Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620
.pdf
6.1. Плезиохронная цифровая иерархия |
91 |
Принципы синхронизации остаются неизменными для систем передачи всех ступеней иерархии, сколько бы их не было: точно так же выделяются из цифрового потока тактовые импульсы и точно так же для обеспечения синхронной (а, если точнее, синфазной) работы мультиплексоров и демультиплексоров посылаются в линию комбинации импульсов цикловой синхронизации. Правда, некоторые отличия все же есть. О них и пойдет речь дальше.
Дело в том, что в системах передачи, начиная со второй ступени иерархии (это аппаратура ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920 и т.д.), объединение потоков выполняется по принципу чередования битов (на рис. 6.3 дан пример объединения двух потоков). Таких потоков – четыре, и скорость каждого из них 2,048 Мбит/с. Четыре «двери» мультиплексора передающей станции поочередно открываются и пропускают в линию по одному биту из каждого цифрового потока. Разумеется, что они должны успеть это сделать за время, пока данные биты не успели смениться следующими. Затем все снова повторяется.
Понятно, что объединение потоков становится возможным только за счет укорочения в 4 раза длительности передаваемых импульсов, т.е. фактически за счет уменьшения в 4 раза времени передачи каждого из них. Но как же в этом случае ввести в цифровой поток сигнал цикловой синхронизации, ведь места-то для него нет? Вероятно, путь только один – укоротить информационные импульсы еще чуть-чуть. Пусть они немного потеснятся, тогда в цикле передачи появятся «пустые» временные интервалы, в которые и можно будет вставлять синхросигнал.
Вот как это делается практически. Приходящие на вход системы передачи биты из четырех информационных потоков записываются в ячейки памяти ЗУ, а затем считываются с них и направляются в линию. Зачем так делать? Казалось бы, ничего не изменилось, только усложнилась аппаратура. Но это не так. Поскольку шины записи и считывания ЗУ независимы друг от друга, становится возможным записывать биты с одной скоростью, а считывать – с другой, чуть чаще. «Прочитали» содержимое ячеек памяти быстрее – вот и появилась во
Рис. 6.3. Объединение потоков по принципу чередования битов
92 |
Глава 6. Цифровые иерархии |
Рис. 6.4. Формирование «пустых» интервалов в цифровом потоке
времени «дырка» для вставки синхроимпульсов (рис. 6.4). Если импульсы считывания не «отстают» и не «убегают вперед», а «идут» весьма стабильно, то в каждом потоке регулярно появляются «пустые» интервалы. В системе передачи ИКМ-120 таким «пустым» интервалом, не несущим никакой информации, является во всех потоках каждый 33-й интервал. При объединении потоков в линию поочередно посылаются импульсы каждого из них, а так как на указанных «пустых» интервалах ни в одном из потоков никаких информационных импульсов нет, то в общем потоке периодически образуются «дырки» шириной в четыре интервала. В них-то и «вставляют» синхроимпульсы, а так же другую служебную информацию. Напомним, что строгая периодичность синхросигнала – это одно из важнейших свойств, используемое для его распознавания.
Совсем иная картина будет наблюдаться, если местный генератор окажется не очень стабильным. В этом случае главные «часы» цифровой системы передачи (тактовые импульсы) могут «отставать» или «убегать вперед» по сравнению с их нормальным «ходом». В свою очередь, это будет вызывать смещение во времени «пустых» интервалов в каждом цикле передачи, и, значит, нарушится строгая периодичность их повторения. На каком-то этапе может произойти полный сбой в работе системы синхронизации и, как следствие, всей аппаратуры в целом. Чтобы такого не случилось, местные «часы» (тактовые импульсы) нужно систематически «подводить». Подобная процедура реализована практически во всех современных системах передачи высших (начиная со второй) иерархий и называется «согласованием», а иногда «выравниванием»,
6.1. Плезиохронная цифровая иерархия |
93 |
скоростей цифровых потоков, или скоростей следования тактовых импульсов записи и считывания.
Как же все происходит? Специальное устройство из нескольких микросхем (так сказать, «группа контроля») следит за взаимным положением импульсов записи и считывания. Пусть расстояние между соседними парами этих импульсов постепенно начинает уменьшаться. Значит, местный генератор ускорил свой бег и импульсы считывания начали следовать быстрее. Как только контролируемый интервал уменьшится до критической величины, наш строгий контролер подаст сигнал тревоги: «пустой» интервал появился раньше времени. Поскольку ему еще не время появляться, другое устройство (тоже группа микросхем) введет в этот пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. Все происходит так же, как и в случае с нашими часами, когда, подводя их вперед, мы добавляем потерянные секунды. Вот и здесь мы тоже добавляем как бы потерянный импульс. Так достигается согласование, или выравнивание, скоростей записи и считывания цифровых потоков, которое в данном случае на-
зывается положительным (рис. 6.5).
