Какой протокол определяет структуру синхронного мультиплексирования

Обновлено: 17.05.2024

Мультиплексирование потоков информации при формировании мощных региональных и межрегиональных каналов имеет два решения. Одно базируется на синхронном мультиплексировании и носит название синхронная цифровая иерархия (SDH, cм. Н.Н.Слепов, Синхронные цифровые сети SDH. ЭКО-ТРЕНДЗ, Москва, 1998), другое использует простой асинхронный пакетный обмен и носит название асинхронный режим передачи (ATM, см. предыдущую главу).

Стандарт SDH (synchronous digital hierarchy) разработан в Европе, (предназначен для замены иерархии асинхронных линий E-1/E-3) используется в настоящее время многими сетями и представляет собой модификацию американского стандарта на передачу данных по оптическим каналам связи SONET (synchronous optical network). Несмотря на свое название SONET не ограничивается исключительно оптическими каналами. Спецификация определяет требования для оптического одно- и мультимодового волокна, а также для 75-омного коаксиального кабеля CATV 75. Пропускная способность SONET начинается с 51,84 Мбит/с STS-1 (synchronous transport signal-1). Более высокие скорости передачи информации в sonet кратны этому значению. Стандартизованы следующие скорости передачи, которые кратны скорости 64 Кбит/с.

STS-1	51,840	STS-18	933,120
STS-3	155,520	STS-24	1244,160
STS-9	466,560	STS-36	1866,240
STS-12	622,080	STS-48	2488,320

Соответствие каналов SONET и SDH приведено ниже[W. Simpson RFC-1619 “PPP over SONET/SDH”] (и тот и другой могут использоваться для организации связей по схеме PPP):

sonet	sdh
STS-3c	STM-1
STS-12c	STM-4
STS-48c	STM-16

sonet (стандарт ANSI, предназначенный для замены NADH - north american digital hierarchy) использует улучшенную PDH - (plesiochronous digital hierarchy - plesios - близкий (греч.)) схему мультиплексирования каналов. В плезиохронной (почти синхронной) иерархии используется мультиплексирование с чередованием бит, а не байт. Мультиплексор формирует из N входных потоков один выходной (сети, где разные часы сфазированы с разными стандартами, но все они привязаны к одной базовой частоте называются плезиохронными). Так как скорости разных каналов могут не совпадать и нет структур, которые могли бы определить позиции битов для каждого из каналов, используется побитовая синхронизация. Здесь мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем введения (или изъятия) соответствующего числа бит. Информация о введенных и изъятых битах передается по служебным каналам. Помимо синхронизации на уровне мультиплексора происходит и формирование кадров и мультикадров. Так для канала Т2 (6312кбит/с) длина кадра равна 789 бит при частоте кадров 8 кГц. Мультикадр содержит 12 кадров. Помимо европейской и американской иерархии каналов существует также японская. Каждая из этих иерархий имеет несколько уровней. Сравнение этих иерархий представлено в таблице 4.3.6.1.

Таблица 4.3.6.1. Сравнение европейской и американской иерархии каналов

Но добавление выравнивающих бит в PDH делает затруднительным идентификацию и вывод потоков 64 Кбит/с или 2 Мбит/с, замешанных в потоке 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования и удаления выравнивающих бит. Если для цифровой телефонии PDH достаточно эффективна, то для передачи данных она оказалась недостаточно гибкой. Именно это обстоятельство определило преимущество систем SONET/SDH. Эти виды иерархических систем позволяют оперировать потоками без необходимости сборки/разборки. Структура кадров позволяет выполнять не только маршрутизацию, но и осуществлять управление сетями любой топологии. Здесь использован чисто синхронный принцип передачи и побайтовое, а не побитовое чередование при мультиплексировании. Первичной скоростью SONET выбрана 50688 Мбит/с (ОС1). Число уровней иерархии значительно расширено (до 48). Кратность уровней иерархии равна номеру уровня.

CCITT выработал следующие рекомендации на эту тему: G.707, G.708 и G.709. CCITT разработал рекомендации для высокоскоростных каналов H:

H0	384 Кбит/с=464 Кбит/с. 3h0=1,544 Мбит/с
H1	H11	1536 Кбит/с
H1	H12	1920 Кбит/с
h4	~135 Мбит/с
H21	~34 Мбит/с
H22	~55 Мбит/с.

