Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Книга ЭВМ.docx

Скачиваний:

Добавлен:

12.11.2018

Размер:

10.04 Mб

Скачать

☆

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

титульник

замечания руководителя по пояснительной записке КР

Широкое и повсеместное внедрение технологии SDH на транспортных сетях и сетях доступа требует соответствующей подготовки технических специалистов, выпускаемых вузами и кафедрами телекоммуникаций, а также переподготовки инженеров-связистов, выпущенных 8-10 лет назад. К сожалению, сих пор отсутствует специализированный учебник или учебное пособие по технологии SDH.

Настоящим изданием предпринята попытка частично устранить этот пробел. В предлагаемой книге достаточно подробно изложены основы построения систем передачи и сетей SDH, рассмотрены особенности построения и перспективы развития синхронных линейных трактов, а также основы управления сетями SDH и основы технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH. Монография состоит из введения, семи разделов и заключения.

Первый раздел является вводным. В нем изложены общие сведения: возникновение и развитие систем передачи SDH; краткий обзор основных международных рекомендаций по технологии SDH; основные понятия, термины и определения; общие требования к оборудованию, системам передачи и сетям SDH; основные принципы построения сетей SDH - классификация сетей, слои транспортной сети и основные звенья модели сети.

Во втором разделе приведены основы построения систем передачи SDH: состав, назначение и возможности основного оборудования; построение циклов передачи синхронных транспортных модулей; построение синхронных мультиплексоров; сравнительный анализ плезиохронных ЦСП и систем передачи SDH.

Третий раздел посвящен построению синхронных линейных трактов, т. е. линейных трактов систем передачи SDH. В этом разделе рассматриваются: одномодовые оптические волокна и их параметры; особенности построения оптических передатчиков, приемников и линейных регенераторов; перспективы развития волоконно-оптических линейных трактов на основе волнового мультиплексирования оптических сигналов, использования технологий солитонной передачи, когерентного приема и усилителей оптических сигналов.

В четвертом разделе кратко рассмотрены основы построения сетей SDH, где описаны различные топологии сетей, их архитектура и основы проектирования, приведен пример проектирования сети.

В пятом разделе изложены основы управления сетями SDH. В нем приводятся задачи системы управления, уровни и функции системы управления и модель системы управления сетями. Далее в этом разделе рассматривается общая схема управления сетью SDH, подсети сети управления, протоколы и внутрисистемные взаимодействия, внутренние интерфейсы сети управления и практические методы управления сетью SDH.

Шестой раздел отведен основам технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH, где рассмотрены следующие основные вопросы: концепция технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH, измерения их параметров при различных испытаниях и эксплуатационные измерения систем передачи и сетей SDH.

В седьмом, заключительном разделе кратко описана система передачи SDH уровня STM-16 типа AXD-2500 компании Ericsson. Рассмотрены назначение, состав, основные технические данные и структурные схемы элементов указанной системы передачи; кратко изложены ее основные возможности; приведены и описаны структурные схемы основных блоков, образующих систему передачи.

Монография рассчитана на подготовленного читателя, изучившего учебные дисциплины «Цифровые системы передачи» и «Волоконно-оптические системы передачи» в объеме 100 - 120 ч каждая на специализированных кафедрах или самостоятельно освоившего материал указанных учебных дисциплин, например, по работам [15, 31, 83].

В книге не везде удалось выдержать необходимую строгость и методически целесообразную последовательность изложения материала, не все типы оборудования систем передачи SDH описаны достаточно подробно. Фирмы, производящие и поставляющие оборудование технологии SDH на рынок, подробные описания не представляют, в большинстве случаев они ограничиваются рекламными проспектами. Вместе с тем предпринята попытка написать книгу, которая помогла бы читателю овладеть технологией SDH - изучить системы передачи SDH и их возможности для построения современных транспортных сетей связи.

Введение

В настоящее время возникновение и развитие средств высокоскоростной (сотни - тысячи мегабит в секунду) и сверхвысокоскоростной (сотни - тысячи гигабит в секунду) обработки и передачи различных информационных сигналов (мультимедиа, видеоконференцсвязь, многоканальное цветное телевидение и др.) осуществляется на базе новых технологических решений. В основу этих решений положено слияние трех основных новейших технологий:

микроэлектроники и интегральной оптики, позволяющих на одном кристалле объединить оптические и электронные схемы для обработки сигналов;

временного TDM (Time Division Multiplexing) и волнового WDM (Wavelength Division Multiplexing) мультиплексирования цифровых оптических сигналов с использованием микропроцессоров;

передачи сформированных сигналов на большие расстояния (сотни - тысячи километров) по одномодовым оптическим волокнам с установкой в линейном тракте эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Проблема освоения и использования чрезвычайно широкой (тысячи - десятки тысяч гигагерц) полосы частот одномодовых оптических волокон в интересах многоканальной дальней (транспортная сеть) и местной (сеть доступа) связи приобрела практическое значение [23, 61, 65, 67, 68, 101, 107, 109].

В начале 80-х гг. началось широкомасштабное использование волоконно-оптических цифровых систем передачи (ЦСП) для высокоскоростной передачи цифровых сигналов. Однако уже через несколько лет стало ясно, что эти плезиохронные ЦСП, самые высокоскоростные мультиплексоры которых формируют на выходе цифровые потоки со скоростями передачи 274,176 и 564,992 Мбит/с (американская и европейская иерархии PDH соответственно), не могут справиться со стремительно растущими во всем мире объемами передаваемой информации.

Цифровой поток, имеющий скорость передачи 564,992 Мбит/с, позволяет образовать в нем всего лишь 7680 основных цифровых каналов (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/с каждый. Но на современных телекоммуникационных сетях уже нужно иметь не тысячи, а десятки и сотни тысяч, а на некоторых информационных направлениях – миллионы ОЦК! Кроме того, использование на волоконно-оптических кабелях плезиохронных ЦСП крайне неэффективно, потому что задействуется только очень малая часть огромной полосы пропускания оптических волокон пока еще дорогого в производстве, но уже проложенного кабеля.

Поэтому уже в конце 80-х гг. были разработаны и приняты основные рекомендации ITU-T по созданию и использованию на волоконно-оптических сетях систем передачи SDH, для первого уровня иерархии которых установлена скорость передачи 155,52 Мбит/с. Скорости передачи более высоких уровней иерархии получаются умножением данной скорости на целое число, равное уровню иерархии: 4, 16, 64 или 256. Например, мультиплексор системы передачи SDH 64-го уровня образует на выходе цифровой поток со скоростью передачи 64 х 155,52 Мбит/с = 9953,28 Мбит/с, т. е. около 10 Гбит/с.

В 90-х гг. ведущие мировые компании вели интенсивные исследования и разработки в области волоконно-оптических технологий. Полученные результаты позволили наладить серийное производство систем передачи SDH высоких уровней и использовать их для построения различных транспортных сетей связи.

На Международной выставке «Системы и средства связи - «Связь - Экспокомм'2000», проходившей в Москве в мае 2000 г., компания Siemens демонстрировала систему передачи SDH 64-го уровня (скорость передачи 10 Гбит/с) типа TransXpress SL-64, а также мультиплексор типа SMA-256 для системы передачи SDH 256-го уровня (скорость передачи 40 Гбит/с).

Но этого было уже недостаточно. Одновременно с внедрением на волоконно-оптических сетях систем передачи SDH велись активные поиски путей дальнейшего повышения пропускной способности одномодовых оптических волокон (ООВ). К наиболее удачным разработкам в этой области следует отнести технологию плотного волнового мультиплексирования DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), позволившую сделать прорыв в решении проблемы увеличения пропускной способности существующих волоконно-оптических магистралей. Пионерами здесь являются компании Alcatel и Lucent. В феврале 1998 г. компания Lucent представила на мировом рынке оптическую линейную систему типа WaveStar OLS 400G, основанную на технологии DWDM. Эта система в диапазоне длин волн 1528,77... 1560,61 нм (спектр частот 196,1...192,1 ТГц - полоса частот Δf = 4000 ГГц = 4 ТГц) одного ООВ образует 40 оптических трактов (с разносом между соседними трактами 100 ГГц), каждый из которых имеет пропускную способность 10 Гбит/с. Таким образом, система передачи WaveStar OLS 400G обеспечивает пропускную способность одного ООВ 10 Гбит/с х 40 = 400 Гбит/с [105].

Сегодня в индустрии телекоммуникаций технология DWDM стремительно развивается. Вот еще только один пример. В марте 2001 г. компания Alcatel устанавливает очередной мировой рекорд скорости передачи цифровых сигналов по одному ООВ типа 6911 TeraLight Metro. В каждом из образованных в этом волокне 256 оптических трактов передавался цифровой поток уровня STM-256. Суммарный поток со скоростью передачи 40 Гбит/с х 256 = 10,24 Тбит/с был передан на расстояние 100 км [84].

Предлагая читателям эту монографию, автор искренне хочет помочь им изучить технологию SDH, освоить ее применение на современных волоконно-оптических транспортных сетях и сетях доступа, стать специалистами на уровне требований времени в области систем передачи и сетей SDH, подготовить себя к изучению более высокоскоростных технологий, например DWDM, UWDM, NWDM и др.

Список сокращений

АА - Area Address - адрес области

ACSE - Association Control Service Element - сервисный элемент ассоциированного управления

ACTS - Advanced Communication Technologies and Services - перспективные технологии коммуникаций и услуг

ADM - Add/Drop Multiplexer - мультиплексор ввода/вывода

AFI - Autority and Format Identifier - идентификатор полномочий и формата

AIS - Alarm Indication Signal - сигнал индикации аварии

AITS - Asknowledged Information Transfer Service - передача информации с подтверждением приема

ALS - Automatic Laser Shutdown - система автоматического выключения (гашения) лазера

AMI - Alternate Mark Inversion - чередование полярности импульсов

ANSI - American National Standart Institute - Американский национальный институт стандартов

АР - Area Part - часть региона

APS - Automatic Protection Switching - автоматическое защитное переключение

APT - Application Process Title - заголовок процесса приложения

ASIC - Application Special Integrated Circuit - интегральная микросхема специального применения

ATM - Asynchronous Transfer Mode - асинхронный режим переноса

AU - Administrative Unit - административный блок

AUG - Administrative Unit Group - групповой административный блок, или группа административных блоков

AUI - Auxiliary Unit Interface - соединительный интерфейс модуля

AUX - Auxiliary - внешний физический интерфейс (блок для внешних подключений)

AWG - Array Waveguide Grating - решетка массива волноводов

ВВЕ - Background Blok Error - блок с фоновыми ошибками

BBER - Background Blok Error Ratio - коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками

BIP - Bit Interleaved Parity - четность чередующихся битов

ВМ - Business Manager - бизнес-менеджер

СATT - Configuration and Test Tool - средство конфигурации и тестирования

CCITT - Consultative Committee on International Telephony and Telegraphy - Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии

СID - Consecutive Identical Digit - соседние идентичные разряды

CLNP - Connectionless Network Layer Protocol - сетевой протокол уровня без установления соединения

CLNS - Connection-Less-mode Network Service - сетевой сервис режима без установления соединения

CMI - Coded Mark Inversion - код с изменением полярности

CMIP - Common Management Information Protocol - протокол общей управляющей информации

СМIS - Common Management Information Service - сервис общей управляющей информации

CONP - Connection Oriented Network-layer Protocol - сетевой протокол с установлением соединений

CONS - Connection-Оriented-mode Network Service - сетевой сервис режима с установлением соединений

CSES - Consecutive Severely Errored Seconds - последовательные секунды с серьезными ошибками

DACS - Digital Access Cross-Connect System - цифровая аппаратура доступа с кроссированием (кросс-соединением) цифровых потоков

DCC - Data Communication Channel - канал передачи данных

DCF - Data Communication Function - функция передачи данных

DCN - Data Communication Network - сеть передачи данных

DCS - Digital Cross-Connect System - система цифрового кросс-соединения

DH - Hybrid Data - гибридный набор данных

DIM - Drop/Insert Multiplexer - мультиплексор выделения/вставки

DMUX - Demultiplexer - демультиплексор

DP - Domain Part - часть области

DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing - плотное волновое мультиплексирование

DXC - Digital Cross-Connector - цифровой кросс-коннектор

EB - Errored Block - блок с ошибками

ЕС - External Cavity (laser) - (лазер) с внешним резонатором

ЕСС - Embedded Control Channel - встроенный канал управления

EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier - эрбиевый волоконно-оптический усилитель

ЕМ - Element Manager - элемент-менеджер

ES - Errored Second - секунда с ошибками

ES-IS - End Sistem - to - Intermediate System - протокол связи (взаимодействия) между оконечной и промежуточной системами

ESR - Errored Second Ratio - коэффициент ошибок по секундам с ошибками

ETSI - European Telecommunications Standarts Institute - Европейский институт стандартов по связи

Ехс - Excessive errors - слишком много ошибок

FEBE - Far End Block Error - блок с ошибками на дальнем конце

FERF - Far End Receive Failure - сбой (авария) в приеме на дальнем конце

FIFO - First Input First Output - первый на входе - первый на выходе

FS - Fixed Stuff - фиксированный наполнитель (балласт)

FTAM - File Transfer, Access and Management - передача файла, доступа и менеджмента

GFP - Generic Framing Procedure - общая процедура кадрирования

GNE - Gateway Network Element - шлюзовый элемент сети

GPS - Global Positioning System - глобальная система позиционирования

HDB-3 - High-Density Bipolar code of order 3 - двухполярный код с высокой плотностью единиц (не более трех нулей подряд)

HMA - Human-Machine Adaptation - человеко-машинная адаптация

HWDM - High-Dense Wavelength Division Multiplexing - высокоплотное волновое мультиплексирование

ICF - Information Conversion Function - функция преобразования информации

IDI - Initial Domain Identifier - идентификатор начальной области

IFU - Interworking Functional Unit - функциональный блок взаимодействия

INT - Internal - внутренний

IP - Internet Protocol - межсетевой протокол

IRU - Intermediate Regenerator Unit - блок промежуточного регенератора

ISDN - Integrated Services Digital Network - цифровая сеть интегрированного обслуживания

IS-IS - Intermediate System - to - Intermediate System - протокол взаимодействия между промежуточными системами передачи

ISO - International Standartization Organization - Международная организация по стандартизации

ITM - Integrated Transport Management - интегрированное управление транспортной сетью

ITU-T - International Telecommunication Union - Telecommunication Standartization - Международный союз электросвязи - Сектор стандартизации

IWU - Interworking Unit - блок взаимодействия

LAW - Local Area Network - локальная (вычислительная) сеть

LAP - Link Access Procedure for the D Channel - протокол доступа к звену данных для D-канала

LCAP - Local Craft Access Panel - местная панель доступа оператора

LCN - Local Communications Network - локальная сеть связи

LCS - Lower order Connection Supervision - контроль соединений нижнего уровня

LNC - Local Node Clock - таймер локального (местного) узла

LOF - Loss of Frame - потеря цикла передачи (фрейма)

LOM - Loss of Multiframe - потеря сверхцикла

LOP - Loss of Pointer - потеря указателя

LOS - Loss of Signal - потеря сигнала

LOT - Local Operator Terminal - терминал локального оператора

LPR - Local Primary Reference - локальный первичный эталон

LR - Line Regenerator - линейный регенератор

LTI - Loss of Timming Inputs - потеря синхронизации на входе

LXC - Local Cross-Connector - локальный кросс-коннектор

MAP - Management Application Function - функция управляющего приложения

MCF - Message Communication Function - функция передачи сообщений

MCU - Management and Communication Unit - блок управления и связи

MD - Mediation Device - устройство сопряжения (медиатор)

MDF - Mediation Function - функция устройств сопряжения (медиаторная функция)

MIB - Management Information Base - база управляющей информации

MMSB - Multi Master Serial Bus - многоцелевая последовательная шина

МО - Managed Object - управляемый объект

MS - Multiplex Section - мультиплексная секция

MSOH - Multiplex Section Overhead - заголовок мультиплексной секции

MSP - Multiplex Section Protection - защита мультиплексной секции

MTS - Multiplexer Timing Source - источник синхронизации мультиплексоров

MUX - Multiplexer - мультиплексор

NDF - New Data Flag - флаг новых данных

NE - Network Element - элемент сети

NEF - Network Element Function - функция сетевого элемента

NFM - Network Fail Management - управление отказами в сети

NLR - Network Layer Relay - ретрансляция на сетевом уровне

NM - Network Manager - сетевой менеджер

NMS - Network Management System - система управления сетью

NNE - Non-Network Element - элемент, не являющийся частью сети SDH

NNI - Network Node Interface - интерфейс сетевого узла

NNI - Network-Network Interface - интерфейс сеть - сеть

NOC - Network Operation Centre - центр управления сетью

NPDU - Network Protocol Data Unit - сетевой протокольный блок данных

NPI - Null Pointer Indicator - индикатор нулевого значения указателя

NRZ - Non Return to Zero - (код) без возврата к нулю

NS - Network Selection - сетевой селектор

NSAP - Network Service Access Point - точка доступа сетевого сервиса

NU - National Use Byte - байт для национального использования в данной стране

ODM - Optical Demultiplexer - оптический демультиплексор

OFS - Out of Frame Second - секунда, содержащая сигнал OOF

ОНА - OverHead Access - доступ к заголовку

OLS - Optical Line System - оптическая линейная система

ОМ - Optical Multiplexer - оптический мультиплексор

OOF - Out of Frame - выход за границы фрейма

ОРМ - Optical Power Meter - измеритель оптической мощности

OS - Operating System - операционная (управляющая) система

OS - Optical Section - оптическая секция

OSF - Operations System Function - функция управляющей системы

OSI - Open Systems Interconnection - взаимодействие открытых систем

PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy - плезиохронная цифровая иерархия

PDU - Protocol Data Unit - протокольный блок данных

PF - Presentation Function - функция представления

PJE - Pointer Justification Event - факт выравнивания указателя

PL - Payload - полезная нагрузка

PM - Parameters Management - контроль параметров

РОH - Path Overhead - трактовый заголовок

PRS - Primary Reference Source - первичный эталонный источник

PSD - Protection Switch Duration - длительность (определенного) защитного переключения

PSM - PDH-to-SDH Mediator - система или звено связи сетей PDH и SDH

PSN - Packet Switched Network - сеть пакетной коммутации

PSPDN - Packet Switched Public Data Network - сеть передачи данных общего пользования с пакетной коммутацией

QA - Q-Adapter - адаптер, позволяющий подключать оборудование, имеющее несовместимые с TMN интерфейсы

QoS - Quality of Service - качество обслуживания

RFI - Remote Fail Indicator - индикатор удаленной аварии

RMOSI - Open Sistems Interconnection/Reference Model - эталонная модель взаимодействия открытых систем

RS - Regenerator Section - регенерационная секция

RSOH - Regenerator Section OverHead - заголовок регенерационной секции

RST - Regenerator Section Termination - окончание регенерационной секции

RXU - Receiver Unit - блок оптического приемника

SD - Signal Degrade - ухудшение качества (деградация) сигнала

SDH - Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия

SDXC - Synchronous Digital Cross-Connector - синхронный цифровой кросс-коннектор

SEMF - Synchronous Equipment Management Function – функция обслуживания аппаратуры систем передачи SDH

SES - Severely Errored Second - секунда с серьезными ошибками

SESR - Severely Errored Second Ratio - коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками

SETS - Synchronous Equipment Timing Source - хронирующий источник синхронного оборудования

SF - Subframe – субфрейм

SID - System Identifier - идентификатор системы

SIM - Service Interface Module - сервисный интерфейсный модуль

SIRPIT - Serial in Receive Parallel in Transmit - последовательный на приеме - параллельный на передаче

SL - Synchronous Line link - синхронная (SDH) линия

SLM - Signal Label Mismatch - несовпадение типа сигнала

SLM - Synchronous Line Multiplexer - синхронный линейный мультиплексор

SM - Service Manager - сервис-менеджер

SM - Synchronous Multiplexer - синхронный мультиплексор

SMN - SDH Management Network - сеть управления SDH

SMS - SDH Management Subnetwork - подсеть сети управления SDH

SMUX - Synchronous Multiplexer - синхронный мультиплексор

SNDCF - Sub-Network Dependent Convergence Function - функция соединения, зависящая от подсети

SOH - Section OverHead - секционный заголовок

SONET - Synchronous Optical Network - синхронная оптическая сеть

SPI - SDH Physical Interface - физический интерфейс сигнала SDH

SSM - Synchronization Status Message - сообщение о статусе синхронизации

STM-N - Synchronous Transport Module of level N - синхронный транспортный модуль уровня N, где N = 1, 4, 16, 64, 256

STM-RR - Synchronous Transport Module for Radio Relay link - синхронный транспортный модуль для радиорелейных систем передачи SDH

SU - Standard Unit - стандартный блок

SU - Support Unit - блок управления (обеспечения)

Sub-MTS - Sub-Multiplexer Timing Source - субмультиплексный источник хронирования

SVC - Switched Virtual Circuit - коммутируемая виртуальная цепь

SXC - Synchronous Cross-Connector - синхронный кросс-коннектор

ТА - Terminal Adapter - терминальный адаптер

TDM - Time Division Multiplexing -мультиплексирование с разделением по времени

TF - Transmission Fail - сбой при передаче

TIM - Trace Identifier Mismatch - несовпадение идентификатора трассировки

TIM - Traffic Interface Module - интерфейсный модуль трафика

TM - Terminal Multiplexer - терминальный мультиплексор

TMN - Telecommunications Management Network - сеть управления телекоммуникациями (сеть управления электросвязью)

TNC - Transit Node Clock - таймер транзитного узла

TSI - TimeSlot Interchange - межинтервальный обмен

TU - Tributary Unit - субблок, обеспечивающий согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков

TUG - Tributary Unit Group - групповой субблок

TXU - Transmitter Unit - блок оптического передатчика

UAS - Unavailable Seconds - недоступные секунды

UITS - Unasknowledged Information Transfer Service - передача информации без подтверждения приема

UNI - User-Network Interface - интерфейс пользователь - сеть

UP - Unit Processor - блок процессора

UWDM - Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing - сверхплотное волновое мультиплексирование

VC - Virtual Container - виртуальный контейнер

WDM - Wavelength Division Multiplexing - мультиплексирование с разделением по длине волны, или волновое мультиплексирование

WS - Workstation - рабочая станция

WSF - Workstation Function - функция рабочей станции

АГЛ - автоматическое гашение лазера

АИ - американская иерархия

AM - амплитудная модуляция

АОВ - анизотропное оптическое волокно

АОП - аппаратура оперативного переключения

АПРФ - автоподстройка разности фаз

АРМГ - автоматическая регулировка мощности гетеродина

АРТС - автоматический регулятор тока смещения

АРУ - автоматическая регулировка уровня

АСТЭ - автоматизированная система технической эксплуатации

АТА - аналоговый телефонный аппарат

АТС - автоматическая телефонная станция

АФК - амплитудно-фазовая конверсия

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

БК-2М - канальный блок

БЛ - линейный блок

БО-34М - блок ответвления

БОУ - блок оптического усиления

БУН - блок управления нагрузкой

БФП - балансный фотоприемник

ВВЭ - волоконный витковый элемент

ВО ЦЛТ - волоконно-оптический цифровой линейный тракт

ВО ЦСП - волоконно-оптическая цифровая система передачи

ВОК - волоконно-оптический кабель

ВОСП - волоконно-оптическая система передачи

ВОТЭ - вспомогательный объект технической эксплуатации

ВОУ - волоконно-оптический усилитель

ВР - внешний резонатор

ВТЧ - выделитель тактовой частоты

ГТС - генератор тактовой синхронизации

- городская телефонная сеть

ДО - детектор огибающей

ЕИ - европейская иерархия

ЗГ - задающий генератор

ИЛ - инжекционный лазер

ИС - информационный сигнал

КМ - контроллер мультиплексора

КСС - канал служебной связи

ЛН - лазер накачки

ЛФД - лавинный фотодиод

МВВ - мультиплексор выделения/вставки

МККТТ - Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии

MOB - многомодовое оптическое волокно

МОС - Международная организация по стандартизации

МР - мониторинг работы

МСЭ-Т - Международный союз электросвязи – Сектор телекоммуникаций

МШУ - малошумящий усилитель

НП - нелинейный преобразователь

НРП - необслуживаемый регенерационный пункт

НРС - начало регенерационной секции

НТД - нормативно-техническая документация

ОВ - оптическое волокно

ОЗО - оптическое затухание отражения

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ОИ - оптический изолятор

ОКС - общеканальная сигнализация

ОЛЗ - оптическая линия задержки

ОМС - обработка мультиплексируемых сигналов

ООВ - одномодовое оптическое волокно

ОП - оконечный пункт

ОПД - оптический передатчик

ОПМ - оптический приемник

ОРС - окончание регенерационной секции

ОС - октетная синхронизация

- оптическая секция

ОУЭОВ - оптический усилитель на основе легированных эрбием оптических волокон

ОЦК - основной цифровой канал

ОЭП - оптоэлектронный преобразователь

ПАВ - поверхностная акустическая волна

ПНИ - противонаправленный интерфейс

ПОМ - передающий оптоэлектронный модуль

ПОУ - полупроводниковый оптический усилитель

ПОФ - полосовой оптический фильтр

ПП - промежуточный пункт

ППЛ - полупроводниковый лазер

ППП - профиль показателя преломления

ПРОМ - приемный оптический модуль

ПРУС - предусилитель

ПСС - постанционная служебная связь

ПТЭ - правила технической эксплуатации

ПЦК - первичный цифровой канал

ПЧ - промежуточная частота

РРЛ - радиорелейная линия

РТС - регулятор тока смещения

РУ - решающее устройство

- регулятор уровня

РЭС - регенератор электрических сигналов

САС - сигнал аварии службы

СБИС - сверхбольшая интегральная схема

СИАС - сигнал индикации аварийного состояния

СИД - светоизлучающий диод

СЛ - солитонный лазер

СЛТ - синхронный линейный тракт

СНИ - сонаправленный интерфейс

СР - селективный разветвитель

СУОП - сигнал указания об отказе на предшествующем участке

СЦКК - синхронный цифровой кросс-коннектор

СЦКС - система цифрового кросс-соединения

СЦС - сверхцикловая синхронизация

ТИ - тактовый интервал

ТО - техническое обслуживание

ТС - тактовая синхронизация

ТЦК - третичный цифровой канал

ТЭ - техническая эксплуатация

ТЭЗ - типовой элемент замены

УКС - устройство управления и коммутации служебных сигналов

УНК - устройство управления нагрузкой с кросс-коннектором

УПЧ - устройства (усилитель-фильтр-усилитель) промежуточной частоты

УСМ - усилитель мощности

УСС - участковая служебная связь

УУФ - устройство управления фазой

УФ - узкополосный фильтр

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФВ - фазовращатель

ФД - фотодиод

ФМ - фазовая модуляция

ФМИТ - формирователь модулирующих импульсов тока

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФОН - формирователь опорного напряжения

ЦГИ - интерфейс с центральным тактовым генератором

ЦГС - цифровой групповой сигнал

ЦКК - цифровой кросс-коннектор

ЦКС - цифровая коммутационная станция

ЦКУ - цифровой кроссовый узел

ЦЛС - цифровой линейный сигнал

ЦЛТ - цифровой линейный тракт

ЦС - цикловая синхронизация

ЦСИО - цифровая сеть интегрированного обслуживания

ДСП - цифровая система передачи

ЦТА - цифровой телефонный аппарат

ЧАП - частотная автоподстройка

ЧМ - частотная модуляция

ЧПИ - чередование полярности импульсов

ШПУ-О - широкополосный усилитель-ограничитель

Ш-ЦСИО - широкополосная цифровая сеть интегрированного обслуживания

ЭВ - эффективность ввода

ЭМ ВОС - эталонная модель взаимодействия открытых систем

ЯИ - японская иерархия

1. Краткое введение в системы передачи и сети SDH

1.1. Общие сведения

Быстрое развитие телекоммуникационных сетей и необходимость существенного увеличения объема, надежности и экономичности передачи цифровых сигналов привели к коренным изменениям в практике построения и использования интегральных цифровых сетей.

В настоящее время телекоммуникационные сети должны строиться на базе современных технологий цифровых систем передачи и устройств автоматической коммутации цифровых потоков, иметь гибкую и легко управляемую структуру. В них необходимо обеспечивать:

надежную, высококачественную передачу и оперативное переключение сигналов разноскоростных цифровых потоков на разветвленной транспортной сети;

выделение/вставку этих потоков в произвольных пунктах доступа цифрового линейного тракта;

возможность совместной работы оборудования SDH различных фирм-производителей на сети одного оператора и удобство взаимодействия нескольких сетевых операторов;

выполнение автоматизированного контроля качества функционирования, оперативного управления и эксплуатационного обслуживания различных элементов сети;

развитие существующих и появление различных новых видов электросвязи и дополнительных видов обслуживания, использующих как синхронный, так и асинхронный способы передачи цифровых сигналов.

Перечисленные и другие требования к плезиохронным ЦСП, на основе которых первоначально строились цифровые сети электросвязи, практически невыполнимы - это во-первых.

Во-вторых, с появлением ООВ оказалось возможным создавать волоконно-оптические линейные тракты, обеспечивающие высокие (единицы - десятки гигабит в секунду) и сверхвысокие (сотни - тысячи гигабит в секунду) скорости передачи цифровых сигналов. При этом длина секции (участка) регенерации составляет 80... 120 км и более. В таких линейных трактах на разветвленной сети практически отсутствуют необслуживаемые регенерационные пункты. Они совмещаются с пунктами выделения/вставки цифровых потоков. Производительность волоконно-оптических линейных трактов (произведение скорости передачи на длину регенерационной секции) превышает производительность трактов, образуемых с использованием кабелей с металлическими проводниками, в 100 и более раз, что радикально увеличивает экономическую эффективность первых [40].

Использование на волоконно-оптических трактах плезиохронных ЦСП для получения высокоскоростных цифровых потоков со скоростями передачи 140 и 565 Мбит/с приводит к громоздким и малонадежным техническим решениям. В указанных ЦСП применяется асинхронный метод группообразования цифровых сигналов, где результирующий цифровой поток формируется в последовательно соединенных мультиплексорах. При этом затруднен доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам для их выделения/вставки, ответвления и транзита, так как в промежуточном пункте нужно выполнять многоступенчатое демультиплексирование полученного цифрового группового сигнала (ЦГС). При нарушениях синхронизации ЦГС сравнительно большое время тратится на многоступенчатое восстановление синхронизации компонентных потоков.

Эти трудности легко преодолимы при использовании синхронного объединения цифровых сигналов, или синхронного мультиплексирования, которое используется в системах передачи SDH.

В третьих, пользователи сети электросвязи (сервис потребителей) непрерывным повышением своих требований к поставщикам оборудования сети ставят перед ними бесконечные проблемы (создают им постоянную «головную боль»), потому что традиционные сети электросвязи абсолютно не приспособлены к быстро изменяющемуся сервису потребителей.

Поэтому, учитывая накопленный в мире опыт разработки и использования синхронных систем передачи, Международный союз электросвязи ITU-T (International Telecommunication Union - Telecommunication Standartization) в 1988 г. приступил к разработке и к настоящему времени в основном принял рекомендации (см. поздразд. 1.2.2) по созданию и использованию систем передачи и сетей SDH.

Применение на сетях связи систем передачи SDH представляет собой качественно новый этап развития цифровых телекоммуникаций. В рамках технологии SDH разработаны не только новая иерархия скоростей передачи цифровых сигналов и новый метод мультиплексирования цифровых потоков, но и перспективная концепция построения и развития цифровых транспортных сетей, которая поддерживается международными рекомендациями и стандартами.

Концепция сети SDH позволяет оптимальным образом сочетать процессы высококачественной передачи высокоскоростных цифровых сигналов с процессами автоматизированного контроля, управления и обслуживания элементов сети в рамках единой системы. Для этого сеть SDH подразделяется на информационную сеть потребителей и сеть сервисных систем, обеспечивающих глубокую автоматизацию функций контроля, управления и обслуживания оборудования и элементов сети. Последнее достигается органическим внедрением техники специализированных ЭВМ в аппаратуру и оборудование цифровой сети.

Новая концепция сетей SDH предусматривает, что на первом этапе их внедрения и развития оборудование систем передачи SDH может использоваться для передачи цифровых потоков плезиохронных ЦСП по высокоскоростным волоконно-оптическим линейным трактам в структуре «точка-точка». В дальнейшем, благодаря заложенным в системах передачи SDH возможностям многократных выделений/вставок и ответвлений цифровых потоков, будут создаваться линейные, кольцевые и разветвленные сетевые структуры с пунктами выделения/вставки разноскоростных цифровых потоков.

В соответствии со структурой сети SDH в ней реализуется комплексный процесс перемещения сообщений, который включает собственно передачу информационных сигналов и функции контроля, управления и обслуживания. Для названия этого процесса в системах передачи и сетях SDH используется термин транспортирование, а соответствующие системы и устройства называются транспортными (транспортная система, цифровая транспортная сеть, синхронный транспортный модуль и т. д.).

Универсальные возможности транспортирования различных сигналов достигаются в сети SDH благодаря использованию принципа контейнерных перевозок. В сети перемещаются не сами сигналы нагрузки, а новые цифровые структуры - виртуальные контейнеры VC (Virtual Container), в которых размещаются информационные сигналы. Сетевые операции с контейнерами выполняются независимо от их содержания. После доставки на место и «выгрузки из контейнеров» сигналы нагрузки обрабатываются и обретают исходную форму.

Нагрузкой транспортной цифровой сети могут быть сигналы, формируемые на выходе мультиплексоров плезиохронных ЦСП, потоки ячеек асинхронного режима переноса ATM (Asynchronous Transfer Mode) или иные цифровые сигналы. Аналоговые сигналы предварительно должны быть преобразованы в цифровую форму, что может быть выполнено с помощью имеющегося или появившегося на сети нового оборудования. Во всех случаях передаваемые цифровые сигналы «выстраиваются по времени», т. е. из них формируются стандартные циклы передачи сигналов, или фреймы, повторяющиеся через 125 мкс.

В структуре сигнала систем передачи SDH предусмотрено формирование нескольких типов служебных сигналов, которые называют заголовками. Использование этих заголовков, буферов (оперативных запоминающих устройств) и специализированных ЭВМ позволяет оператору сети перемещать сигналы из конца одного цикла передачи в начало другого и наоборот. При этом возможно однозначно определить в общем цифровом потоке место расположения каждого первичного цифрового потока. Это позволяет оператору сети в любой момент знать, где находится закодированный сигнал пользователя и во времени, и в пространстве, что обеспечивает ему (оператору) доступ к отдельно взятому первичному цифровому потоку без ряда преобразований общего цифрового потока.

Для эффективного внедрения функций контроля, управления и обслуживания в действующие сетевые структуры и в существующие плезиохронные ЦСП потребовалась бы их существенная переработка. Например, в циклы передачи, формируемые мультиплексорами плезиохронных ЦСП, нужно было бы включить дополнительные позиции для контрольных и управляющих сигналов, а в оборудование передачи и оперативного управления - интерфейсные, контрольные и исполнительные устройства. В свете изложенного разработку систем передачи SDH можно рассматривать в качестве способа введения вышеупомянутых новшеств «с чистого листа». Фактически в рамках технологии SDH создается новая перспективная концепция не только цифровых сетей, но также аппаратуры и оборудования, учитывающая современные достижения системотехники и программирования. Однако при этом концепция SDH разработана так, чтобы она могла функционировать в окружении существующих сетей с использованием большей части действующей аппаратуры плезиохронных ЦСП.

Создание сетевых структур различных конфигураций, контроль и управление отдельными элементами сети и всей информационной сетью SDH в целом осуществляются программно и дистанционно с помощью специальной системы контроля, управления и технического обслуживания. Физической основой этой системы являются входящие в аппаратуру контрольно-управляющие микропроцессоры, Q-интерфейсы, встроенные каналы служебной связи и программное обеспечение. Такая система успешно решает задачи эксплуатационного обслуживания оборудования систем передачи SDH различных фирм-производителей в зоне одного оператора сети и обеспечивает автоматическое взаимодействие зон сети различных операторов. Все операции по выполнению функций контроля, управления и обслуживания сети SDH и каждого её элемента могут выполняться как из центрального пункта управления, так и из других пунктов сети, которым такое право предоставлено.

Уровни систем передачи SDH определяют структуру сигналов и скорость их передачи на интерфейсах сетевых узлов. По Рекомендации ITU-T G.704 (1995) для первого уровня иерархии в качестве основного цикла передачи синхронного сигнала с периодом повторения 125 мкс в системах передачи SDH был принят синхронный транспортный модуль 1-го уровня STM-1 (Synchronous Transport Module of level 1) [125]. По Рекомендации ITU-T G.709 (1996) сигнал STM-1 имеет скорость передачи 155,52 Мбит/с [127].

Скорости передачи сигналов высших уровней иерархии получаются умножением данной скорости на целое число, равное более высокому уровню систем передачи SDH. До 2000 г. указанными рекомендациями были определены также 4, 16 и 64-й уровни иерархии. Четвертому уровню соответствует сигнал STM-4 со скоростью передачи 622,08 Мбит/с, 16‑му - сигнал STM-16 со скоростью передачи 2448,32 Мбит/с (2,5 Гбит/с) и 64-му - сигнал STM-64 со скоростью передачи 9953,28 Мбит/с (10 Гбит/с).

В октябре 2000 года ITU-T принял Рекомендацию G.707/Y.1322 по использованию сигнала 256-го уровня иерархии, т. е. сигнала STM-256 со скоростью передачи 39813,12 Мбит/с (40 Гбит/с) [126]. Этой же рекомендацией определен сигнал нулевого уровня STM-0 со скоростью передачи 51,84 Мбит/с, что соответствует синхронному транспортному сигналу STS-1 системы передачи синхронной оптической сети SONET (Synchronous Optical Network) (США) [43].

Принятие рекомендации по сигналу уровня STM-0 следует только приветствовать, так как мультиплексирование трех таких сигналов образует поток уровня STM-1, т. е. 51,84 Мбит/с х 3 = 155,52 Мбит/с. Это способствует еще большему развитию международной транспортной сети связи.

Системы передачи SDH 1, 4, 16, 64 и 256-го уровней позволяют образовать соответственно 1920, 7680, 30720, 122880 и 491520 основных цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с.

Сигнал STM-0 или синхронный транспортный модуль для радиорелейных систем передачи SDH STM-RR (Synchronous Transport Module for Radio Relay link) может использоваться на радиорелейных и спутниковых линиях передачи, где широко распространены тракты с полосой пропускания порядка 40 МГц. Кроме того, указанный тракт рекомендуется использовать в тех многочисленных приложениях, когда на данном участке сети нет необходимости в сравнительно большой пропускной способности тракта первого уровня систем передачи SDH.

В волоконно-оптический кабельный тракт сигналы систем передачи SDH поступают в коде линейного сигнала, в качестве которого используется бинарный код без возврата к нулю NRZ (Non Return to Zero).

Перед поступлением в линейный мультиплексор передаваемые сигналы скремблируются, что делает битовую последовательность сформированного цифрового линейного сигнала (ЦЛС) случайной. Цифровой линейный сигнал на входе линейного тракта имеет ту же скорость передачи, что и ЦГС данной системы передачи SDH.

Сегодня системы передачи SDH признаны во всем мире как самая современная и хорошо отработанная технология для построения транспортных сетей связи. Практически все развитые страны широко применяют системы передачи SDH, а некоторые развивают свои сети только на базе систем передачи SDH уже с 1996 года. Ведущие фирмы-производители резко сократили производство аппаратуры плезиохронных ЦСП. Альтернативы применению систем передачи SDH на широкополосных мультисервисных сетях до недавнего времени фактически не существовало.

Однако предоставление пользователям сети все большего числа новых услуг и переход на пакетные принципы передачи и коммутации цифровых сигналов требуют применения в сети высокопроизводительного и многофункционального оборудования, обладающего необходимой масштабируемостью, гибкостью и надежностью. Указанная проблема успешно решается путем комбинированного применения целого спектра новейших технологий:

1) одномодовых оптических волокон типа TrueWave RS, TrueWave XL, AllWave компании Lucent и типа SMF-28; LEAF, MetroCor фирмы Corning [1, 96];

2) технологии временного мультиплексирования сигналов, в частности, технологии SDH различных уровней;

3) технологии плотного волнового мультиплексирования сигналов DWDM.

Использование этих технологий позволяет увеличить трафик до сотен гигабит в секунду и более без замены волоконно-оптического кабеля (ВОК) и незначительными изменениями состава оборудования систем передачи на пунктах доступа транспортной цифровой сети.

Современная технология SDH обеспечивает мультиплексирование, прямую передачу цифрового потока уровня STM-256 (40 Гбит/с) по одному ООВ и демультиплексирование принятого потока.

Сущность технологии DWDM состоит в одновременной передаче по одному волокну нескольких десятков потоков, например, технологии SDH с различными скоростями передачи по «узким» спектральным полосам, например, 50 или 100 ГГц в заданном диапазоне длин волн ООВ. Указанные выше типы одномодовых волокон с нулевой смещенной дисперсией специально разработаны для технологии DWDM [80].

Таким образом, современные тенденции развития средств телекоммуникаций свидетельствуют о перспективности систем передачи, работающих по ООВ. В них совмещаются временное мультиплексирование для образования сигналов STM-N (Synchronous Transport Module of level N) и их передача по одному ООВ с использованием технологии DWDM [78, 101, 103].

Здесь уместно заметить, что на рубеже XX - XXI веков в печати появились публикации, предрекающие «закат» технологии SDH [12]. Но видя, что эти «пророчества» не сбываются, автор указанной работы убедился в возможности перехода «к оборудованию SDH нового поколения» [14].

В настоящее время установленное на транспортной сети оборудование волоконно-оптической магистральной связи в основном поддерживает потоки уровней от STM-1 до SТM-16. Системы передачи SDH уровня STM-64 уже появились на рынке и пользуются большим спросом. Их продажа для установки на транспортных сетях будет продолжаться высокими темпами. Технология, позволяющая создавать аппаратуру и оборудование SDH уровня STM-256, также отработана. Однако по экономическим соображениям реальное поступление на рынок мультиплексоров уровня STM-256 начнется не ранее 2005 г. [67]. Основой интегральной цифровой сети следующего поколения будут системы передачи SDH высокой пропускной способности (уровней STM-64, STM-256), системы передачи DWDM и оптическая аппаратура оперативного переключения, или оптические кросс-коннекторы.

Технология SDH продолжает развиваться, ее последними достижениями являются [68]:

1) недорогие и простые в установке и обслуживании мультиплексоры доступа (терминальные мультиплексоры ТМ (Terminal Multiplexer), мультиплексоры выделения/вставки DIM (Drop/Insert Multiplexer), или МВВ) уровней STM-1, STM-4, STM-16 с полным набором электрических и оптических интерфейсов, а также с поддержкой новых возможностей, например, IP over SDH;

2) высокопроизводительные универсальные мультиплексоры и кросс-коннекторы, поддерживающие скорости передачи сигналов до уровней STM-64, STM-256 и имеющие полные неблокируемые матрицы коммутации на уровне сигналов STM-1;

3) поддержка на выходных интерфейсах линейных мультиплексоров перестраиваемых на заданную длину волны оптических сигналов для их непосредственного ввода в оптические мультиплексоры систем передачи волнового или плотного волнового мультиплексирования, что позволяет упростить обслуживание сети и снизить ее суммарную стоимость.

По мнению специалистов компании Lucent, системы передачи SDH еще долгое время будут применять операторы для обеспечения доступа к транспортным сетям, а также для построения зоновых и местных сетей, в первую очередь, благодаря поддержанию разнообразных низкоскоростных интерфейсов доступа - от первичных цифровых потоков E1 (скорость передачи 2,048 Мбит/с) до сигналов уровня STM-1.

Технология SDH является достаточно апробированной и надежной основой для дальнейшего расширения как транспортных волоконно-оптических сетей, так и сетей доступа. Её несомненными достоинствами являются [63]:

1) международная стандартизация в рамках рекомендаций ITU-T, стандартов Европейского института стандартов по связи ETSI (European Telecommunications Standarts Institute) и Международной организации по стандартизации ISO (International Standartization Organization);

наличие автоматического резервирования различных видов, обеспечивающего высокую надежность и живучесть (отказоустойчивость) сетей;

развитые средства автоматического контроля, обслуживания и программного управления.

Более подробно другие достоинства систем передачи SDH рассмотрены ниже (см. подразд. 2.4.4), а также в работе [85].

Системы передачи SDH постоянно совершенствуют в соответствии с требованиями времени. Современное оборудование позволяет интегрировать технологию SDH с другими существующими и новыми технологиями (ATM, GE, IP, DWDM), обеспечивая транспортирование различных видов трафика. В перспективе такое оборудование может быть основой для построения мультисервисных сетей [56, 61, 62].

1.2. Краткий исторический обзор

1.2.1. Возникновение и развитие систем передачи и сетей SDH

В 1981 - 1983 гг. в результате проведенных интенсивных исследований и полученных разработок, в которых участвовали крупнейшие мировые компании, такие как Alcatel, ECI, Lucent, Nortel, Siemens и другие, на международном рынке появились волоконно-оптические компоненты со следующими параметрами [29]:

1) одномодовые лазерные диоды с шириной спектральной линии оптического излучения 0,3...0,5 нм и вводимым в волокно сигналом с уровнем оптической мощности до 3 дБм;

2) одномодовые оптические волокна с коэффициентом затухания 0,3 дБ/км на длине волны 1,55 мкм и ВОК из этих волокон с потерями на одно соединение двух волокон не более 0,25 дБм;

3) фотодетекторы на основе лавинных и Р-I-N-фотодиодов с чувствительностью минус 61,5 дБм и последующим каскадом малошумящего усилителя на кремниевом биполярном или полевом транзисторе с большим входным сопротивлением (R_вх = 1 МОм; С_вх= 5 пФ).

В то же время развитые страны мира повсеместно внедряют волоконно-оптические линии передачи, используя оборудование плезиохронных ЦСП, или систем передачи плезиохронной цифровой иерархии PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

К середине 80-х гг. становится очевидным тот факт, что это оборудование из-за свойственных ему недостатков (см. подразд. 2.4.2) на волоконно-оптических линиях передачи малоэффективно, в нем не использована неограниченная широкополосность оптических волокон. Но главным недостатком традиционных цифровых сетей, построенных с использованием волоконно-оптических кабелей и систем передачи PDH, является их неспособность соответствовать постоянно возрастающим требованиям пользователей к сети [77, 108, 166].

В 1984 - 1986 гг. Американский национальный институт стандартов ANSI (American National Standart Institute) и фирма Bellcore, с целью устранения недостатков волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) и сетей PDH разработали элементы сети SONET. В это же время комитет 71 института ANSI, изучив ряд альтернатив, предложил использовать в качестве основного сигнала в сети SONET синхронный транспортный сигнал STS-1 со скоростью передачи 50,688 Мбит/с.

Однако разработчики технологии SONET не могли не учитывать стандарты МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии) на американскую и европейскую иерархии плезиохронных ЦСП. Необходимо было также облегчить процедуры взаимодействия систем передачи этих иерархий в единой синхронной сети, так как предложенный сигнал STS-1 не согласовывался с сигналами 2,048 и 139,264 Мбит/с европейской иерархии.

Согласительные дискуссии между МККТТ и институтами ANSI и ETSI продолжались более двух лет. В конце 1988 г. МККТТ принял основополагающие международные Рекомендации G.707, G.708 и G.709 по технологии SDH. В 1989 г. эти рекомендации были опубликованы в так называемой «Синей книге» (CCITT Blue Book).

В Рекомендации G.707 для первого уровня систем передачи SDH в качестве основного синхронного сигнала был принят синхронный транспортный модуль STM-1 со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Формат этого сигнала позволяет мультиплексировать циклы передачи сигналов американской и европейской иерархий плезиохронных ЦСП со скоростями передачи от 1,544 до 139,264 Мбит/с. Подчиняясь указанным международным рекомендациям, комитет T1 института ANSI принял решение увеличить скорость передачи сигнала STS-1 до 51,84 Мбит/с, что позволяет мультиплексировать три таких потока в формат сигнала STM-1.

С 1990 г. начинается подлинная волоконно-оптическая революция в цифровых транспортных системах передачи и сетях. Никогда еще в телекоммуникационной индустрии не существовало более восхитительного времени [105]. Сегодня технология SDH победоносно шагает по странам и континентам, создавая глобальную сеть связи Земли, суперинтернет будущего, который охватит широкополосной мультисервисной сетью практически все страны.

Ниже приведены только некоторые фрагменты этого триумфального шествия [86].

1. В течение 1990 - 1991 гг. впервые в мире компания Philips испытала в полевых условиях систему передачи SDH с пропускной способностью 2,5 Гбит/с, построив опытную линию протяженностью около 300 км между городами Валенсия и Куэнка (Испания). В состав линейного тракта входили два синхронных терминальных мультиплексора уровня STM-16 типа SLT-16 и семь линейных регенераторов типа SLR-16 [82].

В 1991 г., после успешного проведения первой серии испытаний, компания Philips получает заказ на строительство между городами Мадрид и Барселона двух волоконно-оптических линий передачи SDH уровня STM-16 с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждая.

В 1992 г. перед началом Олимпийских Игр в Барселоне обе линии были построены и сданы в эксплуатацию. Линия передачи Мадрид - Валенсия - Барселона имеет протяженность 770 км, а вторая линия Мадрид - Сарагоса - Барселона - протяженность 650 км. До конца 1992 г. компания Philips ввела в эксплуатацию еще одну линию передачи SDH уровня STM-16 (2,5 Гбит/с) протяженностью 600 км между городами Мадрид и Севилья.

Таким образом, в течение полутора лет компания Philips построила и ввела в эксплуатацию свыше 2000 км волоконно-оптических линий передачи SDH уровня 5ТМ-16. Перспективность построенных линий передачи заключается в том, что в любое время их пропускную способность можно расширить до уровня STM-64 (10 Гбит/с) без замены кабеля, а также, убрав часть регенераторов, заменить оставшиеся оптическими усилителями.

В это же время уже повсеместно велось интенсивное строительство ВОСП с использованием оборудования SDH. Синхронные линейные мультиплексоры типа SL-1, SL-4 и SL-16 фирмы Siemens уровней STM-1 (155 Мбит/с), STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с), соответственно, успешно внедряли на этих линиях с 1992 года [16]. К концу 1992 г. такие линии передачи работали уже более чем в 20 странах мира [82].

2. К середине 1993 г. первая сеть SDH была построена в Москве [44], а к концу года аналогичная сеть была сдана в эксплуатацию в Санкт-Петербурге [28]. Для этих сетей использовали оборудование SDH первого уровня типа TN-IX компании Nortel. Одновременно велось строительство волоконно-оптического линейного тракта протяженностью 690 км, чтобы связать воедино эти две сети. Для строительства линейного тракта использован самонесущий 28-волоконный оптический кабель компании Pirelli, закрепленный на опорах контактной сети железной дороги. Одномодовые волокна кабеля имели коэффициент затухания 0,35 дБ/км на длине волны 1,3 мкм. В проложенном кабеле было задействовано 8 оптических волокон, которые использовались для построения двух линейных трактов с системой защиты «1+1».

В апреле 1994 г. сети Москвы и Санкт-Петербурга были соединены в единую сеть SDH. В этой объединенной сети в то время было задействовано более 1000 км волоконно-оптического кабеля, 19 мультиплексоров и 40 регенераторов типа TN-IX.

Оборудование SDH типа TN-IX - это базовый синхронный мультиплексор уровня STM‑1, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, мультиплексор выделения/вставки, оптический концентратор или линейный регенератор [77, 164].

В последнее десятилетие средства связи развиваются столь стремительно, что весьма трудно уследить за появлением новых сетей и новых услуг связи. Забегая вперед, т. е. нарушая хронологическое изложение материала, отметим, что через 2,5 года московская сеть SDH была реконструирована [22].

Осенью 1996 г. была введена в эксплуатацию первая очередь реконструированной, фактически новой сети SDH. Новая транспортная сеть имела многокольцевую архитектуру и была оснащена самым современным оборудованием SDH компании ECI. Эта сеть состояла из 13 мультиплексоров уровня STM-16 типа STM-16 и 60 мультиплексоров уровня STM-1, общая длина используемого ВОК составляла более 600 км. Оборудование SDH типа SDM-1, SDM-4 и SDM-16 - это базовые синхронные мультиплексоры соответствующих уровней иерархии, каждый из которых может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, или как DIM.

В начале 1998 г. была введена в эксплуатацию уже третья очередь московской сети SDH, в результате чего общее число мультиплексоров в сети возросло почти в 2 раза и достигло 140, а некоторые оптические кольца уровня STM-4 были переведены на уровень STM-16 (см. рис. 4.13).

Последняя по времени модернизация московской транспортной сети SDH была проведена в сентябре 2001 г. К концу 2001 г. в сети было установлено около 500 мультиплексоров различного типа. Шесть центральных высокоскоростных оптических колец уровня STM-16 были объединены в мощное ядро путем применения новейшего сетевого оборудования типа XDM компании ECI.

Изделие XDM - это интеллектуальная, универсальная, интегрированная оптическая сетевая платформа, полнодоступная матрица которой позволяет осуществить прямой ввод любого компонентного потока El в линейный мультиплексор уровня STM-16 либо STM-64 технологии SDH или в оптический мультиплексор технологии DWDM. Общее описание изделия XDM приведено в работе [109].

В результате применения платформы XDM московская сеть SDH приобрела новые качества - повысились надежность, масштабируемость, пропускная способность по любым направлениям. Построенная сеть SDH имеет такую пропускную способность, что может всего лишь по двум оптическим волокнам передавать одновременно в противоположных направлениях свыше 1000 потоков E1. Это позволяет образовать в каждом волокне свыше 30 тыс. цифровых каналов (скорость передачи 64 кбит/с) [23].

3. К середине 90-х годов применение систем передачи SDH уровня STM-16 (2,5 Гбит/с) на местных (городских), магистральных и международных сетях становится обыденным явлением, появляется все больше полностью загруженных оптических линий передачи, все острее встает вопрос о расширении номенклатуры систем передачи SDH до уровня STM-64 (10 Гбит/с).

Предвидя эти потребности, в исследовательских лабораториях фирмы Siemens с 1993 г. велись разработки электронных и оптоэлектронных высокоскоростных устройств для систем передачи SDH уровня STM-64. Электронно-оптический и оптоэлектронный преобразователи (оптические передатчик и приемник соответственно) для такой системы были выполнены на керамических подложках по кремниевой биполярной технологии [80].

В 1995 г. впервые системы передачи SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) были успешно испытаны в исследовательских лабораториях компании Siemens. Тем самым парк систем передачи SDH пополнился, была создана исчерпывающая для того времени номенклатура оптических систем передачи технологии SDH, начиная от первого уровня иерархии STM-1 (155 Мбит/с) до уровня STM-64 (10 Гбит/с).

В октябре 1995 г. компания Siemens представила на мировом рынке полный набор оборудования технологии SDH второго поколения, разработанного совместно с предприятием Italtel и фирмой GPT для будущих цифровых транспортных сетей SDH [170].

При скорости передачи сигналов 10 Гбит/с длина тактового интервала составляет 10 пс. Такая скорость обработки цифровых сигналов является предельной для технологии полупроводниковой оптоэлектроники, т. е. пределом возможностей увеличения пропускной способности волоконно-оптических цифровых систем передачи (ВО ЦСП) методом временного разделения каналов [3].

Но достигнутые в начале 90-х годов успехи в области микроэлектроники и интегральной оптики позволили существенно расширить границы пропускной способности ВОСП методом спектрального, или волнового разделения каналов [97]. Это дает возможность с использованием технологии DWDM в окрестности длины волны 1,55 мкм образовать несколько десятков оптических трактов, в каждом из которых можно передавать сигналы уровней STM-16, STM-64 или STM-256.

В 1995 г. впервые коммерческие системы передачи с использованием технологии WDM были представлены на рынке компанией Lucent. В настоящее время по всему миру установлены и работают тысячи таких систем передачи [101, 105, 107].

4. Успехи, достигнутые ведущими мировыми компаниями в первой половине 90-х гг. в области технологий SDH и WDM, предопределили дальнейшее развитие цифровых транспортных сетей.

В 1996 г. были введены в практическую эксплуатацию первые ВОСП с использованием технологии WDM, в которых в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм по одному волокну было образовано 8 односторонних оптических трактов с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждый, т. е. результирующая пропускная способность одного волокна составляла 20 Гбит/с.

В сентябре 1996 года в г. Осло была проведена 22-я Европейская конференция по оптической связи [74]. На конференции обсуждались две основные программы:

создание панъевропейской, полностью оптической сети на основе широкого применения ВОСП со спектральным разделением каналов, оптических усилителей и оптических кросс-коннекторов;

построение первой подводной оптической сети на основе технологии WDM на участке от Сингапура до Германии. Эта сеть получила название SEA-ME-WE. По проекту она имеет протяженность 27 000 км, должна пройти через Средиземное и Красное моря, Индийский океан и связать между собой страны Юго-Восточной Азии (SEA), Среднего Востока (ME) и Западной Европы (WE) [74, 101, 103].

Первая программа называется «Перспективные технологии коммуникаций и услуг», или программа ACTS (Advanced Communication Technologies and Services). Она была рассчитана на три года и отвечала требованиям своего времени по передаче цифровых сигналов со сверхвысокими скоростями на большие расстояния. Архитектура Европейской оптической сети, разработанной по программе ACTS, приведена на рис. 1.1, на котором указаны только основные информационные направления [95].

Рис. 1.1

Например, не показанная на рисунке линия передачи Вена - Мюнхен протяженностью 524 км образует по паре оптических волокон 8 двусторонних трактов с пропускной способностью 2,5 Гбит/с каждый с перспективой постепенной (по мере необходимости) замены оборудования SDH уровня STM-16 на оборудование уровня STM-64.

Возможность технической реализации второй (подводной) программы была продемонстрирована компанией Alcatel. В 1996 г. компания провела два эксперимента: первый - по образованию 20 оптических двусторонних трактов по паре волокон со скоростью передачи 5 Гбит/с каждый на расстояние 4500 км, второй - по образованию 8 двусторонних трактов со скоростью передачи 2,5 Гбит/с каждый на расстояние 6000 км.

В 1996 г. компания Alcatel проложила подводный ВОК между Италией, Турцией, Украиной и Россией (проект ITUR) протяженностью 3400 км, а также аналогичный кабель протяженностью 1000 км на участке Новороссийск - Сочи - Батуми [47].

Наконец, в 1996 г. был преодолен терабитный барьер скорости передачи цифровых сигналов по одному ООВ - сразу три компании: Bell Laboratories, Fujitsu Laboratories и NTT (Nippon Telegraph and Telephone) успешно продемонстрировали рекордную пропускную способность оптического волокна с использованием технологии DWDM.

Первая из них использовала 25 инжекционных лазеров, выходные сигналы которых разделялись на две составляющие с различной поляризацией. Полученные 50 оптических излучений модулировались сигналом со скоростью передачи 20 Гбит/с, передача была выполнена на расстояние 55 км.

Специалисты Fujitsu Laboratories продемонстрировали связь на расстояние 150 км с использованием 55 длин волн при скорости передачи модулирующего сигнала 20 Гбит/с в каждом оптическом тракте. Это обеспечило суммарную пропускную способность волокна 1,1 Тбит/с [80, 103].

Компания NTT осуществила мультиплексирование и передачу 10 сигналов со скоростью передачи 100 Гбит/с каждый при дальности связи 40 км.

Во всех трех экпериментах использовалось ООВ в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм.

5. В сентябре 1997 года в г. Эдинбурге (Великобритания) была проведена 23-я Европейская конференция по оптической связи, которая подтвердила правильность утвержденных на предыдущей конференции программ по строительству панъевропейской и подводной оптических сетей с использованием технологий SDH и DWDM. На конференции были продемонстрированы последние достижения в области разработки устройств систем передачи SDH и этих систем в целом.

Рассмотрим их кратко на примере оборудования, представленного компаниями Nokia и Lucent.

Фирма Nokia представила унифицированное оборудование STM-1/ STM-4 для системы передачи SDH типа SYNFONET. Оборудование SYNFONET позволяет конфигурировать в одном стандартном блоке все основные элементы сети SDH, к которым относятся: ТМ, DIM, кросс-коннектор и линейный регенератор LR (Line Regenerator). Конфигурация любого элемента сети задается путем набора определенных типовых элементов замены (ТЭЗ) из комплекта оборудования. Все ТЭЗ реализованы с применением таких новейших технологий, как флэш-память, компоненты с поверхностным монтажом и специализированные сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Для высокоскоростной обработки сигналов используются: распределение логических функций и всех данных о конфигурации оборудования, дублирование этих данных в оборудовании, индивидуальные микропроцессоры во всех ТЭЗ.

Основой оборудования SYNFONET является симметричный кросс-коннектор, который позволяет легко преобразовать один элемент сети в другой. Для этого достаточно добавить соответствующие интерфейсы и изменить конфигурацию оборудования с помощью системы управления [163].

Компания Lucent представила третье поколение систем передачи SDH - семейство унифицированного оборудования типа MILLENNIA. Это оборудование представляет собой высокоэффективную гибкую платформу для построения транспортных сетей SDH любой конфигурации. Основой платформы является модульный сетевой элемент, который, в зависимости от выполняемых функций, может быть сконфигурирован как ТМ, DIM, кросс-коннектор или LR. Каждый из этих элементов может быть преобразован для использования в сетях уровней STM-1, STM-4 и STM-16.

Кроме того, в состав оборудования MILLENNIA входит оптическая система передачи с плотным волновым мультиплексированием типа MILLENNIA 80G DWDM [33].

Такая гибкая системная концепция третьего поколения систем передачи SDH обеспечивает конфигурирование сетевых элементов с учетом текущих потребностей в пропускной способности и, при необходимости, быстрое расширение возможностей сети в пропускной способности.

Наиболее важным свойством сетевых элементов оборудования MILLENNIA является модульная структура аппаратурных средств. Она позволяет конфигурировать разные типы элементов сети с использованием одних и тех же базовых сменных ТЭЗ, каждый из которых выполняет строго определенную функцию в сетевом элементе. Такой же принцип реализован на уровне программного обеспечения элементов сети. Оно состоит из программных модулей, которые выполняют соответствующие функции контроля, управления и обслуживания сетевого элемента, а также обеспечения его связи с системой управления сетью.

На 23-й Европейской конференции представители компании Lucent заявили, что с 1998 г. оборудование типа MILLENNIA появится на рынке.

Дальнейшее развитие сети связи Земли путем строительства отдельных линий передачи «точка - точка» не может удовлетворить постоянный рост трафика между странами и континентами.

Поэтому в декабре 1997 года в г. Лас-Вегасе (США) состоялась информационная встреча представителей более чем 150 стран, а также Международного союза электросвязи. Встречу организовала компания CTR Group Ltd - инициатор нового проекта OXYGEN. Целью этого проекта является строительство глобальной сети связи планеты. Эта сеть должна обеспечить широкополосную связь практически всем странам мира.

Первый этап строительства глобальной оптической сети поделен на четыре фазы: А, В, С, D. На этом этапе необходимо проложить 160 000 км волоконно-оптического (в основном подводного) кабеля, построить 98 береговых пунктов (станций) в 77 странах и регионах на 6 континентах. После ввода в эксплуатацию первого этапа проекта OXYGEN он должен обеспечить пропуск 90 % всемирного трафика [32].

6. В феврале 1998 г. компания Lucent представила на рынке разработанную в Bell Labs оптическую линейную систему высокой пропускной способности типа WaveStar OLS 400G, основанную на технологии DWDM. В то время это была единственная система передачи, которая обеспечивала мультиплексирование, одновременную передачу и демультиплексирование 80 потоков STM-16 (2,5 Гбит/с) или 40 потоков STM-64 (10 Гбит/с), или их комбинацию по одному волокну, т. е. создавала суммарный цифровой поток со скоростью передачи от 200 до 400 Гбит/с. Это дает существенную экономию оптического волокна, оптических усилителей и другого линейного оборудования. Система может перекрывать расстояние до 640 км с промежуточными волоконно-оптическими усилителями (ВОУ) без регенерации сигналов.

Система WaveStar OLS 400G является первой системой передачи технологии DWDM, которая представляет собой единую платформу с возможностью постепенного наращивания от одного до 80 оптических трактов. Это позволяет увеличивать пропускную способность по модульному принципу, а также это лучшее сочетание производительности, гибкости и масштабируемости.

Применение такой системы передачи дает возможность заложить инфраструктуру транспортной сети с огромной пропускной способностью и перекрываемым расстоянием без большого количества линейных регенераторов, а затем по мере увеличения потребности в трафике, наращивать терминальное оборудование с минимальными затратами [105].

В сентябре 1998 г. крупнейшие компании мира: Alcatel, NEC и Tyco подписали контракт на поставку оптического кабеля и оборудования для реализации проекта глобальной сети OXYGEN. Все кабельные суда мира будут участвовать в прокладке подводных оптических кабелей по проекту OXYGEN. Кроме того, компания CTR Group Ltd заказала дополнительно построить несколько кабельных судов. В декабре 1998 г. указанный контракт вступил в силу [32].

7. В феврале 1999 г. компания Lucent объявила о новой серии оптического сетевого оборудования типа WaveStar AllMetro, которое позволяет образовать 4, 8, 20 или 40 оптических трактов в одном оптическом волокне. Оборудование WaveStar AllMetro тогда было единственной серией оптического сетевого оборудования для местных (городских) сетей, которая позволяет комбинировать такое оборудование разной пропускной способности, расширять или уменьшать его функциональные возможности в данной сети или на участке (оптическом кольце) этой сети с целью максимизации общей производительности и минимизации стоимости оборудования. Появление оборудования типа WaveStar AllMetro означает распространение технологии DWDM с магистральных транспортных сетей на местные (городские) сети доступа и корпоративные сети.

Наиболее мощной в новой серии сетевого оборудования является оптическая линейная система типа WaveStar AllMetro OLS. Она даёт возможность образовать в одном волокне до 40 оптических трактов, в каждом из которых можно одновременно передавать цифровые потоки уровня STM-16 (2,5 Гбит/с), т. е. максимальная пропускная способность системы составляет 100 Гбит/с, что эквивалентно возможности одновременного установления и ведения 1,2 млн. телефонных разговоров [105].

Система типа WaveStar AllMetro OLS допускает постепенное наращивание пропускной способности по мере перехода на более мощные маршрутизаторы. Со временем планируется довести скорость передачи входных потоков до 10 Гбит/с, каждый из которых будет передаваться по одному из 40 оптических трактов, что повысит пропускную способность системы передачи до 400 Гбит/с.

Однако, разработанные оптические системы передачи с пропускной способностью 400 Гбит/с - это далеко не предел. В Bell Labs уже создана экспериментальная установка, позволяющая с помощью одного лазера передавать по одному волокну 1024 оптических потока с использованием технологии сверхплотного волнового мультиплексирования UWDM (Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing).

Параллельно с работами по увеличению числа оптических трактов в одном волокне, в Alcatel, Lucent, Siemens и других компаниях интенсивно проводились работы по повышению скорости передачи сигналов в одном оптическом тракте.

Компания Siemens разработала мультиплексор типа SL-256 уровня STM-256 (40 Гбит/с), реализованный на электронных компонентах. Применение его в системе передачи типа WL‑4, образующей четыре оптических тракта, позволяет обеспечить пропускную способность одного волокна 160 Гбит/с. Ожидается, что в недалеком будущем появится система передачи WL-32, которая позволит увеличить пропускную способность одного ООВ до 1,28 Тбит/с [78].

В лаборатории Bell Labs уже создана первая в мире система передачи, обеспечивающая пропускную способность одного оптического тракта 160 Гбит/с [11]. Сочетание этой технологии с технологией UWDM позволит уже в ближайшее время создать оптические транспортные системы с фантастически большой пропускной способностью 160 Гбит/с х 1024 = 163,84 Тбит/с.

Оптическая линейная система WaveStar AllMetro OLS разработана под все типы трафика и обеспечивает поддержку технологий SDH, ATM, IP и др. Она обладает также функциями увеличения или уменьшения числа оптических трактов в фиксированном или варьируемом варианте исполнения системы передачи. Это позволяет операторам самим определять способ добавления или удаления оптических трактов на определенном участке сети по мере необходимости. При использовании системы передачи на корпоративных сетях операторы могут смешивать и комбинировать системы с 4, 8, 20 или 40 оптическими трактами, чтобы создать наиболее эффективную по стоимости сеть под требования заказчика услуг.

Линейные системы WaveStar AllMetro OLS различной пропускной способности могут обеспечивать связь на расстояние до 60 км без оптических усилителей и до 200 км в кольцевых топологиях, что делает их исключительно эффективными в стоимостном отношении при строительстве локальных (городских) сетей.

Таким образом, представленное компанией Lucent оборудование WaveStar AllMetro OLS является своеобразным «дизайнерским набором», который дает возможность операторам и поставщикам услуг связи строить сети со специфическими свойствами и функциональностью, необходимыми потребителям, и стоимостью услуг, которую клиенты согласны оплачивать.

В октябре 1999 г. на выставке «Telecom^99» компания Lucent впервые продемонстрировала прототип полностью оптического кросс-коннектора, коммутирующего оптические потоки с помощью матриц крохотных зеркал (технология MicroStar). А уже через месяц было анонсировано первое созданное на основе технологии MicroStar коммерческое оборудование -полностью оптический маршрутизатор типа WaveStar LambdaRouter с пропускной способностью 10 Тбит/с [11].

Создание оборудования типа LambdaRouter с полностью оптической коммутирующей матрицей открывает новую эру в развитии волоконно-оптических телекоммуникаций.

Внедрение технологий DWDM и UWDM, систем передачи WaveStar OLS 400G и WaveStar AllMempo OLS, оптических кросс-коннекторов WaveStar LambdaRouter вскоре станет единственно возможным способом справиться с экспоненциальным ростом трафика на телекоммутационных транспортных сетях.

