Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Книга ЭВМ.docx
Скачиваний:
27
Добавлен:
12.11.2018
Размер:
10.04 Mб
Скачать

титульник

замечания руководителя по пояснительной записке КР

Оглавление

Предисловие 5

Введение 7

Список сокращений 9

Краткое введение в системы передачи и сети SDH 22

Общие сведения 22

Краткий исторический обзор 27

Основные понятие о системах передачи и сетях SDH 41

Основные принципы построения сетей SDH 45

Основы построения систем передачи SDH 50

Состав, назначения и возможности основного оборудования 50

Построение циклов передачи синхронных транспортных модулей 60

Построение синхронных мультиплексоров 90

Сравнительный анализ плезиохронных и синхронных цифровых систем передачи 113

Особенности построения синхронных линейных трактов 133

Структура и основные параметры синхронных линейных трактов 133

Одномодовые оптические волокна и их параметры 140

Построение оптических передатчиков 160

Построение оптических приемников 177

Построение регенерационных секций 195

Перспективы развития волоконно-оптических линейных трактов 209

Основы построения сетей SDH 247

Топология сетей SDH 248

Архитектура сетей SDH 256

Основы проектирования сетей SDH 269

Основы управления сетями SDH 282

Краткое введение в систему управления сетями 282

Архитектура сети управления телекоммуникациями 288

Общая схема управления сетью SDH 296

Практические методы управления сетью SDH 308

Основы технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH 323

Измерение параметров систем передачи и сетей SDH при различных испытаниях 324

Концепция технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH 332

Эксплуатационные измерения параметров систем передачи SDH 356

Краткое описание системы передачи SDH типа AXD-2500 компании ERICSSON 367

Назначение, состав и технические данные системы передачи 367

Основные возможности системы передачи 380

Особенности построения блоков системы передачи 400

Список литературы 422

Предисловие

Широкое и повсеместное внедрение технологии SDH на транспортных сетях и сетях доступа требует соответствующей подготовки технических специалистов, выпускаемых вузами и кафедрами телекоммуникаций, а также переподготовки инженеров-связистов, выпущенных 8-10 лет назад. К сожалению, сих пор отсутствует специализированный учебник или учебное пособие по технологии SDH.

Настоящим изданием предпринята попытка частично устранить этот пробел. В предлагаемой книге достаточно подробно изложены основы построения систем передачи и сетей SDH, рассмотрены особенности построения и перспективы развития синхронных линейных трактов, а также основы управления сетями SDH и основы технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH. Монография состоит из введения, семи разделов и заключения.

Первый раздел является вводным. В нем изложены общие сведения: возникновение и развитие систем передачи SDH; краткий обзор основных международных рекомендаций по технологии SDH; основные понятия, термины и определения; общие требования к оборудованию, системам передачи и сетям SDH; основные принципы построения сетей SDH - классификация сетей, слои транспортной сети и основные звенья модели сети.

Во втором разделе приведены основы построения систем передачи SDH: состав, назначение и возможности основного оборудования; построение циклов передачи синхронных транспортных модулей; построение синхронных мультиплексоров; сравнительный анализ плезиохронных ЦСП и систем передачи SDH.

Третий раздел посвящен построению синхронных линейных трактов, т. е. линейных трактов систем передачи SDH. В этом разделе рассматриваются: одномодовые оптические волокна и их параметры; особенности построения оптических передатчиков, приемников и линейных регенераторов; перспективы развития волоконно-оптических линейных трактов на основе волнового мультиплексирования оптических сигналов, использования технологий солитонной передачи, когерентного приема и усилителей оптических сигналов.

В четвертом разделе кратко рассмотрены основы построения сетей SDH, где описаны различные топологии сетей, их архитектура и основы проектирования, приведен пример проектирования сети.

В пятом разделе изложены основы управления сетями SDH. В нем приводятся задачи системы управления, уровни и функции системы управления и модель системы управления сетями. Далее в этом разделе рассматривается общая схема управления сетью SDH, подсети сети управления, протоколы и внутрисистемные взаимодействия, внутренние интерфейсы сети управления и практические методы управления сетью SDH.

Шестой раздел отведен основам технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH, где рассмотрены следующие основные вопросы: концепция технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH, измерения их параметров при различных испытаниях и эксплуатационные измерения систем передачи и сетей SDH.

В седьмом, заключительном разделе кратко описана система передачи SDH уровня STM-16 типа AXD-2500 компании Ericsson. Рассмотрены назначение, состав, основные технические данные и структурные схемы элементов указанной системы передачи; кратко изложены ее основные возможности; приведены и описаны структурные схемы основных блоков, образующих систему передачи.

Монография рассчитана на подготовленного читателя, изучившего учебные дисциплины «Цифровые системы передачи» и «Волоконно-оптические системы передачи» в объеме 100 - 120 ч каждая на специализированных кафедрах или самостоятельно освоившего материал указанных учебных дисциплин, например, по работам [15, 31, 83].

В книге не везде удалось выдержать необходимую строгость и методически целесообразную последовательность изложения материала, не все типы оборудования систем передачи SDH описаны достаточно подробно. Фирмы, производящие и поставляющие оборудование технологии SDH на рынок, подробные описания не представляют, в большинстве случаев они ограничиваются рекламными проспектами. Вместе с тем предпринята попытка написать книгу, которая помогла бы читателю овладеть технологией SDH - изучить системы передачи SDH и их возможности для построения современных транспортных сетей связи.

Введение

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 Δf = 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].

Предлагая читателям эту монографию, автор 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.

Список сокращений

АА - Area Address - адрес области

ACSE - Association Control Service Element - сервисный элемент ассоциированного управления

ACTS - Advanced Communication Technologies and Services - перспективные технологии коммуникаций и услуг

ADM - Add/Drop Multiplexer - мультиплексор ввода/вывода

AFI - Autority and Format Identifier - идентификатор полномочий и формата

AIS - Alarm Indication Signal - сигнал индикации аварии

AITS - Asknowledged Information Transfer Service - передача информации с подтверждением приема

ALS - Automatic Laser Shutdown - система автоматического выключения (гашения) лазера

AMI - Alternate Mark Inversion - чередование полярности импульсов

ANSI - American National Standart Institute - Американский национальный институт стандартов

АР - Area Part - часть региона

APS - Automatic Protection Switching - автоматическое защитное переключение

APT - Application Process Title - заголовок процесса приложения

ASIC - Application Special Integrated Circuit - интегральная микросхема специального применения

ATM - Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим переноса

AU - Administrative Unit - административный блок

AUG - Administrative Unit Group - групповой административный блок, или группа административных блоков

AUI - Auxiliary Unit Interface - соединительный интерфейс модуля

AUX - Auxiliary - внешний физический интерфейс (блок для внешних подключений)

AWG - Array Waveguide Grating - решетка массива волноводов

ВВЕ - Background Blok Error - блок с фоновыми ошибками

BBER - Background Blok Error Ratio - коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками

BIP - Bit Interleaved Parity - четность чередующихся битов

ВМ - Business Manager - бизнес-менеджер

СATT - Configuration and Test Tool - средство конфигурации и тестирования

CCITT - Consultative Committee on International Telephony and Telegraphy - Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии

СID - Consecutive Identical Digit - соседние идентичные разряды

CLNP - Connectionless Network Layer Protocol - сетевой протокол уровня без установления соединения

CLNS - Connection-Less-mode Network Service - сетевой сервис режима без установления соединения

CMI - Coded Mark Inversion - код с изменением полярности

CMIP - Common Management Information Protocol - протокол общей управляющей информации

СМIS - Common Management Information Service - сервис общей управляющей информации

CONP - Connection Oriented Network-layer Protocol - сетевой протокол с установлением соединений

CONS - Connection-Оriented-mode Network Service - сетевой сервис режима с установлением соединений

CSES - Consecutive Severely Errored Seconds - последовательные секунды с серьезными ошибками

DACS - Digital Access Cross-Connect System - цифровая аппаратура доступа с кроссированием (кросс-соединением) цифровых потоков

DCC - Data Communication Channel - канал передачи данных

DCF - Data Communication Function - функция передачи данных

DCN - Data Communication Network - сеть передачи данных

DCS - Digital Cross-Connect System - система цифрового кросс-соединения

DH - Hybrid Data - гибридный набор данных

DIM - Drop/Insert Multiplexer - мультиплексор выделения/вставки

DMUX - Demultiplexer - демультиплексор

DP - Domain Part - часть области

DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing - плотное волновое мультиплексирование

DXC - Digital Cross-Connector - цифровой кросс-коннектор

EB - Errored Block - блок с ошибками

ЕС - External Cavity (laser) - (лазер) с внешним резонатором

ЕСС - Embedded Control Channel - встроенный канал управления

EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier - эрбиевый волоконно-оптический усилитель

ЕМ - Element Manager - элемент-менеджер

ES - Errored Second - секунда с ошибками

ES-IS - End Sistem - to - Intermediate System - протокол связи (взаимодействия) между оконечной и промежуточной системами

ESR - Errored Second Ratio - коэффициент ошибок по секундам с ошибками

ETSI - European Telecommunications Standarts Institute - Европейский институт стандартов по связи

Ехс - Excessive errors - слишком много ошибок

FEBE - Far End Block Error - блок с ошибками на дальнем конце

FERF - Far End Receive Failure - сбой (авария) в приеме на дальнем конце

FIFO - First Input First Output - первый на входе - первый на выходе

FS - Fixed Stuff - фиксированный наполнитель (балласт)

FTAM - File Transfer, Access and Management - передача файла, доступа и менеджмента

GFP - Generic Framing Procedure - общая процедура кадрирования

GNE - Gateway Network Element - шлюзовый элемент сети

GPS - Global Positioning System - глобальная система позиционирования

HDB-3 - High-Density Bipolar code of order 3 - двухполярный код с высокой плотностью единиц (не более трех нулей подряд)

HMA - Human-Machine Adaptation - человеко-машинная адаптация

HWDM - High-Dense Wavelength Division Multiplexing - высокоплотное волновое мультиплексирование

ICF - Information Conversion Function - функция преобразования информации

IDI - Initial Domain Identifier - идентификатор начальной области

IFU - Interworking Functional Unit - функциональный блок взаимодействия

INT - Internal - внутренний

IP - Internet Protocol - межсетевой протокол

IRU - Intermediate Regenerator Unit - блок промежуточного регенератора

ISDN - Integrated Services Digital Network - цифровая сеть интегрированного обслуживания

IS-IS - Intermediate System - to - Intermediate System - протокол взаимодействия между промежуточными системами передачи

ISO - International Standartization Organization - Международная организация по стандартизации

ITM - Integrated Transport Management - интегрированное управление транспортной сетью

ITU-T - International Telecommunication Union - Telecommunication Standartization - Международный союз электросвязи - Сектор стандартизации

IWU - Interworking Unit - блок взаимодействия

LAW - Local Area Network - локальная (вычислительная) сеть

LAP - Link Access Procedure for the D Channel - протокол доступа к звену данных для D-канала

LCAP - Local Craft Access Panel - местная панель доступа оператора

LCN - Local Communications Network - локальная сеть связи

LCS - Lower order Connection Supervision - контроль соединений нижнего уровня

LNC - Local Node Clock - таймер локального (местного) узла

LOF - Loss of Frame - потеря цикла передачи (фрейма)

LOM - Loss of Multiframe - потеря сверхцикла

LOP - Loss of Pointer - потеря указателя

LOS - Loss of Signal - потеря сигнала

LOT - Local Operator Terminal - терминал локального оператора

LPR - Local Primary Reference - локальный первичный эталон

LR - Line Regenerator - линейный регенератор

LTI - Loss of Timming Inputs - потеря синхронизации на входе

LXC - Local Cross-Connector - локальный кросс-коннектор

MAP - Management Application Function - функция управляющего приложения

MCF - Message Communication Function - функция передачи сообщений

MCU - Management and Communication Unit - блок управления и связи

MD - Mediation Device - устройство сопряжения (медиатор)

MDF - Mediation Function - функция устройств сопряжения (медиаторная функция)

MIB - Management Information Base - база управляющей информации

MMSB - Multi Master Serial Bus - многоцелевая последовательная шина

МО - Managed Object - управляемый объект

MS - Multiplex Section - мультиплексная секция

MSOH - Multiplex Section Overhead - заголовок мультиплексной секции

MSP - Multiplex Section Protection - защита мультиплексной секции

MTS - Multiplexer Timing Source - источник синхронизации мультиплексоров

MUX - Multiplexer - мультиплексор

NDF - New Data Flag - флаг новых данных

NE - Network Element - элемент сети

NEF - Network Element Function - функция сетевого элемента

NFM - Network Fail Management - управление отказами в сети

NLR - Network Layer Relay - ретрансляция на сетевом уровне

NM - Network Manager - сетевой менеджер

NMS - Network Management System - система управления сетью

NNE - Non-Network Element - элемент, не являющийся частью сети SDH

NNI - Network Node Interface - интерфейс сетевого узла

NNI - Network-Network Interface - интерфейс сеть - сеть

NOC - Network Operation Centre - центр управления сетью

NPDU - Network Protocol Data Unit - сетевой протокольный блок данных

NPI - Null Pointer Indicator - индикатор нулевого значения указателя

NRZ - Non Return to Zero - (код) без возврата к нулю

NS - Network Selection - сетевой селектор

NSAP - Network Service Access Point - точка доступа сетевого сервиса

NU - National Use Byte - байт для национального использования в данной стране

ODM - Optical Demultiplexer - оптический демультиплексор

OFS - Out of Frame Second - секунда, содержащая сигнал OOF

ОНА - OverHead Access - доступ к заголовку

OLS - Optical Line System - оптическая линейная система

ОМ - Optical Multiplexer - оптический мультиплексор

OOF - Out of Frame - выход за границы фрейма

ОРМ - Optical Power Meter - измеритель оптической мощности

OS - Operating System - операционная (управляющая) система

OS - Optical Section - оптическая секция

OSF - Operations System Function - функция управляющей системы

OSI - Open Systems Interconnection - взаимодействие открытых систем

PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy - плезиохронная цифровая иерархия

PDU - Protocol Data Unit - протокольный блок данных

PF - Presentation Function - функция представления

PJE - Pointer Justification Event - факт выравнивания указателя

PL - Payload - полезная нагрузка

PM - Parameters Management - контроль параметров

РОH - Path Overhead - трактовый заголовок

PRS - Primary Reference Source - первичный эталонный источник

PSD - Protection Switch Duration - длительность (определенного) защитного переключения

PSM - PDH-to-SDH Mediator - система или звено связи сетей PDH и SDH

PSN - Packet Switched Network - сеть пакетной коммутации

PSPDN - Packet Switched Public Data Network - сеть передачи данных общего пользования с пакетной коммутацией

QA - Q-Adapter - адаптер, позволяющий подключать оборудование, имеющее несовместимые с TMN интерфейсы

QoS - Quality of Service - качество обслуживания

RFI - Remote Fail Indicator - индикатор удаленной аварии

RMOSI - Open Sistems Interconnection/Reference Model - эталонная модель взаимодействия открытых систем

RS - Regenerator Section - регенерационная секция

RSOH - Regenerator Section OverHead - заголовок регенерационной секции

RST - Regenerator Section Termination - окончание регенерационной секции

RXU - Receiver Unit - блок оптического приемника

SD - Signal Degrade - ухудшение качества (деградация) сигнала

SDH - Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия

SDXC - Synchronous Digital Cross-Connector - синхронный цифровой кросс-коннектор

SEMF - Synchronous Equipment Management Functionфункция обслуживания аппаратуры систем передачи SDH

SES - Severely Errored Second - секунда с серьезными ошибками

SESR - Severely Errored Second Ratio - коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками

SETS - Synchronous Equipment Timing Source - хронирующий источник синхронного оборудования

SF - Subframeсубфрейм

SID - System Identifier - идентификатор системы

SIM - Service Interface Module - сервисный интерфейсный модуль

SIRPIT - Serial in Receive Parallel in Transmit - последовательный на приеме - параллельный на передаче

SL - Synchronous Line link - синхронная (SDH) линия

SLM - Signal Label Mismatch - несовпадение типа сигнала

SLM - Synchronous Line Multiplexer - синхронный линейный мультиплексор

SM - Service Manager - сервис-менеджер

SM - Synchronous Multiplexer - синхронный мультиплексор

SMN - SDH Management Network - сеть управления SDH

SMS - SDH Management Subnetwork - подсеть сети управления SDH

SMUX - Synchronous Multiplexer - синхронный мультиплексор

SNDCF - Sub-Network Dependent Convergence Function - функция соединения, зависящая от подсети

SOH - Section OverHead - секционный заголовок

SONET - Synchronous Optical Network - синхронная оптическая сеть

SPI - SDH Physical Interface - физический интерфейс сигнала SDH

SSM - Synchronization Status Message - сообщение о статусе синхронизации

STM-N - Synchronous Transport Module of level N - синхронный транспортный модуль уровня N, где N = 1, 4, 16, 64, 256

STM-RR - Synchronous Transport Module for Radio Relay link - синхронный транспортный модуль для радиорелейных систем передачи SDH

SU - Standard Unit - стандартный блок

SU - Support Unit - блок управления (обеспечения)

Sub-MTS - Sub-Multiplexer Timing Source - субмультиплексный источник хронирования

SVC - Switched Virtual Circuit - коммутируемая виртуальная цепь

SXC - Synchronous Cross-Connector - синхронный кросс-коннектор

ТА - Terminal Adapter - терминальный адаптер

TDM - Time Division Multiplexing -мультиплексирование с разделением по времени

TF - Transmission Fail - сбой при передаче

TIM - Trace Identifier Mismatch - несовпадение идентификатора трассировки

TIM - Traffic Interface Module - интерфейсный модуль трафика

TM - Terminal Multiplexer - терминальный мультиплексор

TMN - Telecommunications Management Network - сеть управления телекоммуникациями (сеть управления электросвязью)

TNC - Transit Node Clock - таймер транзитного узла

TSI - TimeSlot Interchange - межинтервальный обмен

TU - Tributary Unit - субблок, обеспечивающий согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков

TUG - Tributary Unit Group - групповой субблок

TXU - Transmitter Unit - блок оптического передатчика

UAS - Unavailable Seconds - недоступные секунды

UITS - Unasknowledged Information Transfer Service - передача информации без подтверждения приема

UNI - User-Network Interface - интерфейс пользователь - сеть

UP - Unit Processor - блок процессора

UWDM - Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing - сверхплотное волновое мультиплексирование

VC - Virtual Container - виртуальный контейнер

WDM - Wavelength Division Multiplexing - мультиплексирование с разделением по длине волны, или волновое мультиплексирование

WS - Workstation - рабочая станция

WSF - Workstation Function - функция рабочей станции

АГЛ - автоматическое гашение лазера

АИ - американская иерархия

AM - амплитудная модуляция

АОВ - анизотропное оптическое волокно

АОП - аппаратура оперативного переключения

АПРФ - автоподстройка разности фаз

АРМГ - автоматическая регулировка мощности гетеродина

АРТС - автоматический регулятор тока смещения

АРУ - автоматическая регулировка уровня

АСТЭ - автоматизированная система технической эксплуатации

АТА - аналоговый телефонный аппарат

АТС - автоматическая телефонная станция

АФК - амплитудно-фазовая конверсия

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БК-2М - канальный блок

БЛ - линейный блок

БО-34М - блок ответвления

БОУ - блок оптического усиления

БУН - блок управления нагрузкой

БФП - балансный фотоприемник

ВВЭ - волоконный витковый элемент

ВО ЦЛТ - волоконно-оптический цифровой линейный тракт

ВО ЦСП - волоконно-оптическая цифровая система передачи

ВОК - волоконно-оптический кабель

ВОСП - волоконно-оптическая система передачи

ВОТЭ - вспомогательный объект технической эксплуатации

ВОУ - волоконно-оптический усилитель

ВР - внешний резонатор

ВТЧ - выделитель тактовой частоты

ГТС - генератор тактовой синхронизации

- городская телефонная сеть

ДО - детектор огибающей

ЕИ - европейская иерархия

ЗГ - задающий генератор

ИЛ - инжекционный лазер

ИС - информационный сигнал

КМ - контроллер мультиплексора

КСС - канал служебной связи

ЛН - лазер накачки

ЛФД - лавинный фотодиод

МВВ - мультиплексор выделения/вставки

МККТТ - Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии

MOB - многомодовое оптическое волокно

МОС - Международная организация по стандартизации

МР - мониторинг работы

МСЭ-Т - Международный союз электросвязи – Сектор телекоммуникаций

МШУ - малошумящий усилитель

НП - нелинейный преобразователь

НРП - необслуживаемый регенерационный пункт

НРС - начало регенерационной секции

НТД - нормативно-техническая документация

ОВ - оптическое волокно

ОЗО - оптическое затухание отражения

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОИ - оптический изолятор

ОКС - общеканальная сигнализация

ОЛЗ - оптическая линия задержки

ОМС - обработка мультиплексируемых сигналов

ООВ - одномодовое оптическое волокно

ОП - оконечный пункт

ОПД - оптический передатчик

ОПМ - оптический приемник

ОРС - окончание регенерационной секции

ОС - октетная синхронизация

- оптическая секция

ОУЭОВ - оптический усилитель на основе легированных эрбием оптических волокон

ОЦК - основной цифровой канал

ОЭП - оптоэлектронный преобразователь

ПАВ - поверхностная акустическая волна

ПНИ - противонаправленный интерфейс

ПОМ - передающий оптоэлектронный модуль

ПОУ - полупроводниковый оптический усилитель

ПОФ - полосовой оптический фильтр

ПП - промежуточный пункт

ППЛ - полупроводниковый лазер

ППП - профиль показателя преломления

ПРОМ - приемный оптический модуль

ПРУС - предусилитель

ПСС - постанционная служебная связь

ПТЭ - правила технической эксплуатации

ПЦК - первичный цифровой канал

ПЧ - промежуточная частота

РРЛ - радиорелейная линия

РТС - регулятор тока смещения

РУ - решающее устройство

- регулятор уровня

РЭС - регенератор электрических сигналов

САС - сигнал аварии службы

СБИС - сверхбольшая интегральная схема

СИАС - сигнал индикации аварийного состояния

СИД - светоизлучающий диод

СЛ - солитонный лазер

СЛТ - синхронный линейный тракт

СНИ - сонаправленный интерфейс

СР - селективный разветвитель

СУОП - сигнал указания об отказе на предшествующем участке

СЦКК - синхронный цифровой кросс-коннектор

СЦКС - система цифрового кросс-соединения

СЦС - сверхцикловая синхронизация

ТИ - тактовый интервал

ТО - техническое обслуживание

ТС - тактовая синхронизация

ТЦК - третичный цифровой канал

ТЭ - техническая эксплуатация

ТЭЗ - типовой элемент замены

УКС - устройство управления и коммутации служебных сигналов

УНК - устройство управления нагрузкой с кросс-коннектором

УПЧ - устройства (усилитель-фильтр-усилитель) промежуточной частоты

УСМ - усилитель мощности

УСС - участковая служебная связь

УУФ - устройство управления фазой

УФ - узкополосный фильтр

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФВ - фазовращатель

ФД - фотодиод

ФМ - фазовая модуляция

ФМИТ - формирователь модулирующих импульсов тока

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФОН - формирователь опорного напряжения

ЦГИ - интерфейс с центральным тактовым генератором

ЦГС - цифровой групповой сигнал

ЦКК - цифровой кросс-коннектор

ЦКС - цифровая коммутационная станция

ЦКУ - цифровой кроссовый узел

ЦЛС - цифровой линейный сигнал

ЦЛТ - цифровой линейный тракт

ЦС - цикловая синхронизация

ЦСИО - цифровая сеть интегрированного обслуживания

ДСП - цифровая система передачи

ЦТА - цифровой телефонный аппарат

ЧАП - частотная автоподстройка

ЧМ - частотная модуляция

ЧПИ - чередование полярности импульсов

ШПУ-О - широкополосный усилитель-ограничитель

Ш-ЦСИО - широкополосная цифровая сеть интегрированного обслуживания

ЭВ - эффективность ввода

ЭМ ВОС - эталонная модель взаимодействия открытых систем

ЯИ - японская иерархия

1. Краткое введение в системы передачи и сети SDH

1.1. 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 (см. поздразд. 1.2.2) 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]:

1) 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 мультисервисных сетей [56, 61, 62].

1.2. Краткий исторический обзор

1.2.1. Возникновение и развитие систем передачи и сетей SDH

В 1981 - 1983 гг. в результате проведенных интенсивных исследований и полученных разработок, в которых участвовали крупнейшие мировые компании, такие как Alcatel, ECI, Lucent, Nortel, Siemens и другие, на международном рынке появились волоконно-оптические компоненты со следующими параметрами [29]:

1) одномодовые лазерные диоды с шириной спектральной линии оптического излучения 0,3...0,5 нм и вводимым в волокно сигналом с уровнем оптической мощности до 3 дБм;

2) одномодовые оптические волокна с коэффициентом затухания 0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм и ВОК из этих волокон с потерями на одно соединение двух волокон не более 0,25 дБм;

3) фотодетекторы на основе лавинных и Р-I-N-фотодиодов с чувствительностью минус 61,5 дБм и последующим каскадом малошумящего усилителя на кремниевом биполярном или полевом транзисторе с большим входным сопротивлением (Rвх = 1 МОм; Свх= 5 пФ).

В то же время развитые страны мира повсеместно внедряют волоконно-оптические линии передачи, используя оборудование плезиохронных ЦСП, или систем передачи плезиохронной цифровой иерархии PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

К середине 80-х гг. становится очевидным тот факт, что это оборудование из-за свойственных ему недостатков (см. подразд. 2.4.2) на волоконно-оптических линиях передачи малоэффективно, в нем не использована неограниченная широкополосность оптических волокон. Но главным недостатком традиционных цифровых сетей, построенных с использованием волоконно-оптических кабелей и систем передачи PDH, является их неспособность соответствовать постоянно возрастающим требованиям пользователей к сети [77, 108, 166].

В 1984 - 1986 гг. Американский национальный институт стандартов ANSI (American National Standart Institute) и фирма Bellcore, с целью устранения недостатков волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и сетей PDH разработали элементы сети SONET. В это же время комитет 71 института ANSI, изучив ряд альтернатив, предложил использовать в качестве основного сигнала в сети SONET синхронный транспортный сигнал STS-1 со скоростью передачи 50,688 Мбит/с.

Однако разработчики технологии SONET не могли не учитывать стандарты МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) на американскую и европейскую иерархии плезиохронных ЦСП. Необходимо было также облегчить процедуры взаимодействия систем передачи этих иерархий в единой синхронной сети, так как предложенный сигнал STS-1 не согласовывался с сигналами 2,048 и 139,264 Мбит/с европейской иерархии.

Согласительные дискуссии между МККТТ и институтами ANSI и ETSI продолжались более двух лет. В конце 1988 г. МККТТ принял основополагающие международные Рекомендации G.707, G.708 и G.709 по технологии SDH. В 1989 г. эти рекомендации были опубликованы в так называемой «Синей книге» (CCITT Blue Book).

В Рекомендации G.707 для первого уровня систем передачи SDH в качестве основного синхронного сигнала был принят синхронный транспортный модуль STM-1 со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Формат этого сигнала позволяет мультиплексировать циклы передачи сигналов американской и европейской иерархий плезиохронных ЦСП со скоростями передачи от 1,544 до 139,264 Мбит/с. Подчиняясь указанным международным рекомендациям, комитет T1 института ANSI принял решение увеличить скорость передачи сигнала STS-1 до 51,84 Мбит/с, что позволяет мультиплексировать три таких потока в формат сигнала STM-1.

С 1990 г. начинается подлинная волоконно-оптическая революция в цифровых транспортных системах передачи и сетях. Никогда еще в телекоммуникационной индустрии не существовало более восхитительного времени [105]. Сегодня технология SDH победоносно шагает по странам и континентам, создавая глобальную сеть связи Земли, суперинтернет будущего, который охватит широкополосной мультисервисной сетью практически все страны.

Ниже приведены только некоторые фрагменты этого триумфального шествия [86].

1. В течение 1990 - 1991 гг. впервые в мире компания Philips испытала в полевых условиях систему передачи SDH с пропускной способностью 2,5 Гбит/с, построив опытную линию протяженностью около 300 км между городами Валенсия и Куэнка (Испания). В состав линейного тракта входили два синхронных терминальных мультиплексора уровня STM-16 типа SLT-16 и семь линейных регенераторов типа SLR-16 [82].

В 1991 г., после успешного проведения первой серии испытаний, компания Philips получает заказ на строительство между городами Мадрид и Барселона двух волоконно-оптических линий передачи SDH уровня STM-16 с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждая.

В 1992 г. перед началом Олимпийских Игр в Барселоне обе линии были построены и сданы в эксплуатацию. Линия передачи Мадрид - Валенсия - Барселона имеет протяженность 770 км, а вторая линия Мадрид - Сарагоса - Барселона - протяженность 650 км. До конца 1992 г. компания Philips ввела в эксплуатацию еще одну линию передачи SDH уровня STM-16 (2,5 Гбит/с) протяженностью 600 км между городами Мадрид и Севилья.

Таким образом, в течение полутора лет компания Philips построила и ввела в эксплуатацию свыше 2000 км волоконно-оптических линий передачи SDH уровня 5ТМ-16. Перспективность построенных линий передачи заключается в том, что в любое время их пропускную способность можно расширить до уровня STM-64 (10 Гбит/с) без замены кабеля, а также, убрав часть регенераторов, заменить оставшиеся оптическими усилителями.

В это же время уже повсеместно велось интенсивное строительство ВОСП с использованием оборудования SDH. Синхронные линейные мультиплексоры типа SL-1, SL-4 и SL-16 фирмы Siemens уровней STM-1 (155 Мбит/с), STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с), соответственно, успешно внедряли на этих линиях с 1992 года [16]. К концу 1992 г. такие линии передачи работали уже более чем в 20 странах мира [82].

2. К середине 1993 г. первая сеть SDH была построена в Москве [44], а к концу года аналогичная сеть была сдана в эксплуатацию в Санкт-Петербурге [28]. Для этих сетей использовали оборудование SDH первого уровня типа TN-IX компании Nortel. Одновременно велось строительство волоконно-оптического линейного тракта протяженностью 690 км, чтобы связать воедино эти две сети. Для строительства линейного тракта использован самонесущий 28-волоконный оптический кабель компании Pirelli, закрепленный на опорах контактной сети железной дороги. Одномодовые волокна кабеля имели коэффициент затухания 0,35 дБ/км на длине волны 1,3 мкм. В проложенном кабеле было задействовано 8 оптических волокон, которые использовались для построения двух линейных трактов с системой защиты «1+1».

В апреле 1994 г. сети Москвы и Санкт-Петербурга были соединены в единую сеть SDH. В этой объединенной сети в то время было задействовано более 1000 км волоконно-оптического кабеля, 19 мультиплексоров и 40 регенераторов типа TN-IX.

Оборудование SDH типа TN-IX - это базовый синхронный мультиплексор уровня STM‑1, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, мультиплексор выделения/вставки, оптический концентратор или линейный регенератор [77, 164].

В последнее десятилетие средства связи развиваются столь стремительно, что весьма трудно уследить за появлением новых сетей и новых услуг связи. Забегая вперед, т. е. нарушая хронологическое изложение материала, отметим, что через 2,5 года московская сеть SDH была реконструирована [22].

Осенью 1996 г. была введена в эксплуатацию первая очередь реконструированной, фактически новой сети SDH. Новая транспортная сеть имела многокольцевую архитектуру и была оснащена самым современным оборудованием SDH компании ECI. Эта сеть состояла из 13 мультиплексоров уровня STM-16 типа STM-16 и 60 мультиплексоров уровня STM-1, общая длина используемого ВОК составляла более 600 км. Оборудование SDH типа SDM-1, SDM-4 и SDM-16 - это базовые синхронные мультиплексоры соответствующих уровней иерархии, каждый из которых может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, или как DIM.

В начале 1998 г. была введена в эксплуатацию уже третья очередь московской сети SDH, в результате чего общее число мультиплексоров в сети возросло почти в 2 раза и достигло 140, а некоторые оптические кольца уровня STM-4 были переведены на уровень STM-16 (см. рис. 4.13).

Последняя по времени модернизация московской транспортной сети SDH была проведена в сентябре 2001 г. К концу 2001 г. в сети было установлено около 500 мультиплексоров различного типа. Шесть центральных высокоскоростных оптических колец уровня STM-16 были объединены в мощное ядро путем применения новейшего сетевого оборудования типа XDM компании ECI.

Изделие XDM - это интеллектуальная, универсальная, интегрированная оптическая сетевая платформа, полнодоступная матрица которой позволяет осуществить прямой ввод любого компонентного потока El в линейный мультиплексор уровня STM-16 либо STM-64 технологии SDH или в оптический мультиплексор технологии DWDM. Общее описание изделия XDM приведено в работе [109].

В результате применения платформы XDM московская сеть SDH приобрела новые качества - повысились надежность, масштабируемость, пропускная способность по любым направлениям. Построенная сеть SDH имеет такую пропускную способность, что может всего лишь по двум оптическим волокнам передавать одновременно в противоположных направлениях свыше 1000 потоков E1. Это позволяет образовать в каждом волокне свыше 30 тыс. цифровых каналов (скорость передачи 64 кбит/с) [23].

3. К середине 90-х годов применение систем передачи SDH уровня STM-16 (2,5 Гбит/с) на местных (городских), магистральных и международных сетях становится обыденным явлением, появляется все больше полностью загруженных оптических линий передачи, все острее встает вопрос о расширении номенклатуры систем передачи SDH до уровня STM-64 (10 Гбит/с).

Предвидя эти потребности, в исследовательских лабораториях фирмы Siemens с 1993 г. велись разработки электронных и оптоэлектронных высокоскоростных устройств для систем передачи SDH уровня STM-64. Электронно-оптический и оптоэлектронный преобразователи (оптические передатчик и приемник соответственно) для такой системы были выполнены на керамических подложках по кремниевой биполярной технологии [80].

В 1995 г. впервые системы передачи SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) были успешно испытаны в исследовательских лабораториях компании Siemens. Тем самым парк систем передачи SDH пополнился, была создана исчерпывающая для того времени номенклатура оптических систем передачи технологии SDH, начиная от первого уровня иерархии STM-1 (155 Мбит/с) до уровня STM-64 (10 Гбит/с).

В октябре 1995 г. компания Siemens представила на мировом рынке полный набор оборудования технологии SDH второго поколения, разработанного совместно с предприятием Italtel и фирмой GPT для будущих цифровых транспортных сетей SDH [170].

При скорости передачи сигналов 10 Гбит/с длина тактового интервала составляет 10 пс. Такая скорость обработки цифровых сигналов является предельной для технологии полупроводниковой оптоэлектроники, т. е. пределом возможностей увеличения пропускной способности волоконно-оптических цифровых систем передачи (ВО ЦСП) методом временного разделения каналов [3].

Но достигнутые в начале 90-х годов успехи в области микроэлектроники и интегральной оптики позволили существенно расширить границы пропускной способности ВОСП методом спектрального, или волнового разделения каналов [97]. Это дает возможность с использованием технологии DWDM в окрестности длины волны 1,55 мкм образовать несколько десятков оптических трактов, в каждом из которых можно передавать сигналы уровней STM-16, STM-64 или STM-256.

В 1995 г. впервые коммерческие системы передачи с использованием технологии WDM были представлены на рынке компанией Lucent. В настоящее время по всему миру установлены и работают тысячи таких систем передачи [101, 105, 107].

4. Успехи, достигнутые ведущими мировыми компаниями в первой половине 90-х гг. в области технологий SDH и WDM, предопределили дальнейшее развитие цифровых транспортных сетей.

В 1996 г. были введены в практическую эксплуатацию первые ВОСП с использованием технологии WDM, в которых в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм по одному волокну было образовано 8 односторонних оптических трактов с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждый, т. е. результирующая пропускная способность одного волокна составляла 20 Гбит/с.

В сентябре 1996 года в г. Осло была проведена 22-я Европейская конференция по оптической связи [74]. На конференции обсуждались две основные программы:

создание панъевропейской, полностью оптической сети на основе широкого применения ВОСП со спектральным разделением каналов, оптических усилителей и оптических кросс-коннекторов;

построение первой подводной оптической сети на основе технологии WDM на участке от Сингапура до Германии. Эта сеть получила название SEA-ME-WE. По проекту она имеет протяженность 27 000 км, должна пройти через Средиземное и Красное моря, Индийский океан и связать между собой страны Юго-Восточной Азии (SEA), Среднего Востока (ME) и Западной Европы (WE) [74, 101, 103].

Первая программа называется «Перспективные технологии коммуникаций и услуг», или программа ACTS (Advanced Communication Technologies and Services). Она была рассчитана на три года и отвечала требованиям своего времени по передаче цифровых сигналов со сверхвысокими скоростями на большие расстояния. Архитектура Европейской оптической сети, разработанной по программе ACTS, приведена на рис. 1.1, на котором указаны только основные информационные направления [95].

Рис. 1.1

Например, не показанная на рисунке линия передачи Вена - Мюнхен протяженностью 524 км образует по паре оптических волокон 8 двусторонних трактов с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждый с перспективой постепенной (по мере необходимости) замены оборудования SDH уровня STM-16 на оборудование уровня STM-64.

Возможность технической реализации второй (подводной) программы была продемонстрирована компанией Alcatel. В 1996 г. компания провела два эксперимента: первый - по образованию 20 оптических двусторонних трактов по паре волокон со скоростью передачи 5 Гбит/с каждый на расстояние 4500 км, второй - по образованию 8 двусторонних трактов со скоростью передачи 2,5 Гбит/с каждый на расстояние 6000 км.

В 1996 г. компания Alcatel проложила подводный ВОК между Италией, Турцией, Украиной и Россией (проект ITUR) протяженностью 3400 км, а также аналогичный кабель протяженностью 1000 км на участке Новороссийск - Сочи - Батуми [47].

Наконец, в 1996 г. был преодолен терабитный барьер скорости передачи цифровых сигналов по одному ООВ - сразу три компании: Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и NTT (Nippon Telegraph and Telephone) успешно продемонстрировали рекордную пропускную способность оптического волокна с использованием технологии DWDM.

Первая из них использовала 25 инжекционных лазеров, выходные сигналы которых разделялись на две составляющие с различной поляризацией. Полученные 50 оптических излучений модулировались сигналом со скоростью передачи 20 Гбит/с, передача была выполнена на расстояние 55 км.

Специалисты Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь на расстояние 150 км с использованием 55 длин волн при скорости передачи модулирующего сигнала 20 Гбит/с в каждом оптическом тракте. Это обеспечило суммарную пропускную способность волокна 1,1 Тбит/с [80, 103].

Компания NTT осуществила мультиплексирование и передачу 10 сигналов со скоростью передачи 100 Гбит/с каждый при дальности связи 40 км.

Во всех трех экпериментах использовалось ООВ в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм.

5. В сентябре 1997 года в г. Эдинбурге (Великобритания) была проведена 23-я Европейская конференция по оптической связи, которая подтвердила правильность утвержденных на предыдущей конференции программ по строительству панъевропейской и подводной оптических сетей с использованием технологий SDH и DWDM. На конференции были продемонстрированы последние достижения в области разработки устройств систем передачи SDH и этих систем в целом.

Рассмотрим их кратко на примере оборудования, представленного компаниями Nokia и Lucent.

Фирма Nokia представила унифицированное оборудование STM-1/ STM-4 для системы передачи SDH типа SYNFONET. Оборудование SYNFONET позволяет конфигурировать в одном стандартном блоке все основные элементы сети SDH, к которым относятся: ТМ, DIM, кросс-коннектор и линейный регенератор LR (Line Regenerator). Конфигурация любого элемента сети задается путем набора определенных типовых элементов замены (ТЭЗ) из комплекта оборудования. Все ТЭЗ реализованы с применением таких новейших технологий, как флэш-память, компоненты с поверхностным монтажом и специализированные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Для высокоскоростной обработки сигналов используются: распределение логических функций и всех данных о конфигурации оборудования, дублирование этих данных в оборудовании, индивидуальные микропроцессоры во всех ТЭЗ.

Основой оборудования SYNFONET является симметричный кросс-коннектор, который позволяет легко преобразовать один элемент сети в другой. Для этого достаточно добавить соответствующие интерфейсы и изменить конфигурацию оборудования с помощью системы управления [163].

Компания Lucent представила третье поколение систем передачи SDH - семейство унифицированного оборудования типа MILLENNIA. Это оборудование представляет собой высокоэффективную гибкую платформу для построения транспортных сетей SDH любой конфигурации. Основой платформы является модульный сетевой элемент, который, в зависимости от выполняемых функций, может быть сконфигурирован как ТМ, DIM, кросс-коннектор или LR. Каждый из этих элементов может быть преобразован для использования в сетях уровней STM-1, STM-4 и STM-16.

Кроме того, в состав оборудования MILLENNIA входит оптическая система передачи с плотным волновым мультиплексированием типа MILLENNIA 80G DWDM [33].

Такая гибкая системная концепция третьего поколения систем передачи SDH обеспечивает конфигурирование сетевых элементов с учетом текущих потребностей в пропускной способности и, при необходимости, быстрое расширение возможностей сети в пропускной способности.

Наиболее важным свойством сетевых элементов оборудования MILLENNIA является модульная структура аппаратурных средств. Она позволяет конфигурировать разные типы элементов сети с использованием одних и тех же базовых сменных ТЭЗ, каждый из которых выполняет строго определенную функцию в сетевом элементе. Такой же принцип реализован на уровне программного обеспечения элементов сети. Оно состоит из программных модулей, которые выполняют соответствующие функции контроля, управления и обслуживания сетевого элемента, а также обеспечения его связи с системой управления сетью.

На 23-й Европейской конференции представители компании Lucent заявили, что с 1998 г. оборудование типа MILLENNIA появится на рынке.

Дальнейшее развитие сети связи Земли путем строительства отдельных линий передачи «точка - точка» не может удовлетворить постоянный рост трафика между странами и континентами.

Поэтому в декабре 1997 года в г. Лас-Вегасе (США) состоялась информационная встреча представителей более чем 150 стран, а также Международного союза электросвязи. Встречу организовала компания CTR Group Ltd - инициатор нового проекта OXYGEN. Целью этого проекта является строительство глобальной сети связи планеты. Эта сеть должна обеспечить широкополосную связь практически всем странам мира.

Первый этап строительства глобальной оптической сети поделен на четыре фазы: А, В, С, D. На этом этапе необходимо проложить 160 000 км волоконно-оптического (в основном подводного) кабеля, построить 98 береговых пунктов (станций) в 77 странах и регионах на 6 континентах. После ввода в эксплуатацию первого этапа проекта OXYGEN он должен обеспечить пропуск 90 % всемирного трафика [32].

6. В феврале 1998 г. компания Lucent представила на рынке разработанную в Bell Labs оптическую линейную систему высокой пропускной способности типа WaveStar OLS 400G, основанную на технологии DWDM. В то время это была единственная система передачи, которая обеспечивала мультиплексирование, одновременную передачу и демультиплексирование 80 потоков STM-16 (2,5 Гбит/с) или 40 потоков STM-64 (10 Гбит/с), или их комбинацию по одному волокну, т. е. создавала суммарный цифровой поток со скоростью передачи от 200 до 400 Гбит/с. Это дает существенную экономию оптического волокна, оптических усилителей и другого линейного оборудования. Система может перекрывать расстояние до 640 км с промежуточными волоконно-оптическими усилителями (ВОУ) без регенерации сигналов.

Система WaveStar OLS 400G является первой системой передачи технологии DWDM, которая представляет собой единую платформу с возможностью постепенного наращивания от одного до 80 оптических трактов. Это позволяет увеличивать пропускную способность по модульному принципу, а также это лучшее сочетание производительности, гибкости и масштабируемости.

Применение такой системы передачи дает возможность заложить инфраструктуру транспортной сети с огромной пропускной способностью и перекрываемым расстоянием без большого количества линейных регенераторов, а затем по мере увеличения потребности в трафике, наращивать терминальное оборудование с минимальными затратами [105].

В сентябре 1998 г. крупнейшие компании мира: Alcatel, NEC и Tyco подписали контракт на поставку оптического кабеля и оборудования для реализации проекта глобальной сети OXYGEN. Все кабельные суда мира будут участвовать в прокладке подводных оптических кабелей по проекту OXYGEN. Кроме того, компания CTR Group Ltd заказала дополнительно построить несколько кабельных судов. В декабре 1998 г. указанный контракт вступил в силу [32].

7. В феврале 1999 г. компания Lucent объявила о новой серии оптического сетевого оборудования типа WaveStar AllMetro, которое позволяет образовать 4, 8, 20 или 40 оптических трактов в одном оптическом волокне. Оборудование WaveStar AllMetro тогда было единственной серией оптического сетевого оборудования для местных (городских) сетей, которая позволяет комбинировать такое оборудование разной пропускной способности, расширять или уменьшать его функциональные возможности в данной сети или на участке (оптическом кольце) этой сети с целью максимизации общей производительности и минимизации стоимости оборудования. Появление оборудования типа WaveStar AllMetro означает распространение технологии DWDM с магистральных транспортных сетей на местные (городские) сети доступа и корпоративные сети.

Наиболее мощной в новой серии сетевого оборудования является оптическая линейная система типа WaveStar AllMetro OLS. Она даёт возможность образовать в одном волокне до 40 оптических трактов, в каждом из которых можно одновременно передавать цифровые потоки уровня STM-16 (2,5 Гбит/с), т. е. максимальная пропускная способность системы составляет 100 Гбит/с, что эквивалентно возможности одновременного установления и ведения 1,2 млн. телефонных разговоров [105].

Система типа WaveStar AllMetro OLS допускает постепенное наращивание пропускной способности по мере перехода на более мощные маршрутизаторы. Со временем планируется довести скорость передачи входных потоков до 10 Гбит/с, каждый из которых будет передаваться по одному из 40 оптических трактов, что повысит пропускную способность системы передачи до 400 Гбит/с.

Однако, разработанные оптические системы передачи с пропускной способностью 400 Гбит/с - это далеко не предел. В Bell Labs уже создана экспериментальная установка, позволяющая с помощью одного лазера передавать по одному волокну 1024 оптических потока с использованием технологии сверхплотного волнового мультиплексирования UWDM (Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing).

Параллельно с работами по увеличению числа оптических трактов в одном волокне, в Alcatel, Lucent, Siemens и других компаниях интенсивно проводились работы по повышению скорости передачи сигналов в одном оптическом тракте.

Компания Siemens разработала мультиплексор типа SL-256 уровня STM-256 (40 Гбит/с), реализованный на электронных компонентах. Применение его в системе передачи типа WL4, образующей четыре оптических тракта, позволяет обеспечить пропускную способность одного волокна 160 Гбит/с. Ожидается, что в недалеком будущем появится система передачи WL-32, которая позволит увеличить пропускную способность одного ООВ до 1,28 Тбит/с [78].

В лаборатории Bell Labs уже создана первая в мире система передачи, обеспечивающая пропускную способность одного оптического тракта 160 Гбит/с [11]. Сочетание этой технологии с технологией UWDM позволит уже в ближайшее время создать оптические транспортные системы с фантастически большой пропускной способностью 160 Гбит/с х 1024 = 163,84 Тбит/с.

Оптическая линейная система WaveStar AllMetro OLS разработана под все типы трафика и обеспечивает поддержку технологий SDH, ATM, IP и др. Она обладает также функциями увеличения или уменьшения числа оптических трактов в фиксированном или варьируемом варианте исполнения системы передачи. Это позволяет операторам самим определять способ добавления или удаления оптических трактов на определенном участке сети по мере необходимости. При использовании системы передачи на корпоративных сетях операторы могут смешивать и комбинировать системы с 4, 8, 20 или 40 оптическими трактами, чтобы создать наиболее эффективную по стоимости сеть под требования заказчика услуг.

Линейные системы WaveStar AllMetro OLS различной пропускной способности могут обеспечивать связь на расстояние до 60 км без оптических усилителей и до 200 км в кольцевых топологиях, что делает их исключительно эффективными в стоимостном отношении при строительстве локальных (городских) сетей.

Таким образом, представленное компанией Lucent оборудование WaveStar AllMetro OLS является своеобразным «дизайнерским набором», который дает возможность операторам и поставщикам услуг связи строить сети со специфическими свойствами и функциональностью, необходимыми потребителям, и стоимостью услуг, которую клиенты согласны оплачивать.

В октябре 1999 г. на выставке «Telecom^99» компания Lucent впервые продемонстрировала прототип полностью оптического кросс-коннектора, коммутирующего оптические потоки с помощью матриц крохотных зеркал (технология MicroStar). А уже через месяц было анонсировано первое созданное на основе технологии MicroStar коммерческое оборудование -полностью оптический маршрутизатор типа WaveStar LambdaRouter с пропускной способностью 10 Тбит/с [11].

Создание оборудования типа LambdaRouter с полностью оптической коммутирующей матрицей открывает новую эру в развитии волоконно-оптических телекоммуникаций.

Внедрение технологий DWDM и UWDM, систем передачи WaveStar OLS 400G и WaveStar AllMempo OLS, оптических кросс-коннекторов WaveStar LambdaRouter вскоре станет единственно возможным способом справиться с экспоненциальным ростом трафика на телекоммутационных транспортных сетях.

8. В 2000 г. началась практическая реализация проекта глобальной оптической сети связи Земли типа OXYGEN. Выше указывалось, что первый этап строительства этого проекта разделен на четыре фазы А, В, С, D.

Фаза 1А предусматривает строительство новых волоконно-оптических линий передачи в Атлантическом и Тихом океанах. В течение этой фазы будут использованы существующие и построены новые 39 береговых пунктов (станций) в 32-х странах. При этом будут использоваться достроенные Азиатское оптическое кольцо, оптические кольца Тихого и Атлантического океанов, подземные волоконно-оптические линии передачи через Северную Америку. Окончание строительства планировалось на конец 2000 г.

Фаза 1В - строительство 12 береговых пунктов (станций) в 10 странах, Балтийское и Североевропейское оптические кольца. Завершение строительства - март 2001 года.

Фаза 1C - строительство 38 береговых пунктов (станций) в 29 странах и оптических колец Южной Америки, Средиземного моря и Ближнего Востока. Завершение строительства - ноябрь 2001 г.

Фаза 1D - строительство 9 береговых станций в 6 странах и волоконно-оптических линий передачи Северной Атлантики, Тихого океана, Центральной Америки, оптического кольца Океании. Окончание строительства запланировано на март 2002 года.

Для реализации проекта OXYGEN используются следующие технические решения и технологии:

1) океанские волоконно-оптические линии передачи с регенераторами, современные кабели которых содержат 6 оптических пар; в каждой паре с использованием технологии DWDM образуется 40 оптических трактов, обеспечивающих передачу сигналов SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), в результате линия передачи обеспечивает пропускную способность 2,4 Тбит/с, такие линии передачи используют как трансконтинентальные;

2) морские волоконно-оптические линии передачи с усилителями (без регенераторов), кабели которых содержат 12 пар оптических волокон; при той же технологии использования оптических пар в кабеле можно получить суммарную скорость передачи 12 х 40 х 10 Гбит/с = 4,8 Тбит/с; эти линии передачи используют вдоль побережья и между островами;

3) подземные волоконно-оптические линии передачи, для строительства которых применяют современные ВОК с числом оптических пар до 216; каждая пара позволяет образовать в ней 40 оптических трактов, обеспечивающих передачу сигналов SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), в результате такая линия передачи обеспечивает суммарную пропускную способность 216 х 40 х 10 Гбит/с = 86,4 Тбит/с;

4) модульные системы управления полосой пропускания для автоматических переключений и маршрутизации цифровых потоков от уровня STM-1 до уровня STM-64.

Система «Менеджер полосы пропускания» (WaveStar Bandwidth Manager) компании Lucent построена на единой унифицированной платформе. Она способна сынтегрировать все параметры доступа и межузлового транспорта в одном элементе сети, что коренным образом упрощает процедуру управления трафиком телефонии, передачи данных и видео в данном узле сети. Эта система может также с высокой экономической эффективностью обрабатывать до 64 х 48 = 3072 эквивалентных потока уровня STM-1 с помощью высокоинтегрированной IP/ATM/SDH коммутационной внутренней структуры, которая обеспечивает масштабируемую мультисервисную платформу для построения «сети будущего».

Система «Менеджер полосы пропускания» компании Lucent является новым шагом в развитии транспортных сетей. Она позволяет оператору сети комбинировать различные интерфейсы и методы кросс-соединения в одном элементе сети; объединяет в себе функции мультиплексора выделения/вставки и широкополосного кросс-коннектора системы передачи SDH, ATM-коммутатора и IP-маршрутизатора.

Новая модульная система управления «Менеджер полосы пропускания» дает возможность оператору наиболее гибко и эффективно использовать ресурсы сети по транспортировке и надежной качественной доставке сигналов телефонной связи, передачи данных и видео, используя одну платформу оборудования.

С использованием оборудования системы WaveStar Bandwidth Manager сегодня создается глобальная оптическая транспортная сеть планеты Земля в рамках проекта OXYGEN, объединяющая все континенты и десятки операторских компаний. Для управления этой сетью создаются три Центра управления в Лондоне, Нью-Йорке и Сингапуре, причем каждый из них может взять на себя управление всей сетью. Система управления сетью OXYGEN имеет довольно сложную архитектуру и мощное программное обеспечение, разработанное компанией Lucent [32].

Проект OXYGEN осуществляется поэтапно. В рамках его реализации в течение трех лет (2000 - 2002 гг.) построены следующие линии передачи:

Транстихоокеанская линия передачи ТРС-6 (Япония - США), оптический кабель которой содержит четыре пары ООВ, сдана в эксплуатацию в 2000 г. В ней используется волновое мультиплексирование, что позволило образовать всего 32 оптических тракта. По каждому тракту передавался поток уровня STM-16 (2,5 Гбит/с). Суммарная пропускная способность линии передачи составила 80 Гбит/с. Однако уже к середине 2001 г. эта линия передачи была модернизирована путем использования технологии DWDM. Это дало возможность получить всего 64 оптических тракта, по каждому из которых передаются потоки уровня STM-64 (10 Гбит/с). В результате суммарная пропускная способность линии передачи ТРС-6 составила 640 Гбит/с.

Трансатлантическая линия передачи ТАТ-14 соединяет США с Францией, Великобританией, Голландией, Германией и Данией. Эта линия передачи строилась два года (2000 - 2001 гг.), ее параметры такие же, как и у модернизированной линии передачи ТРС-6.

Трансатлантическую линию передачи APOLLO (США - Великобритания - Франция) планировалось завершить в 2002 г. В третьем квартале 2002 г. на ней монтировалось оборудование технологии DWDM, образующее 80 оптических трактов в каждой из четырех пар ООВ проложенного кабеля. Всего на линии передачи APOLLO образуется 320 оптических трактов. При передаче по каждому из них сигналов технологии SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) суммарная пропускная способность составит 3,2 Тбит/с. Это означает, что линия передачи APOLLO позволяет получить 38 млн 400 тыс. ОЦК.

Проект OXYGEN планировалось завершить в 2003 г. По этому проекту должно быть проложено 275 000 км оптического (преимущественно подводного) кабеля и построены 264 оконечные станции в 174 странах [101].