На нижних уровнях SDH и SONET в некоторых деталях различаются. Внедрение стандарта SONET ликвидировало многие недостатки каналов T-1 (ограничения на размер максимальной полезной нагрузки, простота стыковки скоростных каналов связи). SONET хорошо согласуется с ATM и FDDI, что создает фундаментальный базис для широкополосных сетей ISDN (B-ISDN). Следует учитывать, что SONET сохраняет совместимость с уже существующими каналами, убирая лишь некоторые присущие им недостатки. Одним из базовых каналов сегодня является T-1 (1544 Кбит/с для США). Он содержит в себе 24 субканалов DS-0 (digital signal at zero level, 64 Кбит/с, США). Мультиплексирование 24 каналов DS-0 по времени формирует канал DS-1 (24 канала*64 Кбит/с)+8 Кбит/с=1544 Кбит/с, последнее слагаемое связано с заголовками информационных блоков). Этой величине соответствует в Европе 2048 Кбит/с (канал E-1 = 30*ds0). Два канала T-1 образуют канал T-1c, четыре канала T-1 формируют канал T-2, а семь T-2 (28 T-1) образуют T-3. Для оптических систем связи в качестве базового принят канал OC-1, равный по пропускной способности T-3. А кадр STS-1 выбран в качестве основного в системе SONET. Кадр STS-1 имеет 9 строк и 90 столбцов (810 байт). Кадры передаются с частотой 8 кГц, что дает для канала STS-1 51840 Кбит/с = 8000Гц*810байт*8бит. Эта цифра характеризует физическую скорость обмена, включающую в себя передачу служебной информации (заголовков), эффективная информационная пропускная способность равна 50112 Кбит/с. Быстродействие каналов более высокого уровня SONET получается умножением пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число. Так пропускная способность OC-3 будет равна 155,52 Мбит/с, а OC-24 - 1244,16 Мбит/с и т.д. Целью создателей SONET было прямая стыковка оптических каналов различных сервис-провайдеров (вспомним, что непосредственное соединение каналов T-1 и E-1 не возможно). SDH допускает сцепление нескольких контейнеров (в том числе и разных размеров), если в один контейнер данные не помещаются. Допускается объединение нескольких контейнеров равного размера в один большой. Хотя относительный размер заголовка виртуального контейнера невелик (~3,33%), его объем достаточен для передачи достаточно больших объемов служебной информации (до 5,184 Мбит/c).

фотонный (photonic) - нижний уровень иерархии. Этот уровень определяет стандарты на форму и преобразование оптических сигналов, на электронно-оптические связи.

секционный (section) - предназначен для управление передачей STS-кадров (sonet) между терминалами и повторителями. В его функции входит контроль ошибок.

линейный (line) - служит для синхронизации и мультиплексирования, осуществляет связь между отдельными узлами сети и терминальным оборудованием, например линейными мультиплексорами, выполняет некоторые функции управления сетью.

Существующие PDH-сети мультиплексируют каналы, используя каскадную схему, показанную на рис. 4.3.6.1.

Рис. 4.3.6.1. pdh-мультиплесирование

спечивается единый стандарт для мультиплексирования и межсетевого соединения;

мой доступ к низкоскоростным каналам без необходимости полного демультиплексирования сигнала;

стая схема управления сетью;

бственно контейнер (C), где лежит передаваемая информация;

Описано несколько типов виртуальных контейнеров для использования в различных каналах.

В схеме мультиплексирования применены следующие обозначения:

С-n	Контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
VC-n	Виртуальный контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
TU-n	Трибные блоки уровня n (n=1,2,3);
TUG-n	Группа трибных блоков n (n=2,3);
AU-n	Административные блоки уровня n (n=3,4);
AUG	Группа административных блоков (стандарт G.709).

Контейнеры С-n используются для инкапсуляции сигналов каналов доступа или трибов, при этом уровни n соответствуют уровням PDH. Контейнер С-1 может нести в себе контейнер С-11, который содержит триб Т1=1,54 Мбит/с, и контейнер С-12, несущий триб Е1=2 Мбит/с. Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, содержащий триб Т2=6 Мбит/с и контейнер С-22 с трибом Е2=8Мбит/с. Контейнер С-3 разбивается на контейнер С-31 (триб Е3=34 Мбит/с) и контейнер С-32 с трибом Т3=45Мбит/с. С-4 не имеет подуровней и несет в себе триб Е4=140 Мбит/с.

Виртуальный контейнер VC-3 делится на два виртуальных контейнера VC-31 и VC-32, полезная нагрузка VC-3 образуется из одного контейнера С-3 или с помощью мультиплексирования нескольких групп TUG-2.

Виртуальный контейнер VC-4 с полезной нагрузкой в виде контейнера С-4 или путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TUG-3.

Административный блок AU-3 разбивается на подуровни AU-31 и AU-32, поле данных которых формируется из виртуального контейнера VC-31 или VC-32 соответственно.

Административный блок AU-4 не имеет подуровней, его поле данных формируется из виртуального контейнера VC-4 или комбинаций других блоков: 4*VC-31 или 3*VC-32 или 21*TUG-21 или 16*TUG-22.