8. В 2000 г. началась практическая реализация проекта глобальной оптической сети связи Земли типа OXYGEN. Выше указывалось, что первый этап строительства этого проекта разделен на четыре фазы А, В, С, D.

Фаза 1А предусматривает строительство новых волоконно-оптических линий передачи в Атлантическом и Тихом океанах. В течение этой фазы будут использованы существующие и построены новые 39 береговых пунктов (станций) в 32-х странах. При этом будут использоваться достроенные Азиатское оптическое кольцо, оптические кольца Тихого и Атлантического океанов, подземные волоконно-оптические линии передачи через Северную Америку. Окончание строительства планировалось на конец 2000 г.

Фаза 1В - строительство 12 береговых пунктов (станций) в 10 странах, Балтийское и Североевропейское оптические кольца. Завершение строительства - март 2001 года.

Фаза 1C - строительство 38 береговых пунктов (станций) в 29 странах и оптических колец Южной Америки, Средиземного моря и Ближнего Востока. Завершение строительства - ноябрь 2001 г.

Фаза 1D - строительство 9 береговых станций в 6 странах и волоконно-оптических линий передачи Северной Атлантики, Тихого океана, Центральной Америки, оптического кольца Океании. Окончание строительства запланировано на март 2002 года.

Для реализации проекта OXYGEN используются следующие технические решения и технологии:

1) океанские волоконно-оптические линии передачи с регенераторами, современные кабели которых содержат 6 оптических пар; в каждой паре с использованием технологии DWDM образуется 40 оптических трактов, обеспечивающих передачу сигналов SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), в результате линия передачи обеспечивает пропускную способность 2,4 Тбит/с, такие линии передачи используют как трансконтинентальные;

2) морские волоконно-оптические линии передачи с усилителями (без регенераторов), кабели которых содержат 12 пар оптических волокон; при той же технологии использования оптических пар в кабеле можно получить суммарную скорость передачи 12 х 40 х 10 Гбит/с = 4,8 Тбит/с; эти линии передачи используют вдоль побережья и между островами;

3) подземные волоконно-оптические линии передачи, для строительства которых применяют современные ВОК с числом оптических пар до 216; каждая пара позволяет образовать в ней 40 оптических трактов, обеспечивающих передачу сигналов SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), в результате такая линия передачи обеспечивает суммарную пропускную способность 216 х 40 х 10 Гбит/с = 86,4 Тбит/с;

4) модульные системы управления полосой пропускания для автоматических переключений и маршрутизации цифровых потоков от уровня STM-1 до уровня STM-64.

Система «Менеджер полосы пропускания» (WaveStar Bandwidth Manager) компании Lucent построена на единой унифицированной платформе. Она способна сынтегрировать все параметры доступа и межузлового транспорта в одном элементе сети, что коренным образом упрощает процедуру управления трафиком телефонии, передачи данных и видео в данном узле сети. Эта система может также с высокой экономической эффективностью обрабатывать до 64 х 48 = 3072 эквивалентных потока уровня STM-1 с помощью высокоинтегрированной IP/ATM/SDH коммутационной внутренней структуры, которая обеспечивает масштабируемую мультисервисную платформу для построения «сети будущего».

Система «Менеджер полосы пропускания» компании Lucent является новым шагом в развитии транспортных сетей. Она позволяет оператору сети комбинировать различные интерфейсы и методы кросс-соединения в одном элементе сети; объединяет в себе функции мультиплексора выделения/вставки и широкополосного кросс-коннектора системы передачи SDH, ATM-коммутатора и IP-маршрутизатора.

Новая модульная система управления «Менеджер полосы пропускания» дает возможность оператору наиболее гибко и эффективно использовать ресурсы сети по транспортировке и надежной качественной доставке сигналов телефонной связи, передачи данных и видео, используя одну платформу оборудования.

С использованием оборудования системы WaveStar Bandwidth Manager сегодня создается глобальная оптическая транспортная сеть планеты Земля в рамках проекта OXYGEN, объединяющая все континенты и десятки операторских компаний. Для управления этой сетью создаются три Центра управления в Лондоне, Нью-Йорке и Сингапуре, причем каждый из них может взять на себя управление всей сетью. Система управления сетью OXYGEN имеет довольно сложную архитектуру и мощное программное обеспечение, разработанное компанией Lucent [32].

Проект OXYGEN осуществляется поэтапно. В рамках его реализации в течение трех лет (2000 - 2002 гг.) построены следующие линии передачи:

Транстихоокеанская линия передачи ТРС-6 (Япония - США), оптический кабель которой содержит четыре пары ООВ, сдана в эксплуатацию в 2000 г. В ней используется волновое мультиплексирование, что позволило образовать всего 32 оптических тракта. По каждому тракту передавался поток уровня STM-16 (2,5 Гбит/с). Суммарная пропускная способность линии передачи составила 80 Гбит/с. Однако уже к середине 2001 г. эта линия передачи была модернизирована путем использования технологии DWDM. Это дало возможность получить всего 64 оптических тракта, по каждому из которых передаются потоки уровня STM-64 (10 Гбит/с). В результате суммарная пропускная способность линии передачи ТРС-6 составила 640 Гбит/с.

Трансатлантическая линия передачи ТАТ-14 соединяет США с Францией, Великобританией, Голландией, Германией и Данией. Эта линия передачи строилась два года (2000 - 2001 гг.), ее параметры такие же, как и у модернизированной линии передачи ТРС-6.

Трансатлантическую линию передачи APOLLO (США - Великобритания - Франция) планировалось завершить в 2002 г. В третьем квартале 2002 г. на ней монтировалось оборудование технологии DWDM, образующее 80 оптических трактов в каждой из четырех пар ООВ проложенного кабеля. Всего на линии передачи APOLLO образуется 320 оптических трактов. При передаче по каждому из них сигналов технологии SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) суммарная пропускная способность составит 3,2 Тбит/с. Это означает, что линия передачи APOLLO позволяет получить 38 млн 400 тыс. ОЦК.

Проект OXYGEN планировалось завершить в 2003 г. По этому проекту должно быть проложено 275 000 км оптического (преимущественно подводного) кабеля и построены 264 оконечные станции в 174 странах [101].

9. В Украине применение технологии SDH началось в 1995 г., когда Днепровское областное предприятие связи «Днепротелеком» приступило к реализации проекта реконструкции городской телефонной сети города Днепропетровска с использованием системы передачи SDH уровня STM-1 типа ISM-2000 компании AT&T (ныне компания Lucent).

Первая магистральная ВОСП SDH в Украине была построена в 1996 г. и сдана в эксплуатацию в феврале 1997 г. Линейный тракт имеет протяженность 900 км, он проходит от Киева до Одессы через Черкассы, Кировоград, Николаев. Пропускная способность линейного тракта составляет 622,08 Мбит/с. Оборудование SDH уровня STM-4 типа TN-4X поставила фирма Nortel. Позднее эта линия была продлена до Чернигова.

В 1998 г. была сдана в эксплуатацию система передачи SDH на участке Киев - Львов протяженностью 600 км, которая проходит через Винницу, Хмельницкий, Тернополь. Пропускная способность линейного тракта равна 2,5 Гбит/с. Волоконно-оптический кабель и оборудование SDH уровня STM-16 типа AXD-2500 поставила компания Ericsson. Позднее эта линия была продлена до Харькова и сдана в эксплуатацию в конце 2000 г. Это основные волоконно-оптические линии передачи SDH в Украине, так называемые проекты «Юг», «Запад», «Север» и «Восток».

В течение 1999-2000 гг. в стране построено и введено в эксплуатацию несколько более коротких линий передачи SDH: Винница - Одесса, Львов - Ужгород, Харьков - Луганск, Одесса - Симферополь и другие, в построении которых принимали участие компании Ericsson, Nortel, Siemens и др.

Всего для Единой национальной системы связи страны до 2001 г. было построено около 4500 км волоконно-оптических линий передачи на базе технологии SDH уровня STM-16.

Кроме того, в 2001 г. «Укртелеком » завершил строительство и ввел в эксплуатацию первую очередь двунаправленного волоконно-оптического кольца в г. Киеве. При строительстве кольца проложены два кабеля, в каждом из которых используется по одной паре оптических волокон. Такая топология сети («сдвоенное кольцо») обеспечивает более высокий уровень ее отказоустойчивости, чем кольцо, образованное двумя волокнами. В указанной сети установлено линейное оборудование SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) типа SL-64 компании Siemens. В пунктах доступа используются мультиплексоры выделения/вставки уровней STM-1, STM-4 и STM-16 типов SMA-1, SМА-4 и SMA-16 соответственно.

В 2002 г. «Укртелеком» предполагал выполнить такие основные работы:

1. Построить новые транспортные магистрали связи: «Полесье» (Киев -Житомир - Ровно - Луцк - Львов), «Уголек» (Харьков - Донецк - Луганск) и «Сечь» (Запорожье - Мелитополь - Симферополь). На всех этих магистралях планировалась установка оборудования систем передачи SDH уровня STM-16.

2. Сделать ответвления от волоконно-оптических транспортных магистралей, которые уже работают. Примеры таких ответвлений:

а) от Бахчисарая до Севастополя и Ялты;

б) от Донецка на Горловку и от Запорожья на Кривой Рог;

в) от Мелитополя на Бердянск и Мариуполь;

г) от Кировограда на Умань и Немиров и т. д.

Всего в ходе выполнения указанных и других работ должно быть проложено около 4000 км ВОК, который поставляет завод «Одескабель». Более подробно о применении технологии SDH в Украине изложено в работах [84, 87].

1.2.2. Краткий обзор основных международных рекомендаций

Научно-исследовательские организации всех основных авторитетов мира в области связи (исследовательские комиссии МККТТ, институты ANSI, ETSI и др.) в начале 80-х годов пытались решить проблему: что предложить пользователям в качестве новой концепции построения сети и ее оборудования, чтобы лучше и полнее удовлетворить предъявляемые к электросвязи требования. Большинство международных организаций после длительных дискуссий пришло к заключению, что самым лучшим решением сформулированной проблемы будет разработка и внедрение на сетях связи систем передачи синхронной цифровой иерархии.

В феврале 1988 г. в Сеуле Исследовательской группой XVIII созыва при МККТТ было достигнуто соглашение по выработке рекомендаций для систем передачи и сетей SDH, представляющих собой единый мировой стандарт для транспортирования цифровых сигналов. Чтобы реализовать это соглашение, необходимо было приспособить три различных региональных стандарта по цифровым системам передачи плезиохронной иерархии - это американский, европейский и японский, что обеспечило бы плавное введение новой иерархии в широкоразветвленные цифровые сети, построенные с использованием систем передачи PDH. Для этого необходимо было решить такие основные задачи:

Согласовать в мультиплексорах систем передачи SDH скорость передачи 44,736 Мбит/с третьего уровня иерархии систем передачи PDH стандарта США и скорость передачи 139,264 Мбит/с четвертого уровня иерархии систем передачи PDH стандарта Европейских стран. Здесь был достигнут компромисс и МККТТ принял в качестве рекомендации для системы передачи SDH первого уровня скорость передачи 155,52 Мбит/с.

Принять в системах передачи SDH такую структуру мультиплексирования цифровых потоков, которая была бы приспособлена не только к скоростям передачи 2048, 8448 и 34368 кбит/с стандарта Европейских стран, но и к скоростям передачи 1544, 6312 и 44736 кбит/с стандартов США и Японии. Разработанная структура мультиплексирования получилась весьма сложной. Начались согласительные дискуссии, где основное внимание фокусировалось на использовании промежуточных скоростей передачи 8448 и 34 368 кбит/с систем передачи PDH стандарта Европейских стран. Но использование указанных скоростей передачи не упрощало структуру мультиплексирования и было направлено против международного взаимодействия на будущих сетях связи SDH. В итоге МККТТ принял рекомендации, согласно которым цифровые потоки со скоростями передачи 1544 и 2048 кбит/с мультиплексируются в цифровой поток, образующий скорость передачи 6312 кбит/с. Это позволило существенно упростить структуру мультиплексоров в системах передачи SDH без изменения стандарта США. Япония, использующая для своих сетей рекомендации института ANSI, не требовала включения своих высших уровней иерархии плезиохронных ЦСП со скоростями передачи 32,064 и 97,728 Мбит/с в рекомендации МККТТ по системам передачи SDH.

Выбрать способ размещения (упаковки) асинхронных сигналов различных скоростей передачи цифровых потоков систем передачи PDH, a также сигналов ячеек ATM при загрузке контейнеров различного порядка (различной ёмкости) систем передачи SDH для транспортирования цифровых сигналов. В соответствии с рекомендациями МККТТ в системах передачи SDH используются синхронное и асинхронное размещение, причем последнее - с использованием цифрового выравнивания.

Системы передачи SDH не связаны с мультиплексированием канальных цифровых потоков со скоростью передачи 64 кбит/с. При размещении байтов, входящих в первичные цифровые потоки, параметры сигналов ОЦК не изменяются. Аппаратура систем передачи SDH спроектирована так, чтобы обеспечивать синхронное мультиплексирование плезиохронных сигналов без потерь информации, для чего используется система указателей.

Главное достоинство применения концепции SDH состоит в том, что она обеспечивает международно-согласованную синхронную работу систем передачи SDH с перспективой дальнейшего их развития и совершенствования при построении цифровых транспортных сетей.

Стандарты контроля, управления и технического обслуживания сетей SDH базируются на хорошо обоснованных стандартах ISO.

Упростить выполнение функций выделения/вставки и ответвления цифровых потоков в пунктах доступа, а также кросс-соединительных функций. Эти задачи с помощью сетей SDH решаются двумя способами одновременно. Первый способ состоит в доступности к цифровым потокам без сложного демультиплексирования сигналов, что достигается спецификой управления сетью, так как все контейнеры являются непосредственно доступными определенным элементам или пунктам сети.

Второй способ основан на широком применении топологии кольцевых транспортных сетей, в которых используются цифровые кроссовые узлы (ЦКУ).

Применение ЦКУ на сетях SDH открывает ряд возможностей при построении и эксплуатации транспортных сетей, в частности, таких как: дистанционное управление кроссовыми соединениями для мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков, созданных ЦСП большой пропускной способности; экономичная реализация функций сопряжения между ЦСП плезиохронной и синхронной иерархий; управление транспортной сетью с использованием функциональных возможностей ЦКУ и его программного обеспечения и др. [46].

Рекомендации ITU-Т описывают функции, электрические, оптические параметры аппаратуры и оборудования систем передачи и сетей SDH в расчете на их глобальное использование. Поэтому они содержат ряд вариантов параметров и процедур, характерных для различных региональных и национальных сетей. Для конкретной страны эти требования избыточны и допускают неоднозначные решения, что затрудняет сетевые взаимодействия. Особенности применения систем передачи SDH в разных странах определяют региональные стандарты. В США, Канаде и Японии принята и действует система региональных стандартов SONET, разработанная ANSI. Региональный стандарт SDH для Европы создал ETSI. В России разработан «Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации» [70] и т. д.

Украина не имеет собственных стандартов по системам передачи SDH. Но разработана концепция внедрения систем передачи SDH для сетей связи Украины, которая приняла Европейский региональный стандарт [20, 30]. Кроме рекомендаций ITU-T и руководящих региональных материалов в системах передачи и сетях SDH используются стандарты ISO.

В данной работе использованы рекомендации ITU-T и стандарты ISO. Основные из них приведены ниже (в скобках указан год последней редакции). Здесь уместно заметить, что до 1 марта 1993 г. рекомендации по электросвязи выходили под эгидой МККТТ, а с 1 марта 1993 г. выходят как рекомендации Сектора по стандартизации ITU-T.

Хотя некоторые рекомендации были приняты до 1 марта 1993 г., далее все они будут указаны как рекомендации ITU-T, так как их постоянно дорабатывают и совершенствуют и после 1 марта 1993 г.

Рекомендации ITU-T и стандарты ISO или их пункты являются обязательными при разработке оборудования SDH и построении транспортных сетей с использованием этого оборудования.

Рекомендации G.650, G.652 - G.655 [118 - 122] в последней версии утверждены ITU-T в октябре 2000 г. [19]. В них приведены термины, определения и методы испытаний ООВ с учетом последних технических достижений. Численные значения параметров конкретных ООВ можно найти в работах [1, 80, 96, 98, 99, 100].

Группа основных Рекомендаций серии G.70x: G.702 - G.704 и G.707 -G.709 [123-127] представляет стандартные скорости передачи сигналов плезиохронных ЦСП и соответствующие им интерфейсы, структуру синхронных циклов передачи, стандартные скорости передачи систем передачи SDH и соответствующие им интерфейсы, структуру синхронного мультиплексирования сигналов.

В Рекомендации G.702 (1988) [123] представлены стандартные скорости передачи ОЦК (64 кбит/с) и ЦСП плезиохронных иерархий: американской - 1544, 6312, 44736 кбит/с, европейской - 2048, 8448, 34368, 139 264 кбит/с, а также, частично, японской, первые два уровня скоростей передачи которой совпадают с американской иерархией, третий - не используется (скорость передачи 32 064 кбит/с), а четвертый - имеет скорость передачи 97728 кбит/с. Здесь же дополнительно представлена скорость передачи 155,52 Мбит/с, которая соответствует первому уровню систем передачи SDH.

Рекомендация G.709 (1996) [127] заменяет все три рекомендации G.707, G.708 и G.709 версии 1993 года. Отмененные рекомендации имели такие названия: Рекомендация G.707 (1993): Скорости передачи SDH\ Рекомендация G.708 (1993) именовалась так же, как именуется Рекомендация G.709 (1996). Рекомендация G.709 (1993): Интерфейс сетевого узла для SDH.

Новые Рекомендации G.774.X [128 - 133] посвящены информационной модели управления сетью SDH и её элементами. Они описывают классы объектов сети управления телекоммуникациями TMN (Telecommunications Management Network), необходимые для управления различного вида элементами и подсистемами сети SDH, а также для непрерывного контроля (мониторинга) их рабочих параметров.

В Рекомендациях G.780 - G.785, G.803 [134 - 140] описаны терминология и оборудование сетей, их типы и характеристики аппаратуры, общие параметры и выполняемые функции, характеристики функциональных блоков аппаратуры, формализация логических функций, выполняемых оборудованием SDH.

Отметим, что Рекомендация G.783 (1997): Типы и общие характеристики аппаратуры SDH, характеристики функциональных блоков аппаратуры SDH заменяет Рекомендации G.781 - G.783 (версии 1994 г.).

В Рекомендации G.803 (1997) [140] рассмотрены транспортные функции архитектуры сети SDH, основные функции защиты и самовосстановления, а также проектирование топологии сети синхронизации и взаимодействия сетей PDH и SDH. Рекомендация считается одной из основополагающих при решении проблем тактовой синхронизации транспортных сетей SDH. В ней цифровые сети классифицированы по степени поддержания синхронности передачи цифровых сигналов.

В Рекомендациях G.811 - G.813 [141 - 143] рассмотрены требования к стабильности первичных и вторичных эталонных генераторов тактовой последовательности импульсов.

Рекомендация G.825 (1993) [144] описывает схемы управления фазовым дрожанием и дрейфом цифровых сигналов в сетях SDH. Для измерения указанных параметров используются специальные приборы (см. подразд. 6.1.1, 6.1.2).

В Рекомендации G.826 [145] приведены параметры и нормы коэффициента ошибок для постоянных международных цифровых соединений при скоростях передачи выше первичной.

В Рекомендациях G.957 и G.958 [146, 147] рассмотрены оптические интерфейсы аппаратуры и систем передачи SDH, а также волоконно-оптические цифровые линейные тракты систем передачи SDH.

Рекомендации серии X посвящены взаимодействию открытых систем, принципы которых используют при построении и функционировании системы управления сетями SDH [155-161].

В заключение отметим, что кроме рекомендаций ITU-T в технологии SDHиспользуются стандарты ISO [111 - 117].

1.3. Основные понятия о системах передачи и сетях SDH

1.3.1. Основные понятия, термины и определения

Рекомендациями ITU-T, стандартами ISO, институтами ANSI, ETSI и другими международными организациями введено большое количество новых понятий, терминов, определений и соответствующих им сокращений, которые пока еще не полностью определены в литературе по вопросам телекоммуникаций на русском языке. Основные специальные понятия, термины и определения для систем передачи и сетей SDH, введенные рекомендациями ITU-T, приведены ниже.

Синхронная цифровая иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - это новый иерархический набор цифрового оборудования и элементов цифровой сети, стандартизированных с целью транспортирования по физическим сетям связи соответствующим образом адаптированной нагрузки. Данное определение включает в себя несколько понятий одновременно: новые международные рекомендации; новый синхронный метод объединения цифровых сигналов, или синхронное мультиплексирование; новая концепция построения цифровых транспортных сетей.

Синхронный транспортный модуль STM (Synchronous Transport Module) - это ЦГС заданной структуры, используемый для транспортирования сигналов в сетевом слое секций систем передачи SDH. Цикл передачи, или фрейм (Frame) сигнала STM содержит информационные сигналы полезной нагрузки и служебные сигналы. Длительность цикла передачи равна 125 мкс.

Виртуальный контейнер VC (Virtual Container) - это ЦГС заданной структуры, используемый для формирования сигналов в сетевом слое трактов систем передачи SDH. Цикл передачи VC содержит информационные сигналы нагрузки и служебные сигналы. Последние образуют трактовые заголовки VC. В зависимости от вида контейнера VC длительность его цикла передачи равна 125 или 500 мкс. Для разных скоростей передачи ЦГС приняты VС различного порядка (ёмкости, объема), имеющие обозначения VС-11, VС‑12, VC-2, VC-3, VС-4.

Контейнер С (Container) - это ЦГС заданной структуры, с помощью которого формируется синхронная с сетью информационная нагрузка для УС. Эта нагрузка создается в форме контейнеров. Виртуальному контейнеру заданного порядка соответствует определенный контейнер: С-11, С-12, С-2, С-3, С-4. Цикл передачи данного VC образуется объединением ЦГС соответствующего контейнера и сигналов трактового заголовка РОH (Path Overhead), т. е. УС = С + РОЕ.

Административный блок AU (Administration Unit) - это ЦГС заданной структуры, обеспечивающий согласование между сетевым слоем трактов высшего порядка и сетевым слоем мультиплексной секции. Цикл передачи сигналов AU содержит информационные сигналы нагрузки (VС высшего порядка) и сигналы АU-указателя (AU-pointer), т. е. AU = VC + АU-указатель.

Для цифровых трактов высшего порядка определены два вида административных блоков: AU-3 и AU-4. Блок AU-4 состоит из VС-4 и AU-указателя, который показывает смещение начала цикла передачи сигналов VС-4 относительно цикла передачи сигнала STM‑1. Блок AU-3 состоит из VС-3 и АU-указателя, который показывает необходимость корректирования фазы сигналов VС-3 относительно фазы сигналов цикла передачи STM-1.

Один или более блоков AU, занимающих определенные фиксированные положения в нагрузке STM-1, называется групповым административным блоком AUG (Administrative Unit Group). Блок AUG содержит однородный набор элементов AU-3 или один элемент AU-4.

Цикл передачи сигналов синхронного транспортного модуля N-го порядка образуется побайтным объединением сигналов N групповых блоков AUG и сигналов секционного заголовка SOH (Section OverHead), т. е. STM-N =N x AUG+ SOH.

Субблок TU (Tributary Unit) - это ЦГС заданной структуры, который обеспечивает согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков. Цикл передачи TU содержит информационные сигналы нагрузки (VC-11, VC-12, VC-2, VC-3) и сигналы TU‑указателя, т. е. TU = VС + TU-указатель. Смещение начала цикла передачи сигналов нагрузки от начала цикла передачи сигналов VC высшего порядка показывает TU-указатель. Так же как и контейнеры VС, субблоки TU обозначаются TU-11, TU-12, TU-2 и TU-3 соответственно.

Один или несколько субблоков TU, занимающих определенные фиксированные позиции в нагрузке контейнера VC высшего порядка, называется групповым субблоком TUG (Tributary Unit Group), который обозначается TUG-2 или TUG-3. Блок TUG-2 содержит однородный набор идентичных элементов TU-11, TU-12 или один элемент TU-2. Блок TU-3 содержит однородный набор групповых субблоков TUG-2 или один субблок TU-3.

Мультиплексирование (Multiplexing) - это процедура, посредством которой выполняются операции по согласованию нескольких сигналов сетевого слоя трактов низшего порядка с трактом высшего порядка или нескольких сигналов трактов высшего порядка - с мультиплексной секцией.

Размещение сигналов (Mapping) - это преобразовательная процедура, посредством которой передаваемые цифровые потоки согласуются с виртуальными контейнерами. Фактически эти потоки размещаются на определенных временных позициях циклов передачи виртуальных контейнеров VC. В системах передачи SDH используется синхронное или асинхронное размещение передаваемых цифровых сигналов. Процесс размещения заключается в упаковке различных сигналов современных технологий (компонентных потоков плезиохронных ЦСП, потоков ячеек ATM, сигналов технологии FDDI, пакетов IP и т. д.) в VC соответствующей ёмкости [43, 63, 155].

Корректирование, или выравнивание сигналов (Aligning) - это процедура, посредством которой в TU или AU вводятся данные о размере смещения начала цикла передачи сигналов нагрузки от начала (точки отсчета) цикла передачи сигналов обслуживающего сетевого слоя.

Сцепка (Concatenation) блоков - это процедура, которая позволяет объединить несколько виртуальных контейнеров. В результате сцепки полученная совокупная ёмкость может быть использована как один контейнер, в котором обеспечивается целостность последовательности передаваемых сигналов. Различают два вида сцепок: смежные (Contiguous) и виртуальные (Virtual). Смежные сцепки определены для VC-2 и VC-4 и обозначаются VC-N-Xc, где N - уровень контейнеров (2 или 4), а X - число контейнеров в сцепке (может принимать значение от 2 до 256). Нагрузки контейнеров размещаются в соседних блоках (TU-2 для VC-2 и AU-4 для VC-4). Указатель первого блока обозначает начало сцепки, а указатели остальных блоков сообщают о принадлежности к ней.

Виртуальные сцепки определены для всех VC-N. Виртуальные контейнеры, участвующие в сцепке, имеют свои трактовые заголовки и передаются по сети независимо (может быть даже по разным трассам). Сборка контейнеров осуществляется на приемном конце с использованием информации, полученной в трактовых заголовках. В этом случае поддержка процедуры сцепки необходима только в точках окончания тракта. Использование сцепок повышает эффективность систем передачи SDH в сети. Более подробно о применении сцепок можно прочитать в работах [43, 63].

Указатель (Pointer) - это индикатор, значение которого показывает смещение начала цикла передачи сигналов VC относительно точки отсчета цикла передачи сигналов той транспортной единицы, которая этот VC обслуживает.

Секционный заголовок SOH (Section OverHead) - это фрагмент заданной структуры цикла передачи сигналов STM-N. Заголовок SOH содержит служебные сигналы, обеспечивающие функционирование систем контроля, управления и обслуживания, а также сигналы, выполняющие вспомогательные функции. Секционный заголовок делится на два заголовка: заголовок мультиплексной секции и заголовок регенерационнои секции.

Заголовок мультиплексной секции MSOH (Multiplex Section OverHead) - это часть сигналов секционного заголовка, которая передается между пунктами доступа, где формируется и расформировывается цикл передачи сигналов STM. Регенераторы ленейного тракта сигналы MSOH проходят транзитом. Заголовок MSOH содержит сигналы, выполняющие функции контроля ошибок, управления системой автоматического переключателя на резерв, служебной связи и т. д.

Заголовок регенерационнои секции RSOH (Regenerator Section OverHead) - это часть сигналов секционного заголовка, которая действует в пределах регенерационной секции и передается между регенераторами, где заголовок RSOH обрабатывается. Заголовок RSOH содержит сигналы, выполняющие функции цикловой синхронизации, контроля ошибок цифрового линейного сигнала в пределах регенерационной секции, указания уровня иерархии синхронного транспортного модуля и т. д.

Трактовый заголовок РОН (Path Overhead) - это фрагмент заданной структуры цикла передачи сигналов VС. Заголовок РОН создается и ликвидируется в пунктах доступа, где формируется и расформировывается цикл передачи сигналов VC, контролирует тракт между этими пунктами, проходя мультиплексные и регенерационные секции транзитом. Он содержит сигналы, выполняющие функции контроля качества тракта, передачи информации об авариях тракта, служебной связи и т. д. В заголовках РОН тракта высшего порядка содержатся также данные о структуре информационной нагрузки данного контейнера VC.

Линейный тракт, или синхронный линейный тракт (СЛТ) определяется как комплекс станционных и линейных технических средств, выполняющих транспортирование сигналов STM-N между эталонными точками двух последовательных синхронных линейных мультиплексоров (или другой аппаратуры пунктов доступа). В состав СЛТ входят: функциональные блоки окончаний регенерационной секции RST (Regenerator Section Termination); оптические секции OS (Optical Section); линейные регенераторы.

Блоки RST обрамляют регенерационную секцию, входя в ее состав. Со станционной стороны на вход блока RST поступает полный сигнал STM-N, однако в нем еще не определены байты заголовка регенерационной секции. Блоки RST являются источниками и потребителями этих заголовков, здесь сигналы RST вводятся в цикл передачи STM-N и выводятся из него для последующего использования.

Оптическая секция OS - это часть СЛТ, состоящая из участка ООВ между двумя соседними пунктами СЛТ.

Регенераторы СЛТ, кроме своих обычных функций, выполняют ряд новых задач. Основная из них - обработка заголовка RSOH. Фактически это одна из функций мультиплексора. Заголовок RSOH создается и вводится в цикл передачи STM-N в функциональном блоке RST в начале СЛТ.

В каждом регенераторе заголовок RSOH принимается, обрабатывается и используется. Затем он вновь формируется и вводится в цикл передачи STM-N. При этом часть байтов принятого заголовка транслируется во вновь формируемый заголовок RSOH - и так до конца СЛТ.

Элементы сети NE (Network Elements) - основные устройства для построения транспортной сети SDH. Сетевой элемент представляет собой «узел». В данном случае это очень ёмкое понятие, потому что NE могут быть различными по своим функциям, размерам и устройству.

В рекомендациях ITU-T, описывающих функционирование сети SDH, в качестве примеров приводится большое количество типов сетевых узлов, или элементов сети. Сетевой узел может быть довольно простым и выполнять транспортные функции только в одном или двух слоях сети. Но его конфигурация может быть достаточно сложной, обеспечивающей управление транспортированием нагрузки во всех слоях сети.

Общее свойство всех элементов сети состоит в том, что каждый из них является связующим звеном между транспортной сетью SDH и сетью контроля, управления и обслуживания. Они обеспечивают взаимодействие указанных сетей.

Отдельные элементы сети (терминальные мультиплексоры, мультиплексоры выделения/вставки, аппаратура оперативного переключения цифровых потоков, линейные тракты, синхронные линейные мультиплексоры и др.) оснащены устройствами доступа, или интерфейсами сетевых узлов NNI (Network Node Interface), с помощью которых выполняются соединения элементов сети между собой, т. е. NNI с устройствами взаимосоединений являются связующим звеном между NE или между средой транспортирования сигналов и элементами сети.

Сигналы на интерфейсе сетевого узла могут быть электрическими или оптическими, иметь несколько значений уровня и различные скорости передачи. Разнообразие сигналов интерфейса расширяет функциональные возможности NE и повышает гибкость сети SDH.

Трасса (Trail) - это функциональный элемент, который поддерживает целостность информации клиента в пределах данного сетевого слоя. Трасса включает средства передачи информационных сигналов и средства системы контроля, управления и обслуживания. Понятие «трасса» обобщает понятия каналов, трактов и секций.

1.3.2. Общие требования к оборудованию, системам передачи и сетям SDH

Типы, назначение, общие характеристики и качественные показатели оборудования, выполняющего функции преобразования, мультиплексирования, оперативного переключения и выделения/вставки цифровых сигналов, а также параметры функциональных блоков этого оборудования должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.783.

Общие характеристики и качественные показатели оборудования, выполняющего функции передачи оптических сигналов по одномодовым волокнам оптических кабелей, должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.958, а параметры его оптических интерфейсов - Рекомендации ITU-T G.951.

Нормирование характеристик передачи выполняется по категориям применений Рекомендации ITU- T G.957.

Структуры циклов передачи цифровых сигналов систем передачи SDH на интерфейсах сетевых узлов, а также состав и функции заголовков должны соответствовать Рекомендации ITU- T G.709.

Электрические характеристики оборудования систем передачи SDH на интерфейсах сетевых узлов должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.703, а оптические характеристики - Рекомендации ITU-T G.957.

Комплекс системы передачи SDH (терминальное оборудование и линейный тракт) при работе в пределах (в условиях) заданного расчетного режима должен обеспечивать высший уровень качества по классификации Рекомендации ITU-T G.821. Оборудование преобразования, оперативного переключения и выделения/вставки при работе в пределах заданного расчетного режима не должно вносить цифровых ошибок.

Рекомендации обеспечивают возможность построения и использования оборудования SDH всех уровней и разнообразного назначения (терминальное, выделения/вставки, оперативного переключения и др.), пригодного для создания сетей SDH различной конфигурации (линейных, разветвленных, кольцевых и др.) и для взаимодействия с разнообразными внешними сетями (PDH, B-ISDN, ATM и др.). Оборудование SDH может быть многофункциональным и конфигурироваться (т. е. менять схему и функции) программно и дистанционно, либо быть узкоспециализированным.

Аналогичным образом возможна различная конфигурация сетей SDH, которые могут иметь оборудование и системы передачи SDH разного вида, и взаимодействовать с внешними сетями на разных уровнях. Выбрать варианты построения схем систем передачи и сетей SDH могут только изготовители оборудования и сетевые операторы, как это выполняется на действующих сетях. Таким образом, особенностью сетей SDH является возможность программного и дистанционного конфигурирования этих сетей и их элементов вместо физического переключения и замены аппаратуры (или ее блоков) в сетях PDH.

Необходимым условием качественого сетевого взаимодействия различных типов оборудования и сетей SDH является точное соблюдение схем и процедур, которые в каждом конкретном случае должны выбираться только из числа рекомендованных ITU-T и подтвержденных регламентом региона или страны [70]. Так же, как и на действующих сетях, все перестройки на сети одного оператора должны согласовываться с взаимодействующими с ним операторами.

В линейных трактах систем передачи SDH в качестве среды передачи используются только ООВ, которые должны соответствовать Рекомендациям ITU-T G.652 - G.655.

1.4. Основные принципы построения сетей SDH

1.4.1. Классификация сетей

Цифровые транспортные сети SDH, как и предшествующие им аналоговые и цифровые плезиохронные сети электросвязи, строятся по территориальному принципу и подразделяются на местные, внутризоновые, национальные и международные. Указанные сети могут быть разделены на еще более мелкие части, например, транзитные сети, сети доступа.

Такое деление позволяет:

наиболее полно и точно определить структуру и уровень сети;

быстро организовать и устойчиво управлять действиями персонала сети (дежурная смена, аварийная бригада) по восстановлению поврежденных соединений;

активно применять гибкие и разнообразные способы изменения конфигурации сети.

Упрощенная структурная схема физической сети SDH приведена на рис. 1.2. Она иллюстрирует деление определенной (заданной) трассы сети на сети более низкого уровня, или подсети.

Подсеть - это весьма широкое понятие. В международном масштабе подсетью может считаться сеть какого-либо региона, например, стран Европы, или сеть какой-либо страны, например Украины, которая, в свою очередь, содержит три уровня иерархии сети: магистральную (базовую), региональную (зоновую) и местную, или сеть доступа (сеть потребителей), как показано на рис. 1.3.

Однако, подсеть может иметь всего один сетевой элемент, который, выполняя различные функции, простирается через многочисленные слои, либо состоять из большего числа элементов сети.

Сеть SDH в первую очередь характеризуется интенсивным взаимодействием между двумя более или менее независимыми функциональными сетями:

сеть транспортирования информационной нагрузки, или транспортная сеть (в некоторых источниках, например, в работе [77], ее называют информационной сетью);

сеть управления этим транспортированием, или сеть TMN (Telecommunications Management Network).

Транспортные сети SDH, в свою очередь, содержат:

транспортные функциональные группы, которые перемещают передаваемые сигналы из одной точки в другую (из одного пункта в другой); вместе с информационными сигналами эти функциональные группы передают также служебные сигналы для обеспечения контроля, технического обслуживания (эксплуатации) сетей и управления ими;

оборудование доступа и кросс-соединений, которое позволяет удовлетворить все требования потребителей при помощи гибкого их обслуживания.

Рис. 1.2

Рис. 1.3

Сеть управления телекоммуникациями содержит управляющую функциональную группу, но она не выполняет основных операций по обработке сигналов. Эта группа контролирует транспортирование сигналов, выполняет функции управления и различных услуг, а также функции обслуживания сети (эксплуатационные функции).

В том случае, если сеть TMN по какой-либо причине не обеспечивает контроль транспортирования нагрузки и управление транспортированием, временно эти функции возлагаются на местную систему контроля, управления и обслуживания. Поэтому оборудование местной системы управления должно иметь в своем составе устройства, позволяющие ей выполнять функции TMN. Принципы управления сетью SDH достаточно подробно описаны в Рекомендациях ITU-T G.774 и G.784. Вопросу взаимной связи между транспортной сетью и сетью TMN будет уделено достаточное внимание в последующих разделах, особенно в разд. 5.

1.4.2. Слои транспортной сети

Для упрощения описания принципов построения транспортной сети SDH она представляется моделью, в основе которой - идея деления на сетевые функциональные слои. Каждый сетевой слой в свою очередь разделяется на более мелкие слои. В основу модели сети положены три обширных класса сетевых слоев:

сетевой слой каналов;

сетевой слой трактов;

сетевой слой среды передачи.

Соседние слои связаны между собой отношением «клиент - сервер». Верхний слой занимает пользователь, или потребитель. Он является клиентом, которого обслуживает ниже лежащий сетевой слой. Последний, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего (нижнего) слоя и т. д. Например, потребители сети (абоненты) являются клиентами для слоя каналов, который обслуживает абонентов, т. е. слой каналов является сервером (обслуживателем) для своих клиентов. Далее слой трактов обслуживает слой каналов, который является клиентом для слоя трактов и т. д.

Все сетевые слои выполняют определенные функции и имеют стандартизированные интерфейсы (точки доступа). Функции каждого слоя не зависят от способа физической реализации нижнего обслуживающего слоя. Наконец, в каждом слое реализуются функции контроля, управления и обслуживания (контроль качества передачи, управление автоматическим переключением на резервное оборудование, локализация повреждений, обмен служебными сигналами и т. д.).

Деление транспортной сети на слои позволяет:

изменять и внедрять независимо друг от друга отдельные сетевые слои, часть которых может сохраняться при смене технологии одного из слоев;

иметь в каждом слое сети собственные средства для контроля и обслуживания транспортируемых сигналов клиента (например, специальные биты в цикле передачи), для борьбы с отказами (например, системы оперативного переключения), что повышает качество обслуживания потребителей сети, минимизирует усилия при авариях и снижает влияние аварий в данном слое на другие сетевые слои;

облегчить создание и эксплуатацию сети, достичь наиболее высоких технико-экономических показателей в работе сети;

выделять соответствующие элементы сети в системе контроля, управления и обслуживания.

Слои транспортной сети приведены на рис. 1.4. Рассмотрим их более подробно.

Сетевой слой каналов непосредственно обеспечивает пользователей (потребителей) услугами различных видов электросвязи, предоставляя абонентам:

различные (арендованные, коммутируемые) каналы ТЧ или ОЦК;

цифровые каналы с различной пропускной способностью (2B+D, пх64 кбит/с);

- возможность передачи сигналов путем коммутации пакетов и т. д.

Терминалы абонентов (аналоговые телефонные аппараты, цифровые телефонные аппараты, цифровые абонентские терминалы и т. д.) подключаются к комплекту терминального оборудования системы передачи SDH абонентскими аналоговыми или цифровыми линиями.

Наименование сетевых слоев			Примеры
Каналы			Сеть коммутации каналов Сеть коммутации пакетов
Тракты	Низшего порядка		Сеть трактов VС-12
	Высшего порядка		Сеть трактов VC-4
Среда передачи	Секции	Мультиплексные	Волоконно-оптическая сеть Радиорелейная сеть
		Регенерационные
	Физическая среда

Рис. 1.4

Передаваемые аналоговые сигналы абонентов предварительно преобразуются в цифровую форму. В сетевом слое каналов могут выполняться соединения различных участков сети, например, коммутация каналов в коммутируемой сети. Сеть каналов соединяет комплекты терминального оборудования систем передачи SDH различных пунктов через цифровые автоматические коммутационные станции.

Сетевой слой каналов обеспечивает службы аренды каналов, пакетной коммутации, коммутации каналов и др. Сети слоя каналов являются независимыми от следующего слоя, т. е. сетевого слоя трактов.

Сетевой слой трактов образуется путем объединения групп каналов и служит для обеспечения различных типов сетей слоя каналов: сеть коммутации каналов, сеть коммутации пакетов, сеть аренды каналов. На сети SDH имеется два сетевых слоя трактов: тракты низшего порядка и высшего порядка (в случае использования на сети систем передачи PDH число сетевых трактов будет определяться иерархией применяемой на сети системы передачи PDH: от первичного до четверичного тракта).

По сетевым трактам высшего порядка передаются сигналы циклов передачи VC-3 и VC‑4, т. е. с них начинаются сетевые тракты высшего порядка.

Сетевые тракты низшего порядка начинаются с VC-11, VC-12 и VC-2.

Сигналы, например VC-12, формируются из сигналов оборудования первичного мультиплексирования (ОПМ).

Образование трактов высшего и низшего порядков показано на рис. 1.5.

Все тракты начинаются и оканчиваются в аппаратуре оперативного переключения (АОП), которая либо является автономной, либо входит в состав мультиплексоров систем передачи SDH. С помощью АОП выполняется коммутация трактов, т. е. они резервируются, вставляются (вводятся), выделяются (выводятся) и т. д. При этом возможно создание и обслуживание разветвленных, кольцевых и других эффективных сетевых конфигураций.

Все операции на сети SDH по переключению трактов (управление соединениями, контроль качества соединений и т. д.) осуществляются автоматически, программными методами и дистанционно. Сетевые слои трактов являются независимыми от сетевого слоя среды передачи.

Сетевой слой среды передачи образуется путем объединения нескольких трактов и зависит от среды передачи. Слой среды передачи делится на два сетевых слоя: слой секций и слой физической среды, в качестве которой на сети SDH могут использоваться ООВ кабеля или радиорелейные линии передачи. Секции выполняют все функции, которые обеспечивают транспортирование сигналов между двумя пунктами (точками) слоя трактов. В слое секций сети SDH имеется два слоя: слой мультиплексных секций MS (Multiplex Section) и слой регенерационных секций RS (Regenerator Section), которые показаны на рис. 1.5.

Слой MS - это линейный тракт с частью функций мультиплексора. Он обеспечивает транспортирование сигналов между пунктами, где тракты оканчиваются либо переключаются.

Рис. 1.5

Слой RS обеспечивает транспортирование сигналов между регенераторами или между регенераторами и пунктами окончания трактов. Регенерационные секции полностью зависят от среды передачи. Граница между соседними сетевыми слоями, где один слой обеспечивает услуги транспортирования сигналов для другого слоя, выступает как совокупность «клиент - сервер». Такие совокупности устанавливаются в том случае, если клиент желает получить доступ к сети слоя - серверу.

1.4.3. Основные звенья модели сети

Совокупности слоев клиента и сервера, а также основные звенья модели сети SDH приведены на рис. 1.6.

Рис. 1.6

Поступающие в каждый слой сигналы клиента проходят через точки доступа, лежащие на границах слоя. Сеть внутри слоя состоит из трех основных типов звеньев: согласующие устройства (адаптеры), терминальное оборудование и устройства соединения. Эти звенья связывают точки доступа путем соединения звеньев между собой внутри слоя.

Вначале поступившие в точки доступа передаваемые сигналы адаптируются, т. е. согласуются с функциями передачи данного слоя. Эти операции над сигналами выполняются в согласующих устройствах, которые являются весьма многофункциональными. Например, в сетевом слое каналов в качестве согласующего устройства может быть оборудование аналого-цифрового преобразования речевых сигналов абонента или оборудование преобразования непрерывно поступающей от абонента цифровой последовательности в циклическую форму, т. е. в канальный цифровой поток, например, со скоростью передачи 64 кбит/с; в слое трактов согласующими устройствами являются терминальные мультиплексоры; в слое секций - синхронные линейные мультиплексоры, в которых сигналы нескольких трактов высшего порядка и служебные сигналы объединяются в цикл передачи сигналов синхронного транспортного модуля соответствующего уровня.

С выхода согласующего устройства данного слоя сигналы поступают в терминальное оборудование, где к передаваемым сигналам нагрузки добавляются сигналы специальных (трактовых, секционных) заголовков. Сигналы этих заголовков используются для обеспечения процесса транспортирования информационных сигналов внутри данного слоя.

Из оконечного оборудования сигналы передаются в устройства соединения, которые в различных сетевых слоях выполняют разные функции: транзитного соединения канальных цифровых потоков в коммутируемой сети, оперативного переключения трактов различного порядка в сетевом слое трактов, регенерации НДС в слое RS и т. д. При этом соединения звеньев в каждом слое выполняются по принципу или 1:1, например, транзитное соединение ОЦК в слое каналов, или 1:N, например, мультиплексирование цифровых потоков в сетевом слое мультиплексных секций.

Целостность информации клиента в пределах данного сетевого слоя обеспечивает трасса. Этот функциональный элемент отвечает за передачу сигналов в слое-сервере. Он формируется путем объединения звеньев оконечного оборудования данного пункта, промежуточных устройств передачи и оконечного оборудования другого пункта (на дальнем конце). Трасса включает средства транспортирования информационных сигналов и средства системы контроля, управления и обслуживания. Понятие трассы, определяющее соединение из конца в конец, не может отождествляться с самим понятием соединения. Трасса - это генерация, независимая от условий сетевого слоя. Введенное в сетях SDH понятие «трасса» обобщает понятия каналов, трактов и секций. Канал, тракт и секция являются трассами в сетях соответствующего слоя.

2. Основы построения систем передачи SDH

2.1. Состав, назначение и возможности основного оборудования

Для построения сетей SDH ведущие мировые компании разработали и производят оборудование систем передачи SDH различных типов, основные оптические и электрические параметры которых соответствуют упомянутым выше рекомендациям ITU-T. Различные типы оборудования систем передачи SDH определяются как элементы сети SDH. Ниже приведены названия и перечень элементов, указано их назначение и возможности с учетом того, что оборудование систем передачи SDH является многофункциональным. Предлагаемая версия основного оборудования описана также в работе [89].

2.1.1. Синхронные мультиплексоры

Основным функциональным оборудованием систем передачи SDH являются синхронные мультиплексоры SM (Synchronous Multiplexers). Они выполняют следующие основные функции:

аналого-цифровое преобразование передаваемых сигналов и мультиплексирование полученных в результате этого преобразования цифровых сигналов в цифровые потоки;

выделение/вставку передаваемых цифровых потоков в заданных пунктах сети и их оперативное переключение;

передачу цифровых сигналов по волоконно-оптическим и радиорелейным (спутниковым) синхронным линейным трактам. Кроме того, SM задействованы в функциях контроля, управления, обслуживания и конфигурирования сети.

Различают три основных типа SM:

1) терминальные (оконечные) мультиплексоры ТМ(Terminal Multiplexers);

2) синхронные линейные мультиплексоры SLM (Synchronous Line Multiplexers);

3) мультиплексоры выделения/вставки DIM (Drop/Insert Multiplexers), или мультиплексоры ввода/вывода ADM (Add/Drop Multiplexers). В данной работе используется аббревиатура DIM (русская аббревиатура - МВБ).

Терминальные мультиплексоры - это оборудование, или аппаратура пунктов доступа систем передачи SDH, обеспечивающая связь между двумя пунктами, т. е. в структуре сети SDH «точка-точка». Эта аппаратура предназначена для гибкого преобразования аналоговых и мультиплексирования цифровых передаваемых сигналов потребителей в циклы передачи первичных цифровых потоков, а также последующего формирования из сигналов этих потоков цикла передачи синхронного транспортного модуля уровня STM-1. На приеме терминальные демультиплексоры разделяют принятый сигнал STM-1 на первичные цифровые потоки и на более мелкие цифровые потоки со скоростями передачи 64, 144 и п х 64 кбит/с, где п = 2, 3, ..., 30.

Аппаратура ТМ имеет несколько видов доступа:

аналоговые двух- и четырехпроводные абонентские телефонные линии;

цифровые абонентские линии основного доступа, структура доступа (2B+D), т. е. доступ на скорости передачи 144 кбит/с;

цифровые абонентские линии для предоставления каналов со скоростями передачи п х 64 кбит/с;

цифровые абонентские линии для синхронных и асинхронных терминалов передачи данных по протоколам Х.25, V.35, V.36 и др.;

цифровые соединительные линии от учрежденческих (корпоративных) АТС с доступом на первичной скорости передачи 2048 кбит/с, т. е. структура доступа (30B+D);

цифровые интерфейсы на скорости передачи 2, 34 и 140 Мбит/с;

доступ к сети локальной зоны LAN (Local Area Network), или к локальной сети, и другие виды доступа.

Таким образом, аппаратура ТМ систем передачи SDH используется в сетях доступа, т. е. в сетевом слое каналов.

Из указанных и других передаваемых сигналов потребителей на выходе мультиплексора ТМ формируется цифровой поток со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, т. е. это типичный синхронный мультиплексор первого уровня систем передачи SDH. Линейные выходы аппаратуры оборудованы оптическими и электрическими интерфейсами.

Цифровой поток на выходе мультиплексора ТМ, или оборудования SM-1 может использоваться в качестве линейного, тогда он преобразуется в оптический ЦЛС и через оптический интерфейс (стык, разъем) поступает в ООВ линейного кабеля.

Если сформированный на выходе мультиплексора ТМ цифровой поток передается по радиорелейной линии, то ее оконечная станция может соединяться с выходом ТМ (в зависимости от расстояния между ними) оптическим или электрическим кабелем через соответствующие интерфейсы.

При использовании полученного на выходе ТМ цифрового потока для формирования сигналов STM более высоких уровней системы передачи SDH, этот поток через электрический интерфейс аппаратуры SM-1 по стыковой цепи подается на вход одного из мультиплексоров SM-N (N = 4, 16, 64 или 256).

Терминальный мультиплексор контролируется, управляется и обслуживается с элемент-менеджера ЕМ (Element Manager) данного пункта. Он может также управляться (контролироваться, обслуживаться) дистанционно по каналам служебной связи с сетевого пункта управления, или с сетевого менеджера NM (Network Manager).

Примерами ТМ являются: OLC-2000 компании АТ&Т [165], Fiber World TN-1X компании Nortel [164], SMS-600T компании NEC [167], TМ-2500 компании Ericsson [110] и др.

Условное обозначение ТМ приведено на рис. 2.1, а.

Рис. 2.1

Синхронные линейные мультиплексоры - это мультиплексоры высших уровней иерархии систем передачи SDH: SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256, которые являются оконечной аппаратурой оптического цифрового линейного тракта. Они спроектированы и производятся для того, чтобы осуществить плавный управляемый переход от плезиохронной цифровой сети к сети SDH. Линейные мультиплексоры SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256 предназначены для объединения 4, 16, 64 и 256 синхронных цифровых потоков уровня STM‑1 в синхронные потоки транспортных модулей STM-4, STM-16, STM-64, STM-256 соответственно. Структура циклов передачи этих сигналов разработана ITU-T и приведена в его рекомендациях. Условное обозначение мультиплексора SLM-N показано на рис. 2.1, б.

Однако необходимо учитывать, что при формировании сигналов STM-4, STM-16 и более высоких уровней часть входных потоков STM-1 можно заменить плезиохронными потоками со скоростью передачи 140 Мбит/с. На рисунке 2.2 в качестве примера приведены варианты формирования сигналов STM-4 (рис. 2.2, а) [108] и STM-64 (рис. 2.2, б) [16]. Электрические сигналы результирующих потоков на выходах мультиплексоров SLM-4, SLM-16, SLM-64 и SLM-256 преобразуются в оптические ЦЛС, которые передаются по ООВ оптических линейных кабелей со скоростями передачи 622,08 Мбит/с; 2448,32 Мбит/с (2,5 Гбит/с); 9953,28 Мбит/с (10 Гбит/с) и 39813,12 Мбит/с (40 Гбит/с) соответственно. Линейные выходы всех SLM оборудованы двумя линейными оптическими портами. Это позволяет конфигурировать мультиплексоры в режимах терминальном, выделения/вставки и регенератора, а также использовать их в линейных сетях с системой защиты «1+1» и в кольцевых топологиях сети SDH с автоматическим резервированием. Синхронные линейные мультиплексоры конфигурируются и управляются (контролируются, обслуживаются) с ЕМ или NM. В качестве примеров SLM можно назвать линейные мультиплексоры типа SL-16 и SL-64 соответствующего уровня систем передачи SDH компании Siemens [16, 87].

Рис. 2.2

Мультиплексоры выделения/вставки, или ввода/вывода - это аппаратура промежуточных пунктов систем передачи SDH, обеспечивающая в этих пунктах выделение и вставку цифровых потоков для местного использования, транзит цифровых потоков, а также возможность разветвления данного цифрового линейного тракта (ЦЛТ) на линейные тракты меньшей пропускной способности. Синхронные DIM имеют те же уровни иерархии, что и системы передачи SDH. Практически разработаны и применяются на сетях такие мультиплексоры: DIM-1, DIM-4 и DIM-16. Причем, DIM-1 используют в сетях доступа, где преобладают цифровые потоки со скоростью передачи 2048 кбит/с. Из них формируются циклы передачи сигналов STM-1. Для повышения надежности трактов STM-1 они с помощью DIM-1 часто соединяются в сеть кольцевой топологии, т. е. в оптические кольца. Кольцевая сеть позволяет ввести резервирование по разным направлениям передачи кольца. При таком варианте построения сети SDH в случае аварии в линейном тракте функционирование сети не нарушается.

Простейшая кольцевая сеть с четырьмя (А, В, С, D) пунктами выделения/вставки (со встроенной АОП), которые оснащены мультиплексорами DIM-1, обрабатывающими цифровые потоки E1, показана на рис. 2.3. Каждый пункт доступа (узел) этой сети может выделять/вставлять от 1 до 63 потоков E1 (примеры указаны на схеме). Количество обрабатываемых потоков определяется лишь числом ТЭЗ в данном D/M-1. Предельное число первичных трактов в любом сечении кольца для данной схемы не превышает 63.

Рис. 2.3

В каждой области Украины в среднем до 30 районов. Как правило, на АТС райцентра следует вводить несколько потоков E1. При создании в области кольцевой сети с выделением этих потоков в райцентрах возможности STM-1 не будут избыточными. Если же ввести сетевое резервирование, когда в каждый райцентр потоки E1 смогут поступать с разных сторон оптического кольца, то для многих областей понадобится по 2...3 сети трактов уровня SТМ-1или даже сеть трактов уровня STM-4.

Мультиплексоры типа DIM-16 используют в сетевом слое трактов высшего порядка, где главным объектом сетевых операций являются VC-4 с предельной полезной нагрузкой около 140 Мбит/с (1920 ОЦК). Высокую надежность сети таких трактов также обеспечивают кольцевые схемы построения сети SDH.

Таким образом, областью применения SM в конфигурации DIM являются кольцевые сети, которые используются как в транспортных сетях, так и в сетях доступа.

Мультиплексор типа DIM-16 имеет следующие порты:

электрические порты для первичных цифровых потоков E1 со скоростью передачи 2048 кбит/с;

электрические или оптические порты для трактов STМ-1;

электрические или оптические линейные порты для ЦЛТ со скоростями передачи 155,52; 622,68 Мбит/с или 2,5 Гбит/с.

В соответствии с имеющимися портами аппаратура DIM-16 может также работать как терминальный мультиплексор в линейных трактах с системой защиты «1+1» или без защиты.

Мультиплексоры выделения/вставки конфигурируются, контролируются и управляются с местного ЕМ или от сетевого пункта управления, т. е. с NM дистанционно по встроенным каналам служебной связи. Условное обозначение мультиплексора выделения/вставки показано на рис. 2.1, в. Примером DIM является широкополосный мультиплексор выделения/вставки типа SMS-600W с системой защиты «1+1» уровня STM-4 компании NEC [167].

2.1.2. Аппаратура оперативного переключения

Вторым основным типом оборудования систем передачи SDH (после ТМ и SLM) является автономная АОП цифровых потоков, или аппаратура цифрового доступа с кроссированием (кросс-соединением) цифровых потоков DACS (Digital Access Cross-Connect System). Кроме того, в англоязычной литературе оборудование АОП обозначают DXC (Digital Cross-Connect), SDXC (Synchronous Digital Cross-Connect) или DCS (Digital Cross-Connect System). От них произошли соответствующие русские названия «цифровой кросс-коннектор», «синхронный цифровой кросс-коннектор» или «система цифрового кросс-соединения» [59], но не «коммутатор», как в работе [77]. Это оборудование обеспечивает функционирование систем передачи SDH на уровне VC. Кроме того, АОП является шлюзом (мостом) или средством межсистемного сопряжения между плезиохронными ДСП и системами передачи SDH. Она представляет собой управляемую микропроцессором электронную систему цифрового кросс-соединения высокой пропускной способности. Эта система обеспечивает полностью неблокируемую кроссировку цифровых трактов различного порядка и пробный доступ к любому сигналу тракта, с которым она сопрягается (соединяется).

Аппаратура DXC, или DACS предназначена для оборудования следующих пунктов:

транзита цифровых трактов на сетях SDH;

сопряжения цифровых трактов систем передачи SDH и PDH;

ответвления цифровых потоков в линейных трактах систем передачи SDH.

В зависимости от скорости передачи сигналов переключаемых цифровых потоков разработаны два варианта построения АОП. При первом варианте построения обеспечивается кросс-соединение цифровых трактов низшего порядка и переключение их между портами. Основное применение такой аппаратуры - для полностью неблокируемой кроссировки цифровых трактов, обеспечивающих передачу сигналов VС-12 (скорость передачи - 2240 кбит/с). Эти сигналы выделяются и принимаются из сигналов STM-1 (скорость передачи - 155,52 Мбит/с) систем передачи SDH или из сигналов Е4 со скоростью передачи 140 Мбит/с плезиохронных ЦСП, поступают и вводятся в тракты с такими же скоростями передачи других систем передачи SDH и PDH. В этом качестве АОП трактов низшего порядка используют для гибкого смешивания синхронных и плезиохронных сигналов, включая выделение сигнала 140 Мбит/с из сигнала 155,52 Мбит/с и вставку сигнала 140 Мбит/с в сигнал 155,52 Мбит/с с помощью формата загрузки VC-12.

Рассматриваемая АОП весьма эффективна на пунктах сопряжения цифровых трактов систем передачи SDH и PDH, поскольку обеспечивает транзит цифровых трактов как плезиохронных ЦСП со скоростями передачи 2 и 140 Мбит/с, так и трактов систем передачи SDH со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Аппаратура оперативного переключения трактов низшего порядка обеспечивает также такие применения, как функции подготовки (выделения и вставки) сигналов на уровне VС-12, самовосстанавливающиеся системы и сети, услуги по требованию. В перспективе планируется усовершенствование указанной АОП: обеспечение кросс-соединения цифровых трактов со скоростями передачи 34 и 45 Мбит/с. Условное обозначение АОП трактов низшего порядка приведено на рис. 2.1, г, а практическое применение показано на рис. 2.3.

При втором варианте построения АОП обеспечивает кроссировку цифровых трактов высшего порядка. На пунктах транзита цифровых трактов систем передачи SDH и PDH входы и выходы аппаратуры работают на скоростях передачи 155,52 (для систем передачи SDH) и 140 Мбит/с (для плезиохронных ДСП). Кросс-соединение цифровых трактов выполняется на уровне VC-4 (скорость передачи - 150,336 Мбит/с), что соответствует стандартам ETSI. В этом качестве рассматриваемая АОП также может быть использована для гибкого смешивания синхронных и плезиохронных сигналов, включая выделение сигнала 140 Мбит/с из сигнала 155,52 Мбит/с и вставку сигнала 140 Мбит/с в сигнал 155,52 Мбит/с с помощью формата загрузки VC-4. Аппаратура оперативного переключения трактов высшего порядка обеспечивает также новые прикладные функции сети SDH: самовосстанавливающиеся сети, взаимную связь сетей, службы сети Ш-ЦСИО (широкополосная цифровая сеть интегрированного обслуживания) и др. Условное обозначение АОП трактов высшего порядка приведено на рис. 2.1, д.

Типичными примерами оборудования АОП являются: аппаратура цифрового доступа типа DACS-VI 2000 компании AT&T [75]; локальный кросс-коннектор типа LXC-16/4 компании Philips уровня STM-16 и связью в сетевом слое трактов высшего порядка VC-4; синхронный модульный кросс-коннектор типа SXC-4/1 компании Siemens, который может быть использован для соединения без блокировки потоков плезиохронной ЦСП и сигналов STM-1 с эквивалентной максимальной нагрузкой до 16 384 потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с и др. [77].

Однако следует отметить, что компания Lucent разработала модульный сетевой элемент типа MILLENNIA, который в зависимости от конфигурации может выполнять функции ТМ, SLM или DIM, а также кросс-коннектора или линейного регенератора [33].

2.1.3. Линейные регенераторы

Регенераторы синхронных линейных трактов, после синхронных мультиплексоров и кросс-коннекторов, являются третьим основным типом оборудования систем передачи SDH. Они выполняют более сложные, чем регенераторы плезиохронных ЦСП, функции: глубокий контроль точности передачи; обработку RSOH; связь с клиентами и с системой контроля, управления и обслуживания и др. Это связано с переходом от процесса передачи цифровых сигналов в плезиохронных ЦСП к процессу их транспортирования в системах передачи SDH.

Согласно Рекомендации ITU-T G.958 в состав функций регенератора должна входить функция обслуживания аппаратуры систем передачи SDH - это функция SEMF (Synchronous Equipment Management Function), которая контролирует все функции регенератора. Все сообщения об аварийных ситуациях, полученные в различных функциональных блоках регенератора, передаются этой функции. Для выполнения SEMF регенератор содержит устройства, которые преобразуют информацию, поступающую от функциональных блоков в форму, приемлемую для системы контроля, управления и обслуживания.

В случае приема этой системой сигнала аварии или при пропадании входного сигнала, регенератор выдает неискаженный RSOH, а остальные биты цикла передачи сигнала STM-N заменяются единицами. Для локализации поврежденных регенерационных секций используется метод проверки бит цикла передачи STM-N на четность по разрядам октетов - метод BIР-8 (Bit Interleaved Parity 8).

Для связи регенератора с объектами, внешними по отношению к данной системе передачи SDH, можно использовать два интерфейса: Q-интерфейс соединяет регенератор с операционной системой; F-интерфейс используют для соединения регенератора с рабочим местом оператора сети в целях контроля и управления.

Линейные регенераторы LR стандартизированы рекомендациями ITU-T и широко применяются на магистральных сетях SDH, хотя на развитых сетях SDH расстояния между соседними узлами сети составляют несколько десятков километров и промежуточные регенераторы могут отсутствовать. С использованием оконечных оптических усилителей длина секции регенерации составляет 250...300 км, что достаточно для большинства участков местных и зоновых сетей связи. Эти усилители уже разработаны и изготавливаются рядом фирм-производителей оборудования систем передачи SDH. Условное обозначение LR приведено на рис. 2.1, е.

Кроме базовых синхронных мультиплексоров различного уровня, которые могут быть сконфигурированы как ТМ, SLM, DIM и как LR, некоторые компании производят линейные регенераторы отдельно. К ним относят регенераторы таких типов: LR-1, LR-4, LR-16 компании Philips [77]; SMS-150R, SMS-600R, SMS-2500R компании NEC [167]; SLR-4, SLR-16 компании ECI и др.

2.1.4. Радиорелейные системы передачи SDH

Радиорелейные системы передачи SDH (SDH Radio Relay) предназначены для образования мультиплексных и регенерационных секций в следующих сетевых применениях:

замыкание волоконно-оптических колец;

последовательные соединения (продолжение, наращивание) с волоконно-оптическими системами передачи SDH;

резервирование линейных трактов волоконно-оптических систем передачи SDH;

многоточечные сети SDH с функциями мультиплексирования.

Радиорелейные секции MS включаются в сеть SDH через интерфейсы сетевых узлов непосредственно, либо с помощью внутристанционных секций. Радиорелейные системы передачи SDH могут иметь либо электрический интерфейс по Рекомендации ITU-T G.703, либо оптический внутристанционный интерфейс (Рекомендация ITU-T G.957). Функциональные характеристики радиорелейных систем передачи SDH должны полностью отвечать требованиям волоконно-оптических систем передачи SDH, чтобы обеспечивать неограниченные возможности сетевого взаимодействия.

Радиорелейные системы передачи SDH должны удовлетворять всем требованиям системы контроля, управления и обслуживания сетей SDH и, в частности, полностью транспортировать и использовать сигналы, содержащиеся в секционном MSOH и обеспечивающие функции контроля, управления и обслуживания.

Магистральные радиорелейные системы передачи SDH большой ёмкости рассчитаны на транспортирование STM-1, N x STM-1 и STM-N. Зоновые радиорелейные системы передачи SDH предназначены для транспортирования сигналов STM-1 и N x STM-1. На участках сети, где ёмкость STM-1 избыточна и трафик не выходит за пределы возможностей VC-3 (скорость передачи 48,96 Мбит/с), целесообразно использование радиорелейных систем передачи, рассчитанных на субпервичный STM-0, или STM-RR со скоростью передачи 51,84 Мбит/с.

Сигнал уровня STM-0 является новым циклом передачи линейного сигнала технологии SDH. Он составляет новый уровень систем передачи SDH и может использоваться на интерфейсах сетевых узлов. Субпервичные радиорелейные системы передачи должны включаться в сеть SDH с помощью интерфейсов уровня STM-0 согласно Рекомендации ITU-T G.707/Y.1322 [126]. Со стороны плезиохронных цифровых потоков радиорелейные системы передачи должны иметь интерфейсы по Рекомендации ITU-T G.703 [124]. Так же, как и волоконно-оптические линейные тракты, они могут образовывать MS и RS, поддерживая сетевые слои трактов высшего порядка систем передачи SDH, нагрузка для которых - тракты низшего порядка, сигналы плезиохронных ЦСП, ячейки ATM и другие сигналы.

Примерами радиорелейных систем передачи SDH являются:

система передачи типа SDH MRS компании NEC для передачи сигналов уровня STM-l;

система передачи типа SDH-Radio компании ECI для передачи сигналов уровней STM-1 и STM-4;

транспортная радиорелейная система типа 9667ТН компании Alcatel для передачи сигналов уровня STM-1 и другие.

2.1.5. Оборудование системы контроля, управления и технического обслуживания

Оборудование управления сетью SDH и ее элементами, их технического обслуживания предназначено для реализации функций контроля, управления, технического обслуживания и обеспечения условий работы на сети системы ОАМ&Р (Operation, Administration, Maintenance and Provisioning). Обеспечение этих функций - непростая задача, для решения которой, в зависимости от сложности структуры сети, могут применяться различные модели управления. Для сети, состоящей из десятка мультиплексоров (ТМ, SLM, DIM и др.), достаточно использовать систему уровня управления сетевыми элементами, а для сети более сложной структуры - необходимо применять и систему уровня управления всей сетью SDH [53]. О проблемах и перспективах применения новых технологий в системах управления сетями связи можно узнать из работ [24, 62].

Современная концепция, лежащая в основе управления транспортной сетью и ее оборудованием, соответствует модели TMN, определенной Рекомендацией ITU-T М.3010 [152]. Для реализации этой концепции компания Lucent разработала и предложила оборудование, обеспечивающее интегрированное управление транспортной сетью ITM (Integrated Transport Management) [33, 36, 169]. К данному оборудованию относятся системы уровня управления сетевыми элементами и систему уровня управления сетью.

Интегрированная система ITM представляет собой стандартный набор оборудования с программным управлением, который позволяет управлять всеми элементами сети SDH и используется для выполнения всех функций ОАМ&Р, начиная от запуска систем передачи (PDH, SDH, SDH Radio Relay) и заканчивая их техническим обслуживанием во время эксплуатации.

Основными модулями системы ITM являются:

сетевой менеджер типа ITM-NM, выполняющий функции управления всей сетью SDK, что подразумевает ее конфигурирование, контроль рабочих параметров, обработку аварийных сообщений, автоматическую маршрутизацию, управление доступом и прочее;

элемент-менеджер типа ITM-SC, который выполняет функции управления, настройки и контроля таких элементов сети, как синхронные мультиплексоры ТМ, SLM и DIM, а также оборудования SDH Radio Relay;

элемент-менеджеры типа ITM-XM для управления маломощными (DXC-1/0, DXC‑1/1) и мощными (DXC-4/4, DXC-16/4) цифровыми кросс-коннекторами;

элемент-менеджер типа ITM PDH для управления оборудованием плезиохронных ЦСП;

контроллеры элементов (блоков) SMUX, например, контроллер линейного (агрегатного) блока SLM-N.

Система уровня управления сетью, т. е. сетевой менеджер типа ITM-NM, взаимодействуя с элемент-менеджерами ITM-SC, ITM-XM, ITM PDH, реализует полный набор функций ОАМ&Р на современных сетях, состоящих из SMUX, DXC, оборудования систем передачи SDH Radio-Relay и оборудования плезиохронных ЦСП.

Основными достоинствами системы ITM-NM являются: возможность быстрого конфигурирования сети и восстановление приоритетного трафика в случае отказа оборудования; более точное ведение базы данных (в каждый момент времени система ITM‑NM располагает полной текущей информацией о состоянии сети и ее элементов); возможность конфигурации сети и повышение качества ее обслуживания; снижение затрат на эксплуатацию.

Таким образом, интегрированная система IТМ обеспечивает оператора связи всеми необходимыми средствами управления транспортной сетью. На сети SDH небольшого размера можно применять совмещенную платформу, которая позволяет функционировать системам ITM-NM, ITM-SC и ITM-XM на одном сервере. Система максимальной конфигурации может содержать более тысячи элементов сети.