Почему же обязательно нужно вставлять ложный импульс, не лучше ли взять да и притормозить чуть-чуть генератор тактовых импульсов? Нет, этого делать нельзя. Дело в том, что тактовые импульсы
Рис. 6.5. Согласование скоростей цифровых потоков
94 |
Глава 6. Цифровые иерархии |
разных цифровых потоков могут, в принципе, и не совпадать точно друг с другом, а генератор – один на всю систему передачи. Представим, что будет, если начать его непрерывно «дергать», подстраивая то под один цифровой поток, то под другой. Тут единственный путь – вставлять по мере необходимости в каждый из потоков ложные импульсы.
В американской технической литературе описанная выше процедура согласования скоростей называется коротко одним словом: «staffing» что по-русски произносится как стаффинг, а переводится как «вставка».
После того, как в цифровой поток введен ложный импульс, нужно передать на приемную станцию команду: «Внимание! Произошло согласование скоростей». Она служит сигналом для ликвидации на приеме ложного импульса. Такой командой может служить, например, посылка по служебному каналу единичного бита. В качестве служебного канала можно договориться использовать один из «законных» пустых интервалов, не занятый синхроимпульсом. Итак, если на приемной стороне в служебном интервале объединенного цифрового потока появляется 1, это означает, что из выделенного низкоскоростного потока нужно исключить очередной импульс – он ложный. А пока по служебному каналу поступают нули, исключать импульсы не надо – они все информационные.
Посылать по линии команду, состоящую всего из одного бита, крайне неосторожно. Под воздействием помех 1 может превратиться в 0, а 0 в 1, и тогда случится непоправимое – информация будет декодирована неправильно. Поэтому для бoльшей надежности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылая ее 3 раза. В данном случае она будет иметь вид 111. Теперь, если в ней после воздействия помех останется только одна 1, команда все равно будет воспринята. Комбинация же 000 говорит о том, что согласование скоростей не производилось и пока все идет нормально.
До сих пор речь шла о том, что местный генератор может только «убежать вперед». Но с таким же успехом он может и «отставать», вырабатывая импульсы считывания реже, чем необходимо. Может случиться так, что в цифровом потоке уже должен появиться «пустой» интервал, а тактовые импульсы из-за замедленной их скорости до сих пор еще не считали из ЗУ предшествующий ему информационный импульс. Что делать в таком случае? Придется исключить из цифрового потока этот «неудачливый» бит и предоставить времен- нóй интервал «по расписанию» для передачи очередной порции служебной информации (скажем, синхроимпульса). Только так можно согласовать, или выровнять, скорости тактовых импульсов записи и считывания. Такое согласование получило название отрицатель-
ного (рис. 6.5).
6.1. Плезиохронная цифровая иерархия |
95 |
Если местные «часы» системы передачи (тактовые импульсы) подводятся и в ту, и в другую сторону, то одной команды: «Внимание! Произошло согласование скоростей» будет мало. Нужно еще сообщить на приемную станцию, какое согласование произошло: положительное или отрицательное, вставлен ложный импульс или исключен информационный. Для этой цели вводят команду «Вид согласования», посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 при отрицательном. Для надежности ее также повторяют 3 раза. Комбинация 111 во втором служебном канале (организованном также за счет части «пустых» интервалов) будет воспринята как сигнал о том, что в цифровой поток вставлен ложный импульс, а комбинация 000 – что из потока «вырезан» информационный бит. Устройства распознания команд выполнены таким образом, что они сработают даже в том случае, когда в командах «выживут» всего по одному биту, а остальные «погибнут» в борьбе с помехами.
Так что же, исключенный на передаче информационный бит пропадет совсем? Нет. Его посылают вдогонку по третьему служебному каналу, причем для верности тоже повторяют 3 раза. Итак, приемник цифровой системы передачи по первой команде (комбинация 111) узнает, что произошло согласование, по второй команде поймет, что нужно или ликвидировать ложный импульс (комбинация 111), или восстановить пропущенный информационный (комбинация 000), а по информации, взятой из третьего служебного канала, определит, какой бит пропущен – 1 (комбинация 111) или 0 (комбина-
ция – 000).
Объединение потоков с выравниванием скоростей получило название плезиохронного (почти синхронного), а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а, значит, и систем передачи типа ИКМ – плезиохронной цифровой иерархией (в англоязыч-
ном написании Plesiohronous Digital Hierarhy – PDH).