Рис. 4.3.6.2 Иерархия мультиплексирования SDH

На рис. 4.3.6.2 отображена иерархия мультиплексирования потоков информации в SDH. На рисунке не показана возможность вложения контейнера VC-11 в TU-12. SDH-сигнал состоит из STM-1 кадров (synchronous transport module уровень 1; рис. 4.3.6.3). Этот сигнал обеспечивает интерфейс для обмена со скоростью 155.52 Мбит/c, что является базовым блоком, из которого строятся интерфейсы с более высоким быстродействием. Для более высоких скоростей может быть использовано n STM-1 кадров с перекрытием байтов (byte interleave, см. рис. 4.3.6.6). Согласно требованиям CCITT n может принимать значения 1, 4 и 16, предоставляя интерфейс для каналов с полосой 155.52, 622.08 и 2488 Мбит/с. Каждый STM-1 кадр содержит 2430 байтов, передаваемых каждые 125 мксек. Для удобства такой кадр можно отобразить в виде блока, содержащего 9 строк по 270 байт.

Рис. 4.3.6.3 Структура кадра STM-1

Первые 9 колонок кадра, исключая строку 4, используются в качестве заголовка. Регенераторная часть служит для передачи сигнала между линейным оборудованием и несет в себе флаги разграничения кадров, средства для обнаружения ошибок и управления телекоммуникационным каналом.

Мультиплексорный заголовок используется мультиплексорами, обеспечивая детектирование ошибок и информационный канал с пропускной способностью 576 Кбит/с. AU (administrative units) - предлагает механизм эффективной транспортировки информации STM-1. Административный блок перераспределяет информацию внутри виртуального контейнера. Начало виртуального контейнера индицируется указателем au, в котором содержится номер байта, с которого начинается контейнер. Таким образом, начала STM-1 и VC не обязательно совпадают.

Рис. 4.3.6.5. VC-4, плавающий в AU-4

VC-4 (см. рис. 4.3.6.5) позволяет реализовать каналы с быстродействием 139.264 Кбит/с. Более высокая скорость обмена может быть достигнута путем соединения нескольких VC-4 вместе. Для более низких скоростей (около 50 Мбит/с) предлагается структура AU-3.

Три VC-3 помещаются в один кадр STM-1, каждый со своим au-указателем. Когда три VC-3 мультиплексируются в один STM-1, их байты чередуются, то есть за байтом первого VC-3 следует байт второго vc-3, а затем третьего. Чередование байтов (byte interleaving) используется для минимизации задержек при буферизации. Каждый VC-3 имеет свой AU-указатель, что позволяет им произвольно размещаться в пределах кадра STM-1.

Рис. 4.3.6.6. Три VC-3 в STM-1 кадре

VC-4 может нести в себе три VC-3 непосредственно, используя TU-3 структуры, аналогичные AU-3. Однако транспортировка VC-1 и VC-2 внутри vc-3 несколько сложнее. Необходим дополнительный шаг для облегчения процесса мультиплексирования VC-1 и VC-2 в структуры более высокого уровня (см. рис. 4.3.6.7).

Рис. 4.3.6.7. Транспортировка VC при низких скоростях с использованием TU-структур

Так как VC-1 и VC-2 оформляются как TU, они вкладываются в TUG (Tributary Unit Group). TUG-2 имеет 9 рядов и 12 колонок, куда укладывается 4 VC-11, 3 VC-12 или один VC-2. Каждый TUG-2 может содержать VC только одного типа. Но TUG-2, содержащие различные VC, могут быть перемешаны произвольным образом. Фиксированный размер TUG-2 ликвидирует различия между размерами VC-1 и VC-2, упрощая мультиплексирование виртуальных контейнеров различных типов и их размещение в контейнерах более высокого уровня. Данная схема мультиплексирования требует более простого и дешевого оборудования для осуществления мультиплексирования, чем PDH.

Если в SDH управление осуществляется на скоростях в несколько килобайт, в ATM оно реализуется на скорости канала, что влечет за собой определенные издержки.

Для управления SDH/SONET используется протокол SNMP (см. RFC-1595, “Definitions of Managed Objects for the SONET/SDH Interface Type”) и база данных MIB.

Архитектура сети, базирующейся на SDH, может иметь кольцевую структуру или схему точка-точка.

В локальных и особенно в протяженных сетях емкости магистральных линий связи обычно значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это делается с целью одновременной передачи множества таких приложений. Дополнительно, сами приложения могут иметь разную природу, например, это может быть передача постоянного битового потока или передача файлов данных, С целью повышения эффективности передающей среды (носителя) и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе — мультиплексирование.

Различают два основных вида мультиплексирования:
— Частотное мультиплексирование FDM: каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существуют одновременно сразу несколько сигналов.
— Временное мультиплексирование TDM: сигналу каждого приложения выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени — тайм-слот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные приложения. В рамках TDM различают синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию.

