PRACTICE / Глава 3. Временное группообразование или мультиплексирование в цсп икм-врк
.pdfГлава 3. Временное группообразование или мультиплексирование в ЦСП ИКМ-ВРК
3.1. Иерархии и стандарты ЦСП ИКМ-ВРК
Цифровыесистемыпередачи,используемыенателекоммуникационныхсетях, строятся на основе определенной иерархии, которая должна удовлетворять следующим основным требованиям:
-передача по каналам и трактам ЦСП всех видов аналоговых, дискретных
ицифровых сигналов;
-кратность скоростей обработки и передачи сигналов на различных ступенях иерархии;
-возможность достаточно простого объединения, разделения, выделения и транзита передаваемых цифровых потоков;
-выбор параметров ЦСП с учетом характеристик существующих и перспективных направляющих систем;
-возможность взаимодействия ЦСП с аналоговыми системами передачи и различными системами коммутации.
Формирование ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низкого порядка, называемых компонентными, в единый цифровой поток, который называется групповым, или агрегатным. Для рационального построения ЦСП необходимо, чтобы число каналов тональной частоты, на которое они рассчитываются, было бы кратным стандартному числу. Сущность любого объединения заключается в том, что информация, содержащаяся в компонентных потоках, записывается в запоминающее устройство, а затем поочередно считывается в моменты, отводимые ей в агрегатном потоке. Различают объединение
-синфазно-синхронных или изохронных цифровых сигналов, которые обладают одной и той же тактовой частотой и одной и той фазой;
-синхронных или мезохронных цифровых сигналов, которые обладают одной и той же тактовой частотой, но различными фазами;
-плезиохронных или асинхронных сигналов, которые обладают в cpеднем
одной и той же частотой, но возможны изменения тактовой частоты некоторых пределах.
Объединение изохронных потоков особых проблем не вызывает. Примером такого объединения является формирование первичных цифровых потоков, где компонентными цифровыми потоками являются потоки основного цифрового канала. При объединении синхронных потоков, скорости которых совпадают, но начала их отсчетов произвольно смещены друг относительно друга, необходимо вводить в агрегатный (объединенный) поток специальный синхросигнал, указывающий порядок объединения: после
синхросигнала передается информация первого компонентного потока, затем - второго и т.д.
В наиболее общем случае объединения асинхронных (плезиохронных) компонентных потоков в агрегатный помимо синхросигнала, указывающего порядок объединения, вводится служебная информация, обеспечивающая необходимое согласование объединяемых потоков.
Операции разделения потоков являются обратными операциям объединения: информация агрегатного потока записывается в запоминающие устройства, соответствующие компонентным потокам, а затем считывается со скоростями компонентных потоков. При формировании объединенного - агрегатногоцифрового сигнала возможны такие способы объединения цифровых потоков:
-посимвольное или по разрядам: вначале считывается и передается первый разрядпервогокомпонентногопотока,затем - второгои т.д;послесчитывания первогоразрядапоследнегокомпонентногопотокасчитывается второй разряд первого потока, т. е. цикл повторяется (рис. 3.1);
-по группе символов, например, в агрегатном потоке можно вначале передать все символы, относящиеся к каналу (поканальное объединение) или циклу передачи (посистемное объединение) первого потока, затем - такую же группу символов второго потока и т. д. (рис. 3.2).
Рис. 3.1. Структура цикла передачи цифровых систем передачи с посимвольным объединением цифровых потоков
Рис. 3.2. Структура цикла системы передачи с поканальным объединением цифровых потоков
При посимвольном объединении импульсы цифровых сигналов объединяемых потоков укорачиваются и распределяются во времени так, чтобы в
2
освободившихся интервалах могли разместиться вводимые импульсы других потоков.
