Лекции по Структуре городской телефонной сети   

2. Цифровые абонентские линии

2.2. Интерфейсы в опорных точках

Представленная на рис. 2.2 функциональная модель цифровой абонентской линии ISDN содержит 4 опорные точки, обозначаемые латинскими буквами R, S, Т, U.

Интерфейс в точке R связывает несовместимое с ISDN оборудование ТЕ2 с терминальным адаптером ТА В этой точке могут функционировать синхронные и асинхронные интерфейсы, определенные, в частности, рекомендациями ITU-T серий V и Х.

Интерфейс в точке S, известный как интерфейс «пользователь-сеть», соединяет ISDN-совместимое терминальное оборудование с сетевым окончанием. Этот интерфейс стандартизован по трем уровням:

уровень 1 (рекомендация 1.430),

уровень 2 (рекомендация Q.921),

уровень 3 (рекомендация Q.931).

Стандартизация S-интерфейса имеет первостепенное значение, так как именно здесь требуется совместимость терминалов и определенная независимость от изготовителя. Для уровня 1 стандартизируются следующие атрибуты интерфейса электрические, функциональные, механические и процедурные Электрические атрибуты описывают уровни, напряжения, емкость, временные параметры электрических сигналов и др. Функциональные атрибуты описывают функции, выполнение которых должен обеспечивать физический интерфейс, такие как управление, синхронизация, передача данных. Механические атрибуты описывают размеры разъемов, количество и типы проводов для интерфейса. Процедурные атрибуты описывают, что должен выполнять интерфейс, и последовательность событий, связанную с передачей сигналов через интерфейс.

В рамках уровня 1, в частности, специфицирован разъем на базе стандарта ISO 8877. В основном этот разъем совпадает с телефонным разъемом, принятым в Северной Америке (рис. 2.3), где более популярным является обозначение RJ45 В Европе эти разъемы были распространены несколько меньше, например, в Германии использовался собственный, нестандартный разъем.

Рис.2.3. Разъем для S-интерфейса по ISO-8877

Шинная конфигурация базового S-интерфейса согласно стандарту I.430 имеет одно сетевое окончание, два нагрузочных сопротивления (одно в сетевом окончании, другое — на конце шины) и предусматривает возможность подключения к шине некоторого числа оконечных устройств. Как уже отмечалось в параграфе 2.1, к короткой шине можно подключить до 8 терминалов и/ или терминальных адаптеров.

Через интерфейс в точке S, когда он полностью активизирован, происходит непрерывная передача битов в обоих направлениях между NT и ТЕ со скоростью 192 Кбит/с. Эти 192 Кбит/с составляют два В-канала по 64 Кбит/с, один D-канал 16 Кбит/с и ресурс 48 Кбит/с для синхронизации циклов и техобслуживания в пределах уровня 1. Структура цикла в точках S и Т приведена на рис. 2.4.

Структура меняется в зависимости от направления передачи между NT и ТЕ, но идентична для конфигурации «точка-точка» и для многоточечной конфигурации. Циклы имеют длину 48 битов и передаются из ТЕ и NT каждые 250 мкс. Первый бит цикла, передаваемого к NT, задерживается на два битовых периода по отношению к первому биту цикла, принимаемого от NT.

Цикл длительностью 250 мгс обеспечивает скорость 4000 циклов в секунду (1 секунда/0.00025 =4000) и скорость передачи 192 Кбит/с (4000*48 == 192000). Однако в каждом цикле имеются 12 служебных битов, поэтому скорость передачи данных пользователя составляет 144 Кбит/с (4000*[48 - 12] = 144000). Первые два бита цикла - синхронизирующий бит (F) и симметрирующий бит (L). Эти биты используются для цикловой синхронизации. Кроме того, бит L используется в цикле ТЕ для электрического симметрирования цикла, а в цикле NT - для электрического симметрирования каждого байта В-канала и каждого бита D-канала. Дополнительный бит цикловой синхронизации (F ) и бит N (только в цикле NT) также используются в процедурах цикловой синхронизации. Бит А (только в цикле NT) используется для активизации и деактивизации ТЕ. Биты эха гарантируют, что тракт свободен перед попыткой передачи со стороны ТЕ.

Интерфейс в точке Tсвязывает оборудование пользователя с находящимся в помещении пользователя сетевым окончанием NT1.

