Основы технологии цифровой передачи данных
Г л а в а 6
ЦИФРОВЫЕ СЕТИ СВЯЗИ
РАЗВИТИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Развитие телекоммуникационных технологий привело в последние годы к серьезным изменениям в понимании сущности, методов построения и путей развития современных цифровых сетей связи (ЦСС), включая ведомственные и корпоративные. Важнейшими тенденциями развития становятся процессы конвергенции и интеграции современных компьютерных и традиционных сетей связи и появление инфокоммуникационных сетей, начиная от локальных, ведомственных (корпоративных) и заканчивая сетями глобального масштаба.
В историческом развитии сетей и услуг связи можно выделить четыре основных этапа, имеющих свою логику развития, взаимосвязь с предыдущими и последующими этапами.
Первый этап – построение телефонной сети общего пользования PSTN (Public Switched Telephone Network). В течение длительного времени каждое государство создавало свою национальную аналоговую телефонную сеть общего пользования (ТфОП). Телефонная связь предоставлялась населению, учреждениям, предприятиям и отождествлялась с единственной услугой – передачей речевых сообщений. Даже в настоящее время телефон остается основной услугой связи.
Второй этап – цифровизация телефонной сети. Для повышения качества услуг связи, увеличения их числа, повышения автоматизации управления и технологичности оборудования промышленно развитые страны в начале 70-х гг. начали работы по цифровизации первичных и вторичных сетей связи. Были созданы интегральные цифровые сети IDN (Integrated Digital Network), предоставляющие услуги телефонной связи на базе цифровых систем коммутации и передачи.
|
|
|
Третий этап – интеграция услуг. Цифровизация сетей связи позволила не только повысить качество услуг, но и перейти к увеличению их числа на основе интеграции. Появилась концепция цифровой сети с интеграцией служб ISDN (Integrated Service Digital Network). Пользователю этой сети предоставляется базовый доступ (2B + D), по которому информация передается по трем цифровым каналам: два канала В со скоростью передачи
64 кбит/с и канал D со скоростью 16 кбит/с. Каналы В используются для передачи речевых сообщений и данных, канал D – для сигнализации и для передачи данных в режиме пакетной коммутации. Для пользователя с большими потребностями может быть предоставлен первичный доступ, содержащий (30B + D) каналов.
Четвертый этап – интеллектуальная сеть IN (Intelligent Network). Эта сеть предназначена для быстрого, эффективного и экономичного представления информационных услуг массовому пользователю. Необходимая услуга предоставляется пользователю тогда, когда она ему требуется и в тот момент времени, когда она ему нужна. В этом заключается принципиальное отличие интеллектуальной сети от предшествующих сетей – в гибкости и экономичности предоставления услуг.
|
|
|
Новые телекоммуникационные технологии как основа построения ведомственных ЦСС требуют серьезного осмысления места и необходимой степени взаимопроникновения и взаимодействия в процессах управления подразделениями МЧС России. Вопросы планирования и эксплуатации ведомственных ЦСС подразумевают определенную последовательность и этапность принятия организационно-технических решений по выбору архитектуры, топологии, структуры, базовых технологий и аппаратуры на основе некоторых принципов и технических требований к цифровым сетям. Раскрытие сущности и содержания вопросов планирования и эксплуатации сетей, а также рекомендации по оптимизации указанных решений являются основным предметом рассмотрения этой главы.
Принципы планирования и построения цифровых
Сетей связи
Цифровые первичные сети, являющиеся базовыми транспортными или магистральными, служат основой для построения ССИУ МЧС России. Основные принципы планирования транспортных сетей:
|
|
|
· определение общей стратегии построения и использования (возможность двойного применения и т.п.) сети;
· планирование сети на длительную перспективу с учетом ее развития;
· комплексное применение современных сетевых технологий;
· учет специальных условий и требований МЧС России;
· обеспечение необходимого уровня эксплуатации планируемой сети.
Основными этапами планирования ЦСС являются:
· определение существующей и планируемой загрузки (объема трафика);
· определение возможности двойного применения;
· определение объемов трафика по типу и распределению (составление матрицы распределения трафика для всех узлов сети);
· определение видов предоставляемых услуг;
· выбор среды передачи;
· определение базовых сетевых технологий;
· выбор базовых вариантов архитектуры и топологии сети;
· определение необходимых значений уровня надежности и степени резервирования;
· оптимизация топологии;
· сопряжение сети с другими сетями;
· планирование управления и синхронизации;
· планирование системы эксплуатационно-технического обслуживания;
· оптимизация сети по стоимостным и качественным характеристикам.
Планирование позволяет обеспечить непрерывное развитие сетей связи на основе следующих факторов:
|
|
|
· анализа характеристик существующей сети;
· разработки планов развития и модернизации существующей сети;
· прогноза будущих потребностей в услугах связи, предоставляемых сетью;
· реализации намеченных планов.
Ключевыми понятиями в планировании ЦСС являются гибкость в принятии решений на различных стадиях реализации сети и непрерывность. К наиболее значимым и важным относятся следующие аспекты планирования:
· постановка задачи;
· изучение и анализ исходных данных и путей решения;
· расчет базовой стоимости сети;
· предсказание плана и структуры сети;
· оптимизация сети;
· выбор необходимого оборудования для сети.
Решение поставленной задачи планирования ЦСС МЧС России сводится в конечном счете к получению спецификаций на необходимое оборудование, предложений по архитектуре и топологии сети и расчету необходимых средств на ее построение.
В общем процессе разработки сети стратегические направления планирования определяются на длительную перспективу (10–20 лет). При этом основой являются требования заказчика, сформулированные в задании или концепции построения и развития сети, которые обязательно должны включать перечень, объемы и качество предоставляемых услуг в сети.