Элемент-менеджеры могут быть реализованы на различных компьютерных платформах, в том числе и на IBM PC-совместимых компьютерах под управлением различных операционных систем, например, Windows 98, Windows NT, Windows XP и др.

Кроме ЕМ компании Lucent, которые указаны выше, также существуют элемент-менеджеры таких типов: регионального уровня - EM-OS компании Siemens для управления оборудованием сети SDH; элементов сети - 1353 WX компании Alcatel для кросс-коннекторов, рассчитанных на работу с цифровыми потоками систем передачи SDH и PDH; eEM компании ECI для управления оборудованием сетей SDH и др.

Сетевой менеджер реализуется, как правило, на достаточно мощных рабочих станциях WS (Work Station), работающих под операционную систему Unix. Другими примерами сетевых менеджеров являются: менеджер национального уровня типа SMN-OS компании Siemens для управления сетями SDH; менеджер национальной сети типа 1354 NN компании Alcatel для систем передачи SDH и PDH; менеджер типа eNM компании ECI для управления сетями SDH и др.

Структурная схема управления транспортной сетью с помощью оборудования интегрированной системы ITM приведена на рис. 2.4 [33].

Рис. 2.4

В указанных и других системах управления используется программное обеспечение, разработанное, как правило, самой компанией. Однако в последнее время в качестве основы для создания сетевого менеджера используют программное обеспечение компании Hewlett Packard, как наиболее совершенное. При этом указанная компания предлагает операционную систему типа HP-UX [53].

2.2. Построение циклов передачи синхронных транспортных модулей

2.2.1. Особенности построения циклов передачи сигналов синхронных цифровых систем передачи

В рамках систем передачи SDH фактически разработаны и практически реализуются не только новая концепция построения систем передачи и аппаратуры, учитывающая современные достижения в области системотехники и технологии, но и перспективная концепция построения цифровых транспортных сетей. Вместе с тем, основные положения систем передачи и сетей SDH разработаны таким образом, чтобы указанные концепции могли действовать в окружении существующих цифровых сетей с использованием большей части находящихся на сети аппаратуры и оборудования плезиохронных ЦСП. Поэтому для обеспечения преемственности и поддержки рекомендаций ITU-T по плезиохронным ЦСП, терминальные мультиплексоры и мультиплексоры выделения/вставки систем передачи SDH рассчитаны на оперирование только теми цифровыми потоками, скорости передачи которых соответствуют объединенному (американскому и европейскому) стандартному ряду плезиохронной иерархии, а именно: 1,554; 2,048; 6,312; 8,448; 34,368; 44,736; 139,264 Мбит/с, т. е. этот ряд содержит 7 членов. Из этих входных (передаваемых) сигналов плезиохронных ЦСП в ТМ технологии SDH формируется цифровой поток со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, который называется первичным цифровым потоком (в системах передачи SDH).

Дальнейшее формирование стандартных скоростей передачи в технологии SDH по Рекомендации ITU-T G.707 (1988) предлагалось осуществлять путем использования скорости передачи 155,52 Мбит/с с коэффициентами кратности 1, 4, 8, 12, 16. Но последующие практические разработки показали, что коэффициенты кратности 8 и 12 не нашли применения. Указанный выше ряд коэффициентов кратности из арифметической прогрессии трансформировался в геометрическую прогрессию вида 1, 4, 16, 64, 256. Следуя этому ряду коэффициентов, который позволяет разработчикам оборудования систем передачи SDH иметь постоянный коэффициент мультиплексирования, равный четырем, в настоящее время производятся системы передачи SDH со скоростями передачи 155,52; 622,08; 2488,32; 9953,28; 39813,12 Мбит/с в соответствии с Рекомендациями ITU-T G.707/Y.1332 [126] и G.709 [127].

Таким образом, первая особенность построения циклов передачи синхронных ЦСП состоит в том, что они поддерживают в качестве входных сигналов доступа цифровые потоки плезиохронных ЦСП и формируют на выходах синхронных терминальных и линейных мультиплексоров систем передачи SDH соответствующего уровня цифровые потоки с указанными скоростями передачи.

Другая особенность систем передачи SDH заключается в процедуре формирования структуры их циклов передачи. Здесь общими являются два правила:

При наличии иерархии составных элементов структуры цикла передачи элемент верхнего уровня может строиться из элементов нижнего уровня иерархии.

Несколько полученных по первому правилу элементов структуры одного уровня иерархии могут быть объединены в один общий элемент верхнего уровня иерархии.

Остальные правила отражают специфику технологии мультиплексирования цифровых потоков в системах передачи SDH.

Например, поступающие на вход ТМ передаваемые цифровые потоки плезиохронных ЦСП должны быть упакованы в структуру цикла передачи так, чтобы их можно было легко выделить и вставить в нужном месте (пункте) линейного тракта с помощью DIM. Для этого цикл передачи необходимо представить в виде некоторой ёмкости стандартного размера. Размеры ёмкости не должны изменяться в процессе ее транспортирования по сети. Эта ёмкость имеет вполне определенную внутреннюю вместимость для размещения полезной нагрузки. На неё «наклеивается» ярлык, в котором содержатся все сведения, необходимые для управления ёмкостью и ее маршрутизации. В качестве полезной нагрузки внутри ёмкости располагаются однотипные ёмкости меньшего размера (нижних уровней), которые также должны иметь полезную нагрузку и свои ярлыки и т. д. по методу последовательных вложений.

Для реализации этого метода ITU-T было предложено использовать понятие контейнер, в который упаковывается передаваемый цифровой поток. По типоразмеру контейнеры делятся на четыре уровня в соответствии с уровнями иерархии плезиохронных ЦСП. Сопровождающая контейнер «документация», или упоминаемый ярлык называется заголовком. Заголовок содержит управляющую информацию для сбора статистики прохождения контейнера. Контейнер с таким заголовком используется для транспортирования цифровых потоков, т. е. является логическим, а не физическим объектом, поэтому его называют виртуальным контейнером.

Таким образом, вторая особенность построения циклов передачи сигналов синхронных ЦСП состоит в том, что передаваемые цифровые потоки должны быть упакованы в стандартные контейнеры с заголовками. Размеры контейнеров определяются уровнем иерархии передаваемого цифрового потока плезиохронных ЦСП.

Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы различными способами. Виртуальные контейнеры нижних уровней, например, мультиплексируются и используются в качестве полезной нагрузки для VC верхних уровней. Последние, мультиплексируясь, в свою очередь, служат полезной нагрузкой для VC самого большого размера - STM-1, образующего первый уровень в системах передачи SDH.

Такое группирование может осуществляться по жесткой синхронной схеме. При этом место отдельного контейнера в ёмкости для размещения нагрузки строго фиксировано. Из нескольких циклов передачи могут быть составлены новые более крупные образования - сверхциклы передачи. При этом составляющие цикл передачи контейнеры могут быть различных типов. Кроме того, из-за непредвиденных временных задержек в процессе загрузки цикла передачи положение контейнеров внутри сверхцикла передачи может быть, строго говоря, не фиксировано. Указанные дестабилизирующие факторы с учетом общей нестабильности синхронизации в сети могут привести к ошибке при выделении/вставке контейнера. Для устранения этого явления на каждый виртуальный контейнер заводят указатель, который содержит фактический адрес начала цикла передачи VC. Указатель дает контейнеру некоторую свободу, т. е. возможность «плавать» под воздействием непредвиденных временных флуктуации, но при этом гарантирует, что VС не будет потерян при транспортировании по сети.

Таким образом, третья особенность построения циклов передачи сигналов в технологии SDH состоит в том, что положение VC в структуре цикла передачи определяется с помощью указателя, который позволяет устранить противоречие между фактом синхронности обработки сигналов и возможным изменением положения VC внутри ёмкости полезной нагрузки.

Основой построения цикла передачи сигналов синхронных ЦСП, подчиняющихся принятой ITU-Т иерархии, является STM-1, который называется также первичным, или базовым. Он представляет собой ЦГС заданной структуры с длительностью цикла передачи 125 мкс и скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Забегая вперед, отметим, что цикл передачи STM-1 в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.704 содержит 2430 байт или 2430 х 8 = 19440 бит.

Если цикл передачи сигналов такой ёмкости представлять в виде одной строки с указанием элементов структуры, то теряется наглядность. Да и с технической точки зрения затруднительно на странице заданного формата, например, на данной странице, изобразить строку, в которой около 20 тыс. символов. Поэтому для удобства представления и обозрения (наглядности) цикла передачи, в синхронных ЦСП его принято изображать в форме прямоугольных таблиц в виде столбцов и строк (рядов). Поле полезной нагрузки STM-1 должно вмещать максимальный по размеру VC, который формируется при размещении в нем самого высокоскоростного цифрового потока плезиохронных ЦСП, т. е. цифрового потока E4, имеющего скорость передачи 139,264 Мбит/с.

Цикл передачи STM-1 имеет таблицу размером в 270 столбцов и 9 строк, следовательно, он содержит 270 х 9 = 2430 байт. Из них поле размером 9x9 = 81 байт отводится для передачи различных служебных сигналов (заголовков, указателей). Это поле составляет всего лишь 3,33 % от общего поля цикла передачи, однако этого достаточно, чтобы разместить в нем необходимые управляющие и контрольные сигналы и выделить часть байтов для образования различных каналов служебной связи.

Четвертой особенностью построения циклов передачи сигналов синхронных ДСП является то, что в них предусмотрено формирование отдельного поля служебных сигналов. Для передачи этих сигналов в системе передачи SDH первого уровня образуется суммарный цифровой поток со скоростью передачи 81 х 64 кбит/с = 5,184 Мбит/с.

При построении любой иерархии скоростей передачи ЦСП должен быть определен либо ряд стандартных скоростей передачи этой иерархии, либо первый член этого ряда и алгоритм формирования последующих скоростей передачи цифровых сигналов. Если для ОЦК значение скорости передачи 64 кбит/с вычисляется достаточно просто, то для систем передачи SDH значение первого члена ряда скоростей передачи можно получить только после определения структуры цикла передачи STM-1 и его размера.

Выше указывалось, что ёмкость цикла передачи STM-1 составляет 2430 байт. Из них 9x9 = 81 байт отведено под поле служебных сигналов. Для транспортирования сигналов полезной нагрузки остается поле 261x9 = 2349 байт.

Формула для скорости передачи цифровых сигналов, представленных такими таблицами (циклами передачи), имеет вид [40]:

V=8М/Т,

где М - число байтов таблицы цикла передачи, а Т - его период. В синхронных ЦСП период цикла передачи STM-1 равен 125 мкс, тогда V = 64 кбит/с х М.

Поле полезной нагрузки ёмкостью в 2349 байт обеспечивает транспортирование цифровых сигналов со скоростью передачи V =64 кбит/с х 2349 = 150,336 Мбит/с, что вполне достаточно для размещения цифрового потока Е4. Если к скорости передачи сигналов полезной нагрузки в STM-1 прибавить скорость передачи служебных сигналов, то получим значение первого члена ряда для скорости передачи сигналов в синхронных ЦСП, а именно: 150,336 + 5,184 = 155,52 Мбит/с. С другой стороны, 64 кбит/с х 2430 = 155,52 Мбит/с.

Таким образом, значение скорости передачи сигнала STМ-1, равное 155,52 Мбит/с, как стандартной скорости передачи в синхронных ЦСП первого уровня иерархии, является обоснованным. Для каждого последующего уровня иерархии скорость передачи получается путем умножения на четыре скорости передачи предыдущего уровня.

2.2.2. Элементы структуры циклов передачи

Для построения структуры циклов передачи сигналов первого уровня иерархии синхронных ЦСП используются составные элементы, или информационные структуры, формируемые только в системах передачи SDH. К этим элементам относятся:

контейнер С;

виртуальный контейнер VС;

субблок TU;

групповой субблок TUG;

административный блок АU;

групповой административный блок AUG;

синхронный транспортный модуль STM-1.

Рассмотрим назначение и структуру указанных элементов, которые кратко описаны также в работе [90]. Первым элементом является контейнер.

Контейнеры C-N - это контейнеры уровня N. Каждый контейнер представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры. Он предназначен для размещения (с целью последующего транспортирования) сигналов заданного цифрового потока, т. е. контейнер включает полезную нагрузку, которая представляет собой передаваемый цифровой поток заданной системы передачи, например, плезиохронной ЦСП.

Слово «размещение» больше подчеркивает физический смысл процесса транспортирования сигналов. Логически же происходит отображение структуры цикла передачи передаваемого цифрового потока на структуру размещающего его контейнера как элемента сигнала в системах передачи SDH.

Уровни контейнера соответствуют уровням систем передачи плезиохронной иерархии, т. е. N = 1, 2, 3, 4, а число типоразмеров контейнеров должно быть равно числу членов объединенного ряда скоростей передачи плезиохронных ЦСП, т. е. 7 (см. подразд. 2.2.1). Действительно, каждый из контейнеров С-1, С-2 и С-3 должен быть разбит на два подуровня для размещения в них сигналов первичных, вторичных и третичных цифровых потоков соответственно.

Контейнер С-1 американской и европейской иерархии плезиохронных ЦСП делится на контейнер С-11, в котором размещается цифровой поток T1 = 1,544 Мбит/с, и контейнер С‑12, в котором транспортируется цифровой поток E1 - 2,048 Мбит/с.

Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, размещающий цифровой поток Т2 = 6,312 Мбит/с, и контейнер С-22, в котором размещается цифровой поток Е2 = 8,448 Мбит/с.

Контейнер С-3 разбивается на контейнеры С-31 и С-32, в которые упаковываются цифровые потоки Е3 = 34,368 Мбит/с и T3 = 44,736 Мбит/с соответственно.

Контейнер С-4 не разбивается на контейнеры подуровней, т. к. четвертый уровень иерархии ЦСП по Рекомендации ITU-T G.702 существует только в европейских плезиохронных ЦСП, поэтому в контейнере С-4 размещается цифровой поток Е4 = 139,264 Мбит/с.

Таким образом, числа 4 и 7 индексации контейнеров согласованы между собой и являются обоснованными.

К каждому контейнеру, подлежащему транспортированию по цифровому групповому тракту, добавляется РОН (см. подразд. 1.3.1). В результате контейнер превращается в виртуальный контейнер VС, т. е. для каждого VС существует свой контейнер С.

Виртуальные контейнеры VC-N - это одноименные контейнеры соответствующего уровня. Каждый VС представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая образуется объединением сигналов контейнера и трактового заголовка, т. е. условно определяется формулой VС = С + РОН. Так как контейнер содержит полезную нагрузку PL (PayLoad), то в некоторых источниках, например, в работах [77, 166], формула для структуры VС условно представляется в виде: VС = PL + РОН.

Виртуальные контейнеры, также как и контейнеры, имеют четыре уровня: VС-1, VС-2, VС-3 и VС-4. Из них первые три также разбиваются на виртуальные контейнеры подуровней, а именно: VС-1 разбивается на VС-11 и VС-12; VС-2 - на VС-21 и VC-22; VС-3 - на VC-31 и VС-32.

VС-1 и VС-2 являются виртуальными контейнерами низшего порядка, а VС-3 и VС-4 - виртуальными контейнерами высшего порядка. Все они обеспечивают алгоритм формирования ЦГС в сетевом слое трактов. Виртуальные контейнеры вводятся в последующую структуру цикла передачи с помощью дополнительных сигналов - указателей, которые обеспечивают компенсацию указанных выше (см. подразд. 2.2.1) изменений скорости передачи и изменений фазы транспортируемой нагрузки. Ниже рассматриваются виртуальные контейнеры с указателями.

Субблоки TU, в соответствии с входящими в их состав VС, обозначают TU-1, TU-2 и TU-3. Они, как и VС, делятся на два подуровня, а именно: TU-1 разбивается на TU-11 и TU‑12; TU-2 - на TU-21 и TU-22; TU-3 - на TU-31 и TU-32.

Все субблоки обеспечивают согласование при мультиплексировании нескольких сигналов сетевого слоя трактов низшего порядка с сетевым слоем тракта высшего порядка. Каждый субблок представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая формируется путем соединения сигналов VC и указателя субблока (TU-указателя), т. е. определяется следующим образом: TU = VС + TU-указатель. Указатель субблока показывает, на сколько нужно отступить началу цикла передачи сигналов нагрузки (VC-1 или VC-2) от начала цикла передачи сигналов VC высшего порядка (VС-3 или VС-4).

Групповой субблок TUG представляет собой один или несколько субблоков и является фрагментом ЦГС заданной структуры, который занимает определенные фиксированные позиции в нагрузке VC высшего порядка. Различают два варианта групповых субблоков: TUG-2 и TUG-3.

Групповой субблок TUG-2 формируется путем мультиплексирования нескольких идентичных субблоков TU-11 и TU-12 или одного субблока TU-2. Блок TUG-2 также, как TU‑1 и TU-2, разбивается на два подуровня: TUG-21 и TUG-22.

Групповой субблок TUG-3 содержит однородный набор групповых субблоков TUG-2 или один субблок TU-3. Групповой субблок TUG-3 также разбивается на два подуровня: TUG-31 и TUG-32.

Далее на основании изложенного рассматриваются варианты формирования структуры сигналов виртуальных контейнеров высшего порядка VС-3 и VC-4.

Виртуальный контейнер VС-3 представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, полезная нагрузка которого формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант схемы формирования), либо из нескольких групповых субблоков TUG-2, в частности: VС-31 формируется как 1 х С-31 или 4 х TUG-22, или 5 х TUG-21; VС-32 - как 1 х С-32 или 7 х TUG‑21, или 5 х TUG-22.

Виртуальный контейнер VС-4 не разбивается на подуровни. Он представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, полезная нагрузка которого формируется либо из С-4 (прямой вариант схемы формирования), либо из нескольких TUG-2, либо из нескольких TU‑3, а именно: VС-4 формируется как 1 х С-4 или 4xTUG-31, или 3 х TUG-32, или 21 х TUG‑21, или 16 х TUG-22.

Виртуальные контейнеры высшего порядка VС-3 и VС-4 позволяют сформировать соответствующие административные блоки AU-3 и AU-4.

Административный блок AU предназначен для согласования сигналов сетевого слоя трактов высшего порядка с сетевым слоем мультиплексных секций. Каждый AU (AU-3 или AU-4) представляет собой фрагмент ЦГС заданной структуры, которая формируется путем объединения сигналов полезной нагрузки (VС-3 или VС-4) и АU-указателя (AU-pointer), т. е. определяется выражением: AU = VC + АU-указатель. Начало цикла передачи сигналов полезной нагрузки может перемещаться относительно начала цикла передачи мультиплексной секции, поэтому АU-указатель определяет (указывает) адрес начала цикла передачи сигналов полезной нагрузки, место которого фиксировано.

Административный блок AU-3 разбивается на два подуровня AU-31 и AU-32, полезная нагрузка которых формируется из VС-31 и VС-32 соответственно. Структуры блоков AU-31 и AU-32 имеют вид:

AU-31 = VС-31 + AU-31-указатель;

AU-32 = VС-32 + AU-32-указатель.

Административный блок AU-4 не разбивается на подуровни. Его полезная нагрузка формируется либо из виртуального контейнера VС-4 (прямой вариант схемы формирования), либо другими возможными вариантами, в частности, 4хVС-31, или 3хVС-32, или 21xTUG-21, либо 16хTUG-22.

Групповой административный блок AUG представляет собой один или несколько AU и является фрагментом ЦГС заданной структуры, который занимает определенные фиксированные позиции в нагрузке STM-1. Блок AUG формируется из AU-3 и AU-4 с различными коэффициентами мультиплексирования, в частности, как 1 х AU-4, или 4 х AU‑31, или 3 х AU-32. Далее AUG отображается на полезную нагрузку сигнала STM-1.

Синхронный транспортный модуль STM-1 представляет собой полный цикл передачи ЦГС заданной структуры в системе передачи SDH первого уровня. Кроме полезной нагрузки STM-1 содержит служебные сигналы, которые также называют заголовками. Поскольку STM‑1 используется в сетевом слое секций, то его заголовок называется секционным - SОН. Цикл передачи сигнала образуется побайтным объединением сигналов полезной нагрузки AUG и сигналов SOH: STM-1 = AUG + SOH. Заголовок SOH подразделяется на заголовок мультиплексной секции MSOH и заголовок регенерационной секции RSOH.

В результате использования описанных выше элементов и их вариантов, образуемых наличием подуровней, можно изобразить схему построения цикла передачи сигнала STM-1 (рис. 2.5), предложенную в первом варианте Рекомендации ITU-T G.109 (1988). Она представляет собой симметричную относительно контейнера С-4 схему формирования цикла передачи сигнала STM-1. На схеме обозначения «xN» показывают коэффициенты мультиплексирования. Например, обозначение «х4» на ветви от блока TUG-22 к виртуальному контейнеру VС-31 означает, что четыре групповых субблока TUG-22 объединяются в виртуальный контейнер VС-31.

Рис. 2.5

Представленная схема охватывает все возможные варианты формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 и допускает использование на входе всех семи стандартных цифровых потоков плезиохронных ДСП. Но она достаточно сложна, поскольку имеет большое количество возможных вариантов формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1. Например, если рассмотреть на этой схеме только возможные варианты формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 из цифровых потоков E1 = 2,048 Мбит/с, то их насчитывается двенадцать. Из этих вариантов наиболее сложными являются следующие четыре:

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-21 - VC-32 - TU-32 - TUG-32 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STМ-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-21 - VC-31 - TU-31 - TUG-31 - VC-4 - AU-4 -AUG - ‑ STM-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-22 - VC-31 - TU-31 - TUG-31 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STM-1;

E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-22 - VC-32 - TU-32 - TUG-32 - VC-4 - AU-4 - AUG - ‑ STM-1.

Сложность и многовариантность путей формирования структуры модуля STM-1, предложенные в Рекомендации ITU-T G.109 (1988), ставили в трудное положение разработчиков оборудования систем передачи SDH. Это отрицательно сказывалось на унификации производимого оборудования синхронных ЦСП, использовалось многообразие оборудования существующих плезиохронных ЦСП. Уже в 1991 г. цифровой поток Е2 = 8,448 Мбит/с был исключен ITU-T из списка обязательных. Цифровой поток 72 = 6,312 Мбит/с был исключен ETSI из списка обязательных в европейском варианте схемы формирования структуры модуля STM-1 и остался только в Рекомендации ITU-T G.709 (1993) для общей схемы формирования структуры сигнала STM-1 в системах передачи SONET/SDH. Кроме вторичных цифровых потоков Е2 и T2 многовариантность формирования структуры модуля STM-1 создавали отображения TUG-22 на VC-31 и непосредственные отображения TUG-21 и TUG-22 на VC-4 с различными коэффициентами мультиплексирования. Поэтому в третьей редакции Рекомендации ITU-T G.709 (1993) схема формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 была упрощена. Она представлена на рис. 2.6.

Рис. 2.6

Основными отличиями этой схемы от схемы первой редакции, представленной на рис. 2.5, являются:

отсутствие цифрового потока Е2 = 8,448 Мбит/с, размещаемого в контейнере С-22, и связанных с ним блоков VC-22 и TU-22, а также представление контейнера С-21, виртуального контейнера VC-21 и субблока TU-21 блоками С-2, VC-2 и TU-2 соответственно;

появление одноуровневого блока TUG-3 и подключение к нему выхода блока TUG-2 (потеря непосредственных связок TUG-21 - VC-4 и TU-22 - VC-4);

несимметричное использование блока TU-3 в связке с VC-3 только для ветви С-3 – E3/T3 (вместо симметричной схемы TU-31/TU-32 - VC-31/VС-32) и исключение в связи с этим возможности кросс-соединения по связке TUG-21 - VС-31 ввиду ее отсутствия.

Указанные упрощения привели к тому, что из двенадцати возможных вариантов формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 из потоков E1 осталось только два:

1) E1 - C-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-2 - TUG-3 - VC-4 - AU-4 – AUG - STM-1;

2) E1 - С-12 - VC-12 - TU-12 - TUG-2 - VC-3 - AU-3 - AUG - STM-1.

Рассматриваемые упрощения становятся еще более очевидными, если учесть, что указанная схема является общей, объединяющей две схемы формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1: европейскую, предложенную ETSI для систем передачи SDH, и североамериканскую, которая используется в системах передачи SONET, Для рассматриваемого здесь примера с цифровым потоком E1 остается только один вариант формирования структуры сигнала STM-1 - по схеме ETSI (рис. 2.7), который имеет вид первого варианта из двух, представленных выше.

Таким образом, в настоящее время общая схема формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1 приобрела окончательный вид (см. рис. 2.6), зафиксированный в Рекомендации ITU-T G.709 (1993), а европейская интерпретация этой схемы (рис. 2.7) зафиксирована в стандартах ETSI. Приведенные схемы являются формальными и не позволяют понять детали логических преобразований цифровых последовательностей в процессе формирования структуры цикла передачи сигнала STM-1. Для уяснения этого вопроса рассмотрим структуры заголовков и указателей, которые упоминались при рассмотрении элементов структуры цикла передачи.

Рис. 2.7

2.2.3. Структура заголовков и указателей цикла передачи

Элементами структуры цикла передачи сигнала STM-1 являются следующие заголовки и указатели:

1) трактовые заголовки виртуальных контейнеров VC-N РОH;

2) секционный заголовок SOH синхронного транспортного модуля STM-1, который состоит из двух составляющих:

а) заголовок регенерационной секции RSOH,

б) заголовок мультиплексной секции МS0Н;

указатели субблоков - Ш-указатели (TU-pointers)',

указатели административных блоков - АU-указатели (AU-pomters).

Ниже рассматриваются назначение и структура названных заголовков и указателей, а также назначение их составных элементов.

Трактовый заголовок, которым снабжается (оборудуется) каждый VС, не зависит от полезной нагрузки. Трактовые заголовки виртуальных контейнеров, входящие в их состав, предназначены для контроля качества транспортирования контейнеров по трактам передачи сети (в сетевом слое трактов) с помощью сигналов контроля, аварии и сигнализации, или для сбора статистики прохождения контейнера. Дополнительно заголовок РОН является частью процедуры размещения (упаковки) передаваемых сигналов плезиохронных ЦСП в виртуальные контейнеры. Заголовок РОН каждого VC создается (ликвидируется) в пунктах, где формируется (расформировывается) этот VС, и контролирует тракт передачи между этими пунктами (сигналы РОН проходят регенерационные и мультиплексные секции транзитом).

Следовательно, путь прохождения сигналов РОН в сетевом слое трактов значительно длиннее, чем их путь в сетевом слое секций (см. рис. 1.5).

Существуют два типа заголовков РОН. Один из них создается для VC низшего порядка (VС-11, VC-12, VС-2), который далее для краткости будем именовать VC-12 РОН. Заголовок РОН второго типа формируется для VC высшего порядка (VС-3, VС-4) - его будем называть VC-4 РОН.

Преобразование сигналов VС-12 в сигналы субблока TU-12 и их последующее мультиплексирование в TUG-2 (см. рис. 2.6) может выполняться в двух режимах: плавающем или фиксированном. Заголовок РОН для VС низшего порядка используется только в плавающем (асинхронном) режиме обработки (размещения) сигналов, т. е. только в режиме асинхронного размещения VС-12. В заблокированном (фиксированном) режиме РОН не используется, а места, предназначенные для сигналов РОH, занимают сигналы фиксированной нагрузки.

Трактовый заголовок VС-12 РОН имеет ёмкость 4 байт, которые обозначаются V5, J2, Z6, Z7 [35]. Структура байта V5 приведена на рис. 2.8, а. Его биты имеют следующее назначение:

Рис. 2.8

Первый и второй биты предназначены для проверки сигналов каждого цикла передачи VC-12 на четность, которые передаются чередующимися битами. Указанная проверка реализуется методом BIP-2 (Bit Interleaved Parity - 2) - четность чередующихся битов глубиной в два бита. Данный метод реализуется следующим образом. Первому биту присваивается значение «0» или «1», чтобы при проверке на четность всех нечетных битов (1, 3, 5, 7) во всех байтах цикла передачи VC-12 результат был четным. Второй бит используется аналогично для четных битов (2, 4, 6, 8).

Третий бит предназначен для передачи сообщения на первичное оборудование о том, что в принимаемых с его стороны сигналах при проверке их на четность обнаружены ошибки FEBE (Far End Block Error) - блок с ошибками на дальнем конце. При обнаружении ошибок на приемном конце бит 3 устанавливается в положение «1» и направляется обратно в передающее оборудование.

3. Четвертый бит служит для индикации состояния аварии на дальнем конце соответствующего тракта низшего порядка - RFI (Remote Fail Indicator). При отсутствии аварии бит 4 имеет значение «0». Если возникает аварийная ситуация, то этот бит принимает значение «1» и возвращается в передающее оборудование.

4. Пятый, шестой и седьмой биты используются для формирования сигнала метки (Signal Label), которая может иметь 23 = 8 значений. Практически используются четыре значения метки:

VC-12 содержит полезную нагрузку;

УС-12 не содержит полезной нагрузки;

размещение полезной нагрузки в УС-12 асинхронное;

размещение полезной нагрузки в УС-12 синхронное.

Остальные комбинации резервные.

5. Восьмой бит предназначен для передачи сообщения на противоположную станцию о том, что имеет место сбой при приеме сигналов на дальнем конце - FERF (Far End Receive Failure).

Второй байт J2 используется для проверки правильности соединения передающего и приемного оборудования, включенного на концах соответствующего тракта (VС-11, VС-12, VС-2) низшего порядка.

Назначение байта Z6 в настоящее время еще не определено, байт Z7 - резервный.

Необходимо отметить, что для передачи сигналов РОH в VС-12 формируется цифровой канал со скоростью передачи 16 кбит/с.

Трактовый заголовок VC-4 РОН имеет ёмкость 9 байт. Его структура приведена на рис. 2.8, б [108]. Байты заголовка обозначаются J1, B3, С2, G1, F2, H4, Z3, Z4, Z5 и имеют такое назначение:

Первый байт J1 предназначен для формирования в национальной сети 16-байтного сигнала. Этот сигнал содержит маркер (один байт) для обозначения начала цикла передачи сигналов VС-4 и идентификатор точки трактового доступа. Последний используется на оконечных станциях для того, чтобы приемный терминал получал постоянное подтверждение о наличии соединения с определенным (заданным) передающим терминалом на сети. На международных сетях для этого используется 64-байтный сигнал, в который преобразуется 16-байтный «национальный» сигнал.

Второй байт В3 используется для проверки на четность сигналов VС-4 каждого предыдущего цикла передачи, которые передаются чередующимися битами. Эта проверка осуществляется методом BIP-8 - четность чередующихся битов глубиной в один байт, что позволяет обнаруживать ошибки на четность в предыдущем контейнере С-4. Код BIP-8 вычисляется по всем битам предыдущего цикла передачи сигнала VС-4 после скремблирования и вписывается в байт В3 текущего цикла передачи перед скремблированием сигнала.

3. Третий байт С2 предназначен для формирования сигнала метки, которая может иметь 28 = 256 значений. Однако в настоящее время используются только следующие значения метки:

«00000000» - VC-4 не содержит полезной нагрузки;

«11111111»- VC-4 содержит полезную нагрузку;

«00010010»-это VС-4;

«00000100»- это VС-3;

«00000010» - это TUG.

Четвертый байт G1 предназначен для передачи сообщения о состоянии тракта по каналу обратной связи между точками построения (формирования) тракта, например, о наличии ошибок или сбоев при приеме сигналов на дальнем конце (FEBE, FERF).

Пятый F2 и седьмой Z3 байты предназначены для пользователя данного тракта. Они могут быть задействованы пользователем для образования двух цифровых каналов со скоростью передачи 64 кбит/с или одного цифрового канала со скоростью передачи 128 кбит/с.

Шестой байт H4 служит для формирования обобщенного (сверхциклового) указателя положения нагрузки при построении сверхциклов из четырех последовательных циклов передачи сигналов VC-12. В плавающем режиме начало сверхцикла полученного сигнала может перемещаться внутри VС-3 или VС-4, поэтому начальная фаза сверхцикла сигналов отмечается специальным указателем (индикатором) положения нагрузки.

Восьмой байт Z4 является резервным, он может быть задействован при дальнейшем развитии систем передачи и сетей SDH.

Девятый байт Z5 предназначен для оператора сети, который может его использовать для управления и контроля.

Структура трактового заголовка VС-3 РОH такая же, как и VС-4 РОН. Для передачи сигналов РОН виртуальных контейнеров высшего порядка в них формируется цифровой канал со скоростью передачи 9 х 8000 = 72 кбайт/с, или 72 х 8 = 576 кбит/с, т. к. заголовки VС-3 РОН или VС-4 РОН передаются в каждом цикле передачи сигнала STM-1.

В процессе функционирования оборудования SDH на сети, обеспечение бесперебойной передачи и поддержание безошибочного приема циклов передачи сигнала STM-1, контроль их состояния, управление полезной нагрузкой и ее обслуживание в сетевом слое секций являются весьма сложными задачами. Выполнение этих задач осуществляется с помощью оборудования систем контроля, управления и обслуживания, которое функционирует под воздействием служебных сигналов, объединенных в секционный заголовок SOH. Сигналы SOH весьма разнообразны по составу и назначению.

Байтовая структура секционного заголовка формируется в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.783, она приведена на рис. 2.8, в. Из рисунка видно, что основные сигналы заголовка сосредоточены в 1, 4 и 7-м столбцах. Байты столбцов между ними в основном зарезервированы для будущего применения систем передачи SDH в национальных и международных сетях. Последним в структуру сигнала STM-1 помещается заголовок RSOH, который занимает первые три строки заголовка SOH размером 9x3 = 21 байт. Байты заголовка RSOH имеют следующее назначение:

Шесть байтов А1, А1, А1, А2, А2, А2 первой строки предназначены для передачи сигнала цикловой синхронизации. Указанные байты имеют следующую структуру: A1 = 11110110, A2 = 00101000. Результирующая кодовая группа (48 бит) указывает начало цикла передачи сигнала STM-1 и обеспечивает выравнивание его скорости передачи. Байты первой строки RSOH не скремблируются.

Байт В1 предназначен для проверки сигналов цикла передачи STM-1 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших в регенерационной секции. Проверка осуществляется методом BIР-8, что позволяет обнаруживать ошибки в предыдущем цикле передачи сигнала STM-1.

Байт С1 является идентификационным, используется для обозначения номера (маркировки) сигнала STM-1 перед началом его мультиплексирования в структуру сигнала STM-N.

Три байта D1, D2, D3 позволяют образовать служебный канал передачи данных DCC (Data Communication Channel) для управления и обслуживания цикла передачи сигнала STM-1 на регенерационной секции (DCC-R). Этот канал обеспечивает скорость передачи 192 кбит/с. Заголовок RSOH в структуру цикла передачи сигнала STM-1 вставляется последним, но сигнал STM-1 начинается именно с него, потому что в структуре RSOH находится сигнал цикловой синхронизации. Это означает, что в цикле передачи данного сигнала STM-1 передается часть сигналов предыдущего группового блока AUG, как показано на рис. 2.9 [35].

Рис. 2.9

Байт E1 используется для образования канала служебной телефонной связи (скорость передачи 64 кбит/с) на регенерационной секции (канал участковой служебной связи). Доступ к этому байту возможен только в необслуживаемом регенерационном пункте (НРП).

Байт F1 предназначен для образования канала пользователя. С помощью этого байта оператор сети может временно использовать свободный канал системы передачи SDH для передачи данных, служебной телефонной связи или других эксплуатационных нужд.

Нижние пять строк SOH (9 х 5 = 45 байт) образуют заголовок мультиплексной секции MSOH. Байты MSOH имеют следующее назначение:

Три байта В2 предназначены для проверки сигналов цикла передачи STM-1 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших в мультиплексной секции. Проверка выполняется методом BIP-24 - четность чередующихся битов глубиной в 24 бита, что позволяет на приеме обнаруживать ошибки в сигналах предыдущего цикла передачи STM-1. Метод BIP-24 дает возможность сформировать специальную проверочную последовательность битов, которая размещается в трех байтах В2.

Два байта К1 и К2 используются для образования канала системы автоматического защитного переключения APS (Automatic Protection Switching). Канал APS со скоростью передачи 128 кбит/с предназначен для управления автоматическим переключением оборудования мультиплексной секции, например, DIM или DXC, на резервные тракты при работе в защитном режиме. В этом же канале передаются сигналы сигнализации о срабатывании системы APS.

Девять байтов D4, ..., D12 образуют цифровой канал DCC-M со скоростью передачи 9 х 64 кбит/с = 576 кбит/с для мультиплексной секции. Канал DCC-M служит для управления и обслуживания циклов передачи сигнала (модуля) STM-1 на секции мультиплексирования.

Три байта Z1 предназначены для образования цифрового канала со скоростью передачи 192 кбит/с, по которому передаются данные о статусе тракта в системе тактовой синхронизации (определены четыре уровня иерархии системы этой синхронизации).

Байт Е2 используется для образования канала служебной телефонной связи (скорость передачи 64 кбит/с) на мультиплексной секции (канал постанционной служебной связи). Канал используется между пунктами, где цикл передачи STM-1 формируется и расформировывается, т. е. байт Е2 доступен на окончаниях MS.

Три байта Z2 - запасные, они предназначены для еще не определенных функций.

Байты NU (National Use Bytes) заголовка SOH предназначены для национального использования в данной стране. Среди них два байта, помеченные звездочками, не должны (в отличие от остальных байтов заголовка) подвергаться скремблированию, следует заботиться об их содержании. Все непомеченные байты зарезервированы для использования в будущем.

Кроме рассмотренных сигналов трактовых и секционных заголовков, к служебным сигналам цикла передачи STM-1 относят сигналы указателей административных блоков и субблоков.

Указатели административных блоков предназначены для гибкого размещения виртуальных контейнеров высшего порядка (VC-3, VC-4) и виртуальных контейнеров низшего порядка (VC-1, VC-2) в структуре цикла передачи сигнала STM-1 при его формировании. Как административный блок, так и субблок являются информационными элементами структуры цикла передачи STM-1, вводимыми с помощью указателей. Действительно, напомним, что AU = VC + AU-yказатель и TU = VC + TU-указатель, где используются VC соответствующего порядка.

В деталях структуры сигналов AU-указателей и TU-указателей различны, но в общем они имеют одинаковые назначения. Эти назначения сводятся к тому, что значения указателей отображают:

смещение начала VC заданного порядка в структуре административного блока или субблока;

необходимость положительного согласования скоростей;

необходимость отрицательного согласования скоростей при размещении полезной нагрузки в цикле передачи сигнала STM-1;

положение нового (следующего, очередного) VC;

отметку новой информации, т. е. процесс изменения формы блоков AU или TU.

Из этого перечня применений указателя можно сделать вывод, что они используются в качестве показателей динамики формирования структуры цикла передачи STM-1: отображение положений VC, согласование скоростей при размещении полезной нагрузки и управленческое изменение формы блоков AU или TU оператором сети - все выполняется под управлением значений указателей.

Для того, чтобы оконечной станции на другом конце стало известно про изменение формы этих блоков, с помощью указателей передается показатель новой информации, который называется флагом новых данных NDF (New Data Flag).

Указатели административных блоков AU-3 и AU-4 по своему назначению и структуре одинаковы, поэтому далее для краткости они будут именоваться одним указателем - АU-4-указатель (AU-4 PTR). В структуре цикла передачи STM-1 он занимает фиксированное положение - это первые 9 байт четвертой строки секционного заголовка, как показано на рис. 2.8, в. Но нужно иметь в виду, что в структуры секционных заголовков RSOH и MSOH АU-4-указателъ не входит. Байтовая и частично битовая структуры AU-4 PTR приведены на рис. 2.10.

Рис. 2.10

Байты и их биты имеют следующее назначение:

1. Четвертый байт Н2 и частично первый байт H1 (седьмой и восьмой биты) составляют значение указателя AU-4 PTR, которое формируется из десяти (с 7 по 16) битов. Эти биты (биты значения указателя) представляют собой чередующуюся последовательность «четных» и «нечетных» битовых позиций, которые образуют комбинацию IDIDIDIDID.

Значение указателя является двоичным числом, оно может изменяться в пределах от 0 до 782. Это число показывает положение каждого третьего байта в структуре VC-4. Так как в структуре цикла передачи данного STM-1 передается только часть цикла передачи сигналов данного VC-4 (см. рис. 2.9), то в табл. 2.1 приводится положение байтов данного VC-4 от 0 до 521 и предыдущего цикла передачи от 522 до 782-го значений указателя [35].

Таблица 2.1

RSOH	522	523	524	608
	609	610	611	695
	696	697	698	782
AU-4PTR	0	1	2	86
MSOH	87	88	89	173
	174	175	176	260
	261	262	263	347
	348	349	350	434
	435	436	437	521

В общем случае циклы передачи сигналов VC-4 и STM-1 не являются в полной мере частотно-синхронными, т. е. частоты записи передаваемых сигналов VC-4 могут отличаться (и отличаются) от частот считывания этих сигналов при формировании структуры цикла передачи STM-1.

В таких случаях возникает необходимость положительного или отрицательного согласования скоростей записи и считывания сигналов. При этом команда о необходимости согласования скоростей подается путем изменения значения указателя AU-4 PTR на некоторую постоянную величину. В указанной структуре значение указателя позиции I предназначены для приращения, а позиции D - для уменьшения значения указателя AU-4 PTR.

В «нормальной» ситуации, т. е. при отсутствии необходимости согласования скоростей записи и считывания сигналов, указанные признаки изменения значения указателя AU-4 PTR не используются. Если же возникает необходимость согласования скоростей, измененное значение указателя AU-4 PTR должно действовать незамедлительно. Но этого не происходит, т. к. в течение нескольких циклов передачи действует механизм защиты, исключающий прием неправильного нового значения указателя AU-4 PTR из-за одной или двух битовых ошибок.

Чтобы преодолеть эту проблему, было решено, что значение указателя AU-4 PTR с приращением будет передаваться путем инвертирования всех нечетных, т. е. I битовых позиций, а его значение с уменьшением - путем инвертирования всех четных, т. е. D битов.

Теперь измененное значение указателя AU-4 PTR может быть опознана по пяти инвертированным битам в первом же цикле передачи сигнала STM-1. При этом основное решение принимается по этим пяти битам уже в том случае, когда принято, по меньшей мере, три инвертированных бита, т. е. при мажоритарном приеме комбинации. В последующих циклах передачи новое значение указателя AU-4 PTR формируется по всем пяти инвертированным битам.

Остальные шесть (1...6) бит байта H1 используются следующим образом. Биты 1...4 (позиции N) предназначены для формирования кодовой группы NDF. Они исключают произвольное (несанкционированное) изменение значения указателя AU-4 PTR. В «нормальной» ситуации, т. е. в течение цикла передачи сигналов данного VC-4, биты 1...4 составляют кодовую группу вида «0110», которая означает сигнал запрета (Disabled -блокировка). Но когда поступают сигналы VC-4 очередного цикла передачи, эта группа инвертируется, т. е. принимает вид «1001», что означает разрешение на передачу (Enabled). Биты 5 и 6 (позиции S) байта H1 предназначены для формирования кодовой группы «10» или «01» указателя полезной нагрузки. Группа вида «10» отображает структуру сигнала AU-4.

2. Три байта Н3 (7, 8 и 9) и три последующих байта в позициях полезной нагрузки используются для согласования скоростей записи и считывания сигналов. Передаваемый цифровой поток, размещенный в объеме структуры VC-4, содержит позиции байтов, которые позволяют «передвигать» («перемещать») начало полезной нагрузки, т. е. начало цикла передачи сигнала VC-4 внутри цикла передачи STM-1 и отмечать это начало новым значением указателя AU-4 PTR. Это перемещение и называется согласованием скоростей.

На противоположную станцию управляющие сигналы (команды) о необходимости отрицательного согласования скоростей передаются путем инвертирования D битов в сигнале AU-4 PTR, значение указателя уменьшается на единицу. При этом технология отрицательного согласования скоростей реализуется путем «ускорения» передачи полезной нагрузки за счет частичного размещения ее в трех байтах Н3 указателя AU-4 PTR, т. е. три байта полезной нагрузки «врезаются» в служебную (заголовочную) часть цикла передачи STM-1, чем и обеспечивается ускорение ее передачи (отрицательное согласование скоростей). Между каждыми двумя операциями по указанному согласованию сигналы минимум трех циклов передачи STM-1 будут передаваться без отрицательного согласования скоростей.

Команда о необходимости положительного согласования скоростей, когда скорость передачи сигнала VC-4 ниже скорости передачи сигнала STM-1, передается путем инвертирования / битов в сигнале AU-4 PTR, значение указателя увеличивается на единицу. При этом положительное согласование скоростей выполняется путем «замедления» («задержки») передачи части полезной нагрузки, занимающей три байта после байтов Н3 (см. рис. 2.10). Здесь также выполняется правило: между двумя действиями согласования будут переданы сигналы минимум трех циклов передачи сигнала STM-1 без положительного согласования скоростей.

Использование трех байтов полезной нагрузки для согласования скоростей, безусловно, является неудачным результатом работы ITU-T по выработке рекомендаций для систем передачи SDH. Он основан на использовании цифрового потока со скоростью передачи 50,688 Мбит/с американской технологии синхронной оптической сети SONET [77].

Если сеть управления (менеджер сети) произвольно изменит положение данного VC-4 в структуре цикла передачи STM-1, то новое положение VC-4 будет, конечно, отражено в новом значении указателя AU-4 PTR, который передаст сигнал NDF.

3. Два байта Y (2-й и 3-й) и два байта 1* (5-й и 6-й) в структуре указателя AU-4 PTR не несут существенной нагрузки. Каждый байт Y имеет кодовую группу вида «1001SS11», где биты SS могут иметь значения «10» или «01», а каждый байт 1* состоит из восьми единиц.

Указатели субблоков (TU-11 PTR, TU-12 PTR и TU-2 PTR) рассмотрим на примере указателя TU-12 PTR. Формально добавление этого указателя размером в один байт к VC-12 превращает его в субблок TU-12. Практически все обстоит значительно сложнее. Эти сложности вызваны двумя обстоятельствами.

Во-первых, учитывая разнообразие вариантов использования первичного потока со скоростью передачи 2048 кбит/с на современной цифровой сети, при его мультиплексировании предусмотрен ряд альтернатив.

Во-вторых, при некоторых вариантах мультиплексирования сигналов указатели вообще не используются, а там, где они используются, одного байта для формирования указателя TU-12 PTR оказалось недостаточно. Указанные обстоятельства несколько осложнили процедуру мультиплексирования сигналов в трактах низшего порядка и снизили ее наглядность. Преобразование VС-12 в TU-12 может выполняться в двух режимах -плавающем или фиксированном.

В плавающем режиме из четырех последовательных циклов передачи сигнала VC-12, ёмкость каждого из которых составляет 35 байт (см. подразд. 2.2.4), формируется сверхцикл сигнала VC-12 с периодом 4 х 125 мкс = 500 мкс и ёмкостью 140 байт (4 х 35 байт). Начальная фаза этого сверхцикла в виртуальном контейнере высшего порядка (VC-3 или VC‑4) определяется байтом Н4 индикатора положения нагрузки в заголовке РОН данного VC (см. рис. 2.8, б). Полученный сверхцикл сигнала VC-12 и является основой для формирования сверхцикла субблока TU-12, в который помещаются четыре указателя TU-12 PTR. Их обозначают V1, V2, V3, V4; они имеют размеры по одному байту. В результате формируется сверхцикл субблока TU-12 с тем же периодом 500 мкс, но размером 4 х 36 байт = 144 байт. Для примера на рис. 2.11 приведен вариант асинхронного размещения четырех цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с при формировании сверхциклов VC‑12 (рис. 2.11, а) и TU-12 (рис. 2.11, б).

Байты V1 и V2, как и байты H1, H2 указателя АU-4 РТR, составляют одно общее 16-битовое поле, биты которого имеют следующее назначение (см. рис. 2.10):

биты 1...4 (позиции N) представляют кодовую группу NDF (изменение этой группы вида «0110» на инверсное «1001» свидетельствует, что под воздействием нагрузки изменилось выравнивание скоростей, а возможно, и размер TU-12);

биты 5 и 6 (позиции S) указывают тип субблока TU, например, для субблока TU-12 последовательность SS имеет вид «10»;

биты 7...16 (10 бит чередующихся позиций I и D) представляют собственно указатель субблока TU-N, для TU-12 PTR его значение может изменяться в пределах от 0 до 139.

Указатель V2, принимающий значения от 0 до 34, и определяет положение сигналов первого цикла передачи VС-12, располагающихся после V1 в сверхцикле TU-12. Другие указатели формируют значения: V3 - от 35 до 69, V4 - от 70 до 104, V1 - от 105 до 139.

Байт V3 используется для выравнивания скоростей, а байт V4 фактически является резервным. Согласование (выравнивание) скоростей осуществляется по отношению к первому циклу передачи сигнала VC-12 и может быть положительным или отрицательным. Технология выравнивания скоростей описана выше при рассмотрении указателя АU-4 PTR.

Рис. 2.11

Здесь необходимо только отметить, что при положительном согласовании скоростей сигналы полезной нагрузки последующих (2, 3 и 4-го) циклов передачи сдвигаются назад - от байта V3 к байту V4, а при отрицательном согласовании скоростей они сдвигаются вперед - от байта V4 к байту V3, для чего полезная нагрузка частично передается и на позициях байта V3, т. е. биты байта V3 интерпретируются как поле полезной нагрузки.

В фиксированном режиме указатели не используются, сверхциклы сигналов VC-12 и TU-12 не формируются.

2.2.4. Алгоритм построения цикла передачи сигнала STM-1

Проведенный анализ особенностей построения цикла передачи STM-1, его элементов, структуры основных заголовков и указателей, позволяет сделать вывод, что формирование структуры цикла передачи STM-1 является весьма сложной задачей. Схемы (см. рис. 2.6 и 2.7) имеют формальный характер. Они не позволяют до конца понять детали логических преобразований цифровых последовательностей в процессе построения цикла передачи сигнала STM-1. Поэтому рассмотрим алгоритм его построения на примере формирования STM-1 из цифровых потоков E1 = 2048 кбит/с в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.7.

Схема алгоритма для случая фиксированного размещения потока E1 в структуре VC-12 приведена на рис. 2.12 и описана в работах [77, 91]. На этом рисунке символ "" означает операцию физического или логического подключения заголовка либо указателя к соответствующим элементам структуры цикла передачи STM-1. Изучая представленную схему, нужно учитывать, что физическое положение отдельных ее элементов, например указателей, не соответствует их месту в логической схеме. Кроме того, в физической (реальной) схеме используется ряд фиксирующих элементов управления, упаковки сигналов, выравнивания скоростей и т. д. Схема наглядна и достаточно понятна, но не полностью отражает реально осуществляемые физические преобразования цифровых сигналов, поэтому для более глубокого ее понимания ниже приводятся некоторые пояснения в виде этапов преобразования сигналов и примечаний.

Рис. 2.12

Этап 1. Построение цикла передачи STM-1 начинается с формирования С-12, на вход которого поступает цифровой поток E1 = 2048 кбит/с. Этот поток представляет собой 32-байтную цифровую последовательность, циклически повторяющуюся через 125 мкс, или следующую с частотой 8 кГц, т. е. с частотой повторения циклов передачи сигнала STM-1. К этой последовательности в процессе формирования С-12 добавляются выравнивающие, управляющие, упаковывающие и другие биты. На приведенной схеме алгоритма (рис. 2.12) они условно показаны блоком Биты.

Отсюда следует, что ёмкость С-12 должна быть больше 32 байт. Фактически, в зависимости от режима преобразования VC-12 в субблок TU-12, она будет равна 34 байт для фиксированного режима или 34,75 байт для плавающего режима.

Этап 2. К контейнеру С-12 добавляется трактовый заголовок VC-12 РОН размером в один байт V5. В результате формируется VС-12 ёмкостью 35 байт. В плавающем режиме при формировании сверхцикла сигнала VС-12 в нем используется один заголовок VС-12 РОН (V5) на четыре цикла передачи сигнала VС-12, что в пересчете на один цикл передачи дает в среднем 0,25 байта; тогда окончательная ёмкость VС-12 будет равна: 34,75 + 0,25 = 35 байт (см. рис. 2.11, а).

Этап 3. Формально добавление к VС-12 указателя размером в один байт превращает VС-12 в субблок TU-12 размером 36 байт. Логически целесообразно представить 36 байт субблока TU-12 в виде двумерной таблицы (матрицы) формата 9x4 байт, тем более, что окончательная структура цикла передачи сигнала STM-1 также представляется в виде матрицы с 9 строками и 270 столбцами ёмкостью 9 х 270 = 2430 байт.

Примечание 1. Выше (при рассмотрении указателя TU-12 PTR) отмечалось, что преобразование VС-12 в TU-12 и последующее мультиплексирование может выполняться в двух режимах - плавающем и фиксированном.

Фиксированный режим использует жесткое синхронное размещение субблоков TU-12 (так же, как TU-11 и TU-2) в объеме нагрузки виртуальных контейнеров высшего порядка VС-3 и VС-4 с однозначным определением в них места любого сигнала TU-12. Достоинство такого режима - более простая структура блоков TU-12 и TUG-2, допускающая более эффективную последующую обработку сигналов. Недостаток очевиден - исключается любая несинхронность при транспортировке контейнера.

Этап 4. В фиксированном режиме из трех субблоков TU-12 в результате байт-мультиплексирования 3:1 формируется групповой субблок TUG-2 с суммарным размером последовательности 108 байт (36 х 3 = 108). Логически структуру TUG-2 также целесообразно представить в виде матрицы 9 х 12 = 108 байт.

Размещение трех субблоков TU-12А, TU-12B и TU-12С в групповой субблок TUG-2 показано на рис. 2.13. Практически каждый TU-12 расслоен и имеет четыре столбца (4x9 байт). Столбцы байтов трех субблоков TU-12 занимают фиксированные места во всех 12 столбцах цикла передачи TUG-2. Побайтное мультиплексирование трех сигналов TU-12 в TUG-2 показано на рис. 2.14. При этом мультиплексировании указатели TU-12 PTR располагаются отдельно от виртуальных контейнеров VС-12 в начале цикла передачи TUG-2, образуя указатель TU-12 PTR, как это показано на рис. 2.13. Для фиксированного размещения этот указатель имеет формальный характер. Три его байта формируют сигнал индикации нулевого значения указателя NPI (Null Pointer Indication), который отмечает, что данный TUG-2 содержит не виртуальный контейнер VС-2, а три однородных субблока TU-12.

Рис. 2.13

Этап 5. Последовательность TUG-2 далее подвергается байт-мультиплексированию 7:1, в результате которого формируется групповой субблок TUG-3 с общим размером последовательности 108 х 7 = 756 байт, что соответствует матрице 9 х 84 = 756 байт. Мультиплексирование семи блоков TUG-2 в один TUG-3 является фиксированным размещением (см. рис. 2.14). Включение блока TUG-3 в структуру цикла передачи STM-1 имеет единственую цель - предоставить возможность передавать в структуре сигнала STM-1 плезиохронные цифровые потоки со скоростями передачи 34,368 и 44,736 Мбит/с.

Рис. 2.14

Примечание 2. Фактически TUG-3 представляет собой матрицу 9 х 86 = 774 байт, которая образуется путем добавления двух столбцов (9 байт х 2), состоящих из сигнала NPI и фиксированного наполнителя FS (Fixed Stuff) [108], или фиксированного балласта [40]. Они показаны на рис. 2.14. Поскольку расположение нагрузки в TUG-3 известно (семь групповых субблоков TUG-2, побайтно мультиплексируясь, занимают фиксированные места в 84 из 86 столбцов цикла передачи TUG-3), то указатель TU-3 PTR (три верхних байта первого столбца в структуре цикла передачи TUG-3) заменяется на нулевое значение NPI.

Последний отмечает, что данный TUG-3 содержит не виртуальный контейнер VC-3, а групповые субблоки TUG-2. Остальные байты первого столбца (6 байт) и весь второй столбец (9 байт) цикла передачи сигнала TUG-3 заполняются FS (15 байт). В итоге получается формула образования группового субблока TUG-3, которая имеет вид:

TUG-3 = 7 х TUG-2 + NPI + FS_TUG-₃,

где индекс TUG-3 используется для отличия наполнителей FS, применяемых в различных других структурах.

Таким образом, цикл передачи TUG-3 имеет ёмкость 108 байтх7 + 3 байт +15 байт = = 774 байт, что соответствует матрице 9 байт х 86 = 774 байт, на что указывалось выше.

Рассмотрим плавающий режим мультиплексирования сигналов при формировании структуры цикла передачи STM-1.

Плавающий режим допускает использование указателей для определения истинного положения контейнера в объеме полезной нагрузки. Он позволяет определенную асинхронность в транспортировке контейнера и является способом гибкого динамического выравнивания его положения внутри структуры, в которой он размещается. Выше указывалось, что для обеспечения плавающего режима из четырех сигналов VС-12 формируется сверхцикл, в пределах которого мог бы «плавать» контейнер С-12 (см. рис. 2.11, а). При создании сверхцикла VС-12 допускается три варианта размещения передаваемых цифровых потоков в его структуре: асинхронное, бит-синхронное и байт-синхронное. Вариант размещения устанавливает оператор сети, причем по умолчанию используется асинхронное размещение.

В результате из двенадцати субблоков TU-12 или из четырех групповых субблоков TUG-2 образуется сверхцикл передачи группового субблока TUG-2 длительностью 500 мкс. Но TUG-3 имеет длительность цикла передачи 125 мкс. Следовательно, для полного размещения семи сверхциклов групповых субблоков TUG-2 потребуется четыре групповых субблока TUG-3. Это мультиплексирование осуществляется побайтно (рис. 2.15). Здесь сверхцикл каждого TUG-2 разделен на четыре цикла передачи длительностью по 125 мкс. В первый TUG-3 побайтно мультиплексируются сигналы только первых циклов передачи каждого из семи TUG-2. Во второй TUG-3 - сигналы только вторых циклов передачи сверхциклов тех же групповых субблоков TUG-2 и т. д. В каждом групповом субблоке TUG‑3 указанные сигналы занимают 84 из 86 столбцов цикла передачи TUG-3. Три верхних байта первого столбца образуют указатель TU-3 PTR, который (как и в случае фиксированного размещения сигналов) отмечает, что TUG-3 формируется не из VС-3, а содержит групповые субблоки TUG-2. Остальные 15 байт первых двух столбцов цикла передачи TUG-3 заполняются FS.

Таким образом, так же, как и в фиксированном режиме, в плавающем режиме цикл передачи TUG-3 имеет ёмкость 108x7 + 3 + 15 = 774 байт.

Рис. 2.15

Этап 6. Полученные в фиксированном или плавающем режиме последовательности сигналов TUG-3 вновь байт-мультиплексируются 3:1, в результате чего формируется суммарный цифровой сигнал ёмкостью 774 х 3 = 2322 байт. При добавлении к полученной последовательности трактового заголовка VС-4 РОН размером 9 байт формируется виртуальный контейнер высшего порядка VС-4. Это приводит к матрице размером 2331 байт. Побайтное мультиплексирование трех групповых блоков TUG-3 в виртуальный контейнер VС-4 показано на рис. 2. 16.

Рис. 2.16

Примечание 3. Фактически VC-4 представляет собой матрицу размером 9 х 261 = 2349 байт, т. к. он состоит из трех TUG-3, одного столбца VC-4 РОН (9 байт) и двух столбцов фиксированного балласта FS_VC_-4 (9 байт х 2 = 18 байт). В результате формула образования VC-4 принимает вид:

VC-4 = 3 х TUG-3 + РОН_VC_-4 + FS_VC_-4.

Таким образом, цифровая последовательность VC-4 имеет ёмкость 2349 байт (3 х 774 + 9 + 9x2 = 2349), что соответствует матрице 9 х 261 = = 2349 байт.

Этап 7. На данном (последнем) этапе формируется STM-1. Загрузка в него VC-4 в общем случае требует корректирования фаз и выравнивания скоростей, потому что сигнал STM-1 жестко синхронизируется с циклом передачи регенерационной секции данного линейного тракта, a VC-4 может поступать с другого участка сети и иметь существенные отклонения тактовой частоты и дополнительные колебания фазы. Корректирование фаз и выравнивание скоростей передачи выполняется механизмом указателя AU-4 PTR. Благодаря этому указателю VC-4 получает возможность «плавать» внутри STM-1, причем начало цикла передачи VC-4 определяется по значению указателя AU-4 PTR. Добавлением к VC-4 указателя ёмкостью 9 байт, который занимает в цикле передачи STM-1 фиксированное положение (см. рис. 2.8, в), формируется AU-4. Далее полученный сигнал AU-4 путем формального (в данном случае) мультиплексирования 1:1 превращается в AUG. К блоку AUG добавляется заголовок SOH (72 байт), т. к. SOH = MSOH + RSOH = 45 + 21 = 12 байт.

В результате окончательно формируется сигнал STM-1 в виде цикла передачи ёмкостью 2349 + 9 + 72 = 2430 байт, или в виде фрейма ёмкостью 9 х 270 = 2430 байт, что при частоте повторения циклов передачи STM-1, равной 8 кГц, соответствует скорости передачи 155,52 Мбит/с. Размещение виртуального контейнера VC-4 в STM-1 через AU-4 - AUG показано на рис. 2.17.

Рис. 2.17

В результате рассмотренного примера можно написать итоговую формулу построения цикла передачи сигнала STM-1, символьный вариант которой имеет вид:

STM-1 = ((((E1 + <байты> + VС-12 РОН + TU-12 PTR) x 3_TUG_-2) х 7_TUG_-3 + NPI + FS_TUG_-3) х х 3_VC_-4 + VC-4 РОН + FS_VC_-4 + AU-4 PTR) x 1_AUG + MSOH + RSOH.

Численный вариант этой формулы, где значения указаны в байтах, приводится ниже:

STM-1 = ((((32_E₁ + 2 байт + 1_V_С_-12_РОН + 1_TU_-₁₂_PTR) х 3_TUG_-2) х 7_TUG_-3 + 3_NPI + 15_FSTUG_-₃) x 3_VC_-4 + + 9_VC_-4_РОН + 18_FS_VC_-4 + 9_AU_-4_PTR) x 1_AUG + 9 x 5_MSOH + 9 x 3_RSOH = 2430.

Представленные формулы являются более точной, хотя и менее наглядной (по сравнению со схемой, приведенной на рис. 2.12), эквивалентной формой представления процесса формирования цикла передачи STM-1. Эти формулы можно предложить в качестве обобщенного алгоритма построения (формирования) цикла передачи сигнала STM-1. Формулы могут быть получены для всех других вариантов формирования сигнала STM-1.

2.2.5. Варианты построения цикла передачи сигнала STM-1

Кроме приведенного выше основного, самого распространенного в европейских странах варианта формирования цикла передачи модуля STM-1, рассмотрим кратко другие варианты его построения.

Первый вариант - использование цифрового потока T1 = 1,544 Мбит/с, который размещается в контейнере С-11. Этот вариант применяется для обеспечения совместимости на сети оборудования SDH с оборудованием систем передачи SONET.

По аналогии с вариантом формирования цифрового потока со скоростью передачи 155,52 Мбит/с из цифровых потоков E1 можно написать формулу преобразования потока T1 и соответствующих цифровых потоков с целью получения цикла передачи сигнала STM-1. Символьное представление этой формулы имеет вид:

STM-1 = ((((T1 + <байты> + VС-11 РОН + TU-12 PTR + FS_TU_-12) x 3_TUG_-2) х 7_TUG_-3 + NPI + + FS_TUG_-3) х 3_VC_-4 + VC-4 РОН + FS_VC_-4 + AU-4 PTR) x 1_AUG + MSOH + RSOH.

Численное представление формулы, где значения указаны в байтах, приведено ниже:

STM-1 = ((((24_T₁ + 1 байт + 1_V_С_-11_РОН + 1_TU_-₁₂_PTR +9_FSTU_-12) х 3_TUG_-2) х 7_TUG_-3 + 3_NPI + 15_FSTUG_-₃) x x 3_VC_-4 + 9_VC_-4_РОН + 18_FS_VC_-4 + 9_AU_-4_PTR) x 1_AUG + 9 x 5_MSOH + 9 x 3_RSOH = 2430.

В этих формулах первичный цифровой поток T1 формально представлен в виде 24-байтной импульсной последовательности. Контейнер С-11 имеет ёмкость 25 байт, а виртуальный контейнер VC-11 - 26 байт, так как VС-11 РОH занимает 1 байт.

При преобразовании сигнала VС-11 в субблок TU-12 добавляется указатель TU-12 PTR - 1 байт и фиксированный балласт FS_TU_-12 - 9 байт. В результате образуется такой же по размеру цикл передачи субблока TU-12 (9 х 4 = 36 байт), что и в предыдущем варианте. Последующий процесс преобразования цифровых сигналов остаётся прежним, что следует из приведенных выше формул.

Второй вариант - размещение цифрового потока Е3 = 34,368 Мбит/с в контейнере С-3. Этот вариант используется при построении цикла передачи STM-1 из сигналов трех потоков E3. Символьное и численное представления формул для этого варианта имеют вид:

STM-1 = (((E3 + <байты> + VС-3 РОН + TU-3 PTR + FS_TU_-3) х 1_TUG_-3) х 3_VC_-4 + VC-4 РОН + + FS_VC_-4 + AU-4 PTR) x 1_AUG + MSOH + RSOH;

STM-1 = (((537_E₃ + 219 байт + 9_V_С_-3_РОН + 3_TU_-₃_PTR + 6_FSTU_-3) х 1_TUG_-3) x 3_VC_-4 + 9_VC_-4_РОН + + 18_FSVC_-4 + 9_AU_-4_PTR) x 1_AUG + 9 x 5_MSOH + 9 x 3_RSOH = 2430.

В данных формулах цифровой поток Е3 формально представляется в виде 537-байтной цифровой последовательности, т. к. 34368/64 = 537 байт. Эта последовательность дополняется 219 байт до 756-байтной полезной нагрузки (размер 9 х 84) виртуального контейнера VC-3. Соответствующая этой нагрузке скорость передачи 756 х 64 кбит/с = 48,384 Мбит/с принимается за ёмкость контейнера С-3. При этом контейнер С-3 преобразуется в VС-3 по общей схеме: VС-3 = PL + VC-3 POH, где PL - полезная нагрузка. Она представляется в виде трех одинаковых субфреймов ёмкостью 3 х 84 байт, которые в Рекомендации ITU-T G.709 обозначены T1, T2 и T3. Чтобы отличать их от цифровых потоков T1 = 1,544 Мбит/с; T2 = 6,312 Мбит/с и T3 = 44,736 Мбит/с, далее обозначим субфреймы как T1, T2 и T3. Тогда в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.101 символьный вариант формулы полезной нагрузки будет иметь вид:

PL = Т₁ + Т₂ + T₃ = 3 х (VC-3₁ + FS_VC_-3 + JCB_VC_-3 + JOB_VC_-3),

где VС-3₁ - информационная часть нагрузки субфрейма - 1431 бит; FS_VC_-3 -фиксированный балласт субфрейма виртуального контейнера VС-3 - 573 бит; JCB_VC_-3 - биты управления выравниванием скорости передачи субфрейма – 2x5 бит =10 бит; JOB_VC_-3 - биты возможного выравнивания скорости передачи субфрейма - 2 бит.

В результате численное представление формирования полезной нагрузки будет выглядеть следующим образом:

PL = 3 х (1431_VC_-31 + 573_FSVC_-3 + 10_JCBVC_-3 + 2_JOBVC_-3) = 6048 бит/8 = 756 байт.

Третий вариант возникает при необходимости разместить и передать цифровой поток Е4 = 139,264 Мбит/с системы передачи PDH в цикле передачи модуля STM-1 . Для начала поток Е4 размещается в контейнере С-4. Далее, зная схему прохождения сигналов этого потока, можно написать формулы преобразования соответствующих цифровых потоков для получения в итоге цикла передачи STM-1. Символьное и численное (в байтах) представления этих формул имеют вид:

STM-1 = (E4 + <байты> + VC-4 РОН + AU-4 PTR) x 1_AUG + MSOH + RSOH;

STM-1 = (2176_E₄ + 164 байт + 9_VC_-4_РОН + 9_AU_-4_PTR) x 1_AUG + 9 x 5_MSOH + 9 x 3_RSOH = 2430.

Четверичный цифровой поток Е4 формально представляется в виде 2176-байтной цифровой последовательности, т. к. 139264/64 = 2176 байт. Эта последовательность дополняется 164 байт до 2340 байт полезной нагрузки (9 байт х 260) виртуального контейнера VC-4. При этом контейнер С-4 снабжается РОН, т. е. преобразуется по общей схеме: VC-4 = PL + VC-4 POH. Далее PL представляется в виде девяти идентичных циклов передачи (субфреймов), т. е. девяти строк, каждая из которых имеет размер 260 байт. В свою очередь, каждая строка разделена на 20 частей по 13 байт в каждой. Последние 20 байт каждой части состоят только из информационных битов. Структура одной строки, т. е. одного субфрейма PL приведена на рис. 2.18 [166].

Рис. 2.18

На этом рисунке обозначение 96I указывает на информационную часть нагрузки, т. е. 12 байт х 8 = 96 информационных (I) бит. Символы W, F, X и Z означают, что первый байт каждой из 20 частей субфрейма может иметь четыре варианта структуры [35]:

W - байт является информационным, т. е. содержит только информационные биты;

Y - все (13, см. рис. 2.18) байты составляют F5;

X - каждый из этих пяти байтов содержит 5 бит фиксированного балласта, 2 бит для передачи служебной информации и 1 бит для управления выравниванием (согласованием) скоростей;

Z - байт содержит 6 информационных бит, 1 бит возможности выравнивания скоростей и 1 бит фиксированного балласта.

W=IIIIIIII; Y=RRRRRRRR; X=CRRRRROO; Z=IIIIIISR,

где I - информационные биты; R - фиксированный балласт; S - бит возможности согласования скоростей; О -биты заголовка; С -бит управления согласованием скоростей.

