Наряду с абонентской линией следующим важным компонентом телефонных систем являются магистрали, соединяющие узлы коммутации разного уровня. Здесь мы рассмотрим их организацию и функционирование.
Одним из существенных аспектов при организации магистрали был экономический. Дело в том, что затраты на прокладку кабеля в значительной степени определяют внешние условия (город, сельская местность, глубина залегания, наличие инженерных коммуникаций и т. д.), а не технические характеристики, например, пропускная способность. Поэтому чем больше абонентов смогут использовать один и тот же кабель тем быстрее окупятся затраты на его прокладку, тем дешевле будет стоить каждому из них его эксплуатация. Вспомним историю. Вестерн Юнион объявила в свое время конкурс на решение проблемы передачи нескольких телеграмм по одной линии, которым заинтересовался Александр Белл. Поэтому за 100 лет существования телефона были инвестированы огромные средства в создание методов и оборудования, позволяющих использовать одну и ту же магистраль одновременно для передачи нескольких разговоров. Такой технический прием называют мультиплексированием.
Созданные в телефонии схемы мультиплексирования можно разделить на два большие класса: мультиплексирование с разделением частоти мультиплексирование с разделением по времени.Кроме этогобыли разработаны методы мультиплексирования на основе разделения длин волн и на основе разделения кодов.
Идея мультиплексирования с разделением частот очень проста: весь диапазон частот полосы пропускания разбивается на поддиапазоны, которые называют каналами. По каждому каналу идет независимая передача.
На рис.2-34 показано как с помощью метода мультиплексирования с разделением частот три телефонных канала могут быть мультиплексированы, т.е. объединены в один в одной магистрали. Всю полосу пропускания магистрали разбивают на полосы шириной в 3 КГц. С помощью фильтров полосу пропускания каждого канала ограничивают полосой в 3 000 Гц, но в своем диапазоне частот. При мультиплексировании большого числа каналов полосу увеличивают до 4 000 Гц для того, чтобы предотвратить «залезание» одной полосы на другую (по 500 Гц с каждой стороны).
12 голосовых каналов с пропускной способностью по 4000Гц мультиплексируют в полосе от 60 до 108 КГц. Такое соединение называют группа. Пять групп по 12 каналов мультиплексируют в супергруппу, затем пять супергрупп - в мастер-группу. Современные стандарты МКТТ позволяют объединять до 230 000 голосовых каналов.
Этот способ мультиплексирования используется для оптоволоконных каналов. Самый простой способ показан на рис.2-35.
Два волоконнооптических кабеля с импульсами разной длины волны подводят к одной призме. Свет, пройдя через призму (или дифракционную решетку), смешивается в единый пучок, который на другом конце разделяется с помощью другой призмы. Поскольку каждый канал занимает лишь несколько ГГц, а пропускная способность одного оптоволоконного канала около 25 000 ГГц (быстрее преобразовывать световой сигнал в электрический пока не могут), то возможности оптоволокна для мультиплексирования огромны. Метод мультиплексирования с разделением длин волн применяется в технологии FTTC, которую мы рассматривали в предыдущем разделе, обсуждая проблему последней мили.
Частотное мультиплексирование требует применения аналоговых схем и мало пригодно для управления компьютером. Мультиплексирование с разделением времени или TDM (Time Division Multiplexing) мультиплексирование наоборот предполагает использование цифрового оборудования и хорошо соответствует возможностям компьютера. Следует отметить, что оно подходит только для работы с данными в цифровой форме. Поскольку по абонентской линии телефонный сигнал передают в аналоговой форме, то его надо сначала оцифровать.
Оцифровка сигнала происходит на местном узле коммутации, куда сходятся абонентские линии с аналоговыми сигналами.
На местном узле коммутации аналоговые сигналы с абонентских линий оцифровываются, объединяются и передаются на узлы коммутации следующего уровня по магистральным шинам. Здесь мы рассмотрим как это все происходит.
В разделе 2.2.3 мы подробно рассматривали методы оцифровки аналоговых сигналов, т.е. преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Напоминаем, что преобразование сигнала в цифровую форму и обратно осуществляет специальное устройство, называемое кодек (coder-decoder). Есть два основных метода преобразования аналогового сигнала в цифровую форму и обратно. Это метод импульсно кодовой модуляции (ИКМ метод) и разностный метод Дельта модуляции.
Напомним, что в ИКМ методе аналоговая линия сканируется, в соответствии с теоремой Найквиста, с удвоенной частотой старшей гармоники. В случае телефонных систем с частотой 8 000 Гц. Амплитуда аналогового сигнала разбивается на определенное количество уровней. При каждом замере определяется не абсолютное значение сигнала, а его уровень. Номер уровня и передается в виде двоичного кода.