Перспективное стратегическое планирование ЦСС предусматривает разработку следующих составляющих:
· основного технического плана построения сети;
· надежности и безопасности;
· качества обслуживания в сети;
· маршрутизации трафика;
· сигнализации;
· числа пользователей;
· тарифов за аренду каналов связи;
· необходимых вложений в построение сети;
· технических характеристик каналов передачи в сети;
· систем синхронизации;
· систем коммутации;
· управления сетью.
Оптимизация сетевой структуры и расчет будущих затрат на построение сети остаются главными целями перспективного планирования. При планировании ЦСС решаются следующие задачи:
· разработка краткосрочного (до 2 лет) и долгосрочного (до 10 лет) прогнозов развития сети;
· прогноз потребности в услугах связи;
· прогноз нагрузки (трафика) в сети;
· оптимизация структуры и определение объема ресурсов сети;
· оптимизация вложений в построение и развитие сети.
Планирование нагрузки и оптимизация структуры сети включают в себя: задание матрицы исходящего/входящего трафика для всех узлов сети, определение матрицы передачи (распределения) трафика между узлами в потоках Е1 (2 Мбит/с), определение емкости и базовых скоростей передачи транспортных магистралей и всей сети в потоках синхронных транспортных модулей (Synchronous Transport Module, STM-N, N = 1,4,16,…), определение спецификаций на оборудование и аппаратуру для сети.
Таким образом, планирование сети позволяет в едином комплексе решить основную задачу оптимизации вложений необходимых средств при построении и создании ЦСС МЧС России.
При планировании и построении современных ЦСС обычно различают три сетевых уровня: уровень первичной сети, уровень вторичных сетей и уровень систем или служб электросвязи. Основой любой реальной сети связи является уровень неспециализированной (универсальной) первичной сети, представляющей собой совокупность узлов и соединяющих их типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов. Цифровая первичная сеть (ЦПС) – это базовая сеть типовых универсальных цифровых каналов передачи (ЦКП) и сетевых трактов, или
транспортная сеть, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций коммутации или оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи. На основе ЦПС формируют и создают в дальнейшем цифровые вторичные сети (ЦВС).
Сетевые узлы ЦПС представляют собой комплекс аппаратуры ЦСС различных сетевых технологий, предназначенный для формирования, перераспределения ЦКП и сетевых трактов и подключения ЦВС, служб электросвязи и пользователей сети. В зависимости от вида первичной сети, к которой принадлежат сетевые узлы, они называются магистральными, внутризоновыми, местными или ведомственными.
Сетевой тракт представляет собой типовой групповой тракт или несколько последовательно соединенных типовых групповых трактов с включенной на входе и выходе аппаратурой образования тракта. То есть сетевой тракт – это транспортный объект, обеспечивающий целостность передачи информации по соединениям трактов от точки (порта полезной нагрузки или пользовательского интерфейса) формирования тракта в одном из сетевых узлов до точки (порта полезной нагрузки) его расформирования в другом сетевом узле.
Цифровые вторичные сети, предназначенные для доведения цифровых каналов до пользователей, являются специализированными и создаются на основе типовых универсальных каналов передачи ЦПС или специализированных каналов (специализированных пользовательских интерфейсов) для первичных цифровых каналов или потоков полезной нагрузки. В состав ЦВС могут входить также цифровые технологические сети (ЦТС), при этом образуются цифровые вторичные технологические сети (ЦВТС).
Системы, специализированные по видам электросвязи, представляют собой комплекс средств, обеспечивающих предоставление пользователям определенных услуг. Они образуют уровень систем или служб электросвязи, включающий вторичные сети и ряд подсистем (нумерации, сигнализации и т.п.).
Современное развитие телекоммуникационных сетей характеризуется усилением процессов интеграции первичной и вторичных сетей, превращением их в единую мультисервисную сеть и возникновением новой двухуровневой структуры цифровой первичной сети – транспортная сеть и сеть доступа. Общая архитектура современной цифровой сети (рис. 6.1) состоит из основной (центральной) части – транспортной сети и ее периферийной части – сети доступа. Сеть доступа определяется как сеть, по которой с помощью каналов и линий «последней мили» различные специализированные сигналы передаются от потребителей к портам транспортной сети и обратно.
Рис. 6.1. Архитектура современной цифровой сети
Основы технологии цифровой передачи данных
Появление цифровых сетей в первую очередь связано со стремлением повысить скорости передачи информации. Так, в аналоговых телефонных сетях предельная скорость передачи информации равна 19200 бит/с. В то же время в цифровых системах передачи даже по обычной телефонной линии можно передавать данные со скоростью до 2 Мбит/с на расстояние до 1,6 км. При установке повторителей это расстояние может быть увеличено. Применение же оптоволоконных каналов связи обеспечивает надежную высокоскоростную передачу с регенерацией сигналов через 20–30 км.
Стандартные телефонные каналы относятся к среднескоростным каналам и ориентированы на передачу аналоговых сигналов с относительно узким частотным спектром (от 100 Гц до 10 кГц). Следует отметить, что частотные характеристики канала передачи оказывают существенное влияние на максимально допустимую скорость передачи данных (Vmax). Еще в 1924 г. Гарри Найквист из Bell Laboratories объяснил существование этого основного ограничения и вывел уравнение, выражающее максимальную скорость передачи данных в конечном аналоговом канале (без шумов). Найквист доказал, что если произвольный сигнал прошел через узкополосный фильтр с полосой пропускания H, то он может быть полностью восстановлен, используя 2H измерений в секунду. Производить больше измерений нецелесообразно, поскольку более высокочастотные компоненты, которые можно восстановить этими измерениями, были отфильтрованы. Если сигнал состоит из K дискретных уровней, то по теореме Найквиста
Vmax = 2 H log2 K.