На рис. 5.1 показаны схемы размещения каналов при FDM и TDM. Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором MUX, а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце — демультиплексором DEMUX. Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется мультиплексором.

Частотное мультиплексирование FDM

Частотное мультиплексирование (рис. 5.1 а) распространено в системах беспроводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских телевизионных системах, включая кабельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультиплексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

В сетях широковещательного телевидения сначала исходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются посредством модуляции в определенные, отведенные специально для них области спектра — каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам.

Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование WDM, применяемое в волоконно-оптических системах передач. Преимущественно используется область спектра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 им (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 15301560 нм.

Синхронное временное мультиплексирование

Синхронное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных цифровых каналов (или n периодически повторяющихся равных по длительности тайм-слотов) внутри одного носителя, С целью лучшей синхронизации непрерывного битового потока, в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом частоты. На рис. 5.1 б показана схема следования тайм-слотов при12-канальном TDM. Тайм-слоты с номером 1 соответствуют первому приложению, с номером 2 — второму и т.д. Емкость отдельного приложения -емкость тайм-слота — равна W/n, где W — полная полоса носителя. Емкие приложения могут занимать полосу в несколько тайм-слотов.

Рис. 5.1. Основные виды мультиплексирования

Если от одного из приложений не поступают данные, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале и оставляет для него прежнюю полосу W/n. Никакому другому приложению эта полоса не доступна. Более того, ни одно из приложений не может получить большую полосу пропускания, чем ту, которая отводится. Это особенность синхронного мультиплексирования.

Мультиплексирование может происходить на октетном, битовом или кадровом уровне.
При мультиплексировании на октетном уровне последовательности в 8 битов от каждого из n приложений — октеты — циклически сменяют друг друга. Задержка на время буферизации одного октета возникает между входным низкоскоростным и выходным мультиплексным потоками.

При мультиплексировании на битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. Более критичными, в этом случае, становятся требования к временным характеристикам, но и уменьшается задержка, вносимая мультиплексором. В городских коммутируемых телефонных сетях мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплексных каналов.

Рис. 5.2. Основные типы логической топологии мультиплексных систем

По каждому из каналов мультиплексор может поддерживать одну из шести функций выделения, добавления или пропускания каналов (drop-add-pass), рис. 5.4:

Рис. 5.4. функции выделения, добавления и пропускания канала

В практических реализациях скоростной мультиплексный канал строится преимущественно на основе волоконно-оптического интерфейса. Существует огромное разнообразие мультиплексоров, использующих волоконно-оптическую TDM-магистраль.

Оптический модем-мультиплексор Optimux производства PAD. Внешний вид и схема включения модема показаны на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Внешний вид и схема подключения оптического модема-мультиплексора Optimux производства RAD Data Communications

Модульный ТОМ мультиплексор MagnumPlus фирмы ADC Kentrox. Это -более универсальное и более мощное решение, допускающее передачу множества различных протоколов.

Отметим, что логическая топология взаимодействия мультиплексоров MagnumPlus по TDM магистрали базируется на кольце, в то время как физическое соединение может быть как точка-точка, кольцо, или цепная линия. Кольцевая логическая топология необходима для дистанционного мониторинга и управления мультиплексорами на основе TDM магистрали.
При инициализации TDM магистрали одно из устройств автоматически выбирается мастером — по нему синхронизируются все остальные устройства. При подключении мультиплексоров через сеть SDH, синхронизация происходит от SDH магистрали.

Аналогичные оптические модемы-мультиплексоры, также широко используемые на российском рынке, выпускаются фирмами- ADC Telecommunications — продукт Quad Fiber Loop Converter, 4xE1 ; и Pan Dacom -продукт FME-H, 6xE1 )

Модули MagnumPlus, рис. 5.6: Интерфейсные модули (IN/OUT). Чтобы удовлетворить тем или иным специфическим требованиям, имеется большое разнообразие модулей, среди которых — модули Ethernet Switch (разъем AUI, BNC, F/0), Token Ring 4 или 16 Мбит/с (разъем DB9), Е1 (G.703);

Модули питания. Питание может осуществляться от 48 V DC, 110V AC, 220V AC. Для обеспечения защиты на случай выхода из строя блока питания допускается установка до двух блоков питания с распределяемой нагрузкой; Модуль контрольной логики. Необязательный модуль, позволяющий осуществлять дистанционное SNMP управление и мониторинг; Модули общей логики. Обеспечивают все необходимые возможности мультиплексирования и демультиплексирования на основе волоконно-оптического интерфейса (155 Мбит/с) или интерфейса на коаксиальном кабеле (DS3, 45 Мбит/с).

Рис. 5.6. Вид шасси мультиплексора MagnumPlus производства ADC Kentrox

Похожие модульные TDM мультиплексоры выпускаются фирмами NBase-Fibronics (Multi-HUB) и Racal Data Group (PremNet 5000, PremNet Branch).