9. В Украине применение технологии SDH началось в 1995 г., когда Днепровское областное предприятие связи «Днепротелеком» приступило к реализации проекта реконструкции городской телефонной сети города Днепропетровска с использованием системы передачи SDH уровня STM-1 типа ISM-2000 компании AT&T (ныне компания Lucent).

Первая магистральная ВОСП SDH в Украине была построена в 1996 г. и сдана в эксплуатацию в феврале 1997 г. Линейный тракт имеет протяженность 900 км, он проходит от Киева до Одессы через Черкассы, Кировоград, Николаев. Пропускная способность линейного тракта составляет 622,08 Мбит/с. Оборудование SDH уровня STM-4 типа TN-4X поставила фирма Nortel. Позднее эта линия была продлена до Чернигова.

В 1998 г. была сдана в эксплуатацию система передачи SDH на участке Киев - Львов протяженностью 600 км, которая проходит через Винницу, Хмельницкий, Тернополь. Пропускная способность линейного тракта равна 2,5 Гбит/с. Волоконно-оптический кабель и оборудование SDH уровня STM-16 типа AXD-2500 поставила компания Ericsson. Позднее эта линия была продлена до Харькова и сдана в эксплуатацию в конце 2000 г. Это основные волоконно-оптические линии передачи SDH в Украине, так называемые проекты «Юг», «Запад», «Север» и «Восток».

В течение 1999-2000 гг. в стране построено и введено в эксплуатацию несколько более коротких линий передачи SDH: Винница - Одесса, Львов - Ужгород, Харьков - Луганск, Одесса - Симферополь и другие, в построении которых принимали участие компании Ericsson, Nortel, Siemens и др.

Всего для Единой национальной системы связи страны до 2001 г. было построено около 4500 км волоконно-оптических линий передачи на базе технологии SDH уровня STM-16.

Кроме того, в 2001 г. «Укртелеком » завершил строительство и ввел в эксплуатацию первую очередь двунаправленного волоконно-оптического кольца в г. Киеве. При строительстве кольца проложены два кабеля, в каждом из которых используется по одной паре оптических волокон. Такая топология сети («сдвоенное кольцо») обеспечивает более высокий уровень ее отказоустойчивости, чем кольцо, образованное двумя волокнами. В указанной сети установлено линейное оборудование SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) типа SL-64 компании Siemens. В пунктах доступа используются мультиплексоры выделения/вставки уровней STM-1, STM-4 и STM-16 типов SMA-1, SМА-4 и SMA-16 соответственно.

В 2002 г. «Укртелеком» предполагал выполнить такие основные работы:

1. Построить новые транспортные магистрали связи: «Полесье» (Киев -Житомир - Ровно - Луцк - Львов), «Уголек» (Харьков - Донецк - Луганск) и «Сечь» (Запорожье - Мелитополь - Симферополь). На всех этих магистралях планировалась установка оборудования систем передачи SDH уровня STM-16.

2. Сделать ответвления от волоконно-оптических транспортных магистралей, которые уже работают. Примеры таких ответвлений:

а) от Бахчисарая до Севастополя и Ялты;

б) от Донецка на Горловку и от Запорожья на Кривой Рог;

в) от Мелитополя на Бердянск и Мариуполь;

г) от Кировограда на Умань и Немиров и т. д.

Всего в ходе выполнения указанных и других работ должно быть проложено около 4000 км ВОК, который поставляет завод «Одескабель». Более подробно о применении технологии SDH в Украине изложено в работах [84, 87].

1.2.2. Краткий обзор основных международных рекомендаций

Научно-исследовательские организации всех основных авторитетов мира в области связи (исследовательские комиссии МККТТ, институты ANSI, ETSI и др.) в начале 80-х годов пытались решить проблему: что предложить пользователям в качестве новой концепции построения сети и ее оборудования, чтобы лучше и полнее удовлетворить предъявляемые к электросвязи требования. Большинство международных организаций после длительных дискуссий пришло к заключению, что самым лучшим решением сформулированной проблемы будет разработка и внедрение на сетях связи систем передачи синхронной цифровой иерархии.

В феврале 1988 г. в Сеуле Исследовательской группой XVIII созыва при МККТТ было достигнуто соглашение по выработке рекомендаций для систем передачи и сетей SDH, представляющих собой единый мировой стандарт для транспортирования цифровых сигналов. Чтобы реализовать это соглашение, необходимо было приспособить три различных региональных стандарта по цифровым системам передачи плезиохронной иерархии - это американский, европейский и японский, что обеспечило бы плавное введение новой иерархии в широкоразветвленные цифровые сети, построенные с использованием систем передачи PDH. Для этого необходимо было решить такие основные задачи:

Согласовать в мультиплексорах систем передачи SDH скорость передачи 44,736 Мбит/с третьего уровня иерархии систем передачи PDH стандарта США и скорость передачи 139,264 Мбит/с четвертого уровня иерархии систем передачи PDH стандарта Европейских стран. Здесь был достигнут компромисс и МККТТ принял в качестве рекомендации для системы передачи SDH первого уровня скорость передачи 155,52 Мбит/с.

Принять в системах передачи SDH такую структуру мультиплексирования цифровых потоков, которая была бы приспособлена не только к скоростям передачи 2048, 8448 и 34368 кбит/с стандарта Европейских стран, но и к скоростям передачи 1544, 6312 и 44736 кбит/с стандартов США и Японии. Разработанная структура мультиплексирования получилась весьма сложной. Начались согласительные дискуссии, где основное внимание фокусировалось на использовании промежуточных скоростей передачи 8448 и 34 368 кбит/с систем передачи PDH стандарта Европейских стран. Но использование указанных скоростей передачи не упрощало структуру мультиплексирования и было направлено против международного взаимодействия на будущих сетях связи SDH. В итоге МККТТ принял рекомендации, согласно которым цифровые потоки со скоростями передачи 1544 и 2048 кбит/с мультиплексируются в цифровой поток, образующий скорость передачи 6312 кбит/с. Это позволило существенно упростить структуру мультиплексоров в системах передачи SDH без изменения стандарта США. Япония, использующая для своих сетей рекомендации института ANSI, не требовала включения своих высших уровней иерархии плезиохронных ЦСП со скоростями передачи 32,064 и 97,728 Мбит/с в рекомендации МККТТ по системам передачи SDH.

Выбрать способ размещения (упаковки) асинхронных сигналов различных скоростей передачи цифровых потоков систем передачи PDH, a также сигналов ячеек ATM при загрузке контейнеров различного порядка (различной ёмкости) систем передачи SDH для транспортирования цифровых сигналов. В соответствии с рекомендациями МККТТ в системах передачи SDH используются синхронное и асинхронное размещение, причем последнее - с использованием цифрового выравнивания.

Системы передачи SDH не связаны с мультиплексированием канальных цифровых потоков со скоростью передачи 64 кбит/с. При размещении байтов, входящих в первичные цифровые потоки, параметры сигналов ОЦК не изменяются. Аппаратура систем передачи SDH спроектирована так, чтобы обеспечивать синхронное мультиплексирование плезиохронных сигналов без потерь информации, для чего используется система указателей.

Главное достоинство применения концепции SDH состоит в том, что она обеспечивает международно-согласованную синхронную работу систем передачи SDH с перспективой дальнейшего их развития и совершенствования при построении цифровых транспортных сетей.

Стандарты контроля, управления и технического обслуживания сетей SDH базируются на хорошо обоснованных стандартах ISO.

Упростить выполнение функций выделения/вставки и ответвления цифровых потоков в пунктах доступа, а также кросс-соединительных функций. Эти задачи с помощью сетей SDH решаются двумя способами одновременно. Первый способ состоит в доступности к цифровым потокам без сложного демультиплексирования сигналов, что достигается спецификой управления сетью, так как все контейнеры являются непосредственно доступными определенным элементам или пунктам сети.

Второй способ основан на широком применении топологии кольцевых транспортных сетей, в которых используются цифровые кроссовые узлы (ЦКУ).

Применение ЦКУ на сетях SDH открывает ряд возможностей при построении и эксплуатации транспортных сетей, в частности, таких как: дистанционное управление кроссовыми соединениями для мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков, созданных ЦСП большой пропускной способности; экономичная реализация функций сопряжения между ЦСП плезиохронной и синхронной иерархий; управление транспортной сетью с использованием функциональных возможностей ЦКУ и его программного обеспечения и др. [46].

Рекомендации ITUописывают функции, электрические, оптические параметры аппаратуры и оборудования систем передачи и сетей SDH в расчете на их глобальное использование. Поэтому они содержат ряд вариантов параметров и процедур, характерных для различных региональных и национальных сетей. Для конкретной страны эти требования избыточны и допускают неоднозначные решения, что затрудняет сетевые взаимодействия. Особенности применения систем передачи SDH в разных странах определяют региональные стандарты. В США, Канаде и Японии принята и действует система региональных стандартов SONET, разработанная ANSI. Региональный стандарт SDH для Европы создал ETSI. В России разработан «Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации» [70] и т. д.

Украина не имеет собственных стандартов по системам передачи SDH. Но разработана концепция внедрения систем передачи SDH для сетей связи Украины, которая приняла Европейский региональный стандарт [20, 30]. Кроме рекомендаций ITU-T и руководящих региональных материалов в системах передачи и сетях SDH используются стандарты ISO.

В данной работе использованы рекомендации ITU-T и стандарты ISO. Основные из них приведены ниже (в скобках указан год последней редакции). Здесь уместно заметить, что до 1 марта 1993 г. рекомендации по электросвязи выходили под эгидой МККТТ, а с 1 марта 1993 г. выходят как рекомендации Сектора по стандартизации ITU-T.

Хотя некоторые рекомендации были приняты до 1 марта 1993 г., далее все они будут указаны как рекомендации ITU-T, так как их постоянно дорабатывают и совершенствуют и после 1 марта 1993 г.

Рекомендации ITU-T и стандарты ISO или их пункты являются обязательными при разработке оборудования SDH и построении транспортных сетей с использованием этого оборудования.

Рекомендации G.650, G.652 - G.655 [118 - 122] в последней версии утверждены ITU-T в октябре 2000 г. [19]. В них приведены термины, определения и методы испытаний ООВ с учетом последних технических достижений. Численные значения параметров конкретных ООВ можно найти в работах [1, 80, 96, 98, 99, 100].

Группа основных Рекомендаций серии G.70x: G.702 - G.704 и G.707 -G.709 [123-127] представляет стандартные скорости передачи сигналов плезиохронных ЦСП и соответствующие им интерфейсы, структуру синхронных циклов передачи, стандартные скорости передачи систем передачи SDH и соответствующие им интерфейсы, структуру синхронного мультиплексирования сигналов.

В Рекомендации G.702 (1988) [123] представлены стандартные скорости передачи ОЦК (64 кбит/с) и ЦСП плезиохронных иерархий: американской - 1544, 6312, 44736 кбит/с, европейской - 2048, 8448, 34368, 139 264 кбит/с, а также, частично, японской, первые два уровня скоростей передачи которой совпадают с американской иерархией, третий - не используется (скорость передачи 32 064 кбит/с), а четвертый - имеет скорость передачи 97728 кбит/с. Здесь же дополнительно представлена скорость передачи 155,52 Мбит/с, которая соответствует первому уровню систем передачи SDH.

Рекомендация G.709 (1996) [127] заменяет все три рекомендации G.707, G.708 и G.709 версии 1993 года. Отмененные рекомендации имели такие названия: Рекомендация G.707 (1993): Скорости передачи SDH\ Рекомендация G.708 (1993) именовалась так же, как именуется Рекомендация G.709 (1996). Рекомендация G.709 (1993): Интерфейс сетевого узла для SDH.

Новые Рекомендации G.774.X [128 - 133] посвящены информационной модели управления сетью SDH и её элементами. Они описывают классы объектов сети управления телекоммуникациями TMN (Telecommunications Management Network), необходимые для управления различного вида элементами и подсистемами сети SDH, а также для непрерывного контроля (мониторинга) их рабочих параметров.

В Рекомендациях G.780 - G.785, G.803 [134 - 140] описаны терминология и оборудование сетей, их типы и характеристики аппаратуры, общие параметры и выполняемые функции, характеристики функциональных блоков аппаратуры, формализация логических функций, выполняемых оборудованием SDH.

Отметим, что Рекомендация G.783 (1997): Типы и общие характеристики аппаратуры SDH, характеристики функциональных блоков аппаратуры SDH заменяет Рекомендации G.781 - G.783 (версии 1994 г.).

В Рекомендации G.803 (1997) [140] рассмотрены транспортные функции архитектуры сети SDH, основные функции защиты и самовосстановления, а также проектирование топологии сети синхронизации и взаимодействия сетей PDH и SDH. Рекомендация считается одной из основополагающих при решении проблем тактовой синхронизации транспортных сетей SDH. В ней цифровые сети классифицированы по степени поддержания синхронности передачи цифровых сигналов.

В Рекомендациях G.811 - G.813 [141 - 143] рассмотрены требования к стабильности первичных и вторичных эталонных генераторов тактовой последовательности импульсов.

Рекомендация G.825 (1993) [144] описывает схемы управления фазовым дрожанием и дрейфом цифровых сигналов в сетях SDH. Для измерения указанных параметров используются специальные приборы (см. подразд. 6.1.1, 6.1.2).

В Рекомендации G.826 [145] приведены параметры и нормы коэффициента ошибок для постоянных международных цифровых соединений при скоростях передачи выше первичной.

В Рекомендациях G.957 и G.958 [146, 147] рассмотрены оптические интерфейсы аппаратуры и систем передачи SDH, а также волоконно-оптические цифровые линейные тракты систем передачи SDH.

Рекомендации серии X посвящены взаимодействию открытых систем, принципы которых используют при построении и функционировании системы управления сетями SDH [155-161].

В заключение отметим, что кроме рекомендаций ITU-T в технологии SDHиспользуются стандарты ISO [111 - 117].

1.3. Основные понятия о системах передачи и сетях SDH

1.3.1. Основные понятия, термины и определения

Рекомендациями ITU-T, стандартами ISO, институтами ANSI, ETSI и другими международными организациями введено большое количество новых понятий, терминов, определений и соответствующих им сокращений, которые пока еще не полностью определены в литературе по вопросам телекоммуникаций на русском языке. Основные специальные понятия, термины и определения для систем передачи и сетей SDH, введенные рекомендациями ITU-T, приведены ниже.

Синхронная цифровая иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - это новый иерархический набор цифрового оборудования и элементов цифровой сети, стандартизированных с целью транспортирования по физическим сетям связи соответствующим образом адаптированной нагрузки. Данное определение включает в себя несколько понятий одновременно: новые международные рекомендации; новый синхронный метод объединения цифровых сигналов, или синхронное мультиплексирование; новая концепция построения цифровых транспортных сетей.

Синхронный транспортный модуль STM (Synchronous Transport Module) - это ЦГС заданной структуры, используемый для транспортирования сигналов в сетевом слое секций систем передачи SDH. Цикл передачи, или фрейм (Frame) сигнала STM содержит информационные сигналы полезной нагрузки и служебные сигналы. Длительность цикла передачи равна 125 мкс.

Виртуальный контейнер VC (Virtual Container) - это ЦГС заданной структуры, используемый для формирования сигналов в сетевом слое трактов систем передачи SDH. Цикл передачи VC содержит информационные сигналы нагрузки и служебные сигналы. Последние образуют трактовые заголовки VC. В зависимости от вида контейнера VC длительность его цикла передачи равна 125 или 500 мкс. Для разных скоростей передачи ЦГС приняты VС различного порядка (ёмкости, объема), имеющие обозначения VС-11, VС‑12, VC-2, VC-3, VС-4.

Контейнер С (Container) - это ЦГС заданной структуры, с помощью которого формируется синхронная с сетью информационная нагрузка для УС. Эта нагрузка создается в форме контейнеров. Виртуальному контейнеру заданного порядка соответствует определенный контейнер: С-11, С-12, С-2, С-3, С-4. Цикл передачи данного VC образуется объединением ЦГС соответствующего контейнера и сигналов трактового заголовка РОH (Path Overhead), т. е. УС = С + РОЕ.

Административный блок AU (Administration Unit) - это ЦГС заданной структуры, обеспечивающий согласование между сетевым слоем трактов высшего порядка и сетевым слоем мультиплексной секции. Цикл передачи сигналов AU содержит информационные сигналы нагрузки (VС высшего порядка) и сигналы АU-указателя (AU-pointer), т. е. AU = VC + АU-указатель.

Для цифровых трактов высшего порядка определены два вида административных блоков: AU-3 и AU-4. Блок AU-4 состоит из VС-4 и AU-указателя, который показывает смещение начала цикла передачи сигналов VС-4 относительно цикла передачи сигнала STM1. Блок AU-3 состоит из VС-3 и АU-указателя, который показывает необходимость корректирования фазы сигналов VС-3 относительно фазы сигналов цикла передачи STM-1.

Один или более блоков AU, занимающих определенные фиксированные положения в нагрузке STM-1, называется групповым административным блоком AUG (Administrative Unit Group). Блок AUG содержит однородный набор элементов AU-3 или один элемент AU-4.

Цикл передачи сигналов синхронного транспортного модуля N-го порядка образуется побайтным объединением сигналов N групповых блоков AUG и сигналов секционного заголовка SOH (Section OverHead), т. е. STM-N =N x AUG+ SOH.

Субблок TU (Tributary Unit) - это ЦГС заданной структуры, который обеспечивает согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков. Цикл передачи TU содержит информационные сигналы нагрузки (VC-11, VC-12, VC-2, VC-3) и сигналы TU‑указателя, т. е. TU = VС + TU-указатель. Смещение начала цикла передачи сигналов нагрузки от начала цикла передачи сигналов VC высшего порядка показывает TU-указатель. Так же как и контейнеры VС, субблоки TU обозначаются TU-11, TU-12, TU-2 и TU-3 соответственно.

Один или несколько субблоков TU, занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке контейнера VC высшего порядка, называется групповым субблоком TUG (Tributary Unit Group), который обозначается TUG-2 или TUG-3. Блок TUG-2 содержит однородный набор идентичных элементов TU-11, TU-12 или один элемент TU-2. Блок TU-3 содержит однородный набор групповых субблоков TUG-2 или один субблок TU-3.

Мультиплексирование (Multiplexing) - это процедура, посредством которой выполняются операции по согласованию нескольких сигналов сетевого слоя трактов низшего порядка с трактом высшего порядка или нескольких сигналов трактов высшего порядка - с мультиплексной секцией.

Размещение сигналов (Mapping) - это преобразовательная процедура, посредством которой передаваемые цифровые потоки согласуются с виртуальными контейнерами. Фактически эти потоки размещаются на определенных временных позициях циклов передачи виртуальных контейнеров VC. В системах передачи SDH используется синхронное или асинхронное размещение передаваемых цифровых сигналов. Процесс размещения заключается в упаковке различных сигналов современных технологий (компонентных потоков плезиохронных ЦСП, потоков ячеек ATM, сигналов технологии FDDI, пакетов IP и т. д.) в VC соответствующей ёмкости [43, 63, 155].

Корректирование, или выравнивание сигналов (Aligning) - это процедура, посредством которой в TU или AU вводятся данные о размере смещения начала цикла передачи сигналов нагрузки от начала (точки отсчета) цикла передачи сигналов обслуживающего сетевого слоя.

Сцепка (Concatenation) блоков - это процедура, которая позволяет объединить несколько виртуальных контейнеров. В результате сцепки полученная совокупная ёмкость может быть использована как один контейнер, в котором обеспечивается целостность последовательности передаваемых сигналов. Различают два вида сцепок: смежные (Contiguous) и виртуальные (Virtual). Смежные сцепки определены для VC-2 и VC-4 и обозначаются VC-N-Xc, где N - уровень контейнеров (2 или 4), а X - число контейнеров в сцепке (может принимать значение от 2 до 256). Нагрузки контейнеров размещаются в соседних блоках (TU-2 для VC-2 и AU-4 для VC-4). Указатель первого блока обозначает начало сцепки, а указатели остальных блоков сообщают о принадлежности к ней.

Виртуальные сцепки определены для всех VC-N. Виртуальные контейнеры, участвующие в сцепке, имеют свои трактовые заголовки и передаются по сети независимо (может быть даже по разным трассам). Сборка контейнеров осуществляется на приемном конце с использованием информации, полученной в трактовых заголовках. В этом случае поддержка процедуры сцепки необходима только в точках окончания тракта. Использование сцепок повышает эффективность систем передачи SDH в сети. Более подробно о применении сцепок можно прочитать в работах [43, 63].

Указатель (Pointer) - это индикатор, значение которого показывает смещение начала цикла передачи сигналов VC относительно точки отсчета цикла передачи сигналов той транспортной единицы, которая этот VC обслуживает.

Секционный заголовок SOH (Section OverHead) - это фрагмент заданной структуры цикла передачи сигналов STM-N. Заголовок SOH содержит служебные сигналы, обеспечивающие функционирование систем контроля, управления и обслуживания, а также сигналы, выполняющие вспомогательные функции. Секционный заголовок делится на два заголовка: заголовок мультиплексной секции и заголовок регенерационнои секции.

Заголовок мультиплексной секции MSOH (Multiplex Section OverHead) - это часть сигналов секционного заголовка, которая передается между пунктами доступа, где формируется и расформировывается цикл передачи сигналов STM. Регенераторы ленейного тракта сигналы MSOH проходят транзитом. Заголовок MSOH содержит сигналы, выполняющие функции контроля ошибок, управления системой автоматического переключателя на резерв, служебной связи и т. д.

Заголовок регенерационнои секции RSOH (Regenerator Section OverHead) - это часть сигналов секционного заголовка, которая действует в пределах регенерационной секции и передается между регенераторами, где заголовок RSOH обрабатывается. Заголовок RSOH содержит сигналы, выполняющие функции цикловой синхронизации, контроля ошибок цифрового линейного сигнала в пределах регенерационной секции, указания уровня иерархии синхронного транспортного модуля и т. д.

Трактовый заголовок РОН (Path Overhead) - это фрагмент заданной структуры цикла передачи сигналов VС. Заголовок РОН создается и ликвидируется в пунктах доступа, где формируется и расформировывается цикл передачи сигналов VC, контролирует тракт между этими пунктами, проходя мультиплексные и регенерационные секции транзитом. Он содержит сигналы, выполняющие функции контроля качества тракта, передачи информации об авариях тракта, служебной связи и т. д. В заголовках РОН тракта высшего порядка содержатся также данные о структуре информационной нагрузки данного контейнера VC.

Линейный тракт, или синхронный линейный тракт (СЛТ) определяется как комплекс станционных и линейных технических средств, выполняющих транспортирование сигналов STM-N между эталонными точками двух последовательных синхронных линейных мультиплексоров (или другой аппаратуры пунктов доступа). В состав СЛТ входят: функциональные блоки окончаний регенерационной секции RST (Regenerator Section Termination); оптические секции OS (Optical Section); линейные регенераторы.

Блоки RST обрамляют регенерационную секцию, входя в ее состав. Со станционной стороны на вход блока RST поступает полный сигнал STM-N, однако в нем еще не определены байты заголовка регенерационной секции. Блоки RST являются источниками и потребителями этих заголовков, здесь сигналы RST вводятся в цикл передачи STM-N и выводятся из него для последующего использования.

Оптическая секция OS - это часть СЛТ, состоящая из участка ООВ между двумя соседними пунктами СЛТ.

Регенераторы СЛТ, кроме своих обычных функций, выполняют ряд новых задач. Основная из них - обработка заголовка RSOH. Фактически это одна из функций мультиплексора. Заголовок RSOH создается и вводится в цикл передачи STM-N в функциональном блоке RST в начале СЛТ.

В каждом регенераторе заголовок RSOH принимается, обрабатывается и используется. Затем он вновь формируется и вводится в цикл передачи STM-N. При этом часть байтов принятого заголовка транслируется во вновь формируемый заголовок RSOH - и так до конца СЛТ.

Элементы сети NE (Network Elements) - основные устройства для построения транспортной сети SDH. Сетевой элемент представляет собой «узел». В данном случае это очень ёмкое понятие, потому что NE могут быть различными по своим функциям, размерам и устройству.

В рекомендациях ITU-T, описывающих функционирование сети SDH, в качестве примеров приводится большое количество типов сетевых узлов, или элементов сети. Сетевой узел может быть довольно простым и выполнять транспортные функции только в одном или двух слоях сети. Но его конфигурация может быть достаточно сложной, обеспечивающей управление транспортированием нагрузки во всех слоях сети.

Общее свойство всех элементов сети состоит в том, что каждый из них является связующим звеном между транспортной сетью SDH и сетью контроля, управления и обслуживания. Они обеспечивают взаимодействие указанных сетей.

Отдельные элементы сети (терминальные мультиплексоры, мультиплексоры выделения/вставки, аппаратура оперативного переключения цифровых потоков, линейные тракты, синхронные линейные мультиплексоры и др.) оснащены устройствами доступа, или интерфейсами сетевых узлов NNI (Network Node Interface), с помощью которых выполняются соединения элементов сети между собой, т. е. NNI с устройствами взаимосоединений являются связующим звеном между NE или между средой транспортирования сигналов и элементами сети.

Сигналы на интерфейсе сетевого узла могут быть электрическими или оптическими, иметь несколько значений уровня и различные скорости передачи. Разнообразие сигналов интерфейса расширяет функциональные возможности NE и повышает гибкость сети SDH.

Трасса (Trail) - это функциональный элемент, который поддерживает целостность информации клиента в пределах данного сетевого слоя. Трасса включает средства передачи информационных сигналов и средства системы контроля, управления и обслуживания. Понятие «трасса» обобщает понятия каналов, трактов и секций.

1.3.2. Общие требования к оборудованию, системам передачи и сетям SDH

Типы, назначение, общие характеристики и качественные показатели оборудования, выполняющего функции преобразования, мультиплексирования, оперативного переключения и выделения/вставки цифровых сигналов, а также параметры функциональных блоков этого оборудования должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.783.

Общие характеристики и качественные показатели оборудования, выполняющего функции передачи оптических сигналов по одномодовым волокнам оптических кабелей, должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.958, а параметры его оптических интерфейсов - Рекомендации ITU-T G.951.

Нормирование характеристик передачи выполняется по категориям применений Рекомендации ITU- T G.957.

Структуры циклов передачи цифровых сигналов систем передачи SDH на интерфейсах сетевых узлов, а также состав и функции заголовков должны соответствовать Рекомендации ITU- T G.709.

Электрические характеристики оборудования систем передачи SDH на интерфейсах сетевых узлов должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.703, а оптические характеристики - Рекомендации ITU-T G.957.

Комплекс системы передачи SDH (терминальное оборудование и линейный тракт) при работе в пределах (в условиях) заданного расчетного режима должен обеспечивать высший уровень качества по классификации Рекомендации ITU-T G.821. Оборудование преобразования, оперативного переключения и выделения/вставки при работе в пределах заданного расчетного режима не должно вносить цифровых ошибок.

Рекомендации обеспечивают возможность построения и использования оборудования SDH всех уровней и разнообразного назначения (терминальное, выделения/вставки, оперативного переключения и др.), пригодного для создания сетей SDH различной конфигурации (линейных, разветвленных, кольцевых и др.) и для взаимодействия с разнообразными внешними сетями (PDH, B-ISDN, ATM и др.). Оборудование SDH может быть многофункциональным и конфигурироваться (т. е. менять схему и функции) программно и дистанционно, либо быть узкоспециализированным.

Аналогичным образом возможна различная конфигурация сетей SDH, которые могут иметь оборудование и системы передачи SDH разного вида, и взаимодействовать с внешними сетями на разных уровнях. Выбрать варианты построения схем систем передачи и сетей SDH могут только изготовители оборудования и сетевые операторы, как это выполняется на действующих сетях. Таким образом, особенностью сетей SDH является возможность программного и дистанционного конфигурирования этих сетей и их элементов вместо физического переключения и замены аппаратуры (или ее блоков) в сетях PDH.

Необходимым условием качественого сетевого взаимодействия различных типов оборудования и сетей SDH является точное соблюдение схем и процедур, которые в каждом конкретном случае должны выбираться только из числа рекомендованных ITU-T и подтвержденных регламентом региона или страны [70]. Так же, как и на действующих сетях, все перестройки на сети одного оператора должны согласовываться с взаимодействующими с ним операторами.

В линейных трактах систем передачи SDH в качестве среды передачи используются только ООВ, которые должны соответствовать Рекомендациям ITU-T G.652 - G.655.

1.4. Основные принципы построения сетей SDH

1.4.1. 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. 1.3.

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. 1.2

Рис. 1.3

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, особенно в разд. 5.

1.4.2. 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. 1.4. 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.

Наименование сетевых слоев

Примеры

Каналы

Сеть коммутации каналов

Сеть коммутации пакетов

Тракты

Низшего порядка

Сеть трактов VС-12

Высшего порядка

Сеть трактов VC-4

Среда передачи

Секции

Мультиплексные

Волоконно-оптическая сеть

Радиорелейная сеть

Регенерационные

Физическая среда

Рис. 1.4

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. 1.5.

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. 1.5.

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

Рис. 1.5

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.

1.4.3. Основные звенья модели сети

Совокупности слоев клиента и сервера, а также основные звенья модели сети SDH приведены на рис. 1.6.

Рис. 1.6

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 систем передачи SDH

2.1. Состав, назначение и возможности основного оборудования

Для построения сетей SDH ведущие мировые компании разработали и производят оборудование систем передачи SDH различных типов, основные оптические и электрические параметры которых соответствуют упомянутым выше рекомендациям ITU-T. Различные типы оборудования систем передачи SDH определяются как элементы сети SDH. Ниже приведены названия и перечень элементов, указано их назначение и возможности с учетом того, что оборудование систем передачи SDH является многофункциональным. Предлагаемая версия основного оборудования описана также в работе [89].

2.1.1. Синхронные мультиплексоры

Основным функциональным оборудованием систем передачи SDH являются синхронные мультиплексоры SM (Synchronous Multiplexers). Они выполняют следующие основные функции:

аналого-цифровое преобразование передаваемых сигналов и мультиплексирование полученных в результате этого преобразования цифровых сигналов в цифровые потоки;

выделение/вставку передаваемых цифровых потоков в заданных пунктах сети и их оперативное переключение;

передачу цифровых сигналов по волоконно-оптическим и радиорелейным (спутниковым) синхронным линейным трактам. Кроме того, SM задействованы в функциях контроля, управления, обслуживания и конфигурирования сети.

Различают три основных типа SM:

1) терминальные (оконечные) мультиплексоры ТМ(Terminal Multiplexers);

2) синхронные линейные мультиплексоры SLM (Synchronous Line Multiplexers);

3) мультиплексоры выделения/вставки DIM (Drop/Insert Multiplexers), или мультиплексоры ввода/вывода ADM (Add/Drop Multiplexers). В данной работе используется аббревиатура DIM (русская аббревиатура - МВБ).

Терминальные мультиплексоры - это оборудование, или аппаратура пунктов доступа систем передачи SDH, обеспечивающая связь между двумя пунктами, т. е. в структуре сети SDH «точка-точка». Эта аппаратура предназначена для гибкого преобразования аналоговых и мультиплексирования цифровых передаваемых сигналов потребителей в циклы передачи первичных цифровых потоков, а также последующего формирования из сигналов этих потоков цикла передачи синхронного транспортного модуля уровня STM-1. На приеме терминальные демультиплексоры разделяют принятый сигнал STM-1 на первичные цифровые потоки и на более мелкие цифровые потоки со скоростями передачи 64, 144 и п х 64 кбит/с, где п = 2, 3, ..., 30.

Аппаратура ТМ имеет несколько видов доступа:

аналоговые двух- и четырехпроводные абонентские телефонные линии;

цифровые абонентские линии основного доступа, структура доступа (2B+D), т. е. доступ на скорости передачи 144 кбит/с;

цифровые абонентские линии для предоставления каналов со скоростями передачи п х 64 кбит/с;

цифровые абонентские линии для синхронных и асинхронных терминалов передачи данных по протоколам Х.25, V.35, V.36 и др.;

цифровые соединительные линии от учрежденческих (корпоративных) АТС с доступом на первичной скорости передачи 2048 кбит/с, т. е. структура доступа (30B+D);

цифровые интерфейсы на скорости передачи 2, 34 и 140 Мбит/с;

доступ к сети локальной зоны LAN (Local Area Network), или к локальной сети, и другие виды доступа.

Таким образом, аппаратура ТМ систем передачи SDH используется в сетях доступа, т. е. в сетевом слое каналов.

Из указанных и других передаваемых сигналов потребителей на выходе мультиплексора ТМ формируется цифровой поток со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, т. е. это типичный синхронный мультиплексор первого уровня систем передачи SDH. Линейные выходы аппаратуры оборудованы оптическими и электрическими интерфейсами.

Цифровой поток на выходе мультиплексора ТМ, или оборудования SM-1 может использоваться в качестве линейного, тогда он преобразуется в оптический ЦЛС и через оптический интерфейс (стык, разъем) поступает в ООВ линейного кабеля.

Если сформированный на выходе мультиплексора ТМ цифровой поток передается по радиорелейной линии, то ее оконечная станция может соединяться с выходом ТМ (в зависимости от расстояния между ними) оптическим или электрическим кабелем через соответствующие интерфейсы.

При использовании полученного на выходе ТМ цифрового потока для формирования сигналов STM более высоких уровней системы передачи SDH, этот поток через электрический интерфейс аппаратуры SM-1 по стыковой цепи подается на вход одного из мультиплексоров SM-N (N = 4, 16, 64 или 256).

Терминальный мультиплексор контролируется, управляется и обслуживается с элемент-менеджера ЕМ (Element Manager) данного пункта. Он может также управляться (контролироваться, обслуживаться) дистанционно по каналам служебной связи с сетевого пункта управления, или с сетевого менеджера NM (Network Manager).

Примерами ТМ являются: OLC-2000 компании АТ&Т [165], Fiber World TN-1X компании Nortel [164], SMS-600T компании NEC [167], TМ-2500 компании Ericsson [110] и др.

Условное обозначение ТМ приведено на рис. 2.1, а.

Рис. 2.1

Синхронные линейные мультиплексоры - это мультиплексоры высших уровней иерархии систем передачи SDH: SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256, которые являются оконечной аппаратурой оптического цифрового линейного тракта. Они спроектированы и производятся для того, чтобы осуществить плавный управляемый переход от плезиохронной цифровой сети к сети SDH. Линейные мультиплексоры SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256 предназначены для объединения 4, 16, 64 и 256 синхронных цифровых потоков уровня STM1 в синхронные потоки транспортных модулей STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 соответственно. Структура циклов передачи этих сигналов разработана ITU-T и приведена в его рекомендациях. Условное обозначение мультиплексора SLM-N показано на рис. 2.1, б.

Однако необходимо учитывать, что при формировании сигналов STM-4, STM-16 и более высоких уровней часть входных потоков STM-1 можно заменить плезиохронными потоками со скоростью передачи 140 Мбит/с. На рисунке 2.2 в качестве примера приведены варианты формирования сигналов STM-4 (рис. 2.2, а) [108] и STM-64 (рис. 2.2, б) [16]. Электрические сигналы результирующих потоков на выходах мультиплексоров SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256 преобразуются в оптические ЦЛС, которые передаются по ООВ оптических линейных кабелей со скоростями передачи 622,08 Мбит/с; 2448,32 Мбит/с (2,5 Гбит/с); 9953,28 Мбит/с (10 Гбит/с) и 39813,12 Мбит/с (40 Гбит/с) соответственно. Линейные выходы всех SLM оборудованы двумя линейными оптическими портами. Это позволяет конфигурировать мультиплексоры в режимах терминальном, выделения/вставки и регенератора, а также использовать их в линейных сетях с системой защиты «1+1» и в кольцевых топологиях сети SDH с автоматическим резервированием. Синхронные линейные мультиплексоры конфигурируются и управляются (контролируются, обслуживаются) с ЕМ или NM. В качестве примеров SLM можно назвать линейные мультиплексоры типа SL-16 и SL-64 соответствующего уровня систем передачи SDH компании Siemens [16, 87].

Рис. 2.2

Мультиплексоры выделения/вставки, или ввода/вывода - это аппаратура промежуточных пунктов систем передачи SDH, обеспечивающая в этих пунктах выделение и вставку цифровых потоков для местного использования, транзит цифровых потоков, а также возможность разветвления данного цифрового линейного тракта (ЦЛТ) на линейные тракты меньшей пропускной способности. Синхронные DIM имеют те же уровни иерархии, что и системы передачи SDH. Практически разработаны и применяются на сетях такие мультиплексоры: DIM-1, DIM-4 и DIM-16. Причем, DIM-1 используют в сетях доступа, где преобладают цифровые потоки со скоростью передачи 2048 кбит/с. Из них формируются циклы передачи сигналов STM-1. Для повышения надежности трактов STM-1 они с помощью DIM-1 часто соединяются в сеть кольцевой топологии, т. е. в оптические кольца. Кольцевая сеть позволяет ввести резервирование по разным направлениям передачи кольца. При таком варианте построения сети SDH в случае аварии в линейном тракте функционирование сети не нарушается.

Простейшая кольцевая сеть с четырьмя (А, В, С, D) пунктами выделения/вставки (со встроенной АОП), которые оснащены мультиплексорами DIM-1, обрабатывающими цифровые потоки E1, показана на рис. 2.3. Каждый пункт доступа (узел) этой сети может выделять/вставлять от 1 до 63 потоков E1 (примеры указаны на схеме). Количество обрабатываемых потоков определяется лишь числом ТЭЗ в данном D/M-1. Предельное число первичных трактов в любом сечении кольца для данной схемы не превышает 63.

Рис. 2.3

В каждой области Украины в среднем до 30 районов. Как правило, на АТС райцентра следует вводить несколько потоков E1. При создании в области кольцевой сети с выделением этих потоков в райцентрах возможности STM-1 не будут избыточными. Если же ввести сетевое резервирование, когда в каждый райцентр потоки E1 смогут поступать с разных сторон оптического кольца, то для многих областей понадобится по 2...3 сети трактов уровня SТМ-1или даже сеть трактов уровня STM-4.

Мультиплексоры типа DIM-16 используют в сетевом слое трактов высшего порядка, где главным объектом сетевых операций являются VC-4 с предельной полезной нагрузкой около 140 Мбит/с (1920 ОЦК). Высокую надежность сети таких трактов также обеспечивают кольцевые схемы построения сети SDH.

Таким образом, областью применения SM в конфигурации DIM являются кольцевые сети, которые используются как в транспортных сетях, так и в сетях доступа.

Мультиплексор типа DIM-16 имеет следующие порты:

электрические порты для первичных цифровых потоков E1 со скоростью передачи 2048 кбит/с;

электрические или оптические порты для трактов STМ-1;

электрические или оптические линейные порты для ЦЛТ со скоростями передачи 155,52; 622,68 Мбит/с или 2,5 Гбит/с.

В соответствии с имеющимися портами аппаратура DIM-16 может также работать как терминальный мультиплексор в линейных трактах с системой защиты «1+1» или без защиты.

Мультиплексоры выделения/вставки конфигурируются, контролируются и управляются с местного ЕМ или от сетевого пункта управления, т. е. с NM дистанционно по встроенным каналам служебной связи. Условное обозначение мультиплексора выделения/вставки показано на рис. 2.1, в. Примером DIM является широкополосный мультиплексор выделения/вставки типа SMS-600W с системой защиты «1+1» уровня STM-4 компании NEC [167].

2.1.2. Аппаратура оперативного переключения

Вторым основным типом оборудования систем передачи SDH (после ТМ и SLM) является автономная АОП цифровых потоков, или аппаратура цифрового доступа с кроссированием (кросс-соединением) цифровых потоков DACS (Digital Access Cross-Connect System). Кроме того, в англоязычной литературе оборудование АОП обозначают DXC (Digital Cross-Connect), SDXC (Synchronous Digital Cross-Connect) или DCS (Digital Cross-Connect System). От них произошли соответствующие русские названия «цифровой кросс-коннектор», «синхронный цифровой кросс-коннектор» или «система цифрового кросс-соединения» [59], но не «коммутатор», как в работе [77]. Это оборудование обеспечивает функционирование систем передачи SDH на уровне VC. Кроме того, АОП является шлюзом (мостом) или средством межсистемного сопряжения между плезиохронными ДСП и системами передачи SDH. Она представляет собой управляемую микропроцессором электронную систему цифрового кросс-соединения высокой пропускной способности. Эта система обеспечивает полностью неблокируемую кроссировку цифровых трактов различного порядка и пробный доступ к любому сигналу тракта, с которым она сопрягается (соединяется).

Аппаратура DXC, или DACS предназначена для оборудования следующих пунктов:

транзита цифровых трактов на сетях SDH;

сопряжения цифровых трактов систем передачи SDH и PDH;

ответвления цифровых потоков в линейных трактах систем передачи SDH.

В зависимости от скорости передачи сигналов переключаемых цифровых потоков разработаны два варианта построения АОП. При первом варианте построения обеспечивается кросс-соединение цифровых трактов низшего порядка и переключение их между портами. Основное применение такой аппаратуры - для полностью неблокируемой кроссировки цифровых трактов, обеспечивающих передачу сигналов VС-12 (скорость передачи - 2240 кбит/с). Эти сигналы выделяются и принимаются из сигналов STM-1 (скорость передачи - 155,52 Мбит/с) систем передачи SDH или из сигналов Е4 со скоростью передачи 140 Мбит/с плезиохронных ЦСП, поступают и вводятся в тракты с такими же скоростями передачи других систем передачи SDH и PDH. В этом качестве АОП трактов низшего порядка используют для гибкого смешивания синхронных и плезиохронных сигналов, включая выделение сигнала 140 Мбит/с из сигнала 155,52 Мбит/с и вставку сигнала 140 Мбит/с в сигнал 155,52 Мбит/с с помощью формата загрузки VC-12.

Рассматриваемая АОП весьма эффективна на пунктах сопряжения цифровых трактов систем передачи SDH и PDH, поскольку обеспечивает транзит цифровых трактов как плезиохронных ЦСП со скоростями передачи 2 и 140 Мбит/с, так и трактов систем передачи SDH со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Аппаратура оперативного переключения трактов низшего порядка обеспечивает также такие применения, как функции подготовки (выделения и вставки) сигналов на уровне VС-12, самовосстанавливающиеся системы и сети, услуги по требованию. В перспективе планируется усовершенствование указанной АОП: обеспечение кросс-соединения цифровых трактов со скоростями передачи 34 и 45 Мбит/с. Условное обозначение АОП трактов низшего порядка приведено на рис. 2.1, г, а практическое применение показано на рис. 2.3.

При втором варианте построения АОП обеспечивает кроссировку цифровых трактов высшего порядка. На пунктах транзита цифровых трактов систем передачи SDH и PDH входы и выходы аппаратуры работают на скоростях передачи 155,52 (для систем передачи SDH) и 140 Мбит/с (для плезиохронных ДСП). Кросс-соединение цифровых трактов выполняется на уровне VC-4 (скорость передачи - 150,336 Мбит/с), что соответствует стандартам ETSI. В этом качестве рассматриваемая АОП также может быть использована для гибкого смешивания синхронных и плезиохронных сигналов, включая выделение сигнала 140 Мбит/с из сигнала 155,52 Мбит/с и вставку сигнала 140 Мбит/с в сигнал 155,52 Мбит/с с помощью формата загрузки VC-4. Аппаратура оперативного переключения трактов высшего порядка обеспечивает также новые прикладные функции сети SDH: самовосстанавливающиеся сети, взаимную связь сетей, службы сети Ш-ЦСИО (широкополосная цифровая сеть интегрированного обслуживания) и др. Условное обозначение АОП трактов высшего порядка приведено на рис. 2.1, д.

Типичными примерами оборудования АОП являются: аппаратура цифрового доступа типа DACS-VI 2000 компании AT&T [75]; локальный кросс-коннектор типа LXC-16/4 компании Philips уровня STM-16 и связью в сетевом слое трактов высшего порядка VC-4; синхронный модульный кросс-коннектор типа SXC-4/1 компании Siemens, который может быть использован для соединения без блокировки потоков плезиохронной ЦСП и сигналов STM-1 с эквивалентной максимальной нагрузкой до 16 384 потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с и др. [77].

Однако следует отметить, что компания Lucent разработала модульный сетевой элемент типа MILLENNIA, который в зависимости от конфигурации может выполнять функции ТМ, SLM или DIM, а также кросс-коннектора или линейного регенератора [33].

2.1.3. Линейные регенераторы

Регенераторы синхронных линейных трактов, после синхронных мультиплексоров и кросс-коннекторов, являются третьим основным типом оборудования систем передачи SDH. Они выполняют более сложные, чем регенераторы плезиохронных ЦСП, функции: глубокий контроль точности передачи; обработку RSOH; связь с клиентами и с системой контроля, управления и обслуживания и др. Это связано с переходом от процесса передачи цифровых сигналов в плезиохронных ЦСП к процессу их транспортирования в системах передачи SDH.

Согласно Рекомендации ITU-T G.958 в состав функций регенератора должна входить функция обслуживания аппаратуры систем передачи SDH - это функция SEMF (Synchronous Equipment Management Function), которая контролирует все функции регенератора. Все сообщения об аварийных ситуациях, полученные в различных функциональных блоках регенератора, передаются этой функции. Для выполнения SEMF регенератор содержит устройства, которые преобразуют информацию, поступающую от функциональных блоков в форму, приемлемую для системы контроля, управления и обслуживания.

В случае приема этой системой сигнала аварии или при пропадании входного сигнала, регенератор выдает неискаженный RSOH, а остальные биты цикла передачи сигнала STM-N заменяются единицами. Для локализации поврежденных регенерационных секций используется метод проверки бит цикла передачи STM-N на четность по разрядам октетов - метод BIР-8 (Bit Interleaved Parity 8).

Для связи регенератора с объектами, внешними по отношению к данной системе передачи SDH, можно использовать два интерфейса: Q-интерфейс соединяет регенератор с операционной системой; F-интерфейс используют для соединения регенератора с рабочим местом оператора сети в целях контроля и управления.

Линейные регенераторы LR стандартизированы рекомендациями ITU-T и широко применяются на магистральных сетях SDH, хотя на развитых сетях SDH расстояния между соседними узлами сети составляют несколько десятков километров и промежуточные регенераторы могут отсутствовать. С использованием оконечных оптических усилителей длина секции регенерации составляет 250...300 км, что достаточно для большинства участков местных и зоновых сетей связи. Эти усилители уже разработаны и изготавливаются рядом фирм-производителей оборудования систем передачи SDH. Условное обозначение LR приведено на рис. 2.1, е.

Кроме базовых синхронных мультиплексоров различного уровня, которые могут быть сконфигурированы как ТМ, SLM, DIM и как LR, некоторые компании производят линейные регенераторы отдельно. К ним относят регенераторы таких типов: LR-1, LR-4, LR-16 компании Philips [77]; SMS-150R, SMS-600R, SMS-2500R компании NEC [167]; SLR-4, SLR-16 компании ECI и др.

2.1.4. Радиорелейные системы передачи SDH

Радиорелейные системы передачи SDH (SDH Radio Relay) предназначены для образования мультиплексных и регенерационных секций в следующих сетевых применениях:

замыкание волоконно-оптических колец;

последовательные соединения (продолжение, наращивание) с волоконно-оптическими системами передачи SDH;

резервирование линейных трактов волоконно-оптических систем передачи SDH;

многоточечные сети SDH с функциями мультиплексирования.

Радиорелейные секции MS включаются в сеть SDH через интерфейсы сетевых узлов непосредственно, либо с помощью внутристанционных секций. Радиорелейные системы передачи SDH могут иметь либо электрический интерфейс по Рекомендации ITU-T G.703, либо оптический внутристанционный интерфейс (Рекомендация ITU-T G.957). Функциональные характеристики радиорелейных систем передачи SDH должны полностью отвечать требованиям волоконно-оптических систем передачи SDH, чтобы обеспечивать неограниченные возможности сетевого взаимодействия.

Радиорелейные системы передачи SDH должны удовлетворять всем требованиям системы контроля, управления и обслуживания сетей SDH и, в частности, полностью транспортировать и использовать сигналы, содержащиеся в секционном MSOH и обеспечивающие функции контроля, управления и обслуживания.

Магистральные радиорелейные системы передачи SDH большой ёмкости рассчитаны на транспортирование STM-1, N x STM-1 и STM-N. Зоновые радиорелейные системы передачи SDH предназначены для транспортирования сигналов STM-1 и N x STM-1. На участках сети, где ёмкость STM-1 избыточна и трафик не выходит за пределы возможностей VC-3 (скорость передачи 48,96 Мбит/с), целесообразно использование радиорелейных систем передачи, рассчитанных на субпервичный STM-0, или STM-RR со скоростью передачи 51,84 Мбит/с.

Сигнал уровня STM-0 является новым циклом передачи линейного сигнала технологии SDH. Он составляет новый уровень систем передачи SDH и может использоваться на интерфейсах сетевых узлов. Субпервичные радиорелейные системы передачи должны включаться в сеть SDH с помощью интерфейсов уровня STM-0 согласно Рекомендации ITU-T G.707/Y.1322 [126]. Со стороны плезиохронных цифровых потоков радиорелейные системы передачи должны иметь интерфейсы по Рекомендации ITU-T G.703 [124]. Так же, как и волоконно-оптические линейные тракты, они могут образовывать MS и RS, поддерживая сетевые слои трактов высшего порядка систем передачи SDH, нагрузка для которых - тракты низшего порядка, сигналы плезиохронных ЦСП, ячейки ATM и другие сигналы.

Примерами радиорелейных систем передачи SDH являются:

система передачи типа SDH MRS компании NEC для передачи сигналов уровня STM-l;

система передачи типа SDH-Radio компании ECI для передачи сигналов уровней STM-1 и STM-4;

транспортная радиорелейная система типа 9667ТН компании Alcatel для передачи сигналов уровня STM-1 и другие.

2.1.5. Оборудование системы контроля, управления и технического обслуживания

Оборудование управления сетью SDH и ее элементами, их технического обслуживания предназначено для реализации функций контроля, управления, технического обслуживания и обеспечения условий работы на сети системы ОАМ&Р (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning). Обеспечение этих функций - непростая задача, для решения которой, в зависимости от сложности структуры сети, могут применяться различные модели управления. Для сети, состоящей из десятка мультиплексоров (ТМ, SLM, DIM и др.), достаточно использовать систему уровня управления сетевыми элементами, а для сети более сложной структуры - необходимо применять и систему уровня управления всей сетью SDH [53]. О проблемах и перспективах применения новых технологий в системах управления сетями связи можно узнать из работ [24, 62].

Современная концепция, лежащая в основе управления транспортной сетью и ее оборудованием, соответствует модели TMN, определенной Рекомендацией ITU-T М.3010 [152]. Для реализации этой концепции компания Lucent разработала и предложила оборудование, обеспечивающее интегрированное управление транспортной сетью ITM (Integrated Transport Management) [33, 36, 169]. К данному оборудованию относятся системы уровня управления сетевыми элементами и систему уровня управления сетью.

Интегрированная система ITM представляет собой стандартный набор оборудования с программным управлением, который позволяет управлять всеми элементами сети SDH и используется для выполнения всех функций ОАМ&Р, начиная от запуска систем передачи (PDH, SDH, SDH Radio Relay) и заканчивая их техническим обслуживанием во время эксплуатации.

Основными модулями системы ITM являются:

сетевой менеджер типа ITM-NM, выполняющий функции управления всей сетью SDK, что подразумевает ее конфигурирование, контроль рабочих параметров, обработку аварийных сообщений, автоматическую маршрутизацию, управление доступом и прочее;

элемент-менеджер типа ITM-SC, который выполняет функции управления, настройки и контроля таких элементов сети, как синхронные мультиплексоры ТМ, SLM и DIM, а также оборудования SDH Radio Relay;

элемент-менеджеры типа ITM-XM для управления маломощными (DXC-1/0, DXC1/1) и мощными (DXC-4/4, DXC-16/4) цифровыми кросс-коннекторами;

элемент-менеджер типа ITM PDH для управления оборудованием плезиохронных ЦСП;

контроллеры элементов (блоков) SMUX, например, контроллер линейного (агрегатного) блока SLM-N.

Система уровня управления сетью, т. е. сетевой менеджер типа ITM-NM, взаимодействуя с элемент-менеджерами ITM-SC, ITM-XM, ITM PDH, реализует полный набор функций ОАМ&Р на современных сетях, состоящих из SMUX, DXC, оборудования систем передачи SDH Radio-Relay и оборудования плезиохронных ЦСП.

Основными достоинствами системы ITM-NM являются: возможность быстрого конфигурирования сети и восстановление приоритетного трафика в случае отказа оборудования; более точное ведение базы данных (в каждый момент времени система ITMNM располагает полной текущей информацией о состоянии сети и ее элементов); возможность конфигурации сети и повышение качества ее обслуживания; снижение затрат на эксплуатацию.

Таким образом, интегрированная система IТМ обеспечивает оператора связи всеми необходимыми средствами управления транспортной сетью. На сети SDH небольшого размера можно применять совмещенную платформу, которая позволяет функционировать системам ITM-NM, ITM-SC и ITM-XM на одном сервере. Система максимальной конфигурации может содержать более тысячи элементов сети.

Элемент-менеджеры могут быть реализованы на различных компьютерных платформах, в том числе и на IBM PC-совместимых компьютерах под управлением различных операционных систем, например, Windows 98, Windows NT, Windows XP и др.

Кроме ЕМ компании Lucent, которые указаны выше, также существуют элемент-менеджеры таких типов: регионального уровня - EM-OS компании Siemens для управления оборудованием сети SDH; элементов сети - 1353 WX компании Alcatel для кросс-коннекторов, рассчитанных на работу с цифровыми потоками систем передачи SDH и PDH; eEM компании ECI для управления оборудованием сетей SDH и др.

Сетевой менеджер реализуется, как правило, на достаточно мощных рабочих станциях WS (Work Station), работающих под операционную систему Unix. Другими примерами сетевых менеджеров являются: менеджер национального уровня типа SMN-OS компании Siemens для управления сетями SDH; менеджер национальной сети типа 1354 NN компании Alcatel для систем передачи SDH и PDH; менеджер типа eNM компании ECI для управления сетями SDH и др.

Структурная схема управления транспортной сетью с помощью оборудования интегрированной системы ITM приведена на рис. 2.4 [33].

Рис. 2.4

В указанных и других системах управления используется программное обеспечение, разработанное, как правило, самой компанией. Однако в последнее время в качестве основы для создания сетевого менеджера используют программное обеспечение компании Hewlett Packard, как наиболее совершенное. При этом указанная компания предлагает операционную систему типа HP-UX [53].

2.2. Построение циклов передачи синхронных транспортных модулей

2.2.1. Особенности построения циклов передачи сигналов синхронных цифровых систем передачи

В рамках систем передачи SDH фактически разработаны и практически реализуются не только новая концепция построения систем передачи и аппаратуры, учитывающая современные достижения в области системотехники и технологии, но и перспективная концепция построения цифровых транспортных сетей. Вместе с тем, основные положения систем передачи и сетей SDH разработаны таким образом, чтобы указанные концепции могли действовать в окружении существующих цифровых сетей с использованием большей части находящихся на сети аппаратуры и оборудования плезиохронных ЦСП. Поэтому для обеспечения преемственности и поддержки рекомендаций ITU-T по плезиохронным ЦСП, терминальные мультиплексоры и мультиплексоры выделения/вставки систем передачи SDH рассчитаны на оперирование только теми цифровыми потоками, скорости передачи которых соответствуют объединенному (американскому и европейскому) стандартному ряду плезиохронной иерархии, а именно: 1,554; 2,048; 6,312; 8,448; 34,368; 44,736; 139,264 Мбит/с, т. е. этот ряд содержит 7 членов. Из этих входных (передаваемых) сигналов плезиохронных ЦСП в ТМ технологии SDH формируется цифровой поток со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, который называется первичным цифровым потоком (в системах передачи SDH).