Плезиохронная цифровая иерархия была разработана в начале 80-х годов прошлого столетия. На системы передачи данной иерархии возлагались большие надежды. Однако она оказалась очень негибкой: чтобы вводить в цифровой поток высокоскоростной или выводить из него низкоскоростные потоки, необходимо полностью «расшивать», а затем снова «сшивать» высокоскоростной поток. Это требует установки большого числа мультиплексоров и демультиплексоров. Ясно, что делать эту операцию часто весьма дорого. На рис. 6.6 показана операция выделения потока со скоростью 2 Мбит/с из PDH потока со скоростью 140 Мбит/с.
В этом случае пришлось один поток со скоростью 140 Мбит/с демультиплексировать в четыре потока со скоростями 34 Мбит/с; затем один поток в 34 Мбит/с – в четыре потока 8 Мбит/с и только после этого «расшить» один поток 8 Мбит/с на четыре потока со скоростями
96 |
Глава 6. Цифровые иерархии |
Рис. 6.6. Выделение сигнала со скоростью 2 Мбит/с из плезиохронного цифрового потока 140 Мбит/с
2 Мбит/с. Только таким сложным путем можно вывести или ввести поток пользователя в PDH-системах передачи.
Недостатком систем передачи плезиохронной цифровой иерархии является также то, что при нарушении синхронизации группового сигнала восстановление синхронизации первичных цифровых потоков происходит многоступенчатым путем, а это занимает довольно много времени. В настоящее время среди систем передачи PDH «выживают» только системы первого уровня иерархии, снабженные новой аппаратурой так называемого гибкого мультиплексирования, которая обеспечивает кроссовые соединения каналов 64 кбит/с; выделение и ввод отдельных каналов 64 кбит/с в любом наборе; пользовательские интерфейсы от двухпроводных окончаний для телефона до окончаний базового доступа в цифровую сеть с интеграцией услуг; видеоконференцсвязь и многое другое. Можно сказать, что гибкие мультиплексоры немного продлили жизнь PDH систем.
Но самое главное, что заставило уже в середине 80-х годов XX в. искать новые подходы к построению цифровых иерархий систем передачи, это почти полное отсутствие возможностей автоматически контролировать состояние сети связи и управлять ею. А без этого создать надежную сеть связи с высоким качеством обслуживания практически невозможно. Все эти факторы и побудили разработать еще одну цифровую иерархию.
6.2. Синхронная цифровая иерархия
Синхронные транспортные модули. Новая цифровая иерархия была задумана как скоростная информационная автострада для
6.2. Синхронная цифровая иерархия |
97 |
Рис. 6.7. Структура синхронного транспортного модуля STM-1
транспортирования цифровых потоков с разными скоростями. В этой иерархии объединяются и разъединяются потоки со скоростями 51,84 Мбит/с;155,52 Мбит/с и более высокие по скорости (табл. 6.1). Поскольку способ объединения потоков был выбран синхронный, то данная иерархия получила название синхронной цифровой иерархии
(Synchronous Digital Hierarchy – SDH).
Для транспортирования цифрового потока со скоростью 155 Мбит/c создается синхронный транспортный модуль (Synchronous Transport Module) STM-1. Его упрощенная структура дана на рис. 6.7. Модуль представляет собой фрейм (рамку) 9 270 = 2430 байт. Кроме передаваемой информации (называемой в литературе полезной нагрузкой), он содержит в 4-й строке указатель (Pointer, PTR), определяющий начало записи полезной нагрузки.
Чтобы определить маршрут транспортного модуля, в левой части рамки записывается секционный заголовок (Section Over Head – SOH). Нижние 5 9 = 45 байтов (после указателя) отвечают за доставку информации в то место сети, к тому мультиплексору, где этот транспортный модуль будет переформировываться. Данная часть заголовка так и называется: секционный заголовок мультиплексора (MSOH). Верхние 3 9 = 27 байтов (до указателя) представляют собой секционный заголовок регенератора (RSOH), где будут осуществляться восстановление потока, «поврежденного» помехами, и исправление ошибок в нем.
Один цикл передачи включает в себя считывание в линию такой прямоугольной таблицы. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице). Продолжительность цикла передачи STM-1 составляет 125 мкс, т.е. он повторяется с частотой 8 кГц. Каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит 8 кГц = 64 кбит/с. Значит, если тратить на передачу в
98 |
|
|
Глава 6. Цифровые иерархии |
|
|
Т а б л и ц а 6.1. Синхронная цифровая иерархия |
|||
|
|
|
|
|
|
Уровень |
Тип синхронного |
Скорость передачи, Мбит/с |
|
|
иерархии |
транспортного модуля |
|
|
|
|
|
||
|
0 |
STM-0 |
51,84 |
|
|
1 |
STM-1 |
155,52 |
|
|
4 |
STM-4 |
622,08 |
|
|
16 |
STM-16 |
2488,32 |
|
|
64 |
STM-64 |
9953,28 |
|
|
256 |
STM-256 |
39813,12 |
|
линию каждой прямоугольной рамки 125 мкс, то за секунду в линию будет передано 9 270 64 Кбит/c = 155520 Кбит/с, т.е. 155 Мбит/с.
