2.2.2 Обзор существующих технологий передачи данных

В настоящее время широкое распространение получили три технологии глобальных сетей связи, использующие оптическое волокно как среду передачи: PDH – плезиохронная цифровая иерархия, SDH – синхронная цифровая иерархия и WDM – технология волнового мультиплексирования. Первые две технологии (PDH и SDH) наиболее широко используются на отечественной сети волоконной сети связи [18].

Технология PDH(Plesiochronous Digital Hierarchy, плезиохронная цифровая иерархия) – цифровой метод передачи данных и голоса, основанный на временном разделении канала и технологии представления сигнала с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Технология PDH поддерживает следующие уровни иерархии цифровых каналов: абонентский или основной канал Е0 и пользовательские каналы уровней Е1, Е2, ЕЗ, Е4. В Европе действует отличный от остальных стран стандарт технологии PDH, согласно европейскому стандарту для передачи объединяется 32 канала по 64 кбит/с. 30 из этих каналов используются для передачи данных, 2 служебных канала используются для передачи сигналов управления и сигнализации. Последующие уровни иерархии образуются мультиплексированием четырех потоков предыдущего уровня. Таким образом, скорость передачи на следующих уровнях составляет 8 Мбит/с, 34 Мбит/с и 140 Мбит/с. На более высоких уровнях агрегация потоков происходит побитно, а не побайтно, как на первом уровне.

В технологии PDH в качестве входного используется сигнал основного цифрового канала(ОЦК), а на выходе формируется поток данных со скоростями n × 64 кбит/с (таблица 2.1).

Таблица 2.1 – Общие характеристики ОЦК и сетевых трактов PDH

Уровень PDH/ПЦИ	Номинальная скорость передачи, кбит/с
Е0	64
Е1	2048
Е2	8448
ЕЗ	34368
Е4	139264

Япония и Северная Америка использует другие стандарты технологии PDH, отличающиеся количеством объединяемых потоков. По этому стандарту на первом уровне объединяется 24 канала по 64 кбит/с. Соответственно на втором и третьем уровне цифровые потоки передаются на скоростях 6 Мбит/с и 45 Мбит/с соответственно.

Технология PDH обладает рядом недостатков, а именно: затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах; отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления; многоступенчатое восстановление синхронизма требует достаточно большого времени.

Указанные недостатки PDH и желание их преодолеть привели к разработке в США иерархии нового типа – иерархии синхронной оптической сети SONET, а в Европе – аналогичной ей синхронной цифровой иерархии SDH. Обе иерархии были рассчитаны на использование ВОК как среды передачи, допускающей меньшее затухание при большей допустимой скорости передачи.

Технология SDH(Synchronous Digital Hierarchy, синхронная цифровая иерархия) – технология передачи высокоскоростных данных на большие расстояния с использованием в качестве физической среды проводных, оптических и радиолиний связи. Она является базовой сетевой технологией и представляет собой современную концепцию построения цифровой первичной (транспортной) сети. В настоящее время эта технология достигла своего совершенства как одна из наиболее разработанных и стандартизованных. Скорости для SDH уже не ограничиваются 500 Мбит/сек, как это было в PDH.

Сети SDH, несмотря на их очевидные преимущества перед сетями PDH, не имели бы такого успеха, если бы не обеспечивали преемственность и поддержку стандартов PDH обоих иерархий. Цифровые каналы PDH являются входными (полезной нагрузкой) для пользовательских интерфейсов сетей SDH. Применительно к европейскому стандарту интерфейсы передачи уровней E1, ЕЗ, Е4 PDH (в соответствии с Рекомендацией G.703) являются входными каналами для транспортной сети SDH, в которой они передаются по сетевым трактам в магистралях сети в виде виртуальных контейнеров соответствующего уровня. Цифровая первичная (транспортная) сеть, как правило, строится на основе совокупности аппаратуры PDH и SDH. Технологии PDH и SDH взаимодействуют друг с другом через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков Е1, ЕЗ и Е4 PDH в аппаратуре SDH.

Технология SDHобладает следующими особенностями:

• Поддержка в качестве входных сигналов каналов доступа только трибов PDH и SDH.

• Трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются уровнем триба в иерархии PDH. Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы двумя различными способами. Контейнеры нижних уровней могут, например, мультиплексироваться (т. е. составляться вместе) и использоваться в качестве полезной нагрузки контейнеров верхних уровней (т.е. большего размера), которые, в свою очередь, служат полезной нагрузкой контейнера самого верхнего уровня (самого большого размера) – фрейма STM-1. Такое группирование может осуществляться по жесткой синхронной схеме, при которой место отдельного контейнера в поле для размещения нагрузки строго фиксировано. С другой стороны, из нескольких фреймов могут быть составлены новые (более крупные) образования – мультифреймы.

• Положение виртуального контейнера может определяться с помощью указателей, позволяющих устранить противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной нагрузки.

• Несколько контейнеров одного уровня могут быть составлены вместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер.

• В SDHпредусмотрено формирование отдельного поля заголовков размером 9·9 = 81 байт.