Дальнейшее формирование стандартных скоростей передачи в технологии SDH по Рекомендации ITU-T G.707 (1988) предлагалось осуществлять путем использования скорости передачи 155,52 Мбит/с с коэффициентами кратности 1, 4, 8, 12, 16. Но последующие практические разработки показали, что коэффициенты кратности 8 и 12 не нашли применения. Указанный выше ряд коэффициентов кратности из арифметической прогрессии трансформировался в геометрическую прогрессию вида 1, 4, 16, 64, 256. Следуя этому ряду коэффициентов, который позволяет разработчикам оборудования систем передачи SDH иметь постоянный коэффициент мультиплексирования, равный четырем, в настоящее время производятся системы передачи SDH со скоростями передачи 155,52; 622,08; 2488,32; 9953,28; 39813,12 Мбит/с в соответствии с Рекомендациями ITU-T G.707/Y.1332 [126] и G.709 [127].

Таким образом, первая особенность построения циклов передачи синхронных ЦСП состоит в том, что они поддерживают в качестве входных сигналов доступа цифровые потоки плезиохронных ЦСП и формируют на выходах синхронных терминальных и линейных мультиплексоров систем передачи SDH соответствующего уровня цифровые потоки с указанными скоростями передачи.

Другая особенность систем передачи SDH заключается в процедуре формирования структуры их циклов передачи. Здесь общими являются два правила:

При наличии иерархии составных элементов структуры цикла передачи элемент верхнего уровня может строиться из элементов нижнего уровня иерархии.

Несколько полученных по первому правилу элементов структуры одного уровня иерархии могут быть объединены в один общий элемент верхнего уровня иерархии.

Остальные правила отражают специфику технологии мультиплексирования цифровых потоков в системах передачи SDH.

Например, поступающие на вход ТМ передаваемые цифровые потоки плезиохронных ЦСП должны быть упакованы в структуру цикла передачи так, чтобы их можно было легко выделить и вставить в нужном месте (пункте) линейного тракта с помощью DIM. Для этого цикл передачи необходимо представить в виде некоторой ёмкости стандартного размера. Размеры ёмкости не должны изменяться в процессе ее транспортирования по сети. Эта ёмкость имеет вполне определенную внутреннюю вместимость для размещения полезной нагрузки. На неё «наклеивается» ярлык, в котором содержатся все сведения, необходимые для управления ёмкостью и ее маршрутизации. В качестве полезной нагрузки внутри ёмкости располагаются однотипные ёмкости меньшего размера (нижних уровней), которые также должны иметь полезную нагрузку и свои ярлыки и т. д. по методу последовательных вложений.

Для реализации этого метода ITU-T было предложено использовать понятие контейнер, в который упаковывается передаваемый цифровой поток. По типоразмеру контейнеры делятся на четыре уровня в соответствии с уровнями иерархии плезиохронных ЦСП. Сопровождающая контейнер «документация», или упоминаемый ярлык называется заголовком. Заголовок содержит управляющую информацию для сбора статистики прохождения контейнера. Контейнер с таким заголовком используется для транспортирования цифровых потоков, т. е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его называют виртуальным контейнером.

Таким образом, вторая особенность построения циклов передачи сигналов синхронных ЦСП состоит в том, что передаваемые цифровые потоки должны быть упакованы в стандартные контейнеры с заголовками. Размеры контейнеров определяются уровнем иерархии передаваемого цифрового потока плезиохронных ЦСП.

Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы различными способами. Виртуальные контейнеры нижних уровней, например, мультиплексируются и используются в качестве полезной нагрузки для VC верхних уровней. Последние, мультиплексируясь, в свою очередь, служат полезной нагрузкой для VC самого большого размера - STM-1, образующего первый уровень в системах передачи SDH.

Такое группирование может осуществляться по жесткой синхронной схеме. При этом место отдельного контейнера в ёмкости для размещения нагрузки строго фиксировано. Из нескольких циклов передачи могут быть составлены новые более крупные образования - сверхциклы передачи. При этом составляющие цикл передачи контейнеры могут быть различных типов. Кроме того, из-за непредвиденных временных задержек в процессе загрузки цикла передачи положение контейнеров внутри сверхцикла передачи может быть, строго говоря, не фиксировано. Указанные дестабилизирующие факторы с учетом общей нестабильности синхронизации в сети могут привести к ошибке при выделении/вставке контейнера. Для устранения этого явления на каждый виртуальный контейнер заводят указатель, который содержит фактический адрес начала цикла передачи VC. Указатель дает контейнеру некоторую свободу, т. е. возможность «плавать» под воздействием непредвиденных временных флуктуации, но при этом гарантирует, что VС не будет потерян при транспортировании по сети.

Таким образом, третья особенность построения циклов передачи сигналов в технологии SDH состоит в том, что положение VC в структуре цикла передачи определяется с помощью указателя, который позволяет устранить противоречие между фактом синхронности обработки сигналов и возможным изменением положения VC внутри ёмкости полезной нагрузки.

Основой построения цикла передачи сигналов синхронных ЦСП, подчиняющихся принятой ITUиерархии, является STM-1, который называется также первичным, или базовым. Он представляет собой ЦГС заданной структуры с длительностью цикла передачи 125 мкс и скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Забегая вперед, отметим, что цикл передачи STM-1 в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.704 содержит 2430 байт или 2430 х 8 = 19440 бит.

Если цикл передачи сигналов такой ёмкости представлять в виде одной строки с указанием элементов структуры, то теряется наглядность. Да и с технической точки зрения затруднительно на странице заданного формата, например, на данной странице, изобразить строку, в которой около 20 тыс. символов. Поэтому для удобства представления и обозрения (наглядности) цикла передачи, в синхронных ЦСП его принято изображать в форме прямоугольных таблиц в виде столбцов и строк (рядов). Поле полезной нагрузки STM-1 должно вмещать максимальный по размеру VC, который формируется при размещении в нем самого высокоскоростного цифрового потока плезиохронных ЦСП, т. е. цифрового потока E4, имеющего скорость передачи 139,264 Мбит/с.

Цикл передачи STM-1 имеет таблицу размером в 270 столбцов и 9 строк, следовательно, он содержит 270 х 9 = 2430 байт. Из них поле размером 9x9 = 81 байт отводится для передачи различных служебных сигналов (заголовков, указателей). Это поле составляет всего лишь 3,33 % от общего поля цикла передачи, однако этого достаточно, чтобы разместить в нем необходимые управляющие и контрольные сигналы и выделить часть байтов для образования различных каналов служебной связи.

Четвертой особенностью построения циклов передачи сигналов синхронных ДСП является то, что в них предусмотрено формирование отдельного поля служебных сигналов. Для передачи этих сигналов в системе передачи SDH первого уровня образуется суммарный цифровой поток со скоростью передачи 81 х 64 кбит/с = 5,184 Мбит/с.

При построении любой иерархии скоростей передачи ЦСП должен быть определен либо ряд стандартных скоростей передачи этой иерархии, либо первый член этого ряда и алгоритм формирования последующих скоростей передачи цифровых сигналов. Если для ОЦК значение скорости передачи 64 кбит/с вычисляется достаточно просто, то для систем передачи SDH значение первого члена ряда скоростей передачи можно получить только после определения структуры цикла передачи STM-1 и его размера.

Выше указывалось, что ёмкость цикла передачи STM-1 составляет 2430 байт. Из них 9x9 = 81 байт отведено под поле служебных сигналов. Для транспортирования сигналов полезной нагрузки остается поле 261x9 = 2349 байт.

Формула для скорости передачи цифровых сигналов, представленных такими таблицами (циклами передачи), имеет вид [40]:

V=8М/Т,

где М - число байтов таблицы цикла передачи, а Т - его период. В синхронных ЦСП период цикла передачи STM-1 равен 125 мкс, тогда V = 64 кбит/с х М.

Поле полезной нагрузки ёмкостью в 2349 байт обеспечивает транспортирование цифровых сигналов со скоростью передачи V =64 кбит/с х 2349 = 150,336 Мбит/с, что вполне достаточно для размещения цифрового потока Е4. Если к скорости передачи сигналов полезной нагрузки в STM-1 прибавить скорость передачи служебных сигналов, то получим значение первого члена ряда для скорости передачи сигналов в синхронных ЦСП, а именно: 150,336 + 5,184 = 155,52 Мбит/с. С другой стороны, 64 кбит/с х 2430 = 155,52 Мбит/с.

Таким образом, значение скорости передачи сигнала STМ-1, равное 155,52 Мбит/с, как стандартной скорости передачи в синхронных ЦСП первого уровня иерархии, является обоснованным. Для каждого последующего уровня иерархии скорость передачи получается путем умножения на четыре скорости передачи предыдущего уровня.

2.2.2. Элементы структуры циклов передачи

Для построения структуры циклов передачи сигналов первого уровня иерархии синхронных ЦСП используются составные элементы, или информационные структуры, формируемые только в системах передачи SDH. К этим элементам относятся:

контейнер С;

виртуальный контейнер VС;

субблок TU;

групповой субблок TUG;

административный блок АU;

групповой административный блок AUG;

синхронный транспортный модуль STM-1.

Рассмотрим назначение и структуру указанных элементов, которые кратко описаны также в работе [90]. Первым элементом является контейнер.

Контейнеры C-N - это контейнеры уровня N. Каждый контейнер представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры. Он предназначен для размещения (с целью последующего транспортирования) сигналов заданного цифрового потока, т. е. контейнер включает полезную нагрузку, которая представляет собой передаваемый цифровой поток заданной системы передачи, например, плезиохронной ЦСП.

Слово «размещение» больше подчеркивает физический смысл процесса транспортирования сигналов. Логически же происходит отображение структуры цикла передачи передаваемого цифрового потока на структуру размещающего его контейнера как элемента сигнала в системах передачи SDH.

Уровни контейнера соответствуют уровням систем передачи плезиохронной иерархии, т. е. N = 1, 2, 3, 4, а число типоразмеров контейнеров должно быть равно числу членов объединенного ряда скоростей передачи плезиохронных ЦСП, т. е. 7 (см. подразд. 2.2.1). Действительно, каждый из контейнеров С-1, С-2 и С-3 должен быть разбит на два подуровня для размещения в них сигналов первичных, вторичных и третичных цифровых потоков соответственно.

Контейнер С-1 американской и европейской иерархии плезиохронных ЦСП делится на контейнер С-11, в котором размещается цифровой поток T1 = 1,544 Мбит/с, и контейнер С‑12, в котором транспортируется цифровой поток E1 - 2,048 Мбит/с.

Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, размещающий цифровой поток Т2 = 6,312 Мбит/с, и контейнер С-22, в котором размещается цифровой поток Е2 = 8,448 Мбит/с.

Контейнер С-3 разбивается на контейнеры С-31 и С-32, в которые упаковываются цифровые потоки Е3 = 34,368 Мбит/с и T3 = 44,736 Мбит/с соответственно.

Контейнер С-4 не разбивается на контейнеры подуровней, т. к. четвертый уровень иерархии ЦСП по Рекомендации ITU-T G.702 существует только в европейских плезиохронных ЦСП, поэтому в контейнере С-4 размещается цифровой поток Е4 = 139,264 Мбит/с.

Таким образом, числа 4 и 7 индексации контейнеров согласованы между собой и являются обоснованными.

К каждому контейнеру, подлежащему транспортированию по цифровому групповому тракту, добавляется РОН (см. подразд. 1.3.1). В результате контейнер превращается в виртуальный контейнер VС, т. е. для каждого VС существует свой контейнер С.

Виртуальные контейнеры VC-N - это одноименные контейнеры соответствующего уровня. Каждый VС представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая образуется объединением сигналов контейнера и трактового заголовка, т. е. условно определяется формулой VС = С + РОН. Так как контейнер содержит полезную нагрузку PL (PayLoad), то в некоторых источниках, например, в работах [77, 166], формула для структуры VС условно представляется в виде: VС = PL + РОН.

Виртуальные контейнеры, также как и контейнеры, имеют четыре уровня: VС-1, VС-2, VС-3 и VС-4. Из них первые три также разбиваются на виртуальные контейнеры подуровней, а именно: VС-1 разбивается на VС-11 и VС-12; VС-2 - на VС-21 и VC-22; VС-3 - на VC-31 и VС-32.

VС-1 и VС-2 являются виртуальными контейнерами низшего порядка, а VС-3 и VС-4 - виртуальными контейнерами высшего порядка. Все они обеспечивают алгоритм формирования ЦГС в сетевом слое трактов. Виртуальные контейнеры вводятся в последующую структуру цикла передачи с помощью дополнительных сигналов - указателей, которые обеспечивают компенсацию указанных выше (см. подразд. 2.2.1) изменений скорости передачи и изменений фазы транспортируемой нагрузки. Ниже рассматриваются виртуальные контейнеры с указателями.

Субблоки TU, в соответствии с входящими в их состав VС, обозначают TU-1, TU-2 и TU-3. Они, как и VС, делятся на два подуровня, а именно: TU-1 разбивается на TU-11 и TU‑12; TU-2 - на TU-21 и TU-22; TU-3 - на TU-31 и TU-32.

Все субблоки обеспечивают согласование при мультиплексировании нескольких сигналов сетевого слоя трактов низшего порядка с сетевым слоем тракта высшего порядка. Каждый субблок представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая формируется путем соединения сигналов VC и указателя субблока (TU-указателя), т. е. определяется следующим образом: TU = VС + TU-указатель. Указатель субблока показывает, на сколько нужно отступить началу цикла передачи сигналов нагрузки (VC-1 или VC-2) от начала цикла передачи сигналов VC высшего порядка (VС-3 или VС-4).

Групповой субблок TUG представляет собой один или несколько субблоков и является фрагментом ЦГС заданной структуры, который занимает определенные фиксированные позиции в нагрузке VC высшего порядка. Различают два варианта групповых субблоков: TUG-2 и TUG-3.

Групповой субблок TUG-2 формируется путем мультиплексирования нескольких идентичных субблоков TU-11 и TU-12 или одного субблока TU-2. Блок TUG-2 также, как TU‑1 и TU-2, разбивается на два подуровня: TUG-21 и TUG-22.

Групповой субблок TUG-3 содержит однородный набор групповых субблоков TUG-2 или один субблок TU-3. Групповой субблок TUG-3 также разбивается на два подуровня: TUG-31 и TUG-32.

Далее на основании изложенного рассматриваются варианты формирования структуры сигналов виртуальных контейнеров высшего порядка VС-3 и VC-4.

Виртуальный контейнер VС-3 представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, полезная нагрузка которого формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант схемы формирования), либо из нескольких групповых субблоков TUG-2, в частности: VС-31 формируется как 1 х С-31 или 4 х TUG-22, или 5 х TUG-21; VС-32 - как 1 х С-32 или 7 х TUG‑21, или 5 х TUG-22.

Виртуальный контейнер VС-4 не разбивается на подуровни. Он представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, полезная нагрузка которого формируется либо из С-4 (прямой вариант схемы формирования), либо из нескольких TUG-2, либо из нескольких TU‑3, а именно: VС-4 формируется как 1 х С-4 или 4xTUG-31, или 3 х TUG-32, или 21 х TUG‑21, или 16 х TUG-22.

Виртуальные контейнеры высшего порядка VС-3 и VС-4 позволяют сформировать соответствующие административные блоки AU-3 и AU-4.

Административный блок AU предназначен для согласования сигналов сетевого слоя трактов высшего порядка с сетевым слоем мультиплексных секций. Каждый AU (AU-3 или AU-4) представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая формируется путем объединения сигналов полезной нагрузки (VС-3 или VС-4) и АU-указателя (AU-pointer), т. е. определяется выражением: AU = VC + АU-указатель. Начало цикла передачи сигналов полезной нагрузки может перемещаться относительно начала цикла передачи мультиплексной секции, поэтому АU-указатель определяет (указывает) адрес начала цикла передачи сигналов полезной нагрузки, место которого фиксировано.

Административный блок AU-3 разбивается на два подуровня AU-31 и AU-32, полезная нагрузка которых формируется из VС-31 и VС-32 соответственно. Структуры блоков AU-31 и AU-32 имеют вид:

AU-31 = VС-31 + AU-31-указатель;

AU-32 = VС-32 + AU-32-указатель.

Административный блок AU-4 не разбивается на подуровни. Его полезная нагрузка формируется либо из виртуального контейнера VС-4 (прямой вариант схемы формирования), либо другими возможными вариантами, в частности, 4хVС-31, или 3хVС-32, или 21xTUG-21, либо 16хTUG-22.

Групповой административный блок AUG представляет собой один или несколько AU и является фрагментом ЦГС заданной структуры, который занимает определенные фиксированные позиции в нагрузке STM-1. Блок AUG формируется из AU-3 и AU-4 с различными коэффициентами мультиплексирования, в частности, как 1 х AU-4, или 4 х AU‑31, или 3 х AU-32. Далее AUG отображается на полезную нагрузку сигнала STM-1.

Синхронный транспортный модуль STM-1 представляет собой полный цикл передачи ЦГС заданной структуры в системе передачи SDH первого уровня. Кроме полезной нагрузки STM-1 содержит служебные сигналы, которые также называют заголовками. Поскольку STM1 используется в сетевом слое секций, то его заголовок называется секционным - SОН. Цикл передачи сигнала образуется побайтным объединением сигналов полезной нагрузки AUG и сигналов SOH: STM-1 = AUG + SOH. Заголовок SOH подразделяется на заголовок мультиплексной секции MSOH и заголовок регенерационной секции RSOH.

В результате использования описанных выше элементов и их вариантов, образуемых наличием подуровней, можно изобразить схему построения цикла передачи сигнала STM-1 (рис. 2.5), предложенную в первом варианте Рекомендации ITU-T G.109 (1988). Она представляет собой симметричную относительно контейнера С-4 схему формирования цикла передачи сигнала STM-1. На схеме обозначения «xN» показывают коэффициенты мультиплексирования. Например, обозначение «х4» на ветви от блока TUG-22 к виртуальному контейнеру VС-31 означает, что четыре групповых субблока TUG-22 объединяются в виртуальный контейнер VС-31.

Рис. 2.5

Представленная схема охватывает все возможные варианты формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 и допускает использование на входе всех семи стандартных цифровых потоков плезиохронных ДСП. Но она достаточно сложна, поскольку имеет большое количество возможных вариантов формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1. Например, если рассмотреть на этой схеме только возможные варианты формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 из цифровых потоков E1 = 2,048 Мбит/с, то их насчитывается двенадцать. Из этих вариантов наиболее сложными являются следующие четыре:

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-21 - VC-32 - TU-32 - TUG-32 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STМ-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-21 - VC-31 - TU-31 - TUG-31 - VC-4 - AU-4 -AUG - ‑ STM-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-22 - VC-31 - TU-31 - TUG-31 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STM-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-22 - VC-32 - TU-32 - TUG-32 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STM-1.

Сложность и многовариантность путей формирования структуры модуля STM-1, предложенные в Рекомендации ITU-T G.109 (1988), ставили в трудное положение разработчиков оборудования систем передачи SDH. Это отрицательно сказывалось на унификации производимого оборудования синхронных ЦСП, использовалось многообразие оборудования существующих плезиохронных ЦСП. Уже в 1991 г. цифровой поток Е2 = 8,448 Мбит/с был исключен ITU-T из списка обязательных. Цифровой поток 72 = 6,312 Мбит/с был исключен ETSI из списка обязательных в европейском варианте схемы формирования структуры модуля STM-1 и остался только в Рекомендации ITU-T G.709 (1993) для общей схемы формирования структуры сигнала STM-1 в системах передачи SONET/SDH. Кроме вторичных цифровых потоков Е2 и T2 многовариантность формирования структуры модуля STM-1 создавали отображения TUG-22 на VC-31 и непосредственные отображения TUG-21 и TUG-22 на VC-4 с различными коэффициентами мультиплексирования. Поэтому в третьей редакции Рекомендации ITU-T G.709 (1993) схема формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 была упрощена. Она представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6

Основными отличиями этой схемы от схемы первой редакции, представленной на рис. 2.5, являются:

отсутствие цифрового потока Е2 = 8,448 Мбит/с, размещаемого в контейнере С-22, и связанных с ним блоков VC-22 и TU-22, а также представление контейнера С-21, виртуального контейнера VC-21 и субблока TU-21 блоками С-2, VC-2 и TU-2 соответственно;

появление одноуровневого блока TUG-3 и подключение к нему выхода блока TUG-2 (потеря непосредственных связок TUG-21 - VC-4 и TU-22 - VC-4);

несимметричное использование блока TU-3 в связке с VC-3 только для ветви С-3 – E3/T3 (вместо симметричной схемы TU-31/TU-32 - VC-31/VС-32) и исключение в связи с этим возможности кросс-соединения по связке TUG-21 - VС-31 ввиду ее отсутствия.

Указанные упрощения привели к тому, что из двенадцати возможных вариантов формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 из потоков E1 осталось только два:

1) E1 - C-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-2 - TUG-3 - VC-4 - AU-4 – AUG - STM-1;

2) E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-2 - VC-3 - AU-3 - AUG - STM-1.

Рассматриваемые упрощения становятся еще более очевидными, если учесть, что указанная схема является общей, объединяющей две схемы формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1: европейскую, предложенную ETSI для систем передачи SDH, и североамериканскую, которая используется в системах передачи SONET, Для рассматриваемого здесь примера с цифровым потоком E1 остается только один вариант формирования структуры сигнала STM-1 - по схеме ETSI (рис. 2.7), который имеет вид первого варианта из двух, представленных выше.

Таким образом, в настоящее время общая схема формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 приобрела окончательный вид (см. рис. 2.6), зафиксированный в Рекомендации ITU-T G.709 (1993), а европейская интерпретация этой схемы (рис. 2.7) зафиксирована в стандартах ETSI. Приведенные схемы являются формальными и не позволяют понять детали логических преобразований цифровых последовательностей в процессе формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1. Для уяснения этого вопроса рассмотрим структуры заголовков и указателей, которые упоминались при рассмотрении элементов структуры цикла передачи.

Рис. 2.7

2.2.3. Структура заголовков и указателей цикла передачи

Элементами структуры цикла передачи сигнала STM-1 являются следующие заголовки и указатели:

1) трактовые заголовки виртуальных контейнеров VC-N РОH;

2) секционный заголовок SOH синхронного транспортного модуля STM-1, который состоит из двух составляющих:

а) заголовок регенерационной секции RSOH,

б) заголовок мультиплексной секции МS;

указатели субблоков - Ш-указатели (TU-pointers)',

указатели административных блоков - АU-указатели (AU-pomters).

Ниже рассматриваются назначение и структура названных заголовков и указателей, а также назначение их составных элементов.

Трактовый заголовок, которым снабжается (оборудуется) каждый VС, не зависит от полезной нагрузки. Трактовые заголовки виртуальных контейнеров, входящие в их состав, предназначены для контроля качества транспортирования контейнеров по трактам передачи сети (в сетевом слое трактов) с помощью сигналов контроля, аварии и сигнализации, или для сбора статистики прохождения контейнера. Дополнительно заголовок РОН является частью процедуры размещения (упаковки) передаваемых сигналов плезиохронных ЦСП в виртуальные контейнеры. Заголовок РОН каждого VC создается (ликвидируется) в пунктах, где формируется (расформировывается) этот VС, и контролирует тракт передачи между этими пунктами (сигналы РОН проходят регенерационные и мультиплексные секции транзитом).

Следовательно, путь прохождения сигналов РОН в сетевом слое трактов значительно длиннее, чем их путь в сетевом слое секций (см. рис. 1.5).

Существуют два типа заголовков РОН. Один из них создается для VC низшего порядка (VС-11, VC-12, VС-2), который далее для краткости будем именовать VC-12 РОН. Заголовок РОН второго типа формируется для VC высшего порядка (VС-3, VС-4) - его будем называть VC-4 РОН.

Преобразование сигналов VС-12 в сигналы субблока TU-12 и их последующее мультиплексирование в TUG-2 (см. рис. 2.6) может выполняться в двух режимах: плавающем или фиксированном. Заголовок РОН для VС низшего порядка используется только в плавающем (асинхронном) режиме обработки (размещения) сигналов, т. е. только в режиме асинхронного размещения VС-12. В заблокированном (фиксированном) режиме РОН не используется, а места, предназначенные для сигналов РОH, занимают сигналы фиксированной нагрузки.

Трактовый заголовок VС-12 РОН имеет ёмкость 4 байт, которые обозначаются V5, J2, Z6, Z7 [35]. Структура байта V5 приведена на рис. 2.8, а. Его биты имеют следующее назначение:

Рис. 2.8

Первый и второй биты предназначены для проверки сигналов каждого цикла передачи VC-12 на четность, которые передаются чередующимися битами. Указанная проверка реализуется методом BIP-2 (Bit Interleaved Parity - 2) - четность чередующихся битов глубиной в два бита. Данный метод реализуется следующим образом. Первому биту присваивается значение «0» или «1», чтобы при проверке на четность всех нечетных битов (1, 3, 5, 7) во всех байтах цикла передачи VC-12 результат был четным. Второй бит используется аналогично для четных битов (2, 4, 6, 8).

Третий бит предназначен для передачи сообщения на первичное оборудование о том, что в принимаемых с его стороны сигналах при проверке их на четность обнаружены ошибки FEBE (Far End Block Error) - блок с ошибками на дальнем конце. При обнаружении ошибок на приемном конце бит 3 устанавливается в положение «1» и направляется обратно в передающее оборудование.

3. Четвертый бит служит для индикации состояния аварии на дальнем конце соответствующего тракта низшего порядка - RFI (Remote Fail Indicator). При отсутствии аварии бит 4 имеет значение «0». Если возникает аварийная ситуация, то этот бит принимает значение «1» и возвращается в передающее оборудование.

4. Пятый, шестой и седьмой биты используются для формирования сигнала метки (Signal Label), которая может иметь 23 = 8 значений. Практически используются четыре значения метки:

VC-12 содержит полезную нагрузку;

УС-12 не содержит полезной нагрузки;

размещение полезной нагрузки в УС-12 асинхронное;

размещение полезной нагрузки в УС-12 синхронное.

Остальные комбинации резервные.

5. Восьмой бит предназначен для передачи сообщения на противоположную станцию о том, что имеет место сбой при приеме сигналов на дальнем конце - FERF (Far End Receive Failure).

Второй байт J2 используется для проверки правильности соединения передающего и приемного оборудования, включенного на концах соответствующего тракта (VС-11, VС-12, VС-2) низшего порядка.

Назначение байта Z6 в настоящее время еще не определено, байт Z7 - резервный.

Необходимо отметить, что для передачи сигналов РОH в VС-12 формируется цифровой канал со скоростью передачи 16 кбит/с.

Трактовый заголовок VC-4 РОН имеет ёмкость 9 байт. Его структура приведена на рис. 2.8, б [108]. Байты заголовка обозначаются J1, B3, С2, G1, F2, H4, Z3, Z4, Z5 и имеют такое назначение:

Первый байт J1 предназначен для формирования в национальной сети 16-байтного сигнала. Этот сигнал содержит маркер (один байт) для обозначения начала цикла передачи сигналов VС-4 и идентификатор точки трактового доступа. Последний используется на оконечных станциях для того, чтобы приемный терминал получал постоянное подтверждение о наличии соединения с определенным (заданным) передающим терминалом на сети. На международных сетях для этого используется 64-байтный сигнал, в который преобразуется 16-байтный «национальный» сигнал.

Второй байт В3 используется для проверки на четность сигналов VС-4 каждого предыдущего цикла передачи, которые передаются чередующимися битами. Эта проверка осуществляется методом BIP-8 - четность чередующихся битов глубиной в один байт, что позволяет обнаруживать ошибки на четность в предыдущем контейнере С-4. Код BIP-8 вычисляется по всем битам предыдущего цикла передачи сигнала VС-4 после скремблирования и вписывается в байт В3 текущего цикла передачи перед скремблированием сигнала.

3. Третий байт С2 предназначен для формирования сигнала метки, которая может иметь 28 = 256 значений. Однако в настоящее время используются только следующие значения метки:

«00000000» - VC-4 не содержит полезной нагрузки;

«11111111»- VC-4 содержит полезную нагрузку;

«00010010»-это VС-4;

«00000100»- это VС-3;

«00000010» - это TUG.

Четвертый байт G1 предназначен для передачи сообщения о состоянии тракта по каналу обратной связи между точками построения (формирования) тракта, например, о наличии ошибок или сбоев при приеме сигналов на дальнем конце (FEBE, FERF).

Пятый F2 и седьмой Z3 байты предназначены для пользователя данного тракта. Они могут быть задействованы пользователем для образования двух цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с или одного цифрового канала со скоростью передачи 128 кбит/с.

Шестой байт H4 служит для формирования обобщенного (сверхциклового) указателя положения нагрузки при построении сверхциклов из четырех последовательных циклов передачи сигналов VC-12. В плавающем режиме начало сверхцикла полученного сигнала может перемещаться внутри VС-3 или VС-4, поэтому начальная фаза сверхцикла сигналов отмечается специальным указателем (индикатором) положения нагрузки.

Восьмой байт Z4 является резервным, он может быть задействован при дальнейшем развитии систем передачи и сетей SDH.

Девятый байт Z5 предназначен для оператора сети, который может его использовать для управления и контроля.

Структура трактового заголовка VС-3 РОH такая же, как и VС-4 РОН. Для передачи сигналов РОН виртуальных контейнеров высшего порядка в них формируется цифровой канал со скоростью передачи 9 х 8000 = 72 кбайт/с, или 72 х 8 = 576 кбит/с, т. к. заголовки VС-3 РОН или VС-4 РОН передаются в каждом цикле передачи сигнала STM-1.

В процессе функционирования оборудования SDH на сети, обеспечение бесперебойной передачи и поддержание безошибочного приема циклов передачи сигнала STM-1, контроль их состояния, управление полезной нагрузкой и ее обслуживание в сетевом слое секций являются весьма сложными задачами. Выполнение этих задач осуществляется с помощью оборудования систем контроля, управления и обслуживания, которое функционирует под воздействием служебных сигналов, объединенных в секционный заголовок SOH. Сигналы SOH весьма разнообразны по составу и назначению.

Байтовая структура секционного заголовка формируется в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.783, она приведена на рис. 2.8, в. Из рисунка видно, что основные сигналы заголовка сосредоточены в 1, 4 и 7-м столбцах. Байты столбцов между ними в основном зарезервированы для будущего применения систем передачи SDH в национальных и международных сетях. Последним в структуру сигнала STM-1 помещается заголовок RSOH, который занимает первые три строки заголовка SOH размером 9x3 = 21 байт. Байты заголовка RSOH имеют следующее назначение:

Шесть байтов А1, А1, А1, А2, А2, А2 первой строки предназначены для передачи сигнала цикловой синхронизации. Указанные байты имеют следующую структуру: A1 = 11110110, A2 = 00101000. Результирующая кодовая группа (48 бит) указывает начало цикла передачи сигнала STM-1 и обеспечивает выравнивание его скорости передачи. Байты первой строки RSOH не скремблируются.

Байт В1 предназначен для проверки сигналов цикла передачи STM-1 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших в регенерационной секции. Проверка осуществляется методом BIР-8, что позволяет обнаруживать ошибки в предыдущем цикле передачи сигнала STM-1.

Байт С1 является идентификационным, используется для обозначения номера (маркировки) сигнала STM-1 перед началом его мультиплексирования в структуру сигнала STM-N.

Три байта D1, D2, D3 позволяют образовать служебный канал передачи данных DCC (Data Communication Channel) для управления и обслуживания цикла передачи сигнала STM-1 на регенерационной секции (DCC-R). Этот канал обеспечивает скорость передачи 192 кбит/с. Заголовок RSOH в структуру цикла передачи сигнала STM-1 вставляется последним, но сигнал STM-1 начинается именно с него, потому что в структуре RSOH находится сигнал цикловой синхронизации. Это означает, что в цикле передачи данного сигнала STM-1 передается часть сигналов предыдущего группового блока AUG, как показано на рис. 2.9 [35].

Рис. 2.9

Байт E1 используется для образования канала служебной телефонной связи (скорость передачи 64 кбит/с) на регенерационной секции (канал участковой служебной связи). Доступ к этому байту возможен только в необслуживаемом регенерационном пункте (НРП).

Байт F1 предназначен для образования канала пользователя. С помощью этого байта оператор сети может временно использовать свободный канал системы передачи SDH для передачи данных, служебной телефонной связи или других эксплуатационных нужд.

Нижние пять строк SOH (9 х 5 = 45 байт) образуют заголовок мультиплексной секции MSOH. Байты MSOH имеют следующее назначение:

Три байта В2 предназначены для проверки сигналов цикла передачи STM-1 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших в мультиплексной секции. Проверка выполняется методом BIP-24 - четность чередующихся битов глубиной в 24 бита, что позволяет на приеме обнаруживать ошибки в сигналах предыдущего цикла передачи STM-1. Метод BIP-24 дает возможность сформировать специальную проверочную последовательность битов, которая размещается в трех байтах В2.

Два байта К1 и К2 используются для образования канала системы автоматического защитного переключения APS (Automatic Protection Switching). Канал APS со скоростью передачи 128 кбит/с предназначен для управления автоматическим переключением оборудования мультиплексной секции, например, DIM или DXC, на резервные тракты при работе в защитном режиме. В этом же канале передаются сигналы сигнализации о срабатывании системы APS.

Девять байтов D4, ..., D12 образуют цифровой канал DCC-M со скоростью передачи 9 х 64 кбит/с = 576 кбит/с для мультиплексной секции. Канал DCC-M служит для управления и обслуживания циклов передачи сигнала (модуля) STM-1 на секции мультиплексирования.

Три байта Z1 предназначены для образования цифрового канала со скоростью передачи 192 кбит/с, по которому передаются данные о статусе тракта в системе тактовой синхронизации (определены четыре уровня иерархии системы этой синхронизации).

Байт Е2 используется для образования канала служебной телефонной связи (скорость передачи 64 кбит/с) на мультиплексной секции (канал постанционной служебной связи). Канал используется между пунктами, где цикл передачи STM-1 формируется и расформировывается, т. е. байт Е2 доступен на окончаниях MS.

Три байта Z2 - запасные, они предназначены для еще не определенных функций.

Байты NU (National Use Bytes) заголовка SOH предназначены для национального использования в данной стране. Среди них два байта, помеченные звездочками, не должны (в отличие от остальных байтов заголовка) подвергаться скремблированию, следует заботиться об их содержании. Все непомеченные байты зарезервированы для использования в будущем.

Кроме рассмотренных сигналов трактовых и секционных заголовков, к служебным сигналам цикла передачи STM-1 относят сигналы указателей административных блоков и субблоков.

Указатели административных блоков предназначены для гибкого размещения виртуальных контейнеров высшего порядка (VC-3, VC-4) и виртуальных контейнеров низшего порядка (VC-1, VC-2) в структуре цикла передачи сигнала STM-1 при его формировании. Как административный блок, так и субблок являются информационными элементами структуры цикла передачи STM-1, вводимыми с помощью указателей. Действительно, напомним, что AU = VC + AU-yказатель и TU = VC + TU-указатель, где используются VC соответствующего порядка.

В деталях структуры сигналов AU-указателей и TU-указателей различны, но в общем они имеют одинаковые назначения. Эти назначения сводятся к тому, что значения указателей отображают:

смещение начала VC заданного порядка в структуре административного блока или субблока;

необходимость положительного согласования скоростей;

необходимость отрицательного согласования скоростей при размещении полезной нагрузки в цикле передачи сигнала STM-1;

положение нового (следующего, очередного) VC;

отметку новой информации, т. е. процесс изменения формы блоков AU или TU.

Из этого перечня применений указателя можно сделать вывод, что они используются в качестве показателей динамики формирования структуры цикла передачи STM-1: отображение положений VC, согласование скоростей при размещении полезной нагрузки и управленческое изменение формы блоков AU или TU оператором сети - все выполняется под управлением значений указателей.

Для того, чтобы оконечной станции на другом конце стало известно про изменение формы этих блоков, с помощью указателей передается показатель новой информации, который называется флагом новых данных NDF (New Data Flag).

Указатели административных блоков AU-3 и AU-4 по своему назначению и структуре одинаковы, поэтому далее для краткости они будут именоваться одним указателем - АU-4-указатель (AU-4 PTR). В структуре цикла передачи STM-1 он занимает фиксированное положение - это первые 9 байт четвертой строки секционного заголовка, как показано на рис. 2.8, в. Но нужно иметь в виду, что в структуры секционных заголовков RSOH и MSOH АU-4-указателъ не входит. Байтовая и частично битовая структуры AU-4 PTR приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.10

Байты и их биты имеют следующее назначение:

1. Четвертый байт Н2 и частично первый байт H1 (седьмой и восьмой биты) составляют значение указателя AU-4 PTR, которое формируется из десяти (с 7 по 16) битов. Эти биты (биты значения указателя) представляют собой чередующуюся последовательность «четных» и «нечетных» битовых позиций, которые образуют комбинацию IDIDIDIDID.

Значение указателя является двоичным числом, оно может изменяться в пределах от 0 до 782. Это число показывает положение каждого третьего байта в структуре VC-4. Так как в структуре цикла передачи данного STM-1 передается только часть цикла передачи сигналов данного VC-4 (см. рис. 2.9), то в табл. 2.1 приводится положение байтов данного VC-4 от 0 до 521 и предыдущего цикла передачи от 522 до 782-го значений указателя [35].

Таблица 2.1

RSOH

522

523

524

608

609

610

611

695

696

697

698

782

AU-4PTR

0

1

2

86

MSOH

87

88

89

173

174

175

176

260

261

262

263

347

348

349

350

434

435

436

437

521

В общем случае циклы передачи сигналов VC-4 и STM-1 не являются в полной мере частотно-синхронными, т. е. частоты записи передаваемых сигналов VC-4 могут отличаться (и отличаются) от частот считывания этих сигналов при формировании структуры цикла передачи STM-1.

В таких случаях возникает необходимость положительного или отрицательного согласования скоростей записи и считывания сигналов. При этом команда о необходимости согласования скоростей подается путем изменения значения указателя AU-4 PTR на некоторую постоянную величину. В указанной структуре значение указателя позиции I предназначены для приращения, а позиции D - для уменьшения значения указателя AU-4 PTR.

В «нормальной» ситуации, т. е. при отсутствии необходимости согласования скоростей записи и считывания сигналов, указанные признаки изменения значения указателя AU-4 PTR не используются. Если же возникает необходимость согласования скоростей, измененное значение указателя AU-4 PTR должно действовать незамедлительно. Но этого не происходит, т. к. в течение нескольких циклов передачи действует механизм защиты, исключающий прием неправильного нового значения указателя AU-4 PTR из-за одной или двух битовых ошибок.

Чтобы преодолеть эту проблему, было решено, что значение указателя AU-4 PTR с приращением будет передаваться путем инвертирования всех нечетных, т. е. I битовых позиций, а его значение с уменьшением - путем инвертирования всех четных, т. е. D битов.

Теперь измененное значение указателя AU-4 PTR может быть опознана по пяти инвертированным битам в первом же цикле передачи сигнала STM-1. При этом основное решение принимается по этим пяти битам уже в том случае, когда принято, по меньшей мере, три инвертированных бита, т. е. при мажоритарном приеме комбинации. В последующих циклах передачи новое значение указателя AU-4 PTR формируется по всем пяти инвертированным битам.

Остальные шесть (1...6) бит байта H1 используются следующим образом. Биты 1...4 (позиции N) предназначены для формирования кодовой группы NDF. Они исключают произвольное (несанкционированное) изменение значения указателя AU-4 PTR. В «нормальной» ситуации, т. е. в течение цикла передачи сигналов данного VC-4, биты 1...4 составляют кодовую группу вида «0110», которая означает сигнал запрета (Disabled -блокировка). Но когда поступают сигналы VC-4 очередного цикла передачи, эта группа инвертируется, т. е. принимает вид «1001», что означает разрешение на передачу (Enabled). Биты 5 и 6 (позиции S) байта H1 предназначены для формирования кодовой группы «10» или «01» указателя полезной нагрузки. Группа вида «10» отображает структуру сигнала AU-4.

2. Три байта Н3 (7, 8 и 9) и три последующих байта в позициях полезной нагрузки используются для согласования скоростей записи и считывания сигналов. Передаваемый цифровой поток, размещенный в объеме структуры VC-4, содержит позиции байтов, которые позволяют «передвигать» («перемещать») начало полезной нагрузки, т. е. начало цикла передачи сигнала VC-4 внутри цикла передачи STM-1 и отмечать это начало новым значением указателя AU-4 PTR. Это перемещение и называется согласованием скоростей.

На противоположную станцию управляющие сигналы (команды) о необходимости отрицательного согласования скоростей передаются путем инвертирования D битов в сигнале AU-4 PTR, значение указателя уменьшается на единицу. При этом технология отрицательного согласования скоростей реализуется путем «ускорения» передачи полезной нагрузки за счет частичного размещения ее в трех байтах Н3 указателя AU-4 PTR, т. е. три байта полезной нагрузки «врезаются» в служебную (заголовочную) часть цикла передачи STM-1, чем и обеспечивается ускорение ее передачи (отрицательное согласование скоростей). Между каждыми двумя операциями по указанному согласованию сигналы минимум трех циклов передачи STM-1 будут передаваться без отрицательного согласования скоростей.

Команда о необходимости положительного согласования скоростей, когда скорость передачи сигнала VC-4 ниже скорости передачи сигнала STM-1, передается путем инвертирования / битов в сигнале AU-4 PTR, значение указателя увеличивается на единицу. При этом положительное согласование скоростей выполняется путем «замедления» («задержки») передачи части полезной нагрузки, занимающей три байта после байтов Н3 (см. рис. 2.10). Здесь также выполняется правило: между двумя действиями согласования будут переданы сигналы минимум трех циклов передачи сигнала STM-1 без положительного согласования скоростей.

Использование трех байтов полезной нагрузки для согласования скоростей, безусловно, является неудачным результатом работы ITU-T по выработке рекомендаций для систем передачи SDH. Он основан на использовании цифрового потока со скоростью передачи 50,688 Мбит/с американской технологии синхронной оптической сети SONET [77].

Если сеть управления (менеджер сети) произвольно изменит положение данного VC-4 в структуре цикла передачи STM-1, то новое положение VC-4 будет, конечно, отражено в новом значении указателя AU-4 PTR, который передаст сигнал NDF.

3. Два байта Y (2-й и 3-й) и два байта 1* (5-й и 6-й) в структуре указателя AU-4 PTR не несут существенной нагрузки. Каждый байт Y имеет кодовую группу вида «1001SS11», где биты SS могут иметь значения «10» или «01», а каждый байт 1* состоит из восьми единиц.

Указатели субблоков (TU-11 PTR, TU-12 PTR и TU-2 PTR) рассмотрим на примере указателя TU-12 PTR. Формально добавление этого указателя размером в один байт к VC-12 превращает его в субблок TU-12. Практически все обстоит значительно сложнее. Эти сложности вызваны двумя обстоятельствами.

Во-первых, учитывая разнообразие вариантов использования первичного потока со скоростью передачи 2048 кбит/с на современной цифровой сети, при его мультиплексировании предусмотрен ряд альтернатив.

Во-вторых, при некоторых вариантах мультиплексирования сигналов указатели вообще не используются, а там, где они используются, одного байта для формирования указателя TU-12 PTR оказалось недостаточно. Указанные обстоятельства несколько осложнили процедуру мультиплексирования сигналов в трактах низшего порядка и снизили ее наглядность. Преобразование VС-12 в TU-12 может выполняться в двух режимах -плавающем или фиксированном.

В плавающем режиме из четырех последовательных циклов передачи сигнала VC-12, ёмкость каждого из которых составляет 35 байт (см. подразд. 2.2.4), формируется сверхцикл сигнала VC-12 с периодом 4 х 125 мкс = 500 мкс и ёмкостью 140 байт (4 х 35 байт). Начальная фаза этого сверхцикла в виртуальном контейнере высшего порядка (VC-3 или VC‑4) определяется байтом Н4 индикатора положения нагрузки в заголовке РОН данного VC (см. рис. 2.8, б). Полученный сверхцикл сигнала VC-12 и является основой для формирования сверхцикла субблока TU-12, в который помещаются четыре указателя TU-12 PTR. Их обозначают V1, V2, V3, V4; они имеют размеры по одному байту. В результате формируется сверхцикл субблока TU-12 с тем же периодом 500 мкс, но размером 4 х 36 байт = 144 байт. Для примера на рис. 2.11 приведен вариант асинхронного размещения четырех цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с при формировании сверхциклов VC‑12 (рис. 2.11, а) и TU-12 (рис. 2.11, б).

Байты V1 и V2, как и байты H1, H2 указателя АU-4 РТR, составляют одно общее 16-битовое поле, биты которого имеют следующее назначение (см. рис. 2.10):

биты 1...4 (позиции N) представляют кодовую группу NDF (изменение этой группы вида «0110» на инверсное «1001» свидетельствует, что под воздействием нагрузки изменилось выравнивание скоростей, а возможно, и размер TU-12);

биты 5 и 6 (позиции S) указывают тип субблока TU, например, для субблока TU-12 последовательность SS имеет вид «10»;

биты 7...16 (10 бит чередующихся позиций I и D) представляют собственно указатель субблока TU-N, для TU-12 PTR его значение может изменяться в пределах от 0 до 139.

Указатель V2, принимающий значения от 0 до 34, и определяет положение сигналов первого цикла передачи VС-12, располагающихся после V1 в сверхцикле TU-12. Другие указатели формируют значения: V3 - от 35 до 69, V4 - от 70 до 104, V1 - от 105 до 139.

Байт V3 используется для выравнивания скоростей, а байт V4 фактически является резервным. Согласование (выравнивание) скоростей осуществляется по отношению к первому циклу передачи сигнала VC-12 и может быть положительным или отрицательным. Технология выравнивания скоростей описана выше при рассмотрении указателя АU-4 PTR.

Рис. 2.11

Здесь необходимо только отметить, что при положительном согласовании скоростей сигналы полезной нагрузки последующих (2, 3 и 4-го) циклов передачи сдвигаются назад - от байта V3 к байту V4, а при отрицательном согласовании скоростей они сдвигаются вперед - от байта V4 к байту V3, для чего полезная нагрузка частично передается и на позициях байта V3, т. е. биты байта V3 интерпретируются как поле полезной нагрузки.

В фиксированном режиме указатели не используются, сверхциклы сигналов VC-12 и TU-12 не формируются.

2.2.4. Алгоритм построения цикла передачи сигнала STM-1

Проведенный анализ особенностей построения цикла передачи STM-1, его элементов, структуры основных заголовков и указателей, позволяет сделать вывод, что формирование структуры цикла передачи STM-1 является весьма сложной задачей. Схемы (см. рис. 2.6 и 2.7) имеют формальный характер. Они не позволяют до конца понять детали логических преобразований цифровых последовательностей в процессе построения цикла передачи сигнала STM-1. Поэтому рассмотрим алгоритм его построения на примере формирования STM-1 из цифровых потоков E1 = 2048 кбит/с в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.7.

Схема алгоритма для случая фиксированного размещения потока E1 в структуре VC-12 приведена на рис. 2.12 и описана в работах [77, 91]. На этом рисунке символ "" означает операцию физического или логического подключения заголовка либо указателя к соответствующим элементам структуры цикла передачи STM-1. Изучая представленную схему, нужно учитывать, что физическое положение отдельных ее элементов, например указателей, не соответствует их месту в логической схеме. Кроме того, в физической (реальной) схеме используется ряд фиксирующих элементов управления, упаковки сигналов, выравнивания скоростей и т. д. Схема наглядна и достаточно понятна, но не полностью отражает реально осуществляемые физические преобразования цифровых сигналов, поэтому для более глубокого ее понимания ниже приводятся некоторые пояснения в виде этапов преобразования сигналов и примечаний.

Рис. 2.12

Этап 1. Построение цикла передачи STM-1 начинается с формирования С-12, на вход которого поступает цифровой поток E1 = 2048 кбит/с. Этот поток представляет собой 32-байтную цифровую последовательность, циклически повторяющуюся через 125 мкс, или следующую с частотой 8 кГц, т. е. с частотой повторения циклов передачи сигнала STM-1. К этой последовательности в процессе формирования С-12 добавляются выравнивающие, управляющие, упаковывающие и другие биты. На приведенной схеме алгоритма (рис. 2.12) они условно показаны блоком Биты.

Отсюда следует, что ёмкость С-12 должна быть больше 32 байт. Фактически, в зависимости от режима преобразования VC-12 в субблок TU-12, она будет равна 34 байт для фиксированного режима или 34,75 байт для плавающего режима.

Этап 2. К контейнеру С-12 добавляется трактовый заголовок VC-12 РОН размером в один байт V5. В результате формируется VС-12 ёмкостью 35 байт. В плавающем режиме при формировании сверхцикла сигнала VС-12 в нем используется один заголовок VС-12 РОН (V5) на четыре цикла передачи сигнала VС-12, что в пересчете на один цикл передачи дает в среднем 0,25 байта; тогда окончательная ёмкость VС-12 будет равна: 34,75 + 0,25 = 35 байт (см. рис. 2.11, а).

Этап 3. Формально добавление к VС-12 указателя размером в один байт превращает VС-12 в субблок TU-12 размером 36 байт. Логически целесообразно представить 36 байт субблока TU-12 в виде двумерной таблицы (матрицы) формата 9x4 байт, тем более, что окончательная структура цикла передачи сигнала STM-1 также представляется в виде матрицы с 9 строками и 270 столбцами ёмкостью 9 х 270 = 2430 байт.

Примечание 1. Выше (при рассмотрении указателя TU-12 PTR) отмечалось, что преобразование VС-12 в TU-12 и последующее мультиплексирование может выполняться в двух режимах - плавающем и фиксированном.

Фиксированный режим использует жесткое синхронное размещение субблоков TU-12 (так же, как TU-11 и TU-2) в объеме нагрузки виртуальных контейнеров высшего порядка VС-3 и VС-4 с однозначным определением в них места любого сигнала TU-12. Достоинство такого режима - более простая структура блоков TU-12 и TUG-2, допускающая более эффективную последующую обработку сигналов. Недостаток очевиден - исключается любая несинхронность при транспортировке контейнера.

Этап 4. В фиксированном режиме из трех субблоков TU-12 в результате байт-мультиплексирования 3:1 формируется групповой субблок TUG-2 с суммарным размером последовательности 108 байт (36 х 3 = 108). Логически структуру TUG-2 также целесообразно представить в виде матрицы 9 х 12 = 108 байт.

Размещение трех субблоков TU-12А, TU-12B и TU-12С в групповой субблок TUG-2 показано на рис. 2.13. Практически каждый TU-12 расслоен и имеет четыре столбца (4x9 байт). Столбцы байтов трех субблоков TU-12 занимают фиксированные места во всех 12 столбцах цикла передачи TUG-2. Побайтное мультиплексирование трех сигналов TU-12 в TUG-2 показано на рис. 2.14. При этом мультиплексировании указатели TU-12 PTR располагаются отдельно от виртуальных контейнеров VС-12 в начале цикла передачи TUG-2, образуя указатель TU-12 PTR, как это показано на рис. 2.13. Для фиксированного размещения этот указатель имеет формальный характер. Три его байта формируют сигнал индикации нулевого значения указателя NPI (Null Pointer Indication), который отмечает, что данный TUG-2 содержит не виртуальный контейнер VС-2, а три однородных субблока TU-12.

Рис. 2.13

Этап 5. Последовательность TUG-2 далее подвергается байт-мультиплексированию 7:1, в результате которого формируется групповой субблок TUG-3 с общим размером последовательности 108 х 7 = 756 байт, что соответствует матрице 9 х 84 = 756 байт. Мультиплексирование семи блоков TUG-2 в один TUG-3 является фиксированным размещением (см. рис. 2.14). Включение блока TUG-3 в структуру цикла передачи STM-1 имеет единственую цель - предоставить возможность передавать в структуре сигнала STM-1 плезиохронные цифровые потоки со скоростями передачи 34,368 и 44,736 Мбит/с.

Рис. 2.14

Примечание 2. Фактически TUG-3 представляет собой матрицу 9 х 86 = 774 байт, которая образуется путем добавления двух столбцов (9 байт х 2), состоящих из сигнала NPI и фиксированного наполнителя FS (Fixed Stuff) [108], или фиксированного балласта [40]. Они показаны на рис. 2.14. Поскольку расположение нагрузки в TUG-3 известно (семь групповых субблоков TUG-2, побайтно мультиплексируясь, занимают фиксированные места в 84 из 86 столбцов цикла передачи TUG-3), то указатель TU-3 PTR (три верхних байта первого столбца в структуре цикла передачи TUG-3) заменяется на нулевое значение NPI.

Последний отмечает, что данный TUG-3 содержит не виртуальный контейнер VC-3, а групповые субблоки TUG-2. Остальные байты первого столбца (6 байт) и весь второй столбец (9 байт) цикла передачи сигнала TUG-3 заполняются FS (15 байт). В итоге получается формула образования группового субблока TUG-3, которая имеет вид:

TUG-3 = 7 х TUG-2 + NPI + FSTUG-3,

где индекс TUG-3 используется для отличия наполнителей FS, применяемых в различных других структурах.

Таким образом, цикл передачи TUG-3 имеет ёмкость 108 байтх7 + 3 байт +15 байт = = 774 байт, что соответствует матрице 9 байт х 86 = 774 байт, на что указывалось выше.

Рассмотрим плавающий режим мультиплексирования сигналов при формировании структуры цикла передачи STM-1.

Плавающий режим допускает использование указателей для определения истинного положения контейнера в объеме полезной нагрузки. Он позволяет определенную асинхронность в транспортировке контейнера и является способом гибкого динамического выравнивания его положения внутри структуры, в которой он размещается. Выше указывалось, что для обеспечения плавающего режима из четырех сигналов VС-12 формируется сверхцикл, в пределах которого мог бы «плавать» контейнер С-12 (см. рис. 2.11, а). При создании сверхцикла VС-12 допускается три варианта размещения передаваемых цифровых потоков в его структуре: асинхронное, бит-синхронное и байт-синхронное. Вариант размещения устанавливает оператор сети, причем по умолчанию используется асинхронное размещение.

В результате из двенадцати субблоков TU-12 или из четырех групповых субблоков TUG-2 образуется сверхцикл передачи группового субблока TUG-2 длительностью 500 мкс. Но TUG-3 имеет длительность цикла передачи 125 мкс. Следовательно, для полного размещения семи сверхциклов групповых субблоков TUG-2 потребуется четыре групповых субблока TUG-3. Это мультиплексирование осуществляется побайтно (рис. 2.15). Здесь сверхцикл каждого TUG-2 разделен на четыре цикла передачи длительностью по 125 мкс. В первый TUG-3 побайтно мультиплексируются сигналы только первых циклов передачи каждого из семи TUG-2. Во второй TUG-3 - сигналы только вторых циклов передачи сверхциклов тех же групповых субблоков TUG-2 и т. д. В каждом групповом субблоке TUG3 указанные сигналы занимают 84 из 86 столбцов цикла передачи TUG-3. Три верхних байта первого столбца образуют указатель TU-3 PTR, который (как и в случае фиксированного размещения сигналов) отмечает, что TUG-3 формируется не из VС-3, а содержит групповые субблоки TUG-2. Остальные 15 байт первых двух столбцов цикла передачи TUG-3 заполняются FS.