При поканальном или системном объединении цифровых потоков сужаются и распределяются во времени интервалы, отводимые для кодовых групп или циклов. Синхросигнал необходим для правильного распределения цифровых потоков на приемном конце. В настоящее время приняты два вида иерархии ЦСП:
-плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ) или Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH), где принято посимвольное объединение цифровых потоков;
-синхронная цифровая иерархия (СЦИ) или Synchronous Digital Hierarchy (SDH), использующая побайтное объединение (в агрегатном цифровом потоке последовательно передаются байты - восьмиразрядные группы символов объединяемых потоков). Такой способ объединения определяется тем, что в системах передачи СЦИ используется элементная база, общая с элементной базой быстродействующих ЭВМ, в которых обработка информации осуществляется побайтно.
Иерархический принцип построения ЦСП позволяет унифицировать каналообразующее оборудование, упростить процессы производства, внедрения и технической эксплуатации соответствующего оборудования и в целом повысить технико-экономические показатели телекоммуникационных систем и сетей.
При построении ЦСП в качестве исходного используется сигнал основного цифрового канала ОЦК (или DSO - Digital Signal of level 0) со скоростью 64 кбит/с.
3.2Объединение цифровых потоков в плезиохронной цифровой
иерархии
Плезиохронная цифровая иерархия включает в себя три стандарта скоростей сложившихся к началу 80-х годов прошлого века.
Первый стандарт, называемый североамериканским (принятый в США и Канаде), где скорость первичного цифрового потока ПЦК (или DS1 - Digital Signal of level 1) была выбрана равной 1544 кбит/с, соответствующая 24 DS0 (ОЦК).
Второй стандарт, принятый в Японии, использует ту же скорость первичного цифрового потока, что и североамериканский стандарт, т. е. DS1.
В третьем стандарте, принятом в Европе и Южной Амери ке, скорость первичного цифрового потока (ПЦК) была выбрана равной 2048 кбит/с, соответствующей 32 ОЦК. Фактически используется 30 ОЦК плюс два канала (СУВ и цикловой синхронизации) со скоростью передачи 64 кбит/с.
Первый стандарт ПЦИ включает в себя следующую последовательность скоростей: 1544 (или DS1) - 6312 (или DS2) - 44736 (или DS3) -274176 (или
DS4) кбит/с (округленно: 1,5 - 6 - 45 - 274 Мбит/с). Такая последовательность соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: n = 24 для формирования сигнала DS1 из 24 сигналов DS0, т = 4 для формирования сигнала DS2 из 4 сигналов DS1, l = 7 для формирования сигнала DS3 из 7
3
сигналов DS2 и к = 6 для формирования сигнала DS4 из 6 сигналов DS3. Данный стандарт ПЦИ позволяет организовать 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (или ОЦК). Цифровые сигналы уровней DS1 - DS2 - DS3 - DS4 обычно называют первичным цифровым каналом (потоком) - ПЦК(П), вторичным цифровым каналом (потоком) - ВЦК(П), третичным цифровым каналом (потоком) - ТЦК(П) и четверичным цифровым каналом (потоком) - ЧЦК(П) соответственно.
Второй стандарт ПЦИ, порожденный скоростью 1544 кбит/с, давал по-
следовательность 1544 (или DS1) - 6312 (или DS2) - 32064 (или DSJ3) - 97728 (или DSJ4) кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1,5 — 6 — 32 - 98 Мбит/с). Коэффициенты мультиплексирования для данного стандарта соответственно равны п = 24,т = 4,1 = 5,к = 3. Указанная иерархия позволяет организовать 24, 96, 480 и 1440 каналов DS0 (или ОЦК). Здесь сигналы DSJ3 и DSJ4 называются цифровыми каналами (или потоками) 3-го и 4-го уровней японской ПЦИ.