Когда метод ИКМ начал развиваться, МКТТ не смогло сразу договориться и ввести единый стандарт на применение этого метода в телефонии. В результате возникло два варианта: европейский (Е1) и Т1, получивший распространение в США и Японии.
Стандарт Е1 предполагает мультиплексирование 30 каналов. Каждая из 30 линий сканируется с частотой 8 000 Гц. Результаты каждого измерения представляют 8 битовое число. Это означает, что используют 256 уровней в методе ИКМ. В случае стандарта Т1 используют 7 бит, т.е. 128 уровней.
Полученные 240 бит упаковывают в кадр. Кадр в стандарте Е1 содержит 32 канала по 8 разрядов и занимает 125 mсек. 30 каналов используют для передачи данных, а два для целей управления. Каждая группа из 24 каналов несет 64 сигнальных разряда. 32 из них ассоциированы с 32 каналами кадра, а вторая половина используется для синхронизации и национальных расширений, т.е. каждая страна может использовать их по своему усмотрению. Таким образом, стандарт Е1 обеспечивает скорость 2.048 Мбит/сек и мультиплексирует 30 линий одновременно.
Стандарт Т1, он показан на рис. 2-36, позволяет мультиплексировать 24 линии, но в каждом канале под данные используются лишь 7 разрядов и один разряд для целей управления. Кадр в Т1 содержит 193 бита и занимает 125 mсек, что обеспечивает скорость в 1.544 Мбит/сек. Отметим, что в Е1 из 256 битов кадра 16 используют для служебных целей, в Т1 из 193 битов 24 используют для служебных целей, т.е. Е1 экономнее.
Коль скоро аналоговый сигнал оцифрован, возникает искушение сжать передаваемые данные. Примером такого метода может служить метод разностной импульсно кодовой модуляции. Идея сжатия в этом методе состоит в том, что если разность между последовательными замерами сигнала не превосходит например 8 уровней, в то время как собственно значения колеблются в диапазоне ±64, то вместо 6 разрядов цифрового кода нам потребуется всего 3 уровня. Мы уже встречались с частным случаем такого подхода, это так называемая дельта модуляция. Мы рассматривали этот метод в разделе 2.2.3. В этом методе предполагается, что соседние значения отличаются не более чем на ±1. Для голоса этот метод работает не плохо.
Другой метод основан на экстраполяции очередного значения на основе предыдущих. Это так называемый метод статистической импульсно кодовой модуляции. В этом методе передается разница между предсказанием и фактическим значением. Очевидно, что на обоих концах канала должен быть использован один и тот же алгоритм предсказания.
TDM мультиплексирование позволяет мультиплексировать уже мультиплексированные каналы. Так согласно стандарту Т1, 4 канала Т1 могут быть объединены в один Т2, затем 6 в один Т3 и 7 в один Т4. См. рис. 2-37. Согласно Е1 каналы могут группироваться только 4, но зато есть 4 уровня вложенности, а не три как в Т1. Поэтому скорость передачи в этом случае E1 – 2.048, Е2 – 8.848, Е3 – 34.304, Е4 – 139.264, Е5 – 565.148 Мбит/сек.
2.5.5.4. Стандарт SONET/SDH
SONET (Synchronous Optical NETwork) – это интерфейс передачи по оптическим линиям связи, предложенный американской компанией Bell Core и стандартизированный ANSI. Позднее МККТ выпустил стандарт совместимый с SONET и названный SDH (Synchronous Digital Hierarchy), который был опубликован в рекомендациях G.707, G.708, G.709. Этот стандарт был разработан для того, чтобы устранять разнобой в передаче сигналов по оптоволоконным линиям в области телефонии.
На первых порах каждая телефонная компания устанавливала свои стандарты TDM мультиплексирования по оптическим линиям. В настоящее время многие телефонные компании, в том числе и в России, используют стандарт SDH на своих магистральных линиях.
Ниже кратко перечислены цели и конструктивные особенности стандарта SONET. Создание этого стандарта преследовало четыре основные цели:
· позволить использовать разные физические среды в сети. Это требовало проработки стандартов на кодировку на физическом уровне, выбор длины волны, частоты, временных характеристик, структуры кадра.
· унифицировать американские, европейские и японские цифровые системы, которые используют каналы на 64 Кбит/сек c импульсно кодовой модуляцией, но по-разному.