В соответствии с изложенным символьный вариант формулы полезной нагрузки будет иметь вид:

PL = 9 х (20 х (VC-4_I) + VC-4_IW+ VC-4_IZ+ 13 х FS_VC_-4+ 5 х FS_X+ FS_Z+ 5 х JCB_X+ JOB_Z+ + 5 х OHC_Х),

где VC-4_I - суммарная информационная часть нагрузки одного субфрейма ёмкостью 1934 бит (1934 = 20 х 12 х 8 (поля 96I) + 8 (байт W) + 6 (байт Z)); FS_VC_-4 - суммарный фиксированный балласт одного субфрейма ёмкостью 130 бит (130 = 13 х 8 (байты Y) + 5 х 5 (байты X) + 1 (байт Z)); JCB_X - биты управления выравниванием скоростей передачи одного субфрейма ёмкостью 5 бит (5 = 5 х 1 (байты X)); JOB_Z - биты возможного выравнивания скоростей передачи одного субфрейма ёмкостью 1 бит (байт Z); ОНС_Х - биты канала служебной связи заголовка одного субфрейма ёмкостью 10 бит (10 = 5 х 2 (байты X)).

В результате численное представление формирования полезной нагрузки примет такой вид:

PL = 9 х (20 х (12 х 8_VC_-4_I) + 8_VC_-4_IW +6_VC_-₄_IZ+ 13 х 8_FSVC_-4+ 5 х 1_JCBX+ 1_JOBZ+ 5 х 2_ОНСХ) = = 18 720 бит/8 = 2340 байт.

Вариант построения цикла передачи сигнала STM-1, рассмотренный в подразд. 2.2.4, и варианты, описанные в подразд. 2.2.5, не являются исчерпывающими. Аналогично изложенному выше могут быть описаны другие варианты формирования цикла передачи STM-1 (см. рис. 2.6):

Первый вариант используют при передаче сигналов потока T1 = 1,544 Мбит/с, который размещается в контейнере С-11:

T1 → С-11 → VC-11 → TU-11 → TUG-2 → VC-3 → АU-3 → AUG→ STM-1.

Второй вариант даёт возможность передавать цифровой поток E1 = 2,048 Мбит/с, который транспортируется в контейнере С-12:

E1 → С-12 → VC-12 → TU-12 → TUG-2 → VC-3 → АU-3 → AUG→ STM-1.

Третий вариант используют при передаче сигналов потока T2 = 6,312 Мбит/с, который помещается в контейнер С-2:

T2 → С-2 → VC-2 → TU-2 → TUG-2 → VC-3 → АU-3 → AUG→ STM-1.

Четвертый вариант позволяет передавать сигналы потока T2 по следующему пути:

T2 → С-2 → VC-2 → TU-2 → TUG-2 → TUG-3 → VC-4 → АU-4 → AUG→ STM-1.

Пятый вариант применяют, если необходимо передать цифровые потоки E3/T3 = 34,368/44,736 Мбит/с, которые вводятся в контейнер С-3:

E3/T2 → С-3 → VC-3 → АU-3 → AUG→ STM-1.

Возможны также и другие варианты.

Построение цикла передачи STM-1 является одной из основных задач в структуре преобразования сигналов систем передачи SDH. Для систем передачи первого уровня SDH эта задача является последней на пути мультиплексирования передаваемых сигналов. Для систем передачи последующих уровней иерархии необходимо из STM-1 сформировать модуль STM-N требуемого уровня иерархии. Эти вопросы рассматриваются в следующем пункте.

2.2.6. Построение циклов передачи сигналов STM-N

Вариант формирования структуры цикла передачи STM-N (N = 4, 16, 64, 256), который образуется побайтным объединением N блоков AUG и SOH_N данного модуля STM-N: STM-N = AUG х N + SOHN, приведен на рис. 2.19. Мультиплексирование STM-1 в STM-N может осуществляться каскадно: 4 х STM-1 → SТМ-4, 4 х STM-4 → STM-16, 4 х STM-16 → STM-64, 4 х STM-64 → STM-256. Оно может быть выполнено и непосредственно по схеме, приведенной на рис. 2.19: 4 х STM-1 → STM-4, 16 х STM-1 → STM-16, 64 x STM-1 → STM-64, 256 x STM-1 → STM-256.

Рис. 2.19

При каскадном мультиплексировании формирование цикла передачи STM-N выполняется по схеме чередования групп байтов, причем число байтов в группе равно кратности мультиплексирования предыдущего каскада. Например, если формирование цикла передачи сигнала STM-16 происходит по двухкаскадной схеме (4 х STM-1 → STM-4, 4 х STM‑4 → STM-16), то в первом каскаде используется мультиплексирование по байтам, а во втором - по группам, состоящим из четырех байтов, как показано на рис. 2.20.

Рис. 2.20

Очевидно, что если цикл передачи STM-256 строят каскадно т. е. по четырехкаскадной схеме, то первый каскад использует мультиплексирование по байтам, второй - по группам из 4-х байт, третий - по группам из 16-ти байт, а четвертый - по группам, состоящим из 64 байт.

При непосредственном мультиплексировании формирование цикла передачи сигнала STM-N выполняется по схеме чередования байтов. Например, 16 модулей STM-1 (0, 1, 2, ..., 13, 14, 15 или в шестнадцатеричном исчислении А, В, С, D, Е, F, G, H, I, J, К, L, M, N, О, Р) обеспечивают появление на входе мультиплексора STM-16 шестнадцати байт-последовательностей: «ААААА..., ВВВВВ..., ССССС..., ..., NNNNN..., ООООО..., РРРРР...». Тогда в результате мультиплексирования на выходе модуля STM-16 будет байт-последовательность вида «ABCDEFGHIJKLMNOPABCD...», как показано на рис. 2.21.

Рис. 2.21

Фактически сигналы удается так просто мультиплексировать только в том случае, когда все модули STM-1 имеют одинаковую структуру полезной нагрузки. Однако известно (см. рис. 2.6), что сигнал AUG может состоять либо из одного блока AU-4, либо из трех блоков AU-3, а виртуальный контейнер VС-11 может преобразовываться через субблок TU-11 или TU-12. Значит необходимо, чтобы при сетевых соединениях сигналов STM-1, имеющих различное построение, соблюдался некоторый порядок, или правила бесконфликтной взаимосвязи. Эти правила установлены в Рекомендации ITU-T G.709 и имеют следующую редакцию.

1. При мультиплексировании цифровых последовательностей, содержащих группы AUG, которые базируются на разные блоки (AU-3 или АU-4), предпочтение отдают схемам, использующим блок AU-4. Группы AUG, состоящие из трех блоков AU-3, должны быть расформированы (демультиплексированы) до уровня групповых субблоков TUG-2 или виртуальных контейнеров VС-3 и повторно мультиплексированы по пути TUG-3 → VС-4 → → AU-4.

2. При мультиплексировании последовательностей цифровых сигналов, содержащих VC-11, которые используют различные субблоки (TU-11 или TU-12), выбирают путь через TU-11.

Рассмотрим структуру секционных заголовков циклов передачи STM-N.

В отличие от заголовка SOH цикла передачи STM-1, байты которого определяются двумя координатами - строкой а и столбцом b, байты секционного заголовка цикла передачи STM-N, с учетом рассмотренных особенностей мультиплексирования (каскадное или непосредственное), определяются тремя координатами а, b и с, как показано на рис. 2.19 и рис. 2.22 [77], где а - 1...9 (как и в заголовке SOH цикла передачи STM-1)-номер строки; b = 1...9 - номер мультистолбца, объединяющего с столбцов (с = 1, 2, ..., N). Получаем расширенную матрицу (рис. 2.22), новые координаты которой определяются по значениям а, b, с: номер строки равен а, а количество байтов в строке заголовка SOH определяется по формуле: K_SOH = N (b-1) + с. Например, для цикла передачи STM-4 получим: K_SOH = 4(9 - 1) + 4 = 36 байт, а для цикла передачи STM-16: K_SOH = 16(9 - 1)+16 =144 байт.

Таким образом, структура SOH₄ цикла передачи модуля SТМ-4, полученная рассмотренным путем, имеет ёмкость 9 х 36 байт (рис. 2.23), а структура SOH₁₆ цикла передачи STM-16 - ёмкость 9 х 144 байт.

Очевидно, что размер SOH₆₄ цикла передачи модуля STM-64 равен 9 х 576 байт, а размер STM-256 - 9 х 2304 байт.

Рис. 2.22

Рис. 2.23

2.2.7. Построение цикла передачи субпервичного модуля STM-0 (STM-RR)

Субпервичный, или нулевой, транспортный модуль STM-0 со скоростью передачи сигналов 51,84 Мбит/с используют в тех случаях, когда на сети нет потребности в сравнительно большой пропускной способности STM-1. Согласно Рекомендации ITU-T G.709 модуль STM-0 можно применять в качестве формата линейного сигнала в радиорелейных и спутниковых линиях передачи, не рассчитанных на модуль STM-1.

В частности, на зоновых радиорелейных участках сети, где ёмкость STM-1 избыточна и трафик не выходит за пределы возможностей VC-3, целесообразно использовать радиорелейные линии, рассчитанные на субпервичный синхронный транспортный модуль STM-RR.

Хотя согласно Рекомендации ITU-T G.707/Y.1322 (2000) модуль STM-0 является новым (нулевым) уровнем системы передачи SDH, он больше известен как особый формат STM-RR синхронного транспортного модуля. Сегодня его используют и на интерфейсах кабельных сетевых узлов сети SDH [126].

Схема преобразования сигналов для получения структуры модуля SТМ-0 (STM-RR) приведена на рис. 2.24. Субпервичные радиорелейные линии (РРЛ) по Рекомендации ITU-T G.709 должны включаться в сеть SDH с помощью интерфейсов STM-1, а со стороны плезиохронных цифровых потоков - иметь интерфейсы (согласно Рекомендации ITU-T G.703). Как и волоконно-оптические ЦЛТ, тракты РРЛ могут образовывать мультиплексные и регенерационные секции, поддерживая сетевые слои трактов систем передачи SDH, нагрузкой для которых могут быть тракты низших уровней систем передачи SDH или сигналы систем передачи PDH.

Рис. 2.24

Схема перехода от STM-RR к STM-1 показана на рис. 2.25. По ней выполняется демультиплексирование сигналов цикла передачи STM-RR до уровня TUG-2 или С-3. Затем осуществляется мультиплексирование по пути TUG-2 → TUG-3 или по пути С-3 → VC-3 → TU-3 → TUG-3 , а далее в обоих случаях по стандартной схеме: TUG - 3 → VC-4 → АU-4 → AUG → SТМ-1.

Рис. 2.25

Структура цикла передачи сигнала STM-RR и его формирование из полезной нагрузки VC-3 изображены на рис. 2.26. Столбцы 30 и 59 виртуального контейнера VC-3 являются фиксированным балластом.

Рис. 2.26

2.3. Построение синхронных мультиплексоров

2.3.1. Особенности построения

Выше указывалось (см. подразд. 2.1.1), что основным функциональным оборудованием системы передачи SDH является синхронный мультиплексор SM. Далее это понятие будет использоваться как для собственно мультиплексоров, выполняющих объединение сигналов компонентных потоков в высокоскоростной цифровой поток, так и для демультиплексоров, служащих для разделения (демультиплексирования) сигналов высокоскоростного потока на сигналы компонентных потоков. Мультиплексоры систем передачи SDH имеют ряд особенностей построения, из которых необходимо отметить следующие:

В системах передачи SDH мультиплексоры являются многофункциональными устройствами. В отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в системах передачи PDH, где они выполняют функции собственно мультиплексоров, мультиплексоры систем передачи SDH являются более универсальными и гибкими. Кроме задачи мультиплексирования они позволяют решать еще целый ряд таких задач, как передача, оперативное переключение, генерация сигналов и т. д. Выполнение указанных функций возможно в силу блочного построения SM, при котором решаемые задачи определяются лишь возможностями системы управления (программного обеспечения) и составом функциональных блоков, входящих в спецификацию мультиплексора. В системах передачи SDH принято различать три основных типа SM: терминальные, мультиплексоры выделения/вставки и синхронные линейные мультиплексоры.

Терминальные мультиплексоры ТМ являются оконечными устройствами и предназначены для мультиплексирования сигналов со скоростями передачи (округленно) 1,5; 2; 6; 34; 45 и 140 Мбит/с плезиохронных ЦСП и сигналов со скоростями передачи (округленно): 155, 622 и 2500 Мбит/с систем передачи SDH. Практически конкретный ТМ не имеет полного набора цифровых каналов доступа с указанными скоростями передачи. Например, универсальный мультиплексор типа ISM-2000, разработанный фирмой AT&T в 1991 г., может быть сконфигурирован как ТМ, предназначенный для гибкого мультиплексирования сигналов со скоростями передачи (округленно) 1,5; 2; 34; 45 и 155 Мбит/с в сигналы STM-1 [165]. Структурная схема мультиплексора типа ISM-2000 приведена на рис. 2.27. Его основными элементами являются устройства обработки мультиплексируемых сигналов ОМС, устройство управления нагрузкой с кросс-коннектором УНК и линейные блоки БЛ. К элементам системы контроля, управления и обслуживания относятся контроллер мультиплексора КМ и устройство управления и коммутации служебных сигналов УКС, которое по встроенным каналам управления ЕСС (Embedded Control Channel) соединяет контроллер КМ (показано пунктиром) со всеми устройствами данного мультиплексора и другими элементами сети SDH.

Особенностью ТМ систем передачи SDH является возможность применения в блоках БЛ электрического или оптического оконечного оборудования. При использовании электрических интерфейсов ТМ является только собственно мультиплексором. В оптическом варианте ТМ объединяет собственно мультиплексор и линейный блок, т. е. оконечное оборудование оптического линейного тракта.

На рисунке 2.27 приведены возможные варианты каналов доступа и указано их максимальное количество, однако общий объем нагрузки мультиплексора не должен превышать размера модуля STM-1. Кроме того, возможны различные комбинации указанных каналов, например, 16x2 Мбит/с + 24 х 1,5 Мбит/с + 1 х 34 Мбит/с.

В более современном мультиплексоре типа ISM-2000, разработанном компанией Lucent и представленном на рынке в 1996 г., мультиплексируются сигналы цифровых потоков только со скоростями передачи 2, 34, 140 и 155 Мбит/с [169].

Разновидностью ISM-2000 является построенный на его основе мультиплексор типа OLC-2000 (Optical Loop Carrier), который состоит из блока STM-1 и блока каналов. Особенностью данного ТМ является возможность мультиплексирования в нем сигналов различных каналов от отдельных абонентов (см. подразд. 2.1.1) с целью формирования первичных цифровых потоков со скоростью передачи 2,048 Мбит/с. Структурная схема мультиплексора типа OLC-2000 показана на рис. 2.28.

Рис. 2.27

Рис. 2.28

3. Мультиплексор выделения/вставки DIM является устройством доступа системы передачи SDH в пунктах выделения/вставки каналов и может использоваться в двух конфигурациях сети: магистраль с пунктами выделения/вставки и кольцо с пунктами выделения/вставки.

При использовании мультиплексора DIM в структуре сети SDH, показанной на рис. 2.3, создается режим 100 %-го резервирования, или система защиты по схеме «1+1» с целью повышения надежности линейного тракта. При этом оборудование DIM позволяет выделять/вставлять соответствующие цифровые потоки, осуществлять сквозное кросс-соединение невыделяемых потоков в обоих направлениях передачи на уровне соответствующих виртуальных контейнеров. В случае выхода из строя одного из направлений передачи, например, обрыв одного из линейных оптических кабелей (если, конечно, противоположные направления передачи находятся в разных кабелях), можно соединить выход одного линейного тракта со входом тракта противоположного направления. Наконец, оборудование DIM позволяет, в случае аварийного выхода его из строя, пропускать оптический линейный поток мимо него в обходном режиме.

Важной особенностью DIM является принципиальная необходимость наличия двух оптических линейных, или агрегатных блоков [110, 164].

Все вышеизложенное о мультиплексорах DIM позволяет заключить, что они в основном используются в оптических кольцах для оборудования пунктов выделения/вставки.

4. Синхронный линейный мультиплексор SLM является оконечным оборудованием оптического ЦЛТ соответствующего уровня системы передачи SDH. Необходимо отметить две особенности построения SLM.

Первая особенность состоит в том, что несколько объединяемых цифровых потоков STM-1 при необходимости могут быть заменены плезиохронными потоками со скоростями передачи 140 Мбит/с, которые сформированы в системах передачи PDH и поступают на входы SLM через виртуальные контейнеры VC-4.

Вторая особенность заключается в том, что и синхронные, и плезиохронные потоки могут поступать на входы SLM или от местного источника цифровых сигналов, тогда они подаются в электрическом виде, или от удаленного источника нагрузки, в этом случае они поступают в виде оптических сигналов. Указанные особенности отмечены на рис. 2.2, а, где показано мультиплексирование четырех потоков в модуль STM-4 с помощью SLM-4.

Типичными представителями мультиплексора SLM являются:

SLM-2000-4 - синхронный линейный мультиплексор 4-го уровня систем передачи SDH с линейной скоростью передачи оптических сигналов 622,08 Мбит/с компании Lucent - принимает до 4-х потоков плезиохронных ЦСП со скоростью передачи 140 Мбит/с или систем передачи SDH со скоростью передачи 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-4 с кросс-соединениями потоков между портами; может конфигурироваться в режимах: оконечном, выделения/вставки или регенератора и использоваться в линейных и кольцевых оптических сетях с автоматическим резервированием [70,75];

1664SL - синхронный линейный мультиплексор 16-го уровня систем передачи SDH с линейной скоростью передачи оптических сигналов 2,5 Гбит/с компании Alcatel - обрабатывает до 16 потоков со скоростью передачи 140 или 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-16 с кросс-соединениями потоков между портами; используется в линейных и кольцевых оптических сетях с автоматическим резервированием [77];

SL-64 - синхронный линейный мультиплексор уровня STM-64 с линейной скоростью передачи 10 Гбит/с компании Siemens - принимает и путем каскадного мультиплексирования (по схеме 4xSTM-l → STM-4, 4 х STM-4 → STM-16, 4 x STM-16 → STM-64) обрабатывает до 64 потоков со скоростью передачи 140 или 155 Мбит/с и объединяет их в модуль STM-64 с кросс-соединениями потоков между портами; может быть сконфигурирован как терминальный мультиплексор SLT-64, линейный мультиплексор SL-64 или регенератор SLR‑64 и использоваться в транспортных сетях с автоматическим резервированием [16, 87].

Из приведенного перечня SLM следует, а компании-производители подтверждают практически, что указанное выше деление мультиплексоров на ТМ, DIM и SLM является условным; сегодня в чистом виде они почти не встречаются.

Современные синхронные мультиплексоры систем передачи SDH являются базовыми. Они состоят из функциональных блоков, определенная совокупность которых представляет собой законченное устройство, имеющее общее название синхронный мультиплексор. Он может конфигурироваться в мультиплексоры по применению: ТМ, DIM, SLM и др. В следующем пункте рассмотрена структурная схема базового SM и его функциональные блоки. Вопросы построения мультиплексоров систем передачи SDH рассмотрены также в работе [92].

2.3.2. Состав базового мультиплексора и его структурная схема

Синхронные мультиплексоры производят различные компании. Производимое оборудования различается по некоторым характеристикам и возможностям его использования. Однако благодаря высокому уровню стандартизации технологии систем передачи SDH, базовые мультиплексоры SM по основным параметрам унифицированы. Поэтому ниже рассмотрено устройство мультиплексора первого уровня системы передачи SDH на примере базового мультиплексора типа TN-1X компании Nortel [164]. Мультиплексор типа TN-1X в зависимости от конфигурации может работать в трех основных режимах:

Общепринятый ТМ, который предназначен для формирования в тракте передачи модуля STM-1 из 63 цифровых потоков E1 и обратного преобразования сигналов в тракте приема.

Мультиплексор выделения/вставки DIM, он обеспечивает ответвление части цифровых потоков E1 в промежуточных пунктах линейной магистрали или кольца, а также сквозное кросс-соединение в этом пункте остальных цифровых потоков.

Синхронный линейный мультиплексор SLM-1, который выполняет электронно-оптическое преобразование сигналов STM-1, а также служит для формирования оптического ЦЛС со скоростью передачи 155,52 Мбит/с и другими заданными параметрами в тракте передачи и оптоэлектронное преобразование этого сигнала в тракте приема.

Для обеспечения указанных режимов работы в состав TN-1X входят следующие основные блоки:

Четыре канальных блока БК-2М, которые в совокупности обеспечивают обработку сигналов до 63 цифровых потоков E1. Каждый блок БК-2М может обрабатывать до 16 цифровых потоков.

Два блока ответвления БО-34М обрабатывают сигналы одного или двух оптических или электрических портов STM-1. Каждый порт STM-1 имеет пропускную способность до 16 виртуальных контейнеров VС-12, что обеспечивает совокупную пропускную способность каждого порта 16x2240 = 35,84 Мбит/с.

Два линейных, или агрегатных блока А и В, которые могут иметь электрические или оптические интерфейсы. Каждый линейный блок выполняет обработку секционного заголовка модуля STM-1. Кроме того, оптический линейный блок используется для электронно-оптического преобразования передаваемых в линейный тракт сигналов и оптоэлектронного преобразования принятых из линейного тракта сигналов. Электрический линейный блок используется для формирования электрического ЦЛС в тракте передачи, а также для регенерации принятого из ЦЛТ линейного сигнала и преобразования этого ЦЛС в цифровой групповой сигнал в тракте приема.

Два блока (устройства) управления нагрузкой (БУН А и БУН В) с кросс-коннекторами, которые обеспечивают переназначения цифровых потоков на уровне VС-12 между канальными и линейными блоками, а также удобство выделения и вставки цифровых потоков на промежуточных пунктах. Один из блоков является основным, а второй - резервным. При их подключении в процессе работы мультиплексора активны оба блока, но выходы резервного - заблокированы КМ. Каждый блок управления нагрузкой имеет отдельный последовательный интерфейс с каждым канальным и линейным блоками. Интерфейс состоит из трех соединений в каждом направлении, по которым отдельно передаются информационные сигналы, или сигналы нагрузки, сигналы цикловой синхронизации (ЦС) и сигналы сверхцикловой синхронизации (СЦС).

Блок контроллера, который осуществляет функции общего контроля состояния мультиплексора и управления его блоками, обрабатывающими трафик. Кроме того, каждый из указанных выше блоков (в том числе и блок контроллера) содержит свой контроллер, построенный на микроконтроллере, который осуществляет контроль и управление блоками под общим управлением контроллера мультиплексора.

Структурная схема базового мультиплексора с прохождением трафика между указанными выше блоками изображена на рис. 2.29. При этом мультиплексирование потоков E1 для получения цикла передачи STM-1 выполняется по алгоритму, схема которого приведена на рис. 2.12 [92]. Рассмотрим кратко прохождение трафика по представленной схеме.

Рис. 2.29

Тракт передачи. Каждый из четырех канальных блоков БК-2М (на схеме показаны только два блока) может обрабатывать до 16 передаваемых цифровых потоков, поступающих через 16 входных интерфейсов на вход блока со скоростью передачи 2048 кбит/с в коде HDB-3 согласно [124]. В блоке БК-2М каждый цифровой поток преобразуется в двоичный сигнал и из него формируется контейнер С-12, затем виртуальный контейнер VС-12 и создается субблок TU-12, как определено в Рекомендации ITU-T G.709 и описано в подразд. 2.2.4. Далее 16 субблоков TU-12 мультиплексируются в промежуточный формат, в котором они в сопровождении сигналов ЦС и СЦС передаются в оба блока управления нагрузкой (БУН А и БУН В). Сигналы, поступающие в БУН из всех канальных блоков БК-2М, последовательно записываются в устройство перекроссирования между портами, однако считываться субблоки TU-12 могут в любом порядке. Так обеспечивается переназначение (переадресация) передаваемых потоков E1. В блоках БУН сигнал нагрузки объединяется с байтами трактового заголовка VC-4 РОH, затем к ним добавляется указатель AU-4 PTR.

Результирующий сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с с нулевыми байтами SOH модуля STM-1 в сопровождении сигналов ЦС и СЦС поступает в оба линейных блока (А и В), которые могут быть оптическими или электронными. В линейных блоках формируются байты заголовка SOH, они вставляются на отведенные им позиции цикла передачи модуля STM-1 и полученный сигнал поступает в оптический или электронный передатчик.

В оптическом передатчике сигнал STM-1 модулирует излучение полупроводникового лазера. В результате на выходе линейного блока образуется оптический ЦЛС, который со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в ООВ линейного кабеля.

В электронном передатчике (на рис. 2.29 не показан) двоичный сигнал STM-1 из кода NRZ преобразуется в линейный код СМI. Этот сигнал подается на вход формирователя линейного сигнала, на выходе которого получаем электрический линейный сигнал с заданными параметрами. Он поступает в коаксиальную цепь линейного кабеля.

Тракт приема. Принимаемый из линейного тракта оптический сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в оптический приемник линейного блока, где поступивший поток фотонов преобразуется в электрический ток, т. е. происходит оптоэлектронное преобразование принятого оптического сигнала. Полученные электрические видеоимпульсы усиливаются и регенерируются, из них выделяется сигнал тактовой частоты 155,52 МГц и осуществляется тактовая синхронизация принимаемых сигналов. Далее из них выделяются и используются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые затем ликвидируются.

Сигналы нагрузки в формате административного блока AU-4 в сопровождении сигналов ЦС и СЦС передаются в устройства блоков управления нагрузкой. Здесь под управлением служебных сигналов указателя AU-4 PTR и заголовка VC-4 РОH сигналы нагрузки обрабатываются, затем указанные служебные сигналы ликвидируются. Полученные субблоки TU-12 перегруппировываются и записываются последовательно в устройство межинтервального обмена, а считываться они могут в любой последовательности, что позволяет переназначать субблоки TU-12. Считывание сигналов TU-12 на общую шину нагрузки происходит под управлением блока контроллера. Далее с общей шины нагрузки сигналы TU-12 в промежуточном формате в сопровождении сигналов ЦС и СЦС выводятся в соответствующие канальные блоки БК-2М, где обрабатываются. Из каждого поступившего субблока TU-12 выделяется указатель TU-12 PTR, который используют для определения точки начала виртуального контейнера VC-12. Из сигналов VС-12 выделяется заголовок VC‑12 РОH, который обрабатывается, а после использования ликвидируется. Полученные двоичные сигналы контейнеров С-12 обрабатываются, из них выделяется сигнал формата E1, который в коде HDB-3 выводится из блока БК-2М и передается потребителю.

Принимаемый из линейного тракта электрический ЦЛС поступает в электронный приемник, где усиливается и регенерируется, из него выделяется сигнал тактовой частоты 155,52 Мгц и далее принятый сигнал обрабатывается, как описано выше.

При использовании блоков ответвления БО-34М (на рис. 2.29 показан один блок) в трактах передачи и приема блоков выполняются преобразования сигналов, аналогичные тем, которые описаны выше для основного трафика.

Для осуществления общего контроля за работой базового мультиплексора и управления его блоками, обрабатывающими трафик, блок контроллера имеет следующие интерфейсы (см. рис. 2.29):

два канала многоцелевых последовательных шин MMSB (Multi Master Serial Bus) - один из них используется для обмена данными контроля и управления между контроллером мультиплексора и блоками, обрабатывающими трафик - это шина контроля MMSBI, а второй - для обмена данными по встроенному каналу управления между контроллером мультиплексора и линейными блоками - это шина данных MMBS2 (обмен выполняется по каналу DCC-R, образованному байтами D1, D2, D3 в заголовке SOH модуля STM-1 - см. подразд. 2.2.3);

интерфейс блока прикрепления Ethernet для связи с системой управления сетью через сеть LAN;

порт RS-232C для подключения местного компьютера;

стандартный сигнализационный интерфейс к шине сигнализации;

интерфейс общего назначения, например, сигнализация при снятии одного из блоков мультиплексора, сигнализация о выходе из строя одного из блоков питания и т. д.

Рассмотрим схемы блоков базового мультиплексора более подробно [92].

2.3.3. Построение схемы канального блока БК-2М

Для обработки 63 цифровых потоков E1 мультиплексор содержит четыре канальных блока БК-2М. В состав каждого блока входят следующие устройства:

шестнадцать интерфейсов 2М с устройствами контроля;

четыре специализированных микропроцессора 2М х 4;

преобразователь кода сигналов из параллельной формы в последовательную и обратно;

контроллер (микроконтроллер) блока БК-2М;

местный синхрогенератор.

Структурная схема канального блока БК-2М приведена на рис. 2.30.

Рассмотрим кратко работу основных устройств блока. Сигналы каждого из 16 цифровых потоков, которые обрабатываются в канальном блоке БК-2М, подаются на входной интерфейс 2М. Входные сигналы, поступающие от потребителя со скоростью передачи 2048 кбит/с, проходят стыковые цепи, затухание которых на полутактовой частоте 1024 кГц нормируется в пределах 0...6 дБ. Поэтому в оборудовании входного интерфейса происходит регенерация поступающего сигнала. Затем выполняется выделение тактовой частоты 2048 кГц и преобразование стыкового кода HDB-3 восстановленного, т. е. регенерированного сигнала в двоичный код NRZ.

С выхода интерфейса 2М двоичный сигнал с тактовой частотой записывается в микропроцессор 2М х 4, который представляет собой интегральную микросхему специального применения ASIC (Application Special Integrated Circuit). Здесь из поступившего сигнала формируется контейнер С-12 и к нему добавляется трактовый заголовок VС-12 РОH с указанием маршрута дальнейшего прохождения контейнера. В результате формируется виртуальный контейнер VС-12. Добавление к нему указателя TU-12 PTR превращает виртуальный контейнер в субблок TU-12 ёмкостью 9x4 байт. Этот указатель занимает фиксированные позиции (биты) в синхронном цикле передачи и определяет положение точки начала сигналов первого VС-12 в сверхцикле из четырех субблоков TU-12.

Сигналы каждого субблока TU-12 размещаются в четырех форматах, каждый из которых имеет размер 9 байт х 63 столбца, что в совокупности образует вторичный формат в структуре цикла передачи STM-1. Так как один субблок TU-12 имеет ёмкость 9 байт х 4 столбца, то в каждом из четырех указанных форматов размещается один столбец (9 байт х 1) сигнала TU-12. Из первых четырех субблоков TU-12 на выходе микропроцессора 2М х 4 № 1 образуется частично заполненный вторичный формат, содержащий по четыре столбца байтов в каждом из четырех форматов, как показано на рис. 2.31. В результате обработки последующих потоков из 16-ти субблоков TU-12 на выходе четырех микропроцессоров 2М х x 4 сформируется частично заполненный вторичный формат, который будет содержать по 16 столбцов байт в каждом из четырех форматов.

В таком частично заполненном формате сигналы поступают на передающую шину трафика, с которой они в параллельном коде считываются в преобразователь кода. В нем выполняется преобразование сигналов в последовательную форму. Сигналы нагрузки выводятся из канального блока БК-2М и в сопровождении сигналов ЦС и СЦС поступают в устройства БУН.

В тракте приема сигналы с выхода БУН в канальный блок БК-2М поступают в последовательной форме. В преобразователе кода они превращаются в параллельную форму и выводятся на приемную шину трафика, с которой в частично заполненных форматах цикла передачи STM-1 считываются в микропроцессоры 2М х 4. В микропроцессорах каждый субблок TU-12 обрабатывается, из него выделяется значение указателя TU-12 PTR, которое используется для определения точки начала виртуального контейнера VC-12. Из сигналов VC-12 выделяются заголовки VС-12 РОH, которые поступают далее на обработку, а затем ликвидируются. В дальнейшем происходит обработка сигналов С-12. Полученные из них двоичные сигналы потоков E1 поступают в выходные интерфейсы, где преобразуются в код HDB-3, нормируются и по стыковым цепям со скоростью передачи 2048 кбит/с подаются потребителю.

Рис. 2.30

Рис. 2.31

Интерфейс 2М имеет устройство контроля выходных сигналов, назначение которого состоит в следующем. При выходе из строя (аварии) любого из микропроцессоров 2М х 4 сигналы на выходах его четырех интерфейсов 2М будут отсутствовать. Получив сигнал об аварии от микропроцессора, интерфейсы 2М переключают свои входные и выходные порты к другому микропроцессору данного канального блока БК-2М. Эта операция вполне корректна, так как каждый микропроцессор практически имеет не четыре, а восемь входных и выходных портов. На схеме, приведенной на рис. 2.30, показано условно, что выходные порты интерфейсов, например, 5-го, ..., 8-го (через устройства контроля) могут быть подключены к микропроцессору 2Мх4 №1. Реально происходит переключение входных и выходных портов интерфейсов. В результате микропроцессор 2М х 4 №1 будет обслуживать 8 интерфейсов. Таким способом осуществляется резервирование микропроцессоров 2М х 4 во всех блоках БК-2М мультиплексоров систем передачи SDH.

Информация о режиме работы (основной или резервный) микропроцессора передается в преобразователь кода (на рис. 2.30 это показано на примере микропроцессора 2М х 4 №1). На указанном рисунке приведены также цепи внутренней INT (Internal) цикловой и сверхцикловой синхронизации. При отказе источника синхросигналов мультиплексора канальный блок БК-2М переключается на местный синхрогенератор. Вся работа канального блока происходит под управлением контроллера блока БК-2М, который через шину контроля связан со всеми устройствами блока.

2.3.4. Построение блока управления нагрузкой

Блок управления нагрузкой является связующим устройством между канальными блоками БК-2М, блоками ответвления БО-34М и линейными блоками А и В, как показано на рис. 2.29. В состав БУН входят шесть двунаправленных интерфейсов с четырьмя канальными блоками и двумя блоками ответвления, а также линейными блоками. Цифровые сигналы между канальными блоками и БУН (в обоих направлениях) переносятся в одном формате, а между БУН и линейными блоками (в обоих направлениях) - в другом, т. е. в указанных различных направлениях сигналы переносятся в различных форматах цикла передачи STM-1.

Выше отмечалось (см. подразд. 2.3.3), что между канальными блоками и БУН сигналы передаются в частично заполненном вторичном формате. При этом сигналы субблоков TU‑12 упакованы в столбцы цикла передачи модуля STM-1, начиная с первого столбца, и не содержат пробелов, как это показано на рис. 2.31. После того, как передаваемые сигналы всех четырех блоков БК-2М объединятся в блоке управления нагрузкой, образуется полностью заполненный (упакованный) вторичный формат полезной нагрузки из 63 субблоков TU-12, которые занимают первые 63 х 4 = 252 столбца в структуре цикла передачи STM-1. При этом указатели TU-12 PTR размещаются отдельно, а последние 18 столбцов цикла передачи STM-1 не задействованы, они содержат FS.

Между БУН и одним или двумя линейными блоками цифровые сигналы предаются в плавающем первичном формате цикла передачи SТМ-1, как показано на рис. 2.32. В этом формате цифровые сигналы представляются в форме AUG с нулевыми байтами SOH модуля STM-1. Оставшиеся 9 столбцов являются FS. Но сигналы в таком формате нужно сформировать. Поэтому, кроме рассмотренных интерфейсов, собственно БУН состоит из двух интегральных специализированных микросхем, или двух интегральных микросхем специального применения ASIC TSI. Каждая из них образует два устройства перекроссирования между портами, или устройства межинтервального обмена TSI (Time Slot Interchange), устройство формирования первичного формата цикла передачи STM-1 в тракте передачи и устройство расформирования первичного формата в тракте приема.

Рис. 2.32

Фрагмент структурной схемы БУН для обработки трафика приведен на рис. 2.33. Прохождение и обработка сигналов между вторичным и первичным форматами (между канальными и линейными блоками) в тракте передачи и между первичным и вторичным форматами (между линейными и канальными блоками) в тракте приема БУН зависят от режима работы мультиплексора.

При работе мультиплексора в оконечном незащищенном режиме сформированный сигнал в упакованном вторичном формате в последовательном порядке записывается в устройство TSI ТХ одного из используемых направлений передачи - А или В. Однако считывание субблоков TU-12 из TSI TX, которое выполняется под управлением контроллера мультиплексора (через микроконтроллер БУН), может происходить в любом порядке. Таким путем в блоке БУН осуществляется переназначение сигналов TU-12, но в данном режиме работы мультиплексора оно не используется. Байты нагрузки, считанные из TSI TX, мультиплексор MUX блока БУН в данном случае проходят формально. В последующих устройствах тракта передачи формируются сигналы трактового заголовка VC-4 POH и указателя AU-4 PTR, которые вставляются на соответствующие места в структуре цикла передачи STM-1, т. е. объединяются с передаваемыми сигналами нагрузки. В результате формируется плавающий первичный формат AU-4 цикла передачи модуля STM-1, как показано на рис. 2.32. Сигналы в этом формате преобразуются в последовательную форму и поступают в линейный блок - А или В.

В тракте приема БУН сигналы, поступающие из линейного блока в плавающем первичном формате, преобразуются из последовательной формы в параллельную. В последующих устройствах обработки принятого сигнала выделяется указатель AU-4 PTR, который используется для определения точки начала VC-4, а затем он ликвидируется. Далее обрабатывается и ликвидируется трактовый заголовок VC-4 РОH. В результате проведенной обработки принятый сигнал превращается в упакованный вторичный формат субблоков TU‑12. Принятые субблоки TU-12 в последующем устройстве пересинхронизируются по отношению к местному сверхциклу и для них формируются новые значения указателей TU‑12 PTR. Полученные субблоки TU-12 в последовательном порядке записываются в устройство межинтервального обмена TSI RX того из направлений (А или В), которое использовалось в тракте передачи. Далее все субблоки TU-12 под управлением контроллера мультиплексора (через микроконтроллер БУН) в параллельной форме выводятся (считываются) на приемную шину нагрузки. С этой шины в последовательной форме соответствующие субблоки TU-12 считываются в свои канальные блоки БК-2М или блоки ответвления БО-34М в частично заполненном вторичном формате цикла передачи модуля STM-1.

Рис. 2.33

Таким образом, в рассмотренном режиме работы мультиплексора используется один двунаправленный интерфейс с одним из линейных блоков - А или В.

При работе мультиплексора в оконечном защищенном режиме или в режиме выделения/вставки используются оба двунаправленных интерфейса с линейными блоками А и В. В режиме выделения/вставки для каждого интерфейса в трактах приема БУН обрабатывает указатель AU-4 PTR и трактовый заголовок VC-4 РОН, синхронизирует принятые субблоки TU-12 к местному сверхциклу с целью обеспечения доступа к любому из субблоков TU-12. Для пересинхронизированных субблоков TU-12 формируются новые значения указателей TU-12 PTR. Некоторые из результирующих субблоков TU-12 в последовательном порядке записываются в свои устройства межинтервального обмена TSI RX A и TSI RX B, которые обеспечивают возможность выделения части субблоков TU-12 путем их считывания на приемную шину нагрузки. Два других устройства межинтервального обмена TSI TX А и TSI TX В в трактах передачи обеспечивают возможность вставки части передаваемых субблоков TU-12 в обоих направлениях передачи - А и В.

Введенные (вставленные) потоки этих субблоков вместе с невыделенными субблоками (не поступившими в TSI RX A и TSI RX В) в мультиплексорах MUX (см. рис. 2.33) объединяются в результирующие цифровые потоки. Для них далее формируются значения трактового заголовка VC-4 РОН и указателя AU-4 PTR, которые вставляются на соответствующие места в структуре цикла передачи STM-1. В результате в обоих направлениях передачи - А и В - формируется плавающий первичный формат АU-4 цикла передачи STM-1. Сигналы далее преобразуются в последовательную форму и передаются в линейные блоки А и В.

Работа схемы и построение мультиплексора в оконечном защищенном режиме мало отличаются от схемы и построения мультиплексора в режиме выделения/вставки. Но при этом необходимо отметить следующие особенности.

В схеме, представленной на рис. 2.33, исчезнут цепи, соединяющие устройства пересинхронизации Синхр. TU-12 с мультиплексорами MUX. В результате передаваемые с данного оконечного пункта сигналы всех 63-х потоков 2М, или потоков E1 будут параллельно вводиться в устройства TSI TX А и TSI TX В для последующей обработки и передачи по основному и резервному линейным трактам. По этим трактам переданные сигналы принимаются на противоположном оконечном пункте. Выбором одного из двух сигналов, принятых по основному и резервному линейным трактам, управляет контроллер мультиплексора. Выбранный сигнал, пройдя обработку в тракте приема БУН, выводится на приемную шину нагрузки. С этой шины в последовательной форме все 63 субблока TU-12 считываются в свои канальные блоки БК-2М или блоки ответвления БО-34М в частично заполненном вторичном формате цикла передачи STM-1.

Кроме рассмотренных выше устройств обработки трафика, в состав блока БУН входит синхрогенератор с частотой 155,52 МГц, который используется для тактовой синхронизации всех устройств мультиплексора.

Синхрогенератор может управляться одним из следующих источников:

внутренним задающим генератором ЗГ с частотой 16,684 МГц;

сигналом от внешнего источника с частотой 2048 кГц;

сигналом канальной синхронизации с частотой 8 кГц.

Последний может быть получен из любого входного первичного сигнала со скоростью передачи 2048 кбит/с или из принятого линейного сигнала со скоростью передачи 155,52 Мбит/с. Структурная схема синхрогенератора приведена на рис. 2.34.

Базовый мультиплексор может быть сконфигурирован на приоритетной основе, чтобы иметь до трех источников синхронизации на выбор. При потере всех трех источников, мультиплексор переходит к резервному (местному) синхрогенератору, который показан на рис. 2.30.

На рис. 2.34 изображена также общая структурная схема БУН, где показаны цепи синхронизации и некоторые другие детали. После рассмотрения схемы, приведенной на рис. 2.33, данная схема особых пояснений не требует, за исключением того, что преобразователи кода на входах и выходах БУН реализованы на специализированных микросхемах и обозначены как ASIC SIRPIT, т. е. последовательный на приеме - параллельный на передаче (Serial in Receive Parallel in Transmit).

В заключение о БУН необходимо сказать следующее. Два блока управления нагрузкой работают в основном/резервном режиме, но активными в любое время являются выходы только одного блока. Если контроллер мультиплексора обнаруживает сбой в работе основного БУН, то он дает команду резервному БУН стать активным (если он, разумеется, исправен). Контроллер мультиплексора при этом также посылает команды соответствующим канальным и линейным блокам: «все сигналы принимать и передавать через резервный БУН».

На схеме, приведенной на рис. 2.29, БУН обозначены В (основной) и А (резервный). По умолчанию, т. е. без команды на переключение, активным всегда является блок В.

Рис. 2.34

2.3.5. Построение линейного блока SLM-1

Линейный блок SLM-1 базового мультиплексора является оконечным оборудованием линейного тракта системы передачи SDH первого уровня. В тракте передачи он обеспечивает:

преобразование передаваемого ЦГС из последовательной формы в параллельную;

формирование заголовка SOH модуля STM-1 и вставку его на соответствующие позиции цикла передачи SТМ-1;

скремблирование результирующего ЦГС;

преобразование скремблированного ЦГС из параллельной формы в последовательную;

электронно-оптическое преобразование скремблированного ЦГС в линейный сигнал с заданными параметрами.

В тракте приема линейный блок SLM-1 выполняет следующие задачи:

преобразование принятого оптического ЦЛС в электрический сигнал, его усиление и регенерацию;

преобразование полученного сигнала из последовательной формы в параллельную;

дескремблирование и синхронизацию сигналов по отношению к циклу передачи модуля STM-1;

обработку байтов заголовка SOH модуля STM-1 и ликвидацию это го заголовка;

пересинхронизацию административного блока AU-4 к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1;

формирование нового значения указателя AU-4 PTR и вставку его на соответствующие позиции;

преобразование сигналов нагрузки АU-4, полученных в плавающем первичном формате, из параллельной в последовательную форму.

В состав линейного блока SLM-1 входят следующие устройства:

два преобразователя сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно;

специализированный процессор - ASIC процессора STМ-1;

электронно-оптический преобразователь, или оптический передатчик (ОПД);

оптоэлектронный преобразователь, или оптический приемник (ОПМ);

контроллер (микроконтроллер) блока SLM-1.

Структурная схема линейного блока SLM-1 приведена на рис. 2.35 [92].

Рис. 2.35

Рассмотрим кратко прохождение сигналов в трактах передачи и приема блока и работу его основных устройств по схеме обработки трафика в устройствах блока SLM-1, представленной на рис. 2.36, где тракты передачи и приема показаны раздельно и более подробно.

Рис. 2.36

Тракт передачи. В блок SLM-1 цифровой групповой сигнал в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с, в плавающем первичном формате поступает из основного и резервного БУН. Выбором основного или резервного сигналов управляет контроллер мультиплексора. Выбранный сигнал преобразуется в параллельную форму и поступает в процессор линейного блока. Здесь происходит формирование заголовка SOH в форме байтов MSOH и RSOH, которые вставляются на соответствующие позиции внутри цикла передачи STM-1. Далее результирующие сигналы скремблируются и преобразуются в последовательную форму. Полученные последовательные сигналы подаются на вход ОПД, в котором происходит электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов. Это достигается путем модуляции источника оптического излучения по интенсивности (по амплитуде).

В результате на выходе ОПД получается последовательность оптических импульсов с заданными параметрами, которая является оптическим цифровым линейным сигналом. Полученный сигнал со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в ООВ линейного кабеля для передачи по линейному тракту.

Тракт приема. Входной ЦЛС из ООВ линейного кабеля со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает на вход ОПМ. В оптическом приемнике в результате фотодетектирования входного потока фотонов выполняется оптоэлектронное преобразование принятого ЦЛС. Полученный электрический сигнал усиливается и регенерируется. Входящий в состав регенератора усилитель-ограничитель обеспечивает независимость оптимума «глаза» диаграммы от амплитуды входных импульсов, что позволяет обрабатывать сигналы, передаваемые по участкам линейного оптического кабеля различной длины. В ОПМ происходит также выделение сигнала тактовой частоты и восстановление тактовой синхронизации принятого ЦЛС. Обработанный сигнал преобразуется в параллельную форму, поступает в процессор блока SLM-1, где дескремблируется. Далее выделяются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые обрабатываются и используются, а затем ликвидируются.

Полученная нагрузка в формате AU-4 пересинхронизируется к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1. Для сигнала нагрузки формируется новое значение указателя AU-4 PTR, который вставляется на соответствующие позиции. Сформированный сигнал нагрузки в плавающем первичном формате выводится из процессора блока STM-1 в параллельной форме, преобразуется в последовательную форму и со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступает в БУН.

Вся работа линейного блока SLM-1 и контроль за его функционированием проходят под управлением контроллера данного блока и контроллера мультиплексора.

2.3.6. Построение блока ответвления БО-34М

Как на оконечных пунктах, так и в пунктах выделения/вставки систем передачи SDH, вместо одного или двух канальных блоков БК-2М могут быть подключены один или два блока ответвления БО-34М соответственно. В тракте передачи каждый блок БО-34М обеспечивает обработку до 16 поступающих из БУН цифровых потоков E1 и передачу их в форме ЦЛС в другой (удаленный) пункт по электрическому или волоконно-оптическому ЦЛТ. В тракте приема блока БО-34М поступивший из удаленного пункта ЦЛС обрабатывается и полученные 16 потоков E1 в частично заполненном вторичном формате цикла передачи STM-1 вводятся в БУН.

В состав БО-34М входят такие основные устройства:

два преобразователя сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно - две интегральные микросхемы ASIC SIRPIT;

устройство межинтервального обмена - интегральная микросхема ASIC TSI;

процессор формирования модуля STM-1 - интегральная микросхема ASIC процессора STM-1;

оптический передатчик или передающий электрический интерфейс;

оптический приемник или приемный электрический интерфейс;

микроконтроллер блока БО-34М.

Рассмотрим кратко обработку трафика в трактах передачи и приема и работу основных устройств по структурной схеме блока БО-34М, приведенной на рис. 2.37.

Рис. 2.37

Тракт передачи. Из основного или резервного БУН сигналы в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в частично заполненном вторичном формате поступают на преобразователь кода, где происходит их преобразование в параллельную форму и запись в устройство межинтервальных обменов передатчика TSI ТХ. Это устройство выполняет переназначение субблоков TU-12, т. е. перегруппировывает их так, чтобы они занимали первые 16 мест в структуре цикла передачи STM-1. Далее байты нагрузки, считанные с TSI TX, дополняются сформированными сигналами трактового заголовка VC-4 РОН и указателя AU-4 PTR (см. рис. 2.33). Результирующий сигнал в параллельной форме поступает в ASIC процессора STM-1. Здесь формируются и вставляются на соответствующие места внутри цикла передачи STM-1 байты заголовка SOH. Полученные сигналы скремблируются, преобразуются в последовательную форму и подаются на вход ОПД или передающего электрического интерфейса. В ОПД происходит электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов. В результате на выходе ОПД образуется оптический ЦЛС с заданными параметрами, который поступает в ООВ линейного кабеля.

При использовании выходного электрического интерфейса передаваемый сигнал в преобразователе кода передачи из двоичного преобразуется в линейный код типа СМI. Такой сигнал поступает в формирователь линейного сигнала, на выходе которого - электрический ЦЛС с заданными параметрами. Этот сигнал через коаксиальный соединитель (коннектор) подается в коаксиальную цепь линейного кабеля.

Тракт приема. Входной ЦЛС может быть оптическим или электрическим. В последнем случае он регенерируется в станционном регенераторе и в преобразователе кода приема из кода СМI превращается в двоичный сигнал. Кроме того, из принятого и регенерированного ЦЛС выделяется сигнал тактовой частоты. При приеме оптического ЦЛС в ОПМ выполняется его оптоэлектронное преобразование. Полученный электрический сигнал усиливается и регенерируется, из него также выделяется сигнал тактовой частоты, по которому восстанавливается тактовая синхронизация принятого ЦЛС. Обработанный сигнал с выхода ОПМ или входного электрического интерфейса преобразуется в параллельную форму и поступает в ASIC процессора STM-1. Далее полученный сигнал синхронизируется по отношению к циклу передачи STM-1 и дескремблируется. Из него выделяются байты заголовка SOH модуля STM-1, которые обрабатываются и используются, а затем ликвидируются. Полученные сигналы нагрузки в формате AU-4 пересинхронизируются к местному синхросигналу цикла передачи STM-1. Для сигнала нагрузки формируется новое значение указателя AU-4 PTR, которое вставляется на соответствующие позиции. С выхода процессора нагрузка в параллельной форме поступает в TSI RX. В TSI приемника выделяются сигналы указателя AU-4 PTR, которые используются для определения точки начала размещения виртуального контейнера VC-4, а затем ликвидируются. Далее выделяются сигналы заголовка VC-4 POH, которые обрабатываются, используются, а затем также ликвидируются. Субблоки TU-12 синхронизируются по отношению к местному сверхциклу, для них формируются новые значения указателей TU-12 PTR. Полученные сигналы записываются в TSI приемника в последовательном порядке, где они перегруппировываются, а затем считываются так, чтобы занимать первые 16 мест в структуре цикла передачи STM-1. Перегруппированные субблоки TU-12 преобразуются в последовательную форму и в частично заполненном вторичном формате со скоростью передачи 155,52 Мбит/с поступают в основной или резервный БУН.

Контроль за работой блока БО-34М и управление им осуществляет КМ через контроллер БО-34М (на рис. 2.37 не показаны).

2.3.7. Построение линейного блока SLM-4

Линейный блок SLM-4 мультиплексора является оконечным оборудованием линейного тракта системы передачи SDH четвертого уровня. Он предназначен для обработки четырех сигналов, которые могут быть плезиохронными сигналами со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, синхронными сигналами со скоростью передачи 155,52 Мбит/с или их комбинацией (см. рис. 2.2, а).

В тракте передачи блок SLM-4 мультиплексирует любые четыре из указаных типов сигналов в ЦГС формата STM-4 и преобразует этот сигнал в ЦЛС, который со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает в волоконно-оптический ЦЛТ.

В тракте приема блок SLM-4 преобразует принятый оптический ЦЛС в электрический ЦГС формата STM-4 и демультиплексирует его на четыре исходных цифровых потока.

Линейный блок SLM-4 спроектирован и разработан для обеспечения плавного управляемого перехода от сети, построенной с использованием систем передачи PDH, к транспортной сети SDH.

Линейный блок SLM-4 состоит из таких устройств:

шесть преобразователей сигналов из последовательной формы в параллельную и обратно - из них 4 преобразователя обрабатывают сигналы со скоростью передачи 155,52 Мбит/с - это ASIC SIRPIT 155M, а два - со скоростью передачи 622,08 Мбит/с - это ASIC SIRPIT 622M ТХ и ASIC SIRPIT 622M RX;

пять специализированных процессоров - из них 4 процессора для обработки сигналов STM-1 (ASIC процессора STM-1) и один - для сигнала STM-4 (ASIC процессора STM-4);

электронно-оптический преобразователь, или ОПД;

оптоэлектронный преобразователь, или ОПМ;

контроллер блока SLM-4.

Структурная схема линейного блока SLM-4 приведена на рис. 2.38.

Рис. 2.38

Рассмотрим кратко прохождение сигналов в трактах передачи и приема блока и работу основных его устройств по схеме обработки трафика в устройствах блока SLM-4, представленной на рис. 2.39, где тракты передачи и приема показаны раздельно.

Тракт передачи. Нагрузка четырех групповых блоков AUG в виде четырех потоков в последовательной форме со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в плавающем первичном формате поступает на входы блока SLM-4, где преобразуется в параллельную форму. Сигнал каждого потока обрабатывается своим процессором STM-1. В них формируются секционные заголовки в форме байтов MSOH и RSOH, которые вставляются на соответствующие позиции внутри всех четырех циклов передачи STM-1.

Рис. 2.39

Далее результирующие сигналы скремблируются и в процессоре STM-4 мультиплексируются по байтам. Несмотря на то, что скремблирование выполняется на уровне сигналов STM-1, достигается необходимое скремблирование сигнала STM-4, которое удовлетворяет рекомендациям ITU-T. При этом в результирующем сигнале цикла передачи STM-4 байты синхронизации переписываются, чтобы сохранить синхронизацию при отказе в работе одного из процессоров STM-1. Затем выполняется проверка сигналов цикла передачи STM-4 на четность с целью обнаружения ошибок, возникших при мультиплексировании. Эта проверка проводится методом BIР-8, что позволяет обнаруживать ошибки в предыдущем цикле передачи. В результате проверки формируется 8-битовая кодовая группа, которая скремблируется и помещается в секционный заголовок SOH (байт B1) STM-1 № 1 следующего цикла передачи. Результирующий сигнал с выхода процессора STM-4 поступает на преобразователь, где превращается в последовательную форму, и далее со скоростью передачи 622,08 Мбит/с подается на вход ОПД. В нем электронно-оптическое преобразование передаваемых сигналов выполняется путем модуляции по интенсивности источника оптического излучения. В результате на выходе ОПД формируется оптический ЦЛС с заданными параметрами, который передается по ООВ линейного кабеля.

Рис. 2.39

Тракт приема. Входящий оптический ЦЛС со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает на вход ОПМ, который выполняет оптоэлектронное преобразование принимаемых сигналов. В состав приемника входят устройства, которые обеспечивают необходимое усиление и регенерацию полученных электрических сигналов, а усилитель-ограничитель обеспечивает независимость оптимума «глаза» диаграммы от амплитуды входных импульсов, что позволяет обрабатывать сигналы, передаваемые по участкам линейного оптического кабеля различной длины. Кроме того, приемник содержит выделитель тактовой частоты, сигналы с выхода которого восстанавливают тактовую синхронизацию полученного ЦГС.

Обработанный в приемнике сигнал далее преобразуется в параллельную форму и поступает в процессор STM-4. Здесь сигналы синхронизируются по отношению к циклу передачи STM-4 и разделяются на четыре потока байтов STM-1, которые поступают на входы четырех процессоров STM-1. В них сигналы дескремблируются, затем из них выделяются байты секционного заголовка SOH STM-1, которые обрабатываются, используются и далее ликвидируются. В каждом процессоре STM-1 полученная нагрузка в формате AU-4 пересинхронизируется к местному сигналу синхронизации цикла передачи STM-1. Для полученных сигналов нагрузки формируются новые значения указателя AU-4 PTR, которые вводятся на соответствующие позиции. Сформированные четыре сигнала нагрузки выводятся из процессоров STM-1 в параллельной форме, преобразуются в последовательную форму и со скоростью передачи 155,52 Мбит/с в плавающем первичном формате поступают в блоки управления нагрузкой.

Функционирование линейного блока SLM-4 и контроль за его работой проходят под управлением контроллера данного блока и контроллера мультиплексора STM-4.

Рассмотренный линейный блок SLM-4 используется при работе мультиплексора STM-4 в оконечном незащищенном режиме. При наличии двух блоков (SLM-4A и SLM-4B) мультиплексор STM-4 может работать в оконечном защищенном режиме или в режиме выделения/вставки. Одним из примеров указанных режимов использования линейных блоков SLM-4A и SLM-4B является мультиплексор TN-4X компании Nortel, работа которого в режиме выделения/вставки показана на рис. 2.40. Он обеспечивает возможность выделения и вставки какого-либо одного из четырех сигналов AUG. В направлении передачи групповой сигнал AUG, выбранный элемент-менеджером или сетевым менеджером, поступает на вход блока SLM-4 (А или В) из основного или резервного БУН. Выбором основного или резервного сигнала управляет контроллер мультиплексора STM-4.

Рис. 2.40

2.4. Сравнительный анализ плезиохронных и синхронных цифровых систем передачи

2.4.1. Плезиохронные цифровые системы передачи и их иерархии

Новые телекоммуникационные технологии стали развиваться в связи с переходом от аналоговых к цифровым методам обработки, коммутации и передачи сигналов различных видов электросвязи. Эти методы основаны на использовании импульсно-кодовой модуляции и мультиплексирования с временным разделением каналов.

Известно, что при использовании цифровых методов обработки сигналов, мультиплексор типа n:l формирует из п входных цифровых последовательностей один выходной поток. Он состоит из повторяющихся групп по п одноименных блоков сигналов (битов, байтов, циклов передачи), сформированных за определенный (заданный) временной интервал. При этом мультиплексор теоретически должен обеспечивать скорость передачи сигналов на его выходе величиной, определяемой выражением п х V, где V - скорость передачи сигналов одного входного потока, которая предполагается одинаковой для всех входных потоков.

Так, например, если в качестве входных потоков используются сигналы ОЦК, скорость передачи которых равна 64 кбит/с, то на выходе одного мультиплексора типа n:l теоретически можно сформировать поток со скоростью передачи п х 64 кбит/с. Если считать этот мультиплексор первым в схеме каскадного соединения из нескольких мультиплексоров второго, третьего и т. д. уровней мультиплексирования типа m:1, 1:1, k:1 и т. д., то можно сформировать различные цифровые иерархические наборы скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют, выбирая различные коэффициенты кратности n, m, 1 и т. д., довести этот процесс мультиплексирования до необходимого уровня, обеспечивающего требуемое число ОЦК на выходе последнего мультиплексора.

Руководствуясь вышеизложенным, к началу 80-х гг. в мире были разработаны три иерархии ЦСП: американская (АИ), европейская (ЕИ) и японская (ЯИ). В первой из них, разработанной в США и принятой в Северной Америке, на выходе мультиплексора первого уровня иерархии была выбрана скорость передачи сигналов 1,554 Мбит/с. Фактически п = = 24, т.е. MUX образует 24 информационных ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с.

Американская иерархия образует следующую последовательность скоростей передачи сигналов на выходе соответствующих мультиплексоров: 1,554; 6,312; 44,736 и 274,176 Мбит/с. С учетом скорости передачи сигналов в ОЦК это соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п = 24, т = 4, i = 7, k = 6, что позволяет образовывать 24, 96, 672 и 4032 ОЦК соответственно.

В европейской иерархии, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве первичной была выбрана скорость передачи сигналов 2,048 Мбит/с. Здесь первичный мультиплексор формально имеет п = 32, из которых 30 ОЦК являются информационными, а два ОЦК обеспечивают передачу различных служебных сигналов (синхронизации, сигнализации, управления и т. д.). Эта иерархия образует следующую последовательность скоростей передачи сигналов: 2,048; 8,448; 34,368; 139,264 и 564,992 Мбит/с. Указанным скоростям передачи соответствует ряд коэффициентов мультиплексирования: п = 32, т = 4, k = 4, р = 4, т. е. здесь коэффициенты мультиплексирования выбраны одинаковыми и кратными двум. Указанная иерархия позволяет образовывать 30,120,480,1920 и 7680 ОЦК соответственно.

В японской иерархии на выходе MUX первого уровня принята скорость передачи цифровых сигналов 1,554 Мбит/с. Однако данная иерархия, в отличие от американской, образует другую последовательность скоростей передачи сигналов: 1,544; 6,312; 32,064; 97,728 и 397,200 Мбит/с. С учетом скорости передачи сигналов в ОЦК это соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: п - 24, т = 4, i = 5, k = 3, р = 4, что позволяет образовывать 24, 96, 480, 1440 и 5760 ОЦК соответственно.

Принято считать ОЦК нулевым уровнем цифровой иерархии. Во всех трех иерархиях - американской, европейской и японской - мультиплексоры первого, второго, третьего и т. д. уровней иерархии образуют соответствующие цифровые каналы, например: мультиплексор первого уровня образует первичный цифровой канал (ПЦК), который имеет скорости передачи сигналов T1 = 1,554 Мбит/с (АИ, ЯИ) или Е1 = 2,048 Мбит/с (ЕИ); мультиплексор третьего уровня образует третичный цифровой канал (ТЦК), который имеет скорости передачи сигналов Е3 = 34 368 кбит/с (ЕИ) или T3 = 44 736 кбит/с (АИ) и т. д.

Уровни рассмотренных иерархий, соответствующие им скорости передачи и образуемое ими число ОЦК сведены в представленную ниже табл. 2.2 [85].

Таблица 2.2

Уровни иерархий	Скорости передачи (кбит/с) / образуемое число ОЦК, соответствующие различным иерархиям
Уровни иерархий	АИ	ЕИ	ЯИ
0	64/1	64/1	64/1
1	1544/24	2048/30	1544/24
2	6312/96	8448/120	6312/96
3	44736/672	34368/480	32064/480
4	274176/4032	139264/1920	97728/1440
5	-	564992/7680	397200/5760

Американская, европейская и японская иерархии ЦСП условно показаны также на рис. 2.41, а, б, в соответственно, где приведены скорости передачи сигналов, уровни иерархий и коэффициенты мультиплексирования [108]. Указанные иерархии ЦСП известны под общим названием как PDH.

Рис. 2.41

Одновременное существование трех различных иерархий ЦСП с различными коэффициентами мультиплексирования и различными скоростями передачи сигналов не могло способствовать успешному развитию глобальных телекоммуникаций в мире в целом. Поэтому Комитетом по стандартизации ITU-T были предприняты попытки по унификации иерархий и возможному их объединению. В результате были разработаны Рекомендации ITU-T G.702 [123], согласно которым:

1) стандартизированы три первых уровня АИ, четыре уровня европейской и четыре уровня японской иерархий в качестве основных; указаны варианты путей (схем) кросс-мультиплексирования сигналов этих иерархий, например, из европейской иерархии в американскую и японскую иерархии (с первого уровня на вторые), с третьих уровней американской и японской иерархий на четвертый уровень европейской иерархии, как показано на рис. 2.42; здесь же приведены коэффициенты мультиплексирования на соединительных линиях между МUX, внутри которых вписаны скорости передачи сигналов на выходе данного мультиплексора;

2) последние уровни американской (274 Мбит/с), европейской (565 Мбит/с) и японской (397 Мбит/с) иерархий не рекомендованы в качестве стандартных;

3) сохранена схема мультиплексирования 32 → 98 Мбит/с в японской иерархии, уровень 32 064 кбит/с фактически соответствует уровню 34 368 кбит/с европейской иерархии, что облегчает кросс-мультиплексирование сигналов между иерархиями.

Рис. 2.42

Рекомендация ITU-T G.702 по плезиохронным иерархиям ДСП отмечена на рис. 2.41 (сплошные линии), где также приведены (рис. 2.41, г) рекомендации по унификации этих иерархий.

Необходимо отметить, что отсутствие в Рекомендации ITU-T G.702 какого-либо уровня иерархии ЦСП вовсе не означает невозможность его использования. Так, например, в России в начале 90-х гг. разработан комплекс оборудования плезиохронной пятиричной волоконно-оптической ЦСП типа «Сопка-5» со скоростью передачи сигналов 565 Мбит/с, который планировалось использовать на участке Москва - Находка магистральной Транссибирской линии передачи протяженностью около 10 000 км [49].

2.4.2. Особенности построения и недостатки плезиохронных цифровых систем передачи

При построении ЦСП плезиохронной иерархии в мультиплексорах первого уровня применяется метод мультиплексирования с чередованием байтов, или октетов. На приемной стороне принципиально необходимо иметь возможность идентификации (определения местоположения) байтов каждого ОЦК в первичном цифровом потоке Е1. Для этого используют жесткую цикловую синхронизацию между DMUX приемника противоположной станции и MUX передатчика данного пункта путем формирования и передачи легко идентифицируемой синхрогруппы, которая фактически занимает отдельный канальный интервал в структуре цикла передачи первичного цифрового потока.

Казалось бы, что можно и далее в мультиплексорах второго и более высоких уровней иерархии использовать синхронное мультиплексирование входных потоков. Однако, учитывая, что общая синхронизация входных цифровых потоков, поступающих на MUX от разных пользователей, отсутствует, в мультиплексорах второго и более высоких уровней иерархии используется метод мультиплексирования с чередованием битов, а не байтов. При этом методе MUX, например, второго уровня ЕИ формирует выходную последовательность со скоростью передачи 8,448 Мбит/с путем чередования битов четырех различных входных цифровых потоков, поступающих на его вход с одинаковыми скоростями передачи 2,048 Мбит/с.

Так как MUX с чередованием битов не имеет специальных сигналов, которые могли бы быть использованы для определения позиции бита каждого входного потока, а скорости передачи входных сигналов различных потоков могут не совпадать (Е1 = 2,048 (1 ± 3 х 10^-5) Мбит/с), то при этом используется внутренняя побитовая (тактовая) синхронизация, при которой MUX сам выравнивает скорости передачи сигналов входных потоков. Это выравнивание (согласование) скоростей передачи может быть положительным, когда оно осуществляется путем удаления битов из входных сигналов, имеющих большие скорости передачи.

Возможен также второй вариант согласования скоростей передачи сигналов входных потоков, когда в эти сигналы, имеющие меньшие скорости передачи, добавляется нужное число выравнивающих битов. Такое выравнивание скоростей передачи называется отрицательным. И, наконец, возможен третий, положительно-отрицательный вариант согласования скоростей передачи входных сигналов, когда сочетаются оба процесса удаления/добавления выравнивающих битов [83].

Благодаря применению метода согласования скоростей передачи сигналов входных потоков, на выходе MUX с чередованием битов получается синхронизированная цифровая последовательность. Информация о местоположении удаленных/добавленных выравнивающих битов по специальному каналу согласования скоростей в структуре цикла передачи выходного потока передается на противоположную станцию. Здесь они удаляются/добавляются при демультиплексировании сигналов для восстановления принятых первичных цифровых потоков.

На последующих (третьем и четвертом) уровнях иерархии метод мультиплексирования с чередованием битов повторяется. При этом на каждом уровне добавляются/удаляются новые выравнивающие биты, которые на приеме при демультиплексировании также удаляются/добавляются соответственно для восстановления исходных цифровых потоков.

Рассмотренный процесс передачи цифровых сигналов получил название плезиохронного, т. е. почти синхронного. Поэтому цифровые иерархии АИ, ЕИ и ЯИ называются плезиохронными цифровыми иерархиями, а образованные этими иерархиями ЦСП называются плезиохронными.

Использование в технологии плезиохронных ЦСП скорости передачи сигналов 140 Мбит/с даже в самом простом варианте обеспечения связи - связь между двумя пунктами (топология сети «точка-точка»), тракт прохождения сигналов, например, для ЕЙ должен содержать три уровня мультиплексирования на передающей стороне (2 → 8, 8 → 34 и 34 → → 140) и три уровня демультиплексирования сигналов на приемной стороне. Такая схема имеет достаточно сложную аппаратурную реализацию.

Однако новые достижения в области микроэлектроники привели к существенному удешевлению цифровой аппаратуры. Кроме того, в качестве среды передачи цифровых сигналов в системах передачи PDH все большее распространение получают ООВ, которые позволяют иметь длину участка регенерации 100 км и более. В итоге плезиохронные ЦСП получили значительное распространение на магистральных, зоновых и местных, особенно городских, сетях телефонной связи. Они позволили образовать и использовать большое количество каналов со скоростью передачи 64 кбит/с (см. табл. 2.2) для передачи сигналов цифровой высококачественной телефонной связи. Одновременно эти каналы все больше стали использоваться также и для передачи данных, особенно в банковских сетях с протоколами пакетной коммутации. Предполагали, что за счет привлечения новой мощной группы пользователей технология систем передачи PDH получит дальнейшее развитие. Но этого не произошло. На этапе возросших к ней требований технология плезиохронных ЦСП продемонстрировала свою негибкость и ряд других серьезных недостатков [77,85,95].