Синхронная цифровая иерархия SDH — наиболее широко распространенная технология синхронного временного мультиплексирования.

Поддерживаемая технологией SONET/SDH иерархия скоростей представлена в табл.11.2.

Таблица 11.2. Иерархия скоростей SONET/SDH

SDH	SONET	Скорость
STS-1, ОС-1	51,84 Мбит/с
STM-1	STS-3, ОС-3	155,520 Мбит/с
STM-3	ОС-9	466,560 Мбит/с
STM-4	ОС-12	622,080 Мбит/с
STM-6	ОС-18	933,120 Мбит/с
STM-8	ОС-24	1,244 Гбит/с
STM-12	ОС-36	1,866 Гбит/с
STM-16	ОС-48	2,488 Гбит/с
STM-64	ОС-192	9,953 Гбит/с
STM-256	ОС-768	39,81 Гбит/с

В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название STM-N (Synchronous Transport Module level N — синхронный транспортный модуль уровня N). В технологии SONET существует два обозначения для уровней скоростей: название STS-N (Synchronous Transport Signal level N — синхронный транспортный сигнал уровня N) употребляется в случае передачи данных электрическим сигналом, а название OC-N (Optical Carrier level N — оптоволоконная линия связи уровня N) используют в случае передачи данных по волоконно-оптическому кабелю. Далее для упрощения изложения мы сосредоточимся на технологии SDH.

Кадры STM-N имеют достаточно сложную структуру, позволяющую агрегировать в общий магистральный поток потоки SDH и PDH различных скоростей, а также выполнять операции ввода-вывода без полного демультиплексирования магистрального потока.

В технологии SDH определено несколько типов виртуальных контейнеров (рис. 11.3), предназначенных для транспортировки основных типов блоков данных PDH: VC-11 (1,5 Мбит/с), VC-12 (2 Мбит/с), VC-2 (6 Мбит/с), VC3 (34/45 Мбит/с) и VC-4 (140 Мбит/с).

Рис. 11.3. Схема мультиплексирования данных в SDH

Виртуальные контейнеры являются единицей коммутации мультиплексоров SDH. В каждом мультиплексоре существует таблица соединений(называемая также таблицей кросссоединений),в которой указано, например, что контейнер VC-12 порта Р1 соединен с контейнером VC12 порта Р5, а контейнер VC3 порта Р8 — с контейнером VC3 порта Р9. Таблицу соединений формирует администратор сети с помощью системы управления или управляющего терминала на каждом мультиплексоре так, чтобы обеспечить сквозной путь между конечными точками сети, к которым подключено пользовательское оборудование.

Чтобы совместить в рамках одной сети механизмы синхронной передачи кадров (STM-N) и асинхронный xapaKjep переносимых этими кадрами пользовательских данных PDH, в технологии SDH применяются указатели.Концепция указателей — ключевая в технологии SDH, она заменяет принятое в PDH выравнивание скоростей асинхронных источников посредством дополнительных битов. Указатель определяет текущее положение виртуального контейнера в агрегированной структуре более высокого уровня, каковой является трибутарный блок(Tributary Unit, TU) либо административный блок(Administrative Unit, AU). Собственно, основное отличие этих блоков от виртуального контейнера заключается в наличии дополнительного поля указателя. С помощью этого указателя виртуальный

Трибутарные блоки объединяются в группы, а те, в свою очередь, входят в административные блоки. Группа административных блоков (Administrative Unit Group, AUG) в количестве N и образует полезную нагрузку кадра STM-N. Помимо этого в кадре имеется заголовок с общей для всех блоков AU служебной информацией. На каждом шаге преобразования к предыдущим данным добавляется несколько служебных байтов: они помогают распознать структуру блока или группы блоков и затем определить с помощью указателей начало пользовательских данных.

На рис. 11.3 структурные единицы кадра SDH, содержащие указатели, заштрихованы, а связь между контейнерами и блоками, допускающая сдвиг данных по фазе, показана пунктиром.

Схема мультиплексирования SDH предоставляет разнообразные возможности по объединению пользовательских потоков PDH. Например, для кадра STM-1 можно реализовать такие варианты:

§ 1 поток Е-3 и 42 потока Е-1.

Другие варианты читатель может предложить сам.

Типы оборудования

Основным элементом сети SDH является мультиплексор (рис. 11.4). Обычно он оснащен некоторым количеством портов PDH и SDH: например, портами PDH на 2 и 34/45 Мбит/с и портами SDH STM-1 на 155 Мбит/с и STM-4 на 622 Мбит/с. Порты мультиплексора SDH делятся на агрегатные и трибутарные.

Рис. 11.4. Мультиплексор SDH

Мультиплексоры SDH обычно разделяют на два типа, разница между которыми определяется положением мультиплексора в сети SDH (рис. 11.5).