Таким образом, так же, как и в фиксированном режиме, в плавающем режиме цикл передачи TUG-3 имеет ёмкость 108x7 + 3 + 15 = 774 байт.

Рис. 2.15

Этап 6. Полученные в фиксированном или плавающем режиме последовательности сигналов TUG-3 вновь байт-мультиплексируются 3:1, в результате чего формируется суммарный цифровой сигнал ёмкостью 774 х 3 = 2322 байт. При добавлении к полученной последовательности трактового заголовка VС-4 РОН размером 9 байт формируется виртуальный контейнер высшего порядка VС-4. Это приводит к матрице размером 2331 байт. Побайтное мультиплексирование трех групповых блоков TUG-3 в виртуальный контейнер VС-4 показано на рис. 2. 16.

Рис. 2.16

Примечание 3. Фактически VC-4 представляет собой матрицу размером 9 х 261 = 2349 байт, т. к. он состоит из трех TUG-3, одного столбца VC-4 РОН (9 байт) и двух столбцов фиксированного балласта FSVC-4 (9 байт х 2 = 18 байт). В результате формула образования VC-4 принимает вид:

VC-4 = 3 х TUG-3 + РОНVC-4 + FSVC-4.

Таким образом, цифровая последовательность VC-4 имеет ёмкость 2349 байт (3 х 774 + 9 + 9x2 = 2349), что соответствует матрице 9 х 261 = = 2349 байт.

Этап 7. На данном (последнем) этапе формируется STM-1. Загрузка в него VC-4 в общем случае требует корректирования фаз и выравнивания скоростей, потому что сигнал STM-1 жестко синхронизируется с циклом передачи регенерационной секции данного линейного тракта, a VC-4 может поступать с другого участка сети и иметь существенные отклонения тактовой частоты и дополнительные колебания фазы. Корректирование фаз и выравнивание скоростей передачи выполняется механизмом указателя AU-4 PTR. Благодаря этому указателю VC-4 получает возможность «плавать» внутри STM-1, причем начало цикла передачи VC-4 определяется по значению указателя AU-4 PTR. Добавлением к VC-4 указателя ёмкостью 9 байт, который занимает в цикле передачи STM-1 фиксированное положение (см. рис. 2.8, в), формируется AU-4. Далее полученный сигнал AU-4 путем формального (в данном случае) мультиплексирования 1:1 превращается в AUG. К блоку AUG добавляется заголовок SOH (72 байт), т. к. SOH = MSOH + RSOH = 45 + 21 = 12 байт.

В результате окончательно формируется сигнал STM-1 в виде цикла передачи ёмкостью 2349 + 9 + 72 = 2430 байт, или в виде фрейма ёмкостью 9 х 270 = 2430 байт, что при частоте повторения циклов передачи STM-1, равной 8 кГц, соответствует скорости передачи 155,52 Мбит/с. Размещение виртуального контейнера VC-4 в STM-1 через AU-4 - AUG показано на рис. 2.17.

Рис. 2.17

В результате рассмотренного примера можно написать итоговую формулу построения цикла передачи сигнала STM-1, символьный вариант которой имеет вид:

STM-1 = ((((E1 + <байты> + VС-12 РОН + TU-12 PTR) x 3TUG-2) х 7TUG-3 + NPI + FSTUG-3) х х 3VC-4 + VC-4 РОН + FSVC-4 + AU-4 PTR) x 1AUG + MSOH + RSOH.

Численный вариант этой формулы, где значения указаны в байтах, приводится ниже:

STM-1 = ((((32E1 + 2 байт + 1VС-12 РОН + 1TU-12 PTR) х 3TUG-2) х 7TUG-3 + 3NPI + 15FSTUG-3) x 3VC-4 + + 9VC-4 РОН + 18FS VC-4 + 9AU-4PTR) x 1AUG + 9 x 5MSOH + 9 x 3RSOH = 2430.

Представленные формулы являются более точной, хотя и менее наглядной (по сравнению со схемой, приведенной на рис. 2.12), эквивалентной формой представления процесса формирования цикла передачи STM-1. Эти формулы можно предложить в качестве обобщенного алгоритма построения (формирования) цикла передачи сигнала STM-1. Формулы могут быть получены для всех других вариантов формирования сигнала STM-1.

2.2.5. Варианты построения цикла передачи сигнала STM-1

Кроме приведенного выше основного, самого распространенного в европейских странах варианта формирования цикла передачи модуля STM-1, рассмотрим кратко другие варианты его построения.

Первый вариант - использование цифрового потока T1 = 1,544 Мбит/с, который размещается в контейнере С-11. Этот вариант применяется для обеспечения совместимости на сети оборудования SDH с оборудованием систем передачи SONET.

По аналогии с вариантом формирования цифрового потока со скоростью передачи 155,52 Мбит/с из цифровых потоков E1 можно написать формулу преобразования потока T1 и соответствующих цифровых потоков с целью получения цикла передачи сигнала STM-1. Символьное представление этой формулы имеет вид:

STM-1 = ((((T1 + <байты> + VС-11 РОН + TU-12 PTR + FSTU-12) x 3TUG-2) х 7TUG-3 + NPI + + FSTUG-3) х 3VC-4 + VC-4 РОН + FSVC-4 + AU-4 PTR) x 1AUG + MSOH + RSOH.

Численное представление формулы, где значения указаны в байтах, приведено ниже:

STM-1 = ((((24T1 + 1 байт + 1VС-11 РОН + 1TU-12 PTR +9FSTU-12) х 3TUG-2) х 7TUG-3 + 3NPI + 15FSTUG-3) x x 3VC-4 + 9VC-4 РОН + 18FS VC-4 + 9AU-4PTR) x 1AUG + 9 x 5MSOH + 9 x 3RSOH = 2430.

В этих формулах первичный цифровой поток T1 формально представлен в виде 24-байтной импульсной последовательности. Контейнер С-11 имеет ёмкость 25 байт, а виртуальный контейнер VC-11 - 26 байт, так как VС-11 РОH занимает 1 байт.

При преобразовании сигнала VС-11 в субблок TU-12 добавляется указатель TU-12 PTR - 1 байт и фиксированный балласт FSTU-12 - 9 байт. В результате образуется такой же по размеру цикл передачи субблока TU-12 (9 х 4 = 36 байт), что и в предыдущем варианте. Последующий процесс преобразования цифровых сигналов остаётся прежним, что следует из приведенных выше формул.

Второй вариант - размещение цифрового потока Е3 = 34,368 Мбит/с в контейнере С-3. Этот вариант используется при построении цикла передачи STM-1 из сигналов трех потоков E3. Символьное и численное представления формул для этого варианта имеют вид:

STM-1 = (((E3 + <байты> + VС-3 РОН + TU-3 PTR + FSTU-3) х 1TUG-3) х 3VC-4 + VC-4 РОН + + FSVC-4 + AU-4 PTR) x 1AUG + MSOH + RSOH;

STM-1 = (((537E3 + 219 байт + 9VС-3 РОН + 3TU-3 PTR + 6FSTU-3) х 1TUG-3) x 3VC-4 + 9VC-4 РОН + + 18FSVC-4 + 9AU-4PTR) x 1AUG + 9 x 5MSOH + 9 x 3RSOH = 2430.

В данных формулах цифровой поток Е3 формально представляется в виде 537-байтной цифровой последовательности, т. к. 34368/64 = 537 байт. Эта последовательность дополняется 219 байт до 756-байтной полезной нагрузки (размер 9 х 84) виртуального контейнера VC-3. Соответствующая этой нагрузке скорость передачи 756 х 64 кбит/с = 48,384 Мбит/с принимается за ёмкость контейнера С-3. При этом контейнер С-3 преобразуется в VС-3 по общей схеме: VС-3 = PL + VC-3 POH, где PL - полезная нагрузка. Она представляется в виде трех одинаковых субфреймов ёмкостью 3 х 84 байт, которые в Рекомендации ITU-T G.709 обозначены T1, T2 и T3. Чтобы отличать их от цифровых потоков T1 = 1,544 Мбит/с; T2 = 6,312 Мбит/с и T3 = 44,736 Мбит/с, далее обозначим субфреймы как T1, T2 и T3. Тогда в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.101 символьный вариант формулы полезной нагрузки будет иметь вид:

PL = Т1 + Т2 + T3 = 3 х (VC-31 + FSVC-3 + JCBVC-3 + JOBVC-3),

где VС-31 - информационная часть нагрузки субфрейма - 1431 бит; FSVC-3 -фиксированный балласт субфрейма виртуального контейнера VС-3 - 573 бит; JCBVC-3 - биты управления выравниванием скорости передачи субфрейма – 2x5 бит =10 бит; JOBVC-3 - биты возможного выравнивания скорости передачи субфрейма - 2 бит.

В результате численное представление формирования полезной нагрузки будет выглядеть следующим образом:

PL = 3 х (1431VC-31 + 573FSVC-3 + 10JCBVC-3 + 2JOBVC-3) = 6048 бит/8 = 756 байт.

Третий вариант возникает при необходимости разместить и передать цифровой поток Е4 = 139,264 Мбит/с системы передачи PDH в цикле передачи модуля STM-1 . Для начала поток Е4 размещается в контейнере С-4. Далее, зная схему прохождения сигналов этого потока, можно написать формулы преобразования соответствующих цифровых потоков для получения в итоге цикла передачи STM-1. Символьное и численное (в байтах) представления этих формул имеют вид:

STM-1 = (E4 + <байты> + VC-4 РОН + AU-4 PTR) x 1AUG + MSOH + RSOH;

STM-1 = (2176E4 + 164 байт + 9VC-4 РОН + 9AU-4PTR) x 1AUG + 9 x 5MSOH + 9 x 3RSOH = 2430.

Четверичный цифровой поток Е4 формально представляется в виде 2176-байтной цифровой последовательности, т. к. 139264/64 = 2176 байт. Эта последовательность дополняется 164 байт до 2340 байт полезной нагрузки (9 байт х 260) виртуального контейнера VC-4. При этом контейнер С-4 снабжается РОН, т. е. преобразуется по общей схеме: VC-4 = PL + VC-4 POH. Далее PL представляется в виде девяти идентичных циклов передачи (субфреймов), т. е. девяти строк, каждая из которых имеет размер 260 байт. В свою очередь, каждая строка разделена на 20 частей по 13 байт в каждой. Последние 20 байт каждой части состоят только из информационных битов. Структура одной строки, т. е. одного субфрейма PL приведена на рис. 2.18 [166].

Рис. 2.18

На этом рисунке обозначение 96I указывает на информационную часть нагрузки, т. е. 12 байт х 8 = 96 информационных (I) бит. Символы W, F, X и Z означают, что первый байт каждой из 20 частей субфрейма может иметь четыре варианта структуры [35]:

W - байт является информационным, т. е. содержит только информационные биты;

Y - все (13, см. рис. 2.18) байты составляют F5;

X - каждый из этих пяти байтов содержит 5 бит фиксированного балласта, 2 бит для передачи служебной информации и 1 бит для управления выравниванием (согласованием) скоростей;

Z - байт содержит 6 информационных бит, 1 бит возможности выравнивания скоростей и 1 бит фиксированного балласта.

W=IIIIIIII; Y=RRRRRRRR; X=CRRRRROO; Z=IIIIIISR,

где I - информационные биты; R - фиксированный балласт; S - бит возможности согласования скоростей; О -биты заголовка; С -бит управления согласованием скоростей.

В соответствии с изложенным символьный вариант формулы полезной нагрузки будет иметь вид:

PL = 9 х (20 х (VC-4I) + VC-4IW+ VC-4IZ+ 13 х FSVC-4+ 5 х FSX+ FSZ+ 5 х JCBX+ JOBZ+ + 5 х OHCХ),

где VC-4I - суммарная информационная часть нагрузки одного субфрейма ёмкостью 1934 бит (1934 = 20 х 12 х 8 (поля 96I) + 8 (байт W) + 6 (байт Z)); FSVC-4 - суммарный фиксированный балласт одного субфрейма ёмкостью 130 бит (130 = 13 х 8 (байты Y) + 5 х 5 (байты X) + 1 (байт Z)); JCBX - биты управления выравниванием скоростей передачи одного субфрейма ёмкостью 5 бит (5 = 5 х 1 (байты X)); JOBZ - биты возможного выравнивания скоростей передачи одного субфрейма ёмкостью 1 бит (байт Z); ОНСХ - биты канала служебной связи заголовка одного субфрейма ёмкостью 10 бит (10 = 5 х 2 (байты X)).

В результате численное представление формирования полезной нагрузки примет такой вид:

PL = 9 х (20 х (12 х 8VC-4I) + 8VC-4IW +6VC-4IZ+ 13 х 8FSVC-4+ 5 х 1JCBX+ 1JOBZ+ 5 х 2ОНСХ) = = 18 720 бит/8 = 2340 байт.

Вариант построения цикла передачи сигнала STM-1, рассмотренный в подразд. 2.2.4, и варианты, описанные в подразд. 2.2.5, не являются исчерпывающими. Аналогично изложенному выше могут быть описаны другие варианты формирования цикла передачи STM-1 (см. рис. 2.6):

Первый вариант используют при передаче сигналов потока T1 = 1,544 Мбит/с, который размещается в контейнере С-11:

T1 → С-11 → VC-11 → TU-11 TUG-2 VC-3 → АU-3 → AUGSTM-1.

Второй вариант даёт возможность передавать цифровой поток E1 = 2,048 Мбит/с, который транспортируется в контейнере С-12:

E1 → С-12 → VC-12 → TU-12 TUG-2 VC-3 → АU-3 → AUGSTM-1.

Третий вариант используют при передаче сигналов потока T2 = 6,312 Мбит/с, который помещается в контейнер С-2:

T2 → С-2 → VC-2 → TU-2 TUG-2 VC-3 → АU-3 → AUGSTM-1.

Четвертый вариант позволяет передавать сигналы потока T2 по следующему пути:

T2 → С-2 → VC-2 → TU-2 TUG-2 TUG-3 → VC-4 → АU-4 → AUGSTM-1.

Пятый вариант применяют, если необходимо передать цифровые потоки E3/T3 = 34,368/44,736 Мбит/с, которые вводятся в контейнер С-3:

E3/T2 → С-3 → VC-3 → АU-3 → AUGSTM-1.

Возможны также и другие варианты.

Построение цикла передачи STM-1 является одной из основных задач в структуре преобразования сигналов систем передачи SDH. Для систем передачи первого уровня SDH эта задача является последней на пути мультиплексирования передаваемых сигналов. Для систем передачи последующих уровней иерархии необходимо из STM-1 сформировать модуль STM-N требуемого уровня иерархии. Эти вопросы рассматриваются в следующем пункте.

2.2.6. Построение циклов передачи сигналов STM-N

Вариант формирования структуры цикла передачи STM-N (N = 4, 16, 64, 256), который образуется побайтным объединением N блоков AUG и SOHN данного модуля STM-N: STM-N = AUG х N + SOHN, приведен на рис. 2.19. Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться каскадно: 4 х STM-1 SТМ-4, 4 х STM-4 STM-16, 4 х STM-16 → STM-64, 4 х STM-64 STM-256. Оно может быть выполнено и непосредственно по схеме, приведенной на рис. 2.19: 4 х STM-1 → STM-4, 16 х STM-1 → STM-16, 64 x STM-1 STM-64, 256 x STM-1 → STM-256.

Рис. 2.19

При каскадном мультиплексировании формирование цикла передачи STM-N выполняется по схеме чередования групп байтов, причем число байтов в группе равно кратности мультиплексирования предыдущего каскада. Например, если формирование цикла передачи сигнала STM-16 происходит по двухкаскадной схеме (4 х STM-1 STM-4, 4 х STM‑4 STM-16), то в первом каскаде используется мультиплексирование по байтам, а во втором - по группам, состоящим из четырех байтов, как показано на рис. 2.20.

Рис. 2.20

Очевидно, что если цикл передачи STM-256 строят каскадно т. е. по четырехкаскадной схеме, то первый каскад использует мультиплексирование по байтам, второй - по группам из 4-х байт, третий - по группам из 16-ти байт, а четвертый - по группам, состоящим из 64 байт.

При непосредственном мультиплексировании формирование цикла передачи сигнала STM-N выполняется по схеме чередования байтов. Например, 16 модулей STM-1 (0, 1, 2, ..., 13, 14, 15 или в шестнадцатеричном исчислении А, В, С, D, Е, F, G, H, I, J, К, L, M, N, О, Р) обеспечивают появление на входе мультиплексора STM-16 шестнадцати байт-последовательностей: «ААААА..., ВВВВВ..., ССССС..., ..., NNNNN..., ООООО..., РРРРР...». Тогда в результате мультиплексирования на выходе модуля STM-16 будет байт-последовательность вида «ABCDEFGHIJKLMNOPABCD...», как показано на рис. 2.21.

Рис. 2.21

Фактически сигналы удается так просто мультиплексировать только в том случае, когда все модули STM-1 имеют одинаковую структуру полезной нагрузки. Однако известно (см. рис. 2.6), что сигнал AUG может состоять либо из одного блока AU-4, либо из трех блоков AU-3, а виртуальный контейнер VС-11 может преобразовываться через субблок TU-11 или TU-12. Значит необходимо, чтобы при сетевых соединениях сигналов STM-1, имеющих различное построение, соблюдался некоторый порядок, или правила бесконфликтной взаимосвязи. Эти правила установлены в Рекомендации ITU-T G.709 и имеют следующую редакцию.

1. При мультиплексировании цифровых последовательностей, содержащих группы AUG, которые базируются на разные блоки (AU-3 или АU-4), предпочтение отдают схемам, использующим блок AU-4. Группы AUG, состоящие из трех блоков AU-3, должны быть расформированы (демультиплексированы) до уровня групповых субблоков TUG-2 или виртуальных контейнеров VС-3 и повторно мультиплексированы по пути TUG-3 → VС-4 → → AU-4.

2. При мультиплексировании последовательностей цифровых сигналов, содержащих VC-11, которые используют различные субблоки (TU-11 или TU-12), выбирают путь через TU-11.

Рассмотрим структуру секционных заголовков циклов передачи STM-N.

В отличие от заголовка SOH цикла передачи STM-1, байты которого определяются двумя координатами - строкой а и столбцом b, байты секционного заголовка цикла передачи STM-N, с учетом рассмотренных особенностей мультиплексирования (каскадное или непосредственное), определяются тремя координатами а, b и с, как показано на рис. 2.19 и рис. 2.22 [77], где а - 1...9 (как и в заголовке SOH цикла передачи STM-1)-номер строки; b = 1...9 - номер мультистолбца, объединяющего с столбцов (с = 1, 2, ..., N). Получаем расширенную матрицу (рис. 2.22), новые координаты которой определяются по значениям а, b, с: номер строки равен а, а количество байтов в строке заголовка SOH определяется по формуле: KSOH = N (b-1) + с. Например, для цикла передачи STM-4 получим: KSOH = 4(9 - 1) + 4 = 36 байт, а для цикла передачи STM-16: KSOH = 16(9 - 1)+16 =144 байт.

Таким образом, структура SOH4 цикла передачи модуля SТМ-4, полученная рассмотренным путем, имеет ёмкость 9 х 36 байт (рис. 2.23), а структура SOH16 цикла передачи STM-16 - ёмкость 9 х 144 байт.

Очевидно, что размер SOH64 цикла передачи модуля STM-64 равен 9 х 576 байт, а размер STM-256 - 9 х 2304 байт.

Рис. 2.22

Рис. 2.23

2.2.7. Построение цикла передачи субпервичного модуля STM-0 (STM-RR)

Субпервичный, или нулевой, транспортный модуль STM-0 со скоростью передачи сигналов 51,84 Мбит/с используют в тех случаях, когда на сети нет потребности в сравнительно большой пропускной способности STM-1. Согласно Рекомендации ITU-T G.709 модуль STM-0 можно применять в качестве формата линейного сигнала в радиорелейных и спутниковых линиях передачи, не рассчитанных на модуль STM-1.

В частности, на зоновых радиорелейных участках сети, где ёмкость STM-1 избыточна и трафик не выходит за пределы возможностей VC-3, целесообразно использовать радиорелейные линии, рассчитанные на субпервичный синхронный транспортный модуль STM-RR.

Хотя согласно Рекомендации ITU-T G.707/Y.1322 (2000) модуль STM-0 является новым (нулевым) уровнем системы передачи SDH, он больше известен как особый формат STM-RR синхронного транспортного модуля. Сегодня его используют и на интерфейсах кабельных сетевых узлов сети SDH [126].

Схема преобразования сигналов для получения структуры модуля SТМ-0 (STM-RR) приведена на рис. 2.24. Субпервичные радиорелейные линии (РРЛ) по Рекомендации ITU-T G.709 должны включаться в сеть SDH с помощью интерфейсов STM-1, а со стороны плезиохронных цифровых потоков - иметь интерфейсы (согласно Рекомендации ITU-T G.703). Как и волоконно-оптические ЦЛТ, тракты РРЛ могут образовывать мультиплексные и регенерационные секции, поддерживая сетевые слои трактов систем передачи SDH, нагрузкой для которых могут быть тракты низших уровней систем передачи SDH или сигналы систем передачи PDH.

Рис. 2.24

Схема перехода от STM-RR к STM-1 показана на рис. 2.25. По ней выполняется демультиплексирование сигналов цикла передачи STM-RR до уровня TUG-2 или С-3. Затем осуществляется мультиплексирование по пути TUG-2 TUG-3 или по пути С-3 → VC-3 → TU-3 → TUG-3 , а далее в обоих случаях по стандартной схеме: TUG - 3 → VC-4 → АU-4 → AUGSТМ-1.

Рис. 2.25

Структура цикла передачи сигнала STM-RR и его формирование из полезной нагрузки VC-3 изображены на рис. 2.26. Столбцы 30 и 59 виртуального контейнера VC-3 являются фиксированным балластом.

Рис. 2.26

2.3. Построение синхронных мультиплексоров

2.3.1. Особенности построения

Выше указывалось (см. подразд. 2.1.1), что основным функциональным оборудованием системы передачи SDH является синхронный мультиплексор SM. Далее это понятие будет использоваться как для собственно мультиплексоров, выполняющих объединение сигналов компонентных потоков в высокоскоростной цифровой поток, так и для демультиплексоров, служащих для разделения (демультиплексирования) сигналов высокоскоростного потока на сигналы компонентных потоков. Мультиплексоры систем передачи SDH имеют ряд особенностей построения, из которых необходимо отметить следующие:

В системах передачи SDH мультиплексоры являются многофункциональными устройствами. В отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в системах передачи PDH, где они выполняют функции собственно мультиплексоров, мультиплексоры систем передачи SDH являются более универсальными и гибкими. Кроме задачи мультиплексирования они позволяют решать еще целый ряд таких задач, как передача, оперативное переключение, генерация сигналов и т. д. Выполнение указанных функций возможно в силу блочного построения SM, при котором решаемые задачи определяются лишь возможностями системы управления (программного обеспечения) и составом функциональных блоков, входящих в спецификацию мультиплексора. В системах передачи SDH принято различать три основных типа SM: терминальные, мультиплексоры выделения/вставки и синхронные линейные мультиплексоры.

Терминальные мультиплексоры ТМ являются оконечными устройствами и предназначены для мультиплексирования сигналов со скоростями передачи (округленно) 1,5; 2; 6; 34; 45 и 140 Мбит/с плезиохронных ЦСП и сигналов со скоростями передачи (округленно): 155, 622 и 2500 Мбит/с систем передачи SDH. Практически конкретный ТМ не имеет полного набора цифровых каналов доступа с указанными скоростями передачи. Например, универсальный мультиплексор типа ISM-2000, разработанный фирмой AT&T в 1991 г., может быть сконфигурирован как ТМ, предназначенный для гибкого мультиплексирования сигналов со скоростями передачи (округленно) 1,5; 2; 34; 45 и 155 Мбит/с в сигналы STM-1 [165]. Структурная схема мультиплексора типа ISM-2000 приведена на рис. 2.27. Его основными элементами являются устройства обработки мультиплексируемых сигналов ОМС, устройство управления нагрузкой с кросс-коннектором УНК и линейные блоки БЛ. К элементам системы контроля, управления и обслуживания относятся контроллер мультиплексора КМ и устройство управления и коммутации служебных сигналов УКС, которое по встроенным каналам управления ЕСС (Embedded Control Channel) соединяет контроллер КМ (показано пунктиром) со всеми устройствами данного мультиплексора и другими элементами сети SDH.

Особенностью ТМ систем передачи SDH является возможность применения в блоках БЛ электрического или оптического оконечного оборудования. При использовании электрических интерфейсов ТМ является только собственно мультиплексором. В оптическом варианте ТМ объединяет собственно мультиплексор и линейный блок, т. е. оконечное оборудование оптического линейного тракта.

На рисунке 2.27 приведены возможные варианты каналов доступа и указано их максимальное количество, однако общий объем нагрузки мультиплексора не должен превышать размера модуля STM-1. Кроме того, возможны различные комбинации указанных каналов, например, 16x2 Мбит/с + 24 х 1,5 Мбит/с + 1 х 34 Мбит/с.

В более современном мультиплексоре типа ISM-2000, разработанном компанией Lucent и представленном на рынке в 1996 г., мультиплексируются сигналы цифровых потоков только со скоростями передачи 2, 34, 140 и 155 Мбит/с [169].

Разновидностью ISM-2000 является построенный на его основе мультиплексор типа OLC-2000 (Optical Loop Carrier), который состоит из блока STM-1 и блока каналов. Особенностью данного ТМ является возможность мультиплексирования в нем сигналов различных каналов от отдельных абонентов (см. подразд. 2.1.1) с целью формирования первичных цифровых потоков со скоростью передачи 2,048 Мбит/с. Структурная схема мультиплексора типа OLC-2000 показана на рис. 2.28.

Рис. 2.27

Рис. 2.28

3. Мультиплексор выделения/вставки DIM является устройством доступа системы передачи SDH в пунктах выделения/вставки каналов и может использоваться в двух конфигурациях сети: магистраль с пунктами выделения/вставки и кольцо с пунктами выделения/вставки.

При использовании мультиплексора DIM в структуре сети SDH, показанной на рис. 2.3, создается режим 100 %-го резервирования, или система защиты по схеме «1+1» с целью повышения надежности линейного тракта. При этом оборудование DIM позволяет выделять/вставлять соответствующие цифровые потоки, осуществлять сквозное кросс-соединение невыделяемых потоков в обоих направлениях передачи на уровне соответствующих виртуальных контейнеров. В случае выхода из строя одного из направлений передачи, например, обрыв одного из линейных оптических кабелей (если, конечно, противоположные направления передачи находятся в разных кабелях), можно соединить выход одного линейного тракта со входом тракта противоположного направления. Наконец, оборудование DIM позволяет, в случае аварийного выхода его из строя, пропускать оптический линейный поток мимо него в обходном режиме.

Важной особенностью DIM является принципиальная необходимость наличия двух оптических линейных, или агрегатных блоков [110, 164].

Все вышеизложенное о мультиплексорах DIM позволяет заключить, что они в основном используются в оптических кольцах для оборудования пунктов выделения/вставки.

4. Синхронный линейный мультиплексор SLM является оконечным оборудованием оптического ЦЛТ соответствующего уровня системы передачи SDH. Необходимо отметить две особенности построения SLM.

Первая особенность состоит в том, что несколько объединяемых цифровых потоков STM-1 при необходимости могут быть заменены плезиохронными потоками со скоростями передачи 140 Мбит/с, которые сформированы в системах передачи PDH и поступают на входы SLM через виртуальные контейнеры VC-4.

Вторая особенность заключается в том, что и синхронные, и плезиохронные потоки могут поступать на входы SLM или от местного источника цифровых сигналов, тогда они подаются в электрическом виде, или от удаленного источника нагрузки, в этом случае они поступают в виде оптических сигналов. Указанные особенности отмечены на рис. 2.2, а, где показано мультиплексирование четырех потоков в модуль STM-4 с помощью SLM-4.

Типичными представителями мультиплексора SLM являются:

SLM-2000-4 - синхронный линейный мультиплексор 4-го уровня систем передачи SDH с линейной скоростью передачи оптических сигналов 622,08 Мбит/с компании Lucent - принимает до 4-х потоков плезиохронных ЦСП со скоростью передачи 140 Мбит/с или систем передачи SDH со скоростью передачи 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-4 с кросс-соединениями потоков между портами; может конфигурироваться в режимах: оконечном, выделения/вставки или регенератора и использоваться в линейных и кольцевых оптических сетях с автоматическим резервированием [70,75];

1664SL - синхронный линейный мультиплексор 16-го уровня систем передачи SDH с линейной скоростью передачи оптических сигналов 2,5 Гбит/с компании Alcatel - обрабатывает до 16 потоков со скоростью передачи 140 или 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-16 с кросс-соединениями потоков между портами; используется в линейных и кольцевых оптических сетях с автоматическим резервированием [77];

SL-64 - синхронный линейный мультиплексор уровня STM-64 с линейной скоростью передачи 10 Гбит/с компании Siemens - принимает и путем каскадного мультиплексирования (по схеме 4xSTM-l → STM-4, 4 х STM-4 STM-16, 4 x STM-16 STM-64) обрабатывает до 64 потоков со скоростью передачи 140 или 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-64 с кросс-соединениями потоков между портами; может быть сконфигурирован как терминальный мультиплексор SLT-64, линейный мультиплексор SL-64 или регенератор SLR‑64 и использоваться в транспортных сетях с автоматическим резервированием [16, 87].

Из приведенного перечня SLM следует, а компании-производители подтверждают практически, что указанное выше деление мультиплексоров на ТМ, DIM и SLM является условным; сегодня в чистом виде они почти не встречаются.

Современные синхронные мультиплексоры систем передачи SDH являются базовыми. Они состоят из функциональных блоков, определенная совокупность которых представляет собой законченное устройство, имеющее общее название синхронный мультиплексор. Он может конфигурироваться в мультиплексоры по применению: ТМ, DIM, SLM и др. В следующем пункте рассмотрена структурная схема базового SM и его функциональные блоки. Вопросы построения мультиплексоров систем передачи SDH рассмотрены также в работе [92].

2.3.2. Состав базового мультиплексора и его структурная схема

Синхронные мультиплексоры производят различные компании. Производимое оборудования различается по некоторым характеристикам и возможностям его использования. Однако благодаря высокому уровню стандартизации технологии систем передачи SDH, базовые мультиплексоры SM по основным параметрам унифицированы. Поэтому ниже рассмотрено устройство мультиплексора первого уровня системы передачи SDH на примере базового мультиплексора типа TN-1X компании Nortel [164]. Мультиплексор типа TN-1X в зависимости от конфигурации может работать в трех основных режимах:

Общепринятый ТМ, который предназначен для формирования в тракте передачи модуля STM-1 из 63 цифровых потоков E1 и обратного преобразования сигналов в тракте приема.

Мультиплексор выделения/вставки DIM, он обеспечивает ответвление части цифровых потоков E1 в промежуточных пунктах линейной магистрали или кольца, а также сквозное кросс-соединение в этом пункте остальных цифровых потоков.

Синхронный линейный мультиплексор SLM-1, который выполняет электронно-оптическое преобразование сигналов STM-1, а также служит для формирования оптического ЦЛС со скоростью передачи 155,52 Мбит/с и другими заданными параметрами в тракте передачи и оптоэлектронное преобразование этого сигнала в тракте приема.

Для обеспечения указанных режимов работы в состав TN-1X входят следующие основные блоки:

Четыре канальных блока БК-2М, которые в совокупности обеспечивают обработку сигналов до 63 цифровых потоков E1. Каждый блок БК-2М может обрабатывать до 16 цифровых потоков.

Два блока ответвления БО-34М обрабатывают сигналы одного или двух оптических или электрических портов STM-1. Каждый порт STM-1 имеет пропускную способность до 16 виртуальных контейнеров VС-12, что обеспечивает совокупную пропускную способность каждого порта 16x2240 = 35,84 Мбит/с.

Два линейных, или агрегатных блока А и В, которые могут иметь электрические или оптические интерфейсы. Каждый линейный блок выполняет обработку секционного заголовка модуля STM-1. Кроме того, оптический линейный блок используется для электронно-оптического преобразования передаваемых в линейный тракт сигналов и оптоэлектронного преобразования принятых из линейного тракта сигналов. Электрический линейный блок используется для формирования электрического ЦЛС в тракте передачи, а также для регенерации принятого из ЦЛТ линейного сигнала и преобразования этого ЦЛС в цифровой групповой сигнал в тракте приема.

Два блока (устройства) управления нагрузкой (БУН А и БУН В) с кросс-коннекторами, которые обеспечивают переназначения цифровых потоков на уровне VС-12 между канальными и линейными блоками, а также удобство выделения и вставки цифровых потоков на промежуточных пунктах. Один из блоков является основным, а второй - резервным. При их подключении в процессе работы мультиплексора активны оба блока, но выходы резервного - заблокированы КМ. Каждый блок управления нагрузкой имеет отдельный последовательный интерфейс с каждым канальным и линейным блоками. Интерфейс состоит из трех соединений в каждом направлении, по которым отдельно передаются информационные сигналы, или сигналы нагрузки, сигналы цикловой синхронизации (ЦС) и сигналы сверхцикловой синхронизации (СЦС).

Блок контроллера, который осуществляет функции общего контроля состояния мультиплексора и управления его блоками, обрабатывающими трафик. Кроме того, каждый из указанных выше блоков (в том числе и блок контроллера) содержит свой контроллер, построенный на микроконтроллере, который осуществляет контроль и управление блоками под общим управлением контроллера мультиплексора.

Структурная схема базового мультиплексора с прохождением трафика между указанными выше блоками изображена на рис. 2.29. При этом мультиплексирование потоков E1 для получения цикла передачи STM-1 выполняется по алгоритму, схема которого приведена на рис. 2.12 [92]. Рассмотрим кратко прохождение трафика по представленной схеме.

Рис. 2.29

Тракт передачи. Каждый из четырех канальных блоков БК-2М (на схеме показаны только два блока) может обрабатывать до 16 передаваемых цифровых потоков, поступающих через 16 входных интерфейсов на вход блока со скоростью передачи 2048 кбит/с в коде HDB-3 согласно [124]. В блоке БК-2М каждый цифровой поток преобразуется в двоичный сигнал и из него формируется контейнер С-12, затем виртуальный контейнер VС-12 и создается субблок TU-12, как определено в Рекомендации ITU-T G.709 и описано в подразд. 2.2.4. Далее 16 субблоков TU-12 мультиплексируются в промежуточный формат, в котором они в сопровождении сигналов ЦС и СЦС передаются в оба блока управления нагрузкой (БУН А и БУН В). Сигналы, поступающие в БУН из всех канальных блоков БК-2М, последовательно записываются в устройство перекроссирования между портами, однако считываться субблоки TU-12 могут в любом порядке. Так обеспечивается переназначение (переадресация) передаваемых потоков E1. В блоках БУН сигнал нагрузки объединяется с байтами трактового заголовка VC-4 РОH, затем к ним добавляется указатель AU-4 PTR.

Результирующий сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с с нулевыми байтами SOH модуля STM-1 в сопровождении сигналов ЦС и СЦС поступает в оба линейных блока и В), которые могут быть оптическими или электронными. В линейных блоках формируются байты заголовка SOH, они вставляются на отведенные им позиции цикла передачи модуля STM-1 и полученный сигнал поступает в оптический или электронный передатчик.

В оптическом передатчике сигнал STM-1 модулирует излучение полупроводникового лазера. В результате на выходе линейного блока образуется оптический ЦЛС, который со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в ООВ линейного кабеля.

В электронном передатчике (на рис. 2.29 не показан) двоичный сигнал STM-1 из кода NRZ преобразуется в линейный код СМI. Этот сигнал подается на вход формирователя линейного сигнала, на выходе которого получаем электрический линейный сигнал с заданными параметрами. Он поступает в коаксиальную цепь линейного кабеля.

Тракт приема. Принимаемый из линейного тракта оптический сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в оптический приемник линейного блока, где поступивший поток фотонов преобразуется в электрический ток, т. е. происходит оптоэлектронное преобразование принятого оптического сигнала. Полученные электрические видеоимпульсы усиливаются и регенерируются, из них выделяется сигнал тактовой частоты 155,52 МГц и осуществляется тактовая синхронизация принимаемых сигналов. Далее из них выделяются и используются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые затем ликвидируются.

Сигналы нагрузки в формате административного блока AU-4 в сопровождении сигналов ЦС и СЦС передаются в устройства блоков управления нагрузкой. Здесь под управлением служебных сигналов указателя AU-4 PTR и заголовка VC-4 РОH сигналы нагрузки обрабатываются, затем указанные служебные сигналы ликвидируются. Полученные субблоки TU-12 перегруппировываются и записываются последовательно в устройство межинтервального обмена, а считываться они могут в любой последовательности, что позволяет переназначать субблоки TU-12. Считывание сигналов TU-12 на общую шину нагрузки происходит под управлением блока контроллера. Далее с общей шины нагрузки сигналы TU-12 в промежуточном формате в сопровождении сигналов ЦС и СЦС выводятся в соответствующие канальные блоки БК-2М, где обрабатываются. Из каждого поступившего субблока TU-12 выделяется указатель TU-12 PTR, который используют для определения точки начала виртуального контейнера VC-12. Из сигналов VС-12 выделяется заголовок VC12 РОH, который обрабатывается, а после использования ликвидируется. Полученные двоичные сигналы контейнеров С-12 обрабатываются, из них выделяется сигнал формата E1, который в коде HDB-3 выводится из блока БК-2М и передается потребителю.

Принимаемый из линейного тракта электрический ЦЛС поступает в электронный приемник, где усиливается и регенерируется, из него выделяется сигнал тактовой частоты 155,52 Мгц и далее принятый сигнал обрабатывается, как описано выше.

При использовании блоков ответвления БО-34М (на рис. 2.29 показан один блок) в трактах передачи и приема блоков выполняются преобразования сигналов, аналогичные тем, которые описаны выше для основного трафика.

Для осуществления общего контроля за работой базового мультиплексора и управления его блоками, обрабатывающими трафик, блок контроллера имеет следующие интерфейсы (см. рис. 2.29):

два канала многоцелевых последовательных шин MMSB (Multi Master Serial Bus) - один из них используется для обмена данными контроля и управления между контроллером мультиплексора и блоками, обрабатывающими трафик - это шина контроля MMSBI, а второй - для обмена данными по встроенному каналу управления между контроллером мультиплексора и линейными блоками - это шина данных MMBS2 (обмен выполняется по каналу DCC-R, образованному байтами D1, D2, D3 в заголовке SOH модуля STM-1 - см. подразд. 2.2.3);

интерфейс блока прикрепления Ethernet для связи с системой управления сетью через сеть LAN;

порт RS-232C для подключения местного компьютера;

стандартный сигнализационный интерфейс к шине сигнализации;

интерфейс общего назначения, например, сигнализация при снятии одного из блоков мультиплексора, сигнализация о выходе из строя одного из блоков питания и т. д.

Рассмотрим схемы блоков базового мультиплексора более подробно [92].

2.3.3. Построение схемы канального блока БК-2М

Для обработки 63 цифровых потоков E1 мультиплексор содержит четыре канальных блока БК-2М. В состав каждого блока входят следующие устройства:

шестнадцать интерфейсов 2М с устройствами контроля;

четыре специализированных микропроцессора 2М х 4;

преобразователь кода сигналов из параллельной формы в последовательную и обратно;

контроллер (микроконтроллер) блока БК-2М;

местный синхрогенератор.

Структурная схема канального блока БК-2М приведена на рис. 2.30.

Рассмотрим кратко работу основных устройств блока. Сигналы каждого из 16 цифровых потоков, которые обрабатываются в канальном блоке БК-2М, подаются на входной интерфейс 2М. Входные сигналы, поступающие от потребителя со скоростью передачи 2048 кбит/с, проходят стыковые цепи, затухание которых на полутактовой частоте 1024 кГц нормируется в пределах 0...6 дБ. Поэтому в оборудовании входного интерфейса происходит регенерация поступающего сигнала. Затем выполняется выделение тактовой частоты 2048 кГц и преобразование стыкового кода HDB-3 восстановленного, т. е. регенерированного сигнала в двоичный код NRZ.

С выхода интерфейса 2М двоичный сигнал с тактовой частотой записывается в микропроцессор 2М х 4, который представляет собой интегральную микросхему специального применения ASIC (Application Special Integrated Circuit). Здесь из поступившего сигнала формируется контейнер С-12 и к нему добавляется трактовый заголовок VС-12 РОH с указанием маршрута дальнейшего прохождения контейнера. В результате формируется виртуальный контейнер VС-12. Добавление к нему указателя TU-12 PTR превращает виртуальный контейнер в субблок TU-12 ёмкостью 9x4 байт. Этот указатель занимает фиксированные позиции (биты) в синхронном цикле передачи и определяет положение точки начала сигналов первого VС-12 в сверхцикле из четырех субблоков TU-12.

Сигналы каждого субблока TU-12 размещаются в четырех форматах, каждый из которых имеет размер 9 байт х 63 столбца, что в совокупности образует вторичный формат в структуре цикла передачи STM-1. Так как один субблок TU-12 имеет ёмкость 9 байт х 4 столбца, то в каждом из четырех указанных форматов размещается один столбец (9 байт х 1) сигнала TU-12. Из первых четырех субблоков TU-12 на выходе микропроцессора 2М х 4 № 1 образуется частично заполненный вторичный формат, содержащий по четыре столбца байтов в каждом из четырех форматов, как показано на рис. 2.31. В результате обработки последующих потоков из 16-ти субблоков TU-12 на выходе четырех микропроцессоров 2М х x 4 сформируется частично заполненный вторичный формат, который будет содержать по 16 столбцов байт в каждом из четырех форматов.

В таком частично заполненном формате сигналы поступают на передающую шину трафика, с которой они в параллельном коде считываются в преобразователь кода. В нем выполняется преобразование сигналов в последовательную форму. Сигналы нагрузки выводятся из канального блока БК-2М и в сопровождении сигналов ЦС и СЦС поступают в устройства БУН.

В тракте приема сигналы с выхода БУН в канальный блок БК-2М поступают в последовательной форме. В преобразователе кода они превращаются в параллельную форму и выводятся на приемную шину трафика, с которой в частично заполненных форматах цикла передачи STM-1 считываются в микропроцессоры 2М х 4. В микропроцессорах каждый субблок TU-12 обрабатывается, из него выделяется значение указателя TU-12 PTR, которое используется для определения точки начала виртуального контейнера VC-12. Из сигналов VC-12 выделяются заголовки VС-12 РОH, которые поступают далее на обработку, а затем ликвидируются. В дальнейшем происходит обработка сигналов С-12. Полученные из них двоичные сигналы потоков E1 поступают в выходные интерфейсы, где преобразуются в код HDB-3, нормируются и по стыковым цепям со скоростью передачи 2048 кбит/с подаются потребителю.

Рис. 2.30

Рис. 2.31

Интерфейс 2М имеет устройство контроля выходных сигналов, назначение которого состоит в следующем. При выходе из строя (аварии) любого из микропроцессоров 2М х 4 сигналы на выходах его четырех интерфейсов 2М будут отсутствовать. Получив сигнал об аварии от микропроцессора, интерфейсы 2М переключают свои входные и выходные порты к другому микропроцессору данного канального блока БК-2М. Эта операция вполне корректна, так как каждый микропроцессор практически имеет не четыре, а восемь входных и выходных портов. На схеме, приведенной на рис. 2.30, показано условно, что выходные порты интерфейсов, например, 5-го, ..., 8-го (через устройства контроля) могут быть подключены к микропроцессору 2Мх4 №1. Реально происходит переключение входных и выходных портов интерфейсов. В результате микропроцессор 2М х 4 №1 будет обслуживать 8 интерфейсов. Таким способом осуществляется резервирование микропроцессоров 2М х 4 во всех блоках БК-2М мультиплексоров систем передачи SDH.

Информация о режиме работы (основной или резервный) микропроцессора передается в преобразователь кода (на рис. 2.30 это показано на примере микропроцессора 2М х 4 №1). На указанном рисунке приведены также цепи внутренней INT (Internal) цикловой и сверхцикловой синхронизации. При отказе источника синхросигналов мультиплексора канальный блок БК-2М переключается на местный синхрогенератор. Вся работа канального блока происходит под управлением контроллера блока БК-2М, который через шину контроля связан со всеми устройствами блока.

2.3.4. Построение блока управления нагрузкой

Блок управления нагрузкой является связующим устройством между канальными блоками БК-2М, блоками ответвления БО-34М и линейными блоками А и В, как показано на рис. 2.29. В состав БУН входят шесть двунаправленных интерфейсов с четырьмя канальными блоками и двумя блоками ответвления, а также линейными блоками. Цифровые сигналы между канальными блоками и БУН (в обоих направлениях) переносятся в одном формате, а между БУН и линейными блоками (в обоих направлениях) - в другом, т. е. в указанных различных направлениях сигналы переносятся в различных форматах цикла передачи STM-1.

Выше отмечалось (см. подразд. 2.3.3), что между канальными блоками и БУН сигналы передаются в частично заполненном вторичном формате. При этом сигналы субблоков TU‑12 упакованы в столбцы цикла передачи модуля STM-1, начиная с первого столбца, и не содержат пробелов, как это показано на рис. 2.31. После того, как передаваемые сигналы всех четырех блоков БК-2М объединятся в блоке управления нагрузкой, образуется полностью заполненный (упакованный) вторичный формат полезной нагрузки из 63 субблоков TU-12, которые занимают первые 63 х 4 = 252 столбца в структуре цикла передачи STM-1. При этом указатели TU-12 PTR размещаются отдельно, а последние 18 столбцов цикла передачи STM-1 не задействованы, они содержат FS.

Между БУН и одним или двумя линейными блоками цифровые сигналы предаются в плавающем первичном формате цикла передачи SТМ-1, как показано на рис. 2.32. В этом формате цифровые сигналы представляются в форме AUG с нулевыми байтами SOH модуля STM-1. Оставшиеся 9 столбцов являются FS. Но сигналы в таком формате нужно сформировать. Поэтому, кроме рассмотренных интерфейсов, собственно БУН состоит из двух интегральных специализированных микросхем, или двух интегральных микросхем специального применения ASIC TSI. Каждая из них образует два устройства перекроссирования между портами, или устройства межинтервального обмена TSI (Time Slot Interchange), устройство формирования первичного формата цикла передачи STM-1 в тракте передачи и устройство расформирования первичного формата в тракте приема.

Рис. 2.32

Фрагмент структурной схемы БУН для обработки трафика приведен на рис. 2.33. Прохождение и обработка сигналов между вторичным и первичным форматами (между канальными и линейными блоками) в тракте передачи и между первичным и вторичным форматами (между линейными и канальными блоками) в тракте приема БУН зависят от режима работы мультиплексора.

При работе мультиплексора в оконечном незащищенном режиме сформированный сигнал в упакованном вторичном формате в последовательном порядке записывается в устройство TSI ТХ одного из используемых направлений передачи - А или В. Однако считывание субблоков TU-12 из TSI TX, которое выполняется под управлением контроллера мультиплексора (через микроконтроллер БУН), может происходить в любом порядке. Таким путем в блоке БУН осуществляется переназначение сигналов TU-12, но в данном режиме работы мультиплексора оно не используется. Байты нагрузки, считанные из TSI TX, мультиплексор MUX блока БУН в данном случае проходят формально. В последующих устройствах тракта передачи формируются сигналы трактового заголовка VC-4 POH и указателя AU-4 PTR, которые вставляются на соответствующие места в структуре цикла передачи STM-1, т. е. объединяются с передаваемыми сигналами нагрузки. В результате формируется плавающий первичный формат AU-4 цикла передачи модуля STM-1, как показано на рис. 2.32. Сигналы в этом формате преобразуются в последовательную форму и поступают в линейный блок - А или В.

В тракте приема БУН сигналы, поступающие из линейного блока в плавающем первичном формате, преобразуются из последовательной формы в параллельную. В последующих устройствах обработки принятого сигнала выделяется указатель AU-4 PTR, который используется для определения точки начала VC-4, а затем он ликвидируется. Далее обрабатывается и ликвидируется трактовый заголовок VC-4 РОH. В результате проведенной обработки принятый сигнал превращается в упакованный вторичный формат субблоков TU‑12. Принятые субблоки TU-12 в последующем устройстве пересинхронизируются по отношению к местному сверхциклу и для них формируются новые значения указателей TU‑12 PTR. Полученные субблоки TU-12 в последовательном порядке записываются в устройство межинтервального обмена TSI RX того из направлений или В), которое использовалось в тракте передачи. Далее все субблоки TU-12 под управлением контроллера мультиплексора (через микроконтроллер БУН) в параллельной форме выводятся (считываются) на приемную шину нагрузки. С этой шины в последовательной форме соответствующие субблоки TU-12 считываются в свои канальные блоки БК-2М или блоки ответвления БО-34М в частично заполненном вторичном формате цикла передачи модуля STM-1.

Рис. 2.33

Таким образом, в рассмотренном режиме работы мультиплексора используется один двунаправленный интерфейс с одним из линейных блоков - А или В.

При работе мультиплексора в оконечном защищенном режиме или в режиме выделения/вставки используются оба двунаправленных интерфейса с линейными блоками А и В. В режиме выделения/вставки для каждого интерфейса в трактах приема БУН обрабатывает указатель AU-4 PTR и трактовый заголовок VC-4 РОН, синхронизирует принятые субблоки TU-12 к местному сверхциклу с целью обеспечения доступа к любому из субблоков TU-12. Для пересинхронизированных субблоков TU-12 формируются новые значения указателей TU-12 PTR. Некоторые из результирующих субблоков TU-12 в последовательном порядке записываются в свои устройства межинтервального обмена TSI RX A и TSI RX B, которые обеспечивают возможность выделения части субблоков TU-12 путем их считывания на приемную шину нагрузки. Два других устройства межинтервального обмена TSI TX А и TSI TX В в трактах передачи обеспечивают возможность вставки части передаваемых субблоков TU-12 в обоих направлениях передачи - А и В.

Введенные (вставленные) потоки этих субблоков вместе с невыделенными субблоками (не поступившими в TSI RX A и TSI RX В) в мультиплексорах MUX (см. рис. 2.33) объединяются в результирующие цифровые потоки. Для них далее формируются значения трактового заголовка VC-4 РОН и указателя AU-4 PTR, которые вставляются на соответствующие места в структуре цикла передачи STM-1. В результате в обоих направлениях передачи - А и В - формируется плавающий первичный формат АU-4 цикла передачи STM-1. Сигналы далее преобразуются в последовательную форму и передаются в линейные блоки А и В.

Работа схемы и построение мультиплексора в оконечном защищенном режиме мало отличаются от схемы и построения мультиплексора в режиме выделения/вставки. Но при этом необходимо отметить следующие особенности.

В схеме, представленной на рис. 2.33, исчезнут цепи, соединяющие устройства пересинхронизации Синхр. TU-12 с мультиплексорами MUX. В результате передаваемые с данного оконечного пункта сигналы всех 63-х потоков 2М, или потоков E1 будут параллельно вводиться в устройства TSI TX А и TSI TX В для последующей обработки и передачи по основному и резервному линейным трактам. По этим трактам переданные сигналы принимаются на противоположном оконечном пункте. Выбором одного из двух сигналов, принятых по основному и резервному линейным трактам, управляет контроллер мультиплексора. Выбранный сигнал, пройдя обработку в тракте приема БУН, выводится на приемную шину нагрузки. С этой шины в последовательной форме все 63 субблока TU-12 считываются в свои канальные блоки БК-2М или блоки ответвления БО-34М в частично заполненном вторичном формате цикла передачи STM-1.

Кроме рассмотренных выше устройств обработки трафика, в состав блока БУН входит синхрогенератор с частотой 155,52 МГц, который используется для тактовой синхронизации всех устройств мультиплексора.

Синхрогенератор может управляться одним из следующих источников:

внутренним задающим генератором ЗГ с частотой 16,684 МГц;

сигналом от внешнего источника с частотой 2048 кГц;

сигналом канальной синхронизации с частотой 8 кГц.

Последний может быть получен из любого входного первичного сигнала со скоростью передачи 2048 кбит/с или из принятого линейного сигнала со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Структурная схема синхрогенератора приведена на рис. 2.34.

Базовый мультиплексор может быть сконфигурирован на приоритетной основе, чтобы иметь до трех источников синхронизации на выбор. При потере всех трех источников, мультиплексор переходит к резервному (местному) синхрогенератору, который показан на рис. 2.30.

На рис. 2.34 изображена также общая структурная схема БУН, где показаны цепи синхронизации и некоторые другие детали. После рассмотрения схемы, приведенной на рис. 2.33, данная схема особых пояснений не требует, за исключением того, что преобразователи кода на входах и выходах БУН реализованы на специализированных микросхемах и обозначены как ASIC SIRPIT, т. е. последовательный на приеме - параллельный на передаче (Serial in Receive Parallel in Transmit).

В заключение о БУН необходимо сказать следующее. Два блока управления нагрузкой работают в основном/резервном режиме, но активными в любое время являются выходы только одного блока. Если контроллер мультиплексора обнаруживает сбой в работе основного БУН, то он дает команду резервному БУН стать активным (если он, разумеется, исправен). Контроллер мультиплексора при этом также посылает команды соответствующим канальным и линейным блокам: «все сигналы принимать и передавать через резервный БУН».

На схеме, приведенной на рис. 2.29, БУН обозначены В (основной) и А (резервный). По умолчанию, т. е. без команды на переключение, активным всегда является блок В.

Рис. 2.34

2.3.5. Построение линейного блока SLM-1

Линейный блок SLM-1 базового мультиплексора является оконечным оборудованием линейного тракта системы передачи SDH первого уровня. В тракте передачи он обеспечивает:

преобразование передаваемого ЦГС из последовательной формы в параллельную;

формирование заголовка SOH модуля STM-1 и вставку его на соответствующие позиции цикла передачи SТМ-1;

скремблирование результирующего ЦГС;

преобразование скремблированного ЦГС из параллельной формы в последовательную;

электронно-оптическое преобразование скремблированного ЦГС в линейный сигнал с заданными параметрами.

В тракте приема линейный блок SLM-1 выполняет следующие задачи:

преобразование принятого оптического ЦЛС в электрический сигнал, его усиление и регенерацию;

преобразование полученного сигнала из последовательной формы в параллельную;

дескремблирование и синхронизацию сигналов по отношению к циклу передачи модуля STM-1;

обработку байтов заголовка SOH модуля STM-1 и ликвидацию это го заголовка;

пересинхронизацию административного блока AU-4 к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1;

формирование нового значения указателя AU-4 PTR и вставку его на соответствующие позиции;

преобразование сигналов нагрузки АU-4, полученных в плавающем первичном формате, из параллельной в последовательную форму.