Например, Н = 3кГц, канал без шумов не может передавать двоичные сигналы быстрее 6000 бит/с. Если присутствуют случайные шумы, то
ситуация существенно ухудшается. Величина случайных шумов измеряется отношением мощности сигнала S к мощности шума N. Обычно само это отношение в технике связи не используется, а используется величина
10 lg S/N, называемая децибелом (дБ). Отношение S/N = 10 соответствует
10 дБ; S/N = 100 – 20 дБ; S/N = 1000 – 30 дБ и т.д. В 1948 г. Клод Шеннон развил работу Найквиста применительно к каналам, подверженным случайным шумам. Главный вывод Шеннона: максимальная скорость передачи данных в каналах с шумами с шириной полосы частот Н, Гц, и отношением сигнал/шум – S/N:
Vmax = H log2 (1+S/N).
Например, канал с Н = 3000 Гц и S/N = 30 дБ (обычные параметры телефонной сети) никогда не сможет передавать сигналы со скоростью более 30 000 бит/с независимо от количества уровней сигнала и частоты измерений. Шеннон получил результаты, используя положения теории информации, и они представляют собой только верхнюю границу. На практике же сложно даже приблизиться к этому пределу. Скорость передачи по телефонной линии 9 600 бит/с считается достаточной и достигается посылкой 4-битных групп со скоростью 2400 бод. Поэтому для высокоскоростной передачи информации используются широкополосные радио- и телевизионные каналы, а также специальные каналы для передачи дискретной (цифровой) информации, в частности оптоволоконные.
Естественно, что подключение аналоговых средств к цифровым каналам связи предполагает наличие специальных устройств преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратного преобразования. Однако это не является серьезным препятствием для развития цифровых телекоммуникаций, так как современный уровень микроэлектроники позволяет создавать относительно дешевые малогабаритные преобразователи сигналов. Следует подчеркнуть, что стоимость цифровых коммуникационных устройств меньше, чем аналоговых устройств. Все это является хорошей экономической предпосылкой широкого развития цифровых коммуникационных сетей.
Кроме того, использование цифровых каналов для передачи аналоговых сигналов имеет ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми каналами. Цифровые сигналы, подобно аналоговым, при прохождении по физической среде передачи теряют энергию. В аналоговых линиях связи с этим явлением затухания борются при помощи усилителей. Но усиление сигнала является проблематичным по причине все большего накопления шумов по мере удаления от источника сигнала. В отличие от усиления аналогового сигнала, которое происходит когда его энергия снижается ниже некоторого заданного уровня, цифровые системы передачи используют технологию восстановления затухающего сигнала. При прохождении через повторитель (repeater) затухающий сигнал буквально восстанавливается из того, что от него осталось в каждом месте установки повторителя.
Таким образом, цифровые сигналы легко поддаются восстановлению, так как требуется распознать только два состояния сигнала (0 и 1). На входе повторитель считывает 1 и 0, которые, несмотря на затухание и помехи от шумов, все еще могут быть распознаны как 1 и 0. На выходе повторителя получают с совершенной точностью восстановленную последовательность битов. В отличие от аналоговых эти сигналы многократно восстанавливаются без внесения дополнительных искажений. Поэтому в ЦСС сигнал, который достигает приемника, является точной копией сигнала, отправленного передатчиком. Кроме того, цифровые сети обеспечивают более высокий уровень защиты от ошибок. Все это позволяет передавать по ним аналоговую информацию практически без искажений.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратно как в компьютерных сетях, так и в цифровых системах передачи данных выполняется с помощью кодека, основными элементами которого являются аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи. Это преобразование осуществляется по шагам и состоит из четырех последовательных процессов: фильтрации, дискретизации, квантования и кодирования.
Так как основная часть мощности реальных непрерывных сообщений сосредоточена в ограниченной полосе частот, ее выделяют фильтрами, формирующими первичные сигналы. Дискретизация по времени и уровню непрерывных сообщений является физической основой работы цифровых систем передачи. Согласно теореме В. А. Котельникова, непрерывная функция времени с ограниченным по ширине спектром полностью определяется отсчетами, взятыми через интервалы времени, называемыми периодом дискретизации 
, где 
– наивысшая частота спектра
сигнала.
Если эту функцию рассматривать на конечном интервале времени 
, то число передаваемых отсчетов 
. Величину 
называют базой сигнала. Из-за наличия помех и погрешностей в ЦСС значения уровней амплитуд первичного сигнала могут передаваться с ограниченной точностью. Поэтому при дискретизации сигнала по уровню используют лишь конечное число значений, отстоящих друг от друга на фиксированную величину – шаг дискретизации по уровню (шаг квантования). Фактическое значение амплитуды непрерывной функции сигнала заменяется при этом ближайшим уровнем квантования. Погрешности в передаче уровней амплитуды сигнала рассматриваются как шумы квантования.
Так для передачи по каналу связи с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) квантованные сигналы преобразуются в кодовые комбинации импульсов с одинаковыми амплитудами и длительностью, т.е. в цифровую форму или цифровой сигнал. Простейший способ кодирования сигнала предполагает представление его числового значения в двоичной форме в виде соответствующей последовательности двоичных элементов – единиц и нулей (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые:
а – исходный сигнал; б – сигнал импульсно-кодовой модуляции;
в – квантование сигнала; г – цифровой код
В этом случае процесс модуляции можно разделить на три этапа. Сначала аналоговый сигнал представляется в виде множества дискретных значений (отображений), каждое из которых называется сигналом в импульсно-кодовой модуляции.
Затем каждому сигналу в зависимости от требуемой точности преобразования присваивается определенное числовое значение в диапазоне от
1 до 128 или от 1 до 256. Этот процесс называется квантованием. Полученные числовые значения переводятся в двоичный код. Для отображения значений в диапазоне от 1 до 128 требуется 7 двоичных разрядов (27 = 128), а в диапазоне от 1 до 256 – 8 двоичных разрядов (28 = 256).
Полоса частот спектра речевого сигнала, для которой на слух не ощущаются искажения голоса при его передаче по сети (оптимизированная по индексу артикуляции 0,7), составляет 3100 Гц и расположена в диапазоне 300–3400 Гц. Так как в реальном телефонном канале данная полоса частот выделяется фильтром, имеющим конечный спад частотной характеристики, то в качестве расчетной ширины спектра стандартного телефонного канала было принято использовать ширину полосы частот в 4 кГц.