Терминальный мультиплексор(Terminal Multiplexer, ТМ) завершает агрегатный канал, мультиплексируя в нем большое количество трибутарных каналов, поэтому он оснащен одним агрегатным и большим числом трибутарных портов.

Мультиплексор ввода-вывода (Add-Drop Multiplexer, ADM) занимает промежуточное положение на магистрали (в кольце, цепи или смешанной топологии). Он имеет два агрегатных порта, транзитом передавая агрегатный поток данных. С помощью небольшого количества трибутарных портов такой мультиплексор вводит в агрегатный поток или выводит из агрегатного потока данные трибутарных каналов.

Рис. 11.5. Типы мультиплексоров SDH

Иногда также выделяют мультиплексоры, которые выполняют операции коммутации над произвольными виртуальными контейнерами — так называемые цифровые кроссконнекторы (Digital Cross-Connect, DXC). В таких мультиплексорах не делается различий между агрегатными и трибутарными портами, так как они предназначены для работы в ячеистой топологии, где выделить агрегатные потоки невозможно.

Помимо мультиплексоров, в состав сети SDH могут входить регенераторы сигналов, необходимые для преодоления ограничений по расстоянию между мультиплексорами. Эти ограничения зависят от мощности оптических передатчиков, чувствительности приемников и затухания волоконно-оптического кабеля. Регенератор преобразует оптический сигнал в электрический и обратно, при этом восстанавливается форма сигнала и его временные характеристики. В настоящее время регенераторы SDH применяются достаточно редко, так как стоимость их ненамного ниже стоимости мультиплексора, а функциональные возможности несоизмеримо беднее.

Стек протоколов

Стек протоколов SDHсостоит из протоколов 4-х уровней. Эти уровни никак не соотносятся с уровнями модели OSI, для которой вся сеть SDH представляется как оборудование физического уровня.

Фотонный уровеньимеет дело с кодированием битов информации путем модуляции света. Для кодирования оптического сигнала применяется потенциальный код NRZ, обладающий свойствами самосинхронизации.

Уровень секцииподдерживает физическую целостность сети. Регенераторной секциейв технологии SDH называется каждый непрерывный отрезок волоконно-оптического кабеля, который соединяет между собой такие, например, пары устройств SONET/SDH, как мультиплексор и регенератор, регенератор и регенератор, но не два мультиплексора. Компоненты регенераторной секции поддерживают протокол, который имеет дело с определенной частью заголовка кадра, называемой заголовком регенераторной секции(Regenerator Section OverHead, RSOH), и который на основе служебной информации может проводить тестирование секции и выполнять операции административного контроля.

Уровень линииотвечает за передачу данных по линии между двумя мультиплексорами сети, поэтому линию также часто называют мультиплексной секцией.Протокол этого уровня работает с кадрами уровней STS-N для выполнения различных операций мультиплексирования и демультиплексирования, а также вставки и удаления пользовательских данных. Кроме того, протокол линии ответственен за реконфигурирование линии в случае отказа какого-либо ее элемента — оптического волокна, порта или соседнего мультиплексора. Служебная информация мультиплексной секции располагается в части заголовка кадра, называемой заголовком мультиплексной секции(Multiplex Section OverHead, MSOH).

Уровень трактаотвечает за доставку данных между двумя конечными пользователями сети. Тракт — это составное виртуальное соединение между пользователями. Протокол тракта должен принять данные, поступающие в пользовательском формате, например формате Т-1, и преобразовать их в синхронные кадры STM-N.

На рис. 11.6 показано распределение протоколов SDH по типам оборудования SDH.

Рис. 11.6. Стек протоколов технологии SDH

Кадры STM-N

Основные элементы кадра STM-1 показаны на рис. 11.7, а в табл. 11.3 приведена структура заголовков регенераторной и мультиплексной секций.

Рис. 11.7. Структура кадра STM-1

Таблица 11.3. Состав заголовков регенераторной и мультиплексной секций

Рассмотрим механизм работы указателя Н1-Н2-НЗ на примере кадра STM-1, переносящего контейнер VC-4. Указатель занимает 9 байт четвертого ряда кадра, причем под каждое из полей HI, Н2 и НЗ в этом случае отводится по 3 байта. Разрешенные значения указателя находятся в диапазоне 0-782, причем указатель отмечает начало контейнера VC-4 в трехбайтовых единицах. Например, если указатель имеет значение 27, то первый байт VC-4 находится на расстоянии 27 х 3 - 81 байт от последнего байта поля указателей, то есть является 90-м байтом (нумерация начинается с единицы) в 4-й строке кадра STM-1. Фиксированное значение указателя позволяет учесть фазовый сдвиг между данным мультиплексором и источником данных, в качестве которого может выступать мультиплексор PDH, оборудование пользователя с интерфейсом PDH или другой мультиплексор SDH. В результате виртуальный контейнер передается в двух последовательных кадрах STM-1, как и показано на рис. 11.7.