В состав линейного блока SLM-1 входят следующие устройства:

два преобразователя сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно;

специализированный процессор - ASIC процессора STМ-1;

электронно-оптический преобразователь, или оптический передатчик (ОПД);

оптоэлектронный преобразователь, или оптический приемник (ОПМ);

контроллер (микроконтроллер) блока SLM-1.

Структурная схема линейного блока SLM-1 приведена на рис. 2.35 [92].

Рис. 2.35

Рассмотрим кратко прохождение сигналов в трактах передачи и приема блока и работу его основных устройств по схеме обработки трафика в устройствах блока SLM-1, представленной на рис. 2.36, где тракты передачи и приема показаны раздельно и более подробно.

Рис. 2.36

Тракт передачи. В блок SLM-1 цифровой групповой сигнал в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, в плавающем первичном формате поступает из основного и резервного БУН. Выбором основного или резервного сигналов управляет контроллер мультиплексора. Выбранный сигнал преобразуется в параллельную форму и поступает в процессор линейного блока. Здесь происходит формирование заголовка SOH в форме байтов MSOH и RSOH, которые вставляются на соответствующие позиции внутри цикла передачи STM-1. Далее результирующие сигналы скремблируются и преобразуются в последовательную форму. Полученные последовательные сигналы подаются на вход ОПД, в котором происходит электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов. Это достигается путем модуляции источника оптического излучения по интенсивности (по амплитуде).

В результате на выходе ОПД получается последовательность оптических импульсов с заданными параметрами, которая является оптическим цифровым линейным сигналом. Полученный сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в ООВ линейного кабеля для передачи по линейному тракту.

Тракт приема. Входной ЦЛС из ООВ линейного кабеля со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает на вход ОПМ. В оптическом приемнике в результате фотодетектирования входного потока фотонов выполняется оптоэлектронное преобразование принятого ЦЛС. Полученный электрический сигнал усиливается и регенерируется. Входящий в состав регенератора усилитель-ограничитель обеспечивает независимость оптимума «глаза» диаграммы от амплитуды входных импульсов, что позволяет обрабатывать сигналы, передаваемые по участкам линейного оптического кабеля различной длины. В ОПМ происходит также выделение сигнала тактовой частоты и восстановление тактовой синхронизации принятого ЦЛС. Обработанный сигнал преобразуется в параллельную форму, поступает в процессор блока SLM-1, где дескремблируется. Далее выделяются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые обрабатываются и используются, а затем ликвидируются.

Полученная нагрузка в формате AU-4 пересинхронизируется к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1. Для сигнала нагрузки формируется новое значение указателя AU-4 PTR, который вставляется на соответствующие позиции. Сформированный сигнал нагрузки в плавающем первичном формате выводится из процессора блока STM-1 в параллельной форме, преобразуется в последовательную форму и со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в БУН.

Вся работа линейного блока SLM-1 и контроль за его функционированием проходят под управлением контроллера данного блока и контроллера мультиплексора.

2.3.6. Построение блока ответвления БО-34М

Как на оконечных пунктах, так и в пунктах выделения/вставки систем передачи SDH, вместо одного или двух канальных блоков БК-2М могут быть подключены один или два блока ответвления БО-34М соответственно. В тракте передачи каждый блок БО-34М обеспечивает обработку до 16 поступающих из БУН цифровых потоков E1 и передачу их в форме ЦЛС в другой (удаленный) пункт по электрическому или волоконно-оптическому ЦЛТ. В тракте приема блока БО-34М поступивший из удаленного пункта ЦЛС обрабатывается и полученные 16 потоков E1 в частично заполненном вторичном формате цикла передачи STM-1 вводятся в БУН.

В состав БО-34М входят такие основные устройства:

два преобразователя сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно - две интегральные микросхемы ASIC SIRPIT;

устройство межинтервального обмена - интегральная микросхема ASIC TSI;

процессор формирования модуля STM-1 - интегральная микросхема ASIC процессора STM-1;

оптический передатчик или передающий электрический интерфейс;

оптический приемник или приемный электрический интерфейс;

микроконтроллер блока БО-34М.

Рассмотрим кратко обработку трафика в трактах передачи и приема и работу основных устройств по структурной схеме блока БО-34М, приведенной на рис. 2.37.

Рис. 2.37

Тракт передачи. Из основного или резервного БУН сигналы в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в частично заполненном вторичном формате поступают на преобразователь кода, где происходит их преобразование в параллельную форму и запись в устройство межинтервальных обменов передатчика TSI ТХ. Это устройство выполняет переназначение субблоков TU-12, т. е. перегруппировывает их так, чтобы они занимали первые 16 мест в структуре цикла передачи STM-1. Далее байты нагрузки, считанные с TSI TX, дополняются сформированными сигналами трактового заголовка VC-4 РОН и указателя AU-4 PTR (см. рис. 2.33). Результирующий сигнал в параллельной форме поступает в ASIC процессора STM-1. Здесь формируются и вставляются на соответствующие места внутри цикла передачи STM-1 байты заголовка SOH. Полученные сигналы скремблируются, преобразуются в последовательную форму и подаются на вход ОПД или передающего электрического интерфейса. В ОПД происходит электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов. В результате на выходе ОПД образуется оптический ЦЛС с заданными параметрами, который поступает в ООВ линейного кабеля.

При использовании выходного электрического интерфейса передаваемый сигнал в преобразователе кода передачи из двоичного преобразуется в линейный код типа СМI. Такой сигнал поступает в формирователь линейного сигнала, на выходе которого - электрический ЦЛС с заданными параметрами. Этот сигнал через коаксиальный соединитель (коннектор) подается в коаксиальную цепь линейного кабеля.

Тракт приема. Входной ЦЛС может быть оптическим или электрическим. В последнем случае он регенерируется в станционном регенераторе и в преобразователе кода приема из кода СМI превращается в двоичный сигнал. Кроме того, из принятого и регенерированного ЦЛС выделяется сигнал тактовой частоты. При приеме оптического ЦЛС в ОПМ выполняется его оптоэлектронное преобразование. Полученный электрический сигнал усиливается и регенерируется, из него также выделяется сигнал тактовой частоты, по которому восстанавливается тактовая синхронизация принятого ЦЛС. Обработанный сигнал с выхода ОПМ или входного электрического интерфейса преобразуется в параллельную форму и поступает в ASIC процессора STM-1. Далее полученный сигнал синхронизируется по отношению к циклу передачи STM-1 и дескремблируется. Из него выделяются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые обрабатываются и используются, а затем ликвидируются. Полученные сигналы нагрузки в формате AU-4 пересинхронизируются к местному синхросигналу цикла передачи STM-1. Для сигнала нагрузки формируется новое значение указателя AU-4 PTR, которое вставляется на соответствующие позиции. С выхода процессора нагрузка в параллельной форме поступает в TSI RX. В TSI приемника выделяются сигналы указателя AU-4 PTR, которые используются для определения точки начала размещения виртуального контейнера VC-4, а затем ликвидируются. Далее выделяются сигналы заголовка VC-4 POH, которые обрабатываются, используются, а затем также ликвидируются. Субблоки TU-12 синхронизируются по отношению к местному сверхциклу, для них формируются новые значения указателей TU-12 PTR. Полученные сигналы записываются в TSI приемника в последовательном порядке, где они перегруппировываются, а затем считываются так, чтобы занимать первые 16 мест в структуре цикла передачи STM-1. Перегруппированные субблоки TU-12 преобразуются в последовательную форму и в частично заполненном вторичном формате со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступают в основной или резервный БУН.

Контроль за работой блока БО-34М и управление им осуществляет КМ через контроллер БО-34М (на рис. 2.37 не показаны).

2.3.7. Построение линейного блока SLM-4

Линейный блок SLM-4 мультиплексора является оконечным оборудованием линейного тракта системы передачи SDH четвертого уровня. Он предназначен для обработки четырех сигналов, которые могут быть плезиохронными сигналами со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, синхронными сигналами со скоростью передачи 155,52 Мбит/с или их комбинацией (см. рис. 2.2, а).

В тракте передачи блок SLM-4 мультиплексирует любые четыре из указаных типов сигналов в ЦГС формата STM-4 и преобразует этот сигнал в ЦЛС, который со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает в волоконно-оптический ЦЛТ.

В тракте приема блок SLM-4 преобразует принятый оптический ЦЛС в электрический ЦГС формата STM-4 и демультиплексирует его на четыре исходных цифровых потока.

Линейный блок SLM-4 спроектирован и разработан для обеспечения плавного управляемого перехода от сети, построенной с использованием систем передачи PDH, к транспортной сети SDH.

Линейный блок SLM-4 состоит из таких устройств:

шесть преобразователей сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно - из них 4 преобразователя обрабатывают сигналы со скоростью передачи 155,52 Мбит/с - это ASIC SIRPIT 155M, а два - со скоростью передачи 622,08 Мбит/с - это ASIC SIRPIT 622M ТХ и ASIC SIRPIT 622M RX;

пять специализированных процессоров - из них 4 процессора для обработки сигналов STM-1 (ASIC процессора STM-1) и один - для сигнала STM-4 (ASIC процессора STM-4);

электронно-оптический преобразователь, или ОПД;

оптоэлектронный преобразователь, или ОПМ;

контроллер блока SLM-4.

Структурная схема линейного блока SLM-4 приведена на рис. 2.38.

Рис. 2.38

Рассмотрим кратко прохождение сигналов в трактах передачи и приема блока и работу основных его устройств по схеме обработки трафика в устройствах блока SLM-4, представленной на рис. 2.39, где тракты передачи и приема показаны раздельно.

Тракт передачи. Нагрузка четырех групповых блоков AUG в виде четырех потоков в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в плавающем первичном формате поступает на входы блока SLM-4, где преобразуется в параллельную форму. Сигнал каждого потока обрабатывается своим процессором STM-1. В них формируются секционные заголовки в форме байтов MSOH и RSOH, которые вставляются на соответствующие позиции внутри всех четырех циклов передачи STM-1.

Рис. 2.39

Далее результирующие сигналы скремблируются и в процессоре STM-4 мультиплексируются по байтам. Несмотря на то, что скремблирование выполняется на уровне сигналов STM-1, достигается необходимое скремблирование сигнала STM-4, которое удовлетворяет рекомендациям ITU-T. При этом в результирующем сигнале цикла передачи STM-4 байты синхронизации переписываются, чтобы сохранить синхронизацию при отказе в работе одного из процессоров STM-1. Затем выполняется проверка сигналов цикла передачи STM-4 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших при мультиплексировании. Эта проверка проводится методом BIР-8, что позволяет обнаруживать ошибки в предыдущем цикле передачи. В результате проверки формируется 8-битовая кодовая группа, которая скремблируется и помещается в секционный заголовок SOH (байт B1) STM-1 № 1 следующего цикла передачи. Результирующий сигнал с выхода процессора STM-4 поступает на преобразователь, где превращается в последовательную форму, и далее со скоростью передачи 622,08 Мбит/с подается на вход ОПД. В нем электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов выполняется путем модуляции по интенсивности источника оптического излучения. В результате на выходе ОПД формируется оптический ЦЛС с заданными параметрами, который передается по ООВ линейного кабеля.

Рис. 2.39

Тракт приема. Входящий оптический ЦЛС со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает на вход ОПМ, который выполняет оптоэлектронное преобразование принимаемых сигналов. В состав приемника входят устройства, которые обеспечивают необходимое усиление и регенерацию полученных электрических сигналов, а усилитель-ограничитель обеспечивает независимость оптимума «глаза» диаграммы от амплитуды входных импульсов, что позволяет обрабатывать сигналы, передаваемые по участкам линейного оптического кабеля различной длины. Кроме того, приемник содержит выделитель тактовой частоты, сигналы с выхода которого восстанавливают тактовую синхронизацию полученного ЦГС.

Обработанный в приемнике сигнал далее преобразуется в параллельную форму и поступает в процессор STM-4. Здесь сигналы синхронизируются по отношению к циклу передачи STM-4 и разделяются на четыре потока байтов STM-1, которые поступают на входы четырех процессоров STM-1. В них сигналы дескремблируются, затем из них выделяются байты секционного заголовка SOH STM-1, которые обрабатываются, используются и далее ликвидируются. В каждом процессоре STM-1 полученная нагрузка в формате AU-4 пересинхронизируется к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1. Для полученных сигналов нагрузки формируются новые значения указателя AU-4 PTR, которые вводятся на соответствующие позиции. Сформированные четыре сигнала нагрузки выводятся из процессоров STM-1 в параллельной форме, преобразуются в последовательную форму и со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в плавающем первичном формате поступают в блоки управления нагрузкой.

Функционирование линейного блока SLM-4 и контроль за его работой проходят под управлением контроллера данного блока и контроллера мультиплексора STM-4.

Рассмотренный линейный блок SLM-4 используется при работе мультиплексора STM-4 в оконечном незащищенном режиме. При наличии двух блоков (SLM-4A и SLM-4B) мультиплексор STM-4 может работать в оконечном защищенном режиме или в режиме выделения/вставки. Одним из примеров указанных режимов использования линейных блоков SLM-4A и SLM-4B является мультиплексор TN-4X компании Nortel, работа которого в режиме выделения/вставки показана на рис. 2.40. Он обеспечивает возможность выделения и вставки какого-либо одного из четырех сигналов AUG. В направлении передачи групповой сигнал AUG, выбранный элемент-менеджером или сетевым менеджером, поступает на вход блока SLM-4или В) из основного или резервного БУН. Выбором основного или резервного сигнала управляет контроллер мультиплексора STM-4.

Рис. 2.40

2.4. Сравнительный анализ плезиохронных и синхронных цифровых систем передачи

2.4.1. Плезиохронные цифровые системы передачи и их иерархии

Новые телекоммуникационные технологии стали развиваться в связи с переходом от аналоговых к цифровым методам обработки, коммутации и передачи сигналов различных видов электросвязи. Эти методы основаны на использовании импульсно-кодовой модуляции и мультиплексирования с временным разделением каналов.

Известно, что при использовании цифровых методов обработки сигналов, мультиплексор типа n:l формирует из п входных цифровых последовательностей один выходной поток. Он состоит из повторяющихся групп по п одноименных блоков сигналов (битов, байтов, циклов передачи), сформированных за определенный (заданный) временной интервал. При этом мультиплексор теоретически должен обеспечивать скорость передачи сигналов на его выходе величиной, определяемой выражением п х V, где V - скорость передачи сигналов одного входного потока, которая предполагается одинаковой для всех входных потоков.

Так, например, если в качестве входных потоков используются сигналы ОЦК, скорость передачи которых равна 64 кбит/с, то на выходе одного мультиплексора типа n:l теоретически можно сформировать поток со скоростью передачи п х 64 кбит/с. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т. д. уровней мультиплексирования типа m:1, 1:1, k:1 и т. д., то можно сформировать различные цифровые иерархические наборы скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют, выбирая различные коэффициенты кратности n, m, 1 и т. д., довести этот процесс мультиплексирования до необходимого уровня, обеспечивающего требуемое число ОЦК на выходе последнего мультиплексора.

Руководствуясь вышеизложенным, к началу 80-х гг. в мире были разработаны три иерархии ЦСП: американская (АИ), европейская (ЕИ) и японская (ЯИ). В первой из них, разработанной в США и принятой в Северной Америке, на выходе мультиплексора первого уровня иерархии была выбрана скорость передачи сигналов 1,554 Мбит/с. Фактически п = = 24, т.е. MUX образует 24 информационных ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с.

Американская иерархия образует следующую последовательность скоростей передачи сигналов на выходе соответствующих мультиплексоров: 1,554; 6,312; 44,736 и 274,176 Мбит/с. С учетом скорости передачи сигналов в ОЦК это соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п = 24, т = 4, i = 7, k = 6, что позволяет образовывать 24, 96, 672 и 4032 ОЦК соответственно.

В европейской иерархии, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость передачи сигналов 2,048 Мбит/с. Здесь первичный мультиплексор формально имеет п = 32, из которых 30 ОЦК являются информационными, а два ОЦК обеспечивают передачу различных служебных сигналов (синхронизации, сигнализации, управления и т. д.). Эта иерархия образует следующую последовательность скоростей передачи сигналов: 2,048; 8,448; 34,368; 139,264 и 564,992 Мбит/с. Указанным скоростям передачи соответствует ряд коэффициентов мультиплексирования: п = 32, т = 4, k = 4, р = 4, т. е. здесь коэффициенты мультиплексирования выбраны одинаковыми и кратными двум. Указанная иерархия позволяет образовывать 30,120,480,1920 и 7680 ОЦК соответственно.

В японской иерархии на выходе MUX первого уровня принята скорость передачи цифровых сигналов 1,554 Мбит/с. Однако данная иерархия, в отличие от американской, образует другую последовательность скоростей передачи сигналов: 1,544; 6,312; 32,064; 97,728 и 397,200 Мбит/с. С учетом скорости передачи сигналов в ОЦК это соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п - 24, т = 4, i = 5, k = 3, р = 4, что позволяет образовывать 24, 96, 480, 1440 и 5760 ОЦК соответственно.

Принято считать ОЦК нулевым уровнем цифровой иерархии. Во всех трех иерархиях - американской, европейской и японской - мультиплексоры первого, второго, третьего и т. д. уровней иерархии образуют соответствующие цифровые каналы, например: мультиплексор первого уровня образует первичный цифровой канал (ПЦК), который имеет скорости передачи сигналов T1 = 1,554 Мбит/с (АИ, ЯИ) или Е1 = 2,048 Мбит/с (ЕИ); мультиплексор третьего уровня образует третичный цифровой канал (ТЦК), который имеет скорости передачи сигналов Е3 = 34 368 кбит/с (ЕИ) или T3 = 44 736 кбит/с (АИ) и т. д.

Уровни рассмотренных иерархий, соответствующие им скорости передачи и образуемое ими число ОЦК сведены в представленную ниже табл. 2.2 [85].

Таблица 2.2

Уровни иерархий

Скорости передачи (кбит/с) / образуемое число ОЦК, соответствующие различным иерархиям

АИ

ЕИ

ЯИ

0

64/1

64/1

64/1

1

1544/24

2048/30

1544/24

2

6312/96

8448/120

6312/96

3

44736/672

34368/480

32064/480

4

274176/4032

139264/1920

97728/1440

5

-

564992/7680

397200/5760

Американская, европейская и японская иерархии ЦСП условно показаны также на рис. 2.41, а, б, в соответственно, где приведены скорости передачи сигналов, уровни иерархий и коэффициенты мультиплексирования [108]. Указанные иерархии ЦСП известны под общим названием как PDH.

Рис. 2.41

Одновременное существование трех различных иерархий ЦСП с различными коэффициентами мультиплексирования и различными скоростями передачи сигналов не могло способствовать успешному развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом. Поэтому Комитетом по стандартизации ITU-T были предприняты попытки по унификации иерархий и возможному их объединению. В результате были разработаны Рекомендации ITU-T G.702 [123], согласно которым:

1) стандартизированы три первых уровня АИ, четыре уровня европейской и четыре уровня японской иерархий в качестве основных; указаны варианты путей (схем) кросс-мультиплексирования сигналов этих иерархий, например, из европейской иерархии в американскую и японскую иерархии (с первого уровня на вторые), с третьих уровней американской и японской иерархий на четвертый уровень европейской иерархии, как показано на рис. 2.42; здесь же приведены коэффициенты мультиплексирования на соединительных линиях между МUX, внутри которых вписаны скорости передачи сигналов на выходе данного мультиплексора;

2) последние уровни американской (274 Мбит/с), европейской (565 Мбит/с) и японской (397 Мбит/с) иерархий не рекомендованы в качестве стандартных;

3) сохранена схема мультиплексирования 32 → 98 Мбит/с в японской иерархии, уровень 32 064 кбит/с фактически соответствует уровню 34 368 кбит/с европейской иерархии, что облегчает кросс-мультиплексирование сигналов между иерархиями.

Рис. 2.42

Рекомендация ITU-T G.702 по плезиохронным иерархиям ДСП отмечена на рис. 2.41 (сплошные линии), где также приведены (рис. 2.41, г) рекомендации по унификации этих иерархий.

Необходимо отметить, что отсутствие в Рекомендации ITU-T G.702 какого-либо уровня иерархии ЦСП вовсе не означает невозможность его использования. Так, например, в России в начале 90-х гг. разработан комплекс оборудования плезиохронной пятиричной волоконно-оптической ЦСП типа «Сопка-5» со скоростью передачи сигналов 565 Мбит/с, который планировалось использовать на участке Москва - Находка магистральной Транссибирской линии передачи протяженностью около 10 000 км [49].

2.4.2. Особенности построения и недостатки плезиохронных цифровых систем передачи

При построении ЦСП плезиохронной иерархии в мультиплексорах первого уровня применяется метод мультиплексирования с чередованием байтов, или октетов. На приемной стороне принципиально необходимо иметь возможность идентификации (определения местоположения) байтов каждого ОЦК в первичном цифровом потоке Е1. Для этого используют жесткую цикловую синхронизацию между DMUX приемника противоположной станции и MUX передатчика данного пункта путем формирования и передачи легко идентифицируемой синхрогруппы, которая фактически занимает отдельный канальный интервал в структуре цикла передачи первичного цифрового потока.

Казалось бы, что можно и далее в мультиплексорах второго и более высоких уровней иерархии использовать синхронное мультиплексирование входных потоков. Однако, учитывая, что общая синхронизация входных цифровых потоков, поступающих на MUX от разных пользователей, отсутствует, в мультиплексорах второго и более высоких уровней иерархии используется метод мультиплексирования с чередованием битов, а не байтов. При этом методе MUX, например, второго уровня ЕИ формирует выходную последовательность со скоростью передачи 8,448 Мбит/с путем чередования битов четырех различных входных цифровых потоков, поступающих на его вход с одинаковыми скоростями передачи 2,048 Мбит/с.

Так как MUX с чередованием битов не имеет специальных сигналов, которые могли бы быть использованы для определения позиции бита каждого входного потока, а скорости передачи входных сигналов различных потоков могут не совпадать (Е1 = 2,048 (1 ± 3 х 10-5) Мбит/с), то при этом используется внутренняя побитовая (тактовая) синхронизация, при которой MUX сам выравнивает скорости передачи сигналов входных потоков. Это выравнивание (согласование) скоростей передачи может быть положительным, когда оно осуществляется путем удаления битов из входных сигналов, имеющих большие скорости передачи.

Возможен также второй вариант согласования скоростей передачи сигналов входных потоков, когда в эти сигналы, имеющие меньшие скорости передачи, добавляется нужное число выравнивающих битов. Такое выравнивание скоростей передачи называется отрицательным. И, наконец, возможен третий, положительно-отрицательный вариант согласования скоростей передачи входных сигналов, когда сочетаются оба процесса удаления/добавления выравнивающих битов [83].

Благодаря применению метода согласования скоростей передачи сигналов входных потоков, на выходе MUX с чередованием битов получается синхронизированная цифровая последовательность. Информация о местоположении удаленных/добавленных выравнивающих битов по специальному каналу согласования скоростей в структуре цикла передачи выходного потока передается на противоположную станцию. Здесь они удаляются/добавляются при демультиплексировании сигналов для восстановления принятых первичных цифровых потоков.

На последующих (третьем и четвертом) уровнях иерархии метод мультиплексирования с чередованием битов повторяется. При этом на каждом уровне добавляются/удаляются новые выравнивающие биты, которые на приеме при демультиплексировании также удаляются/добавляются соответственно для восстановления исходных цифровых потоков.

Рассмотренный процесс передачи цифровых сигналов получил название плезиохронного, т. е. почти синхронного. Поэтому цифровые иерархии АИ, ЕИ и ЯИ называются плезиохронными цифровыми иерархиями, а образованные этими иерархиями ЦСП называются плезиохронными.

Использование в технологии плезиохронных ЦСП скорости передачи сигналов 140 Мбит/с даже в самом простом варианте обеспечения связи - связь между двумя пунктами (топология сети «точка-точка»), тракт прохождения сигналов, например, для ЕЙ должен содержать три уровня мультиплексирования на передающей стороне (2 → 8, 8 → 34 и 34 → → 140) и три уровня демультиплексирования сигналов на приемной стороне. Такая схема имеет достаточно сложную аппаратурную реализацию.

Однако новые достижения в области микроэлектроники привели к существенному удешевлению цифровой аппаратуры. Кроме того, в качестве среды передачи цифровых сигналов в системах передачи PDH все большее распространение получают ООВ, которые позволяют иметь длину участка регенерации 100 км и более. В итоге плезиохронные ЦСП получили значительное распространение на магистральных, зоновых и местных, особенно городских, сетях телефонной связи. Они позволили образовать и использовать большое количество каналов со скоростью передачи 64 кбит/с (см. табл. 2.2) для передачи сигналов цифровой высококачественной телефонной связи. Одновременно эти каналы все больше стали использоваться также и для передачи данных, особенно в банковских сетях с протоколами пакетной коммутации. Предполагали, что за счет привлечения новой мощной группы пользователей технология систем передачи PDH получит дальнейшее развитие. Но этого не произошло. На этапе возросших к ней требований технология плезиохронных ЦСП продемонстрировала свою негибкость и ряд других серьезных недостатков [77,85,95].

Основной недостаток систем передачи PDH состоит в том, что использование в них выравнивания битов делает крайне затруднительным выделение, например, цифрового потока ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с или первичного цифрового потока со скоростью передачи 2,048 Мбит/с, «зашитых» в поток со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, без полного демультиплексирования, или полной «расшивки» этого потока и удаления выравнивающих битов. Одно дело передавать высокоскоростной цифровой поток между пунктами междугородной и международной сетей связи, «сшивая» и «расшивая» его достаточно редко, и совсем другое - связать с помощью системы PDH, например, ИКМ-1920 несколько пунктов, расположенных между двумя пунктами доступа. Например, на цифровой линии передачи Киев - Одесса находится около 20 промежуточных пунктов, в которых осуществляется выделение и вставка по несколько цифровых потоков со скоростью передачи 2,048 Мбит/с [87]. В этом случае довольно часто необходимо выделять первичные цифровые потоки из четверичного цифрового потока, передаваемого со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, чтобы завести их на узел связи промежуточного пункта, и вставлять первичные цифровые потоки, сформированные на узле связи промежуточного пункта, в структуру цикла передачи четверичного цифрового потока. Осуществляя такие выделения/вставки в каждом промежуточном пункте в обоих направлениях передачи, приходится проводить достаточно сложную операцию трёхуровневого демультиплексирования сигналов системы передачи PDH с удалением/добавлением выравнивающих битов на 2, 3 и 4-м уровнях в трактах приема и последующего трехуровневого мультиплексирования сигналов с добавлением/удалением новых выравнивающих битов на всех трех уровнях в трактах передачи.

Схема такой операции для промежуточного пункта с односторонним выделением/вставкой одного первичного цифрового потока приведена на рис. 2.43 [77].

Рис. 2.43

Рассмотрим недостатки плезиохронных ЦСП более подробно.

1. При наличии большого числа промежуточных пунктов с выделением/вставкой цифровых потоков для аппаратурной реализации всех задач потребуется большое количество мультиплексоров. В результате эксплуатация такой системы передачи становится экономически невыгодной.

Таким образом, использование плезиохронного способа мультиплексирования для получения высокоскоростных цифровых потоков приводит к громоздким и малонадежным техническим решениям. Доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам затруднен, для их ответвления и транзита вначале необходимо многоступенчатое демультиплексирование принятого ЦГС, а затем вновь - формирование передаваемого ЦГС, т. е. многоступенчатое мультиплексирование компонентных цифровых потоков. Кроме того, при нарушениях синхронизации ЦГС сравнительно большое время тратится на многоступенчатое восстановление синхронизации компонентных потоков.

2. Другое слабое место систем передачи и сетей технологии PDH - крайне ограниченные возможности в образовании каналов служебной связи для контроля и управления цифровыми потоками в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне необходимо в сетях передачи данных.

Рекомендация ITU-T G.703, описывающая физические и электрические параметры иерархических цифровых интерфейсов, вообще не предусматривает трактовые заголовки, необходимые для обеспечения маршрутизации. Поскольку отсутствуют специальные средства маршрутизации при формировании циклов и сверхциклов передачи сигналов плезио-хронных ЦСП. то увеличивается вероятность ошибки в отслеживании «истории» текущих переключений (при возрастании числа мультиплексирований и переключений цифровых потоков во время их маршрутизации). Значит, увеличивается и возможность «потерять» сведения не только о текущем переключении, но и его «истории» в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика.

Так, существенное достоинство плезиохронного метода мультиплексирования - небольшая «перегруженность заголовками» - практически оборачивается еще одним серьезным недостатком, если возникает необходимость в развитой маршрутизации, вызванной использованием систем передачи PDH в сетях передачи данных [77].

3. Линейные тракты плезиохронных ЦСП имеют ограниченную пропускную способность. Самая высокая скорость передачи сигналов в них, которая не утверждена Рекомендацией ITU-T G.702 (см. рис. 2.41), равна 565 Мбит/с. Это приводит к крайне неэффективному использованию наиболее дорогостоящего звена в цепи передачи сигналов между пунктами доступа - оптических волокон линейного кабеля, особенно одномодовых. Кроме того, отмеченный недостаток порождает другой: линейные тракты систем передачи PDH сдерживают развитие новых широкополосных услуг, таких как интерактивное телевидение, видеоконференцсвязь, доступ к обширным информационным банкам и др., которые требуют применения на сети трактов с высокой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду и единицы, десятки гигабит в секунду) [105].

В системах передачи PDH оптические интерфейсы не стандартизированы. Пользуясь этим, каждый производитель плезиохронных ЦСП пытается по-своему расширить ограниченные возможности циклов передачи плезиохронных сигналов по передаче служебных символов для управления путем введения их непосредственно в оборудование линейного тракта. Это порождает массу проблем, в том числе и в управлении, которое в таком случае предоставляет очень ограниченный набор возможностей. В основном они сводятся к функциям контроля, которые не нашли широкого распространения. Но главная проблема состоит в том, что построить какую-либо систему передачи PDH, например третичной иерархии с использованием линейного оборудования различных производителей, практически невозможно, что затрудняет сетевое взаимодействие [42].

Аппаратура плезиохронных ЦСП предназначена для обеспечения связи между двумя пунктами доступа, т. е. в топологии «точка-точка». Она не имеет оборудования выделения/вставки и кросс-коннекторов, следовательно, совершенно не пригодна к использованию в кольцевых топологиях сети, в топологиях узловой и линейной сетей с пунктами выделения/вставки для построения современной разветвленной сети общего пользования. В системах передачи PDH изменение конфигурации оборудования данного пункта выполняется на аппаратурном уровне, т. е. заменой ТЭЗ (плат), блоков, физическими переключениями аппаратуры и трактов, другими ручными операциями.

В плезиохронных ЦСП крайне низкий уровень стандартизации и унификации аппаратуры, что затрудняет применение таких новейших технологий, как флеш-память, компоненты с поверхностным монтажом и специализированные СБИС, а также проведение современных программных методов мониторинга и управления оборудованием на сети с использованием распределенных логических функций и индивидуальных микропроцессоров [163].

Для построения линейных трактов систем передачи PDH используются разнотипные (симметричные и коаксиальные) кабели с металлическими проводами и волоконно-оптические (многомодовые и одномодовые) кабели. При этом ЦСП одной и той же иерархии в зависимости от типа используемого линейного кода имеют различные скорости передачи цифровых сигналов в линейном тракте. Для примера в табл. 2.3 приведены скорости передачи ЦЛС различных типов плезиохронных ЦСП третичной иерархии [21].

Из таблицы следует, что третичные ВОСП различных типов имеют разные скорости передачи ЦЛС. Но даже там, где эти скорости передачи одинаковые, как, например, в ЦСП типа «Сопка-3М» и «Сопка-Г», они имеют различные типы линейного кода, что не способствует взаимодействию таких ЦСП на сети.

Некоторые особенности и недостатки плезиохронных ЦСП не присущи этой технологии, а являются результатом хода истории развития ЦСП, но, тем не менее, они существуют [77].

Таблица 2.3

Тип ЦСП

Тип линейного кода

Скорость передачи ЦЛС, Мбит/с

Примечание

ИКМ-480

HDB-3

34,368

Коаксиальный кабель

«Сопка-3»

(ВОСП-480)

5В6В

41,2416

Многомодовые волокна оптического кабеля

«Сопка-3М»

(ВОСП-480М)

2В4В

68,736

Одномодовые волокна оптического кабеля

«Сопка-Г»

(ИКМ-480-5)

1В2В

68,736

Одномодовые волокна оптического кабеля

Для устранения недостатков и обеспечения возможности функционирования систем передачи PDH в современном окружении в них внесены некоторые изменения. Например, разработаны новые циклы передачи и их структуры для сигналов первичных, третичных и четверичных цифровых трактов плезиохронных ЦСП европейской иерархии, которые представлены в Рекомендациях ITU-T G.804 и G.832 и стандарте ETSI ETS 300 337. Длительности циклов передачи сигналов, передаваемых в третичном и четверичном трактах, увеличены также до 125 мкс. Сформированы новые структуры этих циклов передачи, они содержат служебные сигналы (заголовки, указатели), аналогичные тем, которые приняты в системах передачи SDH. Это обеспечивает соответствующий контроль качества передачи сигналов и функции систем обслуживания в трактах плезиохронных ЦСП. Теперь по третичному тракту ЕИ, имеющему прежнюю скорость передачи 34,368 Мбит/с, но новую структуру цикла передачи сигналов, можно передавать 14 субблоков TU-12, а по четверичному тракту - 20 групповых субблоков TUG-2 или комбинацию «5TUG-2 + 2TUG‑3». Новые циклы передачи для сигналов первичных, третичных и четверичных цифровых трактов плезиохронных ЦСП европейской иерархии рассчитаны также и на передачу сигналов ячеек ATM [42].

На современной телекоммуникационной сети плезиохронным ЦСП в основном отведены функции доставки сигналов потребителей к узлам связи транспортной сети SDH.

2.4.3. Особенности синхронных цифровых систем передачи

Указанные и другие недостатки систем передачи PDH привели к тому, что в настоящее время эти системы абсолютно неспособны реагировать на новые требования потребителей к их обслуживанию. Желание преодолеть указанные недостатки систем передачи PDH и, тем самым, попытаться устранить создаваемые потребителями проблемы привело исследовательские группы всех основных авторитетов мира в области связи к достижению соглашения по выработке рекомендаций для новой концепции в области телекоммуникаций. Предложения ITUсводились к тому, чтобы в новой концепции были решены следующие основные задачи:

систематизировать иерархические ряды скоростей передачи цифровых сигналов региональных стандартов и продолжить новый иерархи ческий ряд скоростей передачи за пределы ряда систем передачи PDH;

разработать новую структуру циклов передачи ЦГС, которая имела бы достаточное количество служебных сигналов, позволяющих обеспечивать управление потоками цифровых сигналов в сети любой сложности и осуществлять развитую маршрутизацию потоков;

предусмотреть возможность определения места любого компонентного потока в структуре цикла передачи ЦЛС, а значит, обеспечивать возможность выделения/вставки цифровых потоков в промежуточных пунктах доступа без необходимости проводить сложное демультиплексирование/мультиплексирование потоков соответственно;

разработать стандартные интерфейсы, которые должны обеспечивать соединение (стыковку) однотипного оборудования систем передачи, выпускаемого различными фирмами-производителями.

В ходе решения сформулированных задач в ANSI при Комитете T1 разработчики новой модели построения ЦСП предложили:

использовать мультиплексирование компонентных потоков с чередованием байтов, а не плезиохронную передачу этих потоков с чередованием битов;

положить в основу первого уровня иерархии новой концепции скорость передачи 50,688 Мбит/с, т. к. она позволяет продолжить ветвь АИ, т. е. 1,544 → 6,312 → 44,736 Мбит/с, последний уровень которой может быть преобразован в первый уровень новой иерархии путем добавления необходимых служебных сигналов;

включить в иерархию новой концепции достаточное число уровней и принять кратность последующих уровней иерархии равной номеру уровня, т. е., например, третий уровень будет иметь скорость передачи 3 х 50,688 Мбит/с = 152,064 Мбит/с;

использовать известный метод последовательных вложений цифровых сигналов, предложив технологию виртуальных контейнеров, их упаковки и транспортировки; предложенная технология дает возможность загружать в УС и транспортировать в них циклы передачи сигналов плезиохронных ЦСП с различными скоростями передачи;

применять в линейных трактах ЦСП новой иерархии в качестве среды передачи только ООВ оптических кабелей.

В результате реализации указанных предложений была разработана новая концепция - синхронная цифровая иерархия, или синхронная оптическая сеть SONET. Первоначально появление и развитие SONET в США не вызвало существенного интереса со стороны ETSL. Однако, когда стандарт SONET был доведен до ITU-T и рекомендован им в качестве международного без ETSI, отношение к SONET со стороны Европы резко изменилось.

Вскоре в ETSI была разработана аналогичная синхронная цифровая иерархия SDH. В последней были реализованы практически все (за исключением второго), изложенные выше предложения разработчиков при Комитете T1. В системах передачи SDH в качестве основного (первичного) формата синхронного ЦГС был принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155,52 Мбит/с (в SONET первый уровень иерархии имел скорость передачи 50,688 Мбит/с). Модуль SТМ-1 позволяет мультиплексировать сигналы плезиохронных систем передачи ЕЙ со всеми скоростями передачи: 2,048; 8,448; 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Таким образом, появились два региональных стандарта для систем передачи и сетей синхронной цифровой иерархии. Представители большинства исследовательских групп в ITUпонимали, что принятие рекомендаций относительно систем передачи SDH будет самым лучшим ответом на требования потребителей. Однако следовало учитывать, что наличие двух региональных стандартов не будет способствовать международному взаимодействию в области телекоммуникаций. Первый уровень иерархии SONET, имеющий скорость передачи 50,688 Мбит/с, совершенно не приспособлен для работы со скоростью передачи сигналов 2,048 Мбит/с, а также не обеспечивает взаимодействие со скоростью передачи сигналов 139,264 Мбит/с.

Для достижения компромисса Комитет T1, отказавшись от сигналов со скоростью передачи 50,688 Мбит/с, в качестве первого уровня иерархии систем передачи SONET принял скорость передачи 51,84 Мбит/с. Теперь STM-1 (скорость передачи 155,52 Мбит/с), предложенный ETSI для европейской версии SDH, с одной стороны, обрабатывает новую скорость передачи SONET, т.к. 3x51,84 Мбит/с = 155,52 Мбит/с, а с другой - включает в схему мультиплексирования систем передачи SDH максимальную скорость передачи ветви европейской плезиохронной иерархии - 139,264 Мбит/с. Новая синхронная цифровая иерархия получила название SDH.

В итоге, совместными усилиями в ITU-T было достигнуто соглашение по выработке рекомендаций для синхронной цифровой иерархии SDH, представляющей единый мировой стандарт для транспортирования цифровых сигналов.

Цифровые системы передачи, разработанные и используемые на сетях связи до появления технологий SONET и SDH, являются, по существу, асинхронными системами, так как не используют внешнюю синхронизацию от центрального опорного генератора (источника синхронизации). В асинхронных (плезиохронных) ЦСП потеря битов, или невозможность их точной локализации, приводит не только к потере части полезной нагрузки, но и к нарушению синхронизации. На приемной стороне системы передачи проще выбросить неверно полученные сигналы нескольких циклов передачи, чем восстановить синхронизацию с повторной передачей потерянного фрагмента сигналов, как это делают, например, в локальных сетях. Это означает, что указанный фрагмент сигналов теряется безвозвратно.

В синхронных системах передачи, благодаря использованию центрального источника синхронизации (таймера) с точностью не хуже 10-9, средняя частота всех местных таймеров или одинакова (синхронна), или близка к синхронной. В этой ситуации проблема необходимости выравнивания циклов или сверхциклов передачи не стоит так остро, как в плезиохронных системах передачи.

К сожалению, метод синхронного мультиплексирования сигналов ОЦК, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с, невозможно реализовать на первом уровне систем передачи PDH из-за большого фазового дрожания (Wander), или сдвига частоты, что может иметь место в плезиохронной международной коммутируемой сети. Хотя все оборудование обработки сигналов, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с, спроектировано и разработано на минимизацию конечных сдвигов частот посредством введения управляемого (положительного, отрицательного или положительно-отрицательного) сдвига, однако это приводит к потере фрагментов сигналов нагрузки.

Системы передачи SDH не связаны с мультиплексированием отдельных сигналов ОЦК, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с. Они спроектированы так, чтобы обеспечивать синхронное мультиплексирование плезиохронных потоков без потерь части сигналов нагрузки. Система передачи SDH только определяет размещение (Mapping) байтов входных плезиохронных потоков на указанных позициях циклов передачи VC. Но это не изменяет характер метода мультиплексирования потоков ОЦК в системах передачи PDH первого уровня.

Следующей существенной особенностью систем передачи SDH является наличие указателей начала определенного фрагмента сигнала, например, первичного цифрового потока El в структуре цикла передачи более высокого уровня. Использование указателей позволяет гибко компоновать внутреннюю структуру контейнера-носителя. Сохранение указателей в заголовке цикла передачи и их дополнительная защита, например, кодами с коррекцией ошибок, дает возможность получить надежную систему локализации внутренней структуры сигналов передаваемой полезной нагрузки. У каждого передаваемого потока есть свой указатель.

При помощи указателей и принципа синхронного побайтового мультиплексирования можно определить положение (место) любого потока в структуре передаваемого сигнала и выделить его из этой структуры в любой момент времени практически в любой точке сети SDH.

Указанные и другие особенности систем передачи SDH позволяют сделать вывод о том, что они имеют ряд преимуществ перед плезиохронными ЦСП.

2.4.4. Преимущества систем передачи и сетей SDH перед плезиохронными цифровыми системами передачи

В настоящее время основные проблемы передачи информации на любые (в пределах Земли) расстояния с практически неограниченной скоростью передачи можно считать решенными. К решенным проблемам относят [54]:

создание универсальной среды передачи в виде ООВ, обеспечивающих малую зависимость расстояния между приемной и передающей частями аппаратуры разных пунктов доступа от скорости передачи оптических сигналов;

разработка методов формирования и передачи сигналов, а также соответствующей аппаратуры, которые позволяют на развитой сети обходиться без необслуживаемых регенераторов, в технике проводной связи появилось новое понятие - однопролетная линия [3];

создание универсальной многофункциональной аппаратуры в виде базового синхронного мультиплексора с программным управлением, который может конфигурироваться как ТМ, DIM, кросс-коннектор, SLM и регенератор;

увеличение пропускной способности построенных волоконно-оптических линий передачи без дополнительного капитального строительства путем замены аппаратуры, т. е. мультиплексоров пунктов доступа;

применение на сети программных средств управления, которые осуществляют постоянный автоматический контроль за её функционированием, локализацию возникающих неисправностей элементов сети и автоматическую маршрутизацию трафика по резервным трактам, управление конфигурацией сети и её элементами, а также другие функции управления и обслуживания.

Эти решения стали возможны благодаря созданию и широкому внедрению на сетях связи технологии SDH, которая является очередным этапом эволюции ЦСП. В 90-х гг. в развитых странах оборудование систем передачи SDH на всех участках телекоммуникационных сетей стало основным, а сети связи стали называться цифровыми транспортными сетями. Такое стремительное (см. подразд. 1.2.1) и повсеместное внедрение технологии SDH объясняется преимуществами систем передачи и сетей SDH перед плезиохронными ЦСП. Основные из этих преимуществ приводятся ниже:

1. Применение синхронного мультиплексирования плезиохронных цифровых потоков при формировании структуры циклов передачи STM-1 и последующего синхронного мультиплексирования этих потоков при формировании модулей STM-N (N = 4, 16, 64, 256), что обеспечивает:

а) упрощение техники мультиплексирования (демультиплексирования) по сравнению с плезиохронными ЦСП [164];

б) доступ к компонентным цифровым потокам и возможность их выделения/вставки в любом пункте линейного тракта практически без преобразований всего массива передаваемой полезной нагрузки [34,164];

в) применение кросс-коннекторов в трактах различного порядка согласно планируемой конфигурации транспортной сети [59, 163].

2. Высокая эффективность использования оборудования линейного тракта, которая достигается:

а) применением в качестве среды передачи ООВ, параметры которых обеспечивают длину участка регенерации порядка 100... 120 км без оптических усилителей и порядка 600...800 км при их включении в линейный тракт [80,105];

б) переходом к передаче по линейному тракту в основном сигналов высокоскоростных цифровых потоков, сформированных в мультиплексорах SDH верхних уровней иерархии, т. е. транспортных модулей STМ-64 и STM-256 со скоростями передачи 10 и 40 Гбит/с соответственно [43, 78];

в) использованием технологии DWDM, которая уже сегодня позволяет в диапазоне длин волн 1530... 1612 нм одного волокна образовать 192 оптических тракта (канала) и одновременно передавать по ним сигналы уровня STM-64, что составляет суммарную пропускную способность волокна 1920 Гбит/с - это продукт типа CoreStream компании Ciena или другой пример: система передачи типа OPTera 1600G компании Nortel, обеспечивающая пропускную способность одного волокна 1600 Гбит/с [84].

3. Аппаратура систем передачи SDH многофункциональна и имеет высокую степень унификации. Её основу составляет базовый синхронный мультиплексор, который представляет собой стандартный блок и комплект ТЭЗ, обеспечивающих сопряжение между электрическими и оптическими трактами, а также кроссовую коммутацию. Такое построение аппаратуры позволяет [163]:

а) задавать конфигурацию любого элемента системы передачи SDH (терминального мультиплексора, кросс-коннектора, регенератора и т. д.) в каждом конкретном случае путем выбора определенных ТЭЗ, благодаря чему система передачи SDH всегда будет соответствовать постоянно растущим потребностям оператора сети SDH;

б) легко преобразовать один элемент системы передачи SDH в другой, например, ТM в DIM или локальный (местный) кросс-коннектор, для чего достаточно добавить соответствующие интерфейсы и изменить конфигурацию с помощью программных средств управления.

4. Возможность централизованного дистанционного мониторинга и управления всеми элементами сети SDH. Для этих целей в структуре цикла передачи модуля STM-1 (заголовки RSOH и MSOH) выделены байты D1...D12, которые образуют каналы служебной связи с общей скоростью передачи 768 кбит/с. По этим каналам от централизованной системы управления ко всем элементам сети (мультиплексорам, кросс-коннекторам, регенераторам) и обратно передается управляющая информация. Система управления предоставляет не только все возможности по конфигурированию сетевых элементов, отслеживанию и регистрации аварий, сбору статистики, но и обеспечивает управление на сетевом уровне [23]:

а) контролирует состояние элементов сети, устанавливает постоянные соединения между любыми конечными точками и в случае повреждения основных маршрутов может даже перераспределять трафик по обходным маршрутам;

б) следит за работоспособностью трактов и каналов, контролирует прохождение по ним (по сети) «контейнеров» и «модулей», обеспечивает качество обслуживания «от абонента до абонента»;

в) организовывает управление сетью (реконфигурация, функции самовосстанавливающейся сети при авариях), что создает предпосылки для достижения высокой надежности и живучести сети.

Все это означает, что сети SDH являются полностью программно управляемыми [95].

В рамках технологии SDH разработаны не только новая иерархия скоростей передачи сигналов и схемы мультиплексирования цифровых потоков, но и перспективная концепция построения и развития сетей связи. Синхронные мультиплексоры (терминальные, выделения/вставки) и кросс-коннекторы конструктивно обеспечивают поддержку таких сетевых топологий, как узловая сеть, линейная сеть с пунктами выделения/вставки, кольцевая топология сети и др. И, что самое важное, разработаны эффективные и полностью автоматические механизмы защиты, действующие сразу на нескольких уровнях, автоматическое переключение на резервный линейный тракт, что повышает надежность и живучесть сетей SDH.

6. Транспортная сеть SDH имеет четкое послойное строение, она содержит три сетевых слоя: каналов, трактов и среды передачи. Самый верхний слой образует сетевой слой каналов, обслуживающий собственно пользователей. Группы каналов объединяются в групповые тракты, которые образуют сетевые слои трактов высшего и низшего порядков – это средний слой. Групповые тракты организуются в линейные тракты, относящиеся к нижнему слою - сетевому слою среды передачи, построение которого зависит от среды передачи (ООВ или РРЛ). Этот слой подразделяется на слой секций и слой физической среды, первый из которых делится на слои мультиплексных и регенерационных секций. Каждый слой имеет определенные точки доступа и свои средства контроля, управления и оперативного переключения.

Деление по сетевым слоям и их автономность позволяют [42,88]:

а) внедрять новые технологии в каждом сетевом слое или менять оборудование отдельных сетевых слоев независимо от других слоев;

б) иметь в каждом слое собственные средства контроля, управления и обслуживания, а также средства для борьбы с отказами, например аппаратуру оперативного переключения, что повышает качество предоставляемых услуг, эффективность использования средств резервирования и снижает воздействие аварий на другие слои.

7. Системы передачи SDH имеют встроенные средства контроля, управления и борьбы с отказами. Они облегчают и ускоряют обнаружение неисправностей и переключение оборудования на резервные ёмкости трактов (или наоборот), что позволяет построить транспортные сети высокой надежности и живучести. Однако преимущества технологии SDH в части надежности и живучести сами по себе в полной мере не реализуются. Хотя аппаратура систем передачи SDH весьма надежна, необходимо учитывать, что волоконно-оптические линейные тракты и, особенно, линии передачи имеют огромную пропускную способность. Поэтому отказ даже на одном участке сети может привести к потере связи между десятками тысяч пользователей и значительным экономическим потерям.

Для предупреждения подобных случаев должны быть предусмотрены специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей - это создание резервного оборудования и трактов, процедур реконфигурации сетей в процессе их эксплуатации. Возникла концепция самовосстанавливающихся, или так называемых «самозалечивающихся» (Self-Healing) сетей. Такие сети, в случае выхода из строя отдельных элементов, способны сохранять работоспособность или за короткое время автоматически восстанавливать связь без серьезных последствий для пользователей.

Построению самовосстанавливающихся сетей, использующих технологию SDH, способствует ряд факторов [59]:

а) огромная пропускная способность волоконно-оптических линий передачи и снижающаяся стоимость оптических кабелей;

б) наличие встроенных средств контроля, управления и борьбы с отказами;

в) деление транспортной сети на независимые функциональные слои;

г) интеллектуализация сети SDH, которая имеет свою интеллектуальную подсеть управления, а также использует «интеллектуальные» возможности мультиплексоров и кросс-коннекторов или аппаратуры оперативного переключения.

8. Сети SDH обеспечивают эффективное использование пропускной способности, повышенную надежность и быстрое предоставление услуг. Одно из преимуществ транспортной сети - высокая доступность сервисных функций, реализуемая путем применения различных схем резервирования секций, трактов и других элементов сети [163]. Сети SDH являются более гибкими во всех отношениях - как в плане предоставления услуг, так и в части перемаршрутизации цифровых потоков с точки зрения пользователей и оператора сети. Образование новых трактов требует меньше времени и обеспечивается меньшим количеством оборудования. Все работы по переключению трактов выполняются программно и дистанционно из центра управления в течение нескольких десятков секунд [23, 95].

Такие возможности сети SDH были продемонстрированы в 1995 г. на сети «Макомнет» в Москве, когда при проведении работ строители повредили оптический кабель. Трафик был автоматически переключен на резервную линию передачи, и потребители даже не ощутили последствий аварии [17].

9. На сети SDH можно объединять оборудование разных производителей, так как в системах передачи SDH стандартизированы все оптические и электрические интерфейсы. Это означает, что строго определены линейные скорости передачи и линейные коды, уровни и длины волн оптического излучения, а также структуры циклов передачи линейных сигналов (размещение в них заголовков, указателей и полезной нагрузки). Правда, при этом все равно система управления оборудованием сети и всей транспортной сетью в целом остается у каждого производителя своя. Однако, как правило, современное оборудование SDH имеет стандартный интерфейс Q3 для подключения к системе управления сетью TMN. В настоящее время уже созданы системы TMN, управляющие оборудованием двух, а то и трех поставщиков [36,95].

Рассмотренные выше преимущества систем передачи и сетей SDH позволяют заключить, что на базе технологии SDH создается универсальная транспортная сеть, которая является высшим достижением для систем с канальным разделением ресурсов сети.

Современный мировой уровень развития цифровых транспортных сетей и глобальная тенденция расширения номенклатуры и повышения качества телекоммуникационных услуг делают актуальной проблему создания широкополосных сетей с интеграцией обслуживания B-ISDN. Основой для их построения являются [23, 43, 58]:

сочетание технологий SDH и ATM, когда ячейки ATM транспортируются по сети SDH в качестве нагрузок виртуальных контейнеров и их сцепок;

появление технологий POS (Packets over SDH) - пакеты поверх SDH и LAPS (Link Procedure for SDH) - процедура доступа к каналу SDH, размещение сигналов FDD/, имеющих скорость передачи 125 Мбит/с, в контейнерах VC-4 и др.

Технология ATM и технология SDH позволяют использовать одно и то же оптическое волокно (как физический носитель) одновременно для осуществления сетевых соединений различных типов, в равной мере основанных как на принципе коммутации каналов, так и на принципе коммутации пакетов.

Последняя разработка в области транспортирования данных по сетям SDH - общая процедура кадрирования GFP (Generic Framing Procedure), которая определена в Рекомендации ITU-T G.704/Y.1303 (2002). Она представляет собой общий механизм адаптации клиентских сигналов для размещения их в контейнерах SDH или их сцепках [63].

2.4.5. Параметры интерфейса G.703 и его реализация

В связи с широким распространением на современных транспортных сетях технологий цифровой передачи PDH и SDH наиболее популярным среди пользователей является первичный цифровой поток E1 со скоростью передачи 2048 кбит/с и его компонентные потоки: ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с, поток 2B+D со скоростью передачи 144 кбит/с и субпервичные цифровые потоки со скоростями передачи п х 64 кбит/с, где п = 2, 3, ..., 30. При этом пользователи указанных потоков должны обеспечить стыковку имеющегося у них терминального оборудования с интерфейсом G.703, применяемым в этих потоках. Подробно об этом интерфейсе можно узнать из Рекомендации ITU-T G.703. Большинству пользователей такое исчерпывающее описание не нужно. Оно необходимо разработчикам интерфейса. Поэтому ниже приводятся параметры интерфейса G.703 и особенности его использования.

Физические и электрические параметры данного интерфейса регламентированы Рекомендацией ITU-T G.703 для обеспечения возможности соединения различных элементов цифровых сетей с целью образования составных международных каналов, трактов и линий передачи. Поэтому описаны параметры интерфейсов, соответствующих скорости передачи ОЦК (64 кбит/с) и скоростям передачи различных (АИ, ЕИ, ЯИ) иерархий плезиохронных ЦСП, а также параметры интерфейса для скорости передачи первого уровня системы передачи SDH - 155,52 Мбит/с.

Для сигналов, проходящих через оборудование со скоростями передачи п х 64 кбит/с (п = 2, 3, ..., 30), специфицированное для первичного цифрового потока, параметры интерфейса те же, что и для интерфейса 2048 кбит/с.