При дискретизации такого спектра в соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации составляет 
, где 
– верхняя частота спектра передаваемого аналогового сигнала.
Для стандартного телефонного канала, имеющего = 4 кГц, частота дискретизации 
= 8 кГц, что соответствует максимальному периоду дискретизации сигнала 
мкс. Поэтому указанные период и частота дискретизации приняты в качестве основы при разработке стандартов цифровых систем передачи.
В ЦСС дискретизированный во времени входной аналоговый сигнал подвергается квантованию по амплитуде (амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) – Pulse-Amplitude Modulation, PAM). Каждому значению уровня квантования амплитуды аналогового сигнала соответствует двоичный цифровой код, т.е. квантованное значение амплитуды сигнала кодируется двоичным числом. Как правило, используют 7- или 8-битный двоичный код. Такое квантование позволяет передать 
= 27 = 128 или = 28 = = 256 дискретных уровней амплитуды аналогового сигнала, что обеспечивает передачу качественного речевого сигнала с динамическим диапазоном по амплитуде 
= 42 или 48 дБ соответственно.
При последовательной передаче двоичных символов (битов информации) на выходе аналого-цифрового преобразователя ЦСС получаем двоичный цифровой поток со скоростью передачи 
= 56 кбит/с (8 кГц 
бит =
= 56 кбит/с при 7-битном кодировании) или = 64 кбит/с(8 кГц 
бит =
= 64 кбит/с при 8-битном кодировании). Канал со скоростью передачи = = 64 кбит/сназван основным цифровым каналом (ОЦК) (Digital Signal level 0, DS-0).
Кроме импульсно-кодовой модуляции в цифровых сетях используется ряд других методов преобразования аналоговых сигналов, которые можно разделить на два класса: анализ огибающей (формы волны) и параметрическое кодирование.
Анализ огибающей. Метод называется так потому, что в нем проводится анализ амплитуды сигнала, которая потом преобразуется в цифровые коды. К данному классу относится рассмотренный выше метод импульсно-кодовой модуляции.
В настоящее время используются более сложные методы, в частности метод дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.
При этом методе передают не фактические отображения, а разницу между соседними отображениями сигнала. Кодирование осуществляется с помощью дифференциального цифрового устройства, которое запоминает каждое предыдущее отображение. Затем измеряется разность между двумя последовательными отображениями, которая и кодируется цифровым образом. Поскольку соседние отображения аналоговых сигналов мало отличаются друг от друга, требуется совсем немного битов для представления разности сигналов и, соответственно, меньшей скорости передачи сигналов по сравнению с обычной импульсно-кодовой модуляцией.
Особым видом импульсно-кодовой модуляции является дельта-модуляция, при которой для каждого отображения используется только один бит. При дельта-модуляции определяется знак разницы последовательных отображений: если разница увеличивается, то бит устанавливается равным единице, если же разница уменьшается, то бит принимает нулевое значение. Сигнал кодируется как «лесенка» из нисходящих и восходящих последовательностей.
При относительно простой реализации дельта-модуляция требует более частого съема значения аналогового сигнала, чем при импульсно-кодовой и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, поскольку каждое из отображений несет слишком мало информации. При дельта-модуляции предполагается, что форма кодированного сигнала отличается от формы сигнала отображения не более чем на одну «ступеньку». Однако сигнал может изменяться быстрее, нежели способен реагировать модулятор при создании «ступенек», создавая проблему, именуемую фронтальной перегрузкой. И наоборот, медленно меняющийся сигнал также создает искажения, которые называются дробным шумом. В общем, эффекты неточности представления формы аналогового сигнала называют шумом кодирования.
Параметрическое кодирование (вокодеры). В отличие от большинства методов кодирования при параметрическом кодировании форма входного сигнала не сохраняется. Входной сигнал преобразуется в набор параметров, характеризующих его акустические свойства. Полученные значения параметров сравниваются с табличными, среди которых подбираются наиболее близкие к кодируемому сигналу. Эти параметры передаются через канал для последующего воспроизведения акустического сигнала.
Системы с параметрическим кодированием предназначены в основном для кодирования звуковых сигналов и практически непригодны для сигналов с произвольными характеристиками. Вокодеры обычно используются для записи информационных сообщений, звукового выхода в персональных компьютерах и в электронных игровых устройствах. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет осуществлять передачи со скоростью значительно ниже, чем требуется для методов анализа формы волны. Основным недостатком метода параметрического кодирования является более низкое качество воспроизведения звуков.
Объединение нескольких цифровых каналов с малыми емкостями (например, нескольких основных цифровых каналов) в один канал большой емкости, содержащий 
входных каналов, называется мультиплексированием. Устройство, осуществляющее операцию мультиплексирования, называется мультиплексором (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Мультиплексирование
Главное достоинство мультиплексирования заключается в возможности организации многоканальной передачи с сокращением физических линий и устройств. Различают частотное мультиплексирование (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением времени (Time Division Multiplexing, TDM). При FDM каждый из поддерживаемых мультиплексором подканалов оперирует несущей частотой, расположенной точно в середине полосы частот, выделенной для подканала. FDM широко используется различными мобильными системами связи, спутникового вещания и системами кабельного телевидения.
При TDM высокоскоростной канал связи делится на множество отдельных временных слотов и каждому низкоскоростному каналу выделяется определенный временной слот. Когда выделенный каналу временной слот становится доступен, то пока длится этот слот, для низкоскоростной передачи данных используется вся пропускная способность высокоскоростного канала связи. Технологии FDM и TDM могут быть объединены, т.е. подканал с частотным мультиплексированием может быть разбит дальше на несколько каналов, используя мультиплексирование с разделением времени. Подобным образом работают цифровые сотовые телефонные сети.