Указатель может отрабатывать не только фиксированный фазовый сдвиг, но и рассогласование тактовой частоты мультиплексора с тактовой частотой устройства, от которого принимаются пользовательские данные. Для компенсации этого эффекта значение указателя периодически наращивается или уменьшается на единицу.

Тот факт, что выравнивание контейнера VC-4 происходит с дискретностью в три байта, объясняется достаточно просто. Дело в том, что в кадре STM-1 может переноситься либо один контейнер VC-4, либо три контейнера VC-З. Каждый из контейнеров VC-З имеет в общем случае независимое значение фазы относительно начала кадра, а также собственную величину рассогласования частоты. Указатель VC-З в отличие от указателя VC-4 состоит уже не из девяти, а из трех байтов: HI, Н2, НЗ (каждое из этих полей — однобайтовое). Эти три указателя помещаются в те же байты, что и указатель VC-4, но по схеме с чередованием байтов, то есть в порядке Hl-1, Hl-2, Hl-3, Н2-1, Н2-2, Н2-3, НЗ-1, НЗ-2, НЗ-З (второй

индекс идентифицирует определенный контейнер VC-3). Значения указателей VC-3 интерпретируются в байтах, а не трехбайтовых единицах. При отрицательном выравнивании контейнера VC-3 лишний байт помещается в соответствующий байт НЗ-1, НЗ-2 или НЗ-З — в зависимости от того, над каким из контейнеров VC-3 проводится операция.

Вот мы и дошли до размера смещения для контейнеров VC4 — этот размер был выбран для унификации этих операций над контейнерами любого типа, размещаемыми непосредственно в AUG кадра STM-1. Выравнивание контейнеров более низкого уровня всегда происходит с шагом в один байт.

При объединении блоков TU и AU в группы в соответствии с описанной схемой (см. рис. 11.7) выполняется их последовательное побайтное расслоение, так что период следования пользовательских данных в кадре STM-N совпадает с периодом их следования в трибутарных портах. Это исключает необходимость в их временной буферизации, поэтому говорят, что мультиплексоры SDH передают данные в реальном масштабе времени.

Типовые топологии

В сетях SDH применяются различные топологии связей. Наиболее часто используются кольца и линейные цепи мультиплексоров, также находит все большее применение ячеистая топология, близкая к полносвязной.

Цепь(рис. 11.8, б) — это линейная последовательность мультиплексоров, из которых два оконечных играют роль терминальных мультиплексоров, остальные — мультиплексоров ввода-вывода. Обычно сеть с топологией цепи применяется в тех случаях, когда узлы имеют соответствующее географическое расположение, например вдоль магистрали железной дороги или трубопровода. Правда, в таких случаях может применяться и плоское кольцо(рис. 11.8, в), обеспечивающее более высокий уровень отказоустойчивости за счет двух дополнительных волокон в магистральном кабеле и по одному дополнительному агрегатному порту у терминальных мультиплексоров.

Мультиплексирование было разработано в начале 1870-х годов, но в конце 20-го века оно стало гораздо более применимо к цифровой связи. Сегодня мультиплексирование с частотным разделением (FDM, frequency division multiplexing), мультиплексирование с временным разделением (TDM, time division multiplexing) и мультиплексирование с разделением по длине волны (WDM, wavelength division multiplexing) стало чрезвычайно важным активом для телекоммуникационных процессов и значительно улучшило способ передачи и приема независимых сигналов по AM и FM радиоканалам, по телефонным линиям и по оптоволокну.

Понятие мультиплексирования

Системы телекоммуникаций, такие как радиосвязь, телефон и телевидение, для передачи и приема информации все используют метод, называемый мультиплексированием. Мультиплексирование было разработано для передачи множества аналоговых сигналов или цифровых потоков через одну общую линию передачи. Мультиплексоры, или сокращенно MUX, объединяют сигналы от нескольких устройств, которые затем передаются по этой линии передачи.

Мультиплексор (MUX) считывает и анализирует каждый подаваемый на него отдельный сигнал или поток цифровых данных, а затем назначает каждому из них временной интервал фиксированной длины. После этого назначения MUX теперь имеет так называемый единый составной сигнал и передает часть данных из каждого слота в течение его временного интервала фиксированной длины по высокоскоростной линии передачи. На другом конце высокоскоростной линии передачи этот составной сигнал повторно анализируется и разделяется демультиплексором, или DEMUX. На рисунке ниже показан поток, в котором цифровые данные в системах FDM, TDM и WDM передаются и принимаются от одного устройства к другому с использованием одного мультиплексора и одного демультиплексора.