Основные параметры интерфейса:

вид интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования - три вида;

скорость передачи цифровых сигналов и частота синхронизирующего сигнала;

тип кода и алгоритм его формирования (зависит от скорости передачи сигналов);

форма импульса и соответствующее поле допуска (маска импульса) - прямоугольная, поле допуска зависит от скорости передачи сигналов;

тип используемой пары (коаксиальная или симметричная) проводов для стыковой цепи каждого направления передачи;

входной и выходной нагрузочные импедансы: для коаксиальной пары - 75 Ом (активные), для симметричной - 100... 120 Ом (активные);

номинальное значение амплитуды импульсов обеих полярностей на одном из указанных нагрузочных импедансов - 1 В (нормируемое) и 1...3 В (фактическое);

пиковое напряжение паузы (отсутствие импульса) составляет 0 ± 0,1 В (нормируемое) и 0,1... 1,0 В (фактическое);

номинальная длительность (ширина) импульса (зависит от скорости передачи сигналов);

отношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов - 0,95...1,05;

отношение длительности положительного и отрицательного импульсов-0,95... 1,05;

максимальное фазовое дрожание на выходном порту - соответствует Рекомендации ITU-T G.823.

Из приведенного перечня следует, что ряд параметров зависит от скорости передачи сигналов, а тип кода - еще и от вида интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования. Рассмотрим некоторые параметры более подробно.

Вид интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования. Этот параметр стандартизирован для скорости передачи 64 кбит/с, при которой через интерфейс ОЦК осуществляется обмен тремя видами сигналов: информационными сигналами (ИС) со скоростью передачи 64 кбит/с, сигналами тактовой синхронизации (ТС) с частотой 64 кГц и сигналами октетной синхронизации (ОС) с частотой 8 кГц.

Интерфейсы ОЦК применяются:

для подключения к ОЦК аппаратуры потребителей;

для соединения двух ОЦК между собой при их транзитном соединении (образование из простых составных ОЦК);

для образования обходных направлений при замене вышедших из строя ОЦК резервными каналами и т. д.

Рекомендацией ITU-T G.703 предусмотрено три вида интерфейсов: сонаправленный (СПИ), противонаправленный (ПНИ) и с центральным тактовым генератором (ЦГИ).

Сонаправленный интерфейс (Codirectional Interface) может применяться при любых соединениях ОЦК, указанных выше. При этом сигналы ТС и ОС передаются вместе с сигналом ИС в одном направлении, как показано на рис. 2.44, а. Оба терминала равнозначны и симметричны, это пример транзитного соединения ОЦК. Сигналы ИС, ТС и ОС передаются в виде единого сигнала от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Противонаправленный интерфейс (Contradirectional Interface) применяется для подключения к ОЦК аппаратуры потребителей. При этом сигналы ТС и ОС передаются отдельно от сигнала ИС, причем сигналы ТС и ОС в виде объединенного сигнала всегда передаются от ведущего оборудования (терминального мультиплексора ЦСП) к ведомой аппаратуре пользователя (рис. 2. 44, 6). Информационный сигнал, как и в предыдущем случае, симметричен и передается от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Интерфейс с центральным тактовым генератором (Centralized Clock Interface) находит ограниченое применение. При этом сигналы ТС и ОС передаются от центрального тактового генератора к обоим терминалам, как показано на рис. 2. 44, в, а информационный сигнал симметричен и передается от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Скорость передачи цифровых сигналов и частота синхронизирующего сигнала. Скорости передачи сигналов, указанные в Рекомендации ITU-T G.703, за исключением ОЦК и модуля STМ-1, в основном соответствуют иерархии плезиохронных ЦСП. Ниже (см. табл. 2.4) указаны скорости передачи только для сигналов ОЦК, STM-1 и плезиохронных ЦСП ЕИ. Сигналы ТС и ОС могут передаваться от отдельного источника, либо формироваться из принятого ИС. В таких случаях частоты ТС и ОС могут численно совпадать или не совпадать со скоростью передачи ИС. В зависимости от типа используемого кода для ИС частоты сигналов ТС и ОС численно могут быть в 2, 4 или 8 раз меньше скорости передачи ИС. Например, для ОЦК номинальной является тактовая частота 64 кГц, но может использоваться и ОС, тогда тактовая частота равна 8 кГц.

Рис. 2.44

Тип кода и алгоритм его формирования. Типы кодов передаваемых ИС зависят не только от скорости их передачи, но и от вида интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования, например, для скорости передачи ИС 64 кбит/с.

Для сонаправленного интерфейса единый сигнал ИС, ТС и ОС представляет собой модификацию квазитроичного кода с чередованием полярности импульсов (ЧПИ), или AMI (Alternate Mark Iversiori). Этот сигнал представлен на рис. 2.45, он формируется по следующему алгоритму [83]:

а) каждый тактовый интервал цифрового сигнала в коде NRZ (рис. 2.45, а), имеющего скорость передачи 64 кбит/с, делится на четыре равные части;

б) двоичная единица исходного сигнала представляется четырехзначной кодовой группой вида «1100», а двоичный нуль - группой вида «1010» (рис. 2.45, б);

в) полученный двоичный сигнал с тактовой частотой 256 кГц преобразуется в квазитроичный сигнал путем последовательного чередования полярности четырехзначных кодовых групп (рис. 2.45, в);

г) сигнал ОС передается путем нарушения закона чередования полярности для каждой восьмой четырехзначной кодовой группы (рис. 2.45, г); группа, нарушающая чередование полярности, соответствует последнему биту в октете;

д) выделенный сигнал ОС используется для октетной синхронизации информационного сигнала (рис. 2.45, д), что, при предоставлении пользователю ОЦК в плезиохронном режиме, позволяет уменьшить эффект проскальзывания символов на приеме.

Рис. 2.45

Для противонаправленного интерфейса исходный ИС (рис. 2.46, а) передается в виде квазитроичного кода с чередованием полярности импульсов (сигнал в коде АМГ) со скважностью, равной единице (рис. 2.46, б). Сигналы ТС и ОС передаются в виде объединенного сигнала отдельно от сигнала ИС. Объединенный сигнал ТС и ОС формируется по следующему алгоритму:

а) исходный двоичный сигнал ИС преобразуется в сигнал в коде AMI со скважностью, равной двум, и нарушением ЧПИ на каждом восьмом тактовом интервале (рис. 2.46, в);

б) тактовый интервал, на котором нарушается ЧПИ, соответствует последнему биту в октете;

в) выделенный сигнал ОС используется для октетной синхронизации информационного сигнала (рис. 2.46, г), что позволяет уменьшить явление проскальзывания символов на приеме при сдаче пользователю ОЦК в плезиохронном режиме.

Рис. 2.46

Форма импульса и соответствующее поле допуска (маска импульса) приведены в Рекомендации ITU-T G.703 отдельно для каждой скорости передачи и вида интерфейса для скорости передачи 64 кбит/с. Номинальная форма импульсов - прямоугольная. Маски импульсов здесь не приводятся, т. к. представляют интерес только для разработчиков подобных интерфейсов.

Тип используемой пары проводов для стыковой цепи Он зависит от скорости передачи сигналов. На интерфейсах ОЦК используются симметричные пары, на интерфейсах первичного цифрового канала E1 - симметричные или коаксиальные пары, на интерфейсах более высоких уровней иерархии ЦСП - коаксиальные пары (см. табл. 2.4). Вход и выход ОЦК должны быть симметричны относительно «земли». Для сонаправ-ленного интерфейса ОЦК затухание симметричной пары проводов на полутактовой частоте 128 кГц не должно превышать 3 дБ, а для противонаправленного интерфейса ОЦК затухание каждой из четырех стыковых цепей не должно превышать 3 дБ на полутактовой частоте 32 кГц.

На интерфейсах первичного и более высоких уровней иерархии цифрового канала затухание стыковой цепи на полутактовой частоте передаваемого сигнала не должно превышать 6 дБ.

Длительность импульса. В Рекомендации ITU-T G.703 указаны либо только номинальная длительность импульса информационного сигнала, либо длительности двух импульсов: информационного и тактового сигналов (см. пояснение к табл. 2.4).

Остальные параметры указаны выше и пояснений не требуют.

Численные значения параметров и типы используемых кодов для различных скоростей передачи сигналов приведены в табл. 2.4 [77].

Таблица 2.4

Параметры

Скорость передачи, кбит/с

64

СНИ

64

ПНИ

64

ЦГИ

2048

8448

34 368

139 264

155 520

Тип кода

AMI1

AMI1

AMI

HDB-3

HDB-3

HDB-3

CMI

CMI

Импеданс (коаксиальный), Ом

-

-

-

75

75

75

75

75

Импеданс (симметричный), Ом

120

120

110

120

-

-

-

-

Амплитуда импульса, В

1,0

1,0

1,1

3,43

2,37

3,05

2,37

1,0

±0,55

±0,55

Амплитуда паузы, В

0,1

0,1

0,1

0,53

0,237

0,35

0,237

0,1

± 0,056

± 0,056

Длительность импульса, мкс (нс)*

3,9

7,82

15,6

7,84

15,6

7,84

244

59,0

14,55

3,59

3,216

6,432

Примечание. * Длительность импульсов указана в микросекундах для скорости передачи 64 кбит/с и в наносекундах - для остальных скоростей передачи сигналов.

Из приведенной таблицы понятно, что полная реализация интерфейса G.703 - дело весьма трудоемкое. Поэтому производители ограничиваются реализацией указанных параметров для используемой скорости передачи сигналов, например, 2048 кбит/с. Для скорости передачи 64 кбит/с производители указывают и вид интерфейса, например сонаправленный, чтобы обеспечить взаимодействие терминального оборудования.

Некоторые пояснения к табл. 2.4 в соответствии со ссылочными номерами, указанными для определенных параметров, приводятся ниже:

- алгоритмы формирования кодов AMI, отличающихся от стандартного кода, для интерфейсов СНИ и ПНИ описаны выше;

- большее значение соответствует длительности двойного импульса (логическая «1»), меньшее - длительности одинарного импульса (логический «0»);

- большее значение рекомендуется применять в случае повышенного уровня шума в стыковой цепи;

- большее значение соответствует длительности информационного импульса, меньшее - длительности тактового импульса;

- большее значение применяется, если используется симметричная пара проводов для стыковой цепи, меньшее - если используется коаксиальная пара;

- используется симметричное поле допуска.

Пользователь должен также иметь в виду, что указанные типы кодов относятся только к стыковым цепям и их следует отличать от кодов цифровых линейных сигналов, хотя иногда эти коды могут совпадать.

Подключение аппаратуры пользователя к сети с помощью ОЦК или более высокоскоростных цифровых каналов со скоростями передачи 144, п х 64, 2048 кбит/с и т. д. зависит от наличия у пользователя входа с интерфейсом G.703 и типа используемого (симметричного или коаксиального) кабеля. При наличии у пользователя такого входа подключение осуществляется либо коаксиальными кабелями с разъемами RJ-59 (импеданс 75 Ом), либо симметричными парами проводов (импеданс 100... 120 Ом) на коммутационную панель «под зажим» - без специального разъема или с помощью разъемов DB-15, RJ-11, RJ-48Х. В случае разных импедансов интерфейсной цепи и терминального оборудования используется согласующий трансформатор, например, 120-омная симметричная пара / 75-омный коаксиальный кабель.

Если аппаратура пользователя не имеет входа с интерфейсами G.703, а имеет порты с другими интерфейсами, то нужно использовать конвертеры интерфейсов, которые позволяют согласовать, например, локальные сети доступа, имеющие интерфейсы V.24, V.35, Х.21, с глобальной транспортной сетью, которая имеет интерфейсы G.703. Такие конвертеры производят несколько компаний, например RAD Data Communications, большинство конвертеров которой являются не только конвертерами интерфейсов, но и конвертерами скоростей передачи цифровых сигналов (подробно о такой продукции можно узнать из каталогов компании RAD).

3. Особенности построения синхронных линейных трактов

Волоконно-оптические линейные тракты систем передачи SDH, или СЛТ, по сравнению с волоконно-оптическими линейными трактами плезиохронных ДСП имеют ряд особенностей. К основным из них относят следующие:

в качестве среды передачи используются только ООВ;

Рекомендации ITU-T G.957, G.958 [146,147] определяют параметры СЛТ таким образом, чтобы обеспечить:

поперечную совместимость СЛТ, т. е. возможность встречной работы однотипной аппаратуры различных производителей в пределах одного СЛТ;

продольную совместимость СЛТ, т. е. возможность создания СЛТ параллельно линейным трактам систем передачи PDH в одном оптическом кабеле;

3) расширены функции оперативного контроля, обслуживания и управления СЛТ в регенераторах, в них реализуются некоторые функции преобразования служебных сигналов, передаваемых в структуре оптических ЦЛС.

Указанные и другие особенности СЛТ меняют подход к проектированию и эксплуатационному (техническому) обслуживанию оборудования систем передачи SDH и сетей связи в целом, поэтому они заслуживают отдельного рассмотрения. Необходимость этого рассмотрения обусловлена также и тем, что в известных работах [35, 77, 80] по системам передачи и сетям SDH об особенностях построения СЛТ практически ничего не сказано.

В данном разделе изложены принципы построения СЛТ, их основные особенности и параметры элементов, установленные Рекомендациями ITU-T G.783, G.957, G.958. Структура, элементы и некоторые параметры СЛТ, особенности построения мультиплексоров SLM кратко описаны также в работе [93].

3.1. Структура и основные параметры синхронных линейных трактов

3.1.1. Структура и элементы синхронных линейных трактов

В Рекомендации ITU-T G.958 СЛТ определяется как совокупность средств, выполняющих функции транспортирования сигналов STM-N между двумя эталонными точками С синхронных линейных мультиплексоров SLM оконечных пунктов (рис. 3.1), или между аналогичными точками другой аппаратуры пунктов доступа: оперативного переключения, выделения/вставки, ответвления и т. д. Такое определение СЛТ не стесняет проектировщиков его аппаратуры и обеспечивает совместимость различных вариантов ее реализации разными производителями.

Мультиплексоры SLM двух соседних пунктов доступа соединяются между собой двумя ООВ оптического кабеля. Если расстояние между соединяемыми пунктами таково, что затухание указанных ООВ больше допустимой величины, то в них между SLM включаются регенераторы оптических ЦЛС.

Полученную линейную структуру СЛТ можно представить в виде последовательного соединения ряда элементов, параметры которых нормированы в Рекомендациях ITU-T G.957 и G.958. К этим элементам относятся:

линейные блоки SLM оконечных пунктов, или оконечное оборудование СЛТ;

регенераторы промежуточных пунктов, или промежуточное оборудование СЛТ;

стандартизированные участки ООВ оптического кабеля, соединяющего оконечное и промежуточное оборудование СЛТ. Короткие (однопролетные) СЛТ, имеющие протяженность несколько десятков километров, могут и не иметь в своем составе регенераторов [3].

В общем случае принято различать три типа участков СЛТ, параметры которых нормированы. Эти участки называются секциями, а именно: оптическая секция, регенерационная секция и мультиплексная секция.

Обобщенная структурная схема одного направления передачи варианта построения СЛТ, где показаны все названные его элементы, отмечены эталонные точки А и С, в которых осуществляется нормирование основных параметров СЛТ, приведена на рис. 3.1. Точки А эквивалентны точкам S и R Рекомендаций ITU-T G.955 и G.956 - это вход и выход ООВ соответственно.

Рис. 3.1

Оптическая секция (ОС, или OS) представляет собой участок ООВ непосредственно между двумя соседними точками А двух соседних пунктов СЛТ, например, от выхода электронно-оптического преобразователя ЭОП оконечного пункта ОП1 (вход ООВ) до входа оптоэлектронного преобразователя ОЭП регенератора соседнего промежуточного пункта ПП1 (выход ООВ).

Оптической секцией называется также участок ООВ между соседними регенераторами или между последним регенератором СЛТ и оконечным пунктом ОП2.

Регенерационная секция определяется как участок СЛТ между регенератором и соседним оконечным пунктом или между двумя соседними регенераторами. Из рис. 3.1 следует, что RS представляет собой участок СЛТ между двумя соседними точками С двух соседних пунктов линейного тракта. Точки С определяют начало и окончание RS (обозначены как функциональные блоки RST). Они обрамляют RS и входят в ее состав. Обобщенное название этих блоков - блок окончаний регенерационной секции RST (Regenerator Section Termination).

Мультиплексная секция рассматривается как участок СЛТ между оконечными пунктами или между оконечным пунктом и пунктом выделения/вставки сигналов. На рис. 3.1 показан СЛТ, состоящий из двух MS. Каждая из них обеспечивает автоматическое поддержание функционирования данного участка СЛТ с заданным качеством при заданной скорости передачи оптических цифровых сигналов в СЛТ.

«Сферы влияния» рекомендаций ITU-T, которые определяют структуру, состав и параметры СЛТ и его элементов, указаны на рис. 3.1. Положения Рекомендации ITU-T G.951 распространяются только на ОС, а Рекомендации ITU-T G.958 - на весь СЛТ между точками С оконечных пунктов ОП1 и ОП2, включая регенераторы.

Электронные устройства оконечного и промежуточного оборудования СЛТ - это блоки RST и электронная часть регенераторов электрических сигналов (РЭС) - нормируются Рекомендациями ITU-T G.783 и G.784, которые на рисунке обозначены G.78x.

Следует помнить, что введенное в системах передачи и сетях SDH понятие «транспортирование» информации отличается от понятия «передача» наличием органически встроенных в аппаратуру систем передачи SDH дополнительных (расширенных) функций контроля, обслуживания и управления. Эти функции на рисунке не показаны, поскольку границ СЛТ они не определяют [41].

В СЛТ систем передачи SDH в качестве линейного кода оптических ЦЛС используется двоичный код NRZ (Non Return Zero), скремблирован-ный по Рекомендации ITU-T G.709.

3.1.2. Оптические секции и их параметры

В настоящее время СЛТ широко применяются как для внутристанционных, так и межстанционных соединений. Комбинируя оптические передатчики и приемники с различными параметрами, можно обеспечить оптимальное по затуханию и дисперсии распределение оптической мощности (энергетического потенциала) между элементами СЛТ для различных вариантов использования систем передачи SDH. Однако для обеспечения разработок оборудования СЛТ с поперечной совместимостью желательно ограничить число стандартных категорий использования ОС и соответствующих наборов требований к их параметрам.

Поэтому ITU-T разработана Рекомендация G.957. Она нормирует ОС по длине и определяет три категории их применения. Эти категории имеют следующие обозначения:

категория I - внутристанционные ОС протяженностью менее 2 км, в которых используются сигналы оптического излучения с длиной волны 1,3 мкм;

категория S - короткие межстанционные ОС протяженностью порядка 15 км, на которых используются источники оптического излучения с длинами волн 1,3 и 1,55 мкм;

категория L - длинные межстанционные ОС протяженностью до 40 км при длине волны используемого источника оптического излучения 1,3 мкм и до 80 км - при длине волны 1,55 мкм.

Необходимо подчеркнуть, что указанные длины ОС приводятся и используются только для их классификации и не могут рассматриваться как рекомендуемые значения этого параметра для практического использования. Допускается возможность повышения класса (пропускной способности) действующих СЛТ при переходе к длине волны 1,55 мкм.

Указанная классификация трех категорий применения ОС и значения определяющих эти категории параметров, приведены в табл. 3.1. Из таблицы следует, что внутри каждой категории (I, S или L) имеются (возможны) ОС, по которым передаются оптические ЦЛС на разных длинах волн (1,3 мкм или 1,55 мкм ). Эти секции используются в системах передачи SDH четырех уровней (STM-1, STM-4, STM-16 или STM-64), а для образования любой ОС могут применяться различные типы ООВ, параметры которых определены в Рекомендациях ITU-T G.652 - G.654. В результате получаем 24 варианта категорий ОС, которые представлены в четырех нижних строках табл. 3.1.

Таблица 3.1

Параметры

Категории ОС

Внутри-станционные (I)

Межстанционные

Короткие (S)

Длинные (L)

Длина волны источника излучения, мкм

1,3

1,3

1,55

1,3

1,55

1,55

Тип ООВ (Рекомендации ITU-T)

G.652

G.652

G.652

G.652

G.652,

G.654

G.653

Длина ОС, км

Меньше или равно 2

15

15

40

80

80

Уровни иерархии STM

1

I-1.1

S-1.1

5-1.2

L-1.1

L-1.2

L-1.3

4

I-4.1

S-4 Л

5-4.2

L-4.1

L-4.2

L-4.3

16

I-16.1

S-16.1

5-16.2

L-16.1

L-16.2

L-16.3

64

I-64.1

5-64 Л

5-64.2

L-64.1

L-64.2

L-64.3

В приведенной таблице использованы стандартные обозначения вариантов применения ОС. В этих обозначениях задействованы категории применения ОС (I, S или L), уровни иерархии STM (1,4, 16 или 64) и индексы 1, 2 или 3, указывающие длину волны источника оптического излучения и рекомендации ITU-T для типа ООВ. При этом индексы 1, 2 и 3 обозначают следующее: 1 - указывает длину волны 1,3 мкм источника оптического излучения; 2 - длину волны 1,55 мкм для ООВ, параметры которого определены в Рекомендациях ITU-T G.652 (категория применения S) и G.654 (категория применения L); 3 - длину волны 1,55 мкм источника оптического излучения для ООВ, параметры которого определены в Рекомендации ITU-T G.653.

Например, если категория применения ОС закодирована обозначением L-4.3, то это расшифровывается как длинная межстанционная ОС, по которой работает мультиплексор STM-4, используется источник оптического излучения с длиной волны 1,55 мкм и тип ООВ, параметры которого определены в Рекомендации ITU-T G.653.

Рекомендация G.957 содержит также определения и нормируемые в точках А (см. рис. 3.1) значения других параметров ОС. Для достижения поперечной совместимости СЛТ оптические передатчик, приемник и собственно ООВ нормируются отдельно: первый в точке А(5) - непосредственно после оптического разъема передатчика; второй в точке A(R) - непосредственно перед оптическим разъемом приемника, а ООВ - между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ. Возможны добавочные оптические разъемы устройств соединения станционного и линейного волоконно-оптических кабелей, оптических фильтров для спектрального разделения сигналов, щитов переключения и т. д. Все они относятся к ООВ.

Для всех параметров указаны наихудшие значения, которые должны выдерживаться во всех допустимых рабочих условиях (температуры, влажности, механических воздействий и т. д.) с учетом старения ООВ. Параметры относятся к расчетному коэффициенту ошибок в оптической секции не хуже 1x10-10 для крайних случаев затухания и дисперсии ООВ в каждом из 24-х вариантов применения ОС (табл. 3.1). Нормы на параметры составлены в виде таблицы. Ниже на примере сигнала STM-16 рассматривается перечень параметров ОС и условия задания норм на них. Эти нормы приведены в табл. 3.2 (при работе мультиплексора SLM-16 по СЛТ, который обеспечивает скорость передачи 2448,32 Мбит/с).

Указанные в табл. 3.2 длины волн источников оптического излучения определены так, чтобы обеспечить одномодовый режим работы, минимальное затухание ООВ и учесть взаимодействие дисперсии волокна со спектральными характеристиками оптического передатчика.

Таблица 3.2

Параметры

Варианты ОС

I-16.1

S-16.1

S-16.2

L-16.1

L-16.2

L-16.3

Длина волны, мкм

1,26. ..1,36

1,26... 1,36

1,43. ..1,58

1,28...1,34

1,48... 1,58

1,48. ..1,58

Затухание, дБ

0...7

0...12

0...12

10...20

10...20

10...20

Максимальный коэффициент удельной дисперсии, пс/(нм • км)

12

Нзд

Нзд

3,5

3,5

2,0

Минимальное ОЗО в точке S, дБ

24

24

24

24

24

24

Максимальная дискретная отражаемость, дБ

-27

-27

-27

-27

-27

-27

Для каждого варианта применения ОС, указанного в табл. 3.1, задаются затухание и дисперсия ООВ между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ. Требования по затуханию отражают наихудшие условия, включая потери оптической мощности в сростках ООВ, разъемах, оптических аттенюаторах и других устройствах, а также запасы оптической мощности для компенсации затухания, вызванного:

а) будущими изменениями конфигурации ОС (добавочные сростки, увеличение длин ООВ и т. д.);

б) изменениями качества ООВ оптического кабеля под влиянием внешних факторов;

в) деградацией любого соединителя, оптического аттенюатора или других пассивных оптических устройств между указанными выше точками A(S) и A(R).

Оптические секции, ограничиваемые по длине дисперсией, имеют максимальные значения коэффициентов удельной дисперсии, приведенные в табл. 3.2. Эти величины совместимы с максимально заданными добавочными потерями оптических секций 1 дБ (2 дБ для варианта L-16.2). Они учитывают заданный тип оптического передатчика и дисперсию ООВ в рабочем диапазоне длин волн. Для ОС, ограничиваемых по длине затуханием, максимальные значения коэффициентов удельной дисперсии не задаются (в табл. 3.2 это обозначено как Нзд).

Кроме затухания и дисперсии, в ОС нормируются отражения, вызванные скачками коэффициента преломления вдоль ООВ. Неконтролируемые отражения могут снизить качество передачи сигналов из-за искажений, вносимых в работу лазера ОПД, либо из-за того, что многочисленные отражения приведут к появлению шумов интерференции в ОПМ.

Поэтому в Рекомендации G.957 отражения в ОС предписано контролировать путем задания:

а) минимального оптического затухания отражения (ОЗО) волокна в точке A(S), включая любые соединители;

б) максимальной дискретной отражаемости между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ.

Максимальное количество разъемов или других точек дискретного отражения, которые могут входить в ОС, должно быть таково, чтобы обеспечивалось общее заданное значение затухания ОЗО. Если это не может быть выполнено при использовании разъемов, отвечающих требованиям по максимальным дискретным отражениям, указанным в табл. 3.2, следует использовать лучшие разъемы, либо уменьшить их количество. Значение «минус 27 дБ» для максимальной дискретной отражаемости должно минимизировать влияние многократных отражений (например, шумы интерференции).

В оптических секциях, в которых эффекты отражения не снижают качества передачи, например, в I-2.1, I-4.1, S-4.1 и др., соответствующие параметры отражения не задаются. Однако если для будущего повышения класса ОС это необходимо, то эти требования необходимо выполнять.

В Рекомендации G.957 нормы на параметры ОС указаны для наиболее тяжелых условий, чтобы обеспечить простые указания для проектировщиков сетей SDH и четкие спецификации разработчикам и производителям элементов системы передачи SDH. Поэтому здесь не указаны ни общесистемные запасы, ни запасы на аппаратуру и предполагается, что оптические передатчики, приемники и ООВ отвечают заданным требованиям в стандартных рабочих условиях. Это может привести к более консервативному проекту СЛТ, чем можно достигнуть при взаимозависимом проектировании отдельных его элементов, а также в применениях менее жестких, чем стандартные, или при использовании статистического проектирования.

Статистическое проектирование основано на расчете ОС с длиной, превосходящей длину, полученную методом проектирования для наиболее тяжелых условий. При этом допускается некоторая вероятность превышения значений, предписанных для затухания (дисперсии) между точками A(S) и A(R) или несоблюдения условий поперечной совместимости. В высокоскоростных СЛТ большой протяженности таким путем можно достигнуть заметной экономии количества регенераторов.

При использовании статистического проектирования параметры ОС выражаются в виде статистических распределений, известных от производителей оборудования систем передачи SDH. Среди параметров, которые могут рассматриваться как статистические по природе, можно указать: потери в сростках ООВ и оптических разъемах, затухания ООВ заданной длины, длину волны с нулевой дисперсией и другие.

3.1.3. Общие параметры синхронных линейных трактов

Показатели ошибок СЛТ в самых тяжелых условиях окружающей среды (условиях эксплуатации) должны отвечать качественным показателям Рекомендации ITU-T G.958. В частности, СЛТ должны обеспечивать показатели ошибок не хуже «1-го класса качества оптических секций», определенного в этой рекомендации.

В структуре передаваемых оптических ЦЛС возникают отдельные области, которые способствуют появлению цифровых ошибок. Так, возможно закрытие глаз-диаграммы вследствие изменения среднего уровня сигнала вслед за плотностью комбинаций битов из-за межкаскадных связей по переменному току. Цифровые ошибки в принимаемых оптических ЦЛС возможны также из-за неспособности приемника синхросигнала системы тактовой синхронизации перекрыть области, возникающие в структуре ЦЛС, которые содержат мало синхроинформации (длинные серии нулей). Это явление еще больше осложняется, когда в структуре оптического ЦЛС за первым рядом байтов заголовка ЗОН, имеющего низкое содержание синхроинформации, особенно при передаче сигналов STM-N, где N- большое число (16, 64, 256), появляются длинные серии нулей.

Для проверки способности аппаратуры данной системы передачи SDH работать без ошибок в сложных (вышеуказанных) условиях, на стадии ее проектирования, в процессе сборки и монтажа оборудования можно использовать приведенный в приложении I к Рекомендации ITU-T G.958 метод оценки иммунитета блоков аппаратуры, который иначе называется соседние идентичные разряды CID (Consecutive Identical Digit).

Параметры фазового дрожания вводятся с целью контроля накопления фазовых дрожаний в СЛТ и относятся к сигналам оптических интерфейсов на уровнях STM. При этом в Рекомендации ITU-T G.958 задаются предельные нормы по трем параметрам:

а) создание (возникновение) фазового дрожания;

б) устойчивость к фазовому дрожанию;

в) передача (коэффициент передачи) фазового дрожания.

Создаваемое одним регенератором среднеквадратическое значение фазового дрожания не должно превышать 0,01ТИ (тактового интервала) ЦЛС, если на входе регенератора фазовое дрожание отсутствует.

Устойчивость к фазовому дрожанию определяется как размах синусоидального дрожания во входном сигнале STM, который вызывает затраты оптической мощности 1 дБ в оптическом оборудовании. Это специальное испытание проводят для того, чтобы удостоверится, что в рабочих условиях (в процессе эксплуатации СЛТ) дополнительных затрат оптической мощности не потребуется. Аппаратура должна быть устойчива как минимум к фазовому дрожанию, соответствующему шаблону, указанному в Рекомендации ITU-T G.958 для каждой скорости передачи оптического ЦЛС (в этом шаблоне для низких частот амплитуда фазового дрожания задана 1,5ТИ, а для высоких - 0,15ТИ).

Коэффициент передачи фазового дрожания определяется отношением фазового дрожания входного сигнала STM к фазовому дрожанию, приложенному к входному сигналу в зависимости от частоты, и задается отдельным шаблоном (усиление не более 0,1 дБ на НЧ с падением 20 дБ на декаду на ВЧ). При этом входное фазовое дрожание задается тем же шаблоном, что и для нормирования устойчивости к фазовому дрожанию.

Лазерная безопасность должна соответствовать национальным требованиям и стандарту 825 Международной экологической комиссии. При нормальных условиях эксплуатации СЛТ его ОС представляет собой по существу замкнутую систему, не допускающую облучения людей оптическими излучениями. Однако в ходе монтажа и технического обслуживания СЛТ при работающем лазере возможно воздействие на человека открытого оптического излучения, если оператор разомкнул оптическое соединение в работающей ОС или произошел разрыв ООВ вследствие повреждения оптического кабеля. Поэтому следует строго соблюдать технику безопасности: не смотреть на открытый торец оптического волокна или коннектор вблизи оптического передатчика, если источник оптического излучения не отключен. Это относится также к разорванным волокнам ОС кабеля, перед началом работы с которым сначала следует погасить (отключить) лазер.

В приложении II к Рекомендации ITU-T G.958 приведен пример воплощения функций автоматического гашения лазера (АГЛ) в случае обрыва оптического кабеля. При наличии АГЛ в системе контроля и управления СЛТ подаются сигналы о включении/выключении этой функции и лазера. Функция АГЛ не должна влиять на возможность локализации повреждений в случае потери сигналов в ОПД или фотоприемнике по любой причине, кроме обрыва оптического кабеля.

Оперативные, административные и эксплуатационные параметры СЛТ должны отвечать требованиям Рекомендаций ITU-T G.784, М.20 и М.3010 [138,148,152]. В частности, принципы управления базируются на концепции, определенной в Рекомендации ITU-T M.3010, а именно:

функциональная организация управления (конфигурация, качественные показатели, повреждения);

функциональное описание элементов сети SDH в объектах управления.

С точки зрения управления, как определено в Рекомендации ITU-T G.784, СЛТ рассматривается как подсистема, входящая в систему управления данной системы передачи SDH. Она должна обеспечивать общие функции управления, в частности, функции управления качеством, описанные в Рекомендации ITU-T G.784. Архитектура и функции встроенного канала управления ЕСС, использующего байты D1...D3 заголовка RSOH и предназначенного для обслуживания регенерационных секций (скорость передачи - 192 кбит/с), его информационная модель и протоколы должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.784. Синхронный линейный тракт в каждом пункте должен иметь хотя бы один интерфейс канала ЕСС. При первом использовании системы передачи SDH, когда она еще не включена в сеть телекоммуникаций, или когда система (сеть) управления еще не построена, СЛТ обеспечивает самостоятельные функции управления: контроль качества, локализацию повреждений, выдачу сигналов аварии и т. д.

Ниже указаны параметры, которые для первичной индикации повреждений СЛТ не предназначены, они контролируются в тракте для облегчения локализации повреждений.

Статус сигнала показывает, находится ли уровень оптической мощности передатчика в пределах, определенных в Рекомендации ITU-T G.957. Этот параметр должен иметь два значения - «в пределах» и «вне пределов». Цель контроля: указать, существует ли серьезное повреждение в оптическом передатчике данного пункта СЛТ.

Смещение лазера используется для контроля тока смещения источника излучения ОПД. Цель контроля: обнаружить деградацию лазера задолго до катастрофического отказа СЛТ.

Температура лазера имеет значения «в пределах» и «вне пределов». Цель контроля: обнаружить повреждения цепей управления температурой ОПД.

Потеря входного линейного сигнала принимает значения «входной сигнал отсутствует», когда уровень оптической мощности входного ЦЛС ниже значения, требуемого для получения Kош = 1 х 10-3. Цель контроля: указать, что произошел отказ ОПД противоположного пункта СЛТ или обрыв оптического волокна на предшествующей ОС линейного тракта.

3.2. Одномодовые оптические волокна и их параметры

3.2.1. Общие сведения об оптических волокнах

Не будет ошибкой утверждать, что волоконно-оптические телекоммуникационные технологии появились вслед за изобретением лазера в 1958 г.

Лазер - это квантовый генератор оптического диапазона волн. Этот диапазон традиционно подразделяется на три поддиапазона: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый, параметры которых приведены в табл. 3.3 [26].

Из табл. 3.3 следует, что оптическое излучение является разновидностью электромагнитных колебаний очень высоких частот (очень коротких длин волн). По сравнению с обычным источником света (свеча, электрическая лампочка), излучение лазера имеет высокую монохроматичность и когерентность, а также большую интенсивность, и очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ-диапазона.

Таблица 3.3

Параметры

Поддиапазоны

Инфракрасный

Видимый

Ультрафиолетовый

f, Гц

1012...1014

4х1014...0,75х1015

0,75х1015...1017

λ, мкм

300... 0,75

0,75... 0,4

0,4... 0,02

Поэтому возникло совершенно естественное желание: использовать излучение лазера в качестве несущей частоты в системах радиосвязи. При этом свет должен был распространяться в свободном пространстве, т. е. в воздушной среде. На это ушло несколько лет... Результат был отрицательным. Начались эксперименты по созданию для лазерного излучения замкнутой направляющей среды [65].

В 1966 г. научные сотрудники С. К. Као и Г. А. Хокем из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) предложили использовать в качестве направляющей среды нити из стекла - оптические волокна (ОВ). Но в то время коэффициент затухания в лучших стеклах в видимой области спектра составлял не меньше 1000 дБ/км.

Основной тезис С. К. Као и Г. А. Хокема сводился к тому, что если бы удалось уменьшить коэффициент затухания α в стекле до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание ВОСП. При указанной величине коэффициента затухания мощность передаваемого оптического излучения уменьшалась бы в 106 раз при прохождении по стеклянному волокну длиной 3 км.

К 1970 г. в США в лабораторных условиях было получено волокно с коэффициентом затухания α = 20 дБ/км, а в 1975 г. его удалось уменьшить до 2 дБ/км.

В лаборатории одной из фирм Японии в 1976 г. было изготовлено ОВ с коэффициентом затухания 0,5 дБ/км, а в 1979 г. - 0,2 дБ/км.

В эти же (70-е) годы было установлено, что коэффициент затухания ОВ с увеличением длины волны оптического излучения снижается. Волокна имеют наименьшие значения коэффициента затухания в ближней к видимым лучам области инфракрасного поддиапазона на длинах волн от 0,75 до 4...6 мкм. Но функция α = φ (λ) не является монотонной, она имеет экстремумы. В частности, наименьшее затухание ОВ имеют на длинах волн 0,85; 1,3; 1,55 и 2,1 мкм.

Оптические волокна, использующие первые три из указанных длин волн, освоены в производстве и практически применяются в линейных трактах волоконно-оптических ДСП. Оптические волокна с длиной волны 2,1 мкм находятся в стадии лабораторных испытаний.

В 80-х гг. ведущие мировые компании уже выпускали оптические кабели с коэффициентом затухания ОВ менее 10 дБ/км, а в 90-х гг. началась эра волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. На пунктах доступа в этих технологиях используются цифровые мультиплексоры и демультиплексоры, а цифровые линейные тракты на десятки, сотни, тысячи километров строятся с использованием оптических кабелей, источников и приемников оптического излучения [37, 65, 101].

В оптических кабелях для передачи электромагнитных сигналов используется принципиально новая направляющая среда - оптическое волокно, изготовленное из прозрачного для оптических сигналов диэлектрика.

Оптическое волокно представляет собой тонкий стержень (нить) цилиндрической формы заданного диаметра. Эта нить выполнена из особо чистого стекла со специальными добавками и покрыта наружным слоем (также из диэлектрика). В результате образуется двухслойное волокно, поперечное сечение которого образует круг. Внутренний стержень этого волокна называется сердцевиной, а наружный слой - оболочкой. Сердцевина ОВ служит для передачи электромагнитной энергии источника оптического излучения.

Действительно, материалы для изготовления ОВ выбраны так, что значение показателя преломления сердцевины п1 больше, чем значение показателя преломления оболочки п2. Поэтому оптические лучи, падающие на границу раздела «сердцевина - оболочка», отражаются от нее и вынуждены распространяться вдоль ОВ, как показано на рис. 3.2.

Назначение оболочки - создать условия отражения на границе ее с сердцевиной и защитить энергию распространяющихся оптических лучей от излучения в окружающее пространство. Снаружи на двухслойное ОВ наносятся первичное и вторичное защитные покрытия из различных пластмасс для предохранения его от внешних, особенно механических, воздействий. Такие ОВ являются основным элементом оптических кабелей. Были разработаны специальные методы и технологии производства ОВ, покрытия их пластмассами, позволяющие изготавливать достаточно прочные ОВ и кабели из них. Полученные кабели имеют малые массогабаритные параметры, низкие коэффициенты затухания используемых ОВ на указанных выше длинах волн и практически неограниченную полосу пропускания современных ООВ.

Рис. 3.2

Главной особенностью производства оптических кабелей является технологическая трудность изготовления ОВ, которое может быть получено путем вытягивания либо из специальных заготовок, либо непосредственно из расплава исходных материалов. Основным материалом для изготовления ОВ является кварцевое стекло, обладающее наименьшими потерями мощности оптических сигналов. Однако кварц имеет два существенных недостатка:

а) высокую температуру плавления (1500... 1700 °С), что затрудняет производство ОВ;

б) малое значение показателя преломления, которое ограничивает применение чистого кварца для изготовления отражающей оболочки.

Изменение показателя преломления кварца, или окиси кремния SiO2, обеспечивается легированием его различными материалами, например, окислами германия GeO2, фосфора Р2О5, бора В2О3, титана ТiO2 и др. В настоящее время в большинстве случаев оболочку ОВ изготовляют из чистого кварца, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой окислов GeO2 или Р2О5. Иногда при производстве ОВ поступают наоборот: из чистого кварца изготавливают сердцевину, а показатель преломления оболочки снижают добавлением в кварц окиси бора В2О3.

При монтаже волоконно-оптических кабелей в процессе строительства и эксплуатации линейных трактов наиболее распространенным способом сращивания ОВ является их сварка с помощью электрической дуги. Используются также механический и клеевой способы сращивания концов соединяемых между собой ОВ. Сращивание любым способом вносит в ОВ дополнительное затухание (ослабление) передаваемых оптических сигналов.

На всех этапах производства, монтажа (при строительстве) и эксплуатации оптических кабелей необходимо измерять различные параметры ОВ.

3.2.2. Типы оптических волокон и их числовая апертура

Носителем передаваемых сигналов является оптический (лазерный) луч, передача которого в ОВ происходит за счет многократного отражения от границы раздела двух диэлектриков (сердцевины и оболочки) с различными оптическими свойствами (показатели преломления п1 и п2). Для обеспечения направляющих свойств ОВ необходимо, чтобы показатель преломления сердцевины п1 был больше показателя преломления оболочки п2, т. е. только при условии п1 > п2 оптический сигнал распространяется по сердцевине ОВ.

Показатель преломления оболочки п2 обычно постоянен по сечению ОВ. В сердцевине показатель преломления п1(r) может быть постоянным или изменяться по сечению [94].

Оптическое волокно, в котором показатель преломления п1 в пределах сердцевины остается постоянным, а на границе раздела «сердцевина -оболочка» скачком уменьшается до показателя преломления оболочки п2 называется ступенчатым. Профиль показателя преломления (ППП) ступенчатого ОВ показан на рис. 3.3, а. Математическое описание ППП имеет вид:

В ступенчатых ОВ оптические лучи распространяются в сердцевине за счет многократных отражений от границы раздела «сердцевина - оболочка». Между двумя соседними точками отраженные лучи распространяются прямолинейно, в результате траектория каждого луча имеет зигзагообразный путь, как показано на рис. 3.3, б.

Рис. 3.3

Оптическое волокно, у которого профиль показателя преломления сердцевины п1(r) является монотонно убывающей функцией радиуса, называется градиентным. Практически используются параболические ОВ, у которых ППП описывается функцией:

где Δ = (п1 – п2)/п1- относительная разность показателей преломления, обычно в пределах 0,003.. .0,01.

Профиль показателя преломления градиентного ОВ приведен на рис. 3.3, в. В градиентных ОВ лучи изгибаются в направлении градиента показателя преломления и распространяются по плавным кривым, как показано на рис. 3.3, г.

Не все лучи, подведенные к торцу ОВ, распространяются по его сердцевине. Луч, падающий на торец под углом ввода ΘВ к оси ОВ, где ΘВ меньше некоторого наперед заданного значения Θmax, преломляется на его торце под углом Θ1 падает на границу «сердцевина - оболочка» под углом падения ΘП = π/2 – Θ1 затем распространяется вдоль сердцевины ОВ, как показано на рис. 3.4 (сплошная линия).

Рис. 3.4

В этом случае луч полностью отражается от поверхности оболочки. Это явление называется полным внутренним отражением, его условие:

sin ΘП = п2/п1.

При увеличении угла ввода до критического ΘВ = Θmax (пунктирная линия) угол падения уменьшается до ΘПmin, при котором отраженный луч еще удерживается оболочкой. При ΘВ > Θmax угол падения становится меньше ΘПmin и лучи уходят из сердцевины в окружающую ее среду (оболочку, защитные покрытия и далее).

Угол ввода ΘВ ≤ Θmax, при котором вся энергия луча отражается от границы «сердцевина - оболочка», называется углом полного внутреннего отражения. Его можно указать в градусах или радианах, но он определяется по формуле: А = n0 sinΘmax, где n0 - показатель преломления окружающей среды. Если торец ОВ находится в воздухе, то n0 = 1 и А = sinΘmax.

Последнее выражение определяет параметр, который называется числовой апертурой волокна.

Можно показать, что числовая апература , при этом учтено, что Δ << 1 и п1 + п2 = 2п1. Числовая апертура является параметром, характеризующим эффективность ввода оптического излучения в ОВ. Она определяет синус угла между оптической осью и образующей конуса, который называется апертурным. Его вершина направлена в центр торца ОВ. При этом угле выполняется условие полного внутреннего отражения.

Из выражения для числовой апертуры следует, что с увеличением разности п1 - п2 значение А возрастает, что повышает эффективность ввода оптического излучения в ОВ. Однако при этом возрастают искажения передаваемых оптических импульсов. Поэтому для ступенчатых ОВ, практически используемых в волоконно-оптических ЦЛТ, числовая апертура обычно находится в пределах 0,18...0,23.

Для градиентного ОВ локальная числовая апертура определяется выражением . На оси ОВ она достигает максимального значения , которое называется числовой апертурой градиентного ОВ. При расчетах эффективности ввода оптического излучения в градиентное ОВ его рассматривают как ступенчатое и характеризуют эффективной числовой апертурой. Для ОВ с параболическим ППП эффективная числовая апертура определяется выражением .

Кроме рассмотренных ступенчатого и градиентного типов, существуют ОВ, имеющие различные другие ППП - треугольный, трапециеобразный, W-типа и т. д. [98, 99].

В общем случае в ОВ любого типа, при подключении к нему источника оптического излучения, возникает три разновидности волн: направляемые, излучаемые и вытекаемые [26].

Направляемые волны. Оптические лучи, которые распространяются по сердцевине ОВ, отражаясь от границы «сердцевина - оболочка», накладываются друг на друга и образуют направляемые волны (моды). Это волны сердцевины - основной вид волн, передаваемых по ОВ (см. рис. 3.4, лучи 1). Здесь вся энергия луча сосредоточена внутри сердцевины ОВ, чем и обеспечивается передача оптических сигналов. Это волны, которые возбуждаются подведенными лучами, попадающими в апертурный конус.

Излучаемые (пространственные) волны, они возникают в ОВ при вводе в него лучей под углом ΘВ > Θmax, т. е. вне апертурного конуса. Здесь уже в начале ОВ вся энергия этих лучей передается в окружающее пространство и не распространяется вдоль ОВ (см. рис. 3.4, луч 3). Это вызывает дополнительные потери мощности источника излучения, введенной в ОВ, и переходные помехи между волокнами, расположенными в одном кабеле.

Вытекаемые волны (волны оболочки), они возникают и распространяются в оболочке ОВ за счет полного внутреннего отражения от границы «оболочка - защитное покрытие» (см. рис. 3.4, луч 2). Часть вытекаемых волн из-за неоднородностей оболочки излучается в окружающее пространство, вызывая переходные помехи между ОВ данного кабеля.

3.2.3. Передача сигналов по оптическим волокнам

Рассмотрим процесс прохождения оптических лучей по ОВ более подробно на основе лучевой теории передачи сигналов по ОВ, воспользовавшись пояснениями, представленными на рис. 3.5. Из рисунка следует, что между длиной волны λ, диаметром сердцевины d и углом падения ΘП справедливо выражение: cos ΘП = λ/d. При этом возможны три случая [26]:

При малых длинах волн (λ → 0, f = c → ∞) угол падения ΘП → 90°, число отражений при распространении луча мало, луч стремится к прямолинейному движению вдоль оси ОВ, передача происходит в оптимальном режиме (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5

При длине волны λ → d, частота f = c c/d, угол падения ΘП → 0 и луч испытывает большое число отражений, его поступательное движение весьма мало, передача оптического сигнала не оптимальна (рис. 3.5, б).

При определенной длине волны λ0 = d, частота f0 = c0 = c/d0, угол падения ΘП = 0. Луч попадает на границу «сердцевина - оболочка» и отражается от нее перпендикулярно. В сердцевине ОВ устанавливается режим стоячей волны, оптическая мощность по ОВ не передается (рис. 3.5, в). Этот случай соответствует критической длине волны λ0 и критической частоте f0 электромагнитного колебания оптического излучения.

Таким образом, в ОВ могут распространяться только волны, длина которых меньше диаметра его сердцевины. Действительно, практически λ = 1,3 или 1,55 мкм намного меньше диаметра сердцевины d = 50 или 62,5 мкм многомодовых оптических волокон (MOB). Оговоренное условие λ < d справедливо и для ООВ, у которых d = 8... 10 мкм.

Вернемся к выражению cosΘП = λ/d. Из формулы sin2ΘП + cos2ΘП = 1 имеем cosΘП = . Подставляя сюда условие полного внутреннего отражения sinΘП = n2/n1, получим cosΘП = . Приравнивая правые части косинусов, будем иметь выражение для критической длины волны:

.

Критическая частота оптического колебания f0 = ν10, где ν1 - скорость распространения оптического сигнала в сердцевине ОВ: ν1 = с/п1. Подставляя выражения для λ0 и ν1 в формулу для критической частоты, получим:

.

Приведенные соотношения для λ0 и f0 позволяют сделать следующие выводы:

Чем больше диаметр сердцевины OB (d = 2а) и чем больше возрастают показатели преломления сердцевины и оболочки п1 и п2 соответственно, тем больше критическая длина волны и ниже критическая частота.

При равенстве п1 = п2 получим λ0 = 0, f0 → ∞ и передача по такому ОВ невозможна. Это заключение имеет свое логическое обоснование: при отсутствии границы между сердцевиной и оболочкой ОВ перестает действовать как направляющая среда.

Оптические волокна имеют частоту отсечки - критическую частоту f0, выше которой ОВ ведут себя как фильтры верхних частот и по ним (по ОВ) возможна передача лишь тех волн, длина которых меньше λ0. При частоте оптических сигналов f > f0 их энергия концентрируется внутри сердцевины ОВ и распространяется вдоль нее. Оптические сигналы, имеющие частоту f > f0, рассеиваются в окружающем пространстве и по ОВ не передаются.

Приведенный краткий анализ передачи оптических сигналов на основе лучевой теории справедлив лишь для ОВ, у которых λ << d, так как оптические лучи в них распространяются в соответствии с законами геометрической оптики.

Если же размеры поперечного сечения сердцевины ОВ сравнимы с длиной волны оптического излучения, то для анализа распространения оптического излучения в таких ОВ необходимо использовать волновую теорию распространения сигналов по ОВ.

Волновая теория рассматривает процесс передачи сигналов по ОВ как передачу разновидности электромагнитных волн. Для анализа этого процесса необходимо найти решение волнового уравнения Максвелла в цилиндрической системе координат. Здесь это решение не приводится, его можно найти в работе [29]. В общем случае волновое уравнение имеет несколько решений. Каждому из них соответствует колебание с определенной пространственной структурой электрического и магнитного полей и соответствующей постоянной распространения, т. е. фазовой скоростью. Каждое из этих колебаний имеет определенный тип волны, или моду. Любое оптическое излучение, передаваемое по ОВ, можно представить как суперпозицию мод, т. е. как результат сложения распространяющихся в нем колебаний.

В оптическом волокне могут существовать два типа волн: симметричные Еот, Ноп и несимметричные (дипольные) ЕНпт, НЕпт, где п и m - число изменений электромагнитного поля по диаметру и длине ОВ соответственно. По волновой теории в ОВ передается ограниченное число волн, которое может быть рассчитано, если известны длина волны, диаметр сердцевины ОВ и разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

Основная мода образуется лучом, направляемым вдоль оси ОВ, так как только параметры распространения осевого луча не зависят от условий отражения на границе «сердцевина - оболочка». Подбирая параметры ОВ, в нем можно получить режим распространения только одной несимметричной моды типа НЕ11.

Оптическое волокно, в котором распространяется только одна волна (мода) типа НЕ11, называется одномодовым.

Обычно режим работы ОВ характеризуется обобщенным параметром ν, который объединяет диаметр сердцевины d = 2a, коэффициенты преломления п1 и п2 и длину волны оптического излучения λ. Этот параметр называются нормированной частотой и определяются выражением:

.

Режим одномодовой работы реализуется при условии: 0 < ν < 2,405. Для заданной длины волны λ это условие можно выполнить, уменьшая либо разность (п1 - n2), либо радиус сердцевины ОВ.

Для типичного случая (п1 = 1,5; п2= 1,49) получим ν ≈ 0,6 а/λ, а максимальное значение диаметра сердцевины ОВ при λ = 1,6 мкм составит 12,8 мкм.

Достоинством ООВ является весьма широкая полоса частот (большая пропускная способность), поэтому их используют в основном на магистральных сетях, обеспечивая большую дальность связи и высокую скорость передачи оптических сигналов.

Действительно, по Рекомендации ITU-T G.958 в системах передачи SDH, где используются скорости передачи до 40 Гбит/с, в качестве направляющей среды для построения СЛТ используют только ООВ.

С увеличением диаметра сердцевины ОВ, а значит и нормированной частоты и, число типов передаваемых мод резко возрастает.

Оптическое волокно, в котором распространяется две и большее число мод, называется многомодовым. Можно показать, что при одинаковой нормированной частоте число мод в MOB с параболическим ППП, т. е. в градиентном MOB, в 2 раза меньше, чем в волокне со ступенчатым ППП, что улучшает параметры передачи первого из них.

3.2.4. Затухание оптических сигналов

Затухание сигналов в ОВ оптического кабеля является одним из основных факторов, ограничивающих длину участка регенерации СЛТ. Коэффициент затухания α [дБ/км] обусловлен собственными потерями мощности передаваемого оптического сигнала в отдельно взятом ОВ - αс и дополнительными потерями, возникающими в том же ОВ, при помещении его в серийно изготавливаемый кабель - αк, т. е. α = αс+ αк.

Собственные потери в основном определяются тремя факторами:

расход энергии на диэлектрическую поляризацию материала оптического волокна - αп;

рассеяние энергии в окружающее пространство - αр;

поглощение энергии посторонними примесями в материале ОВ - αпр, т. е. αс = αп + + αр + αпр.

Рассмотрим кратко каждый из указанных факторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь материала ОВ tgδ с показателем преломления п, имеющим комплексный характер (п = пд + jпм), связан выражением:

.

Коэффициент затухания αп при этом зависит от свойств материала ОВ и длины волны передаваемого оптического сигнала. Он определяется по формуле:

αп = πntgδ/λ.

Подставляя в это выражение формулу для tgδ и учитывая, что λ = c/f и с/п = ν, окончательно получим:

.

Из полученного выражения следует, что частотная зависимость αп имеет линейный характер. Если коэффициент преломления имеет действительное значение п = nд, то tgδ = 0 и потери на диэлектрическую поляризацию материала ОВ отсутствуют, т. е. αп = 0.

Основные потери вследствие рассеяния вызываются главным образом неоднородностями показателя преломления материала ОВ и его тепловой флуктуацией. Указанные неоднородности неизбежно возникают в материале ОВ в процессе варки стекла и остаются «замороженными» в его массе. Эти потери зависят от длины волны по закону 1/λ4 и называются рэлеевским рассеянием.

Коэффициент затухания αр при этом определяют по формуле:

αр = Кр4.

где Кр - коэффициент рассеяния, для кварца он имеет значение 1...1,5. Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, которого можно достичь в материалах для ОВ в идеальных условиях. Этот предел различен для волн разной длины и с увеличением λ уменьшается.

Потери оптического сигнала значительно возрастают при наличии в материале ОВ посторонних примесей (ионов металлов переходной группы Fe2+, Сu2+ , ионов гидроксильных групп ОН- и др.). Наличие этих примесей вызывает увеличение потерь в ОВ и приводит к появлению резонансных всплесков затухания на длинах волн 0,95; 1,24; 1,39 мкм. Содержание примесей должно быть крайне низким. Например, концентрация (относительная весовая доля) ионов типа ОН- порядка 10-6 на длине волны 1,39 мкм вызывает максимум коэффициента поглощения около 40 дБ/км.

Коэффициент затухания αпр при этом определяется по формуле:

αпр = Кпре-k/π,

где коэффициенты Кпр и k имеют значения: Кпр1,1...1,3; k (0,5... 0,8) х 10-6.