Третий стандарт ПЦИ, основанный на скорости 2048 кбит/с, порождает последовательность 2048 (или Е1: первичный цифровой канал (поток) - 8448 (или Е2: вторичный цифровой канал (поток) - 34368 (или ЕЗ: третичный цифровойканал-поток)- 139264(илиЕ4:четверичныйцифровойканал(поток)
-564992 (или Е5: пятеричный цифровой канал (пот кбит/с или приближенно 2
-8 - 34 - 140 - 565 Мбит/с, что соответствует коэффициентам мультиплексирования, равным п = 30, т = 1 и к = 4. Это стандарт называется европейским и позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 ОЦК, что обычно ассоциируется с названием цифровых систем передачи типа ИКМ-30 (или поток Е1), ИКМ-120 (поток Е2), ИКМ-480 (поток ЕЗ) и ИКМ1920 (поток Е4). Схема мультиплексирования цифровых потоков ПЦИ различных стандартов представлена на рис. 3.3.
Параллельное развитие трехразличныхстандартов ПЦИсдерживалоразвитие глобальных телекоммуникационных сетей, и поэтому Международным СоюзомЭлектросвязипотелекоммуникациям(МСЭ-Т)былисделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт, согласно которому:
1) стандартизованы три первых уровня первого стандарта ПЦИ (DS1-DS2- DS3),четыреуровнявторогостандарта(DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыреуровня третьего стандарта ПЦИ (Е1-Е2-ЕЗ-Е-4) в качестве основных при построении цифровых систем передачи на основе ИКМ и временного разделения каналов;
4
Рис. 3.3. Схема мультиплексирования (—) и кросс-мультиплексирования (---) в североамериканском (САС), японском (ЯС) и европейском (ЕС)
стандартах ПЦИ
2)рекомендованы схемы кросс-мультиплексирования стандартов, например из третьего стандарта в первый (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), что и показано на рис. 3.3 (коэффициенты мультиплексирования показаны на линиях связи блоков, представляющих скорости передачи);
3)сохранена ветвь 32064...97728 кбит/с (округленно 32...98 Мбит/с) втором стандарте, т.е. уровни DSJ3 и DSJ4, параллельные уровням DS3 в первом стандарте и Е4 в третьем стандарте.
Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню ЕЗ, что облегчает кроссмультиплексирование со второго уровня на третий.
Поскольку основу ПЦИ составляют первичные потоки Е1 и DS1, рассмотрим их временную структуру или временной спектр.
3.2.1.Построение цикла первичного цифрового потока Е1
Первичный цифровой поток построен на основе сверхциклов, циклов, канальных интервалов (КИ) и тактовыхинтервалов (ТИ). Канальныйинтервал - время,втечениекоторогопередаетсяодинзакодированныйотсчет,тактовый интервал - время, в течение которого передается один разряд (символ) кода - нуль и единица (обозначение 0/1 соответствует передаче в данном тактовом интервале случайного сигнала).
Сверхциклпередачи(СЦ)соответствуетминимальномуинтервалувремени,за который передается один отсчет каждого из сигнальных (СК) и каналов передачи аварийной сигнализации (потеря сверхцикловой или цикловой синхронизации).
Совокупность 32 канальных интервалов образует цикл передачи Ц,
длительность которого |
Тц |
равна 125 мкс и соответствует периоду дискре- |
||||
тизации |
Тд 16 циклов |
|
|
(с Ц0 |
поЦ15) в течение |
|
|
первичного цифрового потока |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
5 |
которых передаются сигналы управления и взаимодействия (СУВ) тридцатиТсц = телефонных каналов, составляют сверхцикл СЦ, длительность которого
аждый цикл, как отмечено выше, подразделяется на 32 канальных интервала |
|
2 мс |
|
длительностью. |
Из них 30 интервалов (К |
для передачи сигналов по основному цифровому каналу |
|
К( И31) отводятсяТки = 3,906 мкс |
И1 −КИ15 и КИ17 − |
ОЦК). Каждый КИ состоит из восьми разрядных интервалов - РИ- 1,2, 3, ...,
7, 8, длительность которых |
|
|
|
Половина разрядного интервала |
|||
может быть |
занята |
передачей единицы - прямоугольного импульса |
|||||
|
Тр = 488 нс |
|
|||||
длительностью |
|
|
При передаче нуля импульс в разрядном |
||||
интервале |
отсутствует. Интервалы К |
в четных циклах предназначаются для |
|||||
|
Тн = 244 нс |
|
|||||
передачи циклового синхросигнала -ИЦСС0 |
, имеющего вид |
||||||
Рис. 3.4. Структура цикла и сверхцикла первичного цифрового потока Е1
0011011 и занимающего разрядные интервалы 2 - 8. В 1 -м разрядном интервале X всех циклов передается информация постоянно действующего канала передачи дискретной информации (ПДИ). В нечетных циклах 3-й (А) и 6-й(3)разрядныеинтервалыиспользуютсядляпередачиинформацииопотере цикловой синхронизации (Авария ЦС) и контроля снижения остаточного затухания каналов (Ост. затухание) до значения, при котором в них может возникнуть самовозбуждение. Разрядные интервалы 4, 5, 7 и 8 являются свободными (х), их занимают единичными сигналами для улучшения работы выделителей тактовой частоты.