В современных ЦСС, как правило, используется временное мультиплексирование. Мультиплексор типа :1 формирует из входных цифровых потоков один выходной поток. Теоретически можно сформировать цифровые потоки со скоростью передачи × 64 кбит/с. Так начинается построение цифровой иерархии ЦСС и вводится понятие иерархических уровней, полагая, что на первом из них используются мультиплексоры, рассмотренные выше. Мультиплексоры второго уровня типа 
:1 объединяют выходы мультиплексоров первого уровня; мультиплексоры третьего уровня типа 
:1 объединяют выходы мультиплексоров второго уровня; мультиплексоры четвертого уровня типа 
:1 объединяют выходы мультиплексоров третьего уровня и т.д. Это называют каскадным соединением мультиплексоров. На каждом уровне иерархии мультиплексор на выходе имеет свою скорость передачи (на втором – 
, на третьем – 
, на четвертом – 
). Варьируя коэффициенты кратности 
, можно сформировать различные иерархические наборы скоростей передачи или цифровые иерархии ЦСС, которым будет соответствовать определенное число ОЦК на входе мультиплексора соответствующего уровня.
Применяемые в настоящее время схемы цифровых иерархий были разработаны в начале 80-х гг. В первой, принятой в США и Канаде, для первичного цифрового канала (ПЦК) DS1 – канала первой цифровой иерархии было принято значение скорости передачи = 1544 кбит/с (коэффициент мультиплексирования = 24 – двадцать четыре ОЦК).
Во второй, принятой в Японии, для DS1 использовалось то же значение скорости передачи. В третьей, принятой в Европе (в том числе и в России) и Южной Америке, значение первичной скорости передачи было определено = 2048 кбит/с ( = 32 – тридцать два ОЦК).
Первая цифровая иерархия (американский стандарт), порожденная первичной скоростью передачи 1544 кбит/с, дает последовательность скоростей: 1544-6312-44736-274176 кбит/с, которые обозначают DS1- DS2- DS3- DS4. Данная иерархия скоростей соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования = 24, = 4, = 7, = 6 и позволяет передавать
24, 96, 672, 4032 ОЦК или каналов DS0. Каналы DS0 называют основным цифровым каналом (ОЦК), DS1 – первичным цифровым каналом (ПЦК), DS2 – вторичным цифровым каналом (ВЦК), DS3 – третичным цифровым каналом (ТЦК), DS4 – четверичным цифровым каналом (ЧЦК) соответственно.
Вторая цифровая иерархия (японский стандарт), порожденная первичной скоростью передачи 1544 кбит/с, дает последовательность скоростей 1544-6312-32064-97728 кбит/с или каналов передачи DS1- DS2- DSJ3- DSJ4. Данная иерархия скоростей с учетом канала передачи DS0 соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования = 24, = 4, = 5, = 3 и позволяет передавать 24, 96, 480, 1440 ОЦК или каналов DS0.
Третья цифровая иерархия (европейский стандарт), порожденная первичной скоростью передачи 2048 кбит/с, дает последовательность скоростей 2048-8448-34386-139264-565148 кбит/с, которые соответствуют каналам передачи Е1- Е2- Е3- Е4- Е5. Данная иерархия скоростей с учетом канала передачи DS0 соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования = 30, = 4, = 4, = 4, 
= 4 и позволяет передавать 30, 120, 480, 1920, 7680 ОЦК или каналов DS0.
Рассмотренные цифровые иерархии скоростей передачи получили название плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ/PDH, Plesiochronous Digital Hierarchy), так как при мультиплексировании используются для синхронизации цифровых потоков генераторы с неточно совпадающими частотами (почти синхронными). Для мультиплексирования плезиохронных потоков данных требуется добавлять дополнительные биты информации, чтобы компенсировать различия в синхронизации. При этом переход от одного уровня скоростей к другому происходит только последовательно как в прямом, так и в обратном направлении, что усложняет процесс «распаковки» информации.
Существенным недостатком технологии ПЦИ/PDH является также наличие нескольких иерархий, затрудняющих ввод и вывод отдельных цифровых каналов в промежуточных узлах сети и практически полное отсутствие средств сетевого автоматизированного управления. При нарушении синхронизации группового сигнала сравнительно много времени требуется для многоступенчатого восстановления синхронизации компонентных потоков.
Все это привело к разработке технологии синхронной цифровой иерархии (СЦИ/SDH, Synchronous Digital Hierarchy). Технология СЦИ/SDH позволяет организовать универсальную транспортную сеть, выполняющую функции передачи информации, контроля и управления как сетевыми элементами, так и всей сетью в целом. В транспортной сети СЦИ/SDH используется принцип транспортировки цифровых сигналов в стандартных контейнерах, помеченных специальными указателями. Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания и наполнения, чем и достигается прозрачность сети СЦИ/SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы ПЦИ/PDH, потоки ячеек АТМ (Asynchronous Transfer Mode – асинхронный режим передачи) и т.п.
Для совместного использования цифровых иерархий был разработан стандарт ITU-T, в соответствии с которым на первом уровне производится синхронное побайтное мультиплексирование ОЦК – 32-х (в европейской иерархии) или 24-х (в американской и японской иерархиях), на последующих уровнях иерархии компонентные потоки объединяются в групповой выходной поток уже не побайтно, а побитно. При этом скорости компонентных потоков выравнивают, вставляя в компонентные потоки с меньшей скоростью специальные биты, которые удаляются на стороне приема при демультиплексировании (процедура положительного стаффинга) с помощью служебного канала в составе группового сигнала (рис. 6.4).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 6.4. Схема мультиплексирования и кроссмультиплексирования для различных стандартов цифровых иерархий
Архитектура и топология ЦСС
Под архитектурой ЦСС понимается совокупность взаимосвязанных сетевых технологий и соответствующих интерфейсов, реализованных с учетом структуры ее управления и образующих иерархическое дерево всей сети, начиная от транспортной сети и заканчивая пользовательскими интерфейсами в сети доступа. Совокупность стандартов на все интерфейсы, входящие в архитектуру сети, образует соответственно стандарты на архитектуру оборудования систем связи. Понятия архитектуры и топологии сетей тесно связаны друг с другом и с используемыми при построении сети базовыми сетевыми технологиями. Образно говоря, архитектура сети – это дерево целей, корнями уходящее в транспортную сеть, а ветвями –
к пользователям сети. Топология же сети – это парк, состоящий из определенных видов деревьев, образующих единый архитектурный ансамбль.