Экспериментальная зависимость коэффициента затухания собственных потерь αс от длины волны передаваемого оптического сигнала λ в ООВ из германосиликатного стекла (кривая 1) приведена на рис. 3.6. На этом же рисунке показаны теоретические зависимости, обусловленные рэлеевским рассеиванием (кривая 2) и инфракрасным поглощением (кривая 3). Как видно из рисунка, в длинноволновой области есть два «окна прозрачности» - на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, в которых коэффициенты затухания имеют значения 0,35.. .0,4 и 0,18.. .0,22 дБ/км соответственно [94].

Рис. 3.6

Можно констатировать, что в настоящее время при строительстве СЛТ используются оптические кабели только с ООВ, в которых коэффициенты затухания на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм имеют указанные выше значения. Это позволяет получить ОС длиной 50...60 и 80... 120 км соответственно [3].

Дополнительные потери мощности оптических сигналов возникают в ОВ в результате наложения на него защитного полимерного покрытия и деформации при сборке кабеля. Защитное покрытие предназначено для повышения механической прочности ОВ и уменьшения переходных помех между ОВ при их плотной укладке в кабеле. Чем больше толщина оболочки ОВ, тем меньше электромагнитное поле направляемых мод на ее внешней границе с защитным покрытием и, следовательно, меньше дополнительные потери в защитном покрытии. Однако чрезмерное увеличение толщины оболочки нежелательно по ряду причин: ухудшение гибкости ОВ, увеличение его массы, стоимости и др. Поэтому типовые MOB имеют размеры 62,5/125 или 50/125 мкм, т. е. отношение b/а = 2 или b= 2,5 соответственно (см. рис. 3.3). При этом коэффициент затухания в защитном покрытии не превышает 0,1 дБ/км.

Что касается ООВ, то у них соотношение между указанными геометрическими размерами иное. Объясняется это тем, что электромагнитное поле основной моды НЕ11 проникает в оболочку на значительную глубину и толщина оболочки ООВ должна быть существенно увеличена по сравнению с радиусом сердцевины, чтобы предотвратить возрастание потерь в защитном покрытии. Для обеспечения пренебрежительно малой величины этих дополнительных потерь толщина оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус сердцевины. Поскольку для обеспечения режима распространения в ООВ только одной моды диаметр его сердцевины выбран в пределах 8... 10 мкм, то в целях унификации диаметр оболочки ООВ равен 125 мкм, т. е. такой же, как и в MOB.

Дефекты защитного покрытия ОВ и его деформация при изготовлении кабеля приводят к образованию микроизгибов, а значит к дополнительным потерям. Выбором кабельных материалов, конструкции и технологии изготовления кабелей коэффициент затухания за счет микроизгибов в волокне доводится до значения 0,1 дБ/км и менее.

3.2.5. Дисперсия оптических импульсов

При прохождении передаваемых импульсов по ОВ уменьшается не только их амплитуда, но изменяется и форма - импульсы расширяются, т. е. увеличиваются по длительности, как показано на рис. 3.7. Это явление называется дисперсией. Для прямоугольных импульсов увеличение длительности τ определяется как квадратичная разность их длительности на выходе и входе ОВ: , где τвых и τвх - длительности выходного и входного оптических импульсов соответственно на уровне половины их амплитуды (рис. 3.7). Причем, чем длиннее ОВ, тем больше проявляется дисперсия, поэтому вводится понятие коэффициента дисперсии, который обозначается D, нс/км.

Рис. 3.7

Увеличение длительности оптических импульсов на приеме при заданной длине ОС определяет предельную скорость передачи ЦЛС. При малом значении затухания ОВ данной ОС для заданной скорости передачи ЦЛС дисперсия ограничивает максимальное расстояние между регенераторами, т. е. длину ОС.

Таким образом, дисперсия и затухание являются основными параметрами передачи ОВ. Рассмотрим кратко основные причины возникновения дисперсии. Дисперсию в общем случае определяют три фактора:

различие фазовых скоростей передачи направляемых мод, которые распространяются по сердцевине ОВ;

направляющие свойства структуры ОВ;

свойства материалов, из которых изготовляются ОВ.

Соответственно различают межмодовую дисперсию τмм, внутримодовую (волноводную) дисперсию τвм и материальную дисперсию τмат, или дисперсию материала ОВ.

Различие скоростей распространения направляемых мод на фиксированной длине волны излучения приводит к тому, что время прохождения этими модами ОВ заданной протяженности от его входа до выхода неодинаково. В результате длительность передаваемого импульса увеличивается. Это увеличение равно разности времени распространения самой медленной и самой быстрой волн (мод). Указанное явление называют межмодовой дисперсией τмм.

Пусть ОВ со ступенчатым ППП имеет длину L. Расстояние, пройденное оптическим лучом при его распространении по сердцевине ОВ зигзагообразно, составит L/cosΘ1, (см. рис. 3.4). Время прохождения лучом указанного пути, если он движется со скоростью ν1 = = с/п1, зависит от угла Θ1 и определяется выражением:

t1) = Ln1/c*cosΘ1. (3.1)

Из полученной формулы следует, что время распространения лучей по ОВ возрастает с увеличением угла Θ1, чем и вызывается межмодовая дисперсия. Так как при вводе оптического излучения в волокно угол Θ1 изменяется от 0 до Θ1max, время распространения по самому длинному и самому короткому путям согласно формуле (3.1) составит соответственно:

tmax = Ln1/c*cosΘ1max = Ln12/c*n2; tmin=Ln1/c. (3.2)

Пусть на вход ОВ подается очень короткий оптический импульс (τи → 0). Начало выходного импульса, прошедшего ОВ заданной длины L, совпадает со временем прихода первого оптического луча, прошедшего при распространении самый короткий путь, а конец выходного импульса - со временем прихода последнего луча, прошедшего при распространении самый длинный путь. Отсюда в соответствии с выражениями (3.2) увеличение длительности выходного импульса за счет межмодовой дисперсии составит:

τмм = tmax - tmin = Ln1(n1 - n2)/cn2.

Так как (n1 - n2)/n1 = Δ и учтя, что обычно n1/n21, для ступенчатого ОВ получим:

τмм = (n1Δ/c)L. (3.3)

Из формулы (3.3) для межмодовой дисперсии можно сделать следующие выводы:

1. Увеличение длительности передаваемых по ОВ импульсов, вызванное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки - это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ разность (n1 - n2) стремятся максимально уменьшить.

2. Увеличение длительности импульсов на выходе ОВ пропорционально его длине L.

Однако второй вывод справедлив лишь для идеального ОВ, в котором отсутствует взаимодействие между модами. В реальных волокнах наличие неоднородностей приводит к взаимодействию распространяющихся волн. Оно начинает проявляться с определенной длины ОВ, которая называется длиной установившейся связи между модами (Ly). Длина Ly зависит от многих случайных факторов и практически рассчитать ее затруднительно. По данным измерений Ly = 2...3 км, тогда выражение для межмодовой дисперсии можно переписать в виде:

, где L Ly.

Внутримодовая (волноводная) дисперсия τвм обусловлена нелинейной зависимостью коэффициента фазы β любой направляемой моды от длины волны оптического излучения λ. Фазовые скорости направляемых мод νф = ω/β в процессе их распространения по ОВ изменяются, но находятся в пределах с/п1 ≤ νф ≤ с/п2. Эти изменения приводят к различной временной задержке составляющих оптического сигнала, т. е. к увеличению длительности выходного оптического импульса, образованного принятыми модами. Увеличение длительности принятого импульса за счет внутримодовой дисперсии пропорционально ширине спектра оптического излучения Δλ, и выражается формулой:

τвм = ΔλLВ(λ),

где В(λ) - коэффициент удельной внутримодовой дисперсии, который принято выражать в пикосекундах, деленных на 1 км длины ОВ и на нанометры ширины спектра оптического излучения, пс/(км*нм).

Представленный краткий анализ внутримодовой дисперсии проведен в предположении, что показатели преломления сердцевины п1 и оболочки п2 ОВ не зависят от длины волны передаваемого оптического излучения. В реальных условиях это не так. Зависимость показателей преломления сердцевины и оболочки от длины волны оптического излучения также приводит к изменению фазовых скоростей направляемых мод νф = с/п в пределах спектра излучения оптического источника. Возникающая при этом различная временная задержка составляющих принимаемого оптического сигнала - результат дисперсии материала. Увеличение длительности принимаемого оптического импульса, обусловленное материальной дисперсией, определяется формулой, аналогичной предыдущей:

τмат = ΔλLM(λ),

где М(λ) - коэффициент удельной дисперсии материала.

Внутримодовую и материальную дисперсии называют хроматической (частотной) дисперсией. Результирующее увеличение длительности оптического импульса за счет межмодовой, внутримодовой и материальной дисперсий на ОС длиной L определяется по формуле:

.

В различных типах ОВ дисперсии проявляются по-разному. В ступенчатых ОВ при многомодовом режиме их работы преобладает межмодовая дисперсия, при этом коэффициент дисперсии достигает больших значений (Dмм = 20...50 нс/км).

В градиентных MOB лучи, находящиеся вблизи оси волокна, проходят меньший путь, но в среде с большим показателем преломления, т. е. с меньшей скоростью. Периферийные лучи, находящиеся вблизи оболочки, имеют больший путь, но проходят в среде с меньшим показателем преломления, т. е. с большей скоростью. В результате время прохождения различных лучей по сердцевине ОВ уравнивается и определяющей является дисперсия материала. С увеличением длины волны коэффициент дисперсии материала уменьшается, в диапазоне длин волн 1,1... 1,6 мкм он находится в пределах 2...3 нс/км по абсолютной величине.

В ступенчатых ОВ при одномодовом режиме их работы межмодовая дисперсия отсутствует, в них проявляются внутримодовая и материальная дисперсии. Зависимость коэффициентов этих дисперсий от длины волны оптического из лучения приведена на рис. 3.8, где кривая 1 показывает коэффициент внутримодовой дисперсии, а кривая 2 - коэффициент материальной дисперсии. Указанные коэффициенты почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком диапазоне длин волн. Поэтому происходит их взаимная компенсация и коэффициент результирующей дисперсии (кривая 3) при λ = 1,1... 1,7 мкм не превышает 1...2 не/км [26, 99] при λ = 1,3 мкм и λ = 1,55 мкм, на которых ООВ имеет минимальные значения коэффициента затухания (см. рис. 3.6).

Сравнивая дисперсионные параметры различных типов и различных режимов работы ОВ, можно заключить, что лучшие данные имеют ООВ (рис. 3.9, а). Хорошие параметры дисперсии также у градиентных ОВ (рис. 3.9, б). Наиболее резко дисперсия проявляется в ступенчатых MOB (рис. 3.9, в) [80].

Рис. 3.8

Рис. 3.9

Дисперсионные свойства волоконно-оптических ЦЛТ зависят также от источника излучения ОПД. При лазерных диодах, благодаря узкой полосе излучаемых частот, дисперсия ОВ сказывается несущественно. В светоизлучающих диодах полоса излучения значительно шире и дисперсионные свойства ОВ проявляются очень сильно.

С дисперсией τ и коэффициентом дисперсии D однозначно связаны такие параметры различных типов ОВ, как полоса пропускания и коэффициент широкополосности соответственно.

Полоса пропускания Δf определяется как интервал частот, в пределах которого значение АЧХ оптического волокна больше или равно половине ее максимального значения. Это соответствует снижению уровня оптической мощности сигнала на границах (крайних частотах) полосы пропускания ОВ на 3 дБ.

Полоса пропускания рассчитывается по формуле [15]: Δf = 0,44/τ.

Например, если τ = 2 нc, то Δf = 220 МГц.

Оптические волокна всех типов ведут себя как ФНЧ, частота среза которого обратно пропорциональна длине волокна.

Соотношение между полосой пропускания ОВ и протяженностью ОС L км при L Ly выражается пропорцией Δffx = Lx/L, где значения параметров Δf и L с индексом х - искомые, а без него - заданные. Соответственно:

Δfx = ΔfL/Lx и Lx = LΔffx.

В длинных ОС (примерно свыше 3 км), в которых связь между модами уже установилась, действует квадратичный закон соотношений между Δf и L, т. е. Δffx = =  и тогда Δfx = Δf/.

Например, если компания поставляет потребителю оптический кабель строительными длинами L = 2 км с полосой пропускания Δf = 5000 МГц, то на ОС длиной Lx = 98 км полоса пропускания значительно уменьшается и составит всего лишь Δfx = 5000/ =715 МГц.

Таким образом, увеличение длины ОВ приводит к снижению полосы частот передаваемого оптического сигнала и, следовательно, уменьшает пропускную способность (информационную ёмкость) СЛТ. В свою очередь, расширение полосы частот передаваемых оптических сигналов резко ограничивают протяженность СЛТ.

Следует также помнить, что пропускная способность и протяженность СЛТ ограничиваются не только дисперсией, но и затуханием ОВ.

Коэффициент широкополосности КF определяется как полоса пропускания ОВ длиной 1 км (МГц • км). Сравнивая параметры различных типов ОВ, нужно отметить, что наибольший коэффициент широкополосности имеют ООВ. Особенно заметны их преимущества на длинных волнах 1,3 и 1,55 мкм, где межмодовая дисперсия отсутствует, а коэффициенты хроматической дисперсии и затухания чрезвычайно малы и имеют тенденцию к снижению по мере совершенствования технологии производства ООВ. На указанных длинах волн КF, как правило, превышает значение 50 ГГц • км. Это позволяет использовать ООВ в высокоскоростных СЛТ большой протяженности.

Градиентные ОВ с параболическим и, особенно, с оптимальным ППП обеспечивают возможность передачи широкой полосы частот даже при увеличении диаметра сердцевины до 50 мкм, т. е. до размера типового ступенчатого ОВ. Наилучшие ОВ с оптимальным ППП имеют коэффициент широкополосности 3...5 ГГц • км. Однако малейшее отклонение профиля от оптимального вызывает резкое уменьшение КF. Коэффициент широкополосности рассчитывается по формуле: КF = 0,44/D. Например, если D = 1 нc/км, то КF = 440 МГц • км.

3.2.6. Одномодовые оптические волокна и их особенности

Поскольку в СЛТ используются только ООВ, рассмотрим их дисперсионные свойства и особенности применения более подробно. В ступенчатых MOB межмодовая дисперсия накладывает очень серьезные ограничения на их пропускную способность. Однако межмодовую дисперсию можно исключить, если изготовить такое ОВ, в котором могла бы распространяться только одна мода НЕ11. В подразд. 3.2.3 указывалось, что условие одномодовости волокна имеет вид:

.

В волокне с параметрами, удовлетворяющими этому условию, т. е. в ООВ благодаря распространению единственной основной моды НЕ11 межмодовая дисперсия отсутствует. Увеличение длительности импульса, прошедшего ООВ, определяется только волновод ной (внутримодовой) и материальной дисперсиями, выражения для которых приведены в предыдущем подразделе. Графики зависимости коэффициента удельной дисперсии материала М(λ) (кривая 3) и удельной внутримодовой дисперсии B(А,) (кривая 1) от длины волны оптического излучения для чистого кварцевого ООВ с заданными параметрами представлены на рис. 3.10 [29]. Из рисунка видно, что материальная дисперсия значительно больше волноводной и, следовательно, она в основном ограничивает полосу пропускания ООВ. С увеличением длины волны значение коэффициента M(λ) уменьшается до 0 (кривая 3), а затем на длине волны λ = λ0 = 1,28 мкм изменяет знак на противоположный. Это значение λ0 соответствует точке перегиба кривой М(λ).

Рис. 3.10

В некоторых работах, например [57], указывают на значение λ0, как на «длину волны нулевой дисперсии материала». С практической точки зрения такое определение вводит в заблуждение, поскольку реальный оптический импульс содержит в себе спектр длин волн, которые распространяются с групповыми скоростями, лежащими в некотором интервале, даже если самая короткая и самая длинная волны передаются по ОВ с одинаковыми скоростями. Поэтому проходит ли характеристика M(λ) (кривая 3) выше или ниже нуля, для вопроса о расширении передаваемого импульса это не имеет никакого значения [29].

Анализируя представленные на рис. 3.10 графики (кривые 2, 3 и 4), необходимо указать на еще две их особенности.

Первая из них состоит в том, что коэффициент M(λ) имеет весьма малые значения на длинах волн в окрестности λ0. Для оптических сигналов, которые передаются на длинах волн, близких к λ0, материальная дисперсия ООВ минимальна. Такие сигналы обеспечивают максимальную пропускную способность ООВ, используемых в СЛТ современных систем передачи SDH.

Действительно, например, для ООВ из чистого кварца на длине волны λ0 = 1,55 мкм коэффициент материальной дисперсии Dмат = τмат/L = γ • 3,4 • 10-11 с/м, где γ = Δλ/λ - относительная ширина спектра источника излучения. Если в таком случае в качестве источника излучения использовать светоизлучающий диод с шириной спектра 45 нм, то получим γ = 0,03 и коэффициент Dмат = 1,02 нc/км, а коэффициент широкополосности КF = = 0,44/Dмат = 440 МГц • км. Полупроводниковые инжекционные лазеры излучают оптические сигналы в пределах очень узкой спектральной полосы порядка 3 нм, тогда γ = 0,002; Dмат = 0,068 нc/км и КF = 6,5 ГГц • км.

Вторая особенность - величину λ0 можно изменить, вводя в материал для изготовления ООВ различные примеси. Например, введением бора можно получить λ0 менее 1,22 мкм (кривая 4), а легирование германием позволяет увеличить λ0 до 1,37 мкм (кривая 2 на рис. 3.10).

Современные лазеры устойчиво работают на одной продольной моде, обеспечивая чрезвычайно малую ширину спектральной линии оптического излучения и в этом случае γ может достигать значения менее 0,0001. При этих условиях материальная дисперсия становится малой даже на λ = 1,55 мкм, что позволяет воспользоваться также и преимуществом минимального значения коэффициента затухания кварцевого ООВ на этой длине волны.

Таким образом, чтобы уменьшить в ООВ влияние материальной дисперсии, целесообразно использовать источники с возможно меньшей шириной спектральной линии оптического излучения. Существует и другой способ - компенсации материальной дисперсии волноводной (внутримодовой) дисперсией, потому что графики зависимости этих дисперсий от длины волны в области длинных волн имеют противоположные знаки. Практически это означает, что для ООВ минимум результирующей (суммарной) дисперсии сдвигается в сторону более длинных волн. Степень этого смещения зависит от коэффициента B(λ), а следовательно, от параметров волокна. Варьируя значения относительной разности показателя преломления Δ и радиуса сердцевины а одномодового волокна, можно изменять волноводную дисперсию и достигнуть компенсации материальной дисперсии, т. е. минимума результирующей дисперсии на длине волны, где коэффициент затухания ООВ имеет наименьшее значение.

Графики зависимости коэффициентов удельных дисперсий: материальной М(λ), внутримодовой B(λ) и результирующей R(λ) от длины волны передаваемого оптического сигнала при различных диаметрах (d = 2a) сердцевины кварцевого ООВ и фиксированной относительной разности показателей преломления Δ представлены на рис. 3.11 [57]. Из рисунка следует, что:

при диаметре сердцевины 11 мкм коэффициент результирующей удельной дисперсии равен нулю на длине волны 1,3 мкм;

при 2а = 4,5 мкм - на длине волны λ = 1,48 мкм;

при 2а = 3,5 мкм - на длине волны λ = 1,75 мкм.

Рис. 3.11

Эти результаты подтверждают, что можно создать ООВ, в котором минимум результирующей дисперсии будет совпадать с минимумом затухания в окрестности длины волны 1,55 мкм.

Результат анализа зависимости материальной и волноводной дисперсий от диаметра сердцевины и относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки в ООВ для выбранной рабочей длины волны λ = 1,55 мкм позволяет заключить, что при 2а = 2,1 мкм и Δ = 0,4 % результирующая дисперсия отсутствует. При больших значениях Δ, например при Δ = 0,6 %, существуют два значения диаметра сердцевины, при которых R(λ) = 0. Для обеспечения очень жестких допусков при соединении ООВ между собой или между источником и приемником оптического излучения больший диаметр сердцевины предпочтителен. Однако при большем из двух значений диаметра сердцевины волокна условие его одномодовости ν = 2,405 может быть не выполнено, и тогда наряду с основной модой возможно возникновение и распространение других волн. В этом случае ОВ уже не будет одномодовым.

Таким образом, в современных диапазонах длин волн λ = 1,3 мкм и λ = 1,55 мкм при компенсации материальной и волноводной дисперсий диаметр сердцевины ООВ должен быть небольшим, что затрудняет его изготовление, возбуждение и стыковку. Поэтому в некоторых случаях для создания ООВ с большим диаметром сердцевины приходиться выбирать меньшую разность показателей преломления сердцевины и оболочки. В этом случае получается меньшее значение волноводной дисперсии и, следовательно, не полная компенсация материальной дисперсии, т. е. R(λ) ≠ 0.

Применяя трехслойные ООВ, в частности W-типа, или с поглощающей оболочкой, можно получить большую, чем в двухслойном ООВ, волноводную дисперсию при одинаковой разности показателей преломления Δ.

Профиль показателя преломления ступенчатого оптического волокна W-типа и его структура приведены на рис. 3.12. Показатели преломления сердцевины и оболочки удовлетворяют условию п1 > п3 > п2. В таком волокне основная часть энергии низших мод распространяется в оптически более плотной сердцевине и в промежуточной оболочке. Высшие моды распространяются во второй (внешней) оболочке. Поэтому путем подбора тангенса угла диэлектрических потерь материалов различных слоев ОВ можно осуществить эффективную фильтрацию мод. При этом затухание всех высших мод велико, а затухание основной моды НЕ11 увеличивается незначительно. Возможность влиять на условия отсечки как низшей моды, так и ближайшей высшей моды позволяет создать при относительно больших диаметрах сердцевины и значениях нормированных частот (ν < 3,01...3,15) одномодовый режим работы в таком волокне.

Рис. 3.12

Результаты минимизации дисперсии в ООВ W-типа с параметрами: 2а = 7,2 мкм; 2b1 = 9,4 мкм; п1 = 1,4562; п2 = 1,4424; п3 = 1,4437, относительные разности показателей преломления между сердцевиной и первой оболочкой – Δ1 = 1 %, и между первой и второй оболочками - Δ2 = - 1 % позволяют заключить, что коэффициент результирующей удельной дисперсии не превышает 1 пс/(км • нм) в диапазоне длин волн 1,35...1,67 мкм [57].

До сих пор предполагали, что ООВ имеет идеальный ступенчатый профиль показателя преломления. Практически это не так. Диффузия легирующих примесей в процессе изготовления ООВ вызывает размытие границы перехода «сердцевина - оболочка». Поэтому для характеристики ООВ вместо диаметра сердцевины 2а и распределения показателя преломления используется понятие диаметр модового поля, или диаметр поля моды dпм [98], т. е. диаметр поля основной моды НЕ11. Этот параметр нормируется ITU-T в Рекомендациях G.652 - G.654, согласно которым он должен находится в пределах 7... 10 мкм с отклонением от выбранного номинального значения не более ± 10 %. Некруглость диаметра поля моды практически невелика (меньше 6 %), поэтому она не нормируется. Неконцентричность поля моды по отношению к оболочке не должна превышать 1 мкм.

В настоящее время ассортимент применяемых в мире ОВ в основном стабилизировался. Это, главным образом, ООВ как с несмещенной, так и со смещенной дисперсией, соответствующие Рекомендациям ITU-T G.652 и G.653. На долю ООВ в мире приходится 80 % сбыта, а на долю MOB -только 20% [98].

Основные оптические и геометрические параметры выпускаемых ведущими фирмами ООВ с несмещенной дисперсией представлены в табл. 3.4, а параметры ООВ со смещенной дисперсией - в табл. 3.5.

Таблица 3.4

Параметры

Рекомен­дация G.652

Значения для ООВ, выпускаемых фирмами

Lucent (США)

Pirelli (Италия)

Kabel-

rheudt (Германия)

«Оптика-Кабель» (Россия)

BFK

(Польша)

Коэффициент затухания, дБ/км, на волнах:

1,3 мкм

< 1,0

0,35... 0,4

< 0,36

0,33... 0,45

< 0,35

≤ 0,40

1,55 мкм

<0,5

0,21... 0,3

< 0,25

0,2... 0,3

< 0,22

≤ 0,25

Коэффициент удельной хроматической дисперсии, пс/(км • нм), на волнах:

1285... 1330 нм

<3,5

-

≤ 3,5

3,5. ..5,0

≤ 3,5

≤ 3,5

1525... 1575 нм

<20

≤ 18

≤ 20

≤ 19

≤ 18

≤ 18

Эксцентриситет «сердце­вина - оболочка», мкм

<1

< 0,8

< 1

< 1

-

< 1

Таблица 3.5

Параметры

Рекомендация G.653

Значения для ООВ, выпускаемых фирмами

«Оптен» (Россия)

Pirelli (Италия)

BFK

(Польша)

Коэффициент затухания, дБ/км, на волнах:

1,3 мкм

< 1,0

-

≤ 0,44

≤ 0,5

1,55 мкм

< 0,5

0,22... 0,25

≤ 0,25

≤ 0,3

Коэффициент удельной хроматической дисперсии, пс/(км • нм), на волнах:

1285... 1330 нм

-

-

25

-

1525... 1575 нм

< 3,5

< 2,7

< 2,7

< 2,7

Диаметр поля моды, мкм, на волне 1,55 мкм

7...8

8,4 ± 0,6

8,1 ±0,65

7,7 ± 0,6

Длина волны, нм, при нулевой дисперсии

-

-

-

1535...1565

Длина волны отсечки, нм

-

-

1270

1250

На международной выставке «Связь - Экспокомм'97» детальную информацию о параметрах ООВ представила фирма Lucent. Она наряду с ООВ ступенчатого, W-образного, треугольного профилей показателя преломления рекламировала также ООВ, легированные эрбием, которые имеют различные модификации и предназначены для волоконно-оптических усилителей (см. подразд. 3.6.4). Для производимых фирмой Lucent ООВ с несмещенной дисперсией, имеющих различные ППП, значения диаметра поля моды dпм приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Профили показателя преломления ООВ

Значения dпм, мкм

Рекомендация G.652

Фирма Lucent

Ступенчатый

1300 нм

10 ±10%

9,3 ± 0,5*

1550 нм

-

10,5 ± 1,0

W-образный

1300 нм

9 ± 10 %

8,8 ±0,5

1550 нм

-

9,7 ± 0,6

Треугольный

1550 нм

-

8,4 ± 0,6

Примечание. * Этот параметр нормируют многие компании.

Итак, следует подчеркнуть: выставки последних лет (1997 - 2000 гг.) «Связь - Экспокомм» [64, 98, 99, 100] убедительно продемонстрировали, что время электрических кабелей связи, т. е. кабелей с медными жилами на магистральных сетях, заканчивается. Наступила эпоха оптических кабелей связи с одномодовыми волокнами [80, 96, 101,105].

3.3. Построение оптических передатчиков

3.3.1. Источники оптического излучения

Оптический передатчик (ОПД), или передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования передаваемых электрических видеоимпульсов в последовательность оптических «радиоимпульсов», которые имеют частоту заполнения, соответствующую используемой длине волны. В состав ОПД входят выполненные в едином конструктивном исполнении источник оптического излучения, электронные устройства для преобразования входных электрических сигналов и стабилизации режимов работы каскадов, а также оптический соединитель, или устройство ввода излучения в ОВ. Основным элементом ОПД является источник оптического излучения. Он должен удовлетворять следующим основным требованиям:

генерировать оптическое излучение на заданной длине волны, которая имеет один из минимумов затухания в ООВ (см. рис. 3.6);

обеспечивать высокий КПД ввода оптического излучения в ООВ;

иметь малые габариты, массу и потребляемую мощность;

отличаться простотой, надежностью и долговечностью.

Этим требованиям наиболее полно соответствуют источники оптического излучения, построенные на основе полупроводниковых структур. Поэтому в качестве рассматриваемых источников в ВО ЦСП практически используют два типа полупроводниковых излучателей: светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ). Физической основой работы полупроводниковых излучателей (диодов и лазеров) является инжекционная электролюминесценция. Один из наиболее эффективных способов ее создания - пропускание электрического тока через р-п-переход полупроводника путём приложения к нему прямого напряжения смещения. При этом электроны инжектируют из п-области в р-область, где происходит рекомбинация носителей (электронов и дырок). В результате, освобождается энергия, которая излучается из р-п-перехода в виде квантов света - фотонов.

Энергия фотона, выделяемая в результате рекомбинации носителей, пропорциональна постоянной Планка:

Еф = hf = hc/λ,

где Еф - энергия фотона, эВ (1 эВ = 1,6*10-19 Дж); h = 6,626*10-34 - постоянная Планка, Дж • с; f - частота электромагнитного колебания оптического излучения, Гц; с = 3 • 108 - скорость света в вакууме, м/с.

Из представленного выражения для энергии фотона можно получить формулу для длины волны оптического излучения λ:

λ = hc/Еф = 1,24/Еф.

В любом полупроводнике зона проводимости, имеющая некоторую концентрацию п свободных электронов, отделена от валентной зоны, имеющей такую же концентрацию р свободных дырок, энергетическим зазором запрещенной зоны Ед [эВ], как показано на рис. 3.13. Оказывается, что у разных полупроводников запрещенная зона имеет разное значение. При ее преодолении инжектирующими носителями последние излучают из запрещенной зоны оптические волны разной длины.

Рис. 3.13

Первым полупроводником для оптического излучения, который был опробован в работе и хорошо отработан технологически, является арсенид галлия (GaAs). Именно этот материал использовали в начале 80-х гг. при разработке источников 80-х гг. при разработке источников излучения для оптической связи [29]. У арсенида галлия энергетический зазор запрещенной зоны равен 1,42 эВ, тогда длина волны оптического излучения в соответствии с приведенной выше для нее формулой имеет значение: λ = 1,24/Еф = 1,24/1,42 = 0,87 мкм. Длина волны может быть увеличена или уменьшена, например, путем легирования некоторого основного полупроводника различными примесями в разных концентрациях.

Современные источники длинноволнового излучения работают на основе фосфида индия InP и четверного соединения с ним арсенидфосфида галлия и индия InGaAsP. Ширину запрещенной зоны у этих материалов можно изменять от 1,35 до 0,74 эВ. Это позволяет перекрыть диапазон длин волн оптического излучения в пределах 0,92... 1,67 мкм, т.е. получить источники с длинами волн λ1 = 1,24/0,95 = 1,3 мкм и λ2= 1,24/0,8 = 1,55 мкм, где ООВ имеют минимальные значения коэффициентов затухания и хроматической дисперсии.

Светоизлучающие диоды и лазеры изготавливаются из указанных полупроводников на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP, причем прозрачная для оптического излучения подложка выполняется из фосфида индия InP, а активный слой - из четверного соединения InGaAsP с таким соотношением компонентов, чтобы обеспечить оптическое излучение на требуемой длине волны.

Рассмотрим устройство и основные свойства таких структур более подробно. Существуют различные полупроводниковые материалы, которые имеют одинаковые или почти одинаковые постоянные кристаллические решетки, поэтому эти материалы могут образовывать один монокристалл. На границе между ними меняются ширина запрещенной зоны, диэлектрическая проницаемость и другие свойства. Такие переходы между полупроводниками, имеющими согласованные решетки, но различные свойства, называются гетеропереходами. В гетеропереходах каждый из полупроводников может быть р- или n-типа. Если для обозначения типа широкозонного полупроводника использовать прописные буквы Р или N, а для узкозонного - строчные п или р, то возможны следующие переходы с различными свойствами: n = N, p = P, n = P и p = N.

Ниже будут рассмотрены структуры полупроводников, имеющие важное значение при разработке лазерных источников оптического излучения. В этих структурах для создания двух слоев указанного материала, расположенных между слоями широкозонного полупроводника, используются два гетероперехода. Одна из таких структур схематично представлена на рис. 3.14. Она называется двойной гетероструктурой.

Рис. 3.14

Укажем основные свойства гетеропереходов, необходимые при создании высокоэффективных источников оптического излучения [29].

Высокая эффективность инжекции. Основные носители стремятся покинуть узкозонный материал (обозначение 1). Это приводит к уменьшению доли тока через переход, обусловленного неосновными носителями, инжектированными в материал 2. При отличии энергетических зазоров на величину энергии более, чем несколько kT, этот эффект гораздо существеннее, чем действие легирования на величину длины волны оптического излучения данного источника.

Ограничение неосновных носителей в двойной гетероструктуре. При приложении напряжения положительного смещения, в материале 1 устанавливается более высокая и однородная концентрация неосновных носителей и более высокая скорость рекомбинации. Это свойство играет важную роль при разработке источников оптического излучения.

Улучшение омических контактов. Использование гетеростуктур позволяет легко изготовить хорошие низкоомные контакты. Это одна из причин использования пятислойной структуры, показанной на рис. 3.14.

Прозрачность широкозонного материала. Рекомбинационное излучение, зародившееся в узкозонном материале, не может возбудить зона - зонный переход в широкозонном материале. В результате этого слои 2 и 3 на рис. 3.14 оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал. Это означает, что если подложка из материала InP прозрачна для излучения светодиода или лазера, то методом травления в ней можно изготовить монолитную микролинзу, улучшающую коэффициент связи между источником излучения и волокном.

Волноводный эффект. Поскольку показатели преломления материалов, образующих гетеропереход, различны, лучи внутри перехода могут испытывать полное внутреннее отражение. В двойной гетероструктуре, если показатель преломления материла 1 больше, чем материалов 2 и 3, рекомбинационное излучение, рожденное в слое (материале) 1, может распространяться вдоль него, испытывая многократные отражения, как в ОВ. Этот эффект особенно важен для работы лазеров на основе двойной гетероструктуры. Оказывается, что почти в каждом таком лазере широкозонный материал имеет меньший показатель преломления, чем узкозонный (аналогично показателям преломления сердцевины и оболочки ОВ, где показатель преломления сердцевины п1 больше показателя преломления оболочки n2).

Принципиальное различие между СИД и ППЛ состоит в том, что в первых происходит спонтанная (самопроизвольная) рекомбинация носителей, поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. Время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой разное. Происходит наложение излучения, возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой. Вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра оптического излучения СИД Δλ составляет десятки нанометров.

Полупроводниковые лазеры являются когерентными, точнее квазикогерентными источниками оптического излучения, в которых происходит направленное излучение фотонов. Его получают, применяя оптический резонатор, который формирует остронаправленное излучение. Ширина спектра излучения ППЛ Δλ не превышает единиц нанометров, а у некоторых - даже десятые и сотые их доли.

Кроме указанных параметров (длины волны оптического излучения λ и ширины спектра излучения Δλ), источники оптического излучения характеризуются следующими основными параметрами:

выходная мощность оптического излучения Ризл составляет десятые доли милливатт для СИД и единицы милливатт для ППЛ;

КПД при вводе оптического сигнала в ОВ - не более 10 % для СИД и 60... 80% - для ППЛ;

ширина полосы частот модулирующего сигнала/мод - не более 200 МГц для СИД и единицы, десятки гигагерц - для ППЛ;

продолжительность безотказной работы - до 109 ч для СИД и до 106 ч - для ППЛ;

минимальные геометрические размеры - для ППЛ объем полупроводника примерно равен 1 мм3, к нему подведены металлические проводники (электроды), излучение происходит из запрещенной зоны толщиной 0,15...0,20 мкм;

низкая стоимость, высокая надежность, экономичность энергопотребления, возможность массового производства.

Источники оптического излучения вносят в передаваемый оптический сигнал шумы, которые обусловлены колебаниями концентрации носителей, нелинейностью ваттамперной характеристики, переходными явлениями, релаксационными колебаниями и т. д.

В ППЛ шумы резко возрастают, если выходное оптическое излучение отражается от внешних компонентов ОПД и возвращается обратно в активную область полупроводника. Вводимый в ООВ шум, вызванный отражениями, примерно на порядок больше, чем в случае MOB.

Светоизлучающие диоды проще, дешевле, более долговечны, надежны и стабильны. Хотя полная мощность оптического излучения может достигать несколько миливатт, из-за большой расходимости излучения удается ввести в ОВ не более 10 % излучаемой мощности. Это ограничивает область применения СИД. Они используются в ВО ЦСП малой дальности связи и низкой пропускной способности.

К преимуществам ППЛ относятся: малые массогабаритные параметры, высокий КПД, узкополосность и направленность излучения, возможность модуляции широкополосным сигналом, а также непосредственной модуляции по интенсивности простым изменением входного модулирующего тока.

Однако существуют и недостатки ППЛ: большой ток модуляции (десятки и сотни милиампер) и дефекты полупроводниковых структур ограничивают срок службы. Лазер имеет нестабильные оптические параметры: в результате старения полупроводника и изменения его температуры возникают колебания мощности оптического излучения. Используя специальную обратную связь и термостатирование, мощность излучения стабилизируют, но это усложняет ОПД и снижает его надежность.

Анализ работы ППЛ показывает, что их можно успешно применять в ВО ЦСП, в частности, для построения СЛТ систем передачи SDH, обеспечивающих большую дальность связи (протяженность линейных трактов сотни и тысячи километров) и высокую пропускную способность (десятки и сотни тысяч ОЦК).

В волоконно-оптических системах передачи SDH в качестве источников оптического излучения для передачи сигналов по ООВ используются только полупроводниковые лазеры. Поэтому рассмотрим их параметры более подробно.

3.3.2. Инжекционные лазеры и их основные параметры

Полупроводниковым лазером называется генератор когерентного излучения в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области на основе полупроводникового кристалла. По способу возбуждения ППЛ разделяют на инжекционные, лазеры с оптической накачкой и лазеры с накачкой пучком быстрых электронов.

Инжекционные лазеры (ИЛ) состоят из активной среды и резонатора. Для возбуждения лазера и поддержания в нем незатухающих колебаний необходимо выполнить два условия:

Создать инверсную населенность активной среды и получить оптическое усиление излучения. Инверсной населенностью активной среды называется такое ее состояние, при котором скорость индуцированного излучения превышает скорость поглощения фотонов атомами активной среды. При этом интенсивность потока фотонов увеличивается в процессе их распространения в веществе активной среды, т. е. реализуется оптическое усиление излучения пучка фотонов. Инверсная населенность в ИЛ создается путем накачки активной среды постоянным током (инжекции). Чтобы поддерживать инверсную населенность, необходимо постоянно затрачивать энергию накачки, поступающую от источника электропитания. Высвобождение этой энергии происходит в результате индуцированного излучения лазера.

Создать положительную оптическую обратную связь, чтобы превратить рассмотренный оптический усилитель в генератор. Это можно сделать с помощью двух торцевых поверхностей лазера - параллельных пластин (зеркал), которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо [80]. Одна из пластин отражает индуцированное излучение в усиливающую среду (коэффициент отражения близок к 100 %). Другая пластина полупрозрачна и та часть оптической мощности, которая проходит через полупрозрачное зеркало, образует выходное оптическое излучение ИЛ. Оно имеет линейчатую спектральную характеристику, что затрудняет ввод излучения таких лазеров в ООВ. Кроме того, ИЛ с резонаторами из зеркал, или лазеры с резонатором Фабри-Перо, имеют большую излучающую площадь, что также снижает коэффициент связи с ООВ. Отмеченные недостатки устраняются путем применения в ИЛ для волоконно-оптической связи «полосковой геометрии» [29].

«Полосковая геометрия» может быть выполнена различными способами. Один из них схематически представлен на рис. 3.15, а. Полоской называют активный слой полупроводника, ограниченный с двух сторон изолятором. В результате достигается локализация оптической мощности или носителей тока. При этом ток локализуется в полоске шириной менее 10 мкм. Такие приборы носят название лазеров с волноводным усилением, поскольку оптическое излучение локализуется в области с максимальной инверсией населенности, которая, в свою очередь, определяется распределением плотности тока.

Значительно более сильная локализация обеспечивается в конструкции, представленной на рис. 3.15, б, которая называется заращенной гетероструктурой. В таких лазерах образуется «волноводный канал», так как заращивающий слой InGaAsP с пониженным показателем преломления образует границу волновода и ограничивает оптическое излучение, а граница гетероперехода ограничивает носители тока. Структура, приведенная на рис. 3.15, б может быть получена из обычного лазера на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP вытравливанием слоя n-InGaAsP с любой стороны активной полоски и последующим выращиванием п- и р- InGaAsP-слоев на вытравленной области. В зарощенной гетероструктуре ширину полоски доводят до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток, но при этом полная мощность, излучаемая лазером в окружающее пространство, не превышает 1.. .2 мВт.

Рис. 3.15

Инжекционные лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют получить оптическое излучение одной моды, имеют лучшую временную стабильность и повышенную линейность мощности выходного излучения. Поэтому, несмотря на технологические трудности их изготовления, такие лазеры широко применяют в ОПД, используемых для построения СЛТ большой протяженности.

Рассмотрим основные параметры ИЛ. Типичная экспериментальная зависимость выходной мощности оптического излучения лазера от тока накачки приведена на рис. 3.16. Специфическим параметром лазеров является величина порогового тока Iпор, соответствующего порогу генерации, которая возникает при выполнении условия вынужденного излучения в области p-n-перехода полупроводникового кристалла. При малом токе накачки Iнак < Iпор (область 1 кривой на рис. 3.16) условия генерации лазера не выполняются, оптическое излучение определяется спонтанными переходами и лазер подобен СИД.

В области 2 возрастает доля индуцированного (вынужденного) излучения, поэтому ватт-амперная характеристика лазера имеет излом. При токе выше порога Iнак > Iпор (область 3) в излучении лазера преобладает доля индуцированного излучения.

Основное воздействие на спектральные характеристики излучения лазера оказывают возбуждаемые продольные моды. При узкой полоске в лазерах с волноводным усилением обычно возбуждается много мод и наблюдается довольно широкая спектральная линия генерации, как показано на рис. 3.17, а.

Рис. 3.16

Рис. 3.17

В лазерах с волноводным каналом сразу за порогом генерируется несколько мод, но по мере увеличения тока накачки одна мода становится доминирующей над остальными (рис. 3.17, б). Вследствие наличия квантовых флуктуации в кристалле полупроводника и конечной величины добротности резонатора (полоски), спектральные линии имеют конечную ширину. Уменьшение ширины полоски приводит к увеличению межмодового расстояния, поэтому немногие моды могут попасть в пределы линии усиления. В связи с этим предпочтительнее узкие полоски. Они дают возможность работать с одной продольной модой при более высокой выходной мощности оптического излучения лазера. При этом ширина спектральной линии отдельной моды для лазеров с волноводным усилением имеет значения сотни мегагерц, а для лазеров с волноводным каналом - несколько десятков и даже единиц мегагерц.

Выше (см. подразд. 3.3.1) указывалось, что длинноволновые (1,3 и 1,55 мкм) лазеры для современных ВО ЦСП синхронной иерархии изготавливаются на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP. Зарощенная полосковая гетероструктура при коротком резонаторе обеспечивает возможность генерации на одной продольной моде при ширине спектра несколько мегагерц. Если при этом использовать узкие контактные полоски, то можно в несколько раз уменьшить пороговый ток, который находится в пределах 400...500 мА для лазера на основе GaAlAs/GaAs и 50... 100 мА для лазера на основе InGaAsP/InP.

Достоинством полупроводниковой структуры InGaAsP/InP является также то, что она не содержит алюминий (Аl). Высокая химическая активность этого материала приводит к усложнению технологии изготовления лазера на основе GaAlAs/GaAs, т. к. необходима тщательная изоляция полупроводника от кислорода и паров воды.

Остается проблемой зависимость порогового тока лазера на основе InGaAsP/InP от температуры активной области. Эта зависимость представлена на рис. 3.18, из которого следует, что при увеличении температуры от 20 до 60 °С величина Iпор примерно удваивается [29]. Изменения температуры лазера вызывают изменение длины волны отдельных продольных мод, что приводит к изменению распределения мощности по модам. В результате изменяются спектральные характеристики. Часто во время излучения лазером импульса оптическая мощность одной продольной моды передается другой моде. Этот эффект известен как перескок мод. Для борьбы с ним используют термостатирование лазера.

Рис. 3.18

Кроме рассмотренных ИЛ с зарощенной гетероструктурой, применяют также лазеры с внешним резонатором, или лазеры ЕС (External Cavity). Они позволяют получить ширину спектральной линии излучения несколько десятков и даже единиц килогерц. В состав лазера входят два слабо связанных резонатора - это внутренний резонатор ИЛ и внешний, используемый для возвращения части излучаемой оптической мощности во внутренний резонатор.

Принцип сужения спектральной линии излучения лазера состоит в том, что незначительная часть излучаемой мощности после небольшой задержки вводится синфазно с отраженной от его торца волной обратно во внутренний резонатор. Структурная схема лазера ЕС приведена на рис. 3.19 [80]. В качестве одного из зеркал внешнего резонатора используется отражающая дифракционная решетка. Она осуществляет грубую межмодовую селекцию, а внешний резонатор - тонкую селекцию и сужение спектральной линии излучения лазера. Теоретически доказано, что этим способом могут быть получены спектральные линии генерации с полосой частот порядка десятков килогерц. Практически получено сужение полосы частот с 200 МГц до 40 кГц. Имеются данные о сужении полосы частот до 10 и даже до 0,5 кГц [104].

Рис. 3.19

Дальнейшим развитием рассмотренного лазера является применение в качестве внешнего резонатора отрезка ООВ длиной 0,5...50 м. Зеркалом внешнего резонатора служит торец волокна без специального покрытия. Настройка внешнего резонатора в пределах используемой длины волны осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем.

Инжекционные лазеры на соединении InGaAsP/InP с зарощенной гетероструктурой и внешним резонатором применяют в качестве излучателей ОПД и гетеродинов ОПМ в высокоскоростных СЛТ, использующих когерентный прием оптических сигналов (см. подразд. 3.6.3).

3.3.3. Построение схем оптических передатчиков

При построении схемы оптического передатчика необходимо решать следующие основные задачи:

Первая задача состоит в том, чтобы выбрать метод модуляции оптического излучения лазера или СИД (далее полагаем, что в ОПД в качестве источника излучения используется только ИЛ). Передаваемым сигналом излучение лазера можно модулировать путем внешнего воздействия на какой-либо из его параметров после того, как оно выйдет из источника. Можно модулирующим (передаваемым) сигналом непосредственно воздействовать на источник излучения.

Типичный способ модуляции оптического излучения состоит в непосредственном воздействии импульсов модулирующего тока на лазер одним из трех методов.

Первый метод заключается в использовании непосредственной модуляции излучения лазера по интенсивности. Модуляция по интенсивности состоит в том, что при передаче «1» (импульса) лазер излучает оптический импульс, а при передаче «0» (пробела) - не излучает. На практике это не совсем так. Последовательность входных модулирующих видеоимпульсов ЦГС в коде NRZ воздействует на источник оптического сигнала и управляет его излучением, как показано на рис. 3.20, а.

Рис. 3.20

Непосредственное возбуждение лазера импульсами входного тока Iвх = Iнак имеет недостатки (рис. 3.20, б):

а) время нарастания импульса входного тока до значения порогового тока Iпор приводит к значительной задержке tз между началом импульса входного тока и началом генерации лазером импульса оптического излучения;

б) вследствие наличия релаксационных процессов возникают большие выбросы в оптических импульсах, излучаемых лазером;

в) расширяется спектральный состав излучения лазера.

Однако следует указать, что при таком методе рассеиваемая лазером мощность минимальна, а срок его службы увеличивается.

Второй метод предполагает предварительное введение лазера в режим предпорогового смещения и последующий перевод его в надпороговый режим работы при поступлении импульсов тока модулирующего (входного) сигнала. Простейший способ реализации этого метода заключается в том, что в лазер инжектируется постоянный ток смещения Iсм, близкий к пороговому току Iпор, и осуществляется модуляция излучения лазера по интенсивности входными импульсами за порогом генерации. В этом случае устраняются указанные выше недостатки первого метода, однако к выходному сигналу лазера добавляется постоянный уровень порогового шума. Второй метод показан на рис. 3.21, а, а некоторые результаты его применения приведены на рис. 3.21, б.

Рис. 3.21

Третий метод предусматривает наличие надпорогового смещения в лазере. При этом также устраняются недостатки первого метода и пороговый шум, однако на выходе лазера появляется непрерывный шум фона, который добавляется к шумам фотоприемника противоположного пункта. Поскольку в этом случае необходимо использовать лазер в более напряженном режиме, то уменьшается ожидаемый срок его службы.

Практически в ОПД систем передачи SDH применяется второй метод модуляции излучения одномодового лазера.

Вторая задача заключается в стабилизации выходной мощности излучения лазера. Для поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера используют параметрический способ ее стабилизации, способ с использованием НЧ-подмодуляции и импульсный способ. Более подробно некоторые из этих способов рассмотрены ниже.

Третья задача построения схемы оптического передатчика предусматривает наличие в нем устройств управления излучением лазера, стабилизации режима его работы и защиты от различных нестандартных воздействий, например, отказ источника электропитания, превышение установленной мощности излучения («Авария излучателя»), слишком высокий уровень или пропадание входного модулирующего сигнала («Авария входного сигнала») и т. д.

Устройства управления излучением лазера содержат цепи обратной связи, обеспечивающие, например, прекращение излучения в случае пропадания входного (модулирующего) сигнала.

Установленный режим работы лазера и заданная мощность на его выходе поддерживаются током в цепи обратной связи по среднему значению мощности оптического излучения. В схеме ОПД должна быть также предусмотрена возможность коррекции мощности излучения в случае отклонения ее от заданного значения.

Схемы защиты предохраняют лазер от различных воздействий (например, неисправности в цепях электропитания ОПД).

Вернемся к способам поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера.

Параметрический способ основан на том, что учитывается информационно-статистическая структура передаваемого сигнала. Входной сигнал ОПД нормируется, интегрируется и вычитается из проинтегрированного сигнала с фотодиода обратной связи. Разностный сигнал поддерживается неизменным автоматической регулировкой тока смещения лазера. Функциональная схема ОПД, в которой использован параметрический способ стабилизации выходной мощности лазера и второй из описанных выше методов модуляции его излучения, приведена на рис. 3.22 [21].

Рис. 3.22

Схема состоит из оптических и электронных устройств. Оптическими элементами схемы являются инжекционный лазер V1 и фотодиод обратной связи V2. К электронным устройствам относятся:

модулятор, или формирователь модулирующих импульсов тока ФМИТ;

автоматический регулятор тока смещения АРТС, или стабилизатор средней мощности оптического излучения лазера;

устройства управления, защиты (блокировки), контроля и индикации.

Представленная схема ОПД работает следующим образом. Последовательность импульсов ЦГС через схему блокировки поступает на ФМИТ, где преобразуется в импульсы с заданной амплитудой и другими параметрами для управления мощностью излучения лазера V1. В соответствии с ватт-амперной характеристикой лазерного диода V1 в формирователе ФМИТ обеспечивается получение такой величины входного тока Iвх, которая в сумме с током прямого смещения Iсм создает заданный режим работы лазера. Для создания в лазере условий вынужденного одномодового излучения с заданной выходной мощностью амплитуда результирующего входного токового импульса Iнак = Iвх + Iсм, проходящего через лазерный диод V1, должна быть несколько выше порогового тока Iпор (см. рис. 3.21, а). В то же время она должна быть меньше амплитуды, при которой возбуждаются моды высших порядков. Чтобы одномодовое излучение лазера с узкой спектральной линией имело постоянную выходную мощность, ток Iсм стабилизирован с помощью цепи автоматически регулируемой обратной связи.

Однако остается проблема зависимости Iпор = φ(t°C) - при увеличении температуры на 40...50 °С ток Iпор возрастает вдвое (см. рис. 3.18). Это приводит к резкому увеличению мощности излучения лазера и расширению спектрального состава его излучения. Поэтому во всех ОПД лазер и фотодиод обратной связи помещаются в термостат, а ток Iсм с помощью обратной связи автоматически поддерживается постоянным. В совокупности термостатирование и система автоматической регулировки тока смещения обеспечивают стабилизацию параметров лазера, в частности средней мощности излучения, и минимизируют постоянную составляющую излучаемого оптического сигнала. С выхода термостата излучаемые импульсы через оптический соединитель вводятся в ООВ станционного оптического кабеля, который через устройство соединения станционного и линейного кабелей соединяется с линейным оптическим кабелем.

В случае пропадания передаваемого сигнала на входе ФМИТ, последний через устройство контроля входного сигнала блокируется с помощью схемы блокировки, аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации, загорается светодиод «Авария входного сигнала».

Работоспособность и заданный режим работы лазера V1 непрерывно контролируются. Если ток Iсм превысит паспортное значение, соответствующее предельному режиму работы лазера, сигнал аварийной сигнализации через устройство контроля работы излучателя в виде логической «1» подается на устройство аварийной сигнализации, загорается светодиод «Авария лазера», лазер автоматически выключается.

Устройство АРТС состоит из фотодиода обратной связи V2, формирователя опорного напряжения ФОН, компаратора К и регулятора тока смещения РТС. Последовательность импульсов ЦГС, кроме ФМИТ, подается также на вход ФОН. С выхода ФОН сигнал, пропорциональный коэффициенту заполнения ЦГС, т. е. соотношению в нем нулей и единиц* подается на вход компаратора К. На его второй вход через фотодиод V2 поступает сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения лазера V1. С выхода К разностный сигнал управляет работой РТС. Последний при необходимости изменяет ток Iсм, что позволяет поддерживать постоянной выходную мощность импульсов оптического излучения.

Рассмотренная схема ОПД имеет некоторые недостатки:

в процессе производства ОПД ток накачки (модуляции), равный сумме Iвх + Iсм, устанавливается при настройке передатчика и в дальнейшем не изменяется;

указанный ток имеет температурную зависимость, которая различна для каждого лазера;

в схеме не учитывается снижение эффективности лазера в процессе его старения и, следовательно, излучаемая мощность будет уменьшаться.

Не смотря на отмеченные недостатки, схема имеет практическое применение.

Способ стабилизации выходной мощности лазера с использованием НЧ-подмодуляции основан на том, что входные видеоимпульсы модулируются НЧ-вспомогательным сигналом. Принципиальная схема ОПД, в котором для стабилизации выходной мощности оптического излучения используется НЧ-подмодуляция, приведена на рис. 3.23. В этой схеме по НЧ-составляющей в составе сигнала оптического излучения автоматически регулируются ток смещения и входной ток модуляции лазера. Поэтому схема содержит два контура стабилизации выходной мощности оптического излучения.

Первый контур стабилизирует среднюю мощность оптического излучения, регулируя постоянный ток смещения лазера V1. В состав контура входят такие устройства: фотодиод обратной связи V2, усилитель А1, компаратор А2, интегратор Инт, регулируемый источник тока смещения на транзисторе T3. Контур работает следующим образом. Фототок, пропорциональный излучаемой оптической мощности, с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1, где преобразуется в соответствующее напряжение. Коэффициент преобразования устанавливается резистором Rос. Напряжение с выхода усилителя А1 в компараторе А2 сравнивается с опорным напряжением U0. Разностный сигнал с выхода компаратора через интегратор Инт задает управляющее напряжение на транзисторе T3. Этим напряжением регулируется постоянный ток смещения лазера V1 и, следовательно, его средняя мощность оптического излучения.

