогового и цифрового, а на рис. 2.6 – типы ретрансляторов.

а

б

Рис. 2.5. Функциональные элементы приемных оптоэлектронных модулей (ПРОМ): а – аналогового; б – цифрового

Выпускаются разнообразные приемопередающие оптоэлектронные модули, предназначенные для сетей FDDI, Fast Ethernet (скорость передачи 100 Мбит/с, частота модуляции 125 МГц (завышенные значения частоты модуляции обусловлены спецификой применяемого физического кода линии)), АТМ (STM-1 155 Мбит/с,

(1000 Мбит/с, частота модуляции 1250 МГц) и еще более быстрые,

40