Интерфейсы в точках Т и S являются источником некоторой путаницы. Строго говоря, S и Т обозначают не интерфейсы, а опорные точки. Точка S является точкой подключения терминалов и адаптеров к NT2, а точка Т - точкой подключения NT2 к NT1. Если функции NT2 отсутствуют, эти точки совпадают. Если функции NT2 присутствуют, интерфейсы в обеих точках могут быть идентичны на уровнях 1 и 2. Тем не менее, на уровне 3 они могут различаться в связи с тем, что протоколы сигнализации для интерфейса S являются, как правило, протоколами частной (ведомственной) сети, в то время как в интерфейсе Т действуют протоколы сети общего пользования.

Рис. 2.4. Структура цикла I.430

Интерфейс в точке U является интерфейсом между оборудованием NT1 и оборудованием АТС. К сожалению, точка LJ не определена в рекомендациях ITU-T, поскольку форма сигналов в интерфейсе U должна быть согласована с физическими характеристиками линий, которые в разных странах отличаются друг от друга. Более веской причиной того, что ITU-T уклонялся от выпуска стандарта на U-интерфейс, являлось, по мнению автора, совпадение корпоративных интересов компаний, выпускающих оборудование связи, и операторов сетей связи. Телекоммуникационные корпорации лоббировали принятие уже разработанных ими различных стандартов для U-интерфейса, и некоторые телефонные операторы тоже не хотели введения такого стандарта - его отсутствие позволяло зарабатывать на арендной плате за абонентское оборудование на дальнем конце линии.

Так или иначе, сегодня U-интерфейс в ITU-T не определен. Рекомендация G.961 содержит лишь общие требования к цифровой системе передачи при базовом доступе ISDN по металлическим линиям связи и содержит шесть приложений, в которых даются подробные определения альтернативных систем передачи:

• MMS 43, модифицированный код мониторинга с эхокомпенсацией, где 4 бита отображаются в три троичных символа с линейной скоростью передачи символов 120 Кбод;

• 2В1Q, четырехуровневый код с эхокомпенсацией, где два двоичных бита отображаются в один четверичный символ с линейной скоростью передачи символов 80 Кбод;

• AMI, биполярный код с эхокомпенсацией и линейной скоростью передачи символов 160 Кбод;

• AMI, с попеременным чередованием направления передачи (пинг-понг) и линейной скоростью передачи символов 320 Кбод;

• двоичный двухфазный код, с использованием эхокомпенсации с линейной скоростью передачи символов 160 Кбод;

• SU32, подстановочный безусловный код ЗВ2Т с компенсацией эха и линейной скоростью передачи символов 108 Кбод.

В границах Европы имеется возможность выпуска европейского стандарта, базирующегося либо на системе 2В1Q, используемой в Великобритании, либо на MMS43, используемой в Германии и Франции.

В документах и рабочих материалах, утвержденных Госкомсвязи РФ, в частности, в Общих технических требованиях на средства связи для подключения к ISDN, на участке U-интерфейса нормируется применение кода 2В1Q.

В конце параграфа будут даны краткие пояснения, но вначале представляется целесообразным сказать несколько слов о принципах технической реализации U-интерфейса. В общем виде техническая проблема заключалась в достижении двухсторонней передачи почти по любым существующим физическим парам. Эта проблема в настоящее время успешно решена; более того существуют три подхода к ее решению. Два из них основаны на хорошо известном методе разделения направлений передачи и приема либо по времени, либо по частоте, а третий - на использовании дифсистем в сочетании со средствами компенсации эха.

Метод передачи с поочередным переключением направлений связи (метод пинг-понга) или временного сжатия (ТСМ) позволяет использовать медную пару на каждом конце то для передачи, то для приема (рис. 2.5). При синхронной передаче скорость передачи по линии должна быть увеличена почти вдвое.

Рис. 2.5. Метод "пинг-понг" (полудуплекс) для U-интерфейса

Метод «пинг-понг» требует для своей реализации меньших затрат, чем метод компенсации отраженных эхосигналов, однако имеет недостаток - меньшую зону действия (максимально 2 км). Он используется, в основном, для малых учрежденческих АТС, т.к. для телефонных сетей общего пользования такое расстояние слишком мало.

Существует общее заблуждение относительно режима работы с поочередным переключением направлений связи. Часто считают, что область его возможного применения, ограниченная затуханием линии, ограничена также задержкой распространения сигнала в прямом и обратном направлениях. Посылку пакета данных, передаваемых по линии, можно представить в виде шарика для пинг-понга, которому нужно время (около 5 мкс на километр), чтобы переместиться от одного конца линии к другому. Обычно говорят, что «шарик» должен вернуться, прежде чем можно будет передать следующую посылку данных; т.е. частота посылок ограничена двусторонней задержкой (временем двойного пробега) при передаче. До некоторой степени это можно преодолеть, увеличивая размер «шарика» (помещая больше информации в каждой посылке), но такой подход тоже ограничен, т.к. при этом увеличивается время передачи, поскольку перед передачей посылка должна быть заполнена. Из того, что размер «шарика» и частота его посылки ограничены, можно сделать ошибочное заключение, что и реальная производительность метода тоже ограничена.