Рис. 3.23

Второй контур регулирует входной ток модуляции передаваемого сигнала таким образом, чтобы результирующий сигнал НЧ-составляющих в составе лазерного излучения был равен нулю. В состав второго контура входят: фотодиод обратной связи V2, усилители А1 и A3, интегратор-компаратор R6, С4, А4 и регулятор входного тока на транзисторах T1, T2.

Вспомогательными устройствами рассматриваемой схемы ОПД являются генератор тока НЧ-подмодуляции Г со схемой управления и детектор входного сигнала Д. Генератор собран на транзисторах T4 и T3, он генерирует прямоугольные импульсы с частотой их следования 10 кГц и управляет ключом К3. Амплитуда импульсов тока НЧ-подмодуляции на выходе генератора пропорциональна напряжению на базах транзисторов T4, T5, деленному на сопротивление резисторов R4 и R5. Соотношение токов модуляции Iм и смещения Iсм задается отношением сопротивлений резисторов R4 и R5. При этом глубина модуляции передаваемого сигнала сигналом НЧ-подмодуляции определяется отношением сопротивлений R4/R3.

Второй контур работает следующим образом. Результирующий сигнал НЧ-составляющих в составе лазерного излучения с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1. С выхода усилителя этот сигнал через конденсатор С2, усилитель A3 и конденсатор С3 подается на ключ К1, который управляет генератором Г. Ключ К1 и генератор Г образуют синхронный детектор.

Если разностный ток Iм - Iсм, поступивший на ключ К1, имеет положительное значение, то сигнал на выходе этого ключа отрицательный и интегратор-компаратор R6, С4, А4 увеличивает ток НЧ-подмодуляции, поступающий через ключ К2 на базы транзисторов T1, T2. Если разностный сигнал Iм - Iсм отрицательный, то интегратор-компаратор уменьшает ток НЧ-подмодуляции, поступающий на базы транзисторов T1, T2. Таким путем осуществляется изменение (подмодуляция) входного сигнала, модулирующего излучения лазера V1.

Передаваемый ЦГС поступает на вход 1 схемы и через конденсатор С1 воздействует на базы транзисторов T1, T2, на которых собрана схема регулятора входного тока. Одновременно дифференциальный усилитель на транзисторах T1, T2 является формирователь модулирующих импульсов тока, которые управляют излучением лазера V1.

Таким образом, изменяя напряжения на входах 2 (регулировка тока подмодуляции) и 3 (регулировка тока смещения), можно управлять токами модуляции и смещения лазера соответственно.

Рассмотренный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера является более предпочтительным по сравнению с приведенным выше параметрическим способом, поскольку здесь осуществляется автоматическая регулировка тока смещения и тока модуляции, которые зависят от температуры и старения лазера.

В схеме предусмотрен детектор входного сигнала Д, который при отсутствии передаваемых импульсов на входе 1 схемы с помощью ключа К2 отключает регулировку тока подмодуляции, т. е. разрывает цепь с выхода интегратора-компаратора R6, С4, А4 на базы транзисторов T1, T2. Так снимается неопределенность в работе второго контура. В противном случае регулировка тока модуляции могла бы начаться с его максимального значения.

Импульсный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера основан на сравнении параметров импульсов на выходе фотодиода обратной связи с эталонными импульсами. Для реализации способа необходимы быстродействующий фотодиод обратной связи, а также тракт измерения и усиления выходных импульсов. Это существенно усложняет задачу построения такой схемы ОПД.

3.3.4. Ввод излучения лазера в одномодовое оптическое волокно

Выше отмечалось, что СЛТ реализуются с использованием ООВ и квазикогерентных источников излучения, в частности полупроводниковых ИЛ. Инжекционные лазеры устойчиво работают в одномодовом режиме, имеют равномерную модуляционную характеристику, вплоть до нескольких гигагерц, а также другие преимущества. Но каковы бы ни были устройство и параметры современного лазера, его излучательные характеристики не согласуются с распределением напряженности поля основной моды НЕ11 возбуждаемого лазером ООВ. Поэтому потери уровня оптической мощности лазера при непосредственном вводе его излучения в ООВ могут достигать 20 дБ и более. Для уменьшения этих потерь применяют различные устройства согласования выхода лазера с торцом используемого ООВ при соблюдении высокой точности их юстирования.

Попытки применить для согласования одну сферическую линзу с относительно большими размерами приводят к потерям вводимого оптического сигнала в пределах 7...10 дБ.

Оптическое согласующее устройство из двух сферических линз изображено на рис. 3.24. Результаты его использования показывают, что максимальная эффективность ввода (ЭВ), или минимум потерь при вводе излучения лазера в ООВ получается при одновременном выполнении двух условий:

l1 < f1 и l2 > f2.

Здесь и на рис. 3.24 f1 и f2, R1 и R2, п1 и п2- фокусные расстояния, радиусы и показатели преломления линз 1 и 2 соответственно.

При указанных условиях радиусы кривизны волновых фронтов пучка оптического излучения лазера и поля основной волны НЕ11 в ООВ имеют одинаковые знаки. Для значений параметров: f1 = 0,291 мм; R1 = 0,25 мм; п1= 1,75; f2 = 1,377 мм; R2= 2 мм; п2= 1,57; l3 = f2; l2 = 5 мм; диаметр поля основной моды ООВ dпм= 10 мкм; малая и большая полуоси эллиптического пучка излучения лазера равны wx= 0,8 мкм и wy= 1,0 мкм соответственно, на длине волны 1,3 мкм такое согласующее устройство обеспечивает экспериментальное значение эффективности ввода 2,6 дБ [50].

В устройствах ввода, построенных по схеме рис. 3.24, наряду со сферическими линзами могут использоваться градиентно-стержневые линзы или сочетания сферических и градиентно-стержневых линз. Такие устройства обеспечивают потери при вводе в пределах 3...5 дБ на длине волны 1,3 мкм. Известны и другие устройства ввода излучения лазера в ООВ. Они достаточно подробно рассмотрены в обзоре [45].

Рис. 3.24

В работе [51] предложено анизотропное оптическое волокно (АОВ), показанное на рис. 3.25. В нем градиент показателя преломления в сердцевине 5 (4 - оболочка ОВ) создается не за счет изменения химического состава стекла, а в результате упорядочения внутренней молекулярной структуры чистого кварцевого стекла внешним электрическим полем 1 в процессе производства. При этом анизотропные молекулы материала сердцевины ориентированы так, что их оптические оси 3 направлены вдоль силового электрического поля 1. Меридиональный луч 2, входящий в торец АОВ под углом Θ0 на некотором расстоянии r0 от оси х распространяется по траектории 6. Она представляет собой затухающую к оси х синусоиду, ограниченную линиями 8. Это относится к меридиональным лучам любой моды, вводимым в торец АОВ в пределах апертурного угла.

Рис. 3.25

С волновой точки зрения это означает, что указанные моды будут преобразовываться по пути их распространения в моду единой линейной поляризации НЕ11, имеющую минимальный к оси х угол следования луча.

После прохождения некоторого участка волокна, называемого длиной медового преобразования Lмп, АОВ обеспечивает одномодовый режим распространения в волокне с эквивалентным радиусом сердцевины а1. Взаимное преобразование направляемых градиентом АОВ мод на участке длиной Lмп не вызывает потерь, т. к. при этом выполняется только модовое и спектральное распределение внутри АОВ. Для сравнения на рис. 3.25 представлена траектория 7 оптического луча в изотропном градиентном ОВ с переменным в его поперечном сечении химическим составом материала ОВ.

Следовательно, АОВ с успехом может быть использовано для формирования солитонного режима передачи (см. подразд. 3.6.5) и последующего ввода значительной энергии оптических сигналов в изотропное ОВ. Кроме того, АОВ само по себе может поддерживать солитонный режим передачи, так как в таком волокне происходит концентрация (коллимация) энергии оптических сигналов вдоль оси х на основной моде НЕ11, что равносильно одномодовому режиму передачи в «толстом» АОВ.

Действительно, предположим, что на входной торец АОВ вводится многомодовый пучок лучей с удельной плотностью интенсивности излучения J0, засвечивающих все поперечное сечение сердцевины S0 = πа2/4. На выход АОВ длинной Lмп, из-за отсутствия потерь, поступает та же мощность с удельной плотностью интенсивности J, распространяющаяся в моде НЕ11 в эквивалентном одномодовом поперечном сечении . Отсюда следует, что

.

Если радиус сердцевины многомодового АОВ а = 25 мкм, а эквивалентный радиус ООВ а1 = 5 мкм (dмп = 10 мкм), то вследствие коллимации лучей на отрезке Lмп усиление составит = 14 дБ.

Отсюда возникла идея, что с целью уменьшения потерь при вводе АОВ может быть использовано как согласующее устройство между лазером и изотропным ООВ. При этом необходимо совместить плоскость поляризации лазера и плоскость АОВ, в которой лежит силовая линия электрического поля 1. Благодаря медовому преобразованию отрезок АОВ длиной Lмп может быть включен как между многомодовым лазером и ООВ, так и между одномодовыми лазером и ООВ. Диаметр сердцевины многомодовой стороны АОВ, обращенной к лазеру, не ограничен и может достигать 1...2 мм.

Одномодовая сторона АОВ стыкуется с ООВ непосредственно, например, сваркой или клеем. Потери при вводе излучения лазера в ООВ с использованием согласующей вставки из АОВ длиной Lмп будут определяться как максимум теми же причинами, что и в схеме на рис. 3.24, т. е. поперечным смещением лазера и АОВ на входе (максимум 1 дБ), угловым перекосом оси АОВ с осью лазерного луча (максимум 1 дБ), рэлеевскими потерями на длине Lмп и качеством соединения АОВ с ООВ. В сумме это составит не более 3 дБ.

Многомодовая (лазерная) сторона АОВ соединяется с лазером механически или с помощью клея. Если между ними существует воздушный зазор, то потери на соединение не превышают 2 дБ. Если же зазор заполнить иммерсионной жидкостью (прозрачным для излучения лазера клеем), то указанные потери будут не более 1 дБ. В результате суммарные потери при вводе излучения лазера в ООВ через отрезок Lмп АОВ составят менее 5 дБ, а усиление за счет коллимации лучей в АОВ при указанных параметрах а и а1 составляет 14 дБ.

Таким образом, ввод излучения одномодовых и многомодовых лазеров в изотропные ООВ через согласующие вставки из АОВ длиной модового преобразования Lмп обеспечивает (за счет коллимации в них лучей различных мод) усиление интенсивности излучения до 9 дБ.

Известно пагубное влияние на режим работы лазера встречного (обратного) потока, возникающего на неоднородностях в протяженных СЛТ. В этом случае АОВ при распространении встречного потока будет преобразовывать его одномодовую природу в многомодовую с выводом высших мод в защитные оболочки, т. е. АОВ будет выполнять роль оптического вентиля, или изолятора.

3.4. Построение оптических приемников

3.4.1. Детекторы оптического сигнала и их основные параметры

Оптический приемник предназначен для преобразования принимаемых оптических импульсов в последовательность электрических видеоимпульсов с заданными параметрами. В состав ОПМ входят следующие устройства, выполненные в едином конструктивном исполнении:

детектор принимаемого оптического сигнала, или фотодетектор;

электронные устройства обработки полученных на выходе фотодетектора электрических сигналов и устройства стабилизации режимов работы каскадов ОПМ;

оптический соединитель, или устройство сочленения ООВ с фотодетектором.

Основным элементом ОПМ является детектор принимаемого оптического излучения. Он представляет собой устройство, чувствительное к слабым принимаемым оптическим сигналам. Фотодетектор должен удовлетворять следующим требованиям:

иметь максимальные чувствительность и быстродействие на заданной длине волны принимаемого оптического излучения;

вносить минимальные шумы в полученный электрический сигнал;

обладать высокой временной и температурной стабильностью параметров;

иметь линейную характеристику преобразования в широком динамическом диапазоне поступающего оптического сигнала;

отличаться высокой надежностью, иметь большой срок службы, малые размеры, стоимость и энергопотребление.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют полупроводниковые структуры, а именно p-i-n-фотодиоды (PIN-ФД) и лавинные фотодиоды (ЛФД), которые в настоящее время применяются в ОПМ систем передачи SDH. Принцип действия фотодиода (ФД) основан на внутреннем фотоэффекте, для PIN-ФД он показан на рис. 3.26, а.

Рис. 3.26

Падающие кванты энергии фотонов (энергия фотона Еф = hf = hс/λ) через тонкий р-слой проникают в i-область, где создают пары свободных носителей зарядов (электронов и дырок). Под действием постоянного электрического поля, создаваемого специальным источником напряжения обратного смещения Uсм, носители зарядов двигаются во встречных направлениях. В результате через сопротивление нагрузки Rн протекает возникающий на выходе PIN-ФД фототок Iф, который и является результатом преобразования принятого потока фотонов в электрический сигнал. Ток Iф пропорционален интенсивности принимаемого оптического излучения, но для PIN-ФД фототок очень мал - это основной недостаток таких ФД.

Если величина Iф не достаточна для последующей его обработки, то в ОПМ в качестве фотодетектора применяется ЛФД. В нем при той же интенсивности принимаемого оптического сигнала, используя механизм лавинного усиления, удается получить больший фототок, чем его значение на выходе PIN-ФД.

Суть лавинного усиления состоит в следующем. В устройство PIN-ФД вводится еще один р-слой. В результате появляется дополнительный p-n-переход, как показано на рис. 3.26, б.

Этот переход находится под воздействием сильного электрического поля за счет высоковольтного источника напряжения обратного смещения. Основная часть фотонов при этом, как и в PIN-ФД, поглощается в i-слое, порождая первичные носители зарядов. Эти заряды, проходя через дополнительный p-n-переход, где внешнее электрическое поле велико, сильно ускоряются. За счет механизма ударной ионизации ускоренные носители создают новые носители, которые в свою очередь создают дополнительные носители зарядов и т. д. В результате в ЛФД получается усиление фототока (образуется лавина носителей зарядов).

Фотодиоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. Квантовая эффективность. В идеальном фотодиоде все падающие на чувствительную площадку ФД фотоны поглощаются в обедненном слое и все рождающиеся носители зарядов собираются на контактах полупроводника. Квантовый выход ФД в таком случае равен единице. На практике, конечно, часть падающих фотонов отражается от чувствительной площадки ФД, а оставшиеся фотоны не полностью поглощаются в обедненном слое, т. е. не все падающие на ФД фотоны принимаемого оптического сигнала вызывают появление основных носителей заряда и протекание фототока в цепи нагрузки.

Отношение числа носителей заряда, возникающих в ФД, к полному числу падающих на него фотонов, называется эффективностью оптоэлектронного преобразования (η), или квантовой эффективностью ФД. Для повышения квантовой эффективности необходимо:

а) уменьшить число отраженных от чувствительной площадки ФД фотонов;

б) увеличить число поглощаемых фотонов внутри обедненного слоя;

в) предотвратить преждевременную рекомбинациию носителей.

Число носителей заряда N определяется отношением принимаемой оптической мощности Рф к энергии кванта Еф, т. е.

N= Рфλ/hс.

Если q - заряд носителя (электрона), то фототок Iф = qN, или

Iф = qλРф/hс.

С учетом квантовой эффективности η выражение для фототока будет иметь вид:

Iф = ηqλРф/hс.

2. Чувствительность ФД - это отношение фототока, протекающего через нагрузку, к полной принимаемой оптической мощности потока фотонов: S = Iф/Рф. Чувствительность является основным параметром ФД. С учетом приведенного выше выражения для фототока, получим:

S = ηqλ/hс.

Отсюда следует, что чувствительность ФД тем выше, чем больше квантовая эффективность, т. е. чем большая доля принимаемого потока фотонов поглощается в активной зоне ФД. Чувствительность зависит также от материала ФД, длины волны принимаемого оптического сигнала, приложенного напряжения смещения и температуры ФД.

Зависимости относительной чувствительности ФД из различных полупроводниковых материалов от длины волны оптического сигнала приведены на рис. 3.27. Из рисунка следует, что ФД из арсенида галлия (GaAs) имеет максимальную чувствительность на длине волны λ = 0,75 мкм, из кремния (Si) - на λ = 1,2 мкм, из германия (Ge) - на λ = 1,6 мкм.

Зависимости чувствительности S = φ(t°С, Uсм) Для ЛФД приведены на рис. 3.28. Из представленных графиков следует, что при одинаковом Uсм повышение температуры приводит к резкому снижению чувствительности ЛФД - это серьезный, главный их недостаток. Чтобы обеспечить стабильность чувствительности при изменении температуры ЛФД, вводят автоподстройку источника высоковольтного напряжения смещения, что усложняет ОПМ и снижает надежность его работы. Правда, это возмещается повышением чувствительности в М раз, которой обладает ЛФД, где М - коэффициент лавинного умножения фототока: Sлфд = SфдМ. Обычно ЛФД используют для достижения предельной чувствительности при слабой мощности принимаемых оптических сигналов.

Рис. 3.27

Рис. 3.28

Практически в зависимости от используемой длины волны λ и скорости передачи оптического ЦЛС чувствительность ЛФД находится в пределах минус 45... минус 60 дБ, а PIN-ФД - в пределах минус 35...минус 45 дБ.

3. Энергетическая характеристика Iф = SРф указывает на непосредственную связь между фототоком в нагрузке ФД и мощностью принимаемого потока фотонов, падающих на чувствительную площадку ФД. Анализ выражения для чувствительности Sф = ηqλ/hс позволяет заключить, что энергетическая характеристика является линейной, т. е. ток Iф в нагрузке - линейная функция мощности падающего на чувствительную площадку ФД потока фотонов. Энергетическая характеристика представлена на рис. 3.29. В современных ФД ее линейность обеспечивается при изменении мощности оптического потока в пределах шести порядков, т. е. 10lg(Рф mах/Рф min) ≤ 60 дБ. Когда мощность принимаемого оптического излучения Рф падает на ФД, он генерирует определенный средний ток Iф. Этот ток пропорционален мощности Рф, где коэффициентом пропорциональности является чувствительность S.

4. Шумы фотодетекторов. Предельная чувствительность ФД определяется наличием хаотических флуктуации тока Iф на его выходе, которые вызваны шумами. Задача обработки сигналов в ОПМ является классической: обнаружить ток Iф, вызванный на выходе ФД приемом оптических сигналов, в условиях хаотических шумов, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него.

Рис 3.29

Рассмотрим кратко источники шумов, присущие собственно фотодетектору. К шумам, возникающим в ФД и вызывающим соответствующие токи, относятся: квантовый (фотонный) шум – Iкв, темновой шум – Iтем, фоновый шум - Iфон, тепловой шум – Iтеп, шум утечки – Iут. Из анализа указанных источников шума следует, что какой-то минимальный ток течет через ФД и Rн даже в отсутствие оптического сигнала. В связи с этим существенна статистическая природа квантового процесса детектирования оптических сигналов.

Фототок на выходе ФД содержит в себе составляющую квантового (фотонного) шума, природа которого заключается в случайности характера квантового преобразования фотон - фотоэлектрон (фотоэлектрон - одноэлектронный импульс тока). Для увеличения мощности фотонов в ЛФД происходит умножение числа зарядов в импульсе с помощью вторичной эмиссии. Это позволяет повысить уровень сигнала относительно уровня шумов в нагрузке фотодетектора. Однако усиление (лавинное умножение) допустимо до определенных пределов, когда значительными становятся дробовые шумы, обусловленные процессом квантового преобразования. Здесь, как и в других источниках шума, средний квадрат флуктуации тока растет прямо пропорционально ширине полосы частот Δf, в пределах которой наблюдаются флуктуации. Это обстоятельство позволяет характеризовать источники шума значением среднего квадрата амплитуды тока на единицу полосы частот Δf. Обычно этот параметр называют среднеквадратической спектральной плотностью шума. Тогда при использовании ЛФД спектральная плотность избыточного квантового шума из-за лавинного умножения будет определяться выражением [29]:

,

где Fш - коэффициент шума (шум-фактор); - среднее значение фототока первичных носителей заряда.

Значение шум-фактора Fш и его зависимость от коэффициента лавинного умножения М имеют большое значение для работы ОПМ, в которых в качестве детекторов используют ЛФД. Практически используется аппроксимация FшMх. В зависимости от материала ЛФД и типа носителей зарядов, вызывающих лавину, типичные значения показателя х находятся в пределах 0,2...1,0. При использовании «хорошего» ЛФД с параметрами М= 100 и Fш = 6 квантовый шум становится доминирующим. Для PIN-ФД М = 1, Fш = 1 и квантовый шум незначителен, его спектральная плотность определяется выражением .

Если спектральная плотность шума не зависит от частоты, как в рассматриваемом случае, то говорят, что шум «белый». Особенностью ФД является то, что шумовой ток Iкв сопутствующий. Он существует только при наличии оптического сигнала и если оптический сигнал на входе ФД отсутствует, то нет и тока Iкв на выходе ФД.

Для темнового тока Iтем существуют две составляющие даже в том случае, когда на вход ФД не поступает оптический сигнал и ФД находится в затемненном состоянии - это ток утечки Iут и тепловой ток Iтеп. Ток утечки (поверхностный ток) возникает под воздействием электрического поля источника напряжения смещения. Он проходит главным образом по поверхности ФД и зависит от геометрии прибора. Ток Iут определяется технологией производства фотодетекторов. Он может быть уменьшен до минимума путем тщательной обработки и пассивированием поверхности ФД с целью уменьшения концентрации примесных ионов.

Коротко о токе Iтеп. Всякий элемент электронной цепи, рассеивающий энергию, вносит шум. Следовательно, в сопротивлении нагрузки Rн на выходе ФД возникает тепловой шум (шум Джонсона), обусловленный случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение вызывает флуктуации тока в резисторе. Среднеквадратическая спектральная плотность флуктуации тока в резисторе Rн определяется известным выражением:

I2теп = 4kT/Rн,

где k = 1,38 • 10-23 - постоянная Больцмана, Дж/К; Т - абсолютная температура резистора Rн. Очевидно, что тепловой шум - это «белый» шум.

Фотодиод постоянно находится под воздействием падающего на него фонового излучения, которое вызывает фоновый шум и соответствующий ему ток Iфон. Этот ток на несколько порядков меньше рассмотренных выше других шумовых токов (им обычно пренебрегают).

Эквивалентная мощность шума ФД [Вт/Гц] определяется как оптическая мощность на конкретной длине волны оптического сигнала, необходимая для получения среднеквадратического значения шумового тока в единичной полосе частот Δf = 1 Гц. Примеры расчета значений спектральной плотности мощности составляющих шума для ЛФД приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц

Длина волны, мкм

1,3

1,55

Квантовый шум

1,3 • 10-19

1,07 • 10-17

Тепловой шум

9,97 • 10-25

9,97 • 10-25

Темновой шум

1,6 • 10-26

1,6 • 10-26

Шум тока утечки

3,2 • 10-24

3,2 • 10-24

Фоновый шум

4,1 • 10-29

4,1 • 10-29

Суммарный шум

1,3 • 10-19

1,07 • 10-17

Они показывают, что при использовании ЛФД преобладающим является квантовый шум. Из таблицы следует также, что спектральная плотность мощности шума, приведенного к выходу фотодетектора, с высокой точностью может считаться распределенной равномерно.

Кроме рассмотренных выше, к важным параметрам ФД относятся:

ёмкость ФД, которая может иметь значение от десятых долей до нескольких единиц пикофарад;

максимально допустимое напряжение смещения;

темновой ток Iтем, который всегда указывается в паспортных данных ЛФД;

ток утечки Iут, проходящий через ФД при полном его затемнении и заданном напряжении смещения.

3.4.2. Лавинные фотодиоды и их основные особенности

Природа шумов, возникающих в фотодетекторе и вносимых им в приемную оптическую систему, кратко рассматривалась в предыдущем подразделе. Можно было бы увеличить отношение сигнал/шум на выходе ОПМ, если бы удалось достичь умножения сигнала в самом детекторе. Как было отмечено выше, такое умножение можно получить в лавинном фотодиоде при высоких напряжениях обратного смещения. Однако при этом сам процесс лавинного умножения не свободен от шума. Статистическая природа этого процесса приводит к возрастанию шума. Шум-фактор Fш практически всегда больше единицы и увеличивается с ростом М по показательному закону Fш ≈ М (х = 0,2... 1,0).

Следовательно, для любого ЛФД в конкретном приемнике оптических сигналов существует оптимальное значение M, при котором достигается наилучшее отношение сигнал/шум на выходе ОПМ. Подробно этот вопрос рассмотрен в подразд. 3.4.4.

В лавинных (и нелавинных) ФД следует добиваться максимальной квантовой эффективности, и все указанные в подразд. 3.4.1 требования остаются существенными. Кроме того, необходимо, чтобы лавинное умножение носителей заряда в сечении освещенной принимаемым излучением площади оставалось однородным. Должны использоваться высококачественные материалы практически без дефектов, в противном случае образующиеся локальные повышения электрического поля приведут к образованию преждевременной лавины или микроплазмы.

Образование микроплазмы может происходить даже и в совершенном материале, когда напряженность однородного электрического поля приближается к пороговому значению. Поэтому простая PIN-структура непригодна для ЛФД. В области, где зарождается лавина, может образоваться и нестабильно развиваться отрицательное сопротивление. По этой причине область максимального поля, где развивается лавинное умножение, должна быть ограничена очень тонким слоем и отделена от области поглощения принимаемого оптического излучения. Приложенное электрическое поле должно быть достаточным для поддержания насыщения скорости дрейфа носителей.

Структура ЛФД сквозного воздействия (см. рис. 3.26, б) удовлетворяет всем указанным требованиям. Лавина должна начинаться носителями с высоким коэффициентом ионизации, иначе полоса ЛФД сужается, шум-фактор растет. Поэтому для показанной n+-р-i-р+-структуры наиболее подходит материал типа кремния, для которого отношение коэффициента ионизации дырок αh, к коэффициенту ионизации электронов αq намного меньше единицы, т. е. k = αh/αq << 1. Фотоэлектроны вызывают лавину, затем дырки способствуют дальнейшей генерации носителей заряда.

Кремниевые лавинные ФД, имеющие показанную на рис. 3.26, б структуру, могут иметь коэффициент лавинного умножения М до нескольких сотен, прежде чем разовьется микроплазма и, как следствие, резко возрастет избыточный шум. Квантовая эффективность на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм может превышать 0,9. Неумноженный темновой ток при комнатной температуре можно снизить до уровня нескольких пикоампер. Зависимость коэффициента лавинного умножения М от приложенного напряжения смещения Uсм при разных температурах для кремниевого ЛФД приведена на рис. 3.30. Из рисунка следует, что при повышении температуры ЛФД на 40...50°С коэффициент М увеличивается в несколько раз.

Рис. 3.30

В германиевых ЛФД существует ряд особенностей, из-за которых коэффициент Мне превышает значения 10...20. Темновой ток значителен (единицы микроампер), поскольку скорость тепловой генерации высокая и большая поверхностная утечка. Кроме того, затруднено получение бездефектного материала для подложки и серьезную проблему представляет пассивирование. В современных германиевых ЛФД при снижении диаметра активной области до 30 мкм темновой ток составляет около 0,1 мкА, ёмкость - около 0,5 пФ и квантовая эффективность - 0,9.

Благодаря интенсивным разработкам ведущих мировых компаний, которые были проведены в конце 80-х - начале 90-х гг., стало возможным создание промышленного производства гетероструктурных ЛФД на основе тройных и четверных соединений в длинноволновом диапазоне, т. е. на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Полупроводник, образующий поверхностный слой, должен иметь широкую запрещенную зону, чтобы поглощение излучения было слабым. При попадании излучения в узкозонный материал гетероструктуры, где электрическое поле максимально, поглощение становится значительным. Если скорость рекомбинации не слишком велика, можно получить высокий коэффициент эффективности.

Практически используются следующие материалы: InGaAs/InP, InGaAsP/InP и GaAlAsSb/GaSb, в которых можно выделить три области - поверхностный слой, дрейфовую область и подложку. В четверном соединении InGaAsP в состав поверхностного слоя может входить фосфид индия InP. Тройное соединение InGaAs выращивается на подложке из InP с хорошим согласованием решеток. Минимальная ширина запрещенной зоны 0,75 эВ обеспечивает получение длинноволновой границы 1,65 мкм, p-n-переход формируется за счет диффузии цинка.

Пример In0,53Ga0,47As гетероструктурного ЛФД, изготовленного методом жидкофазной эпитаксии на подложке из InP, показан на рис. 3.31 [29]. Указанный ЛФД имеет следующие особенности. Принимаемое излучение проходит через InP-подложку, которая прозрачна для оптических сигналов, имеющих длину волны более 0,92 мкм. Буферный слой Р+-InР используется для изоляции активной области от дефектов подложки. В этом примере p-n-переход формируется в эпитаксиальном слое InP, a N-n-гетероструктура - между слоем InP и тройным соединением InGaAs с согласованной решеткой. Оптическое излучение поглощается в узкозонном тройном материале, при этом происходит фоторождение дырок, которые вызывают лавину. Толщина и концентрация примесей (степень легирования) слоя N-InP тщательно подбираются, чтобы обеспечить проникновение обедненного слоя через тройной материал. В то же время необходимо гарантировать, что в начале лавинного процесса напряженность электрического поля на гетероструктуре не превысит 1,5 • 107 В/м при напряженности на P-N-переходе около 4,5 • 107 В/м. Такой напряженности электрического поля достаточно, чтобы установилось насыщение дрейфовых скоростей носителей заряда. В этом конкретном ЛФД более высокие поля приводят к чрезмерному току утечки через гетероструктуру.

Рис. 3.31

В настоящее время коэффициент умножения М в таких ЛФД ограничивается токами утечки и возникновением микроплазмы. Преимуществом ЛФД по сравнению с PIN-ФД является более высокая чувствительность и как следствие - низкий уровень мощности Рф принимаемого оптического сигнала. Использование ЛФД в оптических приемниках позволяет увеличить длину регенерационной секции и уменьшить затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования СЛТ.

Проблемы использования ЛФД заключаются в необходимости применения высоковольтного источника напряжения смещения и обеспечения температурной стабилизации ЛФД. В настоящее время эти проблемы успешно решены и ЛФД находят широкое применение при построении схем ОПМ.

3.4.3. Построение схем оптических приемников

В соответствии со схемами построения ОПД, использующих модуляцию по интенсивности, в ОПМ используется прямое детектирование принимаемых оптических сигналов. При этом в схемах ОПМ в качестве детектора может применяться PIN-ФД или ЛФД. Структурная схема ОПМ с использованием PIN-ФД приведена на рис. 3.32. Она состоит из входного оптического соединителя, приемного оптического модуля, усилителя-корректора с автоматической регулировкой уровня АРУ и источника напряжения обратного смещения [21].

Рис. 3.32

Оптический соединитель обеспечивает сочленение торца ООВ с фотодетектором. Поскольку ФД имеет сравнительно большую приемную поверхность по сравнению с диаметром поля моды (dпм) сердцевины ООВ, то это соединение не вносит ощутимых потерь в принимаемый оптический сигнал. Однако потери за счет отражения на границах раздела «волокно - воздух - окно ФД» могут достигать значений до 2,0 дБ в зависимости от чистоты и особенностей поверхностей торца ОВ и ФД, наличия антиотражающих покрытий и применяемого способа соединения. Наименьшие потери оптического сигнала обеспечивает непосредственный контакт торца волокна с поверхностью ФД, зафиксированный прозрачным для оптического излучения клеем.

Приемный оптический модуль (ПРОМ) состоит из собственно ФД и малошумящего усилителя (МШУ), конструктивно выполненных в одном экранированном корпусе и помещенных в термостат. Фотодетектор преобразует принимаемый оптический сигнал в электрический ток Iф (фототек), пропорциональный мощности поступающего потока фотонов Рф. Полученный ток Iф весьма мал (несколько микроампер). Поэтому следующий за фотодетектором МШУ усиливает полученный фототок и преобразует его в напряжение. Малошумящий усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью. Как и в любом усилителе, отношение сигнал/шум на выходе МШУ определяется первым его каскадом, где усиливаемый сигнал очень маленький. Если первый каскад обеспечивает достаточно большое усиление, то шумы, вносимые последующими каскадами, незначительно увеличат отношение сигнал/шум на выходе МШУ.

Следовательно, при проектировании МШУ параметры первого каскада являются определяющими. К сожалению, не всеми параметрами может управлять разработчик. Поэтому, проектируя усилитель, для определения возможностей уменьшения шума необходимо рассмотреть отдельно варианты типов транзисторов для первого каскада МШУ: кремниевый полевой плоскостной, кремниевый биполярный плоскостной или полевой канальный на арсениде галлия. В каждом варианте нужно определить положение рабочей точки таким образом, чтобы обеспечить необходимое усиление сигнала с минимально возможным добавлением шума.

Усилитель-корректор с АРУ предназначен для частичного устранения искажений формы принятых видеоимпульсов и поддержания постоянства их амплитуды на выходе ОПМ.

Структурная схема ОПМ с лавинным фотодиодом отличается от предыдущей схемы тем, что позволяет автоматически изменять подаваемое на ЛФД высокое напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения М. Это расширяет динамический диапазон принимаемых оптических сигналов, но требует усложнения системы автоматического регулирования, которая одновременно управляет коэффициентами усиления ЛФД и усилителя-корректора. Указанная особенность использования ЛФД усложняет схему построения ОПМ и снижает надежность его функционирования.

Функциональная схема ОПМ с лавинным фотодиодом приведена на рис. 3.33.

Рис. 3.33

Основными устройствами ОПМ являются:

лавинный фотодиод с источником напряжения обратного смещения;

малошумящий усилитель с глубокой отрицательной обратной связью;

усилитель-корректор;

фильтр низких частот;

выходной усилитель;

устройства системы АРУ с регуляторами уровня принимаемого сигнала и напряжения смещения;

устройства контроля и индикации.

Минимальный уровень принимаемой оптической мощности, падающей на чувствительную площадку ЛФД, может иметь значения в пределах минус 45...-60 дБ. Напомним, что чувствительность лавинного фотодетектора определяется выражением: Sлфд = = Mηqλ/hc, где η - квантовая эффективность ЛФД. Для получения высокой квантовой эффективности необходимо малое отражение падающих фотонов от чувствительной площадки ЛФД, поэтому ее поверхность обычно покрывают прозрачной для фотонов диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения. Для повышения квантовой эффективности при производстве ЛФД тщательно подбираются толщина обедненного слоя и поглощающей области, которые для длин волн 1,3 и 1,55 мкм имеют значения несколько десятков микрометров. Чувствительность зависит также от материала ЛФД, длины волны принимаемого оптического сигнала, напряжения обратного смещения и температуры ЛФД. На практике используют гетероструктурные ЛФД на основе тройных и четверных соединений, они рассмотрены в предыдущем подразделе.

Последовательно с ЛФД включены источник напряжения обратного смещения и цепь нагрузки, которая состоит из резистора Rн с большим сопротивлением и включенного параллельно ему усилителя. Под воздействием падающих фотонов в ЛФД генерируются носители зарядов (электроны и дырки). Они создают напряжение на ёмкости диодного р-п-перехода, которая разряжается через нагрузочную цепь. Протекающий через резистор Rн фототок имеет малое значение, поэтому следующее за ЛФД устройство представляет собой усилитель с малым коэффициентом шума - МШУ. Его первый каскад усиливает полученный токовый сигнал, который в последующих каскадах преобразуется в напряжение. Так как шум усилителя тока доминирует над другими шумами на низких частотах, то во входном каскаде МШУ используется, как правило, кремниевый полевой плоскостной транзистор. В последующих каскадах усилителя напряжения, где шум растет с увеличением частоты и становится преобладающим на высоких частотах, используют кремниевые биполярные плоскостные транзисторы.

Основная проблема реализации МШУ состоит в обеспечении их устойчивости. Использование общей цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, делает схему МШУ склонной к самовозбуждению, особенно на высоких частотах, из-за возникновения положительной обратной связи через паразитную ёмкость. Чтобы избежать самовозбуждения, необходима тщательная, продуманная компоновка МШУ и эффективное экранирование соответствующих устройств и элементов схемы.

На выходе МШУ включен один из исполнительных элементов системы автоматической регулировки - регулятор уровня (РУ) принимаемого сигнала, который представляет собой регулируемый делитель напряжения. Он обеспечивает постоянный уровень сигнала на выходе ОПМ при изменении оптической мощности входного сигнала в заданном динамическом диапазоне.

Усилитель-корректор Ус. К выполняет задачи увеличения амплитуды и коррекции формы импульсов на выходе МШУ. Поскольку частотная зависимость общего сопротивления нагрузки цепи, шунтирующей входной сигнал МШУ, имеет спад с ростом частоты, коэффициент усиления МШУ не является постоянным в усиливаемой полосе частот. Включение на входе первого каскада МШУ малого шунтирующего сопротивления Rн приводит к увеличению тепловых шумов. Поэтому проще создать подъем частотной характеристики усиления в последующем усилителе-корректоре, что и реализовано в схеме ОПМ.

Кроме того, ограничение полосы пропускания в источнике излучения ОПД, дисперсия сигналов в ОВ и другие факторы вызывают искажения формы импульсов, поступающих в ОПМ. Подъем частотной характеристики усиления и компенсация указанных искажений формы принимаемых сигналов выполняется в Ус. К. Полоса пропускания и параметры Ус. К выбираются и реализуются из условия получения максимального отношения сигнал/шум на выходе ОПМ. При этом импульсы на выходе Ус. К могут взаимно перекрываться, что вызывает взаимные помехи между соседними символами, т. е. межсимвольные помехи. Взаимное перекрытие импульсов можно уменьшить с помощью корректирующего фильтра нижних частот ФНЧ, или «второго корректора», который включен после Ус. К.

Передаточная функция ОПМ, связывающая напряжение на его выходе с током на входе МШУ, должна быть равномерной в полосе частот от нуля до, по крайней мере, значения, численно равного скорости передачи ЦЛС в данной ВО ЦСП, т. е. Δf [кГц] ≥ B [кбит/с].

Существует общий класс фильтров, имеющих такое свойство, что их отклик на импульс, принятый в момент времени t0, равен нулю во все моменты t0 ± пТ, где п - целое число. Известно, что этим свойством обладает идеальный ФНЧ. Его передаточная функция определяется выражением:

Она приведена на рис. 3.34. Соответствующая ей импульсная характеристика определяется выражением: h(t) = sin(πtB)/πtB, она изображена на рис. 3.35, из которого следует, что характеристика h(t) обращается в нуль в моменты времени ± пТ, где Т = 1/В. Оказывается, что этим свойством обладают все фильтры, передаточная функция которых асимметрична относительно точки Т(В/2) = 0,5. Конкретным примером может служить фильтр с косинусоидальной передаточной функцией, которая описывается выражением:

Она показана на рис. 3. 36, а. Выражение для его импульсной характеристики имеет вид:

.

Импульсная характеристика косинусоидального ФНЧ представлена на рис. 3.36, б.

Рис. 3.34 Рис. 3.35

Рис. 3.36

Несмотря на то, что идеальный ФНЧ практически не реализуем, теоретически он обеспечивает наилучшее отношение сигнал/шум. Однако из рис. 3.35 следует, что этот фильтр создавал бы сравнительно большое напряжение в соседних тактовых интервалах. Это означает, что незначительные эффекты увеличения длительности импульса или его фазовые дрожания вызвали бы появление больших взаимных помех между символами. Фильтр с косинусоидальной передаточной функцией вносит больше шумов, но обеспечивает значительно больший допуск на дрожание и увеличение длительности импульса.

Практически ФНЧ в тракте ОПМ реализуется с частотой среза f0, численно равной (1,2...1,5)B, т. е. если на вход данного ОПМ поступает ЦЛС со скоростью передачи В = 622,08 Мбит/с, то f0 может иметь значение в пределах 750...930 МГц.

В случае пропадания сигнала на входе МШУ срабатывает устройство контроля входного сигнала. При этом аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации, загорается светодиод «Авария входного сигнала». Аналогично осуществляется контроль работы всего ОПМ.

3.4.4. Помехоустойчивость приемника оптических сигналов

Следует различать собственные (внутренние) шумы ОПМ и внешние (посторонние) помехи. И те, и другие накладываются на фототок Iф и вызывают его случайные изменения. Это приводит к ошибкам в приеме (регистрации) сигналов. Далее рассматриваются только внутренние шумы, так как воздействие внешних помех всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и экранированием ее элементов.

Мощность шума на выходе ОПМ определяется тремя составляющими: мощностью шума источника оптического сигнала Рист, мощностью шумов оптического волокна Ров и мощностью шумов, возникающих в оптическом приемнике, Рпр. В предположении независимости шумов, возникающих в указанных устройствах, можно записать: РΣ = Рист + + Ров + Рпр. Рассмотрим эти составляющие суммарного шума более подробно.

Мощность собственных шумов лазера определяется квантовыми процессами внутри его резонатора. Ее составные компоненты: квантовый шум тока инжекции, спонтанная рекомбинация носителей заряда в активной области, тепловой шум, поглощение излучения и вынужденное излучение. Часть спонтанного излучения распространяется вместе с основным (индуцированным) излучением и поэтому их практически невозможно разделить. Смешивание мощности шумов спонтанной эмиссии с мощностью усиленного в резонаторе лазера основного излучения приводит к ограничению отношения сигнал/шум на выходе лазера. Мощность шума спонтайной эмиссии лазера составляет примерно 2 • 10-19 пВт, а другие составляющие мощности шумов лазера имеют еще меньшие значения. Например, мощность теплового шума не превышает 10-40 пВт. Поэтому шумами источника излучения, в частности лазера, обычно пренебрегают.

Мощность собственных шумов ОВ как направляющей среды определяется следующими составляющими мощностей: квантового шума Pкв, теплового шума Ртеп, модового шума Рмод, шума попутного потока Рпот и шума переходных помех Рпп. В предположении независимости этих шумов, мощность суммарного шума ОВ будет равна Ров = Pкв + Ртеп + Рмод + Рпот + Рпп. Это суммарная мощность шумов на выходе ОВ, или на входе ОПМ.

Суммарная спектральная плотность мощности квантового и теплового шумов ОВ определяется выражением:

,

где h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура ОВ. Некоторые данные расчетов этих составляющих шума ОВ при его температуре Т = 300 °К приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8

λ, мкм

Pкв(f), Вт/Гц

Pтеп(f), Вт/Гц

1,30

1,55

1,80

1,53 • 10-21

1,28 • 10-21

1,10 • 10-21

7,0 • 10-34

4,6 • 10-31

3,6 • 10-23

Из табл. 3.8 следует, что мощность собственных шумов ОВ определяется в основном квантовыми шумами. Влияние тепловых шумов становится заметным лишь в дальнем инфракрасном диапазоне (λ > 1,55 мкм). Остальные шумы ОВ из-за их малости обычно не учитываются.

Мощность собственных шумов ОПМ в основном определяется тремя составляющими:

собственными шумами ЛФД;

шумами на выходе МШУ;

шумами последующих каскадов ОПМ, включенных после МШУ.

Из функциональной схемы ОПМ, приведенной на рис. 3.33, следует, что последовательно с ЛФД включен МШУ. Он усиливает полученный в ЛФД ток и преобразует его в напряжение, которое повторяет форму входного тока. Отношение сигнал/шум на выходе ОПМ определяется тем его каскадом, где принятый сигнал Iф имеет минимальное значение, т. е. отношением сигнал/шум на выходе МШУ. Поэтому далее из всего ОПМ будут рассматриваться только ЛФД и МШУ в предположении, что последующие каскады ОПМ «не шумят».

Эквивалентная схема такого ОПМ для малого значения сигнала приведена на рис. 3.37. На этой схеме ЛФД представлен источником тока. Выражение для тока ЛФД можно записать в таком виде (см. подразд. 3.41):

MIф(f) = MηqλPф(f)/hc.

Рис. 3.37

МШУ представляется усилителем напряжения с передаточной функцией T(f). Так как ток ЛФД поступает на вход МШУ через нагрузку из элементов R и С, которая является входным импедансом этого усилителя, то напряжение на входе МШУ будет определятся выражением:

Нет оснований полагать, что принимаемый промодулированный по интенсивности оптический сигнал полностью отображает передаваемый исходный сигнал. Действительно, если результирующая дисперсия ОВ значительна, то будет иметь место искажение сигнала. Коэффициент лавинного умножения М и квантовая эффективность η ЛФД также зависят от частоты, т. е. M(f) и η(f) (на высоких частотах они уменьшаются). Можно устранить влияние всех перечисленных факторов путем соответствующего увеличения коэффициента усиления усилителя на высоких частотах. Однако далее будем полагать, что диапазон используемых модулирующих частот лежит в области, где параметры источника излучения, ОВ и ЛФД не зависят от частоты.

Таким образом, будем рассматривать передаточную функцию усилителя T(f), связывающую напряжение на его выходе Uвых(f) с током ЛДФ MI(f), полагая, что функция T(f) равномерна в заданной полосе частот Δf.

Итак, если T(f) - передаточная функция МШУ, то напряжение на его выходе будет определятся произведением:

, или .

Результирующая входная ёмкость С ограничивает полосу пропускания значением fг = 1/2πRC. Если сигналы будут изменяться быстрее, чем граничная частота fг, то они эффективно ослабятся входной цепью усилителя. Для случая равномерной передаточной функции T(f) = T(0)(1 +jfRC), тогда Uвых = T(0)RМIф.

Введем в представленную схему три источника шума: токовый источник квантового шума ЛФД Iкв, токовый источник интегрального шума МШУ Iу и источник напряжения шума на входе МШУ Uу. В результате получим эквивалентную шумовую схему ОПМ (рис. 3.38).

Рис. 3.38

Объединим названные токовые источники шума и обозначим результирующий токовый шум на входе МШУ через Iш. Результирующее среднеквадратическое напряжение шума на выходе МШУ в требуемой полосе частот Δf можно найти путем интегрирования усиленных МШУ значений I2ш и U2у. В результате получим:

.

Для случая равномерной передаточной функции в полосе частот Δf будем иметь:

.

Так как суммарная спектральная плотность мощности шума , приведенная к выходу МШУ, считается распределенной равномерно, то в пределах Δf величины Iш и Uy от частоты не зависят, тогда:

.

Теперь, имея выражения для напряжения сигнала Uвых и напряжения шума Uш на выходе МШУ, можно найти отношение сигнал/шум, или коэффициент Кс/ш на тех же зажимах:

.

Чтобы зависимость Кс/ш от отдельных источников шума была более наглядной, представим спектральную плотность шумового тока Iш в виде суммы трех составляющих: , где - спектральная плотность квантового шума; - спектральная плотность теплового шума; - спектральная плотность остальных шумов на входе МШУ.

Подставляя в формулу для коэффициента Кс/ш вместо Iш его составляющие, после несложных преобразований окончательно получим выражение для отношения сигнал/шум на выходе МШУ, или, как было оговорено выше, на выходе ОПМ:

. (3.4)

Для удобства последующего анализа каждая из пяти составляющих шума в знаменателе обозначена буквами а, б, в, г, д. Величина Кс/ш определяет качество ВО ЦЛТ и при его проектировании минимально допустимое значение отношения сигнал/шум на выходе ОПМ всегда оговаривается особо: для высокоскоростных ВО ЦЛТ Кс/ш > 12. Поэтому выражение для Кс/ш имеет огромное значение при проектировании ВО ЦЛТ и оценки его ожидаемых параметров. Отметим ряд особенностей этого выражения.

Отношение сигнал/шум можно повышать за счет увеличения коэффициента лавинного умножения М до тех пор, пока учитывающее квантовый шум слагаемое «в» (увеличенное в число раз, равное шум-фактору Fш, который сам в свою очередь увеличивается с увеличением М) не будет преобладать над другими слагаемыми. Поэтому здесь всегда существует оптимальное значение Мопт.

Наличие слагаемого квантового шума «в» приводит к тому, что общий уровень шума на выходе ОПМ зависит от уровня принимаемой оптической мощности. Эта характерная особенность отличает оптические системы передачи от других и означает, что коэффициент Кс/ш квадратичен по отношению к Iф.

Увеличение сопротивления R улучшает отношение сигнал/шум, пока слагаемые «а» и «г» значительны по величине. Однако при использовании для МШУ большого входного сопротивления необходима значительная коррекция АЧХ тракта приема в области высоких частот.

Указанная коррекция приводит к преобладанию слагаемого «б» и шум возрастает пропорционально С2, т. е. квадрату входной ёмкости. Поэтому важно минимизировать ёмкость С, что приводит и к уменьшению величины требуемой коррекции АЧХ оптического приемника.

Пять членов в знаменателе выражения для Кс/ш суммируются в предположении, что шумы не коррелированы и каждый из них имеет нормальное распределение. На самом деле это не так. Например, квантовый шум имеет распределение Пуассона.

В общем случае приведенная оценка отношения сигнал/шум как рабочий критерий подходит, однако при использовании коэффициента Кс/ш в более строгих оценках о сделанном замечании необходимо помнить.

Воспользуемся приведенным выражением (3.4) для оценки квантового предела чувствительности ОПМ. В идеальном ОПМ коэффициент лавинного умножения М должен быть достаточно большим. В этом случае слагаемое «в», учитывающее квантовый шум, будет преобладать над другими составляющими шума, а коэффициент шума (шум-фактор) Fш должен быть равен единице. Тогда выражение для коэффициента Кс/ш примет такой вид:

.

Отсюда требуемый фототок Iф будет определяться неравенством:

.

Это соотношение определяет квантовый предел для чувствительности идеального ЛФД.

Используя современные высококачественные ЛФД, можно создать условие, при котором слагаемое «в» будет доминирующим и при коэффициенте шума Fш, не равном единице.

Итак, пусть Fш 1, тогда квантовый предел для чувствительности идеального ЛФД будет определяться выражением:

.

С учетом чувствительности ЛФД S = Iф/Рф = ηqλ/hc получим, что минимальное значение принимаемой оптической мощности определяется по формуле:

.

Но hc = Eф - энергия фотона, тогда:

.

Например, для кремниевых ЛФД, работающих на длине волны λ = 1,3 мкм, с квантовой эффективностью η = 0,9, при коэффициенте шума Fш = 6 и полосе частот Δf = 1 МГц, минимально допустимом отношении сигнал/шум Кс/ш =12, требуемая минимальная мощность оптического сигнала, принимаемого ЛФД, должна быть Рф min > 300 пВт.

Это много или мало? Попытаемся ответить на этот вопрос.

Падающий на чувствительную площадку ЛФД поток принимаемых фотонов создает пары носителей заряда «дырка - электрон» как независимые случайные события. Такой процесс преобразования фотонов называется пуассоновским.

Если за единицу времени на ЛФД упадет энергия Е, а Eф - энергия одного фотона, то с учетом квантовой эффективности η должно быть создано N пар носителей заряда:

N = ηE/Eф = ηEλ/hc. (3.5)

Вследствие статистической природы взаимодействия фотонов с фотодетектором истинное число пар носителей заряда, создаваемых каждым оптическим импульсом, будет изменяться вокруг среднего значения. Вероятность того, что из N число созданных пар носителей заряда равно k, определяется пуассоновским распределением вероятности:

.

В идеальном ОПМ это изменение числа создаваемых пар носителей заряда - единственный источник шума. Кроме того, ЛФД работает по принципу: оптическая мощность принимается, а носители заряда появляются только тогда, когда передается «1». Если ЛФД достаточно чувствителен, чтобы обнаружить каждую возникшую электронно-дырочную пару, созданную поступившими фотонами, то порог чувствительности можно установить на этом уровне.

Получается, что при передаче «0» никакой поток фотонов не принимается и никакой фототок не создается - нет никакой ошибки в приеме сигналов. И только в том случае, когда фотоны принимаются, т. е. передается «1», а носители зарядов не создаются, тогда вместо ожидаемого числа пар носителей заряда N фиксируется ошибка. Ее вероятность можно представить в виде: РЕ = p(0/1)p(1) +p(1/0)p(0).

Так как «1» и «0» передаются с одинаковой вероятностью р(1) = р(0) = 1/2, то, используя распределение Пуассона, находим:

.

Для получения РЕ, или Кош < 10-9, необходимо потребовать N > 20, тогда из выражения (3.5) получим, что Е = NEф > 20Eф/η, а минимальная средняя мощность принимаемого потока фотонов на входе ОПМ (ЛФД) будет определяться выражением:

Это выражение характеризует абсолютный квантовый предел чувствительности ЛФД.

Например, для ЛФД, работающих на длине волны λ = 1,3 мкм, с квантовой эффективностью η = 1, > 1,5 пВт. Это для идеального ЛФД.

Сравнивая это значение минимальной средней мощности с полученным выше (Рф min > > 300 пВт) с учетом шумов, находим, что шумы приводят к ухудшению чувствительности. Необходимое минимальное значение принимаемой оптической мощности при этом (при шумах) на два порядка выше абсолютного квантового предела чувствительности ЛФД.

Так как передача «1» и «0» равновероятны, то при коэффициенте эффективности η = 1 в соответствии с выражением (3.6) на 1 бит приходится 10 принимаемых фотонов.

Это в идеальном случае, это абсолютный квантовый предел чувствительности идеального ЛФД, и тот минимум принимаемого оптического сигнала на входе ОПМ, который позволяет обработать (выделить) фототок.

3.5. Построение регенерационных секций

3.5.1. Структура регенерационной секции и особенности ее построения

Определение регенерационной секции как составного элемента СЛТ приведено в подразд. 3.1.1, а блок-схема ее одного направления передачи, поясняющая данное определение, изображена на рис. 3.1. Для более подробного рассмотрения регенерационной секции на рис. 3.39 показана структурная схема двусторонней RS, которая в прямом и обратном направлениях передачи имеет одинаковое построение. Из рисунка следует, что в состав каждого направления передачи входят следующие основные устройства:

блок начала (передающая часть) регенерационной секции НРС;

оптический передатчик ОПД;

одномодовые волокна оптических секций ОС;

оптический приемник ОПМ;

регенератор электрического сигнала РЭС;

блок окончания (приемная часть) регенерационной секции ОРС.

Рис. 3.39

В начале СЛТ в тракте передачи (точка С в пункте доступа ОП1) на вход блока НРС поступает почти полностью сформированный сигнал STM-N, однако в этом ЦГС еще отсутствуют байты заголовка RSOH. Функциональные блоки НРС в структуре СЛТ являются источниками этих заголовков, в них заголовки формируются и вводятся в структуру цикла передачи модуля STM-N. Результирующий ЦГС модулирует излучение ОПД, с выхода которого оптический ЦЛС передается через одномодовое волокно ОС и поступает на вход ОПМ соседнего регенератора.

В приемной части регенератора полученный на выходе ОПМ электрический сигнал восстанавливается в РЭС и подается на вход блока ОРС, в котором заголовок RSOH принимается, обрабатывается и используется. При этом часть байтов из принятого заголовка передается с выхода блока ОРС на вход блока НРС следующей RS. В этом блоке формируется и вводится в структуру цикла передачи сигнала STM-N новый заголовок RSOH для своей RS - и так до конца СЛТ, т. е. до пункта доступа ОП2, как показано на рис. 3.39. Точки С между блоками ОРС и НРС в структурной схеме двустороннего регенератора являются окончанием» предыдущих и началом последующих RS в обоих (противоположных) направлениях передачи.

Приведенная и кратко рассмотренная структурная схема позволяет отметить некоторые особенности построения регенерационной