Для создания более мощных цифровых потоков в SDH-системах формируется следующая скоростная иерархия (табл. 6.1): 4 модуля STM-1 объединяются путем побайтового мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; наконец 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мбит/с).
На рис. 6.8 показано формирование модуля STM-16. Сначала каждые 4 модуля STM-1 с помощью мультиплексоров с четырьмя входами объединяются в модуль STM-4, затем четыре модуля STM-4 мультиплексируются таким же 4-входовым мультиплексором в модуль
Рис. 6.8. Формирование синхронного транспортного модуля STM-16
6.2. Синхронная цифровая иерархия |
99 |
STM-16. Однако существует мультиплексор на 16 входов, с помощью которого можно одновременно объединить 16 модулей STM-1 в мо-
дуль STM-16.
Формирование модуля STM-1. В сети SDH применены принципы контейнерных перевозок. Подлежащие транспортировке сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах (Container – C). Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем и достигается прозрачность сети SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы, в частности, сигналы PDH.
Наиболее близким по скорости к первому уровню иерархии SDH (155,520 Мбит/c) является цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с, образуемый на выходе аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-1920. Его проще всего разместить в модуле STM-1. Для этого поступающий цифровой сигнал сначала «упаковывают» в контейнер (т.е. размещают на определенных позициях его цикла), который обозначается С-4.
Рамка контейнера С-4 содержит 9 строк и 260 однобайтовых столбцов. Добавлением слева еще одного столбца – маршрутного или трактового заголовка (Path Over Head – POH) – этот контейнер преобразуется в виртуальный контейнер VC-4.
Наконец, чтобы поместить виртуальный контейнер VC-4 в модуль STM-1, его снабжают указателем (PTR), образуя таким образом административный блок AU-4 (Administrative Unit), а последний помещают непосредственно в модуль STM-1 вместе с секционным заго-
ловком SOH (рис. 6.9. и рис. 6.7).
Синхронный транспортный модуль STM-1 можно загрузить и плезиохронными потоками со скоростями 2,048 Мбит/с. Такие потоки формируются аппаратурой ИКМ-30, они широко распространены в современных сетях. Для первоначальной «упаковки» использует-
Рис. 6.9. Размещение контейнеров в модуле STM-1
100 |
Глава 6. Цифровые иерархии |
ся контейнер С12. Цифровой сигнал размещается на определенных позициях этого контейнера. Путем добавления маршрутного, или транспортного, заголовка (POH) образуется виртуальный контейнер VC-12. Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончаниях трактов.
В модуле STM-1 можно разместить 63 виртуальных контейнера VC-12. При этом поступают следующим образом. Виртуальный контейнер VC-12 снабжают указателем (PTR) и образуют тем самым транспортный блок TU-12 (Tributary Unit). Теперь цифровые потоки разных транспортных блоков можно объединять в цифровой поток 155,520 Мбит/с (рис. 6.10). Сначала три транспортных блока TU-12 путем мультиплексирования объединяют в группу транспортных бло-
ков TUG-2 (Tributary Unit Group), затем семь групп TUG-2 мультиплек-
сируют в группы транспортных блоков TUG-3, а три группы TUG-3 объединяют вместе и помещают в виртуальный контейнер VC-4. Далее путь преобразований известен.
На рис. 6.10 показан также способ размещения в STM-1 трех потоков 34,368 Мбит/с. Также возможно сцепление контейнеров для размещения других цифровых потоков, не относящихся к PDH, например, потоков Ethernet 10/100/1000 и 10 000 Мбит/с. Плезиохронные цифровые потоки всех уровней размещаются в контейнерах С с использованием процедуры выравнивания скоростей (положительного, отрицательного и двухстороннего).
Наличие большого числа указателей (PTR) позволяет совершенно четко определить местонахождение в модуле STM-1 любого цифрового потока со скоростями 2,048; 34,368 и 139,264 Мбит/с. Выпускаемые промышленностью мультиплексоры ввода-вывода (Add/Drop Multiplexer – ADM) позволяют ответвлять и добавлять любые цифровые потоки.
Рис. 6.10. Ввод плезиохронных цифровых потоков в синхронный транспортный модуль STM-1