Принцип SDHоснован на упаковке входящих цифровых потоков (Е1, Е2, АТМ и т.д.) в виртуальные контейнеры, которые затем синхронно мультиплексируются и передаются в нужную точку сети. Блоки STM имеют кадровую структуру. Кадры передаются синхронно с периодичностью 125 мкс. Иерархия SDH имеет уровни, кратные четырем, которые приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Уровни иерархии и скорости передачи SDH

Уровень SDH/СЦИ	Номинальная скорость передачи, Мбит/с
STM-0 (STS-1)	51,84
STM-1	155,52
STM-4	622,08
STM-16	2488,32
STM-64	9953,28
STM-256	39813,12

Существует несколько способов увеличения пропускной способности систем передачи информации. Большинство из них сводится к одному из методов уплотнения компонентных информационных потоков в один групповой, который передается по линии связи. В современных системах связи наиболее широкое применение нашел метод многоволнового мультиплексирования оптических несущих (WDM).

Технология WDM(Wavelength Division Multiplexing) позволяет создавать гибкие разветвленные оптические сети с практически неограниченными возможностями роста полосы пропускания. Ее суть заключается в том, что по одному оптическому волокну одновременно передаются несколько информационных каналов на разных длинах волн, что позволяет максимально эффективно использовать возможности оптического волокна.

Первые системы WDM имели два канала в окнах 1330 и 1550 нм. Для этого установлен стандарт длин волн, представляющий собой сетку оптических частот, в которой расписаны регламентированные значения оптических частот в диапазоне 196,1-192,1 ТГц с интервалами 100 ГГц и длины волн - 1528,77-1560,61 нм с интервалом 0,8 нм. Стандарт состоит из 41 длины волны, т.е. рассчитан на 41 спектральный канал. Но на практике используется 39 каналов из представленной сетки частот, поскольку два крайних не используются, так как они находятся на склонах частотной характеристики оптических усилителей, применяемых в системах WDM.

В последнее время установилась четкая тенденция уменьшения частотного интервала между спектральными каналами до 50 ГГц и даже до 25 ГГц, что приводит к более плотному расположению спектральных каналов в отведенном диапазоне длин волн (1530-1565 нм). Так появилась технология плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense WDM) с 8, 16, 32, 64 каналами.

Принцип передачи сигналов нескольких передатчиков по одному волокну с использованием DWDM отражен на рисунке 2.1. Сигналы разных длин волн, генерируемые несколькими оптическими передатчиками, объединяются мультиплексором в многоканальный составной оптический сигнал, который далее распространяется по оптическому волокну. При необходимости используются транспондеры, которые переносят сигнал передатчика на нужную длину волны. Объединение оптических сигналов происходит в пассивных устройствах. Потому на выходе мультиплексора устанавливается оптический усилитель, чтобы поднять мощность передатчика до нужного уровня. При больших длинах линий связи могут дополнительно устанавливаться промежуточные усилители.

Рисунок 2.1 – Типовая транспортная сеть на основе технологии DWDM

На приемной стороне установлен демультиплексор, который принимает составной сигнал, выделяет из него исходные каналы разных длин волн и направляет их на соответствующие приемники. Возможна также установка мультиплексоров ввода-вывода в промежуточных узлах. В технологии DWDM повышение пропускной способности волоконно-оптической линии связи происходит не путем увеличения скорости передачи в едином составном канале, а путем увеличения числа каналов (длин волн), применяемых в системах передачи.

Для того чтобы оборудование и компоненты систем DWDM были взаимозаменяемы и могли взаимодействовать между собой, необходимо использовать стандартный набор частот, на которых ведется передача сигналов. Стандартные частоты располагаются выше и ниже этой частоты с частотным интервалом в 50 ГГц. Стандартные длины волн расположены в оптических диапазонах «С» и «L» – по 80 в каждом. Помимо этого, каждый диапазон разделен на два поддиапазона – синий и красный с более высокими и более низкими частотами соответственно. Таким образом, стандартная наибольшая скорость передачи по каналу в этом случае должна быть не более 10 Гбит/с (STM-64). Можно использовать набор частот с шагом в 100 или 200 ГГц, но с увеличением разноса между частотами уменьшается возможное количество каналов.

Технология спектрального уплотнения имеет огромные преимущества. Рост пропускной способности при использовании технологии DWDM осуществляется без дорогостоящей замены оптического кабеля. Достаточно только лишь установить соответствующее оборудование. Притом, при достаточно хорошем качестве линии связи, данная технология позволяет постепенно наращивать пропускную способность транспортной сети путем введения дополнительных оптических несущих. Тем самым обеспечивается громадный запас пропускной способности сети при умелом ее планировании с учетом тенденций роста объемов передаваемого трафика. Можно увеличить жизненный цикл оборудования, тем самым, получив дополнительную прибыль от ее эксплуатации.

Применение технологии DWDM позволяет операторам связи использовать одну волоконно-оптическую линию связи для организации нескольких «виртуальных волокон». Целесообразно использовать одно волокно вместо нескольких, так как не используются лишние оптические усилители, а также проще проводить мониторинг и обслуживание сети. DWDM технологияполучает все большее распространение при построении и модернизации волоконно оптических линий связи большой пропускной способности.