6
В интервале КИ16 нулевого цикла (Ц0) передается сигнал сверхцикловой синхронизации вида 0000 (1 - 4-разрядные интервалы), а также СИГНАЛ О потере сверхцикловой синхронизации (6-й разрядный интервал У – Авария
СЦС). Остальные три разрядных интервала свободны (х). В канальном |
|||||||
управления и |
И16 |
Ц1 |
−Ц15 |
) передаются |
сигналы |
||
интервале |
К |
остальных циклов ( |
|
||||
|
взаимодействия (СУВ) приборами АТС, причем в |
|
|
на |
|||
позициях1-го и 2-горазрядныхинтерваловпередаютсясигналы1 |
|
каналов |
|||||
Ц- 151 −Ц15 |
|
||||||
тональной частоты, на позициях 5-го и 6-го интервалов передаются сигналы для 17-31 каналов и т. д. Разрядные интервалы 3, 4, 7 и 8 свободны, но могут быть использованы для организации сервисных каналов различного назначения.
В цикле размещается 32x8 = 256 символов или |
|
Скорость |
|
рассчитана по формуле |
|
цифрового потока, в самом общем случае, может быть б = 32 байт |
|
|
С = 0,064* , Мбит/с |
(3.1) |
|
СЕ1 = 0,064 б = 0,064 32 = 2,048 Мбит/с |
|
|
Для потока Еб1 скорость равна |
|
|
3.2.2. Построение цикла первичного цифрового потока DS1
Структура первичного цифрового потока DS1 представлена на рис. 3.5. Цикл содержит 24 восьмиразрядных канальных интервала КИ и один дополнительный символ в конце каждого цикла. Этот символ, принимая
Рис. 3.5. Структура цикла первичного цифрового потока DS1 поочередно в последовательных циклах значения 1 и 0 образует распределенный цикловой синхромксигнал (ЦСС) 1010101 ... Из сказанного
следует, что в цикле размещаетсяТц = 125 24*8+1=193 символа, или 24,125 байта с Собщей=длительностью0,064 = 0,064 24,125 =Для1,544потокаМбитDS/1с скорость передачи равна
1 б
Первый разряд каждого из 24 КИ используется для образования каналов передачи сигналов управления и взаимодействия; причем для создания двух сигнальныхканалов,предназначенных дляобслуживанияодного телефонного
7
канала, упомянутый разряд переносит информацию, например, первого сигнального канала в четных циклах, а второго сигнального канала - в нечетных циклах. В дальнейшем будет рассматриваться объединение цифровых потоков для европейского стандарта ПЦИ.
3.3. Асинхронное объединение цифровых потоков
3.3.1. Временные сдвиги и неоднородности. Согласование скоростей
При объединении компонентные цифровые потока записываются в за-
поминающее устройство (ЗУ) с частотой записи |
затем считываются, |
|
образуя агрегатный цифровой поток с частотой считыванияз а |
кратной так- |
|
товой частоте агрегатного цифрового потока. |
Естественно,сччто скорость |
|
записи равна скорости поступления входного потока, а скорость считывания - скорости его передачи в агрегатном потоке. Как было сказано ранее, при асинхронном объединении скорости записи компонентных потоков различны, а скорость считывания одинакова для всех потоков.
Механизм записи и считывания цифровых потоков может быть проиллюстрирован на примере бассейна, в который вода поступает по одной трубе,
а вытекает по другой. При этом, если скорость |
|
с которой вода поступает в |
||
бассейн, больше скорости |
|
с которой она |
вытекает, то через некоторое |
|
|
|
С1 |
|
|
время, пропорциональное |
разности этих скоростей, бассейн переполнится. |
|||
С2 |
|
|
|
|
Для поддержания постоянства уровня воды в бассейне достаточно ввести
дополнительную трубу, по которой вода вытекает со скоростью С = |
||
Если |
|
ввести в |
|
|
то для постоянства уровня воды в бассейне достаточноС1 −С2 |
по которой вода вытекает из бассейна, периодически закрываемую |
||
трубуС,1 |
< С2 |
|
заслонку.
Аналогичное происходит в ЗУ: если скорость записи больше скорости считывания, то для того чтобы ЗУ не переполнилось, необходимо периодически производить дополнительное считывание со скоростью, пропорциональной разности скоростей записи и считывания, а считанную при этом информацию передавать по специальному дополнительному каналу. Если скорость записи меньше скорости считывания, то для того чтобы ЗУ не опустошалось,необходимопериодическипроизводитьзапретсчитывания,т.е. вводить в считанный цифровой поток информационные пустоты - вставски (или стаффинг). Очевидно, что информация, передаваемая по дополнительному каналу, так же как и информационные пустоты, должны поступать в приемную часть оборудования временного группообразования или мультиплексирования в сопровождении специальных команд. Рассмотренный процесс называется согласованием скоростей, причем если скорость записи превышает скорость считывания, то процесс называется
отрицательным согласованием скоростей, а если скорость записи меньше скорости считывания - положительным согласованием скоростей.
Рассмотрим более подробно процесс согласования скоростей. Из-за различия скоростей записи и считывания образуется временной интервал (ВИ) между
8
моментами |
записи |
и |
считывания, |
который изменяется после каждого |
||||||||||
∆ = з − сч |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
считывания на величину |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
з = 1/ з |
|
-сч = 1/ сч |
|
|
|
(3.2) |
|
||||||
= 3/ сч |
|
|
|
|
- периоды записи и считывания соответственно; |
|||||||||
Где |
|
|
|
|
и |
|
|
|
|
|||||
з.н. |
− з.н. |
3 |
≤ 3 |
округленное до ближайшего целого отношение периода |
||||||||||
≤ з.н. |
+ з.н. 3 |
|
(3.4) |
|
||||||||||
записи к периоду считывания. В свою очередь, |
|
|||||||||||||
сч.и − сч.-н сч |
≤ сч |
≤ сч.и |
+ сч.н сч |
|
(3.3) |
|
||||||||
-з.н., сч.и |
номинальные частоты записи и считывания соответственно; |
3 , сч |
||||||||||||
тех |
|
∆ < 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относительная нестабильность частот записи и считывания соответственно. |
||||||||||||||
Если |
|
сч |
то ВИ между моментами записи и считывания увеличивается до |
|||||||||||
|
пор, |
− ∆ до сч |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
пока не |
|
стигнет максимального значения, которое находится в |
|||||||||||
пределах |
|
|
|
|
|
|
При следующем считывании этот интервал окажется |
|||||||
минимальным в пределах от 0 до |
|
а в считанной последовательности |
||||||||||||
произойдетотрицательный |
временнойсдвиг(ВС)равныйпериодуследования |
|||||||||||||
|
∆ |
|
|
|||||||||||
считывающих импульсов, после чего вновь начинается процесс увеличения ВИ. При отсутствии временного сдвига интервал между считанными
символами составляет |
при наличии временного сдвига этот интервал |
|||||||
1) |
Если |
|
|
то временной интервал |
между |
|||
оказывается равным (к- сч |
|
уменьшается до тех пор, пока не достигнет |
||||||
моментами записи и считыванияс |
||||||||
|
∆ > 0 |
|
|
|
|
|||
минимального значения в пределах от 0 до |
При следующем считывании |
|||||||
этот интервал окажется максимальным (в |
∆пределах |
сч − ∆ до сч |
), а в |
|||||
считанной последовательности произойдет |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
положительный временной сдвиг |
||||
(ВС) равный периоду следования считывающих импульсов. В последующем вновь начинается процесс увеличения ВИ. При отсутствии временногосч сдвига интервал между считанными символами составляет k с при наличии временного сдвига этот интервал оказывается равным (к+1)
Очевидно, что частота формирования ВС зависит от соотношения частот
записи и считывания. При этом число информационных символпередаваемых |
||||
где= | сч/( з |
− сч)| |
|
|
|
между двумя соседними ВС, определяется по формуле |
|
|||
|
|
|
|
(3.5) |
сочетание |
ent означает округление до ближайшего целого значения |
|||
вс = ( + 1) сч |
|
- целое число, то считанная |
импульсная |
|
величины сч/( з − сч) а период возникновения сдвигов равен |
(3.6) |
|||
Если |
сч/( з − сч) |
|
|
|
|
|
|
|
|
последовательность представляет |
собой |
однородную последовательность, |
||
|
сч/( з − сч) |
|
|
|
имеющую равное число информационных символов между соседними ВС. |
||||
Если |
|
- дробное |
число, |
то в считанной импульсной |
последовательности возникают неоднородности, выражающиеся в изменении интервала между ВС в сторону уменьшения или увеличения на один пери частоты считывания. Эти неоднородности возникают с периодичностью определяемой разностью
9
з− сч − = ± / |
|
сч |
(3.7) |
где l - число ВС, составляющих цикл возникновения неоднородной п - число неоднородностей в этом цикле. Знак разности в (3.7) указывает на характер изменения (увеличения или уменьшения) интервала меж ВС при возникновении неоднородности: при положительной разнос происходит
увеличение интервала между ВС, а при отрицательной уменьшение. |
|
состоящейз = 13/16 |
|
На рис. 3.6 показан механизм возникновения ВС и неоднородной для случая, |
|
когда сч |
Здесь и далее реальный сигнал от источника информации, |
из единиц и нулей, для упрощения заменим сигналом, состоящим
только из единиц.
В считанной импульсной последовательности (рис. 3.6,а) имеются
положительные ВИ с периодом, равным 5 сч и включающим три ВС, из которых один с неоднородностью.
Рис 3.6. Временные диаграммы возникновения временных сдвигов
инеоднородностей:
а- импульсные последовательности записи; б - считывания;
в- последовательность считанных импульсов
Число информационных символов между соседними ВС для нашего примера |
|||||
При |
сч |
з |
сч |
сч/ з |
13/16 |
= | |
/( |
− |
)| = 1 − сч/ з = 1 −13/16 = 4 |
||
равно (3.5) |
|
|
|
|
|
сопряжении асинхронных цифровых потоков частота считывания выбирается всегда выше частоты записи. Это объясняется необходимостью
передачи |
дополнительной служебной информации (сигналов |
цикловой |
|||
сч = сч.и |
+ сл |
|
|
||
синхронизации, служебной связи, контроля и др.). Поэтому |
сл |
||||
|
сч.и |
|
|
||
|
|
|
|
(3.8) |
|
Где |
|
- |
частота считывания информационных символов; |
|
- частота |
следования служебных символов.
Служебные символы должны передаваться на позициях ВС в считанной последовательности. При этом необходимо, чтобы ВС формировались на строго определенных позициях в цикле передачи. Для того чтобы неоднородности, возникающие при асинхронном объединении цифровых потоков, не изменяли положения ВС в цикле передачи, необходимо в пе-
10