Основной недостаток систем передачи PDH состоит в том, что использование в них выравнивания битов делает крайне затруднительным выделение, например, цифрового потока ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с или первичного цифрового потока со скоростью передачи 2,048 Мбит/с, «зашитых» в поток со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, без полного демультиплексирования, или полной «расшивки» этого потока и удаления выравнивающих битов. Одно дело передавать высокоскоростной цифровой поток между пунктами междугородной и международной сетей связи, «сшивая» и «расшивая» его достаточно редко, и совсем другое - связать с помощью системы PDH, например, ИКМ-1920 несколько пунктов, расположенных между двумя пунктами доступа. Например, на цифровой линии передачи Киев - Одесса находится около 20 промежуточных пунктов, в которых осуществляется выделение и вставка по несколько цифровых потоков со скоростью передачи 2,048 Мбит/с [87]. В этом случае довольно часто необходимо выделять первичные цифровые потоки из четверичного цифрового потока, передаваемого со скоростью передачи 139,264 Мбит/с, чтобы завести их на узел связи промежуточного пункта, и вставлять первичные цифровые потоки, сформированные на узле связи промежуточного пункта, в структуру цикла передачи четверичного цифрового потока. Осуществляя такие выделения/вставки в каждом промежуточном пункте в обоих направлениях передачи, приходится проводить достаточно сложную операцию трёхуровневого демультиплексирования сигналов системы передачи PDH с удалением/добавлением выравнивающих битов на 2, 3 и 4-м уровнях в трактах приема и последующего трехуровневого мультиплексирования сигналов с добавлением/удалением новых выравнивающих битов на всех трех уровнях в трактах передачи.

Схема такой операции для промежуточного пункта с односторонним выделением/вставкой одного первичного цифрового потока приведена на рис. 2.43 [77].

Рис. 2.43

Рассмотрим недостатки плезиохронных ЦСП более подробно.

1. При наличии большого числа промежуточных пунктов с выделением/вставкой цифровых потоков для аппаратурной реализации всех задач потребуется большое количество мультиплексоров. В результате эксплуатация такой системы передачи становится экономически невыгодной.

Таким образом, использование плезиохронного способа мультиплексирования для получения высокоскоростных цифровых потоков приводит к громоздким и малонадежным техническим решениям. Доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам затруднен, для их ответвления и транзита вначале необходимо многоступенчатое демультиплексирование принятого ЦГС, а затем вновь - формирование передаваемого ЦГС, т. е. многоступенчатое мультиплексирование компонентных цифровых потоков. Кроме того, при нарушениях синхронизации ЦГС сравнительно большое время тратится на многоступенчатое восстановление синхронизации компонентных потоков.

2. Другое слабое место систем передачи и сетей технологии PDH - крайне ограниченные возможности в образовании каналов служебной связи для контроля и управления цифровыми потоками в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне необходимо в сетях передачи данных.

Рекомендация ITU-T G.703, описывающая физические и электрические параметры иерархических цифровых интерфейсов, вообще не предусматривает трактовые заголовки, необходимые для обеспечения маршрутизации. Поскольку отсутствуют специальные средства маршрутизации при формировании циклов и сверхциклов передачи сигналов плезио-хронных ЦСП. то увеличивается вероятность ошибки в отслеживании «истории» текущих переключений (при возрастании числа мультиплексирований и переключений цифровых потоков во время их маршрутизации). Значит, увеличивается и возможность «потерять» сведения не только о текущем переключении, но и его «истории» в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика.

Так, существенное достоинство плезиохронного метода мультиплексирования - небольшая «перегруженность заголовками» - практически оборачивается еще одним серьезным недостатком, если возникает необходимость в развитой маршрутизации, вызванной использованием систем передачи PDH в сетях передачи данных [77].

3. Линейные тракты плезиохронных ЦСП имеют ограниченную пропускную способность. Самая высокая скорость передачи сигналов в них, которая не утверждена Рекомендацией ITU-T G.702 (см. рис. 2.41), равна 565 Мбит/с. Это приводит к крайне неэффективному использованию наиболее дорогостоящего звена в цепи передачи сигналов между пунктами доступа - оптических волокон линейного кабеля, особенно одномодовых. Кроме того, отмеченный недостаток порождает другой: линейные тракты систем передачи PDH сдерживают развитие новых широкополосных услуг, таких как интерактивное телевидение, видеоконференцсвязь, доступ к обширным информационным банкам и др., которые требуют применения на сети трактов с высокой пропускной способностью (сотни мегабит в секунду и единицы, десятки гигабит в секунду) [105].

В системах передачи PDH оптические интерфейсы не стандартизированы. Пользуясь этим, каждый производитель плезиохронных ЦСП пытается по-своему расширить ограниченные возможности циклов передачи плезиохронных сигналов по передаче служебных символов для управления путем введения их непосредственно в оборудование линейного тракта. Это порождает массу проблем, в том числе и в управлении, которое в таком случае предоставляет очень ограниченный набор возможностей. В основном они сводятся к функциям контроля, которые не нашли широкого распространения. Но главная проблема состоит в том, что построить какую-либо систему передачи PDH, например третичной иерархии с использованием линейного оборудования различных производителей, практически невозможно, что затрудняет сетевое взаимодействие [42].

Аппаратура плезиохронных ЦСП предназначена для обеспечения связи между двумя пунктами доступа, т. е. в топологии «точка-точка». Она не имеет оборудования выделения/вставки и кросс-коннекторов, следовательно, совершенно не пригодна к использованию в кольцевых топологиях сети, в топологиях узловой и линейной сетей с пунктами выделения/вставки для построения современной разветвленной сети общего пользования. В системах передачи PDH изменение конфигурации оборудования данного пункта выполняется на аппаратурном уровне, т. е. заменой ТЭЗ (плат), блоков, физическими переключениями аппаратуры и трактов, другими ручными операциями.

В плезиохронных ЦСП крайне низкий уровень стандартизации и унификации аппаратуры, что затрудняет применение таких новейших технологий, как флеш-память, компоненты с поверхностным монтажом и специализированные СБИС, а также проведение современных программных методов мониторинга и управления оборудованием на сети с использованием распределенных логических функций и индивидуальных микропроцессоров [163].

Для построения линейных трактов систем передачи PDH используются разнотипные (симметричные и коаксиальные) кабели с металлическими проводами и волоконно-оптические (многомодовые и одномодовые) кабели. При этом ЦСП одной и той же иерархии в зависимости от типа используемого линейного кода имеют различные скорости передачи цифровых сигналов в линейном тракте. Для примера в табл. 2.3 приведены скорости передачи ЦЛС различных типов плезиохронных ЦСП третичной иерархии [21].

Из таблицы следует, что третичные ВОСП различных типов имеют разные скорости передачи ЦЛС. Но даже там, где эти скорости передачи одинаковые, как, например, в ЦСП типа «Сопка-3М» и «Сопка-Г», они имеют различные типы линейного кода, что не способствует взаимодействию таких ЦСП на сети.

Некоторые особенности и недостатки плезиохронных ЦСП не присущи этой технологии, а являются результатом хода истории развития ЦСП, но, тем не менее, они существуют [77].

Таблица 2.3

Тип ЦСП	Тип линейного кода	Скорость передачи ЦЛС, Мбит/с	Примечание
ИКМ-480	HDB-3	34,368	Коаксиальный кабель
«Сопка-3» (ВОСП-480)	5В6В	41,2416	Многомодовые волокна оптического кабеля
«Сопка-3М» (ВОСП-480М)	2В4В	68,736	Одномодовые волокна оптического кабеля
«Сопка-Г» (ИКМ-480-5)	1В2В	68,736	Одномодовые волокна оптического кабеля

Для устранения недостатков и обеспечения возможности функционирования систем передачи PDH в современном окружении в них внесены некоторые изменения. Например, разработаны новые циклы передачи и их структуры для сигналов первичных, третичных и четверичных цифровых трактов плезиохронных ЦСП европейской иерархии, которые представлены в Рекомендациях ITU-T G.804 и G.832 и стандарте ETSI ETS 300 337. Длительности циклов передачи сигналов, передаваемых в третичном и четверичном трактах, увеличены также до 125 мкс. Сформированы новые структуры этих циклов передачи, они содержат служебные сигналы (заголовки, указатели), аналогичные тем, которые приняты в системах передачи SDH. Это обеспечивает соответствующий контроль качества передачи сигналов и функции систем обслуживания в трактах плезиохронных ЦСП. Теперь по третичному тракту ЕИ, имеющему прежнюю скорость передачи 34,368 Мбит/с, но новую структуру цикла передачи сигналов, можно передавать 14 субблоков TU-12, а по четверичному тракту - 20 групповых субблоков TUG-2 или комбинацию «5TUG-2 + 2TUG‑3». Новые циклы передачи для сигналов первичных, третичных и четверичных цифровых трактов плезиохронных ЦСП европейской иерархии рассчитаны также и на передачу сигналов ячеек ATM [42].

На современной телекоммуникационной сети плезиохронным ЦСП в основном отведены функции доставки сигналов потребителей к узлам связи транспортной сети SDH.

2.4.3. Особенности синхронных цифровых систем передачи

Указанные и другие недостатки систем передачи PDH привели к тому, что в настоящее время эти системы абсолютно неспособны реагировать на новые требования потребителей к их обслуживанию. Желание преодолеть указанные недостатки систем передачи PDH и, тем самым, попытаться устранить создаваемые потребителями проблемы привело исследовательские группы всех основных авторитетов мира в области связи к достижению соглашения по выработке рекомендаций для новой концепции в области телекоммуникаций. Предложения ITU-Т сводились к тому, чтобы в новой концепции были решены следующие основные задачи:

систематизировать иерархические ряды скоростей передачи цифровых сигналов региональных стандартов и продолжить новый иерархи ческий ряд скоростей передачи за пределы ряда систем передачи PDH;

разработать новую структуру циклов передачи ЦГС, которая имела бы достаточное количество служебных сигналов, позволяющих обеспечивать управление потоками цифровых сигналов в сети любой сложности и осуществлять развитую маршрутизацию потоков;

предусмотреть возможность определения места любого компонентного потока в структуре цикла передачи ЦЛС, а значит, обеспечивать возможность выделения/вставки цифровых потоков в промежуточных пунктах доступа без необходимости проводить сложное демультиплексирование/мультиплексирование потоков соответственно;

разработать стандартные интерфейсы, которые должны обеспечивать соединение (стыковку) однотипного оборудования систем передачи, выпускаемого различными фирмами-производителями.

В ходе решения сформулированных задач в ANSI при Комитете T1 разработчики новой модели построения ЦСП предложили:

использовать мультиплексирование компонентных потоков с чередованием байтов, а не плезиохронную передачу этих потоков с чередованием битов;

положить в основу первого уровня иерархии новой концепции скорость передачи 50,688 Мбит/с, т. к. она позволяет продолжить ветвь АИ, т. е. 1,544 → 6,312 → 44,736 Мбит/с, последний уровень которой может быть преобразован в первый уровень новой иерархии путем добавления необходимых служебных сигналов;

включить в иерархию новой концепции достаточное число уровней и принять кратность последующих уровней иерархии равной номеру уровня, т. е., например, третий уровень будет иметь скорость передачи 3 х 50,688 Мбит/с = 152,064 Мбит/с;

использовать известный метод последовательных вложений цифровых сигналов, предложив технологию виртуальных контейнеров, их упаковки и транспортировки; предложенная технология дает возможность загружать в УС и транспортировать в них циклы передачи сигналов плезиохронных ЦСП с различными скоростями передачи;

применять в линейных трактах ЦСП новой иерархии в качестве среды передачи только ООВ оптических кабелей.

В результате реализации указанных предложений была разработана новая концепция - синхронная цифровая иерархия, или синхронная оптическая сеть SONET. Первоначально появление и развитие SONET в США не вызвало существенного интереса со стороны ETSL. Однако, когда стандарт SONET был доведен до ITU-T и рекомендован им в качестве международного без ETSI, отношение к SONET со стороны Европы резко изменилось.

Вскоре в ETSI была разработана аналогичная синхронная цифровая иерархия SDH. В последней были реализованы практически все (за исключением второго), изложенные выше предложения разработчиков при Комитете T1. В системах передачи SDH в качестве основного (первичного) формата синхронного ЦГС был принят синхронный транспортный модуль STM-1, имеющий скорость передачи 155,52 Мбит/с (в SONET первый уровень иерархии имел скорость передачи 50,688 Мбит/с). Модуль SТМ-1 позволяет мультиплексировать сигналы плезиохронных систем передачи ЕЙ со всеми скоростями передачи: 2,048; 8,448; 34,368 и 139,264 Мбит/с.

Таким образом, появились два региональных стандарта для систем передачи и сетей синхронной цифровой иерархии. Представители большинства исследовательских групп в ITU-Т понимали, что принятие рекомендаций относительно систем передачи SDH будет самым лучшим ответом на требования потребителей. Однако следовало учитывать, что наличие двух региональных стандартов не будет способствовать международному взаимодействию в области телекоммуникаций. Первый уровень иерархии SONET, имеющий скорость передачи 50,688 Мбит/с, совершенно не приспособлен для работы со скоростью передачи сигналов 2,048 Мбит/с, а также не обеспечивает взаимодействие со скоростью передачи сигналов 139,264 Мбит/с.

Для достижения компромисса Комитет T1, отказавшись от сигналов со скоростью передачи 50,688 Мбит/с, в качестве первого уровня иерархии систем передачи SONET принял скорость передачи 51,84 Мбит/с. Теперь STM-1 (скорость передачи 155,52 Мбит/с), предложенный ETSI для европейской версии SDH, с одной стороны, обрабатывает новую скорость передачи SONET, т.к. 3x51,84 Мбит/с = 155,52 Мбит/с, а с другой - включает в схему мультиплексирования систем передачи SDH максимальную скорость передачи ветви европейской плезиохронной иерархии - 139,264 Мбит/с. Новая синхронная цифровая иерархия получила название SDH.

В итоге, совместными усилиями в ITU-T было достигнуто соглашение по выработке рекомендаций для синхронной цифровой иерархии SDH, представляющей единый мировой стандарт для транспортирования цифровых сигналов.

Цифровые системы передачи, разработанные и используемые на сетях связи до появления технологий SONET и SDH, являются, по существу, асинхронными системами, так как не используют внешнюю синхронизацию от центрального опорного генератора (источника синхронизации). В асинхронных (плезиохронных) ЦСП потеря битов, или невозможность их точной локализации, приводит не только к потере части полезной нагрузки, но и к нарушению синхронизации. На приемной стороне системы передачи проще выбросить неверно полученные сигналы нескольких циклов передачи, чем восстановить синхронизацию с повторной передачей потерянного фрагмента сигналов, как это делают, например, в локальных сетях. Это означает, что указанный фрагмент сигналов теряется безвозвратно.

В синхронных системах передачи, благодаря использованию центрального источника синхронизации (таймера) с точностью не хуже 10^-9, средняя частота всех местных таймеров или одинакова (синхронна), или близка к синхронной. В этой ситуации проблема необходимости выравнивания циклов или сверхциклов передачи не стоит так остро, как в плезиохронных системах передачи.

К сожалению, метод синхронного мультиплексирования сигналов ОЦК, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с, невозможно реализовать на первом уровне систем передачи PDH из-за большого фазового дрожания (Wander), или сдвига частоты, что может иметь место в плезиохронной международной коммутируемой сети. Хотя все оборудование обработки сигналов, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с, спроектировано и разработано на минимизацию конечных сдвигов частот посредством введения управляемого (положительного, отрицательного или положительно-отрицательного) сдвига, однако это приводит к потере фрагментов сигналов нагрузки.

Системы передачи SDH не связаны с мультиплексированием отдельных сигналов ОЦК, следующих со скоростью передачи 64 кбит/с. Они спроектированы так, чтобы обеспечивать синхронное мультиплексирование плезиохронных потоков без потерь части сигналов нагрузки. Система передачи SDH только определяет размещение (Mapping) байтов входных плезиохронных потоков на указанных позициях циклов передачи VC. Но это не изменяет характер метода мультиплексирования потоков ОЦК в системах передачи PDH первого уровня.

Следующей существенной особенностью систем передачи SDH является наличие указателей начала определенного фрагмента сигнала, например, первичного цифрового потока El в структуре цикла передачи более высокого уровня. Использование указателей позволяет гибко компоновать внутреннюю структуру контейнера-носителя. Сохранение указателей в заголовке цикла передачи и их дополнительная защита, например, кодами с коррекцией ошибок, дает возможность получить надежную систему локализации внутренней структуры сигналов передаваемой полезной нагрузки. У каждого передаваемого потока есть свой указатель.

При помощи указателей и принципа синхронного побайтового мультиплексирования можно определить положение (место) любого потока в структуре передаваемого сигнала и выделить его из этой структуры в любой момент времени практически в любой точке сети SDH.

Указанные и другие особенности систем передачи SDH позволяют сделать вывод о том, что они имеют ряд преимуществ перед плезиохронными ЦСП.

2.4.4. Преимущества систем передачи и сетей SDH перед плезиохронными цифровыми системами передачи

В настоящее время основные проблемы передачи информации на любые (в пределах Земли) расстояния с практически неограниченной скоростью передачи можно считать решенными. К решенным проблемам относят [54]:

создание универсальной среды передачи в виде ООВ, обеспечивающих малую зависимость расстояния между приемной и передающей частями аппаратуры разных пунктов доступа от скорости передачи оптических сигналов;

разработка методов формирования и передачи сигналов, а также соответствующей аппаратуры, которые позволяют на развитой сети обходиться без необслуживаемых регенераторов, в технике проводной связи появилось новое понятие - однопролетная линия [3];

создание универсальной многофункциональной аппаратуры в виде базового синхронного мультиплексора с программным управлением, который может конфигурироваться как ТМ, DIM, кросс-коннектор, SLM и регенератор;

увеличение пропускной способности построенных волоконно-оптических линий передачи без дополнительного капитального строительства путем замены аппаратуры, т. е. мультиплексоров пунктов доступа;

применение на сети программных средств управления, которые осуществляют постоянный автоматический контроль за её функционированием, локализацию возникающих неисправностей элементов сети и автоматическую маршрутизацию трафика по резервным трактам, управление конфигурацией сети и её элементами, а также другие функции управления и обслуживания.

Эти решения стали возможны благодаря созданию и широкому внедрению на сетях связи технологии SDH, которая является очередным этапом эволюции ЦСП. В 90-х гг. в развитых странах оборудование систем передачи SDH на всех участках телекоммуникационных сетей стало основным, а сети связи стали называться цифровыми транспортными сетями. Такое стремительное (см. подразд. 1.2.1) и повсеместное внедрение технологии SDH объясняется преимуществами систем передачи и сетей SDH перед плезиохронными ЦСП. Основные из этих преимуществ приводятся ниже:

1. Применение синхронного мультиплексирования плезиохронных цифровых потоков при формировании структуры циклов передачи STM-1 и последующего синхронного мультиплексирования этих потоков при формировании модулей STM-N (N = 4, 16, 64, 256), что обеспечивает:

а) упрощение техники мультиплексирования (демультиплексирования) по сравнению с плезиохронными ЦСП [164];

б) доступ к компонентным цифровым потокам и возможность их выделения/вставки в любом пункте линейного тракта практически без преобразований всего массива передаваемой полезной нагрузки [34,164];

в) применение кросс-коннекторов в трактах различного порядка согласно планируемой конфигурации транспортной сети [59, 163].

2. Высокая эффективность использования оборудования линейного тракта, которая достигается:

а) применением в качестве среды передачи ООВ, параметры которых обеспечивают длину участка регенерации порядка 100... 120 км без оптических усилителей и порядка 600...800 км при их включении в линейный тракт [80,105];

б) переходом к передаче по линейному тракту в основном сигналов высокоскоростных цифровых потоков, сформированных в мультиплексорах SDH верхних уровней иерархии, т. е. транспортных модулей STМ-64 и STM-256 со скоростями передачи 10 и 40 Гбит/с соответственно [43, 78];

в) использованием технологии DWDM, которая уже сегодня позволяет в диапазоне длин волн 1530... 1612 нм одного волокна образовать 192 оптических тракта (канала) и одновременно передавать по ним сигналы уровня STM-64, что составляет суммарную пропускную способность волокна 1920 Гбит/с - это продукт типа CoreStream компании Ciena или другой пример: система передачи типа OPTera 1600G компании Nortel, обеспечивающая пропускную способность одного волокна 1600 Гбит/с [84].

3. Аппаратура систем передачи SDH многофункциональна и имеет высокую степень унификации. Её основу составляет базовый синхронный мультиплексор, который представляет собой стандартный блок и комплект ТЭЗ, обеспечивающих сопряжение между электрическими и оптическими трактами, а также кроссовую коммутацию. Такое построение аппаратуры позволяет [163]:

а) задавать конфигурацию любого элемента системы передачи SDH (терминального мультиплексора, кросс-коннектора, регенератора и т. д.) в каждом конкретном случае путем выбора определенных ТЭЗ, благодаря чему система передачи SDH всегда будет соответствовать постоянно растущим потребностям оператора сети SDH;

б) легко преобразовать один элемент системы передачи SDH в другой, например, ТM в DIM или локальный (местный) кросс-коннектор, для чего достаточно добавить соответствующие интерфейсы и изменить конфигурацию с помощью программных средств управления.

4. Возможность централизованного дистанционного мониторинга и управления всеми элементами сети SDH. Для этих целей в структуре цикла передачи модуля STM-1 (заголовки RSOH и MSOH) выделены байты D1...D12, которые образуют каналы служебной связи с общей скоростью передачи 768 кбит/с. По этим каналам от централизованной системы управления ко всем элементам сети (мультиплексорам, кросс-коннекторам, регенераторам) и обратно передается управляющая информация. Система управления предоставляет не только все возможности по конфигурированию сетевых элементов, отслеживанию и регистрации аварий, сбору статистики, но и обеспечивает управление на сетевом уровне [23]:

а) контролирует состояние элементов сети, устанавливает постоянные соединения между любыми конечными точками и в случае повреждения основных маршрутов может даже перераспределять трафик по обходным маршрутам;

б) следит за работоспособностью трактов и каналов, контролирует прохождение по ним (по сети) «контейнеров» и «модулей», обеспечивает качество обслуживания «от абонента до абонента»;

в) организовывает управление сетью (реконфигурация, функции самовосстанавливающейся сети при авариях), что создает предпосылки для достижения высокой надежности и живучести сети.

Все это означает, что сети SDH являются полностью программно управляемыми [95].

В рамках технологии SDH разработаны не только новая иерархия скоростей передачи сигналов и схемы мультиплексирования цифровых потоков, но и перспективная концепция построения и развития сетей связи. Синхронные мультиплексоры (терминальные, выделения/вставки) и кросс-коннекторы конструктивно обеспечивают поддержку таких сетевых топологий, как узловая сеть, линейная сеть с пунктами выделения/вставки, кольцевая топология сети и др. И, что самое важное, разработаны эффективные и полностью автоматические механизмы защиты, действующие сразу на нескольких уровнях, автоматическое переключение на резервный линейный тракт, что повышает надежность и живучесть сетей SDH.

6. Транспортная сеть SDH имеет четкое послойное строение, она содержит три сетевых слоя: каналов, трактов и среды передачи. Самый верхний слой образует сетевой слой каналов, обслуживающий собственно пользователей. Группы каналов объединяются в групповые тракты, которые образуют сетевые слои трактов высшего и низшего порядков – это средний слой. Групповые тракты организуются в линейные тракты, относящиеся к нижнему слою - сетевому слою среды передачи, построение которого зависит от среды передачи (ООВ или РРЛ). Этот слой подразделяется на слой секций и слой физической среды, первый из которых делится на слои мультиплексных и регенерационных секций. Каждый слой имеет определенные точки доступа и свои средства контроля, управления и оперативного переключения.

Деление по сетевым слоям и их автономность позволяют [42,88]:

а) внедрять новые технологии в каждом сетевом слое или менять оборудование отдельных сетевых слоев независимо от других слоев;

б) иметь в каждом слое собственные средства контроля, управления и обслуживания, а также средства для борьбы с отказами, например аппаратуру оперативного переключения, что повышает качество предоставляемых услуг, эффективность использования средств резервирования и снижает воздействие аварий на другие слои.

7. Системы передачи SDH имеют встроенные средства контроля, управления и борьбы с отказами. Они облегчают и ускоряют обнаружение неисправностей и переключение оборудования на резервные ёмкости трактов (или наоборот), что позволяет построить транспортные сети высокой надежности и живучести. Однако преимущества технологии SDH в части надежности и живучести сами по себе в полной мере не реализуются. Хотя аппаратура систем передачи SDH весьма надежна, необходимо учитывать, что волоконно-оптические линейные тракты и, особенно, линии передачи имеют огромную пропускную способность. Поэтому отказ даже на одном участке сети может привести к потере связи между десятками тысяч пользователей и значительным экономическим потерям.

Для предупреждения подобных случаев должны быть предусмотрены специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей - это создание резервного оборудования и трактов, процедур реконфигурации сетей в процессе их эксплуатации. Возникла концепция самовосстанавливающихся, или так называемых «самозалечивающихся» (Self-Healing) сетей. Такие сети, в случае выхода из строя отдельных элементов, способны сохранять работоспособность или за короткое время автоматически восстанавливать связь без серьезных последствий для пользователей.

Построению самовосстанавливающихся сетей, использующих технологию SDH, способствует ряд факторов [59]:

а) огромная пропускная способность волоконно-оптических линий передачи и снижающаяся стоимость оптических кабелей;

б) наличие встроенных средств контроля, управления и борьбы с отказами;

в) деление транспортной сети на независимые функциональные слои;

г) интеллектуализация сети SDH, которая имеет свою интеллектуальную подсеть управления, а также использует «интеллектуальные» возможности мультиплексоров и кросс-коннекторов или аппаратуры оперативного переключения.

8. Сети SDH обеспечивают эффективное использование пропускной способности, повышенную надежность и быстрое предоставление услуг. Одно из преимуществ транспортной сети - высокая доступность сервисных функций, реализуемая путем применения различных схем резервирования секций, трактов и других элементов сети [163]. Сети SDH являются более гибкими во всех отношениях - как в плане предоставления услуг, так и в части перемаршрутизации цифровых потоков с точки зрения пользователей и оператора сети. Образование новых трактов требует меньше времени и обеспечивается меньшим количеством оборудования. Все работы по переключению трактов выполняются программно и дистанционно из центра управления в течение нескольких десятков секунд [23, 95].

Такие возможности сети SDH были продемонстрированы в 1995 г. на сети «Макомнет» в Москве, когда при проведении работ строители повредили оптический кабель. Трафик был автоматически переключен на резервную линию передачи, и потребители даже не ощутили последствий аварии [17].

9. На сети SDH можно объединять оборудование разных производителей, так как в системах передачи SDH стандартизированы все оптические и электрические интерфейсы. Это означает, что строго определены линейные скорости передачи и линейные коды, уровни и длины волн оптического излучения, а также структуры циклов передачи линейных сигналов (размещение в них заголовков, указателей и полезной нагрузки). Правда, при этом все равно система управления оборудованием сети и всей транспортной сетью в целом остается у каждого производителя своя. Однако, как правило, современное оборудование SDH имеет стандартный интерфейс Q₃ для подключения к системе управления сетью TMN. В настоящее время уже созданы системы TMN, управляющие оборудованием двух, а то и трех поставщиков [36,95].

Рассмотренные выше преимущества систем передачи и сетей SDH позволяют заключить, что на базе технологии SDH создается универсальная транспортная сеть, которая является высшим достижением для систем с канальным разделением ресурсов сети.

Современный мировой уровень развития цифровых транспортных сетей и глобальная тенденция расширения номенклатуры и повышения качества телекоммуникационных услуг делают актуальной проблему создания широкополосных сетей с интеграцией обслуживания B-ISDN. Основой для их построения являются [23, 43, 58]:

сочетание технологий SDH и ATM, когда ячейки ATM транспортируются по сети SDH в качестве нагрузок виртуальных контейнеров и их сцепок;

появление технологий POS (Packets over SDH) - пакеты поверх SDH и LAPS (Link Procedure for SDH) - процедура доступа к каналу SDH, размещение сигналов FDD/, имеющих скорость передачи 125 Мбит/с, в контейнерах VC-4 и др.

Технология ATM и технология SDH позволяют использовать одно и то же оптическое волокно (как физический носитель) одновременно для осуществления сетевых соединений различных типов, в равной мере основанных как на принципе коммутации каналов, так и на принципе коммутации пакетов.

Последняя разработка в области транспортирования данных по сетям SDH - общая процедура кадрирования GFP (Generic Framing Procedure), которая определена в Рекомендации ITU-T G.704/Y.1303 (2002). Она представляет собой общий механизм адаптации клиентских сигналов для размещения их в контейнерах SDH или их сцепках [63].

2.4.5. Параметры интерфейса G.703 и его реализация

В связи с широким распространением на современных транспортных сетях технологий цифровой передачи PDH и SDH наиболее популярным среди пользователей является первичный цифровой поток E1 со скоростью передачи 2048 кбит/с и его компонентные потоки: ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с, поток 2B+D со скоростью передачи 144 кбит/с и субпервичные цифровые потоки со скоростями передачи п х 64 кбит/с, где п = 2, 3, ..., 30. При этом пользователи указанных потоков должны обеспечить стыковку имеющегося у них терминального оборудования с интерфейсом G.703, применяемым в этих потоках. Подробно об этом интерфейсе можно узнать из Рекомендации ITU-T G.703. Большинству пользователей такое исчерпывающее описание не нужно. Оно необходимо разработчикам интерфейса. Поэтому ниже приводятся параметры интерфейса G.703 и особенности его использования.

Физические и электрические параметры данного интерфейса регламентированы Рекомендацией ITU-T G.703 для обеспечения возможности соединения различных элементов цифровых сетей с целью образования составных международных каналов, трактов и линий передачи. Поэтому описаны параметры интерфейсов, соответствующих скорости передачи ОЦК (64 кбит/с) и скоростям передачи различных (АИ, ЕИ, ЯИ) иерархий плезиохронных ЦСП, а также параметры интерфейса для скорости передачи первого уровня системы передачи SDH - 155,52 Мбит/с.

Для сигналов, проходящих через оборудование со скоростями передачи п х 64 кбит/с (п = 2, 3, ..., 30), специфицированное для первичного цифрового потока, параметры интерфейса те же, что и для интерфейса 2048 кбит/с.

Основные параметры интерфейса:

вид интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования - три вида;

скорость передачи цифровых сигналов и частота синхронизирующего сигнала;

тип кода и алгоритм его формирования (зависит от скорости передачи сигналов);

форма импульса и соответствующее поле допуска (маска импульса) - прямоугольная, поле допуска зависит от скорости передачи сигналов;

тип используемой пары (коаксиальная или симметричная) проводов для стыковой цепи каждого направления передачи;

входной и выходной нагрузочные импедансы: для коаксиальной пары - 75 Ом (активные), для симметричной - 100... 120 Ом (активные);

номинальное значение амплитуды импульсов обеих полярностей на одном из указанных нагрузочных импедансов - 1 В (нормируемое) и 1...3 В (фактическое);

пиковое напряжение паузы (отсутствие импульса) составляет 0 ± 0,1 В (нормируемое) и 0,1... 1,0 В (фактическое);

номинальная длительность (ширина) импульса (зависит от скорости передачи сигналов);

отношение амплитуд положительного и отрицательного импульсов - 0,95...1,05;

отношение длительности положительного и отрицательного импульсов-0,95... 1,05;

максимальное фазовое дрожание на выходном порту - соответствует Рекомендации ITU-T G.823.

Из приведенного перечня следует, что ряд параметров зависит от скорости передачи сигналов, а тип кода - еще и от вида интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования. Рассмотрим некоторые параметры более подробно.

Вид интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования. Этот параметр стандартизирован для скорости передачи 64 кбит/с, при которой через интерфейс ОЦК осуществляется обмен тремя видами сигналов: информационными сигналами (ИС) со скоростью передачи 64 кбит/с, сигналами тактовой синхронизации (ТС) с частотой 64 кГц и сигналами октетной синхронизации (ОС) с частотой 8 кГц.

Интерфейсы ОЦК применяются:

для подключения к ОЦК аппаратуры потребителей;

для соединения двух ОЦК между собой при их транзитном соединении (образование из простых составных ОЦК);

для образования обходных направлений при замене вышедших из строя ОЦК резервными каналами и т. д.

Рекомендацией ITU-T G.703 предусмотрено три вида интерфейсов: сонаправленный (СПИ), противонаправленный (ПНИ) и с центральным тактовым генератором (ЦГИ).

Сонаправленный интерфейс (Codirectional Interface) может применяться при любых соединениях ОЦК, указанных выше. При этом сигналы ТС и ОС передаются вместе с сигналом ИС в одном направлении, как показано на рис. 2.44, а. Оба терминала равнозначны и симметричны, это пример транзитного соединения ОЦК. Сигналы ИС, ТС и ОС передаются в виде единого сигнала от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Противонаправленный интерфейс (Contradirectional Interface) применяется для подключения к ОЦК аппаратуры потребителей. При этом сигналы ТС и ОС передаются отдельно от сигнала ИС, причем сигналы ТС и ОС в виде объединенного сигнала всегда передаются от ведущего оборудования (терминального мультиплексора ЦСП) к ведомой аппаратуре пользователя (рис. 2. 44, 6). Информационный сигнал, как и в предыдущем случае, симметричен и передается от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Интерфейс с центральным тактовым генератором (Centralized Clock Interface) находит ограниченое применение. При этом сигналы ТС и ОС передаются от центрального тактового генератора к обоим терминалам, как показано на рис. 2. 44, в, а информационный сигнал симметричен и передается от одного терминала к другому в обоих направлениях.

Скорость передачи цифровых сигналов и частота синхронизирующего сигнала. Скорости передачи сигналов, указанные в Рекомендации ITU-T G.703, за исключением ОЦК и модуля STМ-1, в основном соответствуют иерархии плезиохронных ЦСП. Ниже (см. табл. 2.4) указаны скорости передачи только для сигналов ОЦК, STM-1 и плезиохронных ЦСП ЕИ. Сигналы ТС и ОС могут передаваться от отдельного источника, либо формироваться из принятого ИС. В таких случаях частоты ТС и ОС могут численно совпадать или не совпадать со скоростью передачи ИС. В зависимости от типа используемого кода для ИС частоты сигналов ТС и ОС численно могут быть в 2, 4 или 8 раз меньше скорости передачи ИС. Например, для ОЦК номинальной является тактовая частота 64 кГц, но может использоваться и ОС, тогда тактовая частота равна 8 кГц.

Рис. 2.44

Тип кода и алгоритм его формирования. Типы кодов передаваемых ИС зависят не только от скорости их передачи, но и от вида интерфейса для обеспечения взаимодействия терминального оборудования, например, для скорости передачи ИС 64 кбит/с.

Для сонаправленного интерфейса единый сигнал ИС, ТС и ОС представляет собой модификацию квазитроичного кода с чередованием полярности импульсов (ЧПИ), или AMI (Alternate Mark Iversiori). Этот сигнал представлен на рис. 2.45, он формируется по следующему алгоритму [83]:

а) каждый тактовый интервал цифрового сигнала в коде NRZ (рис. 2.45, а), имеющего скорость передачи 64 кбит/с, делится на четыре равные части;

б) двоичная единица исходного сигнала представляется четырехзначной кодовой группой вида «1100», а двоичный нуль - группой вида «1010» (рис. 2.45, б);

в) полученный двоичный сигнал с тактовой частотой 256 кГц преобразуется в квазитроичный сигнал путем последовательного чередования полярности четырехзначных кодовых групп (рис. 2.45, в);

г) сигнал ОС передается путем нарушения закона чередования полярности для каждой восьмой четырехзначной кодовой группы (рис. 2.45, г); группа, нарушающая чередование полярности, соответствует последнему биту в октете;

д) выделенный сигнал ОС используется для октетной синхронизации информационного сигнала (рис. 2.45, д), что, при предоставлении пользователю ОЦК в плезиохронном режиме, позволяет уменьшить эффект проскальзывания символов на приеме.

Рис. 2.45

Для противонаправленного интерфейса исходный ИС (рис. 2.46, а) передается в виде квазитроичного кода с чередованием полярности импульсов (сигнал в коде АМГ) со скважностью, равной единице (рис. 2.46, б). Сигналы ТС и ОС передаются в виде объединенного сигнала отдельно от сигнала ИС. Объединенный сигнал ТС и ОС формируется по следующему алгоритму:

а) исходный двоичный сигнал ИС преобразуется в сигнал в коде AMI со скважностью, равной двум, и нарушением ЧПИ на каждом восьмом тактовом интервале (рис. 2.46, в);

б) тактовый интервал, на котором нарушается ЧПИ, соответствует последнему биту в октете;

в) выделенный сигнал ОС используется для октетной синхронизации информационного сигнала (рис. 2.46, г), что позволяет уменьшить явление проскальзывания символов на приеме при сдаче пользователю ОЦК в плезиохронном режиме.

Рис. 2.46

Форма импульса и соответствующее поле допуска (маска импульса) приведены в Рекомендации ITU-T G.703 отдельно для каждой скорости передачи и вида интерфейса для скорости передачи 64 кбит/с. Номинальная форма импульсов - прямоугольная. Маски импульсов здесь не приводятся, т. к. представляют интерес только для разработчиков подобных интерфейсов.

Тип используемой пары проводов для стыковой цепи Он зависит от скорости передачи сигналов. На интерфейсах ОЦК используются симметричные пары, на интерфейсах первичного цифрового канала E1 - симметричные или коаксиальные пары, на интерфейсах более высоких уровней иерархии ЦСП - коаксиальные пары (см. табл. 2.4). Вход и выход ОЦК должны быть симметричны относительно «земли». Для сонаправ-ленного интерфейса ОЦК затухание симметричной пары проводов на полутактовой частоте 128 кГц не должно превышать 3 дБ, а для противонаправленного интерфейса ОЦК затухание каждой из четырех стыковых цепей не должно превышать 3 дБ на полутактовой частоте 32 кГц.

На интерфейсах первичного и более высоких уровней иерархии цифрового канала затухание стыковой цепи на полутактовой частоте передаваемого сигнала не должно превышать 6 дБ.

Длительность импульса. В Рекомендации ITU-T G.703 указаны либо только номинальная длительность импульса информационного сигнала, либо длительности двух импульсов: информационного и тактового сигналов (см. пояснение к табл. 2.4).

Остальные параметры указаны выше и пояснений не требуют.

Численные значения параметров и типы используемых кодов для различных скоростей передачи сигналов приведены в табл. 2.4 [77].

Таблица 2.4

Параметры	Скорость передачи, кбит/с
Параметры	64 СНИ	64 ПНИ	64 ЦГИ	2048	8448	34 368	139 264	155 520
Тип кода	AMI¹	AMI¹	AMI	HDB-3	HDB-3	HDB-3	CMI	CMI
Импеданс (коаксиальный), Ом	-	-	-	75	75	75	75	75
Импеданс (симметричный), Ом	120	120	110	120	-	-	-	-
Амплитуда импульса, В	1,0	1,0	1,1 3,4³	2,37 3,0⁵	2,37	1,0	±0,55	±0,55
Амплитуда паузы, В	0,1	0,1	0,1 0,5³	0,237 0,3⁵	0,237	0,1	± 0,05⁶	± 0,05⁶
Длительность импульса, мкс (нс)*	3,9 7,8²	15,6 7,8⁴	15,6 7,8⁴	244	59,0	14,55	3,59	3,216 6,43²

Примечание. * Длительность импульсов указана в микросекундах для скорости передачи 64 кбит/с и в наносекундах - для остальных скоростей передачи сигналов.

Из приведенной таблицы понятно, что полная реализация интерфейса G.703 - дело весьма трудоемкое. Поэтому производители ограничиваются реализацией указанных параметров для используемой скорости передачи сигналов, например, 2048 кбит/с. Для скорости передачи 64 кбит/с производители указывают и вид интерфейса, например сонаправленный, чтобы обеспечить взаимодействие терминального оборудования.

Некоторые пояснения к табл. 2.4 в соответствии со ссылочными номерами, указанными для определенных параметров, приводятся ниже:

- алгоритмы формирования кодов AMI, отличающихся от стандартного кода, для интерфейсов СНИ и ПНИ описаны выше;

- большее значение соответствует длительности двойного импульса (логическая «1»), меньшее - длительности одинарного импульса (логический «0»);

- большее значение рекомендуется применять в случае повышенного уровня шума в стыковой цепи;

- большее значение соответствует длительности информационного импульса, меньшее - длительности тактового импульса;

- большее значение применяется, если используется симметричная пара проводов для стыковой цепи, меньшее - если используется коаксиальная пара;

- используется симметричное поле допуска.

Пользователь должен также иметь в виду, что указанные типы кодов относятся только к стыковым цепям и их следует отличать от кодов цифровых линейных сигналов, хотя иногда эти коды могут совпадать.

Подключение аппаратуры пользователя к сети с помощью ОЦК или более высокоскоростных цифровых каналов со скоростями передачи 144, п х 64, 2048 кбит/с и т. д. зависит от наличия у пользователя входа с интерфейсом G.703 и типа используемого (симметричного или коаксиального) кабеля. При наличии у пользователя такого входа подключение осуществляется либо коаксиальными кабелями с разъемами RJ-59 (импеданс 75 Ом), либо симметричными парами проводов (импеданс 100... 120 Ом) на коммутационную панель «под зажим» - без специального разъема или с помощью разъемов DB-15, RJ-11, RJ-48Х. В случае разных импедансов интерфейсной цепи и терминального оборудования используется согласующий трансформатор, например, 120-омная симметричная пара / 75-омный коаксиальный кабель.

Если аппаратура пользователя не имеет входа с интерфейсами G.703, а имеет порты с другими интерфейсами, то нужно использовать конвертеры интерфейсов, которые позволяют согласовать, например, локальные сети доступа, имеющие интерфейсы V.24, V.35, Х.21, с глобальной транспортной сетью, которая имеет интерфейсы G.703. Такие конвертеры производят несколько компаний, например RAD Data Communications, большинство конвертеров которой являются не только конвертерами интерфейсов, но и конвертерами скоростей передачи цифровых сигналов (подробно о такой продукции можно узнать из каталогов компании RAD).

3. Особенности построения синхронных линейных трактов

Волоконно-оптические линейные тракты систем передачи SDH, или СЛТ, по сравнению с волоконно-оптическими линейными трактами плезиохронных ДСП имеют ряд особенностей. К основным из них относят следующие:

в качестве среды передачи используются только ООВ;

Рекомендации ITU-T G.957, G.958 [146,147] определяют параметры СЛТ таким образом, чтобы обеспечить:

поперечную совместимость СЛТ, т. е. возможность встречной работы однотипной аппаратуры различных производителей в пределах одного СЛТ;

продольную совместимость СЛТ, т. е. возможность создания СЛТ параллельно линейным трактам систем передачи PDH в одном оптическом кабеле;

3) расширены функции оперативного контроля, обслуживания и управления СЛТ в регенераторах, в них реализуются некоторые функции преобразования служебных сигналов, передаваемых в структуре оптических ЦЛС.

Указанные и другие особенности СЛТ меняют подход к проектированию и эксплуатационному (техническому) обслуживанию оборудования систем передачи SDH и сетей связи в целом, поэтому они заслуживают отдельного рассмотрения. Необходимость этого рассмотрения обусловлена также и тем, что в известных работах [35, 77, 80] по системам передачи и сетям SDH об особенностях построения СЛТ практически ничего не сказано.

В данном разделе изложены принципы построения СЛТ, их основные особенности и параметры элементов, установленные Рекомендациями ITU-T G.783, G.957, G.958. Структура, элементы и некоторые параметры СЛТ, особенности построения мультиплексоров SLM кратко описаны также в работе [93].

3.1. Структура и основные параметры синхронных линейных трактов

3.1.1. Структура и элементы синхронных линейных трактов

В Рекомендации ITU-T G.958 СЛТ определяется как совокупность средств, выполняющих функции транспортирования сигналов STM-N между двумя эталонными точками С синхронных линейных мультиплексоров SLM оконечных пунктов (рис. 3.1), или между аналогичными точками другой аппаратуры пунктов доступа: оперативного переключения, выделения/вставки, ответвления и т. д. Такое определение СЛТ не стесняет проектировщиков его аппаратуры и обеспечивает совместимость различных вариантов ее реализации разными производителями.

Мультиплексоры SLM двух соседних пунктов доступа соединяются между собой двумя ООВ оптического кабеля. Если расстояние между соединяемыми пунктами таково, что затухание указанных ООВ больше допустимой величины, то в них между SLM включаются регенераторы оптических ЦЛС.

Полученную линейную структуру СЛТ можно представить в виде последовательного соединения ряда элементов, параметры которых нормированы в Рекомендациях ITU-T G.957 и G.958. К этим элементам относятся:

линейные блоки SLM оконечных пунктов, или оконечное оборудование СЛТ;

регенераторы промежуточных пунктов, или промежуточное оборудование СЛТ;

стандартизированные участки ООВ оптического кабеля, соединяющего оконечное и промежуточное оборудование СЛТ. Короткие (однопролетные) СЛТ, имеющие протяженность несколько десятков километров, могут и не иметь в своем составе регенераторов [3].

В общем случае принято различать три типа участков СЛТ, параметры которых нормированы. Эти участки называются секциями, а именно: оптическая секция, регенерационная секция и мультиплексная секция.

Обобщенная структурная схема одного направления передачи варианта построения СЛТ, где показаны все названные его элементы, отмечены эталонные точки А и С, в которых осуществляется нормирование основных параметров СЛТ, приведена на рис. 3.1. Точки А эквивалентны точкам S и R Рекомендаций ITU-T G.955 и G.956 - это вход и выход ООВ соответственно.

Рис. 3.1

Оптическая секция (ОС, или OS) представляет собой участок ООВ непосредственно между двумя соседними точками А двух соседних пунктов СЛТ, например, от выхода электронно-оптического преобразователя ЭОП оконечного пункта ОП₁ (вход ООВ) до входа оптоэлектронного преобразователя ОЭП регенератора соседнего промежуточного пункта ПП₁ (выход ООВ).

Оптической секцией называется также участок ООВ между соседними регенераторами или между последним регенератором СЛТ и оконечным пунктом ОП₂.

Регенерационная секция определяется как участок СЛТ между регенератором и соседним оконечным пунктом или между двумя соседними регенераторами. Из рис. 3.1 следует, что RS представляет собой участок СЛТ между двумя соседними точками С двух соседних пунктов линейного тракта. Точки С определяют начало и окончание RS (обозначены как функциональные блоки RST). Они обрамляют RS и входят в ее состав. Обобщенное название этих блоков - блок окончаний регенерационной секции RST (Regenerator Section Termination).

Мультиплексная секция рассматривается как участок СЛТ между оконечными пунктами или между оконечным пунктом и пунктом выделения/вставки сигналов. На рис. 3.1 показан СЛТ, состоящий из двух MS. Каждая из них обеспечивает автоматическое поддержание функционирования данного участка СЛТ с заданным качеством при заданной скорости передачи оптических цифровых сигналов в СЛТ.

«Сферы влияния» рекомендаций ITU-T, которые определяют структуру, состав и параметры СЛТ и его элементов, указаны на рис. 3.1. Положения Рекомендации ITU-T G.951 распространяются только на ОС, а Рекомендации ITU-T G.958 - на весь СЛТ между точками С оконечных пунктов ОП₁ и ОП₂, включая регенераторы.

Электронные устройства оконечного и промежуточного оборудования СЛТ - это блоки RST и электронная часть регенераторов электрических сигналов (РЭС) - нормируются Рекомендациями ITU-T G.783 и G.784, которые на рисунке обозначены G.78x.

Следует помнить, что введенное в системах передачи и сетях SDH понятие «транспортирование» информации отличается от понятия «передача» наличием органически встроенных в аппаратуру систем передачи SDH дополнительных (расширенных) функций контроля, обслуживания и управления. Эти функции на рисунке не показаны, поскольку границ СЛТ они не определяют [41].

В СЛТ систем передачи SDH в качестве линейного кода оптических ЦЛС используется двоичный код NRZ (Non Return Zero), скремблирован-ный по Рекомендации ITU-T G.709.

3.1.2. Оптические секции и их параметры

В настоящее время СЛТ широко применяются как для внутристанционных, так и межстанционных соединений. Комбинируя оптические передатчики и приемники с различными параметрами, можно обеспечить оптимальное по затуханию и дисперсии распределение оптической мощности (энергетического потенциала) между элементами СЛТ для различных вариантов использования систем передачи SDH. Однако для обеспечения разработок оборудования СЛТ с поперечной совместимостью желательно ограничить число стандартных категорий использования ОС и соответствующих наборов требований к их параметрам.

Поэтому ITU-T разработана Рекомендация G.957. Она нормирует ОС по длине и определяет три категории их применения. Эти категории имеют следующие обозначения:

категория I - внутристанционные ОС протяженностью менее 2 км, в которых используются сигналы оптического излучения с длиной волны 1,3 мкм;

категория S - короткие межстанционные ОС протяженностью порядка 15 км, на которых используются источники оптического излучения с длинами волн 1,3 и 1,55 мкм;

категория L - длинные межстанционные ОС протяженностью до 40 км при длине волны используемого источника оптического излучения 1,3 мкм и до 80 км - при длине волны 1,55 мкм.

Необходимо подчеркнуть, что указанные длины ОС приводятся и используются только для их классификации и не могут рассматриваться как рекомендуемые значения этого параметра для практического использования. Допускается возможность повышения класса (пропускной способности) действующих СЛТ при переходе к длине волны 1,55 мкм.

Указанная классификация трех категорий применения ОС и значения определяющих эти категории параметров, приведены в табл. 3.1. Из таблицы следует, что внутри каждой категории (I, S или L) имеются (возможны) ОС, по которым передаются оптические ЦЛС на разных длинах волн (1,3 мкм или 1,55 мкм ). Эти секции используются в системах передачи SDH четырех уровней (STM-1, STM-4, STM-16 или STM-64), а для образования любой ОС могут применяться различные типы ООВ, параметры которых определены в Рекомендациях ITU-T G.652 - G.654. В результате получаем 24 варианта категорий ОС, которые представлены в четырех нижних строках табл. 3.1.

Таблица 3.1

Параметры		Категории ОС
		Внутри-станционные (I)	Межстанционные
			Короткие (S)			Длинные (L)
Длина волны источника излучения, мкм		1,3	1,3	1,55	1,3		1,55	1,55
Тип ООВ (Рекомендации ITU-T)		G.652	G.652	G.652	G.652		G.652, G.654	G.653
Длина ОС, км		Меньше или равно 2	15	15	40		80	80
Уровни иерархии STM	1	I-1.1	S-1.1	5-1.2	L-1.1		L-1.2	L-1.3
	4	I-4.1	S-4 Л	5-4.2	L-4.1		L-4.2	L-4.3
	16	I-16.1	S-16.1	5-16.2	L-16.1		L-16.2	L-16.3
	64	I-64.1	5-64 Л	5-64.2	L-64.1		L-64.2	L-64.3

В приведенной таблице использованы стандартные обозначения вариантов применения ОС. В этих обозначениях задействованы категории применения ОС (I, S или L), уровни иерархии STM (1,4, 16 или 64) и индексы 1, 2 или 3, указывающие длину волны источника оптического излучения и рекомендации ITU-T для типа ООВ. При этом индексы 1, 2 и 3 обозначают следующее: 1 - указывает длину волны 1,3 мкм источника оптического излучения; 2 - длину волны 1,55 мкм для ООВ, параметры которого определены в Рекомендациях ITU-T G.652 (категория применения S) и G.654 (категория применения L); 3 - длину волны 1,55 мкм источника оптического излучения для ООВ, параметры которого определены в Рекомендации ITU-T G.653.

Например, если категория применения ОС закодирована обозначением L-4.3, то это расшифровывается как длинная межстанционная ОС, по которой работает мультиплексор STM-4, используется источник оптического излучения с длиной волны 1,55 мкм и тип ООВ, параметры которого определены в Рекомендации ITU-T G.653.

Рекомендация G.957 содержит также определения и нормируемые в точках А (см. рис. 3.1) значения других параметров ОС. Для достижения поперечной совместимости СЛТ оптические передатчик, приемник и собственно ООВ нормируются отдельно: первый в точке А(5) - непосредственно после оптического разъема передатчика; второй в точке A(R) - непосредственно перед оптическим разъемом приемника, а ООВ - между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ. Возможны добавочные оптические разъемы устройств соединения станционного и линейного волоконно-оптических кабелей, оптических фильтров для спектрального разделения сигналов, щитов переключения и т. д. Все они относятся к ООВ.

Для всех параметров указаны наихудшие значения, которые должны выдерживаться во всех допустимых рабочих условиях (температуры, влажности, механических воздействий и т. д.) с учетом старения ООВ. Параметры относятся к расчетному коэффициенту ошибок в оптической секции не хуже 1x10^-10 для крайних случаев затухания и дисперсии ООВ в каждом из 24-х вариантов применения ОС (табл. 3.1). Нормы на параметры составлены в виде таблицы. Ниже на примере сигнала STM-16 рассматривается перечень параметров ОС и условия задания норм на них. Эти нормы приведены в табл. 3.2 (при работе мультиплексора SLM-16 по СЛТ, который обеспечивает скорость передачи 2448,32 Мбит/с).

Указанные в табл. 3.2 длины волн источников оптического излучения определены так, чтобы обеспечить одномодовый режим работы, минимальное затухание ООВ и учесть взаимодействие дисперсии волокна со спектральными характеристиками оптического передатчика.

Таблица 3.2

Параметры	Варианты ОС
Параметры	I-16.1	S-16.1	S-16.2	L-16.1	L-16.2	L-16.3
Длина волны, мкм	1,26. ..1,36	1,26... 1,36	1,43. ..1,58	1,28...1,34	1,48... 1,58	1,48. ..1,58
Затухание, дБ	0...7	0...12	0...12	10...20	10...20	10...20
Максимальный коэффициент удельной дисперсии, пс/(нм • км)	12	Нзд	Нзд	3,5	3,5	2,0
Минимальное ОЗО в точке S, дБ	24	24	24	24	24	24
Максимальная дискретная отражаемость, дБ	-27	-27	-27	-27	-27	-27

Для каждого варианта применения ОС, указанного в табл. 3.1, задаются затухание и дисперсия ООВ между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ. Требования по затуханию отражают наихудшие условия, включая потери оптической мощности в сростках ООВ, разъемах, оптических аттенюаторах и других устройствах, а также запасы оптической мощности для компенсации затухания, вызванного:

а) будущими изменениями конфигурации ОС (добавочные сростки, увеличение длин ООВ и т. д.);

б) изменениями качества ООВ оптического кабеля под влиянием внешних факторов;

в) деградацией любого соединителя, оптического аттенюатора или других пассивных оптических устройств между указанными выше точками A(S) и A(R).

Оптические секции, ограничиваемые по длине дисперсией, имеют максимальные значения коэффициентов удельной дисперсии, приведенные в табл. 3.2. Эти величины совместимы с максимально заданными добавочными потерями оптических секций 1 дБ (2 дБ для варианта L-16.2). Они учитывают заданный тип оптического передатчика и дисперсию ООВ в рабочем диапазоне длин волн. Для ОС, ограничиваемых по длине затуханием, максимальные значения коэффициентов удельной дисперсии не задаются (в табл. 3.2 это обозначено как Нзд).

Кроме затухания и дисперсии, в ОС нормируются отражения, вызванные скачками коэффициента преломления вдоль ООВ. Неконтролируемые отражения могут снизить качество передачи сигналов из-за искажений, вносимых в работу лазера ОПД, либо из-за того, что многочисленные отражения приведут к появлению шумов интерференции в ОПМ.

Поэтому в Рекомендации G.957 отражения в ОС предписано контролировать путем задания:

а) минимального оптического затухания отражения (ОЗО) волокна в точке A(S), включая любые соединители;

б) максимальной дискретной отражаемости между точками A(S) и A(R) двух соседних пунктов СЛТ.

Максимальное количество разъемов или других точек дискретного отражения, которые могут входить в ОС, должно быть таково, чтобы обеспечивалось общее заданное значение затухания ОЗО. Если это не может быть выполнено при использовании разъемов, отвечающих требованиям по максимальным дискретным отражениям, указанным в табл. 3.2, следует использовать лучшие разъемы, либо уменьшить их количество. Значение «минус 27 дБ» для максимальной дискретной отражаемости должно минимизировать влияние многократных отражений (например, шумы интерференции).

В оптических секциях, в которых эффекты отражения не снижают качества передачи, например, в I-2.1, I-4.1, S-4.1 и др., соответствующие параметры отражения не задаются. Однако если для будущего повышения класса ОС это необходимо, то эти требования необходимо выполнять.

В Рекомендации G.957 нормы на параметры ОС указаны для наиболее тяжелых условий, чтобы обеспечить простые указания для проектировщиков сетей SDH и четкие спецификации разработчикам и производителям элементов системы передачи SDH. Поэтому здесь не указаны ни общесистемные запасы, ни запасы на аппаратуру и предполагается, что оптические передатчики, приемники и ООВ отвечают заданным требованиям в стандартных рабочих условиях. Это может привести к более консервативному проекту СЛТ, чем можно достигнуть при взаимозависимом проектировании отдельных его элементов, а также в применениях менее жестких, чем стандартные, или при использовании статистического проектирования.

Статистическое проектирование основано на расчете ОС с длиной, превосходящей длину, полученную методом проектирования для наиболее тяжелых условий. При этом допускается некоторая вероятность превышения значений, предписанных для затухания (дисперсии) между точками A(S) и A(R) или несоблюдения условий поперечной совместимости. В высокоскоростных СЛТ большой протяженности таким путем можно достигнуть заметной экономии количества регенераторов.

При использовании статистического проектирования параметры ОС выражаются в виде статистических распределений, известных от производителей оборудования систем передачи SDH. Среди параметров, которые могут рассматриваться как статистические по природе, можно указать: потери в сростках ООВ и оптических разъемах, затухания ООВ заданной длины, длину волны с нулевой дисперсией и другие.

3.1.3. Общие параметры синхронных линейных трактов

Показатели ошибок СЛТ в самых тяжелых условиях окружающей среды (условиях эксплуатации) должны отвечать качественным показателям Рекомендации ITU-T G.958. В частности, СЛТ должны обеспечивать показатели ошибок не хуже «1-го класса качества оптических секций», определенного в этой рекомендации.

В структуре передаваемых оптических ЦЛС возникают отдельные области, которые способствуют появлению цифровых ошибок. Так, возможно закрытие глаз-диаграммы вследствие изменения среднего уровня сигнала вслед за плотностью комбинаций битов из-за межкаскадных связей по переменному току. Цифровые ошибки в принимаемых оптических ЦЛС возможны также из-за неспособности приемника синхросигнала системы тактовой синхронизации перекрыть области, возникающие в структуре ЦЛС, которые содержат мало синхроинформации (длинные серии нулей). Это явление еще больше осложняется, когда в структуре оптического ЦЛС за первым рядом байтов заголовка ЗОН, имеющего низкое содержание синхроинформации, особенно при передаче сигналов STM-N, где N- большое число (16, 64, 256), появляются длинные серии нулей.

Для проверки способности аппаратуры данной системы передачи SDH работать без ошибок в сложных (вышеуказанных) условиях, на стадии ее проектирования, в процессе сборки и монтажа оборудования можно использовать приведенный в приложении I к Рекомендации ITU-T G.958 метод оценки иммунитета блоков аппаратуры, который иначе называется соседние идентичные разряды CID (Consecutive Identical Digit).

Параметры фазового дрожания вводятся с целью контроля накопления фазовых дрожаний в СЛТ и относятся к сигналам оптических интерфейсов на уровнях STM. При этом в Рекомендации ITU-T G.958 задаются предельные нормы по трем параметрам:

а) создание (возникновение) фазового дрожания;

б) устойчивость к фазовому дрожанию;

в) передача (коэффициент передачи) фазового дрожания.

Создаваемое одним регенератором среднеквадратическое значение фазового дрожания не должно превышать 0,01ТИ (тактового интервала) ЦЛС, если на входе регенератора фазовое дрожание отсутствует.

Устойчивость к фазовому дрожанию определяется как размах синусоидального дрожания во входном сигнале STM, который вызывает затраты оптической мощности 1 дБ в оптическом оборудовании. Это специальное испытание проводят для того, чтобы удостоверится, что в рабочих условиях (в процессе эксплуатации СЛТ) дополнительных затрат оптической мощности не потребуется. Аппаратура должна быть устойчива как минимум к фазовому дрожанию, соответствующему шаблону, указанному в Рекомендации ITU-T G.958 для каждой скорости передачи оптического ЦЛС (в этом шаблоне для низких частот амплитуда фазового дрожания задана 1,5ТИ, а для высоких - 0,15ТИ).

Коэффициент передачи фазового дрожания определяется отношением фазового дрожания входного сигнала STM к фазовому дрожанию, приложенному к входному сигналу в зависимости от частоты, и задается отдельным шаблоном (усиление не более 0,1 дБ на НЧ с падением 20 дБ на декаду на ВЧ). При этом входное фазовое дрожание задается тем же шаблоном, что и для нормирования устойчивости к фазовому дрожанию.

Лазерная безопасность должна соответствовать национальным требованиям и стандарту 825 Международной экологической комиссии. При нормальных условиях эксплуатации СЛТ его ОС представляет собой по существу замкнутую систему, не допускающую облучения людей оптическими излучениями. Однако в ходе монтажа и технического обслуживания СЛТ при работающем лазере возможно воздействие на человека открытого оптического излучения, если оператор разомкнул оптическое соединение в работающей ОС или произошел разрыв ООВ вследствие повреждения оптического кабеля. Поэтому следует строго соблюдать технику безопасности: не смотреть на открытый торец оптического волокна или коннектор вблизи оптического передатчика, если источник оптического излучения не отключен. Это относится также к разорванным волокнам ОС кабеля, перед началом работы с которым сначала следует погасить (отключить) лазер.

В приложении II к Рекомендации ITU-T G.958 приведен пример воплощения функций автоматического гашения лазера (АГЛ) в случае обрыва оптического кабеля. При наличии АГЛ в системе контроля и управления СЛТ подаются сигналы о включении/выключении этой функции и лазера. Функция АГЛ не должна влиять на возможность локализации повреждений в случае потери сигналов в ОПД или фотоприемнике по любой причине, кроме обрыва оптического кабеля.

Оперативные, административные и эксплуатационные параметры СЛТ должны отвечать требованиям Рекомендаций ITU-T G.784, М.20 и М.3010 [138,148,152]. В частности, принципы управления базируются на концепции, определенной в Рекомендации ITU-T M.3010, а именно:

функциональная организация управления (конфигурация, качественные показатели, повреждения);

функциональное описание элементов сети SDH в объектах управления.

С точки зрения управления, как определено в Рекомендации ITU-T G.784, СЛТ рассматривается как подсистема, входящая в систему управления данной системы передачи SDH. Она должна обеспечивать общие функции управления, в частности, функции управления качеством, описанные в Рекомендации ITU-T G.784. Архитектура и функции встроенного канала управления ЕСС, использующего байты D1...D3 заголовка RSOH и предназначенного для обслуживания регенерационных секций (скорость передачи - 192 кбит/с), его информационная модель и протоколы должны соответствовать Рекомендации ITU-T G.784. Синхронный линейный тракт в каждом пункте должен иметь хотя бы один интерфейс канала ЕСС. При первом использовании системы передачи SDH, когда она еще не включена в сеть телекоммуникаций, или когда система (сеть) управления еще не построена, СЛТ обеспечивает самостоятельные функции управления: контроль качества, локализацию повреждений, выдачу сигналов аварии и т. д.

Ниже указаны параметры, которые для первичной индикации повреждений СЛТ не предназначены, они контролируются в тракте для облегчения локализации повреждений.

Статус сигнала показывает, находится ли уровень оптической мощности передатчика в пределах, определенных в Рекомендации ITU-T G.957. Этот параметр должен иметь два значения - «в пределах» и «вне пределов». Цель контроля: указать, существует ли серьезное повреждение в оптическом передатчике данного пункта СЛТ.

Смещение лазера используется для контроля тока смещения источника излучения ОПД. Цель контроля: обнаружить деградацию лазера задолго до катастрофического отказа СЛТ.

Температура лазера имеет значения «в пределах» и «вне пределов». Цель контроля: обнаружить повреждения цепей управления температурой ОПД.

Потеря входного линейного сигнала принимает значения «входной сигнал отсутствует», когда уровень оптической мощности входного ЦЛС ниже значения, требуемого для получения K_ош = 1 х 10^-3. Цель контроля: указать, что произошел отказ ОПД противоположного пункта СЛТ или обрыв оптического волокна на предшествующей ОС линейного тракта.

3.2. Одномодовые оптические волокна и их параметры

3.2.1. Общие сведения об оптических волокнах

Не будет ошибкой утверждать, что волоконно-оптические телекоммуникационные технологии появились вслед за изобретением лазера в 1958 г.

Лазер - это квантовый генератор оптического диапазона волн. Этот диапазон традиционно подразделяется на три поддиапазона: инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый, параметры которых приведены в табл. 3.3 [26].

Из табл. 3.3 следует, что оптическое излучение является разновидностью электромагнитных колебаний очень высоких частот (очень коротких длин волн). По сравнению с обычным источником света (свеча, электрическая лампочка), излучение лазера имеет высокую монохроматичность и когерентность, а также большую интенсивность, и очень похоже на излучение обычных радиопередатчиков СВЧ-диапазона.

Таблица 3.3

Параметры	Поддиапазоны
Параметры	Инфракрасный	Видимый	Ультрафиолетовый
f, Гц	10¹²...10¹⁴	4х10¹⁴...0,75х10¹⁵	0,75х10¹⁵...10¹⁷
λ, мкм	300... 0,75	0,75... 0,4	0,4... 0,02

Поэтому возникло совершенно естественное желание: использовать излучение лазера в качестве несущей частоты в системах радиосвязи. При этом свет должен был распространяться в свободном пространстве, т. е. в воздушной среде. На это ушло несколько лет... Результат был отрицательным. Начались эксперименты по созданию для лазерного излучения замкнутой направляющей среды [65].

В 1966 г. научные сотрудники С. К. Као и Г. А. Хокем из Standard Telecommunications Laboratories в Харлоу (Англия) предложили использовать в качестве направляющей среды нити из стекла - оптические волокна (ОВ). Но в то время коэффициент затухания в лучших стеклах в видимой области спектра составлял не меньше 1000 дБ/км.

Основной тезис С. К. Као и Г. А. Хокема сводился к тому, что если бы удалось уменьшить коэффициент затухания α в стекле до 20 дБ/км, то стало бы возможным создание ВОСП. При указанной величине коэффициента затухания мощность передаваемого оптического излучения уменьшалась бы в 10⁶ раз при прохождении по стеклянному волокну длиной 3 км.

К 1970 г. в США в лабораторных условиях было получено волокно с коэффициентом затухания α = 20 дБ/км, а в 1975 г. его удалось уменьшить до 2 дБ/км.

В лаборатории одной из фирм Японии в 1976 г. было изготовлено ОВ с коэффициентом затухания 0,5 дБ/км, а в 1979 г. - 0,2 дБ/км.

В эти же (70-е) годы было установлено, что коэффициент затухания ОВ с увеличением длины волны оптического излучения снижается. Волокна имеют наименьшие значения коэффициента затухания в ближней к видимым лучам области инфракрасного поддиапазона на длинах волн от 0,75 до 4...6 мкм. Но функция α = φ (λ) не является монотонной, она имеет экстремумы. В частности, наименьшее затухание ОВ имеют на длинах волн 0,85; 1,3; 1,55 и 2,1 мкм.

Оптические волокна, использующие первые три из указанных длин волн, освоены в производстве и практически применяются в линейных трактах волоконно-оптических ДСП. Оптические волокна с длиной волны 2,1 мкм находятся в стадии лабораторных испытаний.

В 80-х гг. ведущие мировые компании уже выпускали оптические кабели с коэффициентом затухания ОВ менее 10 дБ/км, а в 90-х гг. началась эра волоконно-оптических телекоммуникационных технологий. На пунктах доступа в этих технологиях используются цифровые мультиплексоры и демультиплексоры, а цифровые линейные тракты на десятки, сотни, тысячи километров строятся с использованием оптических кабелей, источников и приемников оптического излучения [37, 65, 101].

В оптических кабелях для передачи электромагнитных сигналов используется принципиально новая направляющая среда - оптическое волокно, изготовленное из прозрачного для оптических сигналов диэлектрика.

Оптическое волокно представляет собой тонкий стержень (нить) цилиндрической формы заданного диаметра. Эта нить выполнена из особо чистого стекла со специальными добавками и покрыта наружным слоем (также из диэлектрика). В результате образуется двухслойное волокно, поперечное сечение которого образует круг. Внутренний стержень этого волокна называется сердцевиной, а наружный слой - оболочкой. Сердцевина ОВ служит для передачи электромагнитной энергии источника оптического излучения.

Действительно, материалы для изготовления ОВ выбраны так, что значение показателя преломления сердцевины п₁ больше, чем значение показателя преломления оболочки п₂. Поэтому оптические лучи, падающие на границу раздела «сердцевина - оболочка», отражаются от нее и вынуждены распространяться вдоль ОВ, как показано на рис. 3.2.

Назначение оболочки - создать условия отражения на границе ее с сердцевиной и защитить энергию распространяющихся оптических лучей от излучения в окружающее пространство. Снаружи на двухслойное ОВ наносятся первичное и вторичное защитные покрытия из различных пластмасс для предохранения его от внешних, особенно механических, воздействий. Такие ОВ являются основным элементом оптических кабелей. Были разработаны специальные методы и технологии производства ОВ, покрытия их пластмассами, позволяющие изготавливать достаточно прочные ОВ и кабели из них. Полученные кабели имеют малые массогабаритные параметры, низкие коэффициенты затухания используемых ОВ на указанных выше длинах волн и практически неограниченную полосу пропускания современных ООВ.

Рис. 3.2

Главной особенностью производства оптических кабелей является технологическая трудность изготовления ОВ, которое может быть получено путем вытягивания либо из специальных заготовок, либо непосредственно из расплава исходных материалов. Основным материалом для изготовления ОВ является кварцевое стекло, обладающее наименьшими потерями мощности оптических сигналов. Однако кварц имеет два существенных недостатка:

а) высокую температуру плавления (1500... 1700 °С), что затрудняет производство ОВ;

б) малое значение показателя преломления, которое ограничивает применение чистого кварца для изготовления отражающей оболочки.

Изменение показателя преломления кварца, или окиси кремния SiO₂, обеспечивается легированием его различными материалами, например, окислами германия GeO₂, фосфора Р₂О₅, бора В₂О₃, титана ТiO₂ и др. В настоящее время в большинстве случаев оболочку ОВ изготовляют из чистого кварца, а показатель преломления сердцевины повышают присадкой окислов GeO₂ или Р₂О₅. Иногда при производстве ОВ поступают наоборот: из чистого кварца изготавливают сердцевину, а показатель преломления оболочки снижают добавлением в кварц окиси бора В₂О₃.