Рисунок 1 – Система передачи данных, использующая мультиплексирование и демультиплексирование

Мультиплексирование с частотным разделением (FDM)

Мультиплексирование в радиовещании, будь то амплитудная модуляция или частотная модуляция (AM и FM), формирует сигнал радиостанции, на который вы можете настроиться. Мы можем выбрать прослушивание только одной станции, потому что каждый передаваемый поток данных принадлежит отдельной радиостанции. Если бы это было не так, сигналы радиостанций накладывались бы друг на друга, что вызывало бы нежелательный постоянный шум. В отличие от TDM, если необходимо передать цифровой сигнал, то его необходимо сначала преобразовать в аналоговую форму, прежде чем его можно будет передать по линии передачи.

Что такое мультиплексирование с временным разделением (TDM)?

Метод объединения нескольких независимых потоков данных в один сигнал данных и передачи этого единого сигнала данных через мультиплексор на демультиплексор известен как мультиплексирование с временным разделением. TDM отличается от FDM и WDM своим чередованием передачи через единственный сигнал данных. Каждый отдельный сигнал, который передается через мультиплексор, периодически выдается на выход в течение короткого промежутка времени.

Когда мультиплексирование с временным разделением впервые было реализовано в конце 1800-х годов, оно использовалось в телеграфии. TDM в первую очередь использовалось для создания более простого способа передачи множества телеграмм, отправляемых телеграфными машинами Hughes одновременно. Концепция, лежащая в основе использования мультиплексирования с временным разделением, заключалась в том, чтобы принимать несколько телеграфных передач и синхронно передавать их в одно и то же время, используя линию передачи, общую с другими телеграфными машинами Hughes. Это было началом передачи информации на большие расстояния по одной линии связи.

В то время как TDM манипулирует цифровыми данными, телефонные цепи выдают аналоговые сигналы данных. Для правильной работы мультиплексирования необходимы устройства кодера и декодера для обработки аналоговых данных. Кодер преобразует аналоговый формат в квантованный, дискретный по времени формат. После того как кодер преобразовал аналоговые данные в цифровые, эти данные затем мультиплексируются вместе с другими, используя TDM. После того, как данные проходят через единую линию передачи, их принимает демультиплексор, демультиплексирует этот единый сигнал данных и отправляет выделенные сигналы другим устройствам.

TDM, работающее с пропускной способностью сети

Та же концепция мультиплексирования, которая была разработана для связи на большом расстоянии между многочисленными телеграфами Huges, теперь широко используется в сетях с закрытой коммутацией, таких как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN, public switched telephone network). Мультиплексирование с временным разделением получило дальнейшее развитие с момента его создания, и теперь оно может разделить пропускную способность сети на более мелкие части. Основное внимание в этой новой операции уделяется минимизации полосы пропускания, используемой рядом устройств в сети системы. Хотя это тот же термин, что используется и в телеграфах, правила отправки данных были пересмотрены и изменены, поэтому с устройства на устройство могут передаваться данные более высокого качества. Этот метод связи был разработан, чтобы предоставить компаниям упрощенный и экономичный способ построения быстрых сетей, которые связывают устройства друг с другом на обширных географических территориях.

Основные системы TDM используют одну из двух традиционных схем мультиплексирования: с чередованием битов или с чередованием байтов. Фиксированному временному интервалу структуры присваивается бит (1 для true или 0 для false) или байт длиной до 8 бит для представления целого числа или символа.

Рисунок 2 – Мультиплексирование с временным разделением (TDM)

Передача посредством мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)

Этот метод мультиплексирования оказался более полезным для телекоммуникационных компаний в конце 20-го века из-за емкости потоков данных, которые можно передавать по оптоволоконным линиям. Передача с помощью WDM стала возможна, потому что этот метод объединяет в одной линии передачи многочисленные сигналы данных на лазерных лучах с разными длинами волн инфракрасного излучения. Для передачи большого количества потоков данных WDM использует оптоволоконные кабели, что предпочтительнее обычного использования систем FDM и TDM. Эта система похожа на FDM, но этот метод работает на инфракрасном (IR) конце электромагнитного спектра. На приведенном ниже рисунке показан каждый канал потока данных, объединенный в белый свет, который передается по одному оптоволоконному кабелю.

Рисунок 3 – Мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)

В начале системы каждый сигнал данных управляет своим лазером, далее свет от этих лазеров смешивается призмой в оптическом мультиплексоре и передается по общему оптоволокну. А на приемной стороне полученный световой сигнал подается на оптический демультиплексор, где он разделяется другой призмой по длинам волн, и откуда выделенные сигналы подаются чувствительные к инфракрасному излучению фотоприемники.

Надеюсь, эта статья предоставила вам достаточно информации для понимания основных применений, концепций и схем использования мультиплексирования в телекоммуникационных процессах. Если у вас есть вопросы или отзывы, обязательно оставляйте комментарии!

Читайте также: