Лекции по Синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ)   

1. Основы цифровых технологий передачи данных

1.5. Цифровые иерархии скоростей передачи

Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в связи с переходом or аналоговых к цифровым методам передачи данных, основанных на мультиплексировании с временным разделением каналов и ИКМ.

При использовании цифровых методов мультиплексор (типа п:1) формирует, как известно, из п входных цифровых последовательностей одну выходную, состоящую из повторяющихся групп по л одноименных блоков (бит, байт, несколько байтов), сформированных за "тайм-слот". Мультиплексор теоретически должен при этом обеспечить скорость передачи данных порядка n х v, где v - скорость передачи данных одного входного канала, предполагаемая одинаковой для всех каналов.

Если в качестве входного используется сигнал основного цифрового каналаDSO (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с, то с помощью одного мультиплексора типа п:1 можно теоретически формировать потоки со скоростью n х 64 кбит/с. Так, для Bell D2 мы имели поток 24 х 64 кбит/с, а для СЕРТ - 30 х 64 кбит/с. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т.д. уровней типа т:1, 1:1, k:1..., to можно сформировать различные иерархические наборы цифровых скоростей передачи, или цифровые иерархии, позволяющие довести этот процесс мультиплексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число каналов DSO на выходе, выбирая различные коэффициенты кратности n, m, I, k, ... .

1.5.1. Схемы плезиохронной цифровой иерархии - PDH

Три такие иерархии были разработаны в начале 80-ч годов. В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с (фактически n = 24, т.е. двадцать четыре цифровых телефонных канала 64 кбит/с, а для передачи данных - 24 информационных канала 64 кбит/с). Во второй, принятой в Японии, использовалась та же скорость для DS1. В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость 2048 кбит/с (формально n = 32, фактически n = 30, т.е. в качестве информационных используется тридцать телефонных или информационных каналов 64 кбит/с плюс два канала сигнализации и управления по 64 кбит/с).

Первая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность: DS1 -DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с (часто цитируется ряд приближенных величин 1.5 - 6 - 45 - 274 Мбит/с), что, с учетом скорости DSO, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, 1=7, k=6. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DSO.

Здесь и ниже DSO - DS4 - мы будем называть цифровыми каналами 0-го, 1-го, 2-го, 3-го и 4-го уровней иерархии. В терминологии, используемой в связи, это соответственно: основной цифровой канал (ОЦК), первичный цифровой канал (ПЦК), вторичный цифровой канал (ВЦК), третичный цифровой канал (ТЦК) и четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

Вторая иерархия, порожденная скоростью 1544 кбит/с, давала последовательность DS1 - DS2 - DSJ3 - DSJ4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с (ряд приближенных величин составляет 1.5-6-32-98 Мбит/с), что, с учетом скорости DSO, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, 1=5, k=3. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 24, 96, 480 и 1440 каналов DSO.

Здесь DSJ3 и DSJ4 мы будем называть цифровыми каналами 3-го и 4-го уровней Японской PDH иерархии.

Третья иерархия, порожденная скоростью 2048 кбит/с, давала последовательность Е1 - E2 -ЕЗ - Е4 - Е5 или последовательность 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 - кбит/с (ряд прибли-женнх величин составляет 2 - 8 - 34 - 140 - 565 Мбит/с), что соответствует ряду коэффициентов п=30 (32), m=4, 1=4, k=4, i=4, (т.е. коэффициент мультиплексирования в этой иерархии выбирался постоянным и кратным 2). Указанная иерархия позволяет передавать соответственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов DSO, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д..

Указанные иерархии, известные под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 1-2.

Параллельное развитие трех различных иерархий не могло способствовать развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом, поэтому комитетом по стандартизации ITU-T или МСЭ-Т были сделаны шаги по их унификации и возможному объединению. В результате был разработан стандарт [13], согласно которому:

- во-первых, были стандартизованы три первых уровня первой иерархии (DS1-DS2-DS3), четыре уровня второй иерархии (DS1-DS2-DSJ3-DSJ4) и четыре уровня третьей иерархии (Е1-Е2-ЕЗ-Е4) в качестве основных и указаны схемы кросс-мультиплексирования иерархий, например, из третьей иерархии в первую (с первого на второй уровень) и обратно (с третьего на четвертый уровень), что и показано на рис.1-11 (коэффициенты мультиплексирования показаны на линиях связи блоков, представляющих скорости передачи);

- во-вторых, последние уровни первой (274 Мбит/с) и третьей (565 Мбит/с) иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных;

- в-третьих, была сохранена ветвь 32064 - 97728 кбит/с (или приближенно 32 - 98 Мбит/с) во второй иерархии, т.е. уровни DSJ3 и DSJ4, параллельные уровням DS3 в первой иерархии и Е4 в третьей иерархии. Уровень DSJ3 фактически соответствует уровню ЕЗ, что облегчает кросс-мультиплексирование со второго уровня на третий. Уровень DSJ4 - 98 Мбит/с - был возможно сохранен для совместимости с технологией распределенного оптоволоконного интерфейса данныхFDDI.

Работы по стандартизации иерархий как в Европе, так и в Америке, имели два важных последствия:

- разработка схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH или ПЦИ);

-          разработка схемы синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH или СЦИ).

1.5.2. Особенности плезиохронной цифровой иерархии

Наличие стандартных скоростей передачи и фиксированных коэффициентов мультиплексирования позволило говорить о трех схемах мультиплексирования - американской, японской и европейской (называемой часто СЕРТ или ETSI/CEPT).

При использовании жесткой синхронизации при приеме/передаче можно было бы применить метод мультиплексирования с чередованием октетов или байтов, как это делалось при формировании цифровых сигналов первого уровня, для того, чтобы иметь принципиальную возможность идентификации байтов или групп байтов каждого канала в общем потоке. Однако учитывая, что общая синхронизация входных последовательностей, подаваемых на мультиплексор от разных абонентов/пользователей, отсутствует, в схемах второго и более высокого уровней мультиплексирования был использован метод мультиплексирования с чередованием бит (а не байт). В этом методе мультиплексор, например, второго уровня формирует выходную цифровую последовательность (со скоростью 6 Мбит/с - АС, ЯС или 8 Мбит/с - ЕС) путем чередования бит входных последовательностей от разных каналов (для АС и ЯС это каналы Т1, а для ЕС - каналы Е1).

Так как мультиплексор не формирует структуры, которая могла бы быть использована для определения позиции бита каждого канала, а входные скорости разных каналов могут не совпадать, то используется внутренняя побитовая синхронизация, при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков путем добавления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями передачи (наиболее простой вариант, хотя могут использоваться другие варианты, когда выравнивание скоростей осуществляется путем изъятия бит из каналов с большими скоростями, или сочетаются оба процесса добавления/изъятия). Благодаря этому на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая последовательность. Информация о вставленных/изъятых битах передается по служебным каналам, формируемым отдельными битами в структуре фрейма. На последующих уровнях мультиплексирования эта схема повторяется, добавляя новые выравнивающие биты. Эти биты затем удаляются/добавляются при демультиплексировании на приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс передачи получил название плезиохронного (т.е. почти синхронного), а цифровые иерархии АС, ЯС и ЕС соответственно название плезиохронных цифровых иерархий -PDH.

Кроме синхронизации, на уровне мультиплексора второго порядка также происходит формирование фреймов и мультифреймов, которые позволяют структурировать последовательность в целом. Например, для канала Т2 (6312 кбит/с) длина фрейма равна 789 бит при естественном сохранении частоты повторения фрейма 8000 Гц. Мультифрейм соответствует 12 фреймам. Для канала Е2 (8448 кбит/с) длина фрейма равна 1056 бит, и также может быть использован мультифрейм из 12 фреймов [15]. Формирование фреймов и мультифреймов и их выравнивание особенно важно для локализации на приемной стороне каждого фрейма, что позволяет в свою очередь получить информацию о сигнализации и кодовых группах контролирующих избыточных кодов CRC и информацию служебного канала данных.

В АС используется два уровня мультиплексирования - 1.5->6 и б->45 плюс один возможный дополнительный 45->140 для сопряжения с ЕС. В ЯС используются три уровня мультиплексирования -1.5->6, 6->32 и 32->98 плюс один возможный дополнительный 32->140 для сопряжения с ЕС. В ЕС используются три уровня мультиплексирования - 2->8, 8->34 и 34-140.

Общая схема канала передачи с использованием технологии PDH даже в самом простом варианте топологии сети "точка - точка" на скорости 140 Мбит/с должна включать три уровня мультиплексирования на передающей стороне (для ЕС, например, 2->8, 8->34 и 34->140) и три уровня демультиплексирования на приемной стороне, что приводит к достаточно сложной аппаратурной реализации таких систем. Однако существенное удешевление цифровой аппаратуры за последнее десятилетие и использование оптоволоконных кабелей в качестве среды передачи PDH сигнала привели к тому, что системы цифровой телефонии с использованием технологии PDH получили значительное распространение. Эти системы позволили транспортировать большое количество каналов цифровой высококачественной телефонной связи. Например, один канал 140 Мбит/с эквивалентен 1920 (30х4х4х4=1920) каналам 64 кбит/с, которые в первую очередь использовались для передачи речи, но могут быть использованы, в частности, для передачи данных.

С использованием современных методов ИКМ (например дифференциальной ИКМ - ДИКМ) можно использовать скорость 32 кбит/с для передачи одного речевого канала, что приводит к схемам каналов Т1 или Е1, несущих 48 или 60 телефонных каналов [15]. Современная техника сжатия данных позволила последовательно увеличить эти показатели в 2 раза (16 кбит/с на речевой канал), затем в 4 раза (8 кбит/с на канал) и, наконец, благодаря использованию техники кодирования с линейным предсказанием по кодовой книге, в 5 раз (6.4 кбит/с на канал).

Более важным результатом этого развития, однако, с нашей точки зрения, стало то, что PDH системами стали пользоваться для передачи данных, и в первую очередь банковских транзакций, используя главным образом каналы 64 кбит/с с протоколом пакетной коммутации Х.25. Казалось, что от этого привлекательность новой технологии только выиграет за счет привлечения новой мощной группы пользователей. Однако этого не произошло. PDH технология продемонстрировала на этом этапе возросшего к ней интереса свою негибкость.

1.5.3. Недостатки плезиохронной цифровой иерархии

Суть основных недостатков PDH в том, что добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод, например, потока 64 кбит/с или 2 Мбит/с, "зашитого" в поток 140 Мбит/с, без полного демультиплексирования или "расшивки" этого потока и удаления выравнивающих бит. Одно дело "гнать" поток междугородных или международных телефонных разговоров от одного телефонного узла к другому "сшивая" и "расшивая" их достаточно редко. Другое дело - связать несколько банков и/или их отделений с помощью PDH сети. В последнем случае часто приходится либо выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из потока 140 Мбит/с, чтобы завести его, например, в отделение банка, либо наоборот выводить поток 64 кбит/с или 2 Мбит/с из банка для ввода его обратно в поток 140 Мбит/с. Осуществляя такой ввод/вывод, приходится проводить достаточно сложную операцию трехуровневого демультиплексирования ("расшивания") PDH сигнала с удалением/добавлением выравнивающих (на всех трех уровнях) бит и его последующего трехуровневого мультиплексирования ("сшивания") с добавлением новых выравнивающих бит.

Схема такой операции для одного пользователя (с потоком 2 Мбит/с) показана на рис.1-12. При наличии многих пользователей, требующих ввода/вывода исходных (например, 2 Мбит/с) потоков, для аппаратурной реализации сети требуется чрезмерно большое количество мультиплексоров, в результате эксплуатация сети становится экономически невыгодной.

Другое узкое место технологии PDH - слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. Обычно для целей последующей идентификации и сигнализации поток разбивается на группы тайм-слотов, или фреймы, из которых затем компонуются группы из нескольких фреймов или мультифреймы. Последние, давая возможность идентифицировать на приемной стороне отдельные фреймы, снабжаются дополнительными битами циклических помехоустойчивых кодов и используемых систем сигнализации [15]. Однако эти средства достаточно слабы, особенно на первых двух уровнях АС и ЯС иерархий. Например, мультифреймы Т1 позволяют формировать кроме сигнала синхронизации, кодовую группу кода CRC-6 (6 бит контрольного кода на 4632 бита - 24 фрейма) и служебный канал данных со скоростью 4 кбит/с, используемый, в частности, для посылки сигнала потери синхронизации фреймаLFA. Мультифреймы Т2 дают возможность формировать служебный канал той же емкости - 4 кбит/с и кодовую группу кода CRC-5 (5 бит контрольного кода на 3156 бит).

Рекомендация G.704 [15] вообще не предусматривает необходимые для нормальной маршрутизации заголовки. В связи с отсутствием специальных средств маршрутизации, при формировании PDH фреймов и мультифреймов увеличивается (при возрастании числа мультиплексирований и переключении потоков при маршрутизации) возможность ошибки в отслеживании "истории" текущих переключении, а значит увеличивается и возможность "потерять" сведения не только о текущем переключении, но и о его "истории" в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика.

Так, казалось бы существенное достоинство метода - небольшая "перегруженность заголовками" - на деле оборачивается еще одним серьезным недостатком, как только возникает необходимость в развитой маршрутизации, вызванная использованием сети PDH для передачи данных.

1.5.4. Синхронные иерархии SONET/SDH                                 

Указанные недостатки PDH и желание их преодолеть привели к разработке в США еще одной иерархии - иерархии синхронной оптической сетиSONET, а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDН, предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Целью разработки была иерархия, которая позволила бы:

• вводить/выводить входные потоки без необходимости проводить их сборку/разборку (а значит иметь возможность определять положение каждого входного потока, составляющего общий поток);

• разработать новую структуру фреймов, позволяющую осуществлять не только развитую маршрутизацию, но и осуществлять в пределах иерархии управление сетями с топологией любой сложности;

• систематизировать иерархический ряд скоростей передачи и продолжить его (на перспективу) за пределы ряда PDH;

• разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

Для достижения поставленных целей американскими разработчиками первоначально (начало 80-х годов) предлагалось:

- во-первых, использовать синхронную, а не асинхронную или плезиохронную схему передачи с побайтным не с побитным) чередованием при мультиплексировании;

- во-вторых, положить в основу иерархии SONET первичную скорость передачи ОС1 = 50.688 Мбит/с, основанную на использовании стандартного периода повторения фрейма 125 мкс, принимающего вид двумерной матрицы формата 3 х 264 байта (264х3х8х8000 = 50688000 бит/с), так как она позволяла продолжить американскую ветвь PDH иерархий, т.е. 1.5-6-45 Мбит/с, последний уровень которой, путем добавления необходимых заголовков, мог бы быть преобразован в первый уровень новой иерархии ОС1;

- в-третьих, включить в иерархию достаточное число (первоначально 48) уровней ОС1 - ОСn (в настоящее время она включает значительно больше уровней, см. ниже) и принять кратность последующих уровней иерархии равной номеру уровня, т.е. ОСЗ = ЗхОС1 = 3х50.688 = 152.064 Мбит/с;

- в-четвертых, использовать известную к тому времени технологию инкапсуляции данных, предложив технологию виртуальных контейнеров, их упаковки и транспортировки, дающую возможность загружать и переносить в них фреймы PDH иерархии со скоростями 1.5, 6, 45 Мбит/с;

- в-пятых, ориентировать иерархию на использование оптических (а не электрических) сред передачи сигнала.

В 1984-86 годах, рассмотрев ряд альтернатив, комитет Т1 (США) предложил использовать сигнал со скоростью передачи 50.688 Мбит/с в качестве основного синхронного транспортного сигнала STS-1, Однако, учитывая неудачу практического внедрения кросс-мультиплексирования существующих PDH иерархий, разработчики технологии SONET не могли не считаться с необходимостью облегчить процедуру взаимодействия американской и европейской PDH иерархий и не принять во внимание наличие стандартов СС1ТТ на цифровую иерархию, охватывающую диапазон скоростей 1.5

- 140 Мбит/с, а также аналогичной европейской разработки , названной SDH иерархией, или технологией SDH. В последней в качестве основного формата синхронного сигнала был принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155.52 Мбит/с и позволяющий инкапсулировать все фреймы европейской PDH иерархии, в том числе фрейм Е4 (140 Мбит/с).

В результате комитетом SONET в последствие было принято мужественное решение - отказаться от внедрения ещё одной обособленной иерархии (т.е., собственно SONET) и разработать на ее основе новую синхронную цифровую иерархию, названную SONET/SDH, первый уровень которой ОС1 принимался равным 51.84 Мбит/с, что позволяло путем разработки развитой схемы мультиплексирования и кросс-мультиплексирования, предложить универсальный набор виртуальных контейнеров, позволяющий заключить в их оболочки все форматы фреймов стандартных уровней американской и европейской PDH иерархий.

Теперь синхронный транспортный модуль STM-1 (155.52 Мбит/с), предложенный для европейской версии SDH, с одной стороны, совпадал с новой скоростью SONET ОСЗ (51.84х3 = 155.52), а с другой - позволял включить в схему мультиплексирования максимальную скорость европейской PDH иерархии - 140 Мбит/с,

Совместные усилия в этом направлении привели к разработке и публикации в Синей книге в 1989 году трех основополагающих рекомендаций СС1ТТ (теперь ITU-T) по SDH - Rec. G.707, G.708 и G.709 [16-18], а также параллельной публикации организациями ANSI и Bellcore аналогичных стандартов для технологии SONET [34-42].



*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.