При монтаже волоконно-оптических кабелей в процессе строительства и эксплуатации линейных трактов наиболее распространенным способом сращивания ОВ является их сварка с помощью электрической дуги. Используются также механический и клеевой способы сращивания концов соединяемых между собой ОВ. Сращивание любым способом вносит в ОВ дополнительное затухание (ослабление) передаваемых оптических сигналов.

На всех этапах производства, монтажа (при строительстве) и эксплуатации оптических кабелей необходимо измерять различные параметры ОВ.

3.2.2. Типы оптических волокон и их числовая апертура

Носителем передаваемых сигналов является оптический (лазерный) луч, передача которого в ОВ происходит за счет многократного отражения от границы раздела двух диэлектриков (сердцевины и оболочки) с различными оптическими свойствами (показатели преломления п₁ и п₂). Для обеспечения направляющих свойств ОВ необходимо, чтобы показатель преломления сердцевины п₁ был больше показателя преломления оболочки п₂, т. е. только при условии п₁ > п₂ оптический сигнал распространяется по сердцевине ОВ.

Показатель преломления оболочки п₂ обычно постоянен по сечению ОВ. В сердцевине показатель преломления п₁(r) может быть постоянным или изменяться по сечению [94].

Оптическое волокно, в котором показатель преломления п₁ в пределах сердцевины остается постоянным, а на границе раздела «сердцевина -оболочка» скачком уменьшается до показателя преломления оболочки п₂ называется ступенчатым. Профиль показателя преломления (ППП) ступенчатого ОВ показан на рис. 3.3, а. Математическое описание ППП имеет вид:

В ступенчатых ОВ оптические лучи распространяются в сердцевине за счет многократных отражений от границы раздела «сердцевина - оболочка». Между двумя соседними точками отраженные лучи распространяются прямолинейно, в результате траектория каждого луча имеет зигзагообразный путь, как показано на рис. 3.3, б.

Рис. 3.3

Оптическое волокно, у которого профиль показателя преломления сердцевины п₁(r) является монотонно убывающей функцией радиуса, называется градиентным. Практически используются параболические ОВ, у которых ППП описывается функцией:

где Δ = (п₁ – п₂)/п₁- относительная разность показателей преломления, обычно в пределах 0,003.. .0,01.

Профиль показателя преломления градиентного ОВ приведен на рис. 3.3, в. В градиентных ОВ лучи изгибаются в направлении градиента показателя преломления и распространяются по плавным кривым, как показано на рис. 3.3, г.

Не все лучи, подведенные к торцу ОВ, распространяются по его сердцевине. Луч, падающий на торец под углом ввода Θ_В к оси ОВ, где Θ_В меньше некоторого наперед заданного значения Θ_max, преломляется на его торце под углом Θ₁ падает на границу «сердцевина - оболочка» под углом падения Θ_П = π/2 – Θ₁ затем распространяется вдоль сердцевины ОВ, как показано на рис. 3.4 (сплошная линия).

Рис. 3.4

В этом случае луч полностью отражается от поверхности оболочки. Это явление называется полным внутренним отражением, его условие:

sin Θ_П = п₂/п₁.

При увеличении угла ввода до критического Θ_В = Θ_max (пунктирная линия) угол падения уменьшается до Θ_П_min, при котором отраженный луч еще удерживается оболочкой. При Θ_В > Θ_max угол падения становится меньше Θ_П_min и лучи уходят из сердцевины в окружающую ее среду (оболочку, защитные покрытия и далее).

Угол ввода Θ_В ≤ Θ_max, при котором вся энергия луча отражается от границы «сердцевина - оболочка», называется углом полного внутреннего отражения. Его можно указать в градусах или радианах, но он определяется по формуле: А = n₀ sinΘ_max, где n₀ - показатель преломления окружающей среды. Если торец ОВ находится в воздухе, то n₀= 1 и А = sinΘ_max.

Последнее выражение определяет параметр, который называется числовой апертурой волокна.

Можно показать, что числовая апература , при этом учтено, что Δ << 1 и п₁ + п₂ = 2п₁. Числовая апертура является параметром, характеризующим эффективность ввода оптического излучения в ОВ. Она определяет синус угла между оптической осью и образующей конуса, который называется апертурным. Его вершина направлена в центр торца ОВ. При этом угле выполняется условие полного внутреннего отражения.

Из выражения для числовой апертуры следует, что с увеличением разности п₁ - п₂ значение А возрастает, что повышает эффективность ввода оптического излучения в ОВ. Однако при этом возрастают искажения передаваемых оптических импульсов. Поэтому для ступенчатых ОВ, практически используемых в волоконно-оптических ЦЛТ, числовая апертура обычно находится в пределах 0,18...0,23.

Для градиентного ОВ локальная числовая апертура определяется выражением . На оси ОВ она достигает максимального значения , которое называется числовой апертурой градиентного ОВ. При расчетах эффективности ввода оптического излучения в градиентное ОВ его рассматривают как ступенчатое и характеризуют эффективной числовой апертурой. Для ОВ с параболическим ППП эффективная числовая апертура определяется выражением .

Кроме рассмотренных ступенчатого и градиентного типов, существуют ОВ, имеющие различные другие ППП - треугольный, трапециеобразный, W-типа и т. д. [98, 99].

В общем случае в ОВ любого типа, при подключении к нему источника оптического излучения, возникает три разновидности волн: направляемые, излучаемые и вытекаемые [26].

Направляемые волны. Оптические лучи, которые распространяются по сердцевине ОВ, отражаясь от границы «сердцевина - оболочка», накладываются друг на друга и образуют направляемые волны (моды). Это волны сердцевины - основной вид волн, передаваемых по ОВ (см. рис. 3.4, лучи 1). Здесь вся энергия луча сосредоточена внутри сердцевины ОВ, чем и обеспечивается передача оптических сигналов. Это волны, которые возбуждаются подведенными лучами, попадающими в апертурный конус.

Излучаемые (пространственные) волны, они возникают в ОВ при вводе в него лучей под углом Θ_В > Θ_max, т. е. вне апертурного конуса. Здесь уже в начале ОВ вся энергия этих лучей передается в окружающее пространство и не распространяется вдоль ОВ (см. рис. 3.4, луч 3). Это вызывает дополнительные потери мощности источника излучения, введенной в ОВ, и переходные помехи между волокнами, расположенными в одном кабеле.

Вытекаемые волны (волны оболочки), они возникают и распространяются в оболочке ОВ за счет полного внутреннего отражения от границы «оболочка - защитное покрытие» (см. рис. 3.4, луч 2). Часть вытекаемых волн из-за неоднородностей оболочки излучается в окружающее пространство, вызывая переходные помехи между ОВ данного кабеля.

3.2.3. Передача сигналов по оптическим волокнам

Рассмотрим процесс прохождения оптических лучей по ОВ более подробно на основе лучевой теории передачи сигналов по ОВ, воспользовавшись пояснениями, представленными на рис. 3.5. Из рисунка следует, что между длиной волны λ, диаметром сердцевины d и углом падения Θ_П справедливо выражение: cos Θ_П= λ/d. При этом возможны три случая [26]:

При малых длинах волн (λ → 0, f = c/λ → ∞) угол падения Θ_П → 90°, число отражений при распространении луча мало, луч стремится к прямолинейному движению вдоль оси ОВ, передача происходит в оптимальном режиме (рис. 3.5, а).

Рис. 3.5

При длине волны λ → d, частота f = c/λ → c/d, угол падения Θ_П → 0 и луч испытывает большое число отражений, его поступательное движение весьма мало, передача оптического сигнала не оптимальна (рис. 3.5, б).

При определенной длине волны λ₀ = d, частота f₀ = c/λ₀ = c/d₀, угол падения Θ_П = 0. Луч попадает на границу «сердцевина - оболочка» и отражается от нее перпендикулярно. В сердцевине ОВ устанавливается режим стоячей волны, оптическая мощность по ОВ не передается (рис. 3.5, в). Этот случай соответствует критической длине волны λ₀ и критической частоте f₀ электромагнитного колебания оптического излучения.

Таким образом, в ОВ могут распространяться только волны, длина которых меньше диаметра его сердцевины. Действительно, практически λ = 1,3 или 1,55 мкм намного меньше диаметра сердцевины d = 50 или 62,5 мкм многомодовых оптических волокон (MOB). Оговоренное условие λ < d справедливо и для ООВ, у которых d = 8... 10 мкм.

Вернемся к выражению cosΘ_П = λ/d. Из формулы sin²Θ_П + cos²Θ_П = 1 имеем cosΘ_П = . Подставляя сюда условие полного внутреннего отражения sinΘ_П = n₂/n₁, получим cosΘ_П = . Приравнивая правые части косинусов, будем иметь выражение для критической длины волны:

Критическая частота оптического колебания f₀ = ν₁/λ₀, где ν₁ - скорость распространения оптического сигнала в сердцевине ОВ: ν₁ = с/п₁. Подставляя выражения для λ₀ и ν₁ в формулу для критической частоты, получим:

Приведенные соотношения для λ₀ и f₀ позволяют сделать следующие выводы:

Чем больше диаметр сердцевины OB (d = 2а) и чем больше возрастают показатели преломления сердцевины и оболочки п₁ и п₂ соответственно, тем больше критическая длина волны и ниже критическая частота.

При равенстве п₁ = п₂ получим λ₀ = 0, f₀ → ∞ и передача по такому ОВ невозможна. Это заключение имеет свое логическое обоснование: при отсутствии границы между сердцевиной и оболочкой ОВ перестает действовать как направляющая среда.

Оптические волокна имеют частоту отсечки - критическую частоту f₀, выше которой ОВ ведут себя как фильтры верхних частот и по ним (по ОВ) возможна передача лишь тех волн, длина которых меньше λ₀. При частоте оптических сигналов f > f₀ их энергия концентрируется внутри сердцевины ОВ и распространяется вдоль нее. Оптические сигналы, имеющие частоту f > f₀, рассеиваются в окружающем пространстве и по ОВ не передаются.

Приведенный краткий анализ передачи оптических сигналов на основе лучевой теории справедлив лишь для ОВ, у которых λ << d, так как оптические лучи в них распространяются в соответствии с законами геометрической оптики.

Если же размеры поперечного сечения сердцевины ОВ сравнимы с длиной волны оптического излучения, то для анализа распространения оптического излучения в таких ОВ необходимо использовать волновую теорию распространения сигналов по ОВ.

Волновая теория рассматривает процесс передачи сигналов по ОВ как передачу разновидности электромагнитных волн. Для анализа этого процесса необходимо найти решение волнового уравнения Максвелла в цилиндрической системе координат. Здесь это решение не приводится, его можно найти в работе [29]. В общем случае волновое уравнение имеет несколько решений. Каждому из них соответствует колебание с определенной пространственной структурой электрического и магнитного полей и соответствующей постоянной распространения, т. е. фазовой скоростью. Каждое из этих колебаний имеет определенный тип волны, или моду. Любое оптическое излучение, передаваемое по ОВ, можно представить как суперпозицию мод, т. е. как результат сложения распространяющихся в нем колебаний.

В оптическом волокне могут существовать два типа волн: симметричные Е_от, Н_оп и несимметричные (дипольные) ЕН_пт, НЕ_пт, где п и m - число изменений электромагнитного поля по диаметру и длине ОВ соответственно. По волновой теории в ОВ передается ограниченное число волн, которое может быть рассчитано, если известны длина волны, диаметр сердцевины ОВ и разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

Основная мода образуется лучом, направляемым вдоль оси ОВ, так как только параметры распространения осевого луча не зависят от условий отражения на границе «сердцевина - оболочка». Подбирая параметры ОВ, в нем можно получить режим распространения только одной несимметричной моды типа НЕ₁₁.

Оптическое волокно, в котором распространяется только одна волна (мода) типа НЕ₁₁, называется одномодовым.

Обычно режим работы ОВ характеризуется обобщенным параметром ν, который объединяет диаметр сердцевины d = 2a, коэффициенты преломления п₁ и п₂ и длину волны оптического излучения λ. Этот параметр называются нормированной частотой и определяются выражением:

Режим одномодовой работы реализуется при условии: 0 < ν < 2,405. Для заданной длины волны λ это условие можно выполнить, уменьшая либо разность (п₁ - n₂), либо радиус сердцевины ОВ.

Для типичного случая (п₁ = 1,5; п₂= 1,49) получим ν ≈ 0,6 а/λ, а максимальное значение диаметра сердцевины ОВ при λ = 1,6 мкм составит 12,8 мкм.

Достоинством ООВ является весьма широкая полоса частот (большая пропускная способность), поэтому их используют в основном на магистральных сетях, обеспечивая большую дальность связи и высокую скорость передачи оптических сигналов.

Действительно, по Рекомендации ITU-T G.958 в системах передачи SDH, где используются скорости передачи до 40 Гбит/с, в качестве направляющей среды для построения СЛТ используют только ООВ.

С увеличением диаметра сердцевины ОВ, а значит и нормированной частоты и, число типов передаваемых мод резко возрастает.

Оптическое волокно, в котором распространяется две и большее число мод, называется многомодовым. Можно показать, что при одинаковой нормированной частоте число мод в MOB с параболическим ППП, т. е. в градиентном MOB, в 2 раза меньше, чем в волокне со ступенчатым ППП, что улучшает параметры передачи первого из них.

3.2.4. Затухание оптических сигналов

Затухание сигналов в ОВ оптического кабеля является одним из основных факторов, ограничивающих длину участка регенерации СЛТ. Коэффициент затухания α [дБ/км] обусловлен собственными потерями мощности передаваемого оптического сигнала в отдельно взятом ОВ - α_с и дополнительными потерями, возникающими в том же ОВ, при помещении его в серийно изготавливаемый кабель - α_к, т. е. α = α_с+ α_к.

Собственные потери в основном определяются тремя факторами:

расход энергии на диэлектрическую поляризацию материала оптического волокна - α_п;

рассеяние энергии в окружающее пространство - α_р;

поглощение энергии посторонними примесями в материале ОВ - α_пр, т. е. α_с = α_п+ + α_р + α_пр.

Рассмотрим кратко каждый из указанных факторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь материала ОВ tgδ с показателем преломления п, имеющим комплексный характер (п = п_д + jп_м), связан выражением:

Коэффициент затухания α_п при этом зависит от свойств материала ОВ и длины волны передаваемого оптического сигнала. Он определяется по формуле:

α_п = πntgδ/λ.

Подставляя в это выражение формулу для tgδ и учитывая, что λ = c/f и с/п = ν, окончательно получим:

Из полученного выражения следует, что частотная зависимость α_п имеет линейный характер. Если коэффициент преломления имеет действительное значение п = n_д, то tgδ = 0 и потери на диэлектрическую поляризацию материала ОВ отсутствуют, т. е. α_п = 0.

Основные потери вследствие рассеяния вызываются главным образом неоднородностями показателя преломления материала ОВ и его тепловой флуктуацией. Указанные неоднородности неизбежно возникают в материале ОВ в процессе варки стекла и остаются «замороженными» в его массе. Эти потери зависят от длины волны по закону 1/λ⁴ и называются рэлеевским рассеянием.

Коэффициент затухания α_р при этом определяют по формуле:

α_р = К_р/λ⁴.

где К_р - коэффициент рассеяния, для кварца он имеет значение 1...1,5. Потери на рэлеевское рассеяние определяют нижний предел потерь, которого можно достичь в материалах для ОВ в идеальных условиях. Этот предел различен для волн разной длины и с увеличением λ уменьшается.

Потери оптического сигнала значительно возрастают при наличии в материале ОВ посторонних примесей (ионов металлов переходной группы Fe²⁺, Сu²⁺ , ионов гидроксильных групп ОН^- и др.). Наличие этих примесей вызывает увеличение потерь в ОВ и приводит к появлению резонансных всплесков затухания на длинах волн 0,95; 1,24; 1,39 мкм. Содержание примесей должно быть крайне низким. Например, концентрация (относительная весовая доля) ионов типа ОН^- порядка 10^-6 на длине волны 1,39 мкм вызывает максимум коэффициента поглощения около 40 дБ/км.

Коэффициент затухания α_пр при этом определяется по формуле:

α_пр = К_пре^-^k^/^π,

где коэффициенты К_пр и k имеют значения: К_пр ≈ 1,1...1,3; k ≈ (0,5... 0,8) х 10^-6.

Экспериментальная зависимость коэффициента затухания собственных потерь α_с от длины волны передаваемого оптического сигнала λ в ООВ из германосиликатного стекла (кривая 1) приведена на рис. 3.6. На этом же рисунке показаны теоретические зависимости, обусловленные рэлеевским рассеиванием (кривая 2) и инфракрасным поглощением (кривая 3). Как видно из рисунка, в длинноволновой области есть два «окна прозрачности» - на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм, в которых коэффициенты затухания имеют значения 0,35.. .0,4 и 0,18.. .0,22 дБ/км соответственно [94].

Рис. 3.6

Можно констатировать, что в настоящее время при строительстве СЛТ используются оптические кабели только с ООВ, в которых коэффициенты затухания на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм имеют указанные выше значения. Это позволяет получить ОС длиной 50...60 и 80... 120 км соответственно [3].

Дополнительные потери мощности оптических сигналов возникают в ОВ в результате наложения на него защитного полимерного покрытия и деформации при сборке кабеля. Защитное покрытие предназначено для повышения механической прочности ОВ и уменьшения переходных помех между ОВ при их плотной укладке в кабеле. Чем больше толщина оболочки ОВ, тем меньше электромагнитное поле направляемых мод на ее внешней границе с защитным покрытием и, следовательно, меньше дополнительные потери в защитном покрытии. Однако чрезмерное увеличение толщины оболочки нежелательно по ряду причин: ухудшение гибкости ОВ, увеличение его массы, стоимости и др. Поэтому типовые MOB имеют размеры 62,5/125 или 50/125 мкм, т. е. отношение b/а = 2 или b/а = 2,5 соответственно (см. рис. 3.3). При этом коэффициент затухания в защитном покрытии не превышает 0,1 дБ/км.

Что касается ООВ, то у них соотношение между указанными геометрическими размерами иное. Объясняется это тем, что электромагнитное поле основной моды НЕ₁₁ проникает в оболочку на значительную глубину и толщина оболочки ООВ должна быть существенно увеличена по сравнению с радиусом сердцевины, чтобы предотвратить возрастание потерь в защитном покрытии. Для обеспечения пренебрежительно малой величины этих дополнительных потерь толщина оболочки должна в 10 и более раз превышать радиус сердцевины. Поскольку для обеспечения режима распространения в ООВ только одной моды диаметр его сердцевины выбран в пределах 8... 10 мкм, то в целях унификации диаметр оболочки ООВ равен 125 мкм, т. е. такой же, как и в MOB.

Дефекты защитного покрытия ОВ и его деформация при изготовлении кабеля приводят к образованию микроизгибов, а значит к дополнительным потерям. Выбором кабельных материалов, конструкции и технологии изготовления кабелей коэффициент затухания за счет микроизгибов в волокне доводится до значения 0,1 дБ/км и менее.

3.2.5. Дисперсия оптических импульсов

При прохождении передаваемых импульсов по ОВ уменьшается не только их амплитуда, но изменяется и форма - импульсы расширяются, т. е. увеличиваются по длительности, как показано на рис. 3.7. Это явление называется дисперсией. Для прямоугольных импульсов увеличение длительности τ определяется как квадратичная разность их длительности на выходе и входе ОВ: , где τ_вых и τ_вх - длительности выходного и входного оптических импульсов соответственно на уровне половины их амплитуды (рис. 3.7). Причем, чем длиннее ОВ, тем больше проявляется дисперсия, поэтому вводится понятие коэффициента дисперсии, который обозначается D, нс/км.

Рис. 3.7

Увеличение длительности оптических импульсов на приеме при заданной длине ОС определяет предельную скорость передачи ЦЛС. При малом значении затухания ОВ данной ОС для заданной скорости передачи ЦЛС дисперсия ограничивает максимальное расстояние между регенераторами, т. е. длину ОС.

Таким образом, дисперсия и затухание являются основными параметрами передачи ОВ. Рассмотрим кратко основные причины возникновения дисперсии. Дисперсию в общем случае определяют три фактора:

различие фазовых скоростей передачи направляемых мод, которые распространяются по сердцевине ОВ;

направляющие свойства структуры ОВ;

свойства материалов, из которых изготовляются ОВ.

Соответственно различают межмодовую дисперсию τ_мм, внутримодовую (волноводную) дисперсию τ_вм и материальную дисперсию τ_мат, или дисперсию материала ОВ.

Различие скоростей распространения направляемых мод на фиксированной длине волны излучения приводит к тому, что время прохождения этими модами ОВ заданной протяженности от его входа до выхода неодинаково. В результате длительность передаваемого импульса увеличивается. Это увеличение равно разности времени распространения самой медленной и самой быстрой волн (мод). Указанное явление называют межмодовой дисперсией τ_мм.

Пусть ОВ со ступенчатым ППП имеет длину L. Расстояние, пройденное оптическим лучом при его распространении по сердцевине ОВ зигзагообразно, составит L/cosΘ₁, (см. рис. 3.4). Время прохождения лучом указанного пути, если он движется со скоростью ν₁ = = с/п₁, зависит от угла Θ₁ и определяется выражением:

t(Θ₁) = Ln₁/c*cosΘ₁. (3.1)

Из полученной формулы следует, что время распространения лучей по ОВ возрастает с увеличением угла Θ₁, чем и вызывается межмодовая дисперсия. Так как при вводе оптического излучения в волокно угол Θ₁ изменяется от 0 до Θ₁_max, время распространения по самому длинному и самому короткому путям согласно формуле (3.1) составит соответственно:

t_max = Ln₁/c*cosΘ_1max = Ln₁²/c*n₂; t_min=Ln₁/c. (3.2)

Пусть на вход ОВ подается очень короткий оптический импульс (τ_и → 0). Начало выходного импульса, прошедшего ОВ заданной длины L, совпадает со временем прихода первого оптического луча, прошедшего при распространении самый короткий путь, а конец выходного импульса - со временем прихода последнего луча, прошедшего при распространении самый длинный путь. Отсюда в соответствии с выражениями (3.2) увеличение длительности выходного импульса за счет межмодовой дисперсии составит:

τ_мм = t_max - t_min = Ln₁(n₁ - n₂)/cn₂.

Так как (n₁ - n₂)/n₁ = Δ и учтя, что обычно n₁/n₂ ≈ 1, для ступенчатого ОВ получим:

τ_мм = (n₁Δ/c)L. (3.3)

Из формулы (3.3) для межмодовой дисперсии можно сделать следующие выводы:

1. Увеличение длительности передаваемых по ОВ импульсов, вызванное межмодовой дисперсией, тем меньше, чем меньше разность показателей преломления сердцевины и оболочки - это одна из причин, почему в реальных ступенчатых ОВ разность (n₁ - n₂) стремятся максимально уменьшить.

2. Увеличение длительности импульсов на выходе ОВ пропорционально его длине L.

Однако второй вывод справедлив лишь для идеального ОВ, в котором отсутствует взаимодействие между модами. В реальных волокнах наличие неоднородностей приводит к взаимодействию распространяющихся волн. Оно начинает проявляться с определенной длины ОВ, которая называется длиной установившейся связи между модами (L_y). Длина L_y зависит от многих случайных факторов и практически рассчитать ее затруднительно. По данным измерений L_y = 2...3 км, тогда выражение для межмодовой дисперсии можно переписать в виде:

, где L ≥ L_y.

Внутримодовая (волноводная) дисперсия τ_вм обусловлена нелинейной зависимостью коэффициента фазы β любой направляемой моды от длины волны оптического излучения λ. Фазовые скорости направляемых мод ν_ф = ω/β в процессе их распространения по ОВ изменяются, но находятся в пределах с/п₁ ≤ ν_ф ≤ с/п₂. Эти изменения приводят к различной временной задержке составляющих оптического сигнала, т. е. к увеличению длительности выходного оптического импульса, образованного принятыми модами. Увеличение длительности принятого импульса за счет внутримодовой дисперсии пропорционально ширине спектра оптического излучения Δλ, и выражается формулой:

τ_вм = ΔλLВ(λ),

где В(λ) - коэффициент удельной внутримодовой дисперсии, который принято выражать в пикосекундах, деленных на 1 км длины ОВ и на нанометры ширины спектра оптического излучения, пс/(км*нм).

Представленный краткий анализ внутримодовой дисперсии проведен в предположении, что показатели преломления сердцевины п₁ и оболочки п₂ ОВ не зависят от длины волны передаваемого оптического излучения. В реальных условиях это не так. Зависимость показателей преломления сердцевины и оболочки от длины волны оптического излучения также приводит к изменению фазовых скоростей направляемых мод ν_ф = с/п в пределах спектра излучения оптического источника. Возникающая при этом различная временная задержка составляющих принимаемого оптического сигнала - результат дисперсии материала. Увеличение длительности принимаемого оптического импульса, обусловленное материальной дисперсией, определяется формулой, аналогичной предыдущей:

τ_мат = ΔλLM(λ),

где М(λ) - коэффициент удельной дисперсии материала.

Внутримодовую и материальную дисперсии называют хроматической (частотной) дисперсией. Результирующее увеличение длительности оптического импульса за счет межмодовой, внутримодовой и материальной дисперсий на ОС длиной L определяется по формуле:

В различных типах ОВ дисперсии проявляются по-разному. В ступенчатых ОВ при многомодовом режиме их работы преобладает межмодовая дисперсия, при этом коэффициент дисперсии достигает больших значений (D_мм = 20...50 нс/км).

В градиентных MOB лучи, находящиеся вблизи оси волокна, проходят меньший путь, но в среде с большим показателем преломления, т. е. с меньшей скоростью. Периферийные лучи, находящиеся вблизи оболочки, имеют больший путь, но проходят в среде с меньшим показателем преломления, т. е. с большей скоростью. В результате время прохождения различных лучей по сердцевине ОВ уравнивается и определяющей является дисперсия материала. С увеличением длины волны коэффициент дисперсии материала уменьшается, в диапазоне длин волн 1,1... 1,6 мкм он находится в пределах 2...3 нс/км по абсолютной величине.

В ступенчатых ОВ при одномодовом режиме их работы межмодовая дисперсия отсутствует, в них проявляются внутримодовая и материальная дисперсии. Зависимость коэффициентов этих дисперсий от длины волны оптического из лучения приведена на рис. 3.8, где кривая 1 показывает коэффициент внутримодовой дисперсии, а кривая 2 - коэффициент материальной дисперсии. Указанные коэффициенты почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком диапазоне длин волн. Поэтому происходит их взаимная компенсация и коэффициент результирующей дисперсии (кривая 3) при λ = 1,1... 1,7 мкм не превышает 1...2 не/км [26, 99] при λ = 1,3 мкм и λ = 1,55 мкм, на которых ООВ имеет минимальные значения коэффициента затухания (см. рис. 3.6).

Сравнивая дисперсионные параметры различных типов и различных режимов работы ОВ, можно заключить, что лучшие данные имеют ООВ (рис. 3.9, а). Хорошие параметры дисперсии также у градиентных ОВ (рис. 3.9, б). Наиболее резко дисперсия проявляется в ступенчатых MOB (рис. 3.9, в) [80].

Рис. 3.8

Рис. 3.9

Дисперсионные свойства волоконно-оптических ЦЛТ зависят также от источника излучения ОПД. При лазерных диодах, благодаря узкой полосе излучаемых частот, дисперсия ОВ сказывается несущественно. В светоизлучающих диодах полоса излучения значительно шире и дисперсионные свойства ОВ проявляются очень сильно.

С дисперсией τ и коэффициентом дисперсии D однозначно связаны такие параметры различных типов ОВ, как полоса пропускания и коэффициент широкополосности соответственно.

Полоса пропускания Δf определяется как интервал частот, в пределах которого значение АЧХ оптического волокна больше или равно половине ее максимального значения. Это соответствует снижению уровня оптической мощности сигнала на границах (крайних частотах) полосы пропускания ОВ на 3 дБ.

Полоса пропускания рассчитывается по формуле [15]: Δf = 0,44/τ.

Например, если τ = 2 нc, то Δf = 220 МГц.

Оптические волокна всех типов ведут себя как ФНЧ, частота среза которого обратно пропорциональна длине волокна.

Соотношение между полосой пропускания ОВ и протяженностью ОС L км при L ≤ L_y выражается пропорцией Δf/Δf_x = L_x/L, где значения параметров Δf и L с индексом х - искомые, а без него - заданные. Соответственно:

Δf_x = ΔfL/L_x и L_x = LΔf/Δf_x.

В длинных ОС (примерно свыше 3 км), в которых связь между модами уже установилась, действует квадратичный закон соотношений между Δf и L, т. е. Δf/Δf_x = = и тогда Δf_x = Δf/.

Например, если компания поставляет потребителю оптический кабель строительными длинами L = 2 км с полосой пропускания Δf = 5000 МГц, то на ОС длиной L_x = 98 км полоса пропускания значительно уменьшается и составит всего лишь Δf_x = 5000/ =715 МГц.

Таким образом, увеличение длины ОВ приводит к снижению полосы частот передаваемого оптического сигнала и, следовательно, уменьшает пропускную способность (информационную ёмкость) СЛТ. В свою очередь, расширение полосы частот передаваемых оптических сигналов резко ограничивают протяженность СЛТ.

Следует также помнить, что пропускная способность и протяженность СЛТ ограничиваются не только дисперсией, но и затуханием ОВ.

Коэффициент широкополосности К_F определяется как полоса пропускания ОВ длиной 1 км (МГц • км). Сравнивая параметры различных типов ОВ, нужно отметить, что наибольший коэффициент широкополосности имеют ООВ. Особенно заметны их преимущества на длинных волнах 1,3 и 1,55 мкм, где межмодовая дисперсия отсутствует, а коэффициенты хроматической дисперсии и затухания чрезвычайно малы и имеют тенденцию к снижению по мере совершенствования технологии производства ООВ. На указанных длинах волн К_F, как правило, превышает значение 50 ГГц • км. Это позволяет использовать ООВ в высокоскоростных СЛТ большой протяженности.

Градиентные ОВ с параболическим и, особенно, с оптимальным ППП обеспечивают возможность передачи широкой полосы частот даже при увеличении диаметра сердцевины до 50 мкм, т. е. до размера типового ступенчатого ОВ. Наилучшие ОВ с оптимальным ППП имеют коэффициент широкополосности 3...5 ГГц • км. Однако малейшее отклонение профиля от оптимального вызывает резкое уменьшение К_F. Коэффициент широкополосности рассчитывается по формуле: К_F = 0,44/D. Например, если D = 1 нc/км, то К_F = 440 МГц • км.

3.2.6. Одномодовые оптические волокна и их особенности

Поскольку в СЛТ используются только ООВ, рассмотрим их дисперсионные свойства и особенности применения более подробно. В ступенчатых MOB межмодовая дисперсия накладывает очень серьезные ограничения на их пропускную способность. Однако межмодовую дисперсию можно исключить, если изготовить такое ОВ, в котором могла бы распространяться только одна мода НЕ₁₁. В подразд. 3.2.3 указывалось, что условие одномодовости волокна имеет вид:

В волокне с параметрами, удовлетворяющими этому условию, т. е. в ООВ благодаря распространению единственной основной моды НЕ₁₁ межмодовая дисперсия отсутствует. Увеличение длительности импульса, прошедшего ООВ, определяется только волновод ной (внутримодовой) и материальной дисперсиями, выражения для которых приведены в предыдущем подразделе. Графики зависимости коэффициента удельной дисперсии материала М(λ) (кривая 3) и удельной внутримодовой дисперсии B(А,) (кривая 1) от длины волны оптического излучения для чистого кварцевого ООВ с заданными параметрами представлены на рис. 3.10 [29]. Из рисунка видно, что материальная дисперсия значительно больше волноводной и, следовательно, она в основном ограничивает полосу пропускания ООВ. С увеличением длины волны значение коэффициента M(λ) уменьшается до 0 (кривая 3), а затем на длине волны λ = λ₀ = 1,28 мкм изменяет знак на противоположный. Это значение λ₀ соответствует точке перегиба кривой М(λ).

Рис. 3.10

В некоторых работах, например [57], указывают на значение λ₀, как на «длину волны нулевой дисперсии материала». С практической точки зрения такое определение вводит в заблуждение, поскольку реальный оптический импульс содержит в себе спектр длин волн, которые распространяются с групповыми скоростями, лежащими в некотором интервале, даже если самая короткая и самая длинная волны передаются по ОВ с одинаковыми скоростями. Поэтому проходит ли характеристика M(λ) (кривая 3) выше или ниже нуля, для вопроса о расширении передаваемого импульса это не имеет никакого значения [29].

Анализируя представленные на рис. 3.10 графики (кривые 2, 3 и 4), необходимо указать на еще две их особенности.

Первая из них состоит в том, что коэффициент M(λ) имеет весьма малые значения на длинах волн в окрестности λ₀. Для оптических сигналов, которые передаются на длинах волн, близких к λ₀, материальная дисперсия ООВ минимальна. Такие сигналы обеспечивают максимальную пропускную способность ООВ, используемых в СЛТ современных систем передачи SDH.

Действительно, например, для ООВ из чистого кварца на длине волны λ₀ = 1,55 мкм коэффициент материальной дисперсии D_мат = τ_мат/L = γ • 3,4 • 10^-11 с/м, где γ = Δλ/λ - относительная ширина спектра источника излучения. Если в таком случае в качестве источника излучения использовать светоизлучающий диод с шириной спектра 45 нм, то получим γ = 0,03 и коэффициент D_мат = 1,02 нc/км, а коэффициент широкополосности К_F = = 0,44/D_мат = 440 МГц • км. Полупроводниковые инжекционные лазеры излучают оптические сигналы в пределах очень узкой спектральной полосы порядка 3 нм, тогда γ = 0,002; D_мат = 0,068 нc/км и К_F = 6,5 ГГц • км.

Вторая особенность - величину λ₀ можно изменить, вводя в материал для изготовления ООВ различные примеси. Например, введением бора можно получить λ₀ менее 1,22 мкм (кривая 4), а легирование германием позволяет увеличить λ₀ до 1,37 мкм (кривая 2 на рис. 3.10).

Современные лазеры устойчиво работают на одной продольной моде, обеспечивая чрезвычайно малую ширину спектральной линии оптического излучения и в этом случае γ может достигать значения менее 0,0001. При этих условиях материальная дисперсия становится малой даже на λ = 1,55 мкм, что позволяет воспользоваться также и преимуществом минимального значения коэффициента затухания кварцевого ООВ на этой длине волны.

Таким образом, чтобы уменьшить в ООВ влияние материальной дисперсии, целесообразно использовать источники с возможно меньшей шириной спектральной линии оптического излучения. Существует и другой способ - компенсации материальной дисперсии волноводной (внутримодовой) дисперсией, потому что графики зависимости этих дисперсий от длины волны в области длинных волн имеют противоположные знаки. Практически это означает, что для ООВ минимум результирующей (суммарной) дисперсии сдвигается в сторону более длинных волн. Степень этого смещения зависит от коэффициента B(λ), а следовательно, от параметров волокна. Варьируя значения относительной разности показателя преломления Δ и радиуса сердцевины а одномодового волокна, можно изменять волноводную дисперсию и достигнуть компенсации материальной дисперсии, т. е. минимума результирующей дисперсии на длине волны, где коэффициент затухания ООВ имеет наименьшее значение.

Графики зависимости коэффициентов удельных дисперсий: материальной М(λ), внутримодовой B(λ) и результирующей R(λ) от длины волны передаваемого оптического сигнала при различных диаметрах (d = 2a) сердцевины кварцевого ООВ и фиксированной относительной разности показателей преломления Δ представлены на рис. 3.11 [57]. Из рисунка следует, что:

при диаметре сердцевины 11 мкм коэффициент результирующей удельной дисперсии равен нулю на длине волны 1,3 мкм;

при 2а = 4,5 мкм - на длине волны λ = 1,48 мкм;

при 2а = 3,5 мкм - на длине волны λ = 1,75 мкм.

Рис. 3.11

Эти результаты подтверждают, что можно создать ООВ, в котором минимум результирующей дисперсии будет совпадать с минимумом затухания в окрестности длины волны 1,55 мкм.

Результат анализа зависимости материальной и волноводной дисперсий от диаметра сердцевины и относительной разности показателей преломления сердцевины и оболочки в ООВ для выбранной рабочей длины волны λ = 1,55 мкм позволяет заключить, что при 2а = 2,1 мкм и Δ = 0,4 % результирующая дисперсия отсутствует. При больших значениях Δ, например при Δ = 0,6 %, существуют два значения диаметра сердцевины, при которых R(λ) = 0. Для обеспечения очень жестких допусков при соединении ООВ между собой или между источником и приемником оптического излучения больший диаметр сердцевины предпочтителен. Однако при большем из двух значений диаметра сердцевины волокна условие его одномодовости ν = 2,405 может быть не выполнено, и тогда наряду с основной модой возможно возникновение и распространение других волн. В этом случае ОВ уже не будет одномодовым.

Таким образом, в современных диапазонах длин волн λ = 1,3 мкм и λ = 1,55 мкм при компенсации материальной и волноводной дисперсий диаметр сердцевины ООВ должен быть небольшим, что затрудняет его изготовление, возбуждение и стыковку. Поэтому в некоторых случаях для создания ООВ с большим диаметром сердцевины приходиться выбирать меньшую разность показателей преломления сердцевины и оболочки. В этом случае получается меньшее значение волноводной дисперсии и, следовательно, не полная компенсация материальной дисперсии, т. е. R(λ) ≠ 0.

Применяя трехслойные ООВ, в частности W-типа, или с поглощающей оболочкой, можно получить большую, чем в двухслойном ООВ, волноводную дисперсию при одинаковой разности показателей преломления Δ.

Профиль показателя преломления ступенчатого оптического волокна W-типа и его структура приведены на рис. 3.12. Показатели преломления сердцевины и оболочки удовлетворяют условию п₁ > п₃ > п₂. В таком волокне основная часть энергии низших мод распространяется в оптически более плотной сердцевине и в промежуточной оболочке. Высшие моды распространяются во второй (внешней) оболочке. Поэтому путем подбора тангенса угла диэлектрических потерь материалов различных слоев ОВ можно осуществить эффективную фильтрацию мод. При этом затухание всех высших мод велико, а затухание основной моды НЕ₁₁ увеличивается незначительно. Возможность влиять на условия отсечки как низшей моды, так и ближайшей высшей моды позволяет создать при относительно больших диаметрах сердцевины и значениях нормированных частот (ν < 3,01...3,15) одномодовый режим работы в таком волокне.

Рис. 3.12

Результаты минимизации дисперсии в ООВ W-типа с параметрами: 2а = 7,2 мкм; 2b₁ = 9,4 мкм; п₁ = 1,4562; п₂ = 1,4424; п₃ = 1,4437, относительные разности показателей преломления между сердцевиной и первой оболочкой – Δ₁ = 1 %, и между первой и второй оболочками - Δ₂ = - 1 % позволяют заключить, что коэффициент результирующей удельной дисперсии не превышает 1 пс/(км • нм) в диапазоне длин волн 1,35...1,67 мкм [57].

До сих пор предполагали, что ООВ имеет идеальный ступенчатый профиль показателя преломления. Практически это не так. Диффузия легирующих примесей в процессе изготовления ООВ вызывает размытие границы перехода «сердцевина - оболочка». Поэтому для характеристики ООВ вместо диаметра сердцевины 2а и распределения показателя преломления используется понятие диаметр модового поля, или диаметр поля моды d_пм [98], т. е. диаметр поля основной моды НЕ₁₁. Этот параметр нормируется ITU-T в Рекомендациях G.652 - G.654, согласно которым он должен находится в пределах 7... 10 мкм с отклонением от выбранного номинального значения не более ± 10 %. Некруглость диаметра поля моды практически невелика (меньше 6 %), поэтому она не нормируется. Неконцентричность поля моды по отношению к оболочке не должна превышать 1 мкм.

В настоящее время ассортимент применяемых в мире ОВ в основном стабилизировался. Это, главным образом, ООВ как с несмещенной, так и со смещенной дисперсией, соответствующие Рекомендациям ITU-T G.652 и G.653. На долю ООВ в мире приходится 80 % сбыта, а на долю MOB -только 20% [98].

Основные оптические и геометрические параметры выпускаемых ведущими фирмами ООВ с несмещенной дисперсией представлены в табл. 3.4, а параметры ООВ со смещенной дисперсией - в табл. 3.5.

Таблица 3.4

Параметры	Рекомендация G.652	Значения для ООВ, выпускаемых фирмами
Параметры	Рекомендация G.652	Lucent (США)	Pirelli (Италия)	Kabel- rheudt (Германия)	«Оптика-Кабель» (Россия)	BFK (Польша)
Коэффициент затухания, дБ/км, на волнах:
1,3 мкм	< 1,0	0,35... 0,4	< 0,36	0,33... 0,45	< 0,35	≤ 0,40
1,55 мкм	<0,5	0,21... 0,3	< 0,25	0,2... 0,3	< 0,22	≤ 0,25
Коэффициент удельной хроматической дисперсии, пс/(км • нм), на волнах:
1285... 1330 нм	<3,5	-	≤ 3,5	3,5. ..5,0	≤ 3,5	≤ 3,5
1525... 1575 нм	<20	≤ 18	≤ 20	≤ 19	≤ 18	≤ 18
Эксцентриситет «сердцевина - оболочка», мкм
Эксцентриситет «сердцевина - оболочка», мкм	<1	< 0,8	< 1	< 1	-	< 1

Таблица 3.5

Параметры	Рекомендация G.653	Значения для ООВ, выпускаемых фирмами
Параметры	Рекомендация G.653	«Оптен» (Россия)	Pirelli (Италия)	BFK (Польша)
Коэффициент затухания, дБ/км, на волнах:
1,3 мкм	< 1,0	-	≤ 0,44	≤ 0,5
1,55 мкм	< 0,5	0,22... 0,25	≤ 0,25	≤ 0,3
Коэффициент удельной хроматической дисперсии, пс/(км • нм), на волнах:
1285... 1330 нм	-	-	25	-
1525... 1575 нм	< 3,5	< 2,7	< 2,7	< 2,7
Диаметр поля моды, мкм, на волне 1,55 мкм
Диаметр поля моды, мкм, на волне 1,55 мкм	7...8	8,4 ± 0,6	8,1 ±0,65	7,7 ± 0,6
Длина волны, нм, при нулевой дисперсии	-	-	-	1535...1565
Длина волны отсечки, нм	-	-	1270	1250

На международной выставке «Связь - Экспокомм'97» детальную информацию о параметрах ООВ представила фирма Lucent. Она наряду с ООВ ступенчатого, W-образного, треугольного профилей показателя преломления рекламировала также ООВ, легированные эрбием, которые имеют различные модификации и предназначены для волоконно-оптических усилителей (см. подразд. 3.6.4). Для производимых фирмой Lucent ООВ с несмещенной дисперсией, имеющих различные ППП, значения диаметра поля моды d_пм приведены в табл. 3.6.

Таблица 3.6

Профили показателя преломления ООВ	Значения d_пм, мкм
Профили показателя преломления ООВ	Рекомендация G.652	Фирма Lucent
Ступенчатый
1300 нм	10 ±10%	9,3 ± 0,5^*
1550 нм	-	10,5 ± 1,0
W-образный
1300 нм	9 ± 10 %	8,8 ±0,5
1550 нм	-	9,7 ± 0,6
Треугольный
1550 нм	-	8,4 ± 0,6

Примечание. ^* Этот параметр нормируют многие компании.

Итак, следует подчеркнуть: выставки последних лет (1997 - 2000 гг.) «Связь - Экспокомм» [64, 98, 99, 100] убедительно продемонстрировали, что время электрических кабелей связи, т. е. кабелей с медными жилами на магистральных сетях, заканчивается. Наступила эпоха оптических кабелей связи с одномодовыми волокнами [80, 96, 101,105].

3.3. Построение оптических передатчиков

3.3.1. Источники оптического излучения

Оптический передатчик (ОПД), или передающий оптоэлектронный модуль (ПОМ) предназначен для преобразования передаваемых электрических видеоимпульсов в последовательность оптических «радиоимпульсов», которые имеют частоту заполнения, соответствующую используемой длине волны. В состав ОПД входят выполненные в едином конструктивном исполнении источник оптического излучения, электронные устройства для преобразования входных электрических сигналов и стабилизации режимов работы каскадов, а также оптический соединитель, или устройство ввода излучения в ОВ. Основным элементом ОПД является источник оптического излучения. Он должен удовлетворять следующим основным требованиям:

генерировать оптическое излучение на заданной длине волны, которая имеет один из минимумов затухания в ООВ (см. рис. 3.6);

обеспечивать высокий КПД ввода оптического излучения в ООВ;

иметь малые габариты, массу и потребляемую мощность;

отличаться простотой, надежностью и долговечностью.

Этим требованиям наиболее полно соответствуют источники оптического излучения, построенные на основе полупроводниковых структур. Поэтому в качестве рассматриваемых источников в ВО ЦСП практически используют два типа полупроводниковых излучателей: светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые лазеры (ППЛ). Физической основой работы полупроводниковых излучателей (диодов и лазеров) является инжекционная электролюминесценция. Один из наиболее эффективных способов ее создания - пропускание электрического тока через р-п-переход полупроводника путём приложения к нему прямого напряжения смещения. При этом электроны инжектируют из п-области в р-область, где происходит рекомбинация носителей (электронов и дырок). В результате, освобождается энергия, которая излучается из р-п-перехода в виде квантов света - фотонов.

Энергия фотона, выделяемая в результате рекомбинации носителей, пропорциональна постоянной Планка:

Е_ф = hf = hc/λ,

где Е_ф - энергия фотона, эВ (1 эВ = 1,6*10^-19 Дж); h = 6,626*10^-34 - постоянная Планка, Дж • с; f - частота электромагнитного колебания оптического излучения, Гц; с = 3 • 10⁸ - скорость света в вакууме, м/с.

Из представленного выражения для энергии фотона можно получить формулу для длины волны оптического излучения λ:

λ = hc/Е_ф = 1,24/Е_ф.

В любом полупроводнике зона проводимости, имеющая некоторую концентрацию п свободных электронов, отделена от валентной зоны, имеющей такую же концентрацию р свободных дырок, энергетическим зазором запрещенной зоны Е_д [эВ], как показано на рис. 3.13. Оказывается, что у разных полупроводников запрещенная зона имеет разное значение. При ее преодолении инжектирующими носителями последние излучают из запрещенной зоны оптические волны разной длины.

Рис. 3.13

Первым полупроводником для оптического излучения, который был опробован в работе и хорошо отработан технологически, является арсенид галлия (GaAs). Именно этот материал использовали в начале 80-х гг. при разработке источников 80-х гг. при разработке источников излучения для оптической связи [29]. У арсенида галлия энергетический зазор запрещенной зоны равен 1,42 эВ, тогда длина волны оптического излучения в соответствии с приведенной выше для нее формулой имеет значение: λ = 1,24/Е_ф = 1,24/1,42 = 0,87 мкм. Длина волны может быть увеличена или уменьшена, например, путем легирования некоторого основного полупроводника различными примесями в разных концентрациях.

Современные источники длинноволнового излучения работают на основе фосфида индия InP и четверного соединения с ним арсенидфосфида галлия и индия InGaAsP. Ширину запрещенной зоны у этих материалов можно изменять от 1,35 до 0,74 эВ. Это позволяет перекрыть диапазон длин волн оптического излучения в пределах 0,92... 1,67 мкм, т.е. получить источники с длинами волн λ₁ = 1,24/0,95 = 1,3 мкм и λ₂= 1,24/0,8 = 1,55 мкм, где ООВ имеют минимальные значения коэффициентов затухания и хроматической дисперсии.

Светоизлучающие диоды и лазеры изготавливаются из указанных полупроводников на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP, причем прозрачная для оптического излучения подложка выполняется из фосфида индия InP, а активный слой - из четверного соединения InGaAsP с таким соотношением компонентов, чтобы обеспечить оптическое излучение на требуемой длине волны.

Рассмотрим устройство и основные свойства таких структур более подробно. Существуют различные полупроводниковые материалы, которые имеют одинаковые или почти одинаковые постоянные кристаллические решетки, поэтому эти материалы могут образовывать один монокристалл. На границе между ними меняются ширина запрещенной зоны, диэлектрическая проницаемость и другие свойства. Такие переходы между полупроводниками, имеющими согласованные решетки, но различные свойства, называются гетеропереходами. В гетеропереходах каждый из полупроводников может быть р- или n-типа. Если для обозначения типа широкозонного полупроводника использовать прописные буквы Р или N, а для узкозонного - строчные п или р, то возможны следующие переходы с различными свойствами: n = N, p = P, n = P и p = N.

Ниже будут рассмотрены структуры полупроводников, имеющие важное значение при разработке лазерных источников оптического излучения. В этих структурах для создания двух слоев указанного материала, расположенных между слоями широкозонного полупроводника, используются два гетероперехода. Одна из таких структур схематично представлена на рис. 3.14. Она называется двойной гетероструктурой.

Рис. 3.14

Укажем основные свойства гетеропереходов, необходимые при создании высокоэффективных источников оптического излучения [29].

Высокая эффективность инжекции. Основные носители стремятся покинуть узкозонный материал (обозначение 1). Это приводит к уменьшению доли тока через переход, обусловленного неосновными носителями, инжектированными в материал 2. При отличии энергетических зазоров на величину энергии более, чем несколько kT, этот эффект гораздо существеннее, чем действие легирования на величину длины волны оптического излучения данного источника.

Ограничение неосновных носителей в двойной гетероструктуре. При приложении напряжения положительного смещения, в материале 1 устанавливается более высокая и однородная концентрация неосновных носителей и более высокая скорость рекомбинации. Это свойство играет важную роль при разработке источников оптического излучения.

Улучшение омических контактов. Использование гетеростуктур позволяет легко изготовить хорошие низкоомные контакты. Это одна из причин использования пятислойной структуры, показанной на рис. 3.14.

Прозрачность широкозонного материала. Рекомбинационное излучение, зародившееся в узкозонном материале, не может возбудить зона - зонный переход в широкозонном материале. В результате этого слои 2 и 3 на рис. 3.14 оказываются значительно более прозрачными для излучения из материала 1, чем сам этот материал. Это означает, что если подложка из материала InP прозрачна для излучения светодиода или лазера, то методом травления в ней можно изготовить монолитную микролинзу, улучшающую коэффициент связи между источником излучения и волокном.

Волноводный эффект. Поскольку показатели преломления материалов, образующих гетеропереход, различны, лучи внутри перехода могут испытывать полное внутреннее отражение. В двойной гетероструктуре, если показатель преломления материла 1 больше, чем материалов 2 и 3, рекомбинационное излучение, рожденное в слое (материале) 1, может распространяться вдоль него, испытывая многократные отражения, как в ОВ. Этот эффект особенно важен для работы лазеров на основе двойной гетероструктуры. Оказывается, что почти в каждом таком лазере широкозонный материал имеет меньший показатель преломления, чем узкозонный (аналогично показателям преломления сердцевины и оболочки ОВ, где показатель преломления сердцевины п₁ больше показателя преломления оболочки n₂).

Принципиальное различие между СИД и ППЛ состоит в том, что в первых происходит спонтанная (самопроизвольная) рекомбинация носителей, поэтому излучение на выходе СИД является некогерентным и слабонаправленным. Время перехода всех электронов с одного энергетического уровня на другой разное. Происходит наложение излучения, возникают оптические волны с неодинаковой амплитудой и фазой. Вследствие этого наблюдается неоднородность и по частоте. Ширина спектра оптического излучения СИД Δλ составляет десятки нанометров.

Полупроводниковые лазеры являются когерентными, точнее квазикогерентными источниками оптического излучения, в которых происходит направленное излучение фотонов. Его получают, применяя оптический резонатор, который формирует остронаправленное излучение. Ширина спектра излучения ППЛ Δλ не превышает единиц нанометров, а у некоторых - даже десятые и сотые их доли.

Кроме указанных параметров (длины волны оптического излучения λ и ширины спектра излучения Δλ), источники оптического излучения характеризуются следующими основными параметрами:

выходная мощность оптического излучения Р_изл составляет десятые доли милливатт для СИД и единицы милливатт для ППЛ;

КПД при вводе оптического сигнала в ОВ - не более 10 % для СИД и 60... 80% - для ППЛ;

ширина полосы частот модулирующего сигнала/мод - не более 200 МГц для СИД и единицы, десятки гигагерц - для ППЛ;

продолжительность безотказной работы - до 10⁹ ч для СИД и до 10⁶ ч - для ППЛ;

минимальные геометрические размеры - для ППЛ объем полупроводника примерно равен 1 мм³, к нему подведены металлические проводники (электроды), излучение происходит из запрещенной зоны толщиной 0,15...0,20 мкм;

низкая стоимость, высокая надежность, экономичность энергопотребления, возможность массового производства.

Источники оптического излучения вносят в передаваемый оптический сигнал шумы, которые обусловлены колебаниями концентрации носителей, нелинейностью ваттамперной характеристики, переходными явлениями, релаксационными колебаниями и т. д.

В ППЛ шумы резко возрастают, если выходное оптическое излучение отражается от внешних компонентов ОПД и возвращается обратно в активную область полупроводника. Вводимый в ООВ шум, вызванный отражениями, примерно на порядок больше, чем в случае MOB.

Светоизлучающие диоды проще, дешевле, более долговечны, надежны и стабильны. Хотя полная мощность оптического излучения может достигать несколько миливатт, из-за большой расходимости излучения удается ввести в ОВ не более 10 % излучаемой мощности. Это ограничивает область применения СИД. Они используются в ВО ЦСП малой дальности связи и низкой пропускной способности.

К преимуществам ППЛ относятся: малые массогабаритные параметры, высокий КПД, узкополосность и направленность излучения, возможность модуляции широкополосным сигналом, а также непосредственной модуляции по интенсивности простым изменением входного модулирующего тока.

Однако существуют и недостатки ППЛ: большой ток модуляции (десятки и сотни милиампер) и дефекты полупроводниковых структур ограничивают срок службы. Лазер имеет нестабильные оптические параметры: в результате старения полупроводника и изменения его температуры возникают колебания мощности оптического излучения. Используя специальную обратную связь и термостатирование, мощность излучения стабилизируют, но это усложняет ОПД и снижает его надежность.

Анализ работы ППЛ показывает, что их можно успешно применять в ВО ЦСП, в частности, для построения СЛТ систем передачи SDH, обеспечивающих большую дальность связи (протяженность линейных трактов сотни и тысячи километров) и высокую пропускную способность (десятки и сотни тысяч ОЦК).

В волоконно-оптических системах передачи SDH в качестве источников оптического излучения для передачи сигналов по ООВ используются только полупроводниковые лазеры. Поэтому рассмотрим их параметры более подробно.

3.3.2. Инжекционные лазеры и их основные параметры

Полупроводниковым лазером называется генератор когерентного излучения в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области на основе полупроводникового кристалла. По способу возбуждения ППЛ разделяют на инжекционные, лазеры с оптической накачкой и лазеры с накачкой пучком быстрых электронов.

Инжекционные лазеры (ИЛ) состоят из активной среды и резонатора. Для возбуждения лазера и поддержания в нем незатухающих колебаний необходимо выполнить два условия:

Создать инверсную населенность активной среды и получить оптическое усиление излучения. Инверсной населенностью активной среды называется такое ее состояние, при котором скорость индуцированного излучения превышает скорость поглощения фотонов атомами активной среды. При этом интенсивность потока фотонов увеличивается в процессе их распространения в веществе активной среды, т. е. реализуется оптическое усиление излучения пучка фотонов. Инверсная населенность в ИЛ создается путем накачки активной среды постоянным током (инжекции). Чтобы поддерживать инверсную населенность, необходимо постоянно затрачивать энергию накачки, поступающую от источника электропитания. Высвобождение этой энергии происходит в результате индуцированного излучения лазера.

Создать положительную оптическую обратную связь, чтобы превратить рассмотренный оптический усилитель в генератор. Это можно сделать с помощью двух торцевых поверхностей лазера - параллельных пластин (зеркал), которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо [80]. Одна из пластин отражает индуцированное излучение в усиливающую среду (коэффициент отражения близок к 100 %). Другая пластина полупрозрачна и та часть оптической мощности, которая проходит через полупрозрачное зеркало, образует выходное оптическое излучение ИЛ. Оно имеет линейчатую спектральную характеристику, что затрудняет ввод излучения таких лазеров в ООВ. Кроме того, ИЛ с резонаторами из зеркал, или лазеры с резонатором Фабри-Перо, имеют большую излучающую площадь, что также снижает коэффициент связи с ООВ. Отмеченные недостатки устраняются путем применения в ИЛ для волоконно-оптической связи «полосковой геометрии» [29].

«Полосковая геометрия» может быть выполнена различными способами. Один из них схематически представлен на рис. 3.15, а. Полоской называют активный слой полупроводника, ограниченный с двух сторон изолятором. В результате достигается локализация оптической мощности или носителей тока. При этом ток локализуется в полоске шириной менее 10 мкм. Такие приборы носят название лазеров с волноводным усилением, поскольку оптическое излучение локализуется в области с максимальной инверсией населенности, которая, в свою очередь, определяется распределением плотности тока.

Значительно более сильная локализация обеспечивается в конструкции, представленной на рис. 3.15, б, которая называется заращенной гетероструктурой. В таких лазерах образуется «волноводный канал», так как заращивающий слой InGaAsP с пониженным показателем преломления образует границу волновода и ограничивает оптическое излучение, а граница гетероперехода ограничивает носители тока. Структура, приведенная на рис. 3.15, б может быть получена из обычного лазера на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP вытравливанием слоя n-InGaAsP с любой стороны активной полоски и последующим выращиванием п- и р- InGaAsP-слоев на вытравленной области. В зарощенной гетероструктуре ширину полоски доводят до 2 мкм, что позволяет снизить пороговый ток, но при этом полная мощность, излучаемая лазером в окружающее пространство, не превышает 1.. .2 мВт.

Рис. 3.15

Инжекционные лазеры с зарощенной гетероструктурой позволяют получить оптическое излучение одной моды, имеют лучшую временную стабильность и повышенную линейность мощности выходного излучения. Поэтому, несмотря на технологические трудности их изготовления, такие лазеры широко применяют в ОПД, используемых для построения СЛТ большой протяженности.

Рассмотрим основные параметры ИЛ. Типичная экспериментальная зависимость выходной мощности оптического излучения лазера от тока накачки приведена на рис. 3.16. Специфическим параметром лазеров является величина порогового тока I_пор, соответствующего порогу генерации, которая возникает при выполнении условия вынужденного излучения в области p-n-перехода полупроводникового кристалла. При малом токе накачки I_нак < I_пор (область 1 кривой на рис. 3.16) условия генерации лазера не выполняются, оптическое излучение определяется спонтанными переходами и лазер подобен СИД.

В области 2 возрастает доля индуцированного (вынужденного) излучения, поэтому ватт-амперная характеристика лазера имеет излом. При токе выше порога I_нак > I_пор (область 3) в излучении лазера преобладает доля индуцированного излучения.

Основное воздействие на спектральные характеристики излучения лазера оказывают возбуждаемые продольные моды. При узкой полоске в лазерах с волноводным усилением обычно возбуждается много мод и наблюдается довольно широкая спектральная линия генерации, как показано на рис. 3.17, а.

Рис. 3.16

Рис. 3.17

В лазерах с волноводным каналом сразу за порогом генерируется несколько мод, но по мере увеличения тока накачки одна мода становится доминирующей над остальными (рис. 3.17, б). Вследствие наличия квантовых флуктуации в кристалле полупроводника и конечной величины добротности резонатора (полоски), спектральные линии имеют конечную ширину. Уменьшение ширины полоски приводит к увеличению межмодового расстояния, поэтому немногие моды могут попасть в пределы линии усиления. В связи с этим предпочтительнее узкие полоски. Они дают возможность работать с одной продольной модой при более высокой выходной мощности оптического излучения лазера. При этом ширина спектральной линии отдельной моды для лазеров с волноводным усилением имеет значения сотни мегагерц, а для лазеров с волноводным каналом - несколько десятков и даже единиц мегагерц.

Выше (см. подразд. 3.3.1) указывалось, что длинноволновые (1,3 и 1,55 мкм) лазеры для современных ВО ЦСП синхронной иерархии изготавливаются на основе двойной гетероструктуры InGaAsP/InP. Зарощенная полосковая гетероструктура при коротком резонаторе обеспечивает возможность генерации на одной продольной моде при ширине спектра несколько мегагерц. Если при этом использовать узкие контактные полоски, то можно в несколько раз уменьшить пороговый ток, который находится в пределах 400...500 мА для лазера на основе GaAlAs/GaAs и 50... 100 мА для лазера на основе InGaAsP/InP.

Достоинством полупроводниковой структуры InGaAsP/InP является также то, что она не содержит алюминий (Аl). Высокая химическая активность этого материала приводит к усложнению технологии изготовления лазера на основе GaAlAs/GaAs, т. к. необходима тщательная изоляция полупроводника от кислорода и паров воды.

Остается проблемой зависимость порогового тока лазера на основе InGaAsP/InP от температуры активной области. Эта зависимость представлена на рис. 3.18, из которого следует, что при увеличении температуры от 20 до 60 °С величина I_пор примерно удваивается [29]. Изменения температуры лазера вызывают изменение длины волны отдельных продольных мод, что приводит к изменению распределения мощности по модам. В результате изменяются спектральные характеристики. Часто во время излучения лазером импульса оптическая мощность одной продольной моды передается другой моде. Этот эффект известен как перескок мод. Для борьбы с ним используют термостатирование лазера.

Рис. 3.18

Кроме рассмотренных ИЛ с зарощенной гетероструктурой, применяют также лазеры с внешним резонатором, или лазеры ЕС (External Cavity). Они позволяют получить ширину спектральной линии излучения несколько десятков и даже единиц килогерц. В состав лазера входят два слабо связанных резонатора - это внутренний резонатор ИЛ и внешний, используемый для возвращения части излучаемой оптической мощности во внутренний резонатор.

Принцип сужения спектральной линии излучения лазера состоит в том, что незначительная часть излучаемой мощности после небольшой задержки вводится синфазно с отраженной от его торца волной обратно во внутренний резонатор. Структурная схема лазера ЕС приведена на рис. 3.19 [80]. В качестве одного из зеркал внешнего резонатора используется отражающая дифракционная решетка. Она осуществляет грубую межмодовую селекцию, а внешний резонатор - тонкую селекцию и сужение спектральной линии излучения лазера. Теоретически доказано, что этим способом могут быть получены спектральные линии генерации с полосой частот порядка десятков килогерц. Практически получено сужение полосы частот с 200 МГц до 40 кГц. Имеются данные о сужении полосы частот до 10 и даже до 0,5 кГц [104].

Рис. 3.19

Дальнейшим развитием рассмотренного лазера является применение в качестве внешнего резонатора отрезка ООВ длиной 0,5...50 м. Зеркалом внешнего резонатора служит торец волокна без специального покрытия. Настройка внешнего резонатора в пределах используемой длины волны осуществляется пьезоэлектрическим преобразователем.

Инжекционные лазеры на соединении InGaAsP/InP с зарощенной гетероструктурой и внешним резонатором применяют в качестве излучателей ОПД и гетеродинов ОПМ в высокоскоростных СЛТ, использующих когерентный прием оптических сигналов (см. подразд. 3.6.3).

3.3.3. Построение схем оптических передатчиков

При построении схемы оптического передатчика необходимо решать следующие основные задачи:

Первая задача состоит в том, чтобы выбрать метод модуляции оптического излучения лазера или СИД (далее полагаем, что в ОПД в качестве источника излучения используется только ИЛ). Передаваемым сигналом излучение лазера можно модулировать путем внешнего воздействия на какой-либо из его параметров после того, как оно выйдет из источника. Можно модулирующим (передаваемым) сигналом непосредственно воздействовать на источник излучения.

Типичный способ модуляции оптического излучения состоит в непосредственном воздействии импульсов модулирующего тока на лазер одним из трех методов.

Первый метод заключается в использовании непосредственной модуляции излучения лазера по интенсивности. Модуляция по интенсивности состоит в том, что при передаче «1» (импульса) лазер излучает оптический импульс, а при передаче «0» (пробела) - не излучает. На практике это не совсем так. Последовательность входных модулирующих видеоимпульсов ЦГС в коде NRZ воздействует на источник оптического сигнала и управляет его излучением, как показано на рис. 3.20, а.

Рис. 3.20

Непосредственное возбуждение лазера импульсами входного тока I_вх = I_нак имеет недостатки (рис. 3.20, б):

а) время нарастания импульса входного тока до значения порогового тока I_пор приводит к значительной задержке t_з между началом импульса входного тока и началом генерации лазером импульса оптического излучения;

б) вследствие наличия релаксационных процессов возникают большие выбросы в оптических импульсах, излучаемых лазером;

в) расширяется спектральный состав излучения лазера.

Однако следует указать, что при таком методе рассеиваемая лазером мощность минимальна, а срок его службы увеличивается.

Второй метод предполагает предварительное введение лазера в режим предпорогового смещения и последующий перевод его в надпороговый режим работы при поступлении импульсов тока модулирующего (входного) сигнала. Простейший способ реализации этого метода заключается в том, что в лазер инжектируется постоянный ток смещения I_см, близкий к пороговому току I_пор, и осуществляется модуляция излучения лазера по интенсивности входными импульсами за порогом генерации. В этом случае устраняются указанные выше недостатки первого метода, однако к выходному сигналу лазера добавляется постоянный уровень порогового шума. Второй метод показан на рис. 3.21, а, а некоторые результаты его применения приведены на рис. 3.21, б.

Рис. 3.21

Третий метод предусматривает наличие надпорогового смещения в лазере. При этом также устраняются недостатки первого метода и пороговый шум, однако на выходе лазера появляется непрерывный шум фона, который добавляется к шумам фотоприемника противоположного пункта. Поскольку в этом случае необходимо использовать лазер в более напряженном режиме, то уменьшается ожидаемый срок его службы.

Практически в ОПД систем передачи SDH применяется второй метод модуляции излучения одномодового лазера.

Вторая задача заключается в стабилизации выходной мощности излучения лазера. Для поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера используют параметрический способ ее стабилизации, способ с использованием НЧ-подмодуляции и импульсный способ. Более подробно некоторые из этих способов рассмотрены ниже.

Третья задача построения схемы оптического передатчика предусматривает наличие в нем устройств управления излучением лазера, стабилизации режима его работы и защиты от различных нестандартных воздействий, например, отказ источника электропитания, превышение установленной мощности излучения («Авария излучателя»), слишком высокий уровень или пропадание входного модулирующего сигнала («Авария входного сигнала») и т. д.

Устройства управления излучением лазера содержат цепи обратной связи, обеспечивающие, например, прекращение излучения в случае пропадания входного (модулирующего) сигнала.

Установленный режим работы лазера и заданная мощность на его выходе поддерживаются током в цепи обратной связи по среднему значению мощности оптического излучения. В схеме ОПД должна быть также предусмотрена возможность коррекции мощности излучения в случае отклонения ее от заданного значения.

Схемы защиты предохраняют лазер от различных воздействий (например, неисправности в цепях электропитания ОПД).

Вернемся к способам поддержания постоянной мощности оптического излучения на выходе лазера.

Параметрический способ основан на том, что учитывается информационно-статистическая структура передаваемого сигнала. Входной сигнал ОПД нормируется, интегрируется и вычитается из проинтегрированного сигнала с фотодиода обратной связи. Разностный сигнал поддерживается неизменным автоматической регулировкой тока смещения лазера. Функциональная схема ОПД, в которой использован параметрический способ стабилизации выходной мощности лазера и второй из описанных выше методов модуляции его излучения, приведена на рис. 3.22 [21].

Рис. 3.22

Схема состоит из оптических и электронных устройств. Оптическими элементами схемы являются инжекционный лазер V1 и фотодиод обратной связи V2. К электронным устройствам относятся:

модулятор, или формирователь модулирующих импульсов тока ФМИТ;

автоматический регулятор тока смещения АРТС, или стабилизатор средней мощности оптического излучения лазера;

устройства управления, защиты (блокировки), контроля и индикации.

Представленная схема ОПД работает следующим образом. Последовательность импульсов ЦГС через схему блокировки поступает на ФМИТ, где преобразуется в импульсы с заданной амплитудой и другими параметрами для управления мощностью излучения лазера V1. В соответствии с ватт-амперной характеристикой лазерного диода V1 в формирователе ФМИТ обеспечивается получение такой величины входного тока I_вх, которая в сумме с током прямого смещения I_см создает заданный режим работы лазера. Для создания в лазере условий вынужденного одномодового излучения с заданной выходной мощностью амплитуда результирующего входного токового импульса I_нак = I_вх + I_см, проходящего через лазерный диод V1, должна быть несколько выше порогового тока I_пор (см. рис. 3.21, а). В то же время она должна быть меньше амплитуды, при которой возбуждаются моды высших порядков. Чтобы одномодовое излучение лазера с узкой спектральной линией имело постоянную выходную мощность, ток I_см стабилизирован с помощью цепи автоматически регулируемой обратной связи.

Однако остается проблема зависимости I_пор = φ(t°C) - при увеличении температуры на 40...50 °С ток I_пор возрастает вдвое (см. рис. 3.18). Это приводит к резкому увеличению мощности излучения лазера и расширению спектрального состава его излучения. Поэтому во всех ОПД лазер и фотодиод обратной связи помещаются в термостат, а ток I_см с помощью обратной связи автоматически поддерживается постоянным. В совокупности термостатирование и система автоматической регулировки тока смещения обеспечивают стабилизацию параметров лазера, в частности средней мощности излучения, и минимизируют постоянную составляющую излучаемого оптического сигнала. С выхода термостата излучаемые импульсы через оптический соединитель вводятся в ООВ станционного оптического кабеля, который через устройство соединения станционного и линейного кабелей соединяется с линейным оптическим кабелем.

В случае пропадания передаваемого сигнала на входе ФМИТ, последний через устройство контроля входного сигнала блокируется с помощью схемы блокировки, аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации, загорается светодиод «Авария входного сигнала».

Работоспособность и заданный режим работы лазера V1 непрерывно контролируются. Если ток I_см превысит паспортное значение, соответствующее предельному режиму работы лазера, сигнал аварийной сигнализации через устройство контроля работы излучателя в виде логической «1» подается на устройство аварийной сигнализации, загорается светодиод «Авария лазера», лазер автоматически выключается.

Устройство АРТС состоит из фотодиода обратной связи V2, формирователя опорного напряжения ФОН, компаратора К и регулятора тока смещения РТС. Последовательность импульсов ЦГС, кроме ФМИТ, подается также на вход ФОН. С выхода ФОН сигнал, пропорциональный коэффициенту заполнения ЦГС, т. е. соотношению в нем нулей и единиц* подается на вход компаратора К. На его второй вход через фотодиод V2 поступает сигнал, пропорциональный мощности оптического излучения лазера V1. С выхода К разностный сигнал управляет работой РТС. Последний при необходимости изменяет ток I_см, что позволяет поддерживать постоянной выходную мощность импульсов оптического излучения.

Рассмотренная схема ОПД имеет некоторые недостатки:

в процессе производства ОПД ток накачки (модуляции), равный сумме I_вх + I_см, устанавливается при настройке передатчика и в дальнейшем не изменяется;

указанный ток имеет температурную зависимость, которая различна для каждого лазера;

в схеме не учитывается снижение эффективности лазера в процессе его старения и, следовательно, излучаемая мощность будет уменьшаться.

Не смотря на отмеченные недостатки, схема имеет практическое применение.

Способ стабилизации выходной мощности лазера с использованием НЧ-подмодуляции основан на том, что входные видеоимпульсы модулируются НЧ-вспомогательным сигналом. Принципиальная схема ОПД, в котором для стабилизации выходной мощности оптического излучения используется НЧ-подмодуляция, приведена на рис. 3.23. В этой схеме по НЧ-составляющей в составе сигнала оптического излучения автоматически регулируются ток смещения и входной ток модуляции лазера. Поэтому схема содержит два контура стабилизации выходной мощности оптического излучения.

Первый контур стабилизирует среднюю мощность оптического излучения, регулируя постоянный ток смещения лазера V1. В состав контура входят такие устройства: фотодиод обратной связи V2, усилитель А1, компаратор А2, интегратор Инт, регулируемый источник тока смещения на транзисторе T3. Контур работает следующим образом. Фототок, пропорциональный излучаемой оптической мощности, с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1, где преобразуется в соответствующее напряжение. Коэффициент преобразования устанавливается резистором R_ос. Напряжение с выхода усилителя А1 в компараторе А2 сравнивается с опорным напряжением U₀. Разностный сигнал с выхода компаратора через интегратор Инт задает управляющее напряжение на транзисторе T3. Этим напряжением регулируется постоянный ток смещения лазера V1 и, следовательно, его средняя мощность оптического излучения.

Рис. 3.23

Второй контур регулирует входной ток модуляции передаваемого сигнала таким образом, чтобы результирующий сигнал НЧ-составляющих в составе лазерного излучения был равен нулю. В состав второго контура входят: фотодиод обратной связи V2, усилители А1 и A3, интегратор-компаратор R6, С4, А4 и регулятор входного тока на транзисторах T1, T2.

Вспомогательными устройствами рассматриваемой схемы ОПД являются генератор тока НЧ-подмодуляции Г со схемой управления и детектор входного сигнала Д. Генератор собран на транзисторах T4 и T3, он генерирует прямоугольные импульсы с частотой их следования 10 кГц и управляет ключом К3. Амплитуда импульсов тока НЧ-подмодуляции на выходе генератора пропорциональна напряжению на базах транзисторов T4, T5, деленному на сопротивление резисторов R4 и R5. Соотношение токов модуляции I_м и смещения I_см задается отношением сопротивлений резисторов R4 и R5. При этом глубина модуляции передаваемого сигнала сигналом НЧ-подмодуляции определяется отношением сопротивлений R4/R3.

Второй контур работает следующим образом. Результирующий сигнал НЧ-составляющих в составе лазерного излучения с фотодиода обратной связи V2 поступает на вход усилителя А1. С выхода усилителя этот сигнал через конденсатор С2, усилитель A3 и конденсатор С3 подается на ключ К1, который управляет генератором Г. Ключ К1 и генератор Г образуют синхронный детектор.

Если разностный ток I_м - I_см, поступивший на ключ К1, имеет положительное значение, то сигнал на выходе этого ключа отрицательный и интегратор-компаратор R6, С4, А4 увеличивает ток НЧ-подмодуляции, поступающий через ключ К2 на базы транзисторов T1, T2. Если разностный сигнал I_м - I_см отрицательный, то интегратор-компаратор уменьшает ток НЧ-подмодуляции, поступающий на базы транзисторов T1, T2. Таким путем осуществляется изменение (подмодуляция) входного сигнала, модулирующего излучения лазера V1.

Передаваемый ЦГС поступает на вход 1 схемы и через конденсатор С1 воздействует на базы транзисторов T1, T2, на которых собрана схема регулятора входного тока. Одновременно дифференциальный усилитель на транзисторах T1, T2 является формирователь модулирующих импульсов тока, которые управляют излучением лазера V1.

Таким образом, изменяя напряжения на входах 2 (регулировка тока подмодуляции) и 3 (регулировка тока смещения), можно управлять токами модуляции и смещения лазера соответственно.

Рассмотренный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера является более предпочтительным по сравнению с приведенным выше параметрическим способом, поскольку здесь осуществляется автоматическая регулировка тока смещения и тока модуляции, которые зависят от температуры и старения лазера.

В схеме предусмотрен детектор входного сигнала Д, который при отсутствии передаваемых импульсов на входе 1 схемы с помощью ключа К2 отключает регулировку тока подмодуляции, т. е. разрывает цепь с выхода интегратора-компаратора R6, С4, А4 на базы транзисторов T1, T2. Так снимается неопределенность в работе второго контура. В противном случае регулировка тока модуляции могла бы начаться с его максимального значения.

Импульсный способ стабилизации выходной мощности излучения лазера основан на сравнении параметров импульсов на выходе фотодиода обратной связи с эталонными импульсами. Для реализации способа необходимы быстродействующий фотодиод обратной связи, а также тракт измерения и усиления выходных импульсов. Это существенно усложняет задачу построения такой схемы ОПД.

3.3.4. Ввод излучения лазера в одномодовое оптическое волокно

Выше отмечалось, что СЛТ реализуются с использованием ООВ и квазикогерентных источников излучения, в частности полупроводниковых ИЛ. Инжекционные лазеры устойчиво работают в одномодовом режиме, имеют равномерную модуляционную характеристику, вплоть до нескольких гигагерц, а также другие преимущества. Но каковы бы ни были устройство и параметры современного лазера, его излучательные характеристики не согласуются с распределением напряженности поля основной моды НЕ₁₁ возбуждаемого лазером ООВ. Поэтому потери уровня оптической мощности лазера при непосредственном вводе его излучения в ООВ могут достигать 20 дБ и более. Для уменьшения этих потерь применяют различные устройства согласования выхода лазера с торцом используемого ООВ при соблюдении высокой точности их юстирования.

Попытки применить для согласования одну сферическую линзу с относительно большими размерами приводят к потерям вводимого оптического сигнала в пределах 7...10 дБ.

Оптическое согласующее устройство из двух сферических линз изображено на рис. 3.24. Результаты его использования показывают, что максимальная эффективность ввода (ЭВ), или минимум потерь при вводе излучения лазера в ООВ получается при одновременном выполнении двух условий:

l₁ < f₁ и l₂ > f₂.

Здесь и на рис. 3.24 f₁ и f₂, R₁ и R₂, п₁ и п₂- фокусные расстояния, радиусы и показатели преломления линз 1 и 2 соответственно.

При указанных условиях радиусы кривизны волновых фронтов пучка оптического излучения лазера и поля основной волны НЕ₁₁ в ООВ имеют одинаковые знаки. Для значений параметров: f₁ = 0,291 мм; R₁ = 0,25 мм; п₁= 1,75; f₂ = 1,377 мм; R₂= 2 мм; п₂= 1,57; l₃ = f₂; l₂ = 5 мм; диаметр поля основной моды ООВ d_пм= 10 мкм; малая и большая полуоси эллиптического пучка излучения лазера равны w_x= 0,8 мкм и w_y= 1,0 мкм соответственно, на длине волны 1,3 мкм такое согласующее устройство обеспечивает экспериментальное значение эффективности ввода 2,6 дБ [50].

В устройствах ввода, построенных по схеме рис. 3.24, наряду со сферическими линзами могут использоваться градиентно-стержневые линзы или сочетания сферических и градиентно-стержневых линз. Такие устройства обеспечивают потери при вводе в пределах 3...5 дБ на длине волны 1,3 мкм. Известны и другие устройства ввода излучения лазера в ООВ. Они достаточно подробно рассмотрены в обзоре [45].

Рис. 3.24

В работе [51] предложено анизотропное оптическое волокно (АОВ), показанное на рис. 3.25. В нем градиент показателя преломления в сердцевине 5 (4 - оболочка ОВ) создается не за счет изменения химического состава стекла, а в результате упорядочения внутренней молекулярной структуры чистого кварцевого стекла внешним электрическим полем 1 в процессе производства. При этом анизотропные молекулы материала сердцевины ориентированы так, что их оптические оси 3 направлены вдоль силового электрического поля 1. Меридиональный луч 2, входящий в торец АОВ под углом Θ₀ на некотором расстоянии r₀ от оси х распространяется по траектории 6. Она представляет собой затухающую к оси х синусоиду, ограниченную линиями 8. Это относится к меридиональным лучам любой моды, вводимым в торец АОВ в пределах апертурного угла.

Рис. 3.25

С волновой точки зрения это означает, что указанные моды будут преобразовываться по пути их распространения в моду единой линейной поляризации НЕ₁₁, имеющую минимальный к оси х угол следования луча.

После прохождения некоторого участка волокна, называемого длиной медового преобразования L_мп, АОВ обеспечивает одномодовый режим распространения в волокне с эквивалентным радиусом сердцевины а₁. Взаимное преобразование направляемых градиентом АОВ мод на участке длиной L_мп не вызывает потерь, т. к. при этом выполняется только модовое и спектральное распределение внутри АОВ. Для сравнения на рис. 3.25 представлена траектория 7 оптического луча в изотропном градиентном ОВ с переменным в его поперечном сечении химическим составом материала ОВ.

Следовательно, АОВ с успехом может быть использовано для формирования солитонного режима передачи (см. подразд. 3.6.5) и последующего ввода значительной энергии оптических сигналов в изотропное ОВ. Кроме того, АОВ само по себе может поддерживать солитонный режим передачи, так как в таком волокне происходит концентрация (коллимация) энергии оптических сигналов вдоль оси х на основной моде НЕ₁₁, что равносильно одномодовому режиму передачи в «толстом» АОВ.

Действительно, предположим, что на входной торец АОВ вводится многомодовый пучок лучей с удельной плотностью интенсивности излучения J₀, засвечивающих все поперечное сечение сердцевины S₀ = πа²/4. На выход АОВ длинной L_мп, из-за отсутствия потерь, поступает та же мощность с удельной плотностью интенсивности J, распространяющаяся в моде НЕ₁₁ в эквивалентном одномодовом поперечном сечении . Отсюда следует, что

Если радиус сердцевины многомодового АОВ а = 25 мкм, а эквивалентный радиус ООВ а₁ = 5 мкм (d_мп = 10 мкм), то вследствие коллимации лучей на отрезке L_мп усиление составит = 14 дБ.

Отсюда возникла идея, что с целью уменьшения потерь при вводе АОВ может быть использовано как согласующее устройство между лазером и изотропным ООВ. При этом необходимо совместить плоскость поляризации лазера и плоскость АОВ, в которой лежит силовая линия электрического поля 1. Благодаря медовому преобразованию отрезок АОВ длиной L_мп может быть включен как между многомодовым лазером и ООВ, так и между одномодовыми лазером и ООВ. Диаметр сердцевины многомодовой стороны АОВ, обращенной к лазеру, не ограничен и может достигать 1...2 мм.

Одномодовая сторона АОВ стыкуется с ООВ непосредственно, например, сваркой или клеем. Потери при вводе излучения лазера в ООВ с использованием согласующей вставки из АОВ длиной L_мп будут определяться как максимум теми же причинами, что и в схеме на рис. 3.24, т. е. поперечным смещением лазера и АОВ на входе (максимум 1 дБ), угловым перекосом оси АОВ с осью лазерного луча (максимум 1 дБ), рэлеевскими потерями на длине L_мп и качеством соединения АОВ с ООВ. В сумме это составит не более 3 дБ.

Многомодовая (лазерная) сторона АОВ соединяется с лазером механически или с помощью клея. Если между ними существует воздушный зазор, то потери на соединение не превышают 2 дБ. Если же зазор заполнить иммерсионной жидкостью (прозрачным для излучения лазера клеем), то указанные потери будут не более 1 дБ. В результате суммарные потери при вводе излучения лазера в ООВ через отрезок L_мп АОВ составят менее 5 дБ, а усиление за счет коллимации лучей в АОВ при указанных параметрах а и а₁ составляет 14 дБ.

Таким образом, ввод излучения одномодовых и многомодовых лазеров в изотропные ООВ через согласующие вставки из АОВ длиной модового преобразования L_мп обеспечивает (за счет коллимации в них лучей различных мод) усиление интенсивности излучения до 9 дБ.

Известно пагубное влияние на режим работы лазера встречного (обратного) потока, возникающего на неоднородностях в протяженных СЛТ. В этом случае АОВ при распространении встречного потока будет преобразовывать его одномодовую природу в многомодовую с выводом высших мод в защитные оболочки, т. е. АОВ будет выполнять роль оптического вентиля, или изолятора.

3.4. Построение оптических приемников

3.4.1. Детекторы оптического сигнала и их основные параметры

Оптический приемник предназначен для преобразования принимаемых оптических импульсов в последовательность электрических видеоимпульсов с заданными параметрами. В состав ОПМ входят следующие устройства, выполненные в едином конструктивном исполнении:

детектор принимаемого оптического сигнала, или фотодетектор;

электронные устройства обработки полученных на выходе фотодетектора электрических сигналов и устройства стабилизации режимов работы каскадов ОПМ;

оптический соединитель, или устройство сочленения ООВ с фотодетектором.

Основным элементом ОПМ является детектор принимаемого оптического излучения. Он представляет собой устройство, чувствительное к слабым принимаемым оптическим сигналам. Фотодетектор должен удовлетворять следующим требованиям:

иметь максимальные чувствительность и быстродействие на заданной длине волны принимаемого оптического излучения;

вносить минимальные шумы в полученный электрический сигнал;

обладать высокой временной и температурной стабильностью параметров;

иметь линейную характеристику преобразования в широком динамическом диапазоне поступающего оптического сигнала;

отличаться высокой надежностью, иметь большой срок службы, малые размеры, стоимость и энергопотребление.

Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют полупроводниковые структуры, а именно p-i-n-фотодиоды (PIN-ФД) и лавинные фотодиоды (ЛФД), которые в настоящее время применяются в ОПМ систем передачи SDH. Принцип действия фотодиода (ФД) основан на внутреннем фотоэффекте, для PIN-ФД он показан на рис. 3.26, а.

Рис. 3.26

Падающие кванты энергии фотонов (энергия фотона Е_ф = hf = hс/λ) через тонкий р-слой проникают в i-область, где создают пары свободных носителей зарядов (электронов и дырок). Под действием постоянного электрического поля, создаваемого специальным источником напряжения обратного смещения U_см, носители зарядов двигаются во встречных направлениях. В результате через сопротивление нагрузки R_н протекает возникающий на выходе PIN-ФД фототок I_ф, который и является результатом преобразования принятого потока фотонов в электрический сигнал. Ток I_ф пропорционален интенсивности принимаемого оптического излучения, но для PIN-ФД фототок очень мал - это основной недостаток таких ФД.

Если величина I_ф не достаточна для последующей его обработки, то в ОПМ в качестве фотодетектора применяется ЛФД. В нем при той же интенсивности принимаемого оптического сигнала, используя механизм лавинного усиления, удается получить больший фототок, чем его значение на выходе PIN-ФД.

Суть лавинного усиления состоит в следующем. В устройство PIN-ФД вводится еще один р-слой. В результате появляется дополнительный p-n-переход, как показано на рис. 3.26, б.

Этот переход находится под воздействием сильного электрического поля за счет высоковольтного источника напряжения обратного смещения. Основная часть фотонов при этом, как и в PIN-ФД, поглощается в i-слое, порождая первичные носители зарядов. Эти заряды, проходя через дополнительный p-n-переход, где внешнее электрическое поле велико, сильно ускоряются. За счет механизма ударной ионизации ускоренные носители создают новые носители, которые в свою очередь создают дополнительные носители зарядов и т. д. В результате в ЛФД получается усиление фототока (образуется лавина носителей зарядов).

Фотодиоды характеризуются следующими основными параметрами:

1. Квантовая эффективность. В идеальном фотодиоде все падающие на чувствительную площадку ФД фотоны поглощаются в обедненном слое и все рождающиеся носители зарядов собираются на контактах полупроводника. Квантовый выход ФД в таком случае равен единице. На практике, конечно, часть падающих фотонов отражается от чувствительной площадки ФД, а оставшиеся фотоны не полностью поглощаются в обедненном слое, т. е. не все падающие на ФД фотоны принимаемого оптического сигнала вызывают появление основных носителей заряда и протекание фототока в цепи нагрузки.

Отношение числа носителей заряда, возникающих в ФД, к полному числу падающих на него фотонов, называется эффективностью оптоэлектронного преобразования (η), или квантовой эффективностью ФД. Для повышения квантовой эффективности необходимо:

а) уменьшить число отраженных от чувствительной площадки ФД фотонов;

б) увеличить число поглощаемых фотонов внутри обедненного слоя;

в) предотвратить преждевременную рекомбинациию носителей.

Число носителей заряда N определяется отношением принимаемой оптической мощности Р_ф к энергии кванта Е_ф, т. е.

N= Р_фλ/hс.

Если q - заряд носителя (электрона), то фототок I_ф = qN, или

I_ф = qλР_ф/hс.

С учетом квантовой эффективности η выражение для фототока будет иметь вид:

I_ф = ηqλР_ф/hс.

2. Чувствительность ФД - это отношение фототока, протекающего через нагрузку, к полной принимаемой оптической мощности потока фотонов: S = I_ф/Р_ф. Чувствительность является основным параметром ФД. С учетом приведенного выше выражения для фототока, получим:

S = ηqλ/hс.

Отсюда следует, что чувствительность ФД тем выше, чем больше квантовая эффективность, т. е. чем большая доля принимаемого потока фотонов поглощается в активной зоне ФД. Чувствительность зависит также от материала ФД, длины волны принимаемого оптического сигнала, приложенного напряжения смещения и температуры ФД.

Зависимости относительной чувствительности ФД из различных полупроводниковых материалов от длины волны оптического сигнала приведены на рис. 3.27. Из рисунка следует, что ФД из арсенида галлия (GaAs) имеет максимальную чувствительность на длине волны λ = 0,75 мкм, из кремния (Si) - на λ = 1,2 мкм, из германия (Ge) - на λ = 1,6 мкм.

Зависимости чувствительности S = φ(t°С, U_см) Для ЛФД приведены на рис. 3.28. Из представленных графиков следует, что при одинаковом U_см повышение температуры приводит к резкому снижению чувствительности ЛФД - это серьезный, главный их недостаток. Чтобы обеспечить стабильность чувствительности при изменении температуры ЛФД, вводят автоподстройку источника высоковольтного напряжения смещения, что усложняет ОПМ и снижает надежность его работы. Правда, это возмещается повышением чувствительности в М раз, которой обладает ЛФД, где М - коэффициент лавинного умножения фототока: S_лфд = S_фдМ. Обычно ЛФД используют для достижения предельной чувствительности при слабой мощности принимаемых оптических сигналов.

Рис. 3.27

Рис. 3.28

Практически в зависимости от используемой длины волны λ и скорости передачи оптического ЦЛС чувствительность ЛФД находится в пределах минус 45... минус 60 дБ, а PIN-ФД - в пределах минус 35...минус 45 дБ.

3. Энергетическая характеристика I_ф = SР_ф указывает на непосредственную связь между фототоком в нагрузке ФД и мощностью принимаемого потока фотонов, падающих на чувствительную площадку ФД. Анализ выражения для чувствительности S_ф = ηqλ/hс позволяет заключить, что энергетическая характеристика является линейной, т. е. ток I_ф в нагрузке - линейная функция мощности падающего на чувствительную площадку ФД потока фотонов. Энергетическая характеристика представлена на рис. 3.29. В современных ФД ее линейность обеспечивается при изменении мощности оптического потока в пределах шести порядков, т. е. 10lg(Р_ф_m_ах/Р_ф_min) ≤ 60 дБ. Когда мощность принимаемого оптического излучения Р_ф падает на ФД, он генерирует определенный средний ток I_ф. Этот ток пропорционален мощности Р_ф, где коэффициентом пропорциональности является чувствительность S.

4. Шумы фотодетекторов. Предельная чувствительность ФД определяется наличием хаотических флуктуации тока I_ф на его выходе, которые вызваны шумами. Задача обработки сигналов в ОПМ является классической: обнаружить ток I_ф, вызванный на выходе ФД приемом оптических сигналов, в условиях хаотических шумов, которые имеются как в присутствии оптического сигнала, так и без него.

Рис 3.29

Рассмотрим кратко источники шумов, присущие собственно фотодетектору. К шумам, возникающим в ФД и вызывающим соответствующие токи, относятся: квантовый (фотонный) шум – I_кв, темновой шум – I_тем, фоновый шум - I_фон, тепловой шум – I_теп, шум утечки – I_ут. Из анализа указанных источников шума следует, что какой-то минимальный ток течет через ФД и R_н даже в отсутствие оптического сигнала. В связи с этим существенна статистическая природа квантового процесса детектирования оптических сигналов.

Фототок на выходе ФД содержит в себе составляющую квантового (фотонного) шума, природа которого заключается в случайности характера квантового преобразования фотон - фотоэлектрон (фотоэлектрон - одноэлектронный импульс тока). Для увеличения мощности фотонов в ЛФД происходит умножение числа зарядов в импульсе с помощью вторичной эмиссии. Это позволяет повысить уровень сигнала относительно уровня шумов в нагрузке фотодетектора. Однако усиление (лавинное умножение) допустимо до определенных пределов, когда значительными становятся дробовые шумы, обусловленные процессом квантового преобразования. Здесь, как и в других источниках шума, средний квадрат флуктуации тока растет прямо пропорционально ширине полосы частот Δf, в пределах которой наблюдаются флуктуации. Это обстоятельство позволяет характеризовать источники шума значением среднего квадрата амплитуды тока на единицу полосы частот Δf. Обычно этот параметр называют среднеквадратической спектральной плотностью шума. Тогда при использовании ЛФД спектральная плотность избыточного квантового шума из-за лавинного умножения будет определяться выражением [29]:

где F_ш - коэффициент шума (шум-фактор); - среднее значение фототока первичных носителей заряда.

Значение шум-фактора F_ш и его зависимость от коэффициента лавинного умножения М имеют большое значение для работы ОПМ, в которых в качестве детекторов используют ЛФД. Практически используется аппроксимация F_ш ≈ M^х. В зависимости от материала ЛФД и типа носителей зарядов, вызывающих лавину, типичные значения показателя х находятся в пределах 0,2...1,0. При использовании «хорошего» ЛФД с параметрами М= 100 и F_ш = 6 квантовый шум становится доминирующим. Для PIN-ФД М = 1, F_ш = 1 и квантовый шум незначителен, его спектральная плотность определяется выражением .

Если спектральная плотность шума не зависит от частоты, как в рассматриваемом случае, то говорят, что шум «белый». Особенностью ФД является то, что шумовой ток I_кв сопутствующий. Он существует только при наличии оптического сигнала и если оптический сигнал на входе ФД отсутствует, то нет и тока I_кв на выходе ФД.

Для темнового тока I_тем существуют две составляющие даже в том случае, когда на вход ФД не поступает оптический сигнал и ФД находится в затемненном состоянии - это ток утечки I_ут и тепловой ток I_теп. Ток утечки (поверхностный ток) возникает под воздействием электрического поля источника напряжения смещения. Он проходит главным образом по поверхности ФД и зависит от геометрии прибора. Ток I_ут определяется технологией производства фотодетекторов. Он может быть уменьшен до минимума путем тщательной обработки и пассивированием поверхности ФД с целью уменьшения концентрации примесных ионов.

Коротко о токе I_теп. Всякий элемент электронной цепи, рассеивающий энергию, вносит шум. Следовательно, в сопротивлении нагрузки R_н на выходе ФД возникает тепловой шум (шум Джонсона), обусловленный случайным тепловым движением носителей заряда. Это движение вызывает флуктуации тока в резисторе. Среднеквадратическая спектральная плотность флуктуации тока в резисторе R_н определяется известным выражением:

I²_теп = 4kT/R_н,

где k = 1,38 • 10^-23 - постоянная Больцмана, Дж/К; Т - абсолютная температура резистора R_н. Очевидно, что тепловой шум - это «белый» шум.

Фотодиод постоянно находится под воздействием падающего на него фонового излучения, которое вызывает фоновый шум и соответствующий ему ток I_фон. Этот ток на несколько порядков меньше рассмотренных выше других шумовых токов (им обычно пренебрегают).

Эквивалентная мощность шума ФД [Вт/Гц] определяется как оптическая мощность на конкретной длине волны оптического сигнала, необходимая для получения среднеквадратического значения шумового тока в единичной полосе частот Δf = 1 Гц. Примеры расчета значений спектральной плотности мощности составляющих шума для ЛФД приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц	Длина волны, мкм
Спектральная плотность мощности шума, Вт/Гц	1,3	1,55
Квантовый шум	1,3 • 10^-19	1,07 • 10^-17
Тепловой шум	9,97 • 10^-25	9,97 • 10^-²⁵
Темновой шум	1,6 • 10^-26	1,6 • 10^-26
Шум тока утечки	3,2 • 10^-24	3,2 • 10^-24
Фоновый шум	4,1 • 10^-29	4,1 • 10^-29
Суммарный шум	1,3 • 10^-19	1,07 • 10^-17

Они показывают, что при использовании ЛФД преобладающим является квантовый шум. Из таблицы следует также, что спектральная плотность мощности шума, приведенного к выходу фотодетектора, с высокой точностью может считаться распределенной равномерно.

Кроме рассмотренных выше, к важным параметрам ФД относятся:

ёмкость ФД, которая может иметь значение от десятых долей до нескольких единиц пикофарад;

максимально допустимое напряжение смещения;

темновой ток I_тем, который всегда указывается в паспортных данных ЛФД;

ток утечки I_ут, проходящий через ФД при полном его затемнении и заданном напряжении смещения.

3.4.2. Лавинные фотодиоды и их основные особенности

Природа шумов, возникающих в фотодетекторе и вносимых им в приемную оптическую систему, кратко рассматривалась в предыдущем подразделе. Можно было бы увеличить отношение сигнал/шум на выходе ОПМ, если бы удалось достичь умножения сигнала в самом детекторе. Как было отмечено выше, такое умножение можно получить в лавинном фотодиоде при высоких напряжениях обратного смещения. Однако при этом сам процесс лавинного умножения не свободен от шума. Статистическая природа этого процесса приводит к возрастанию шума. Шум-фактор F_ш практически всегда больше единицы и увеличивается с ростом М по показательному закону F_ш ≈ М (х = 0,2... 1,0).

Следовательно, для любого ЛФД в конкретном приемнике оптических сигналов существует оптимальное значение M, при котором достигается наилучшее отношение сигнал/шум на выходе ОПМ. Подробно этот вопрос рассмотрен в подразд. 3.4.4.

В лавинных (и нелавинных) ФД следует добиваться максимальной квантовой эффективности, и все указанные в подразд. 3.4.1 требования остаются существенными. Кроме того, необходимо, чтобы лавинное умножение носителей заряда в сечении освещенной принимаемым излучением площади оставалось однородным. Должны использоваться высококачественные материалы практически без дефектов, в противном случае образующиеся локальные повышения электрического поля приведут к образованию преждевременной лавины или микроплазмы.

Образование микроплазмы может происходить даже и в совершенном материале, когда напряженность однородного электрического поля приближается к пороговому значению. Поэтому простая PIN-структура непригодна для ЛФД. В области, где зарождается лавина, может образоваться и нестабильно развиваться отрицательное сопротивление. По этой причине область максимального поля, где развивается лавинное умножение, должна быть ограничена очень тонким слоем и отделена от области поглощения принимаемого оптического излучения. Приложенное электрическое поле должно быть достаточным для поддержания насыщения скорости дрейфа носителей.

Структура ЛФД сквозного воздействия (см. рис. 3.26, б) удовлетворяет всем указанным требованиям. Лавина должна начинаться носителями с высоким коэффициентом ионизации, иначе полоса ЛФД сужается, шум-фактор растет. Поэтому для показанной n⁺-р-i-р⁺-структуры наиболее подходит материал типа кремния, для которого отношение коэффициента ионизации дырок α_h, к коэффициенту ионизации электронов α_q намного меньше единицы, т. е. k = α_h/α_q << 1. Фотоэлектроны вызывают лавину, затем дырки способствуют дальнейшей генерации носителей заряда.

Кремниевые лавинные ФД, имеющие показанную на рис. 3.26, б структуру, могут иметь коэффициент лавинного умножения М до нескольких сотен, прежде чем разовьется микроплазма и, как следствие, резко возрастет избыточный шум. Квантовая эффективность на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм может превышать 0,9. Неумноженный темновой ток при комнатной температуре можно снизить до уровня нескольких пикоампер. Зависимость коэффициента лавинного умножения М от приложенного напряжения смещения U_см при разных температурах для кремниевого ЛФД приведена на рис. 3.30. Из рисунка следует, что при повышении температуры ЛФД на 40...50°С коэффициент М увеличивается в несколько раз.

Рис. 3.30

В германиевых ЛФД существует ряд особенностей, из-за которых коэффициент Мне превышает значения 10...20. Темновой ток значителен (единицы микроампер), поскольку скорость тепловой генерации высокая и большая поверхностная утечка. Кроме того, затруднено получение бездефектного материала для подложки и серьезную проблему представляет пассивирование. В современных германиевых ЛФД при снижении диаметра активной области до 30 мкм темновой ток составляет около 0,1 мкА, ёмкость - около 0,5 пФ и квантовая эффективность - 0,9.

Благодаря интенсивным разработкам ведущих мировых компаний, которые были проведены в конце 80-х - начале 90-х гг., стало возможным создание промышленного производства гетероструктурных ЛФД на основе тройных и четверных соединений в длинноволновом диапазоне, т. е. на длинах волн 1,3 и 1,55 мкм. Полупроводник, образующий поверхностный слой, должен иметь широкую запрещенную зону, чтобы поглощение излучения было слабым. При попадании излучения в узкозонный материал гетероструктуры, где электрическое поле максимально, поглощение становится значительным. Если скорость рекомбинации не слишком велика, можно получить высокий коэффициент эффективности.

Практически используются следующие материалы: InGaAs/InP, InGaAsP/InP и GaAlAsSb/GaSb, в которых можно выделить три области - поверхностный слой, дрейфовую область и подложку. В четверном соединении InGaAsP в состав поверхностного слоя может входить фосфид индия InP. Тройное соединение InGaAs выращивается на подложке из InP с хорошим согласованием решеток. Минимальная ширина запрещенной зоны 0,75 эВ обеспечивает получение длинноволновой границы 1,65 мкм, p-n-переход формируется за счет диффузии цинка.

Пример In_0,53Ga_0,47As гетероструктурного ЛФД, изготовленного методом жидкофазной эпитаксии на подложке из InP, показан на рис. 3.31 [29]. Указанный ЛФД имеет следующие особенности. Принимаемое излучение проходит через InP-подложку, которая прозрачна для оптических сигналов, имеющих длину волны более 0,92 мкм. Буферный слой Р⁺-InР используется для изоляции активной области от дефектов подложки. В этом примере p-n-переход формируется в эпитаксиальном слое InP, a N-n-гетероструктура - между слоем InP и тройным соединением InGaAs с согласованной решеткой. Оптическое излучение поглощается в узкозонном тройном материале, при этом происходит фоторождение дырок, которые вызывают лавину. Толщина и концентрация примесей (степень легирования) слоя N-InP тщательно подбираются, чтобы обеспечить проникновение обедненного слоя через тройной материал. В то же время необходимо гарантировать, что в начале лавинного процесса напряженность электрического поля на гетероструктуре не превысит 1,5 • 10⁷ В/м при напряженности на P-N-переходе около 4,5 • 10⁷ В/м. Такой напряженности электрического поля достаточно, чтобы установилось насыщение дрейфовых скоростей носителей заряда. В этом конкретном ЛФД более высокие поля приводят к чрезмерному току утечки через гетероструктуру.

Рис. 3.31

В настоящее время коэффициент умножения М в таких ЛФД ограничивается токами утечки и возникновением микроплазмы. Преимуществом ЛФД по сравнению с PIN-ФД является более высокая чувствительность и как следствие - низкий уровень мощности Р_ф принимаемого оптического сигнала. Использование ЛФД в оптических приемниках позволяет увеличить длину регенерационной секции и уменьшить затраты на приобретение и эксплуатацию оборудования СЛТ.

Проблемы использования ЛФД заключаются в необходимости применения высоковольтного источника напряжения смещения и обеспечения температурной стабилизации ЛФД. В настоящее время эти проблемы успешно решены и ЛФД находят широкое применение при построении схем ОПМ.

3.4.3. Построение схем оптических приемников

В соответствии со схемами построения ОПД, использующих модуляцию по интенсивности, в ОПМ используется прямое детектирование принимаемых оптических сигналов. При этом в схемах ОПМ в качестве детектора может применяться PIN-ФД или ЛФД. Структурная схема ОПМ с использованием PIN-ФД приведена на рис. 3.32. Она состоит из входного оптического соединителя, приемного оптического модуля, усилителя-корректора с автоматической регулировкой уровня АРУ и источника напряжения обратного смещения [21].

Рис. 3.32

Оптический соединитель обеспечивает сочленение торца ООВ с фотодетектором. Поскольку ФД имеет сравнительно большую приемную поверхность по сравнению с диаметром поля моды (d_пм) сердцевины ООВ, то это соединение не вносит ощутимых потерь в принимаемый оптический сигнал. Однако потери за счет отражения на границах раздела «волокно - воздух - окно ФД» могут достигать значений до 2,0 дБ в зависимости от чистоты и особенностей поверхностей торца ОВ и ФД, наличия антиотражающих покрытий и применяемого способа соединения. Наименьшие потери оптического сигнала обеспечивает непосредственный контакт торца волокна с поверхностью ФД, зафиксированный прозрачным для оптического излучения клеем.

Приемный оптический модуль (ПРОМ) состоит из собственно ФД и малошумящего усилителя (МШУ), конструктивно выполненных в одном экранированном корпусе и помещенных в термостат. Фотодетектор преобразует принимаемый оптический сигнал в электрический ток I_ф (фототек), пропорциональный мощности поступающего потока фотонов Р_ф. Полученный ток I_ф весьма мал (несколько микроампер). Поэтому следующий за фотодетектором МШУ усиливает полученный фототок и преобразует его в напряжение. Малошумящий усилитель представляет собой многокаскадный усилитель с глубокой отрицательной обратной связью. Как и в любом усилителе, отношение сигнал/шум на выходе МШУ определяется первым его каскадом, где усиливаемый сигнал очень маленький. Если первый каскад обеспечивает достаточно большое усиление, то шумы, вносимые последующими каскадами, незначительно увеличат отношение сигнал/шум на выходе МШУ.

Следовательно, при проектировании МШУ параметры первого каскада являются определяющими. К сожалению, не всеми параметрами может управлять разработчик. Поэтому, проектируя усилитель, для определения возможностей уменьшения шума необходимо рассмотреть отдельно варианты типов транзисторов для первого каскада МШУ: кремниевый полевой плоскостной, кремниевый биполярный плоскостной или полевой канальный на арсениде галлия. В каждом варианте нужно определить положение рабочей точки таким образом, чтобы обеспечить необходимое усиление сигнала с минимально возможным добавлением шума.

Усилитель-корректор с АРУ предназначен для частичного устранения искажений формы принятых видеоимпульсов и поддержания постоянства их амплитуды на выходе ОПМ.

Структурная схема ОПМ с лавинным фотодиодом отличается от предыдущей схемы тем, что позволяет автоматически изменять подаваемое на ЛФД высокое напряжение обратного смещения и таким путем регулировать коэффициент лавинного умножения М. Это расширяет динамический диапазон принимаемых оптических сигналов, но требует усложнения системы автоматического регулирования, которая одновременно управляет коэффициентами усиления ЛФД и усилителя-корректора. Указанная особенность использования ЛФД усложняет схему построения ОПМ и снижает надежность его функционирования.

Функциональная схема ОПМ с лавинным фотодиодом приведена на рис. 3.33.

Рис. 3.33

Основными устройствами ОПМ являются:

лавинный фотодиод с источником напряжения обратного смещения;

малошумящий усилитель с глубокой отрицательной обратной связью;

усилитель-корректор;

фильтр низких частот;

выходной усилитель;

устройства системы АРУ с регуляторами уровня принимаемого сигнала и напряжения смещения;

устройства контроля и индикации.

Минимальный уровень принимаемой оптической мощности, падающей на чувствительную площадку ЛФД, может иметь значения в пределах минус 45...-60 дБ. Напомним, что чувствительность лавинного фотодетектора определяется выражением: S_лфд = = Mηqλ/hc, где η - квантовая эффективность ЛФД. Для получения высокой квантовой эффективности необходимо малое отражение падающих фотонов от чувствительной площадки ЛФД, поэтому ее поверхность обычно покрывают прозрачной для фотонов диэлектрической пленкой толщиной в четверть длины волны принимаемого оптического излучения. Для повышения квантовой эффективности при производстве ЛФД тщательно подбираются толщина обедненного слоя и поглощающей области, которые для длин волн 1,3 и 1,55 мкм имеют значения несколько десятков микрометров. Чувствительность зависит также от материала ЛФД, длины волны принимаемого оптического сигнала, напряжения обратного смещения и температуры ЛФД. На практике используют гетероструктурные ЛФД на основе тройных и четверных соединений, они рассмотрены в предыдущем подразделе.

Последовательно с ЛФД включены источник напряжения обратного смещения и цепь нагрузки, которая состоит из резистора R_н с большим сопротивлением и включенного параллельно ему усилителя. Под воздействием падающих фотонов в ЛФД генерируются носители зарядов (электроны и дырки). Они создают напряжение на ёмкости диодного р-п-перехода, которая разряжается через нагрузочную цепь. Протекающий через резистор R_н фототок имеет малое значение, поэтому следующее за ЛФД устройство представляет собой усилитель с малым коэффициентом шума - МШУ. Его первый каскад усиливает полученный токовый сигнал, который в последующих каскадах преобразуется в напряжение. Так как шум усилителя тока доминирует над другими шумами на низких частотах, то во входном каскаде МШУ используется, как правило, кремниевый полевой плоскостной транзистор. В последующих каскадах усилителя напряжения, где шум растет с увеличением частоты и становится преобладающим на высоких частотах, используют кремниевые биполярные плоскостные транзисторы.

Основная проблема реализации МШУ состоит в обеспечении их устойчивости. Использование общей цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель с большим коэффициентом усиления и высоким входным импедансом, делает схему МШУ склонной к самовозбуждению, особенно на высоких частотах, из-за возникновения положительной обратной связи через паразитную ёмкость. Чтобы избежать самовозбуждения, необходима тщательная, продуманная компоновка МШУ и эффективное экранирование соответствующих устройств и элементов схемы.

На выходе МШУ включен один из исполнительных элементов системы автоматической регулировки - регулятор уровня (РУ) принимаемого сигнала, который представляет собой регулируемый делитель напряжения. Он обеспечивает постоянный уровень сигнала на выходе ОПМ при изменении оптической мощности входного сигнала в заданном динамическом диапазоне.

Усилитель-корректор Ус. К выполняет задачи увеличения амплитуды и коррекции формы импульсов на выходе МШУ. Поскольку частотная зависимость общего сопротивления нагрузки цепи, шунтирующей входной сигнал МШУ, имеет спад с ростом частоты, коэффициент усиления МШУ не является постоянным в усиливаемой полосе частот. Включение на входе первого каскада МШУ малого шунтирующего сопротивления R_н приводит к увеличению тепловых шумов. Поэтому проще создать подъем частотной характеристики усиления в последующем усилителе-корректоре, что и реализовано в схеме ОПМ.

Кроме того, ограничение полосы пропускания в источнике излучения ОПД, дисперсия сигналов в ОВ и другие факторы вызывают искажения формы импульсов, поступающих в ОПМ. Подъем частотной характеристики усиления и компенсация указанных искажений формы принимаемых сигналов выполняется в Ус. К. Полоса пропускания и параметры Ус. К выбираются и реализуются из условия получения максимального отношения сигнал/шум на выходе ОПМ. При этом импульсы на выходе Ус. К могут взаимно перекрываться, что вызывает взаимные помехи между соседними символами, т. е. межсимвольные помехи. Взаимное перекрытие импульсов можно уменьшить с помощью корректирующего фильтра нижних частот ФНЧ, или «второго корректора», который включен после Ус. К.

Передаточная функция ОПМ, связывающая напряжение на его выходе с током на входе МШУ, должна быть равномерной в полосе частот от нуля до, по крайней мере, значения, численно равного скорости передачи ЦЛС в данной ВО ЦСП, т. е. Δf [кГц] ≥ B [кбит/с].

Существует общий класс фильтров, имеющих такое свойство, что их отклик на импульс, принятый в момент времени t₀, равен нулю во все моменты t₀ ± пТ, где п - целое число. Известно, что этим свойством обладает идеальный ФНЧ. Его передаточная функция определяется выражением:

Она приведена на рис. 3.34. Соответствующая ей импульсная характеристика определяется выражением: h(t) = sin(πtB)/πtB, она изображена на рис. 3.35, из которого следует, что характеристика h(t) обращается в нуль в моменты времени ± пТ, где Т = 1/В. Оказывается, что этим свойством обладают все фильтры, передаточная функция которых асимметрична относительно точки Т(В/2) = 0,5. Конкретным примером может служить фильтр с косинусоидальной передаточной функцией, которая описывается выражением:

Она показана на рис. 3. 36, а. Выражение для его импульсной характеристики имеет вид:

Импульсная характеристика косинусоидального ФНЧ представлена на рис. 3.36, б.

Рис. 3.34 Рис. 3.35

Рис. 3.36

Несмотря на то, что идеальный ФНЧ практически не реализуем, теоретически он обеспечивает наилучшее отношение сигнал/шум. Однако из рис. 3.35 следует, что этот фильтр создавал бы сравнительно большое напряжение в соседних тактовых интервалах. Это означает, что незначительные эффекты увеличения длительности импульса или его фазовые дрожания вызвали бы появление больших взаимных помех между символами. Фильтр с косинусоидальной передаточной функцией вносит больше шумов, но обеспечивает значительно больший допуск на дрожание и увеличение длительности импульса.

Практически ФНЧ в тракте ОПМ реализуется с частотой среза f₀, численно равной (1,2...1,5)B, т. е. если на вход данного ОПМ поступает ЦЛС со скоростью передачи В = 622,08 Мбит/с, то f₀ может иметь значение в пределах 750...930 МГц.

В случае пропадания сигнала на входе МШУ срабатывает устройство контроля входного сигнала. При этом аварийный сигнал в виде логической «1» подается на устройство сигнализации, загорается светодиод «Авария входного сигнала». Аналогично осуществляется контроль работы всего ОПМ.

3.4.4. Помехоустойчивость приемника оптических сигналов

Следует различать собственные (внутренние) шумы ОПМ и внешние (посторонние) помехи. И те, и другие накладываются на фототок I_ф и вызывают его случайные изменения. Это приводит к ошибкам в приеме (регистрации) сигналов. Далее рассматриваются только внутренние шумы, так как воздействие внешних помех всегда можно свести к минимуму хорошей компоновкой схемы и экранированием ее элементов.

Мощность шума на выходе ОПМ определяется тремя составляющими: мощностью шума источника оптического сигнала Р_ист, мощностью шумов оптического волокна Р_ов и мощностью шумов, возникающих в оптическом приемнике, Р_пр. В предположении независимости шумов, возникающих в указанных устройствах, можно записать: Р_Σ = Р_ист + + Р_ов + Р_пр. Рассмотрим эти составляющие суммарного шума более подробно.

Мощность собственных шумов лазера определяется квантовыми процессами внутри его резонатора. Ее составные компоненты: квантовый шум тока инжекции, спонтанная рекомбинация носителей заряда в активной области, тепловой шум, поглощение излучения и вынужденное излучение. Часть спонтанного излучения распространяется вместе с основным (индуцированным) излучением и поэтому их практически невозможно разделить. Смешивание мощности шумов спонтанной эмиссии с мощностью усиленного в резонаторе лазера основного излучения приводит к ограничению отношения сигнал/шум на выходе лазера. Мощность шума спонтайной эмиссии лазера составляет примерно 2 • 10^-19 пВт, а другие составляющие мощности шумов лазера имеют еще меньшие значения. Например, мощность теплового шума не превышает 10^-40 пВт. Поэтому шумами источника излучения, в частности лазера, обычно пренебрегают.

Мощность собственных шумов ОВ как направляющей среды определяется следующими составляющими мощностей: квантового шума P_кв, теплового шума Р_теп, модового шума Р_мод, шума попутного потока Р_пот и шума переходных помех Р_пп. В предположении независимости этих шумов, мощность суммарного шума ОВ будет равна Р_ов = P_кв + Р_теп + Р_мод + Р_пот + Р_пп. Это суммарная мощность шумов на выходе ОВ, или на входе ОПМ.

Суммарная спектральная плотность мощности квантового и теплового шумов ОВ определяется выражением:

где h - постоянная Планка; k - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура ОВ. Некоторые данные расчетов этих составляющих шума ОВ при его температуре Т = 300 °К приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8

λ, мкм

P_кв(f), Вт/Гц

P_теп(f), Вт/Гц

1,30

1,55

1,80

1,53 • 10^-21

1,28 • 10^-21

1,10 • 10^-21

7,0 • 10^-34

4,6 • 10^-31

3,6 • 10^-23

Из табл. 3.8 следует, что мощность собственных шумов ОВ определяется в основном квантовыми шумами. Влияние тепловых шумов становится заметным лишь в дальнем инфракрасном диапазоне (λ > 1,55 мкм). Остальные шумы ОВ из-за их малости обычно не учитываются.

Мощность собственных шумов ОПМ в основном определяется тремя составляющими:

собственными шумами ЛФД;

шумами на выходе МШУ;

шумами последующих каскадов ОПМ, включенных после МШУ.

Из функциональной схемы ОПМ, приведенной на рис. 3.33, следует, что последовательно с ЛФД включен МШУ. Он усиливает полученный в ЛФД ток и преобразует его в напряжение, которое повторяет форму входного тока. Отношение сигнал/шум на выходе ОПМ определяется тем его каскадом, где принятый сигнал I_ф имеет минимальное значение, т. е. отношением сигнал/шум на выходе МШУ. Поэтому далее из всего ОПМ будут рассматриваться только ЛФД и МШУ в предположении, что последующие каскады ОПМ «не шумят».

Эквивалентная схема такого ОПМ для малого значения сигнала приведена на рис. 3.37. На этой схеме ЛФД представлен источником тока. Выражение для тока ЛФД можно записать в таком виде (см. подразд. 3.41):

MI_ф(f) = MηqλP_ф(f)/hc.

Рис. 3.37

МШУ представляется усилителем напряжения с передаточной функцией T(f). Так как ток ЛФД поступает на вход МШУ через нагрузку из элементов R и С, которая является входным импедансом этого усилителя, то напряжение на входе МШУ будет определятся выражением:

Нет оснований полагать, что принимаемый промодулированный по интенсивности оптический сигнал полностью отображает передаваемый исходный сигнал. Действительно, если результирующая дисперсия ОВ значительна, то будет иметь место искажение сигнала. Коэффициент лавинного умножения М и квантовая эффективность η ЛФД также зависят от частоты, т. е. M(f) и η(f) (на высоких частотах они уменьшаются). Можно устранить влияние всех перечисленных факторов путем соответствующего увеличения коэффициента усиления усилителя на высоких частотах. Однако далее будем полагать, что диапазон используемых модулирующих частот лежит в области, где параметры источника излучения, ОВ и ЛФД не зависят от частоты.

Таким образом, будем рассматривать передаточную функцию усилителя T(f), связывающую напряжение на его выходе U_вых(f) с током ЛДФ MI(f), полагая, что функция T(f) равномерна в заданной полосе частот Δf.

Итак, если T(f) - передаточная функция МШУ, то напряжение на его выходе будет определятся произведением:

, или .

Результирующая входная ёмкость С ограничивает полосу пропускания значением f_г = 1/2πRC. Если сигналы будут изменяться быстрее, чем граничная частота f_г, то они эффективно ослабятся входной цепью усилителя. Для случая равномерной передаточной функции T(f) = T(0)(1 +j2πfRC), тогда U_вых = T(0)RМI_ф.

Введем в представленную схему три источника шума: токовый источник квантового шума ЛФД I_кв, токовый источник интегрального шума МШУ I_у и источник напряжения шума на входе МШУ U_у. В результате получим эквивалентную шумовую схему ОПМ (рис. 3.38).

Рис. 3.38

Объединим названные токовые источники шума и обозначим результирующий токовый шум на входе МШУ через I_ш. Результирующее среднеквадратическое напряжение шума на выходе МШУ в требуемой полосе частот Δf можно найти путем интегрирования усиленных МШУ значений I²_ш и U²_у. В результате получим:

Для случая равномерной передаточной функции в полосе частот Δf будем иметь:

Так как суммарная спектральная плотность мощности шума , приведенная к выходу МШУ, считается распределенной равномерно, то в пределах Δf величины I_ш и U_y от частоты не зависят, тогда:

Теперь, имея выражения для напряжения сигнала U_вых и напряжения шума U_ш на выходе МШУ, можно найти отношение сигнал/шум, или коэффициент К_с/ш на тех же зажимах:

Чтобы зависимость К_с/ш от отдельных источников шума была более наглядной, представим спектральную плотность шумового тока I_ш в виде суммы трех составляющих: , где - спектральная плотность квантового шума; - спектральная плотность теплового шума; - спектральная плотность остальных шумов на входе МШУ.

Подставляя в формулу для коэффициента К_с/ш вместо I_ш его составляющие, после несложных преобразований окончательно получим выражение для отношения сигнал/шум на выходе МШУ, или, как было оговорено выше, на выходе ОПМ:

. (3.4)

Для удобства последующего анализа каждая из пяти составляющих шума в знаменателе обозначена буквами а, б, в, г, д. Величина К_с/ш определяет качество ВО ЦЛТ и при его проектировании минимально допустимое значение отношения сигнал/шум на выходе ОПМ всегда оговаривается особо: для высокоскоростных ВО ЦЛТ К_с/ш > 12. Поэтому выражение для К_с/ш имеет огромное значение при проектировании ВО ЦЛТ и оценки его ожидаемых параметров. Отметим ряд особенностей этого выражения.

Отношение сигнал/шум можно повышать за счет увеличения коэффициента лавинного умножения М до тех пор, пока учитывающее квантовый шум слагаемое «в» (увеличенное в число раз, равное шум-фактору F_ш, который сам в свою очередь увеличивается с увеличением М) не будет преобладать над другими слагаемыми. Поэтому здесь всегда существует оптимальное значение М_опт.

Наличие слагаемого квантового шума «в» приводит к тому, что общий уровень шума на выходе ОПМ зависит от уровня принимаемой оптической мощности. Эта характерная особенность отличает оптические системы передачи от других и означает, что коэффициент К_с/ш квадратичен по отношению к I_ф.

Увеличение сопротивления R улучшает отношение сигнал/шум, пока слагаемые «а» и «г» значительны по величине. Однако при использовании для МШУ большого входного сопротивления необходима значительная коррекция АЧХ тракта приема в области высоких частот.

Указанная коррекция приводит к преобладанию слагаемого «б» и шум возрастает пропорционально С², т. е. квадрату входной ёмкости. Поэтому важно минимизировать ёмкость С, что приводит и к уменьшению величины требуемой коррекции АЧХ оптического приемника.

Пять членов в знаменателе выражения для К_с/ш суммируются в предположении, что шумы не коррелированы и каждый из них имеет нормальное распределение. На самом деле это не так. Например, квантовый шум имеет распределение Пуассона.

В общем случае приведенная оценка отношения сигнал/шум как рабочий критерий подходит, однако при использовании коэффициента К_с/ш в более строгих оценках о сделанном замечании необходимо помнить.

Воспользуемся приведенным выражением (3.4) для оценки квантового предела чувствительности ОПМ. В идеальном ОПМ коэффициент лавинного умножения М должен быть достаточно большим. В этом случае слагаемое «в», учитывающее квантовый шум, будет преобладать над другими составляющими шума, а коэффициент шума (шум-фактор) F_ш должен быть равен единице. Тогда выражение для коэффициента К_с/ш примет такой вид:

Отсюда требуемый фототок I_ф будет определяться неравенством:

Это соотношение определяет квантовый предел для чувствительности идеального ЛФД.

Используя современные высококачественные ЛФД, можно создать условие, при котором слагаемое «в» будет доминирующим и при коэффициенте шума F_ш, не равном единице.

Итак, пусть F_ш ≠ 1, тогда квантовый предел для чувствительности идеального ЛФД будет определяться выражением:

С учетом чувствительности ЛФД S = I_ф/Р_ф = ηqλ/hc получим, что минимальное значение принимаемой оптической мощности определяется по формуле:

Но hc/λ = E_ф - энергия фотона, тогда:

Например, для кремниевых ЛФД, работающих на длине волны λ = 1,3 мкм, с квантовой эффективностью η = 0,9, при коэффициенте шума F_ш = 6 и полосе частот Δf = 1 МГц, минимально допустимом отношении сигнал/шум К_с/ш =12, требуемая минимальная мощность оптического сигнала, принимаемого ЛФД, должна быть Р_ф_min > 300 пВт.

Это много или мало? Попытаемся ответить на этот вопрос.

Падающий на чувствительную площадку ЛФД поток принимаемых фотонов создает пары носителей заряда «дырка - электрон» как независимые случайные события. Такой процесс преобразования фотонов называется пуассоновским.

Если за единицу времени на ЛФД упадет энергия Е, а E_ф - энергия одного фотона, то с учетом квантовой эффективности η должно быть создано N пар носителей заряда:

N = ηE/E_ф = ηEλ/hc. (3.5)

Вследствие статистической природы взаимодействия фотонов с фотодетектором истинное число пар носителей заряда, создаваемых каждым оптическим импульсом, будет изменяться вокруг среднего значения. Вероятность того, что из N число созданных пар носителей заряда равно k, определяется пуассоновским распределением вероятности:

В идеальном ОПМ это изменение числа создаваемых пар носителей заряда - единственный источник шума. Кроме того, ЛФД работает по принципу: оптическая мощность принимается, а носители заряда появляются только тогда, когда передается «1». Если ЛФД достаточно чувствителен, чтобы обнаружить каждую возникшую электронно-дырочную пару, созданную поступившими фотонами, то порог чувствительности можно установить на этом уровне.

Получается, что при передаче «0» никакой поток фотонов не принимается и никакой фототок не создается - нет никакой ошибки в приеме сигналов. И только в том случае, когда фотоны принимаются, т. е. передается «1», а носители зарядов не создаются, тогда вместо ожидаемого числа пар носителей заряда N фиксируется ошибка. Ее вероятность можно представить в виде: РЕ = p(0/1)p(1) +p(1/0)p(0).

Так как «1» и «0» передаются с одинаковой вероятностью р(1) = р(0) = 1/2, то, используя распределение Пуассона, находим:

Для получения РЕ, или К_ош < 10^-9, необходимо потребовать N > 20, тогда из выражения (3.5) получим, что Е = NE_ф/η > 20E_ф/η, а минимальная средняя мощность принимаемого потока фотонов на входе ОПМ (ЛФД) будет определяться выражением:

Это выражение характеризует абсолютный квантовый предел чувствительности ЛФД.

Например, для ЛФД, работающих на длине волны λ = 1,3 мкм, с квантовой эффективностью η = 1, > 1,5 пВт. Это для идеального ЛФД.

Сравнивая это значение минимальной средней мощности с полученным выше (Р_ф_min > > 300 пВт) с учетом шумов, находим, что шумы приводят к ухудшению чувствительности. Необходимое минимальное значение принимаемой оптической мощности при этом (при шумах) на два порядка выше абсолютного квантового предела чувствительности ЛФД.

Так как передача «1» и «0» равновероятны, то при коэффициенте эффективности η = 1 в соответствии с выражением (3.6) на 1 бит приходится 10 принимаемых фотонов.

Это в идеальном случае, это абсолютный квантовый предел чувствительности идеального ЛФД, и тот минимум принимаемого оптического сигнала на входе ОПМ, который позволяет обработать (выделить) фототок.

3.5. Построение регенерационных секций

3.5.1. Структура регенерационной секции и особенности ее построения

Определение регенерационной секции как составного элемента СЛТ приведено в подразд. 3.1.1, а блок-схема ее одного направления передачи, поясняющая данное определение, изображена на рис. 3.1. Для более подробного рассмотрения регенерационной секции на рис. 3.39 показана структурная схема двусторонней RS, которая в прямом и обратном направлениях передачи имеет одинаковое построение. Из рисунка следует, что в состав каждого направления передачи входят следующие основные устройства:

блок начала (передающая часть) регенерационной секции НРС;

оптический передатчик ОПД;

одномодовые волокна оптических секций ОС;

оптический приемник ОПМ;

регенератор электрического сигнала РЭС;

блок окончания (приемная часть) регенерационной секции ОРС.

Рис. 3.39

В начале СЛТ в тракте передачи (точка С в пункте доступа ОП₁) на вход блока НРС поступает почти полностью сформированный сигнал STM-N, однако в этом ЦГС еще отсутствуют байты заголовка RSOH. Функциональные блоки НРС в структуре СЛТ являются источниками этих заголовков, в них заголовки формируются и вводятся в структуру цикла передачи модуля STM-N. Результирующий ЦГС модулирует излучение ОПД, с выхода которого оптический ЦЛС передается через одномодовое волокно ОС и поступает на вход ОПМ соседнего регенератора.

В приемной части регенератора полученный на выходе ОПМ электрический сигнал восстанавливается в РЭС и подается на вход блока ОРС, в котором заголовок RSOH принимается, обрабатывается и используется. При этом часть байтов из принятого заголовка передается с выхода блока ОРС на вход блока НРС следующей RS. В этом блоке формируется и вводится в структуру цикла передачи сигнала STM-N новый заголовок RSOH для своей RS - и так до конца СЛТ, т. е. до пункта доступа ОП₂, как показано на рис. 3.39. Точки С между блоками ОРС и НРС в структурной схеме двустороннего регенератора являются окончанием» предыдущих и началом последующих RS в обоих (противоположных) направлениях передачи.

Приведенная и кратко рассмотренная структурная схема позволяет отметить некоторые особенности построения регенерационной секции СЛТ по сравнению с участком регенерации оптического линейного тракта систем передачи PDH:

Регенерационная секция, в отличие от участка регенерации, состоящего из одномодового или многомодового волокна и регенератора оптического ЦЛС, имеет более сложную структуру. В ее состав входят оптические и электронные устройства, которые перечислены выше. Параметры этих устройств в структуре СЛТ нормируются отдельными рекомендациями ITU-T (см. подразд. 3.1.1).

Регенерационная секция разделяет каждый односторонний регенератор на две составные части, которые относятся к соседним, но разным регенерационным секциям. Первая часть регенератора - приемная. Ее образуют блоки ОПМ, РЭС и ОРС, т. е. устройства, включенные между точками A(R) и С одного направления передачи регенератора. Вторая часть того же направления передачи регенератора - передающая. Она образована блоками НРС и ОПД, т. е. устройствами, включенными между точками С и A(S) регенератора. Эти устройства являются началом другой RS. Таким образом, схема одного регенератора разделяется на две части, которые относятся к двум (разным) регенерационным секциям.

В отличие от участка регенерации, который начинается с ОВ и заканчивается ОПД, т. е. имеет на входе и выходе оптические компоненты, RS начинается и заканчивается электронными устройствами. На ее входе включается блок НРС, а на выходе - блок ОРС, хотя в структуру регенерационной секции входят ОПД, ОС и ОПМ, т. е. и оптические компоненты.

Поскольку указанные оптические компоненты описаны в предыдущих подразделах (см. подразд. 3.1.2, 3.2, 3.3, 3.4), то ниже рассматриваются только электронные устройства RS.

3.5.2. Построение блока начала регенерационной секции

Структурная схема передающей части (блока НРС) регенерационной секции не является однозначной. Ее построение в основном определяется двумя факторами.

Первый фактор объективный - это зависимость структурной схемы НРС от скорости передачи сигналов, формируемых в данной системе передачи SDH, т. е. от уровня системы передачи SDH. При этом в процессе обработки передаваемых сигналов в их структуру вводится секционный заголовок SOH, после чего сигналы скремблируются, мультиплексируются, формируются и т. д. В результате указанных и других видов обработки передаваемых сигналов на выходе передающей части RS образуется цикл передачи модуля STM-N с заданными параметрами, который модулирует излучение лазера ОПД. Очевидно, что при формировании цикла передачи модуля STM-1 и, например, сигнала STM-16 схемы построения блоков НРС будут различны. Таково влияние объективного фактора.

Второй фактор субъективный - это зависимость реализаций указанных видов обработки сигналов в процессе формирования циклов передачи модулей STM-N от разработчика и фирмы-производителя оборудования данной системы передачи SDH. Сформулированная при этом задача является однозначной - на выходе того или иного блока НРС необходимо получить цикл передачи модуля STM-N с заданными параметрами. Но эта задача может быть решена различными путями. Например, передаваемые сигналы в блоках НРС могут вначале скремблироваться, а затем мультиплексироваться или наоборот; при формировании цикла передачи модуля STM-16 мультиплексирование может быть каскадным или непосредственным (см. подразд 2.2.6) и т. д. Следовательно, субъективный фактор также влияет на построение структурной схемы передающей части RS.

С учетом сделанных замечаний, на рис. 3.40 приведена структурная схема блока НРС, формирующего цикл передачи модуля STM-4 со скоростью передачи 622,08 Мбит/с. По такой схеме реализована передающая часть блока RST в базовом синхронном мультиплексоре типа Fiber World TN-4X компании Nortel [164].

Рис. 3.40

Цикл передачи модуля STM-4 формируется следующим образом. Сигналы четырех групповых административных блоков AUG в параллельной форме поступают в четыре устройства ввода заголовка SOH, который, как известно, состоит из заголовков RSOH и MSOH. Указанные заголовки генерируются в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.783, их структура и назначение байтов рассмотрены выше (см. подразд. 2.2.3). В устройстве Ввод SOH байты А1, А2, B1, C1, D1, D2, D3 заголовка RSOH и байты В2, D4, ..., D12, K1, K2 заголовка MSOH генерируются и вводятся локально в сигналы всех четырех AUG. Предусмотрено введение указанных байтов заголовка SOH через интерфейс встроенного канала управления ЕСС, который образуется использованием байтов Dl, D2 и D3 заголовка RSOH, т. е. в качестве канала ЕСС используется канал передачи данных регенерационной секции DCC-R со скоростью передачи 192 Кбит/с. Можно образовать также канал передачи данных мультиплексной секции DCC-M со скоростью передачи 576 кбит/с, используя байты D4 ... D12 заголовка MSOH.

Канал участковой служебной связи УСС со скоростью передачи 64 кбит/с в СЛТ образуется использованием байта E1 заголовка RSOH. Контроль за качеством работы устройств блока НРС и управлением ими осуществляет блок обеспечения, или поддержки SU (Support Unit) через контроллер, который кроме интерфейсов ЕСС и DCC-R имеет интерфейс SU. Интерфейсы F и Q₃ блока SU обеспечивают местный и дистанционный контроль функционирования устройств регенерационной секции СЛТ. К F-интерфейсу может быть подключен любой совместимый с IBM-PC компьютер с 486 SX (или выше) процессором, имеющий порт RS-232C. Интерфейс Q₃ - это интерфейс сетевого управления, обеспечивающий 7-уровневый протокольный набор в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.703. В результате добавления к сигналам AUG байтов заголовка SОН на выходах устройств Ввод SОН образуются циклы передачи модулей STM-1, каждый из которых подвергается скремблированию по Рекомендации ITU-T G.709. Так как в СЛТ систем передачи SDH всех уровней в качестве линейного кода ЦЛС используется безызбыточный код NRZ, то для введения избыточности все циклы передачи модуля STM-N скремблируются.

В схеме, приведенной на рис. 3.40, скремблирование выполняется на уровне циклов передачи модулей STM-1, однако при этом достигается необходимое скремблирование цикла передачи модуля STM-4. Скремблированию подвергаются все байты модуля STM-4, за исключением байтов первой строки заголовка ЗОН (байты А1 и А2), которые предназначены для передачи сигнала цикловой синхронизации. Эти байты в результирующем цикле передачи модуля STM-4 переписываются для последующей передачи без скремблирования.

Модуль STM-4 формируется путем побайтного мультиплексирования четырех сигналов STM-1, полученных на выходе скремблеров. При этом из каждого сигнала STM-1 берется один очередной байт и последовательно вводится в байт-мультиплексор Byte MUX, на выходе которого получается цикл передачи модуля STM-4.

После скремблирования и байт-мультиплексирования в каждом цикле передачи модуля STM-4 вычисляется код BIP-8, содержащий 8 бит. Это происходит следующим образом. Первый бит кода дополняет до четного числа сумму значений первых битов всех октетов цикла передачи модуля STM-4, второй бит делает четной сумму вторых битов всех октетов и т. д.

Результаты вычисления кода BIP-8 скремблируются и в качестве байта В1 заголовка RSOH вводятся в следующий цикл передачи модуля STM-1 до его скремблирования, как показано на рис. 3.40. Такой метод позволяет в принятом ЦЛС на выходе блока ОРС следующего пункта СЛТ обнаруживать ошибки, возникающие в RS. Для проведения контроля за параметрами регенерационной секции все байты BIP-8, т. е. байты В1 заголовка RSOH могут быть переданы инвертированными.

В следующем устройстве передающей части RS осуществляется преобразование сигнала STM-4 из параллельного вида в последовательный, после чего синхронизированный от местного синхрогенератора указанный сигнал в коде NRZ со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает на вход ОПД.

Для проверки работоспособности оконечного оборудования системы передачи SDH и обнаружения возникающих в нем повреждений предусмотрено образование шлейфа по электрическому сигналу STM-4, т. е. прохождение этого сигнала с выхода блока НРС на вход блока ОРС - это называется шлейфом на мультиплексор. Кроме того, можно также образовать шлейф в СЛТ по оптическому ЦЛС, т. е. обеспечить прохождение принятого из СЛТ сигнала с выхода блока ОРС на вход блока НРС для последующей модуляции излучения ОПД это называется шлейф на СЛТ. Такой шлейф можно выполнять в любом пункте СЛТ, что позволяет оперативно обнаружить повреждение, возникшие в оборудовании любой регенерационной секции данного СЛТ.

Построение структурной схемы блока НРС в системах передачи SDH первого уровня значительно упрощается. В таком блоке содержится одно устройство ввода заголовка SОН, один скремблер и отсутствует байт-мультиплексор. Прохождение сигналов можно проследить по схеме, представленной на рис. 3.40. Сигналы одного группового блока AUG в параллельной форме поступают в устройство Ввод SОН, на выходе которого формируется цикл передачи модуля STM-1. Полученный сигнал скремблируется, в нем вычисляется код BIP-8 и выполняется преобразование сигнала из параллельного вида в последовательный. Результирующий сигнал в коде NRZ со скоростью передачи 155,52 Мбит/с подается на вход ОПД.

И наоборот, построение структурной схемы передающей части RS в системах передачи SDH 16-го уровня значительно усложняется. Структурная схема передающей части блока RST системы передачи SDH уровня STM-16 типа AXD-2500 компании Ericsson приведена на рис. 3.41. В блоке НРС указанной системы передачи формируется модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,32 Мбит/с.

Рис. 3.41

Представленная схема по сравнению со схемой, приведенной на рис. 3.40, имеет следующие особенности:

Сигналы 16 блоков AUG в параллельной форме поступают в 16 устройств Ввод SОН, на выходе которых образуется 16 циклов передачи модулей STM-1.

В каждом из этих сигналов в течение всего цикла передачи STM-1 (кроме первых трех строк заголовка SОН, которые содержат байты заголовка RSOH) подсчитывается код BIP-24, содержащий 24 бит (3 байт).

Результаты подсчета вводятся в последующий цикл передачи модуля STM-1 и загружаются (помещаются) в три соответствующих байта В2 заголовка MSOH. В итоге формируется BIP-384 (BIP-384 = 16 х BIP-24), что позволяет на приеме обнаруживать ошибки в принятом сигнале STM-16, возникшие в данной мультиплексной секции.

Путем непосредственного байт-мультиплексирования 16 сигналов STM-1 формируется цикл передачи модуля STM-16, т.е. 16хSTM-1 = STM-16, как показано на рис. 2.21. Далее полученный сигнал скремблируется. Скремблированию подвергаются все байты модуля STM-16, кроме первого ряда заголовка SOH - это 9 х 16 = 144 байт (байты А1 и A2), с помощью которых формируется и в структуре цикла передачи модуля STM-16 передается сигнал цикловой синхронизации.

Контроль за качеством функционирования устройств блока НРС и управление ими осуществляет блок поддержки SU через блок процессора UP (Unit Processor).

Скремблированный модуль STM-16 синхронизируется от субмультиплексного источника хронирования Sub-MTS, который, в свою очередь, может быть хронирован различными (внутренними или внешними) сигналами:

от внешнего эталонного генератора синхроимпульсов, соответствующего Рекомендации ITU-T G.103.10;

хронирующей последовательностью, полученной с помощью выделителя тактовой частоты (ВТЧ) из принятого ЦЛС;

последовательностью синхроимпульсов, полученной с помощью ВТЧ из любого сигнала STM-1, поступившего на вход блока НРС для передачи;

- от внутреннего генератора синхроимпульсов.

Далее рассмотрим приёмную часть RS.

3.5.3. Построение блока окончания регенерационной секции

В блоке ОРС, т. е. в приемной части RS, выполняются обратные преобразования сигналов, в отличие от операций, проводимых над сигналами в блоке НРС. Поэтому построение структурной схемы приемной части RS однозначно определяется построением схемы ее передающей части (блока НРС). В соответствии со схемой блока НРС (см. рис. 3.40) на рис. 3.42 изображена схема приемной части регенерационной секции базового синхронного мультиплексора типа Fiber Wored TN-4X компании Nortel.

Рис. 3.42

Схема работает следующим образом. Принимаемый оптический ЦЛС со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает в ОПМ, где происходит его оптоэлектронное преобразование. Полученный на выходе ОПМ электрический сигнал в блоке РЭС регенерируется и из него выделяется сигнал тактовой частоты. Восстановленный сигнал проходит последовательно-паралельный преобразователь кода. Затем принятый сигнал динамично выравнивается по скорости передачи и фазе, т. е. пересинхронизируется по отношению к циклу передачи модуля STM-4, далее по всему модулю STM-4 вычисляется код BIP-8, который используется для сравнения с байтом В1. Результаты сравнения, т. е. количество обнаруженных ошибок в принятом байте В1 за цикл передачи модуля STM-4, передаются в систему контроля и управления, а сигнал STM-4 байт-демультиплексируется на четыре потока байтов модулей STM-1, которые проходят на входы четырех дескремблеров. В устройствах Выделение SOH из каждого модуля STM-1 выделяются байты заголовка SOH, при этом некоторые байты этого заголовка 2, 3 и 4-го модулей STM-1 игнорируются (не обрабатываются). Выделенные байты заголовков SOH используются и затем ликвидируются.

Четыре сигнала AUG, полученные на выходе 4-х устройств Выделение SOH, в плавающем первичном формате поступают по адресам, указанным устройством управления, т. е. контроллером данного линейного блока. Все функции контроля и управления выполняет указанный контроллер через блок поддержки SU.

При необходимости можно образовать шлейф на СЛТ. Для этого принятый сигнал в электрическом виде и в последовательной форме с устройства последовательно-паралельного преобразования блока ОРС подается в устройство параллельно-последовательного преобразования блока НРС. Этот сигнал модулирует излучение ОПД и таким образом возвращается на противоположную станцию, т. е. в тот пункт СЛТ, из которого он был передан. При этом последовательный выход параллельно-последовательного преобразователя блока НРС со стороны мультиплексора блокируется.

Аналогичным образом можно выполнить шлейф на мультиплексор, для чего передаваемый сигнал из параллельно-последовательного преобразователя блока НРС в параллельной форме подается в последовательно-параллельный преобразователь блока ОРС. Поступивший сигнал в параллельной форме проходит все последующие устройства блока ОРС. При этом параллельный вход последовательно-параллельного преобразователя блока ОРС со стороны СЛТ блокируется. Для пары блоков НРС и ОРС любого блока RSTN (см. рис. 3.39) шлейфы на мультиплексор и на СЛТ нельзя выполнять одновременно [164].

Структурная схема приемной части RS системы передачи SDH типа AXD-2500 компании Ericsson изображена на рис. 3.43. По этой схеме в блоке ОРС принятый сигнал STM-16 после предварительной обработки демультиплексируется в 16 модулей STM-1. Рассмотрим кратко работу схемы.

Рис. 3.43

Поступающий из СЛТ оптический ЦЛС со скоростью передачи 2488,32 Мбит/с обрабатывается в блоках ОПМ и РЭС (как и в предыдущей схеме блока ОРС). Полученный после обработки в указанных блоках сигнал хронируется колебанием тактовой частоты 2488,32 МГц, которое -выделяется из принятого линейного сигнала уровня STM-16. Если этот сигнал теряется, т. е. кратковременно пропадает или из него затрудняется выделение тактовой частоты, то хронирование выполняется от аварийного генератора тактовой синхронизации (блок Аварийный ГТС). В таких случаях через все выходы модулей STM-1 данного блока ОРС посылается сигнал индикации аварии AIS (Alarm Indication Signal) модуля STM-16.

Восстановленный полученный сигнал поступает в последовательно-паралельный преобразователь, с выхода которого сигнал в параллельной форме подается на вход устройства выравнивания цикла передачи модуля STM-16, где устраняются возникшие изменения скорости передачи и фазы принятого сигнала STM-16. Это выравнивание осуществляется через поиск сигнала цикловой синхронизации, который образуют байты А1 и А2 (см. подразд 2.2.3), находящиеся в структуре заголовка RSOH сигнала STM-16. Обнаруженная кодовая группа синхросигнала (три байта А1 плюс три байта А2, что в сумме составляет 48 бит) указывает начало цикла передачи принятого сигнала STM-16, который пересинхронизируется. В результате устраняются возникшие в СЛТ изменения скорости передачи и фазы принятого сигнала STM-16, т. е. обеспечивается его выравнивание.

Далее по всему циклу передачи сигнала STM-16 вычисляется код BIP-8. Результаты вычисления используются для сравнения с байтом В1 предыдущего цикла передачи сигнала STM-16 для обнаружения ошибок в принятом сигнале, возникших в предшествующей RS. Количество обнаруженных ошибок передается в блок функционального контроля и управления данной системы передачи SDH. Затем сигнал STM-16 дескремблируется и поступает в байт-демультиплексор Byte DMUX, на выходе которого образуются 16 сигналов STM-1.

В течение всего цикла передачи каждого из модулей STM-1, кроме первых трех строк заголовка SOH, которые содержат байты заголовка RSOH, вычисляется код BIP-24 глубиной 24 бит (3 байт). Результаты вычисления используются для сравнения с тремя байтами В2 заголовка MSOH предыдущего цикла передачи сигнала STM-1. В итоге формируется код BIP‑384 = 16 х BIP-24, который позволяет обнаруживать ошибки в принятом сигнале STM‑16, возникшие в предшествующей мультиплексной секции. Количество обнаруженных ошибок передается в блок функционального контроля и управления данной системы передачи SDH.

После вычисления кода BIP-24 сигналы STM-1 поступают в устройства выделения заголовков SOH, байты которых используются по назначению. Шестнадцать сигналов AUG, полученные на выходах 16 устройств Выделение SOH, в плавающем первичном формате поступают по адресам, указанным устройством управления - процессором UP.

3.5.4. Особенности построения линейного регенератора

Линейный, или промежуточный регенератор СЛТ, - это сложное и дорогостоящее устройство. Поэтому базовые синхронные мультиплексоры или SLM, производимые наиболее крупными компаниями, могут быть сконфигурированы и как синхронные LR. Например, базовый синхронный мультиплексор уровня STM-4 типа TN-4X фирмы Nortel может быть сконфигурирован как регенератор, а синхронный линейный мультиплексор уровня STM-64 типа SL-64 фирмы Siemens - как регенератор типа SLR-64, обеспечивающий регенерацию оптического ЦЛС со скоростью передачи 9953,28 Мбит/с (10 Гбит/с).

Однако некоторые компании выпускают и представляют на мировом рынке и специальное оборудование, которое выполняет только функции LR. Примерами такого оборудования являются:

линейные регенераторы типов LR-1, LR-4 и LR-16 уровней STM-1, STM-4 и STM-16, соответственно, компании Philips;

промежуточные регенераторы типа SLR-4 и SLR-16 уровней STM-4 и STM-16, соответственно, компании ЕСI;

оптические ретрансляторы типа SMS-150R, SMS-600R и SMS-2500R уровней STM-1, STM-4 и STM-16 соответственно компании NEC.

Блок-схема двустороннего регенератора приведена на рис. 3.39, из которой можно определить, что каждое направление передачи промежуточного регенератора состоит из одинаковых устройств. С использованием представленных выше схем блоков НРС и ОРС можно изобразить структурную схему LR. Для примера на рис. 3.44 показана структурная схема одного направления передачи регенератора для СЛТ, обеспечивающего транспортирование оптического ЦЛС уровня STM-4.

Сигнал, поступивший из ООВ оптической секции СЛТ, обрабатывается в блоках ОПМ и РЭС. В последнем из принятого сигнала выделяется колебание тактовой частоты 622,08 МГц, из которого формируется хронирующий сигнал для восстановления временных позиций (тактовой синхронизации) принятой цифровой последовательности. Затем эта последовательность обрабатывается и проходит далее в соответствии с представленной схемой, как описано в подразд. 3.5.3.

В устройствах Выделение RSOH извлекаются только те из оставшихся байтов заголовка RSOH (байты А1 и А2 выделены в устройстве Выравнивание STM-N, на рис. 3.44 оно не показано), которые используются в данном пункте. Устройствами Выделение RSON заканчивается блок ОРС и предшествующая RS. Следующая RS начинается с блока НРС регенератора. В нем процесс обработки передаваемых сигналов выполняется в обратном порядке, в результате чего формируется цикл передачи модуля STM-4. Этот сигнал модулирует излучение лазера ОПД, с выхода которого оптический ЦЛС со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает в ООВ следующей оптической секции СЛТ. Все вышеизложенное происходит и в обратном направлении передачи регенератора, которое состоит из аналогичных устройств.

Рис. 3.44

Таким образом, действительно, регенератор СЛТ является сложным и, следовательно, дорогим устройством. Сложность построения регенераторов СЛТ вызвана тем, что перечень выполняемых ими функций значительно шире, чем в регенераторах линейных трактов оптических систем передачи PDH. Это связано с переходом от процесса передачи оптических сигналов в плезиохронных ЦСП к процессу транспортирования трафика в рамках систем передачи SDH. Новые функции СЛТ и их регенераторов описаны в Рекомендации ITU-T G.958.

Основная новая функция регенератора СЛТ - это выделение и обработка в блоке ОРС принятого и формирование и введение в блоке НРС передаваемого (нового) заголовков RSOH двух соседних в данном направлении передачи RS. Фактически это одна из функций муль-декса (мультиплексора-демультиплексора). Из принятого заголовка RSOH в регенераторе выделяются и используются следующие байты: B1, С1, D1, D2, D3, E1, F1. Их назначение указано выше (см. подразд. 2.2.3). Доступ к байтам F1, которые образуют канал пользователя, в промежуточных регенераторах не обязателен, так как этот канал в основном предназначен для сетевых служб. В таком случае байты F1 передаются из принятого заголовка RSOH во вновь формируемый заголовок RSOH следующей регенерационной секции. В каждом регенераторе должен обеспечиваться доступ к каналу УСС (байты E1). Если этот канал в данном НРП не используется, то его байты E1 транслируются аналогично байтам F1. Доступ к байтам F1 и E1 обеспечивается с помощью устройств, реализующих функцию доступа к заголовку ОНА (Overhead Access), которая является одной из функций регенератора. Байты E1 и F1 между секциями передаются по каналам пользователя и УСС. Если на данной линии передачи используется система 1: К резервирования СЛТ, то не все К регенераторов данного НРП должны получать доступ к каналу УСС.

Управление регенератором и контроль его работы должны осуществляться в соответствии с общими принципами контроля и управления, указанными в Рекомендации ITU-T G.784, а также принципами взаимодействия с TMN. Поэтому согласно Рекомендации ITU-T G.958 в перечень функций регенератора, кроме указанных выше, входит функция SEMF. Функция SEMF контролирует работу регенератора, относящуюся к обслуживанию, контролю и управлению. Все сообщения (данные) об аварийных состояниях предаваемого сигнала STM-4, полученные в различных функциональных блоках регенератора, передаются функции SEMF. Для примера на структурной схеме регенератора (см. рис. 3.44) показан блок управления синхронным оборудованием, или оборудованием регенератора SEMU, который является фрагментом реализации функции SEMF для контроля количества ошибок, возникающих в предшествующей регенерационной секции СЛТ. Этот контроль осуществляется следующим образом. В передающем оборудовании тракта, т. е. в блоке НРС предшествующего пункта СЛТ, вычисляется код BIP-8. Он вычисляется по скремблированному циклу передачи модуля STM-4 и в качестве байта В1 вводится в следующий цикл передачи модуля STM-4 до его скремблирвания.

В регенераторе по принятому сигналу цикловой синхронизации (байты А1 и А2) происходит выравнивание цикла передачи регенерированного сигнала STM-4, а затем по всему этому сигналу вычисляется код BIP-8, который используется для сравнения с байтом В\ следующего цикла передачи сигнала STM-4. Результат сравнения, т. е. количество обнаруженных ошибок в байте В1 за время каждого цикла передачи STM-4 с помощью блока SEMU передается в систему контроля и управления данной системы передачи SDH. Вычисление кода BIP-8 в каждом регенераторе значительно повышает качество контроля функционирования СЛТ. Сообщения функции SEMF передаются по встроенному каналу управляемой ЕСС, в качестве которого используется канал служебной связи DCC-R регенерационной секции.

Средства для передачи и приема сообщений обеспечиваются функцией передачи сообщений MCF (Message Communication Function) регенератора, реализация которой на представленной схеме условно показана блоком управления и связи MCU (Management and Communication Unit). Этот блок подключается к блоку SEMU и к Q₃-интерфейсу местной сети обслуживания LAN, если такой интерфейс существует.

Для связи с объектами, внешними по отношению к данной системе передачи SDH, могут использоваться два интерфейса. Интерфейс Q₃ позволяет соединить регенератор с операционной системой или с устройством обработки данных. F-интерфейс может использоваться для соединения регенератора с рабочим местом оператора в целях контроля состояния регенератора и других объектов СЛТ, а также для управления их функционированием.

В блоке НРС регенератора формируется новый заголовок RSOH для следующей RS. В состав этого заголовка входят следующие байты: А1, А2, B1, C1, D1, D2, D3, E1, F1, которые вводятся в структуру цикла передачи модуля STM-4 в устройстве Ввод RSOH. Последующая обработка передаваемого сигнала в блоке НРС выполняется в соответствии с описанием этого блока (см. подразд. 3.5.2).

Здесь уместно заметить, что процессы скремблирования и дескремблирования сигналов в промежуточных регенераторах могут быть ограничены только байтами заголовка RSOH (за исключением байтов А1, А2), поскольку в регенераторах необходим доступ только к этим байтам [41].

3.5.5. Структурная схема регенератора электрического сигнала

Оптический ЦЛС, приходящий на вход линейного или станционного регенератора, поступает в ОПМ, в котором происходит преобразование импульсов принятого оптического излучения в импульсы электрического тока. Этот сигнал после предварительного усиления в МШУ, частичной коррекции формы принимаемых видеоимпульсов и их последующего усиления (более подробная схема ОПМ приведена на рис. 3.33) поступает на вход электронной схемы регенератора. Электрический регенератор принципиально не отличается от типового регенератора электрического ЦЛТ. Основными его устройствами являются решающее устройство (РУ) и ВТЧ, или таймер. Однако высокие требования к параметрам этих устройств определили специфику их построения. Были учтены требования по стабильности статической фазы тактовой частоты РУ и вероятности ошибки принятия решения не более 10^-11 на один регенератор, а выделитель тактовой частоты должен обеспечивать минимизацию накопления фазовых дрожаний в цепи из большого числа регенераторов в структуре СЛТ.

Структурная схема регенератора электрического сигнала STM-4 приведена на рис. 3.45. Для реализации его основных устройств были разработаны специальные твердотельные интегральные схемы на основе SST-технологии. Это позволило значительно улучшить эксплуатационные параметры регенератора (особенно такие, как надежность и потребляемая мощность) при одновременном выполнении жестких требований к техническим параметрам отдельных его устройств (узлов). Решающее устройство содержит широкополосный усилитель-ограничитель ШПУ-О и двойной синхронный D-триггер. Регенерируемый сигнал в форме последовательности видеоимпульсов в коде NRZ со скоростью передачи 622,08 Мбит/с поступает на вход усилителя-ограничителя РУ регенератора с выходного усилителя ОПМ.

Рис. 3.45

Принципиальная схема одного каскада усилителя-ограничителя, выполненного по схеме Черри-Купера, изображена на рис. 3.46 [48]. Данная схема является основой для реализации других ШПУ-О регенератора, которые используются при построении схемы ВТЧ. Широкополосные усилители-ограничители, построенные по приведенной схемотехнике, экономичны в сочетании с широкополосностью, малой амплитудно-фазовой конверсией в большом динамическом диапазоне амплитуд в режиме ограничения и стабильными фазовыми характеристиками в широком диапазоне температур. Как пороговая схема регенератора усилитель-ограничитель по минимуму имеет один парафазный вход и два парафазных выхода. По каждому из указанных выходов обеспечивается необходимый уровень сигнала при работе усилителя в линейном режиме в заданной полосе частот.

По существу ШПУ-О является решающим устройством по амплитуде, в котором происходит опознавание поступивших символов и принимается решение о поступлении единицы или нуля. Если напряжение сигнала на входе усилителя-ограничителя превышает заданное напряжение порога U_пор (см. рис. 3.46), то на выходе ШПУ-О появляется импульс. Это свидетельствует о приеме из СЛТ кодового символа «1». При поступлении на вход ШПУ-О напряжения, меньшего напряжения порога £/пор, импульс на выходе ШПУ-О отсутствует, что свидетельствует о поступлении на вход регенератора кодового символа «0».

Восстановление временных соотношений между кодовыми символами передаваемого ЦЛС происходит в D-триггере, который является РУ по времени и представляет собой пороговую схему совпадения. Парафаз-ные сигналы с одного из выходов ШПУ-О поступают на информационные входы D и триггера, а на его синхронизирующие входы С и подаются хронирующие импульсы с выхода ШПУ2 таймера.

В результате на выходах Q и триггера образуется регенерированные прямой и инвертированный сигналы. С информационного Q-выхода видеоимпульсы регенерированной последовательности поступают на вход ОПД. Сигналы с -выхода используются для работы устройства управления фазой УУФ сигнала хронирования на выходе ВТЧ и для контроля работы регенератора. При отсутствии сигнала на -выходе устройство функционального контроля выдает сигнал «Авария регенератора» в систему телеконтроля для передачи его на пункт контроля и управления.

Рис. 3.46

Выделитель тактовой частоты предназначен для выделения колебания тактовой частоты из входной последовательности ЦЛС и формирования из этого колебания стробирующих импульсов, которые затем поступают в РУ и в ОПД.

Входной ЦЛС представляет собой последовательность однополярных импульсов в коде NRZ, т. е. длительность импульсов равна тактовому интервалу. Известно, что в энергетическом спектре такой последовательности видеоимпульсов отсутствует колебание тактовой частоты. Для его получения в данном случае, кроме входной импульсной последовательности U₁ (рис. 3.47, а), с помощью линии задержки формируется последовательность импульсов U₂, полученная из входной сдвигом ее на половину тактового интервала (рис. 3.47, б). Вычитание из первой последовательности импульсов второй последовательности приводит к формированию двухполярных импульсов U₃ (рис. 3.47, в). Импульсы этой последовательности имеют скважность, равную двум, и следуют с частотой, равной тактовой частоте входной последовательности импульсов. Выпрямление полученной двухполярной последовательности формирует однополярный сигнал U₄ в коде NRZ, т. е. со скважностью два (рис. 3.47, г). Эти импульсы следуют с тактовой частотой, равной тактовой частоте входного ЦЛС. Такая последовательность содержит колебания тактовой частоты входного сигнала. Непрерывная G_н (f) и дискретная G_д(f) составляющие случайного сигнала в коде NRZ показаны на рис. 3.47, д.

Для реализации описанного способа получения колебания тактовой частоты из входного ЦЛС, нелинейный преобразователь (НП) ВТЧ выполнен по схеме двойного балансного перемножителя (перемножитель Гильберта). На его один вход подается принятый сигнал в коде NRZ с выхода усилителя-ограничителя РУ, а на второй вход - тот же сигнал (через линию задержки), задержанный на половину периода битовой посылки входного ЦЛС. На выходе преобразователя НП формируется сигнал (рис. 3.47, г). Эта последовательность содержит в своем спектре дискретную составляющую на тактовой частоте входного ЦЛС, которая в данном случае равна 622,08 МГц. Для выделения колебания данной частоты на выходе НП включен узкополосный фильтр (УФ), который представляет собой фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Фильтр на ПАВ реализован на перовой гармонике и на ST-срезе. Основные параметры фильтра приведены в табл. 3.9.

Рис. 3.47

Таблица 3.9

Параметры	Значение параметра
Центральное значение тактовой частоты, МГц	622,08
Затухание на тактовой частоте, дБ	Менее 16
Добротность (минус 3 дБ)	800... 1000
Затухание в полосе задерживания от f_т/10 до 2f_т, дБ	Более 30
Изменение статической фазы в диапазоне температур от минус 20 до плюс 60 °С	Менее 30
Входное и выходное сопротивления, Ом	50

Неравномерность АЧХ фильтра в полосе частот на уровне минус 3 дБ относительно идеальной кривой sin х/х - менее + 0,1 дБ. Это обусловлено требованиями к скорости накопления фазовых дрожаний в СЛТ, содержащем несколько сотен идентичных регенераторов, что позволяет обходиться без специальных устройств подавления фазовых дрожаний в регенераторах.

На выходе УФ включен ШПУ1, который имеет усиление 20 дБ в полосе частот до 1300 МГц. Он обеспечивает необходимые значения уровней сигналов тактовой частоты на парафазных входах фазовращателя (ФВ). Последний изменяет фазу на своем выходе в пределах + 50°, является активным и рассчитан на усиление 3 дБ в полосе частот до 1300 МГц.

Широкополосный усилитель-ограничитель ШПУ2, включенный на выходе ФВ, формирует два парафазных потока хронирующих импульсов, один из которых поступает на синхронизирующие входы D-триггера, а другой - в схему ОПД. Усилитель ШПУ2 обеспечивает усиление 40 дБ в полосе частот до 1300 МГц. Динамический диапазон амплитуд в режиме ограничения общей цепи из ШПУ1, ФВ и ШПУ2 составляет 25 дБ.

Усилители ШПУ1, ШПУ2 и фазовращатель обеспечивают суммарное усиление сформированных хронирующих сигналов не менее 63 дБ в полосе частот до 1300 МГц. Они имеют малую амплитудно-фазовую конверсию (АФК) в большом динамическом диапазоне (АФК менее + 4° в динамическом диапазоне амплитуд 25 дБ в режиме ограничения) и стабильные фазовые характеристики в широком диапазоне температуры (менее + 6° в диапазоне температуры от минус 20 до + 60 °С на тактовой частоте).

Одной из отличительных особенностей построения схемы ВТЧ является наличие УУФ хронирующего сигнала. Необходимость применения УУФ хронирующего сигнала на выходе ВТЧ вызвана двумя причинами.

Известно, что уход фазы сигналов хронирования на управляющих входах триггера относительно сигналов, поступающих на его информационные входы, не должен превышать + 6° от всех дестабилизирующих факторов. Схема УУФ хронирующего сигнала устраняет влияние дестабилизирующих факторов путем подстройки фазы хронирующих сигналов на синхронных входах триггера. Это позволяет поддерживать фазовые соотношения между хронирующими и информационными сигналами на соответствующих входах триггера в пределах, обеспечивающих оптимальную работу РУ по времени.

Вторая функция УУФ хронирующего сигнала состоит в том, чтобы компенсировать уход фазы хронирующего сигнала, вызванный влиянием температуры на устройство ВТЧ. Компенсация влияния температуры позволяет удерживать фазу хронирующих сигналов на управляющих входах триггера в пределах четырех градусов.

Таким образом, отмеченные особенности построения схемы РЭС обеспечивают качественную его работу в структуре протяженных СЛТ систем передачи SDH.

3.6. Перспективы развития волоконно-оптических линейных трактов

Вся история развития многоканальной проводной связи представляет собой непрерывное, бесконечное решение ведущими специалистами мира в этой области двух основных технических проблем - повышение пропускной способности и увеличение дальности связи используемых на данном этапе развития многоканальных систем передачи. В настоящее время на сетях связи активно внедряются и используются волоконно-оптические системы передачи SDH. Они имеют высокие (порядка 2,5; 10 и 40 Гбит/с) скорости передачи оптических сигналов в СЛТ и длины секций регенерации этих трактов до 100 км и более. Производительность (произведение скорости передачи на длину RS) таких СЛТ превышает производительность ЦЛТ на кабелях с металлическими парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает экономическую эффективность волоконно-оптических СЛТ.

Но и сегодня считается, что двумя важнейшими техническими параметрами линейных трактов являются его информационная пропускная способность и максимальное расстояние между соседними регенераторами. Это объясняется тем, что в ближайшие годы потребность в увеличении числа каналов будет возрастать, а регенерация оптических ЦЛС на транспортной сети вне пунктов доступа должна быть исключена. Что же сегодня предлагают специалисты-разработчики, желая «преодолеть» эти две проблемы техники многоканальной проводной связи на большие (сотни, тысячи километров) расстояния? В данном подразделе предпринята попытка ответить на поставленный вопрос.

3.6.1. Спектральное разделение оптических сигналов

Системы передачи SDH строятся с использованием метода временного разделения каналов (см. подразд. 2.2.6, рис. 2.20, 2.21). Таким путем были созданы и высокоскоростные мультиплексоры, формирующие сигналы уровней STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с).

Например, SLM типа TransXpress SL-64 компании Siemens, формирующий на выходе поток со скоростью передачи 9953,28 Мбит/с, т. е. порядка 10 Гбит/с (см. рис. 2.2, б), сегодня уже освоен и широко представлен на рынке. Мультиплексор уровня STM-256 (40 Гбит/с) технически реализуем, однако эта реализация стоит пока весьма дорого, поэтому серьезного коммерческого использования оборудования уровня STM-256 следует ожидать не ранее 2004 г. [63].

Оптические СЛТ для передачи сигналов таких мультиплексоров строятся с использованием ООВ с нулевой (на длине волны 1,3 мкм) или смещенной (на длине волны 1,55 мкм) дисперсией, а также нового поколения одномодовых инжекционных лазеров и высокочувствительных ЛФД. При этом в пунктах доступа и в необслуживаемых регенерационных пунктах (НРП) выполняется сопряжение электронных и оптических устройств аппаратуры, где происходят электронно-оптические и оптоэлектронные преобразования передаваемых и принимаемых сигналов.

Скорости передачи 10 Гбит/с оптического ЦЛС соответствует длина тактового интервала 10 пс, отводимого на один символ при обработке электрических и оптических сигналов.

Попытки разработчиков систем передачи SDH использовать метод ВРК для создания мультиплексоров, формирующих на выходе сигналы модулей STM-256 и STM-1024 со скоростями передачи 40 и 160 Гбит/с, соответственно, в течение нескольких лет (1996 - 1998 гг.) не давали положительных результатов. Таким скоростям передачи сигналов соответствуют длины тактовых интервалов 2,5 пс и 0,625 пс = 625 фс соответственно, т. е. обработка указанных сверхскоростных потоков требует применения сверхкоротких (пико- и фемтосекундных) импульсов. Однако устройства полупроводниковой микроэлектроники и оптической электроники при их сопряжении (совместной работе) такие сверхкороткие импульсы обрабатывают с временными задержками, соизмеримыми с длительностью импульсов, что затрудняет разделение сигналов.

Но эти трудности были преодолены. В 1999 г. появились сообщения, что компания Siemens разработала мультиплексор типа SMA-256 (40 Гбит/с) [78], а в лаборатории Bell Labs компании Lucent создана первая в мире синхронная система передачи, обеспечивающая пропускную способность 160 Гбит/с одного оптического тракта [12].

Достигнутые успехи в области оптической электроники и интегральной оптики позволили существенно расширить границы скорости передачи оптических сигналов за пределы скоростей, обеспечиваемых системами передачи SDH, используя метод оптического мультиплексирования с разделением по длине волны WDM, или со спектральным разделением оптических сигналов [14, 78, 80, 84, 101].

Под оптическим мультиплексированием здесь понимается объединение сигналов нескольких ОПД, например, систем передачи SDH, в один оптический ЦЛС, передачу этого ЦЛС по одному ООВ на заданное расстояние и разделение принятого ЦЛС в очередном пункте доступа на заданное число оптических цифровых сигналов. Это стало возможным благодаря созданию узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектральной линии излучаемого сигнала несколько сотых долей нанометра (0,05...0,09) и меньше, оптических фильтров для разделения близких по частоте оптических сигналов, широкополосных оптических усилителей, и благодаря тому, что спектральная характеристика коэффициента затухания ООВ в окрестности заданной длины волны, например, λ = 1,55 мкм имеет определенную ширину полосы пропускания (см. рис. 3.6). В этой полосе можно образовать несколько оптических трактов, в каждом из которых сигналы различных систем передачи SDH передаются на различных длинах волн. Длины волн сигналов, передаваемых по соседним трактам, должны отличаться настолько, чтобы их можно было надежно разделить в приемной аппаратуре очередного пункта доступа.

Не рассматривая здесь историю возникновения и развития систем передачи WDM, с которой кратко можно ознакомиться в работах [78, 103], отметим, что существенный прорыв в этой области произошел в 1996 -1998 гг. Он обусловлен, с одной стороны, переходом к интегральным оптическим технологиям, а с другой - миниатюризацией и повышением качества элементов традиционной дискретной оптики.

Различают три основных вида систем передачи WDM:

а) простые, у которых разнос оптических трактов составляет не менее 3,2 нм (разнос по частоте Δf = 400 ГГц), они позволяют образовать не более 8 оптических трактов в одном ООВ;

б) плотные (Dense) системы передачи WDM, или системы передачи DWDM, у которых разнос оптических трактов составляет не более 0,8 нм (разнос по частоте Δf = 100 ГГц); они позволяют образовать 40 или даже 80 оптических трактов в одном ООВ;

в) высокоплотные (High-Dense) системы передачи WDM, или системы передачи HWDM, которые имеют разнос оптических трактов 0,4 нм и менее (разнос по частоте Δf = 50 ГГц и менее); они позволяют образовать 160 и более оптических трактов в одном ООВ. В некоторых публикациях системы передачи HWDM называют сверхплотными, т. е. системами передачи сверхплотного волнового мультиплексирования UWDM (Ultra-Dense Wavelength Division Multiplexing).

Рассмотрим простейший вариант волнового мультиплексирования. Он представлен на рис. 3.48. Такая схема позволяет в одном ООВ со смещенной дисперсией в окрестности длины волны λ = 1,55 мкм образовать два достаточно широко разнесенных оптических тракта, сигналы которых отличаются по длине волны, например, на Δλ = 10 нм или по частоте на Δf = 1250 ГГц. В первом тракте оптический ЦЛС одной системы передачи SDH передается на длине волны λ₁ = 1545 нм, а во втором тракте оптический ЦЛС другой системы передачи SDH - на длине волны λ₂ = 1555 нм. В каждом из образованных оптических трактов ЦЛС могут иметь разные или одинаковые, например 10 Гбит/с, скорости передачи.

Рис. 3.48

Структурная схема рассмотренного варианта построения системы передачи WDM для одного направления приведена на рис. 3.49. Основными устройствами этой схемы являются:

оптический мультиплексор ОМ-2, или объединитель 2:1 с двумя входными и одним выходным оптическими портами;

оптический демультиплексор ODM-2, или волоконно-оптический разветвитель 1 х 2 с одним входным и двумя выходными оптическими портами;

полосовые оптические фильтры ПОФ, формирующие монохроматические оптические потоки на выходах ОПД и входах ОПМ.

Рассмотрим кратко работу приведенной на рис. 3.49 структурной схемы. При мультиплексировании оптических сигналов два потока электрических видеоимпульсов с выходов SLM двух систем передачи SDH поступают на входы ОПД этих систем. Поступающими сигналами оптические излучения лазеров ОПД модулируются по интенсивности. На выходе ОПД₁ формируется оптический ЦЛС первой системы передачи SDH на длине волны λ₁ = 1545 нм, а на выходе ОПД₂ - оптический ЦЛС второй системы передачи SDH на длине волны λ₂ = 1555 нм. Эти сигналы проходят полосовые оптические фильтры ПОФ₁ и ПОФ₂ соответственно, на выходах которых формируются монохроматизированные потоки. Оптический мультиплексор ОМ-2 объединяет их в результирующий линейный поток λ₁ + λ₂, поступающий в ООВ линейного кабеля.

Рис. 3.49

В тракте приема очередного пункта доступа поступивший поток λ₁ + λ₂ с помощью демультиплексора ODM-2 и фильтров ПОФ₃ и ПОФ₄ разделяется на два потока с длинами волн λ₁ = 1545 нм и λ₂ = 1555 нм. Фильтры также служат для ограничения уровня шумов на входах ОПМ. Потоки λ₁ и λ₂ в оптических приемниках ОПМ₁ и ОПМ₂ преобразуются в два потока видеоимпульсов, которые поступают в синхронные линейные демультиплексоры SLD-64 двух систем передачи SDH.

Таким образом, рассмотренный вариант использования метода оптического мультиплексирования позволяет увеличить пропускную способность проложенного ООВ по сравнению с использованием метода мультиплексирования с разделением по времени TDM (Time Division Multiplexing) в 2 раза, т. е. в данном случае технология WDM обеспечивает результирующую скорость передачи сигналов 20 Гбит/с по одному ООВ.

Принцип работы указанных на рис. 3.49 устройств основан на таких свойствах оптических сигналов как интерференция и дифракция. В основе устройств WDM могут быть оптические линзы, интерференционные оптические фильтры, дифракционные решетки, оптические призмы и др. При мультиплексировании до четырех оптических потоков целесообразно применять устройства WDM на основе интерференционных фильтров, а если потоков более четырех, как правило, используют устройства на основе дифракционных решеток. В обоих случаях применяются градиентные стержневые линзы, или граданы [18].

Из многообразия линз, используемых в ВОСП, наиболее эффективны линзы с малым фокусным расстоянием, однако у них велики искажения оптических сигналов. Поэтому вместо обычных линз применяются так называемые градиентные стержневые линзы, в которых фокусное расстояние уменьшается не за счет геометрии, а за счет использования для них материалов с плавно изменяющимся показателем преломления. В граданах вошедший в них оптический луч распространяется по криволинейной траектории. В зависимости от длины граданы могут быть много-, одно-, полу- и четвертышаговыми. На рис. 3.50, а показаны полушаговые, а на рис. 3.50, б - четвертышаговые граданы. В оптических мультиплексорах и демультиплексорах применяют четвертышаговые градиентные стержневые линзы. Как видно из рисунка, они позволяют превратить один расходящийся оптический луч в два параллельных, либо наоборот - сфокусировать два параллельных оптических луча в один (рис. 3.50, б).

Устройство мультиплексора ОМ-2 на граданах и интерференционном фильтре показано на рис. 3.51, где цифрами обозначены: 1 - интерференционный оптический фильтр; 2 - градиентные стержневые линзы; 3, 4 и 5 - ООВ. Интерференционный фильтр, помещенный между линзами (граданами), имеет большой коэффициент отражения для сигналов на одной длине волны и малое затухание (ослабление) для сигналов на другой длине волны. Если по ООВ 3 на один вход такого устройства будет поступать оптический сигнал на длине волны λ₁ а по ООВ 4 на второй вход подать оптический сигнал на длине волны λ₂, то на выходе объединителя 2:1 появится оптический сигнал на длине волны λ₁ + λ₂, который поступит на выход ООВ 5.

Рис. 3.50

Рис. 3.51

Изображенное на рис. 3.51 устройство можно использовать и как демультиплексор ODM-2. Для этого надо по ООВ 5 направить на вход разветвителя сигнал на длине волны λ₁ + λ₂, тогда на одном выходе разветвителя появится оптический сигнал на длине волны λ₁, который поступает на выход ООВ 3, а на втором - оптический сигнал на длине волны λ₂, который будет передан на выход ООВ 4.

С использованием рассматриваемых принципов и устройств можно построить систему передачи WDM, обеспечивающую образование в одном ООВ четырех оптических трактов, по которым будут передаваться сигналы на длинах волн λ₁, λ₂, λ₃, λ₄. Фрагмент структурной схемы такой системы передачи приведен на рис. 3.52, где под обозначением РЭС - RST подразумевается наличие всех устройств регенератора между его ОПМ и ОПД, как показано на рис. 3.39.

Особенностью данной системы передачи является необходимость установки в НРП оборудования четырех регенераторов. Система передачи WDM, схема которой приведена на рис. 3.52, при использовании на входе мультиплексорово SLM-64 обеспечивает суммарную скорость передачи сигналов 40 Гбит/с по одному ООВ.

Мультиплексоры и демультиплексоры, обрабатывающие более четырех оптических потоков, также могут строиться с использованием градиентных стержневых линз, но они содержат отражательную дифракционную решетку. В устройствах на основе дифракционных решеток используется зависимость угла дифракции оптического луча, проходящего через дифракционную решетку отражательного типа, от длины волны оптического излучения. Различные длины волн, пройдя стержневую линзу и отражаясь от дифракционной решетки, на противоположном от решетки торце стержневой линзы образуют оптические пятна. Если ООВ подключить к этому торцу линзы в местах образования оптических пятен, то можно добиться разделения оптического сигнала по длинам волн.

Рис. 3.52

Устройство демультиплексора с отражательной дифракционной решеткой на примере разветвителя 1x8 показано на рис. 3.53.

Рис. 3.53

Разделительные свойства демультиплексора определяются избирательностью дифракционной решетки по длинам волн поступившего оптического сигнала. Если по ООВ 9 через стержневую линзу 10 направить на решетку 11 принятый групповой оптический сигнал на длине волны λ₁ + λ₂ + ...+ λ₈, то дифрагированные отражательной решеткой под различным углом сигналы разных длин волн далее будут сфокусированы стержневой линзой и на ее противоположном от решетки торце появятся оптические пятна.

На подключенные к этим пятнам торцы одномодовых оптических волокон 1, 2,..., 8 поступят восемь принятых оптических сигналов с различными длинами волн. Отражательная дифракционная решетка 11 может быть приклеена к торцу стержневой линзы.

Дифракционная структура может быть построена также на решетке массива волноводов AWG (Array Waveguide Gratings), которая описана в работе [80]. Система передачи WDM, образующая 8 оптических трактов в одном ООВ, по которым передаются сигналы уровня STM-64, обеспечивает общую пропускную способность волокна 80 Гбит/с.

Технология производства рассмотренных устройств WDM на интерференционных фильтрах более проста и стоимость их ниже, чем аналогичных по назначению устройств на дифракционных решетках. Потери, вносимые устройствами WDM при вводе сигналов в ООВ, как правило, не превышают 4...5 дБ, а современные технологии позволяют уменьшить их до 2 дБ. Указанные потери приводят к укорачиванию длины RS, по сравнению с прямым соединением ОПД, и ООВ при использовании в мультиплексорах метода временного разделения каналов.

Кроме того, при расчетах следует учитывать неравенство затухания RS различных систем передачи SDH, работающих на разных длинах волн при использовании метода WDM, потому что затухание ООВ в используемом диапазоне длин волн, например, в окрестности λ = 1,55 мкм, не является постоянной величиной. Если отмеченное неравенство затуханий не скорректировано различием в величинах энергетических потенциалов используемых систем передачи SDH, то при проектировании линейного тракта за основу необходимо брать наименее благоприятную величину, т. е. наибольшее значение затухания RS на данном участке линейного тракта.

Выбор в середине 90-х гг. технологии WDM в качестве средства увеличения пропускной способности существующих и проложенных ООВ был продиктован двумя причинами [103].

Во-первых, в то время не было систем передачи TDM, т. е. систем передачи SDH и SONET, обеспечивающих пропускную способность 10 Гбит/с и выше, которые имели бы необходимые технические параметры и прошли надежное тестирование.

Во-вторых, разработчики считали, что в перспективе технология WDM способна обеспечить более высокую пропускную способность одного ООВ, чем технология TDM. И они не ошиблись.

Главное достоинство систем передачи WDM состоит в том, что они позволяют преодолеть ограничения на пропускную способность одномодового волокна и существенно увеличить скорость передачи сигналов по нему. Причем, используются уже проложенный оптический кабель и отработанное технологически стандартное оборудование временного мультиплексирования систем передачи SDH или SONET. Есть и другие достоинства технологии WDM.

Однако ее применение ограничивает ряд факторов как экономического, так и технического характера. К техническим проблемам относятся:

а) значительные потери мощности оптических сигналов в мультиплексорах (демультиплексорах) и фильтрах;

б) несовпадение рабочих длин волн ОПД систем передачи TDM и оптических трактов, образуемых системами передачи WDM;

в) усложнение управления транспортной сетью из-за различий в технологиях перемещения сигналов по сети;

г) нелинейные явления (преломления, вынужденное рассеяние, четырехволновое смешивание) при одновременной передаче сигналов по нескольким трактам приводят не только к их ослаблению и искажению, но и к проникновению в другие оптические тракты данного ООВ, что приводит к появлению вечного спутника многоканальных систем передачи - переходных помех между трактами.

Указанные и другие проблемы успешно преодолеваются. В настоящее время производятся и эксплуатируются системы передачи WDM, образующие 4, 8 и 16 трактов, к которым относятся системы передачи типа T31-BDS фирмы Pirelli, 4/8 ОСМ компании ADVA (Германия), SM9600 компании Еопух и многие другие. С параметрами промышленных образцов систем передачи WDM разных фирм-производителей можно ознакомиться в работе [78].

Технология плотного волнового мультиплексирования DWDM в настоящее время открывает качественно новые возможности для высокоскоростных оптических систем передачи. Сущность современной технологии DWDM состоит в одновременной передаче по одному ООВ нескольких десятков и более оптических потоков со скоростями передачи 2,5 (STM-16), 10 (STM-64) или 40 Гбит/с (STM-256) по «узким» (0,8 нм) спектральным полосам в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм. Следовательно, мультиплексорам DWDM (в отличие от обычных мультиплексоров WDM) присущи две характерные черты [80]:

малые расстояния (по длине волны) между соседними оптическими трактами (0,8 нм и менее);

использование только одной спектральной полосы пропускания в окрестности длины волны λ =1550 нм в пределах (округленно) 1530... 1560 нм, что совпадает с полосой усиления эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA (см. подразд. 3.6.4).

Самым важным параметром в технологии DWDM, бесспорно, является расстояние (разнос по длине волны) между соседними оптическими трактами. Хотя рассчитывать на полную совместимость систем передачи DWDM различных фирм-производителей пока не приходится, необходимо было стандартизировать номинальный ряд частот оптических трактов, т. е. сделать план частот линейного тракта для технологии DWDM единым, чтобы дать производителям ориентир на будущее, а также утвердить уже существующие системы передачи WDM и DWDM.

Эту задачу частично решил ITU-T, приняв Рекомендацию G.692, согласно которой расстояние по длине волны (по частоте) между соседними трактами в ООВ в среднем равно 0,8 нм (100 ГГц). Оно изменяется от 0,78 нм в нижней части диапазона длин волн, который начинается с длины волны 1528,77 нм (последующие длины волн имеют значения 1529,55; 1530,33; 1531,12 нм и т.д.), до 0,82 нм в верхней части используемого диапазона, который заканчивается длиной волны 1569,59 нм (предшествующие длины волн имеют значения 1568,77; 1567,95; 1567,13 нм и т. д.). Этому диапазону длин волн (1528,77... 1569,59 нм) соответствует полоса частот 196,1... 191,0 ТГц, т. е. 5,1 ТГц, в которой с интервалом 100 ГГц можно образовать 51 оптический тракт.

Мультиплексоры и демультиплексоры систем передачи DWDM, являясь пассивными устройствами, вносят большое затухание в передаваемые оптические сигналы. Суммарное затухание двух устройств (мультиплексора и демультиплексора) составляет 20...25 дБ, что приводит к необходимости использования усилителей.

Следовательно, для реализации технологии DWDM необходима одновременная передача по близким (по частоте) оптическим трактам сигналов высокой интенсивности при их периодическом усилении.

Использование в таком режиме стандартного ООВ с нулевой смещенной дисперсией (это ООВ с длиной волны, на которой результирующая дисперсия обращается в нуль, - длина волны нулевой дисперсии λ₀ - смещена в диапазон 1530... 1560 нм) резко ограничивает протяженность линейного тракта в силу паразитных нелинейно-оптических эффектов четырехволнового смешивания [105].

Четырехволновое смешивание - это нелинейное явление, которое приводит к взаимодействию двух передаваемых (попутных) волн с частотами f₁ и f₂ (f₁ < f₂). В результате возникают еще две нежелательные волны с частотами 2f₁ - f₂ и 2f₂ - f₁ распространяющиеся в том же направлении. Новые волны могут приводить к деградации распространяемого оптического сигнала, интерферируя с ним, или усиливаться за счет исходных сигналов, т. е. перекачивать мощность из используемого оптического тракта. Именно из-за эффекта четырехволнового смешивания стало ясно, что необходимо разработать новый тип ООВ, в котором длина волны λ₀ располагалась бы вне (левее или правее) полосы частот, предоставляемой для образования оптических трактов.

Несколько лет назад такие типы ООВ были предложены на рынке. Сегодня для построения линейных трактов систем передачи DWDM широко используются волокна типа TrueWave XL, TrueWave RS, AllWave компании Lucent и волокна типа SMF-28, LEAF, MetroCor компании Corning [1, 96]. Эти волокна имеют ненулевую хроматическую дисперсию в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм. Характеристики коэффициентов удельной дисперсии некоторых волокон приведены на рис. 3.54.

Волокно типа TrueWave обеспечивает положительную дисперсию, имея длину волны нулевой дисперсии левее диапазона длин волн 1530... 1560 нм в районе 1523 нм, а волокно типа SMF-28 - отрицательную дисперсию при длине волны нулевой дисперсии, находящейся чуть правее длины волны 1560 нм. На этом же рисунке показана (пунктиром) характеристика коэффициента удельной дисперсии стандартного ООВ с нулевой смещенной дисперсией, у которого длина волны нулевой дисперсии имеет значение 1540 нм, т. е. находится в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм. Сравнительный анализ основных параметров этих волокон приведен в работах [1, 80, 96].

Рис. 3.54

С использованием волокна типа TrueWave в лаборатории Bell Labs компании Lucent разработана оптическая линейная система OLS (Optical Line System) типа WaveStar OLS 400G высокой пропускной способности, основанная на технологии DWDM. Эта система передачи позволяет образовать в одном волокне 40 оптических трактов с возможностью передачи в каждом из них сигналов STM-64 (10 Гбит/с), т. е. максимальная пропускная способность такой линейной системы составляет 400 Гбит/с.

Это обеспечивает существенную экономию оптического волокна, оптических усилителей, фильтров и другого оборудования. Указанная система передачи позволяет построить линейный тракт протяженностью до 640 км с промежуточными усилителями без регенераторов. Максимальное расстояние между соседними оптическими усилителями в структуре СЛТ составляет 120 км. В промежуточном пункте один эрбиевый усилитель обеспечивает усиление сигналов всех оптических трактов, образованных в диапазоне длин волн 1530... 1560 нм данного волокна. При необходимости дальность связи свыше 640 км увеличивается путем развертывания промежуточных регенераторов. В этом случае регенератор включается в каждый оптический тракт, образованный данной системой передачи DWDM, как это показано на рис. 3.52. Структурная схема одного направления передачи линейной системы типа WaveStar OLS 400G с использованием линейных волоконно-оптических усилителей ВОУ и одного промежуточного пункта регенерации приведена на рис. 3.55, где Reg обозначены все устройства регенератора, как показано на рис. 3.52: УСМ- усилитель мощности (бустер); ЛУС - линейный усилитель; ПРУС - предусилитель. Система передачи типа Wave Star OLS 400G была представлена компанией Lucent на мировом рынке в 1998 г. [105].

Технология UWDM путем уменьшения интервала между соседними оптическими трактами в одном волокне до 0,4 нм (50 ГГц) позволяет увеличить количество оптических трактов вдвое, т. е. довести их до 102 в диапазоне длин волн 1528,77... 1569,59 нм. Однако у этой технологии есть и недостатки.

Во-первых, с уменьшением интервала между соседними трактами возрастает влияние эффекта четырехволнового смешивания, что ограничивает максимальную длину участка регенерации (участок между соседними регенераторами, на котором используются только оптические усилители).

Во-вторых, малое расстояние (по частоте) между соседними трактами ограничивает возможность мультиплексирования сигналов STM-64 (10Гбит/с), как показано на рис. 3.56. Видно, что мультиплексирование таких сигналов в тракты с интервалом (по частоте) 50 ГГц приводит к перекрытию спектров импульсов соседних трактов и, как следствие, к образованию переходных помех между трактами. Только при меньшей скорости передачи мультиплексируемых сигналов (STM-16 и ниже) уровень переходных помех снижается.

Рис. 3.55

Рис. 3.56

В-третьих, при интервале 50 ГГц требования к перестраиваемым лазерам, мультиплексорам, оптическим фильтрам и другим компонентам систем передачи UWDM становятся более жесткими, что уменьшает количество потенциальных производителей оборудования и ведет к увеличению его стоимости.

Несмотря на указанные проблемы и то, что план частот линейного тракта с интервалом 50 ГГц продолжает дебатироваться, «новые» фирмы-производители Cambrian, Ciena, Osicom и другие в конце 90-х гг. представили удачные разработки систем передачи UWDM [78].

И сегодня в индустрии телекоммуникаций технология UWDM стремительно развивается. Радикальным решением проблемы увеличения пропускной способности ВОСП с волновым мультиплексированием является разработка в лаборатории Bell Labs компании Lucent «всеволнового» волокна типа AllWave, имеющего рабочий диапазон длин волн от 1280 до 1680 нм, т. е. 400 нм (50 ТГц). В этом волокне с интервалом 100 ГГц может разместиться 500 оптических трактов, а с интервалом 50 ГГц -1000 трактов. Если в каждом оптическом тракте с интервалом 50 ГГц в перспективе будут передаваться сигналы уровня STM-256 (40 Гбит/с), то суммарная пропускная способность одного «всеволнового» волокна составит 40 Тбит/с. Таковы сегодня возможности сверхскоростной передачи сигналов по оптическим волокнам.

Впервые волокно типа AllWave компания Lucent анонсировала летом 1998 г. При создании волокна его полосу пропускания удалось расширить в основном благодаря тому, что из материала волокна были удалены ионы ОН^- (гидроксил), создававшие так называемый «водяной» пик коэффициента затухания в окрестности длины волны 1385 нм (см. рис. 3.6).

В результате было получено волокно, зависимости коэффициентов затухания (кривая 1) и удельной дисперсии (кривая 2) которого от длины волны показаны на рис. 3.57 [105].

Рис. 3.57

Располагая диапазоном длин волн 400 нм для образования разноскоростных оптических трактов, можно сделать доступным целый ряд новых функций при эксплуатации транспортной сети, например, группировать различные виды услуг (мультимедиа, Internet, речевые сигналы поверх IP, видео по заказу) и предоставлять для таких групп наиболее подходящие диапазоны длин волн. Сами системы поддержки можно специализировать на различных группах услуг так, как будто каждая такая группа использует отдельное волокно. В то же время тот факт, что на самом деле для множества услуг используется единственное волокно, естественным образом обеспечивает огромный экономический выигрыш.

Так как затухание и дисперсия в волокне типа AllWave имеют ту же природу, что и в типовом ООВ, можно использовать уже существующее оборудование волоконно-оптических систем передачи SDH, WDM, DWDM и т. д. без каких-либо переделок. Оборудование, которое производится сегодня и будет производиться для типового ООВ, также пригодно для работы по волокну типа AllWave.

В настоящее время десятки компаний производят и предлагают на мировом рынке самое разнообразное оборудование обычного, плотного и сверхплотного волнового мультиплексирования. Некоторые параметры этого оборудования и перспективы его применения приведены в работах [68, 84, 101, 107].

Таким образом, современные ВОСП вполне способны удовлетворить потребности операторов связи по обеспечению необходимой пропускной способности. Перейдем к вопросу об увеличении дальности связи.

3.6.2. Использование полупроводниковых оптических усилителей в синхронных линейных трактах

При разработке перспективных СЛТ в аппаратуре оконечных и промежуточных пунктов этих трактов используются полупроводниковые оптические, или лазерные, усилители (ПОУ) [2, 27, 52, 80, 81]. Они существенно расширяют функциональные возможности указанной аппаратуры, принципиально или значительно улучшают основные параметры СЛТ в целом. Применение оптических усилителей в структуре СЛТ обеспечивает:

увеличение более чем в 2 раза длины RS путем повышения энергетического потенциала оптической секции;

реализацию структурно-прозрачного СЛТ для передаваемых оптических сигналов путем исключения регенераторов в его структуре;

снижение коэффициента ошибок в СЛТ за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотодетектора ОПМ;

исключение НРП благодаря возможности построения на цифровых соединительных линиях местных (городских и сельских) транспортных сетей однопролетных линий, а на магистральных и зоновых транспортных сетях - однопролетных секций между двумя соседними ОРП или пунктами доступа, что отвечает современной концепции развития СЛТ;

получение более высоких, близких к теоретическому пределу (при данных компонентах) значений чувствительности ОПМ при гетеродинном методе приема оптических сигналов (см. подразд. 3.6.3);

высокоэффективное распределение принятого линейного сигнала в пунктах ответвления трассы;

дополнительные преимущества - повышение надежности, уменьшение энергопотребления, улучшение массогабаритных параметров, инвариантность к скорости передачи и др.

Элементной базой для создания ПОУ служит полупроводниковый кристалл на основе четверного соединения InGaAsP. В активную область этого полупроводника усиливаемый оптический сигнал вводится с помощью ООВ. Вывод усиленного сигнала с выхода ПОУ также осуществляется с использованием ООВ. Для уменьшения потерь мощности оптического сигнала при его вводе и выводе на торцах указанных волокон методом их оплавления и контролируемого закругления изготавливаются микролинзы, которые коллимируют расходящееся оптическое излучение, или для ввода и вывода оптических сигналов используются анизотропные оптические волокна (см. подразд. 3.3.4). Инверсная населенность активной области полупроводника создается и поддерживается путем приложения к ней постоянного напряжения положительного смещения, т. е. путем накачки активной области полупроводника постоянным током.

Возможны несколько вариантов построения схемы линейного тракта с использованием ПОУ, когда они включаются в различных местах СЛТ.

Включение ПОУ в начале СЛТ, т. е. на выходе оптического передатчика. Здесь ПОУ является усилителем мощности (бустером), который используется в качестве буферного каскада. Это позволяет согласовать длину волны инжекционного лазера ОПД с длиной волны ООВ, на которой оно имеет наименьшее значение затухания и нулевую или минимальную дисперсию. Кроме того, с помощью ПОУ уровень передаваемого оптического сигнала на входе СЛТ увеличивается. Коэффициент усиления К_у ПОУ выбирается таким образом, чтобы вводимая в одномодовое волокно мощность оптического ЦЛС не превышала 50 мВт. Практически реализуемый коэффициент усиления при этом находится в пределах 15...20 дБ.

Включение ПОУ в конце СЛТ, т. е. на входе оптического приемника в качестве предусилителя принимаемого ЦЛС показано на рис. 3.58.

Такое использование ПОУ позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе фотодетектора ОПМ и тем самым снизить коэффициент ошибок К_ош в СЛТ. Экспериментальные данные показывают, что при прочих одинаковых параметрах СЛТ коэффициент ошибок в нем без ПОУ составляет 10^-3, а при включении ПОУ-предусилителя на входе ОПМ он уменьшается до 10^-9 и ниже [27].

Рис. 3.58

Представленная на рис. 3.58 схема обеспечивает работу ОПМ в квантово-ограниченном режиме, при котором собственный тепловой шум приемника не влияет на коэффициент ошибок. Основным параметром ПОУ можно считать его собственный коэффициент шума К_ш, который определяется экспериментально путем измерений и может быть вычислен по формуле:

где С/Ш - отношение сигнал/шум; n_инв - коэффициент инверсной населенности активной области полупроводника; К_у - коэффициент усиления ПОУ, при котором выполняется условие К_у >> 1.

Выражение, связывающее принимаемую оптическую мощность Р_пр с коэффициентом шума К_ш ПОУ, полосой частот оптического сигнала Δf_опт, подводимого к фотодетектору после полосового оптического фильтра (ПОФ), полосой частот электронной части тракта ОПМ Δf_эл и величиной отношения сигнал/шум Q_вых = (U_с/U_ш)_вых на выходе ОПМ, имеет вид [81]:

где h - постоянная Планка; f_опт - средняя частота принимаемого оптического ЦЛС.

Практически важно то, что при обычно выполняющемся условии К_у >> 1, К_ш ≈ 2n_инв и не зависит от коэффициента усиления ПОУ, а следовательно, минимальная мощность Р_пр, необходимая для обеспечения заданного значения Q_вых, определяется только коэффициентом шума К_ш ПОУ и степенью фильтрации сигнала на выходе ПОУ. Анализ зависимости Р_пр = φ(Δf_опт) проведен в работе [81], по результатам которого сделан вывод, что применение ПОУ-предусилителя без ПОФ практически нецелесообразно, потому что собственное усиленное спонтанное излучение «забивает» входной оптический ЦЛС. При узкополосном ПОФ срезание спонтанных шумов может дать выигрыш до 8,5 дБ, однако должно поддерживаться строгое совмещение средней частоты принимаемого оптического ЦЛС f_опт с серединой полосы пропускания ПОФ.

При выборе ПОУ для предусилителя ОПМ необходимо, чтобы собственный К_ш ПОУ имел минимальное значение. Значение К_у должно быть достаточным только для поддержания квантово-ограниченного режима, что при разумных значениях Δf_опт практически всегда выполняется. В результате, оптимальный подбор параметров ПОУ позволяет увеличить чувствительность ОПМ на 10... 15 дБ.

3. Включение ПОУ в начале и в конце СЛТ, т. е. на выходе ОПД и на входе ОПМ, позволяет в совокупности повысить энергетический потенциал оптической секции на 25...35 дБ. Это эквивалентно увеличению протяженности RS при работе на длине волны 1,55 мкм более чем в 2 раза.

Результаты расчета показывают, что если придерживаться критерия максимальной протяженности RS между соседними промежуточными пунктами СЛТ с устройствами электропитания, то рассматриваемый вариант использования ПОУ наиболее выгоден.

Действительно, использование в СЛТ в качестве источника оптического изучения в ОПД инжекционного лазера, работающего на длине волны 1,55 мкм, ООВ с коэффициентом затухания менее 0,2 дБ/км и со смещенной дисперсией на указанной длине волны, лавинного фотодиода в качестве фотодетектора в ОПМ позволяет без ПОУ получить RS протяженностью до 120 км [3]. Если применение оптических усилителей в составе приемопередающих устройств СЛТ при работе на длине волны 1,55 мкм дает возможность увеличить длину RS более чем в 2 раза, то тогда её протяженность составит около 240...250 км. Это значит, что на секции СЛТ между двумя соседними ОРП можно исключить регенераторы НРП и, следовательно, снять проблему их электропитания.

4. Включение ПОУ в середине СЛТ, т. е. вместо регенераторов НРП, показано на рис. 3.59.

Рис. 3.59

При проведении анализа предполагалось, что:

коэффициент усиления ПОУ К_у >> 1, при котором дробовой шум линейного сигнала не играет существенной роли в процессе изменения отношения сигнал/шум во время передачи сигнала по СЛТ;

усилительные оптические секции равны между собой, т. е. l1 = l2 = ...= lN и их затухания одинаковы, т. е. А_l₁ = А_l₂ = ... = А_lN;

все ПОУ имеют такие одинаковые коэффициенты усиления К_у, что они точно компенсируют затухания предшествующих OS.

При этих условиях и в силу аддитивного закона сложения шумовых составляющих предельное число усилительных оптических секций N определяется формулой [81]:

Результаты расчета зависимости параметров синхронных линейных трактов N и L_max = = 1 х N от коэффициента усиления К_у ПОУ для Р_пр = - 20 дБ и двух длин волн λ₁ = 1,31 мкм (прямая линия) и λ₂ = 1,55 мкм (пунктирная линия) приведены на рис. 3.60. Другие параметры ПОУ обоих типов идентичны (в скобках указан диапазон усиливаемого оптического сигнала в нанометрах).

Анализ представленных на рис. 3.60 результатов позволяет сделать следующие выводы:

предельное число усилительных секций N практически не зависит от коэффициента усиления К_у, если К_у > 10 дБ, и может быть увеличено от нескольких единиц до нескольких десятков только при значительном ограничении полосы оптического ЦЛС;

для СЛТ большой протяженности (L_max > 200 км) использовать ПОУ на длине волны 1,3 мкм вряд ли целесообразно, поскольку малоэффективно;

практически достигнутые в ПОУ значения коэффициента усиления К_у ≈ 10... 15 дБ можно считать достаточными для использования ПОУ в качестве усилителей СЛТ, так как дальнейшее повышение К_у дает несущественный выигрыш.

В работе [2] предложена методика оптимизации коэффициента усиления ПОУ по критерию минимальной стоимости СЛТ. Применение ПОУ в качестве линейных усилителей оптических ЦЛС в перспективных СЛТ вместо регенераторов может быть весьма эффективным, поскольку при этом исключаются промежуточные преобразования оптического сигнала, регенерация электрического сигнала и его обратное преобразование в оптический ЦЛС.

Рис. 3.60

Таким образом, учитывая, что развитие цифровых волоконно-оптических технологий идет по пути создания оптических транспортных систем передачи и сетей, в которых все операции обработки сигналов будут выполняться на уровне «фотон - фотон», создание полностью оптического СЛТ является первым шагом на этом пути.

3.6.3. Когерентные волоконно-оптические синхронные линейные тракты

В большинстве используемых в настоящее время волоконно-оптических СЛТ применяются модуляция излучения лазера по интенсивности, ООВ с коэффициентом затухания 0,18...0,22 дБ/км и нулевой (на длине волны 1,3 мкм) или минимальной (на длине волны 1,55 мкм) дисперсией, прямое детектирование мощности принимаемого излучения с помощью ЛФД или PIN-ФД. Однако свойство когерентности лазерного излучения и огромная информационная способность ООВ в указанных СЛТ используются крайне неэффективно. В то же время еще в 70-е годы было установлено, что:

1) полупроводниковый инжекционный лазер способен генерировать излучение, которое дает четкую и устойчивую интерференционную картину;

2) одномодовое оптическое волокно может сохранять стабильным поляризационное состояние излучения при большой его протяженности.

Эти особенности неоспоримо доказывали возможность передачи когерентных оптических сигналов по ОВ, используя компактные и простые в накачке полупроводниковые лазеры.

Далее были созданы ООВ с коэффициентом затухания менее 0,2 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, а также одномодовые однополяризационные ОВ (сохраняющие стабильным состояние поляризации излучения). Параллельно развивалась технология одночастотных одномодовых инжекционных лазеров, методов сужения их спектральных линий и стабилизации частоты генерации, а также методов амплитудной, частотной и фазовой модуляции излучения лазеров. Экспериментально отрабатывались гетеродинный и гомодинный методы приема (детектирования) с различными схемами демодуляции по промежуточной частоте (синхронная и несинхронная демодуляции, фазоразностная демодуляция, двухканальный прием и др.). В итоге это привело к созданию в конце 80-х - начале 90-х гг. различных экспериментальных когерентных волоконно-оптических (плезиохронных и синхронных) линейных трактов, обеспечивающих скорости передачи от 140 Мбит/с до 2 Гбит/с и протяженность ЦЛТ в пределах от 300 до 1000 км. Некоторые из них подробно описаны в монографии [104]. В недалеком будущем они могут составить достойную конкуренцию доминирующим сейчас обычным волоконно-оптическим СЛТ с модуляцией по интенсивности и прямым энергетическим детектированием.

В оптическом передатчике когерентных СЛТ цифровая модуляция (амплитудная, частотная или фазовая модуляции (AM, ЧМ или ФМ соответственно)) может осуществляться с помощью внешнего электрооптического модулятора, на один вход которого поступает передаваемый цифровой поток в коде NRZ, а на второй - оптическое излучение с выхода лазера. На выходе модулятора образуется оптический сигнал, модулированный по амплитуде, частоте или фазе. Он и является оптическим ЦЛС, который вводится в ООВ.

В оптическом гетеродинном приемнике поступающий ЦЛС смешивается с излучением местного гетеродина и подается на фото детектор. На выходе последнего выделяется электрический сигнал промежуточной частоты (ГТЧ), амплитуда, частота и фаза которого пропорциональны соответствующим параметрам излучения ОПД. Далее сигнал ГТЧ демодулируется обычным радиотехническим устройством в соответствующем дискриминаторе. На его выходе образуется принятый цифровой поток в коде NRZ.

На практике при разработке и реализации когерентных СЛТ стремятся получить и использовать простые схемы построения трактов ОПД и ОПМ. Поэтому уже разработаны и в экспериментальных когерентных СЛТ используются метод внутренней (прямой) модуляции за счет непосредственного изменения тока накачки лазера и метод гетеродинного детектирования с использованием одного фильтра.

Рассмотрим принцип работы когерентного СЛТ на примере использования ЧМ. Структурная схема оконечных устройств такого оптического тракта изображена на рис. 3.61. При этом в качестве промежуточных устройств в СЛТ используются оптические усилители. Оптические компоненты схемы имеют следующие особенности, характерные для устройств, применяемых в когерентных СЛТ:

Рис. 3.61

1. В оптическом передатчике используется прямая частотная модуляция ИЛ, который должен генерировать излучение с максимально узкой спектральной линией и стабильной частотой, чтобы эффективность гетеродинирования в ОПМ была наилучшей. Однако полупроводниковые ИЛ с волновым усилением в одномодовом режиме генерации имеют типичную ширину спектральной линии порядка 200...300 МГц и недостаточную частотную стабильность. Кроме того, ЧМ-сигнал на выходе таких лазеров искажен из-за неравномерности модуляционной характеристики излучателя, что приводит к большим потерям мощности модулирующего сигнала. По указанным причинам одномодовые лазеры с волноводным усилением в когерентных СЛТ не применяются, а используются два типа ИЛ: с зарощенной полосковой гетероструктурой (с волноводным каналом) или с волноводным каналом и внешним резонатором (см. подразд. 3.3.2).

Лазеры с зарощенной полосковой гетероструктурой на основе четверного соединения InGaAsP на подложке из InP, работающие на длине волны 1,55 мкм, имеют достаточную частотную стабильность, ширину спектральной линии порядка 10...30 МГц и равномерную ЧМ-характеристику до 800... 1000 МГц. Последнее обстоятельство позволяет осуществлять частотную модуляцию излучения лазеров без искажений передаваемого сигнала. Такие ИЛ используются в СЛТ, которые работают со скоростями передачи 155,52 и 622,08 Мбит/с.

В высокоскоростных когерентных СЛТ с ФМ, обеспечивающих скорость передачи 2,5 Гбит/с и более, применяются лазеры с волновым каналом и внешним резонатором. Они генерируют оптическое излучение с шириной спектральной линии 40 кГц и менее.

2. ЧМ-сигнал с выхода ИЛ подается в торец ООВ линейного кабеля или на вход оптического усилителя мощности, если он включается на выходе ОПД, через оптический изолятор (ОИ). Он предназначен для ослабления влияния обратного отраженного излучения на работу лазера. Проникновение указанного излучения в лазер приводит к дестабилизации его работы: происходит перескок с одной лазерной моды на другую, изменяются амплитуда и частота генерируемого излучения, увеличивается ширина спектральной линии излучения лазера. Принцип действия изолятора основан на фарадеевском вращении плоскости поляризации. Современные материалы позволяют изготовить фарадеевские изоляторы, которые вносят затухание в обратном направлении 30...40 дБ на длине волны 1,55 мкм. Это обеспечивает необходимую степень развязки между указанными здесь и другими оптическими компонентами СЛТ.

3. Эффективность гетеродинного приема в значительной мере зависит от степени совпадения плоскости поляризации принимаемого оптического сигнала с плоскостью поляризации излучения гетеродина. Достаточно сказать, что при сдвиге векторов поляризации этих сигналов на угол π/2 гетеродинный прием вообще невозможен.

Одним из путей обеспечения устойчивой поляризации принимаемого оптического ЦЛС при больших длинах СЛТ является использование в OS в качестве передающей среды одномодовых однополяризационных ОВ, сохраняющих одно состояние поляризации передаваемого оптического излучения. Однако технология производства указанных ОВ сложная, поэтому стоят они намного дороже, чем обычное одномодовое волокно. При большой протяженности СЛТ его стоимость может быть значительной.

Второй путь состоит в том, что вместо однополяризационного волокна на практике часто используют обычное ООВ. Однако в этом случае на приемной стороне необходимо устанавливать поляризационный корректор. Он предназначен для контроля состояния поляризации и совмещения плоскости поляризации излучения местного гетеродина с плоскостью поляризации принимаемого оптического ЦЛС (поляризации обоих излучений должны совпадать).

Простым устройством контроля поляризации является волоконный витковый элемент (ВВЭ), который представляет собой вращаемую волоконную катушку. Он позволяет вносить требуемый фазовый сдвиг и управлять состоянием поляризации сигнала в волокне. Поляризационный корректор обычно включается на входе ОПМ или на выходе гетеродина. Вместо установки поляризационного корректора (компенсатора) возможно применение двухканального метода приема с поляризационным разнесением.

4. Когерентный прием оптических сигналов, в частности гетеродинный, позволяет перенести спектр информационного сигнала в область промежуточных (вплоть до СВЧ-диапазона) частот. Это облегчает выделение и обработку сигналов, а также перестройку в широкой полосе частот, занимаемой сигналами оптических трактов систем передачи WDM и DWDM.

При гетеродинном приеме поступающий оптический ЦЛС с помощью одномодового волоконно-оптического соединителя смешивается с излучением местного гетеродина. В таком (одномодовом) соединителе оптическое излучение принятого ