В телефонной сети

Инфраструктура телефонной сети строилась по функциональному принципу: доступ, коммутация, передача. Составляющая “доступ” включает оборудование и каналы связи, которыми абонент подключен к центральной АТС. Это абонентские линии и контроллеры абонентских линий. Коммутация включает в себя оборудование, отвечающее за соединение абонентов между собой. Но если соединяемые абоненты принадлежат разным АТС, то существенной становится передача по магистральным каналам связи.

Технология передачи традиционно играет роль звена, соединяющего коммутаторы, и поэтому включает оборудование и каналы связи для организации соединений между АТС. Несложно предвидеть, что в любой момент может потребоваться достаточно большое количество соединений между коммутаторами АТС. Поэтому технология передачи практически всегда включает мультиплексирование какого-либо вида. Сам вид мультиплексирования определяется характером передаваемых сигналов и физической средой их распространения.

Рассмотрим проводные системы. Первые телефонные сети представляли собой аналоговые проводные системы передачи (например, системы типа N, N - Carrier). Речевая информация передавалась в форме широкополосных аналоговых сигналов. Коммутирующие узлы поддерживали выделенные каналы для передачи широкополосных сигналов. Поэтому оптимизация системы передачи сводилась к известному методу частотного мультиплексирования: ведь для передачи разговора достаточна полоса в

4000 Гц. Мультиплексирование с частотным разделением (FDM) до сих пор играет важную роль в современных телекоммуникационных системах. Но оно тоже имеет недостатки. И связаны они с проблемой качества сигнала.

То, что сигналы затухают, не является неожиданным. Для поддержки энергии сигнала при передаче на большие расстояния служат усилители. Но они не обладают избирательностью и усиливают все, что попадает на вход. А это не только сигналы, но и шумы, и помехи. И вот после нескольких усилителей на линии полезный сигнал можно уже не опознать из-за помех. Кроме того, для сохранения качества сигнала усилители должны обладать строго линейными характеристиками, что усложняет и удорожает аппаратуру. Поэтому в большинстве современных проводных сетей был взят курс на цифровые технологии.

Первая цифровая система передачи по металлическим проводам между АТС в Чикаго и АТС в Скоки (штат Иллинойс) была введена компанией AT& T в 1962 г. С этого времени начался лавинообразный процесс по переводу обмена между АТС на “цифру”. Но ведь этот перевод связан с проблемой преобразования широкополосного голосового сигнала в узкополосный с помощью, например, импульсно – кодовой модуляции. Так стоит ли “овчинка выделки”? Ответ так же прост, как сама двоичная цифра. В отличие от усиления затухающего аналогового сигнала с помощью усилителя, цифровой сигнал воспроизводится с помощью повторителя в точно том же виде, как в месте его генерации, свободным от помех. Важно только поставить повторитель в таком месте на линии, где “1” и “0” еще твердо распознаются как “1” и “0”. И по назначению в приемник приходит точная копия сигнала передатчика. Одного этого аргумента вполне достаточно для обоснования перехода на “цифру”. Кроме того, цифровые системы являются ключевыми, а не линейными, поэтому существенно дешевле.

Как выполняется аналогово-цифровое преобразование с помощью кодера и обратное с помощью декодера, мы уже рассматривали. Стоит лишь отметить, что на протяжении последних сорока лет цены электронного оборудования все время снижались, и местоположение речевого кодера в телефонной сети сместилось из центра (между АТС) на край, к самому пользователю: сначала между коммутатором и абонентскими линиями, а затем непосредственно в телефонную трубку.

Полоса частот широкополосного речевого сигнала ограничена 4000 Гц. Для его передачи по критерию Найквиста требуется 8000 отсчетов, каждый отсчет кодируется 8-разрядным двоичным числом. Скорость результирующего потока данных на выходе преобразователя составляет 8000 × 8 = 64000 бит/с. Эта скорость передачи сигналов называется “цифровым сигналом уровня 0” или просто DS-0 (Digital Signal level 0), иначе – “канал Т1”.

Для узкополосных каналов применяется мультиплексирование с разделением времени (TDM). Концепция мультиплексирования Т1 весьма проста: в режиме TDM объединяются 24 канала DS-0 в один кадр Т1, для передачи по четырехпроводной полнодуплексной линии связи. К суммарной пропускной способности 64 кбит/с × 24 = 1536 кбит/с добавляется служебная информация кадров Т1 размером 1бит × 8000 1/с = 8 кбит/с. Таким образом, скорость передачи по линии Т1 составляет 1, 544 Мбит/с. Формат кадра показан на рис. 8.1.

Рис.8.1. Формат кадра Т1

Кадрирующий бит F используется для синхронизации кадров.

С₁ – С₂₄ – речевые каналы.

В одном кадре Т1 содержится 8 бит × 24 + 1 бит = 193 бита, которые должны быть переданы за 125 мкс. И снова при скорости передачи

8000 кадров/с скорость канала составляет 1, 544 Мбит/с. При этом одновременно могут поддерживаться 24 разговора между 24 парами абонентов.

Для организации соединения необходим обмен служебными сигналами между АТС. В кадре Т1 для них места нет. Тогда был найден “элегантный ” выход: формируется суперкадр Т1, состоящий из 12 простых кадров Т1. Он содержит 193 бит × 12 = 2316 бит, которые пропускаются уже не за 125 мкс, а за 125 × 12 = 1500 мкс = 1, 5 мс. В составе суперкадра содержится 12 информационных, кадрирующих бит. 6 из них, принадлежащих нечетным кадрам 1, 3, 5, 7, 9 и 11, используются по прямому назначению для синхронизации, а остальные 6 – для других целей. Например, для указания тех кадров, в которых присутствует сигнальная информация. В частности, для этого используются кадры 6 и 12. В них в каждом речевом канале кодирование отсчета осуществлено не 8-разрядным, а 7-разрядным двоичным числом, младший же 8-й разряд отводится под сигнальную информацию, всего 24 бита на кадр. Такой способ загрубления не вызывает заметного ухудшения речевого сигнала, так как “усечения” происходят настолько редко (в 16 % кадров) и настолько малы, что просто не воспринимаются человеческим ухом.

В соответствии с известной пословицей про аппетит, был определен новейший формат кадра Т1, получивший название “расширенный суперкадр”. Он состоит из двух суперкадров, объединенных вместе. В такой конструкции еще больше возможностей для переноса сигнальной информации о расширенных сервисных функциях (контроль ошибок, тестирование). На этом пока остановились.

Сама линия связи Т1 строится следующим образом. Линия соединяется с другими участками телефонной сети через терминальные мультиплексоры. Если по другую сторону терминального мультиплексора находится аналоговый телефонный аппарат, то в мультиплексоре осуществляется и преобразование аналог – цифра. Если по другую сторону терминального мультиплексора находится какое-либо сетевое устройство, например, маршрутизатор или транзитный коммутатор, то этот терминальный мультиплексор выполняет преобразование форматов сигналов из линии в формат сопрягаемого устройства. Таким образом, терминальные мультиплексоры – разные устройства, а собственно линия Т1 – это все то, что размещается между терминальными мультиплексорами Т1. Но это не только провода, обычно две витые пары (рис.8.2).

Рис.8.2. Построение линии Т1

Если через каждые 1828 м (это 6000 футов, примерно 1 морская миля) устанавливать повторители, то длина линии Т1 не ограничивается. Эта дистанция определена из условия гарантированного распознавания двоичных сигналов “0” и “1” (часто в системах кодирования сигналы имеют от ±3В до ±6В). На линии Т1 могут устанавливаться мультиплексоры ввода / вывода для манипулирования отдельными каналами DS – 0 (всего в линии их 24). Например, мультиплексор ввода/вывода, размещенный в здании офиса, может изъять, вывести до 6 каналов DS–0 для использования их внутри здания. Через этот же мультиплексор освободившиеся каналы могут быть заполнены трафиком из другого источника. Таким образом, через мультиплексоры ввода/вывода можно управлять пропускной способностью (правда, только в сторону уменьшения) и манипулировать трафиком. Для расширения такой возможности применяются кросс-соединения, во время которых каналы DS – 0 извлекаются из одной линии Т1 и помещаются в другую. Это бывает полезно для обхода аварийных участков сети (по аналогии с транспортной развязкой).

Технология Т1 изначально разрабатывалась как система мультиплексирования и передачи для соединения телефонных коммутаторов различных АТС. В этом качестве она прослужила много лет и продолжает служить. Но сеть растет, и сегодня наличие телефонного аппарата в каждой квартире стало нормой. Однако в новостройках этого нет. Не хватает емкости АТС. Можно, конечно, расширять существующие АТС или строить новые. А можно подойти и с другой стороны.

Для использования телефонных линий с целью передачи данных на высоких скоростях также необходим рост пропускной способности. В этой связи была разработана иерархия мультиплексирования, существенно расширяющая возможности Т1. Ступени этой иерархии – уровни, принятые в Америке, Европе и Японии, приведены в табл.8.1.

Таблица 8.1

Уровни передачи данных по Т1 в различных регионах

Уровень DS-1 достигается уже известным способом: мультиплексированием 24 каналов DS-0, что и сделано в линии Т1. “Сборка” 4 каналов DS-1 уже обеспечивает уровень DS-2. И, наконец, 7 каналов DS-2 мультиплексируются в один канал DS-3. Более высокие уровни на металлических проводниках никогда воплощены не были. Такие скорости передачи требуют уже не проводов, а волноводов, что резко удорожает и укорачивает линию связи.

На рис. 8.3 показана технология двухступенчатого мультиплексирования М1/3.

Рис. 8.3. Двухступенчатое мультиплексирование

Мультиплексор М1/3 объединяет 4 × 7=28 линий Т1 в одну Т3, что и обеспечивает сервис D-3.

Однако, сразу бросается в глаза арифметическая “ошибка”: 1, 544 × 4 = 6, 176 ≠ 6, 312. Откуда взялась дополнительная скорость? Если при мультиплексировании Т1 потребовалось ввести служебную информацию и это привело к уменьшению скорости, то при переходе к Т2 также должны быть дополнительные затраты на служебную информацию. Однако места для нее оказалось слишком много, и невостребованные места заполняются данными. Это и привело к увеличению скорости передачи. Безусловно, технически мультиплексор Т2 (как и Т3) сложнее Т1. Похожий “арифметический казус” с Т3 (6, 312 × 7 = 44, 184 ≠ 44, 736) объясняется подобными причинами.

Выполнение операции “заполнения” привело к тому, что в пределах Т3 уже невозможно выделить только одну линию Т1 для манипуляции типа ввод/вывод или кросс - соединения. Нужна полномасштабная процедура демультиплексирования, что препятствует эффективности и рентабельности расширения сервисов Т1.

Большего из металлических линий извлечь не удалось. Тогда занялись оптоволоконными линиями. В начале 1980-х гг. оптоволоконная технология применялась почти исключительно лишь для реализации скорости D-3

(~ 45 Мбит/с). По одномодовому волокну с помощью временного уплотнения TDM переносилось несколько потоков D-3. При этом чаще других применялась скорость передачи 565 Мбит/с (это уровень Е-5). Самую большую проблему составлял тот факт, что как сами технологии, так и оборудование для их реализации принадлежали одному производителю. Это противоречит концепции открытости и препятствует внедрению.

В середине 80-х гг. ХХ в. компания Telecordia (США) предложила новую технологию передачи по оптоволоконным проводникам, которая получила название “Синхронная Оптическая Сеть” – SONET. Параллельно были согласованы иерархии скоростей в разных частях света. Их отличия хорошо видны по приведенной выше табл.8.1. За базовую скорость была принята скорость 51, 84 Мбит/с, что соответствует уровню D-3 в металлических проводах. Это значит, что поток D-3 отображается в базовый поток SONET STS-1 и еще есть место для служебной информации.

Глобальный аналог стандартов SONET, охватывающий территорию всех континентов, известен как стандарт синхронной цифровой иерархии (SDN) (табл.8.2).

Таблица 8.2

Стандарты SDN

Обратите внимание: более высокие уровни в точности кратны основному и нижележащим, а базовая скорость STМ – 1 соответствует скорости Е - 4 для металлических проводов. Все это обеспечивает совместимость оптических сетей по всему миру. Кроме этого:

- SONET обеспечивает доступность полезной информации вплоть до уровня DS – 0 (64 кбит), не мешая манипуляциям ввода/вывода и кросс – соединениям;

- при организации сети в виде двунаправленного логического кольца она отличается повышенной устойчивостью к отказам;

- присутствие в сетях SONET служебных каналов передачи данных ресурсом 768 кбит/с (половина Т1) приводит к сокращению эксплуатационных затрат операторов связи и повышению уровня сервиса. И, в завершение, SONET, по убеждению многих специалистов, может стать базой для разработки новой технологии – спектрального уплотнения (WDM – Wavelength- Division Multiplexing), которая обещает значительно сократить стоимость пропускной способности каналов.

Схема простого участка сети представлена на рис. 8.4.

Рис.8.4. Участок сети SONET

Секция имеет длину от 38, 6 км до 115, 8 км. В соответствии с такой структурой сети протоколы Физического уровня модели ВОС/МОС для SONET превращаются в стек:

- формирование полезной нагрузки кадра

- составление кадра STS - N

- управление передачей

- электрооптическое преобразование

Из многих современных источников, посвященных анализу сетей телекоммуникаций, известно, что потребность в пропускной способности к началу ХХI века удваивалась через каждые 9 месяцев. В качестве причины такого явления называется рост применения информационных технологий в самых различных сферах человеческой деятельности.

И вновь конструкторская мысль обратилась к возможности “уплотнить” сигнал в имеющейся среде передачи. Но это - оптический волновой сигнал. Значит, можно применить аналог частотного мультиплексирования. Технология спектрального уплотнения – мультиплексирования с разделением длин волн (WDM) позволяет “объединять” хоть 100 потоков разных длин волн, лишь бы они уверенно различались. В разрабатываемых системах выбираются частоты потоков с одинаковым шагом порядка 50 ГГц. Сравнение “чистой” SONET с пропускной способностью STS – 48

(~ 2, 5 Гбит/с) и оснащенной мультиплексором WDM – 100, обеспечивающей пропускание ~ 250 Гбит/с, очень впечатляет! Да и стоимостные оценки очень неплохие: прокладка 1 км подземной оптоволоконной трассы стоит от 50 до 150 тыс. ам. долларов в зависимости от природных условий, внедрение системы WDM – меньше 4 тыс. ам. долларов на тот же 1 км и в любых природных и погодных условиях.

У системы WDM есть проблемы, связанные с усилением сигналов и преобразованием оптика – электричество – оптика в мультиплексорах ввода/ вывода. Но интервалы, через которые необходимо усиление, уже сегодня достигают 1000 км. Ведутся эксперименты на больших дистанциях до

5000 км. В разработках находятся мультиплексоры ввода/вывода на технологии формирования в сердцевине волоконного световода дифракционной решетки, которая может вводить и выводить оптические сигнала разных длин волн. В общем, перспективы могут только радовать.

Вопросы для самопроверки:

1. Назовите состав аппаратного обеспечения сети, построенной по функциональному принципу: доступ, коммутация, передача?

2. Что не устраивает в передаче с использованием FDM?

3. В чем принципиальное отличие усилителя от повторителя?

4. Какая скорость передачи сигналов принята за базовый, нулевой уровень?

5. Как формируются кадр T1 и суперкадр T1?

6. Как построена линия T1, по какому критерию размещаются повторители?

7. Чем вызвана необходимость введения иерархии мультиплексирования?

8. Чем объясняется отсутствие кратностей в ступенях мультиплексора M1/3 и что устранило эту «несправедливость»?

9. Какие преимущества и перспективы дает синхронная оптическая сеть?

10. Как отражаются уровни модели ВОС/МОС в структуре сети SONET?

11. Чем объясняется выбор такого большого шага при назначении частот передачи в технологии спектрального уплотнения?