Это заблуждение вызвано предположением, что игра ведется только одним шариком. Игра двумя или несколькими шариками более трудна, но дополнительное усложнение системы передачи на основе такого подхода меньше, чем в системе с эхокомпенсацией, основанной на стандарте Института национальных стандартов США (ANSI). Следовательно, ограничение скорости работы с поочередным переключением направлений обусловлено только возрастанием затухания и помех с увеличением полосы пропускания, необходимой для передачи. Это делает систему пригодной для работы лишь на коротких линиях, где простота ее реализации дает значительные преимущества. Возможно, поэтому такая система была очень популярна в Японии, где ограничения на длину линий менее важны в силу местных географических особенностей.

Разделение направлений передачи по частоте требует такой же ширины полосы пропускания, как и разделение по времени. В обоих случаях основную ширину полосы нужно удвоить. Дополнительное расширение полосы, необходимое для реализации частотных фильтров при разделении по частоте, уравновешивается дополнительным расширением полосы, необходимым для замирания эхосигнала при поочередном переключении направлений. Техника поочередного переключения направлений, однако, проще в реализации, поскольку она является чисто цифровой и не требует применения аналоговых узкополосных фильтров.

При методе эхокомпенсации передатчик и приемник могут работать одновременно (рис. 2.6). Передаваемая и принимаемая информация находится в одном и том же канале, а сам метод эхокомпенсации позволяет рассчитать принимаемый сигнал, если известны характеристики линии и передаваемый сигнал. Именно на применении этой третьей технологии построен североамериканский стандарт ANSI. Возможно, географический фактор здесь тоже сыграл свою роль: при эхокомпенсации требуется меньшая ширина полосы пропускания, чем при разделении по времени или по частоте, благодаря чему достигается больший радиус действия (6-8 км).

Если выходное сопротивление передатчика согласовано с комплексным сопротивлением линии, амплитуда сигнала в линии будет в точности равна половине амплитуды передаваемого сигнала (рис. 2.7). Сигнал, принимаемый с другого конца линии, может поэтому быть получен путем вычитания половины выходного сигнала передатчика из суммарного сигнала в линии. К сожалению, сопротивление линии - величина комплексная и меняется от линии к линии, так что принимаемый сигнал, извлекаемый таким простым способом, содержит эхосигналы от передаваемого сигнала.

Рис. 2.6. Метод компенсации эхосигналов для U-интерфейса

Эти эхосигналы вызваны рассогласованием между согласующим сопротивлением и характеристическим сопротивлением линии, а также между характеристическими сопротивлениями разных участков линии. Эхосигнал из-за рассогласования между характеристическим сопротивлением последнего участка и оконечным сопротивлением на другом конце незначителен, он гораздо меньше сигнала, передаваемого с другого конца. Эхокомпенсация действует по принципу вычитания сигнала, полученного путем адаптивной оценки эхосигналов, вызванных этими рассогласованиями (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Вычисление принимаемого сигнала путем вычитания передаваемого сигнала

Для успешной эхокомпенсации нужно, чтобы отсутствовала корреляция между передаваемым и принимаемым сигналами. Если это условие не выполняется, принятый сигнал может иметь сходство с эхом передаваемого сигнала и эхокомпенсатор может попытаться скомпенсировать принимаемый сигнал, поскольку спутает его с эхосигналом. Чтобы гарантировать отсутствие корреляции, на разных концах линии обычно применяют различные алгоритмы кодирования, уменьшая таким путем вероятность случайно возникающей корреляции.

Техническое преимущество выбранного в качестве стандарта ANSI двоичного кода 2В1Q является следствием меньших требований к полосе пропускания и, в результате, меньшего влияния затухания и шума. Код 2В1Q представляет пары битов (2В) как единую четырехуровневую величину (1Q). В качестве его альтернативы обычно используют трехуровневые (троичные) коды. Код ЗВ2Т представляет набор из 3 битов (3В) с восемью возможными комбинациями как пару троичных величин (2Т), позволяющую составить девять комбинаций, число которых можно уменьшить до восьми, если, например, не использовать троичную пару 0-0. Подобным же образом код 4ВЗТ представляет группу из 4 битов (4В) с шестнадцатью возможными комбинациями как группу из трех троичных величин (ЗТ), допускающую 27 комбинаций. Отображение 4ВЗТ можно сократить до двух отображений ЗВ2Т, если первый из четырех отображаемых битов будет определять значение первой троичной величины (+1 или -1), а оставшиеся три бита будут отображаться согласно коду ЗВ2Т. Несмотря на это, 4ВЗТ получил большее распространение, отчасти из-за коммерческой поддержки. Резервные комбинации в кодах ЗВ2Т и 4ВЗТ можно использовать для специальных функций, для улучшения спектрального состава кодов или характеристик в присутствии шума.