Базовые сетевые технологии.Под сетевыми технологиями понимают совокупность технологий цифровых систем передачи, обеспечивающих создание разнообразия каналов связи от пользователей сети к сетевым
узлам и между узлами ЦСС. Базовые сетевые технологии для цифровых транспортных сетей обеспечивают организацию транспортных магистралей и интеграцию различных видов трафика в сети. На базе цифровых транспортных сетей формируется и создается разнообразие выделенных цифровых каналов передачи (ЦКП) или цифровых каналов связи (ЦКС), которые и образуют цифровые сети с коммутацией каналов. Базовыми сетевыми технологиями для транспортных сетей являются ПЦИ/PDH и СЦИ/SDH. В транспортных сетях используется иерархия скоростей передачи в соответствии с международными рекомендациями ITU-T и получившим наибольшее распространение европейским стандартом, который применяется в сетях связи Российской Федерации.
Технология ПЦИ/PDH поддерживает следующие уровни цифровых каналов: абонентский, или основной, канал Е0 (64 кбит/с) и пользовательские каналы уровней Е1 (2,048 Мбит/с), Е2 (8,448 Мбит/с), Е3 (34,386 Мбит/с), Е4 (139,264 Мбит/с). Уровень цифрового канала Е5 (565,148 Мбит/с) определен в ITU-T, но на практике обычно не используется. При этом цифровые каналы ПЦИ/PDH являются входными (полезной нагрузкой) для пользовательских интерфейсов сетей СЦИ/SDH.
Технология СЦИ/SDH поддерживает практически все уровни иерархии цифровых каналов различных стандартов. При этом в транспортной сети пользовательские интерфейсы, соответствующие синхронным транспортным модулям STM-N более низкого уровня, могут служить полезной нагрузкой для сетевых элементов сети СЦИ/SDH более высокого уровня иерархии.
Технология СЦИ/SDH основана на полной синхронизации цифровых каналов и сетевых элементов в пределах всей сети, что обеспечивается с помощью системы синхронизации ЦПС и системы управления транспортной сетью. Технология СЦИ/SDH позволяет с помощью соответствующих аппаратных и программных средств создавать одновременно три наложенные сети: транспортную для передачи полезной нагрузки, сеть управления и сеть синхронизации для передачи сигналов синхронизации.
На основе транспортной сети СЦИ/SDH можно создавать наложенные с коммутацией каналов, например, цифровые сети с интеграцией служб (ЦСИС/ISDN, Integrated Services Digital Network) и коммутацией пакетов, в частности сети Frame Relay (FR), сети асинхронного режима передачи ATM. Технология АТМ облегчила эту задачу, взяв за основу стандарты СЦИ/SDH в качестве стандартов физического уровня. Поэтому в транспортной сети СЦИ/SDH сеть АТМ может быть интегрирована поверх сети СЦИ/SDH как наложенная сеть, при этом образуется транспортная, вторичные сети и осуществляются функции сети доступа.
Технология АТМ разрабатывалась как единая универсальная транспортная технология нового поколения сетей с интеграцией услуг, так называемых широкополосных цифровых сетей с интеграцией служб
(Ш-ЦСИС или B-ISDN). Уникальность технологии АТМ состоит в том, что она как транспортная технология совместима со всеми базовыми сетевыми технологиями глобальной сети Интернет, основой которой является стек протоколов TCP/IP, СЦИ/SDH, ПЦИ/PDH, Frame Relay, и с сетевыми технологиями локальных сетей. Технология АТМ обеспечивает передачу в рамках одной транспортной сети различных видов трафика (голоса, видео, данных), имеет иерархию скоростей передачи в широком диапазоне (от 25 Мбит/с до 10 Гбит/с) с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений. АТМ не определяет новые стандарты для физического уровня сети, а использует существующие. Основным стандартом для технологии АТМ является физический уровень каналов сетевых технологий СЦИ/SDH и ПЦИ/PDH. Именно потому, что технология АТМ поддерживает все основные существующие виды трафика, она выбрана в качестве транспортной среды сетей Ш-ЦСИС или B-ISDN. Она также имеет общие транспортные протоколы для локальных (ЛВС) и глобальных сетей и обеспечивает их взаимодействие.
Технологии сети Интернет на основе стека протоколов ТСР/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) – протокол управления передачей/протокол сети Интернет) занимают особое положение среди сетевых технологий. Они играют роль сетевой технологии, объединяющей сети любых типов и технологий, включая глобальные транспортные сети всех известных технологий, и относятся к сетевым технологиям более высокого уровня. При этом цифровые транспортные сети СЦИ/SDH, являясь основой для создания большинства наложенных телекоммуникационных сетей, позволяют интегрировать различные сетевые технологии в единую мультисервисную телекоммуникационную и информационную (инфокоммуникационную) сеть на физическом и канальном уровнях.
Появление оптических транспортных сетей с использованием технологии спектрального и волнового мультиплексирования (ВМП/WDM, Wave Division Multiplexing) и плотного волнового мультиплексирования (ПВМП/DWDM, Dense Wave Division Multiplexing), которые органично сочетаются и интегрируются с технологией СЦИ/SDH, значительно расширило возможности сетевых технологий в построении транспортных сетей.