· обеспечить иерархическое мультиплексирование нескольких цифровых каналов. На сегодня используют до уровня Т3, хотя стандарт определяет и Т4.
· определить правила функционирования, администрирования и поддержки оптических каналов связи.
С самого начала было принято решение использовать в SONET традиционное TDM мультиплексирование, где вся ширина оптоволоконной линии используется под один канал, который содержит временные слоты подканалов. Поэтому SONET создавали как синхронную систему. У нее есть главные часы, которые тактируют ее работу с частотой 10-9 сек с высокой точностью. Биты на линии SONET имеют очень строго выверенную длительность, контролируемую едиными главными часами. Когда позднее для высокоскоростного ISDN был предложен метод передачи, где кадры могли поступать через нерегулярные интервалы времени, то этот метод, в противоположность SONET, был назван асимметричным и известен ныне как ATM.
Система SONET состоит из переключателей, мультиплексоров и повторителей, соединенных оптическими линиями. В терминологии SONET сплошной фрагмент оптоволоконного кабеля между двумя устройствами называется секцией. Канал, между двумя мультиплексорами, возможно с несколькими повторителями между ними, называется линией. Канал между двумя оконечными абонентами называется путем. На рис.2-38 показан путь в терминологии SONET.
SONET кадр содержит 810 бит и занимает 125 mсек. SONET допускает топологию решетка, но чаще это двунаправленное кольцо. Так как SONET система синхронная, то кадры генерируются строго один за другим без перерывов в независимости от того, есть данные на передачу или нет. Скорость в 8000 кадров/сек. как раз соответствует каналам с ИКМ модуляцией, используемым в цифровой телефонии. Исходя из этого, не трудно подсчитать, что пропускная способность канала SONET 51.84 Мбит/сек.
Для описания кадра SONET представим его 810 байт в виде матрицы 9 строк на 90 столбцов, как показано на рис. 2-39. Каждый элемент матрицы – один байт. Первые три элемента в каждой строке – это служебная информация, используемая для администрирования и управления передачей. Первые три элемента первых трех строк образуют заголовок секции, в следующих 6 строках – заголовок линии. Заголовки секции генерируются и проверяются в начале и в конце каждой секции. Аналогичным образом поступают на каждой линии с заголовком линии. 8 000 SONET кадров в секунду образуют основной канал, называемый Synchronous Transport Signal-1 (STS-1).
Оставшиеся в 87 столбцах и 9 строках 783 байта приходятся на данные пользователей, которые образуют, так называемый, SPE конверт (Synchronous Payload Envelope). Учитывая, что в SONET генерируется 8 000 кадров в секунду, получаем, что полезная пропускная способность составит 8 000´783´8=50.112 Мбит/сек.
Мультиплексирование множественных потоков данных, называемых в SONET притоками, показано на рис. 2-40. Мультиплексирование происходит побайтно. Например, когда три STS-1 протокола объединяют в один STS-3 со скоростью 155.52 Мбит/сек, мультиплексор сначала берет 1-ый байт 1 притока, затем 1-ый байт 2 притока, затем 1-ый байт 3-его. Только после этого он переходит ко 2-ым байтам этих притоков. Кадр STS-3 состоит из 270´9=2430 байтов и занимает 125 mсек. Таким образом, на этом уровне битовая скорость равна 155.52 Мбит/сек. На рис 2-41 приведены основные данные иерархии мультиплексирования в SONET и SDH.
Из этой таблицы видно почему скорость в АТМ равна 155 Мбит/сек: для того, чтобы сделать SONET и SDH совместимыми с АТМ на ранних этапах мультиплексирования.
Наличие заголовков секций, линий и путей говорят о наличии в SONET нескольких уровней протоколов передачи. Их четыре. Они показаны на рис. 2-42. Это уровень фотонов или физический, уровень секций, линий и путей. Уровень фотонов определяет физические характеристики света и оптики. Уровень секции управляет передачей внутри секции, генерацией заголовка в начале секции и проверкой этого заголовка в конце секции.
Уровень линии отвечает за мультиплексирование нескольких притоков разных линий в поток на одной линии на одном конце и демультиплексированием на другом. Уровень пути управляет передачей между оконечными пользователями.
Здесь мы рассмотрим третью важную компоненту телефонной сети работу телефонных станций или, как мы их еще называем, узлов коммутации, а точнее их основу – коммутаторы. В телефонных сетях используются два разных способа коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов. В этом разделе мы познакомимся с коммутацией каналов, а позднее, при рассмотрении высокоскоростных систем ISDN, рассмотрим коммутацию пакетов.