Различные коды иллюстрирует рис. 2.8.

Простейший троичный код - это код с чередованием полярности импульсов (биполярный код AMI), который поочередно представляет двоичные единицы как +1 и -1. Он обладает тем недостатком, что если передается длинная строка нулей, выделение тактовой частоты может быть ухудшено. Чтобы помочь восстановлению тактовой частоты, данные обычно скремблируются, но для этого не нужны дополнительные средства, поскольку скремблирование требуется в любом случае для эхокомпенсации.

Рис. 2.8. Линейные коды для передачи по парам медных проводов

Одним из простейших кодов является двухуровневый двухфазный код. Попросту говоря, он может представить «1» положительным переходом фазы в центре битового интервала, а «0» - отрицательным переходом фазы. Чтобы избежать необходимости помечать отдельные жилы медной пары, что создает рабочие проблемы при эксплуатации, разумнее использовать дифференциальное двухфазное кодирование. При этом «1» представляется как единичная прямоугольная волна, а «0» - как половина периода прямоугольной волны с вдвое большим периодом. Здесь также имеет место пересечение нулевого уровня (переход через ноль) на каждой границе битовых интервалов.

Недостаток двухфазного кодирования состоит в необходимости иметь полосу пропускания, вдвое более широкую, чем для большинства других кодов, но это компенсируется преимуществами более простой реализации. Поскольку полоса пропускания широка и спектральная энергия на нижних частотах мала, эхосигнал быстро замирает, что позволяет реализовать эхокомпенсатор на основе запоминающего устройства. Кроме того, реализацию можно выполнить с помощью фиксированного выравнивателя, т.к. код является частично самовыравнивающимся (самовыравнивание происходит, поскольку дисперсия нулей и единиц может нейтрализоваться по длине линий, т.к. кодирование нулей как полуцикла с большой величиной третьей гармоники вырабатывает сигнал с характеристиками, подобными характеристикам единиц, кодирующихся как полный цикл).

Двухфазное кодирование тесно связано с миллеровскими кодами, которые имеют гораздо меньший спектр. Например, один из типов миллеровского кода представляет единицу как передачу в середине битового интервала, а нуль - как передачу не в середине битового интервала и вводит передачу конечного бита после двух последовательных нулей, если за ними следует третий нуль. Применение миллеровского кода вместо двухфазного создает возможность снижения спектра кода, что также упрощает реализацию, т.к. отсутствие энергии на нижних частотах опять-таки способствует быстрому замиранию эхосигналов.

По сравнению с этим, выбранный ANSI код 2В1Q имеет одну из наиболее сложных реализации. Он требует как адаптивного выравнивания, так и эхокомпенсации, причем эхокомпенсация может требовать сочетания нескольких технических приемов, что вызвано нелинейностями и длительным временем спадания эхосигналов.

Сложность реализации стандарта ANSI ставит вопрос о том, почему был выбран только один код. Высокая стоимость и длительность разработки могли бы быть уменьшены, если бы принятый ANSI стандарт использовался на длинных линиях, а более простой подход, такой как двухфазный или с поочередным переключением направлений, - на более коротких.

Любопытно, что в этой области, как и во многих других областях разработки стандартов, из двух решений было принято более сложное, а более простое отвергнуто. Автор далек от предположения, высказанного в [78], что эксперты в области стандартизации препятствуют простым решениям только потому, что простые решения дают меньший простор для демонстрации их высокого профессионализма. Но и другого объяснения автор тоже предложить не может.

Одним из факторов, ограничивающих возможности передачи по цифровым линиям, является шум. Имеются две составляющие шума при цифровой передаче: переходное влияние на ближнем конце (NEXT) и импульсный шум. Переходное влияние вызвано несимметричными связями между разными кабельными парами. Когда связи несимметричны, сигналы от соседних пар вызывают появление разностного сигнала на двух плечах пары, поскольку на эти плечи оказывается разное влияние. Составляющая наведенного сигнала, которая продолжает распространяться по кабелю в том же направлении, что и вызвавший ее сигнал в соседней паре, называется переходным влиянием на дальнем конце (FEXT). Составляющая, распространяющаяся в обратном направлении, - это переходное влияние на ближнем конце NEXT.