Таким образом, современный уровень развития сетевых технологий глобальных сетей позволяет при планировании архитектуры и разработке топологии цифровых транспортных магистральных, ведомственных и корпоративных сетей использовать следующие базовые технологии:
· TCP/IP – технология сети Интернет, основой которой является стек протоколов TCP/IP или протокол управления передачей/протокол сети Интернет;
· АТМ – технология асинхронного режима передачи (переноса);
· SDH – технология СЦИ;
· WDM – технология волнового мультиплексирования (ВМП);
· DWDM – технология плотного волнового мультиплексирования (ПВМП).
Для цифровых мультисервисных сетей на ближайшие годы определяющей будет многослойная архитектура транспортной сети вида IP/ATM/SDH/WDM (DWDM). Она позволит интегрировать на сетевом уровне базовые сетевые технологии в единую мультисервисную инфокоммуникационную сеть различного масштаба.
Выбор архитектуры построения транспортной сети основывается на применении типовых архитектурно-топологических решений и их комбинаций для отдельных сегментов сети и сети в целом, так называемых сетевых шаблонов. Понятие архитектуры транспортной сети шире и включает в себя три базовые логические составляющие: принципы построения, сетевые шаблоны и технические позиции.
При планировании топологии транспортных сетей чаще применяют элементарные сетевые шаблоны типа кольца и линейки с одинаковыми или разными уровнями транспортных модулей как в кольцах, так и линейных трактах между отдельными кольцами. Техническая позиция при этом определяет и уточняет параметры выбранных сетевых технологий, сетевых элементов, протоколов взаимодействия, предоставляемых услуг и т.д.
Основные характеристики ЦСС
Технологической основой для интеграции сетевых технологий и появления мультисервисных сетей являются универсальные среды, по которым передаются цифровые потоки с любой мультимедийной информацией, и специальные транспортные протоколы, позволяющие осуществлять эту передачу с заданной скоростью и требуемым качеством обслуживания. Эта возможность позволяет предоставлять принципиально новые услуги, возникающие на стыке традиционных технологий телефонии, передачи данных и телевидения.
Для правильного выбора базовой сетевой технологии или их совокупности следует проанализировать конкретные требования к планируемой ЦСС. В качестве критериев выбора сетевой технологии принято использовать следующие:
· количество предоставляемых услуг;
· качество обслуживания (QoS) (Quality of Service);
· масштабируемость сети;
· стоимость сети;
· повышение эффективности управления сетью и подразделениями МЧС России;
· совместимость с существующей системой кабельных линий связи;
· совместимость с имеющимся сетевым оборудованием;
· возможность совместимости или взаимосвязи с другими сетями.
Качество обслуживания (QoS) играет очень важную роль, появление новых услуг и развитие мультимедийных приложений предъявляют очень жесткие требования ко всей сети. При выборе качества обслуживания необходимо разделить пользователей по приоритету обслуживания.
Расширяемость сети – это возможность сравнительно легко добавлять отдельные сетевые элементы, наращивать сегменты сети доступа и заменять существующую аппаратуру более мощной и современной.
Масштабируемость сети позволяет наращивать число сетевых элементов (узлов) и протяженность трактов в очень широких пределах без снижения пропускной способности транспортных магистралей.
Стоимость сети в конечном счете является решающим фактором при ее планировании и построении. Необходимо учитывать соотношение стоимости и производительности сети и правильно комбинировать различные сетевые технологии для достижения максимальной эффективности.
Совместимость сетевого оборудования с существующими кабельными линиями связи позволяет снизить затраты и ускорить строительство сети (особенно это касается сетей доступа для подключения пользователей). Поэтому при выборе конкретных сетевых технологий следует учитывать тип имеющейся кабельной системы и требуемые расстояния между сетевыми элементами и пользователями.
Информационно-технические характеристики транспортной сети, которые определяют ее возможности по предоставлению гарантированного качества услуг для пользователей и всей сети в целом, обычно задаются на этапе планирования и уточняются в результате проектирования и оптимизации сети. К ним относятся следующие основные характеристики:
· пропускная способность транспортных магистралей или базовые скорости передачи;
· объем входящего и исходящего трафиков в сетевых узлах;
· суммарный трафик в сетевых трактах и транспортных магистралях сети;
· надежность или коэффициент готовности сети в целом;
· возможность интеграции различных видов трафика.
Для оценки надежности ЦСС применяют понятие готовности или коэффициента готовности. Коэффициент готовности – доля времени, в течение которого сеть можно использовать по назначению, или, другими словами, это вероятность того, что сеть окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, когда она не используется по назначению. Коэффициент готовности можно повысить путем аппаратного резервирования сетевых элементов (узлов), резервированием трафика, сетевых трактов и каналов за счет соответствующей организации архитектуры и топологии всей сети. Для цифровых магистральных транспортных или ведомственных сетей на основе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), как правило, значение коэффициента готовности лежит в пределах 0,995–0,9998.
Управляемость сети – это возможность централизованно осуществлять конфигурацию, наблюдение, контроль и управление каждым сетевым элементом и всей сетью, включая управление трафиком и планированием развития сети. Это становится возможным на основе применения многоуровневой автоматизированной системы управления сетью.
Интеграция различных видов трафика в сети достигается применением соответствующих аппаратных средств и использованием базовых сетевых технологий на аппаратном уровне.
Резервирование в сети предполагает резервирование трафика, сетевых трактов и каналов с помощью организации соответствующей архитектуры и топологии сети, а также аппаратное резервирование сетевых элементов для обеспечения заданного уровня ее надежности. Все это достигается за счет интегрированной системы управления сетью и соответствующей организацией топологии сети.
Общие требования, которые обычно предъявляют ко всем видам сетей связи, относятся и к ЦСС и сводятся к выполнению сетью основной функции – предоставление пользователям доступа ко всем разделяемым ресурсам сети при гарантированном качестве услуг.
При планировании ЦСС определяют или задают основные требования, обеспечивающие не только гарантированное качество услуг, но и возможность дальнейшего наращивания и развития сети. Общие требования к современной цифровой сети:
· необходимая полоса пропускания;
· расширяемость и масштабируемость сети;
· управляемость сети;
· интеграция различных видов трафика;
· совместимость аппаратуры ЦСП и коммутации;
· резервирование трафика, сетевых трактов и каналов;
· высокая надежность и готовность сети.