При симметричной двухсторонней передаче помеха NEXT оказывает большее влияние на полезный сигнал, чем FEXT, поскольку FEXT затухает как из-за переходных связей, так и в процессе передачи по всей длине кабеля, в то время как NEXT проходит только небольшое расстояние и вновь возвращается. Помехи NEXT от разных соседних пар обычно действуют так, как если бы их фазы были случайными; следовательно, общая мощность переходного сигнала складывается как сумма мощностей всех наведенных сигналов. Это очень упрощенное представление, т.к. переходное влияние из-за несимметричности вблизи источника сигнала имеет тенденцию к большей величине вследствие меньшего затухания при передаче, а общий результат имеет тенденцию к синфазности или противофазности, в зависимости от того, какое плечо пары принимает больший сигнал. Следовательно, общий сигнал NEXT, возникающий в паре, несколько больше полученного при оценке путем сложения отдельных мощностей. Однако, даже с учетом сказанного, для большинства условий внешнего окружения шум вследствие переходного влияния не превышает импульсного шума.

Импульсный шум вызывается электромагнитными наводками, поступающими от множества различных источников. Один из этих источников - телефонные станции. Старые станции электромеханических систем могут являться самым сильным источником шумов из-за импульсов, генерируемых обмотками электромагнитных устройств, но и современные цифровые станции тоже генерируют шумы, которые влияют сильнее, чем можно было бы ожидать, по причине их синхронности с тактовыми сигналами. Импульсный шум также генерируется при включении или выключении вызывного напряжения, при переполюсовке напряжения питания линий, при замыкании шлейфа соседней линии или при передаче по ней импульсов набора номера.

Еще одним ограничивающим фактором при передаче цифровых сигналов может являться наличие на линиях пупиновских катушек, установленных ранее для улучшения характеристик передачи в речевом диапазоне. Пупиновские катушки - это небольшие индуктивности, подключенные к линии на некотором расстоянии друг от друга для того, чтобы улучшить частотную характеристику линии в речевом диапазоне за счет компенсации емкости этой линии, но препятствующие передаче цифрового сигнала из-за сильного увеличения сопротивления линии на более высоких частотах.

Резюмируя вышеизложенное, можно отметить, что цифровая передача, обеспечивающая базовый доступ ISDN, возможна почти на всех существующих парах медных проводов сети абонентского доступа. Наборы микросхем U-интерфейса не всегда могут обеспечить использование линий теоретически максимальной длины из-за шумов и понижения качества передачи. В частности, в наихудшем случае импульсного шума в реальных системах и при наличии пупиновских катушек работа в цифровом режиме может оказаться невозможной.

Основным параметром является расстояние от телефонной станции до терминала абонента. Если терминал расположен относительно близко к коммутационному оборудованию ISDN, вместо U-интерфейса можно применить S-интерфейс. Он является 4-проводным и не требует сетевого окончания. Максимальная длина абонентской проводки, когда в точке S или Т подключается только один терминал ТЕ1 или терминальный адаптер ТА, составляет приблизительно 1 км. К короткой пассивной шине длиной до 100-200 м могут подключаться до 8 терминалов. В случае, если расстояние между самими терминалами ограничено величиной порядка 25-50 м, терминалы могут группироваться на конце длинной пассивной шины (до 1 км). Пассивная шина может использоваться для соединения «точка—точка» или «точка—группа точек» (соединение NT и нескольких ТЕ в вещательном режиме), но не может обеспечить более одного соединения «точка—точка» одновременно.

При расстоянии между телефонной станцией и абонентским оборудованием менее 3 км применяется U-интерфейс с использованием метода «пинг-понг», а при расстоянии до 8 км — U-интерфейс с эхокомпенсацией.

В заключение данного параграфа нельзя не упомянуть интерфейс в точке V, Опорная точка V была определена относительно недавно и в настоящий момент все еще остается предметом стандартизации. Эта точка находится между оборудованием линейного окончания (LT) на станционном конце абонентской линии и станционным окончанием (ЕТ). Цель введения стандарта в этой точке - предоставление возможности совместного использования коммутационное оборудование разных производителей с различными системами абонентского доступа, включая беспроводные линии связи, а также оптико-волоконные линии и кабели с медными жилами. Подробно интерфейс в точке V будет обсуждаться в главах 6—8.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.