Одним из наиболее существенных является требование масштабируемости, которое необходимо, чтобы без особых усилий можно было менять число пользователей, подключенных к сети, и осуществлять наращивание всей сети. Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий – этап создания современных надежных высокопроизводительных транспортных и ведомственных (корпоративных) сетей.
Централизованные ресурсы, новые классы программ, иные принципы их применения, изменение количественных и качественных характеристик информационных потоков в сети, увеличение числа одновременно работающих пользователей и повышение мощности вычислительных плат-
форм – все эти факторы необходимо учитывать при планировании и разработке конкретной ведомственной сети. В целом набор архитектуры и сетевых технологий, разработка топологии и технологических решений при планировании и построении ведомственной сети представляют комплекс взаимосвязанных и достаточно сложных задач.
В современных условиях для планирования и проектирования ведомственной сети необходимо учитывать следующие факторы.
Изменение организационной структуры разработчиков. При реализации проекта сети необходима тесная взаимосвязь и кооперация специалистов по программному обеспечению, сетевых интеграторов, администраторов и прочих специалистов различных профилей.
Использование новых программных средств для понимания и обеспечения всех возможностей сети, своевременного внесения требуемых изменений в планируемые к применению средства.
Разработка и анализ различных решений с точки зрения оценки их влияния на функционирование будущей сети.
Проверка сетей. Необходимо проводить тестирование всей сети или ее части на ранних стадиях разработки, что позволит избежать появления «узких мест» и определить правильность принятых решений, примерную производительность различных архитектур в сети.
Выбор сетевых протоколов для правильной конфигурации сети. При этом важно определить, как сетевые операции, оптимизирующие работу программы (пакета программ), могут повлиять на производительность других.
Размещение сетевого оборудования. Важно выбрать места установки систем управления (основной и резервной), серверов с учетом размещения и миграции пользователей, а также требуемых ресурсов сети.
Для подключения пользователей ко всем ресурсам транспортной и ведомственной сети используются сети доступа. Они подразделяются на сети абонентского доступа, вычислительные сети (ЛВС) и технологические (ЦТС), которые в совокупности образуют цифровые вторичные сети. Сети абонентского доступа присоединяют абонентов (пользователей) к телефонной сети с помощью абонентских линий (АЛ); по объему они занимают ведущее место во всем комплексе вторичных сетей ЦСС. Функции АЛ в ЦСС заключаются в решении трех основных задач:
· обеспечении двухстороннего переноса сообщений на участке между терминалом пользователя и абонентским комплектом оконечной станции;
· обмене сигнальной информацией, необходимой для установления и разъединения соединений;
· поддержке заданных показателей качества передачи информации и надежности связи терминала с оконечной станцией.
Показатели надежности и качества функционирования АЛ обеспечиваются на этапе проектирования и эксплуатации и зависят в основном от физической среды передачи.
Коаксиальные кабели применяются в кабельных линиях связи с полосой пропускания до нескольких десятков мегагерц, а когда требуется организовать большое число каналов тональной частоты (ТЧ) – до нескольких тысяч. Основные преимущества коаксиального кабеля заключаются в том, что в нем фактически полностью отсутствуют перекрестные помехи и на высоких частотах потери намного меньше потерь в линиях связи на витой паре. Полное входное сопротивление коаксиального кабеля связи обычно составляет 50 Ом. Для передачи данных применяют экранированные кабели нескольких типов. Это коаксиальные двухпроводные кабели и разновидности кабелей с экранированными витыми парами.
Радиорелейные линии (РРЛ) представляют собой линейки или цепочки приемопередающих станций, работающих в сантиметровом, дециметровом или метровом диапазонах длин волн и расположенных на расстоянии друг от друга в пределах прямой видимости (от 40–60 км в равнинной местности до 110–150 км в горах). Использование РРЛ с антенными системами высокой направленности позволяет достичь высокой устойчивости передачи информации на большие расстояния, однако они подвержены атмосферным явлениям (грозы, осадки, солнечная активность и т.п.).
Тропосферные линии используют явление рассеяния ультракоротких волн в тропосфере. В таких линиях связи применяют узконаправленные антенны с большими коэффициентами усиления, которые ориентируют так, чтобы их диаграммы направленности пересекались в тропосфере на высоте 10–12 км. Дальность тропосферной связи не превышает 850 км, а чаще находится в пределах 250–500 км. Для увеличения дальности используют тропосферные РРЛ, имеющие значительно большие участки ретрансляции по сравнению с РРЛ, расположенными на земле в прямой видимости.
Космические (спутниковые) линии используют космические (спутниковые) ретрансляторы, расположенные на орбитах высотой до нескольких десятков тысяч километров, и имеют высокие основные технические характеристики по всем основным показателям среди беспроводных систем связи. Используются для передачи информации с места ЧС и радионавигации.
Оптические линии связи основаны на применении в качестве среды передачи оптических волоконных световодов, встроенных в оптический кабель, или это световые волны, распространяющиеся в свободном пространстве. Оптические кабели связи имеют существенные преимущества перед медными кабелями, а оптическая связь – перед всеми видами радиосвязи. К ним относятся: высокая широкополосность, защищенность от внешних электромагнитных полей, низкие потери и, следовательно, большая длина участка ретрансляции, малые габариты и масса, высокая экономичность и др. В электросвязи наибольшее применение находят ВОЛС с различными цифровыми системами передачи.
Оптические линии с распространением световых волн в свободном пространстве основаны на применении узконаправленного лазерного излучения. Такие линии связи из-за поглощения световых волн в атмосфере обеспечивают связь на малых дальностях в пределах прямой видимости (до 10 км) и могут быть использованы для организации связи между стационарными объектами.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 4670; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!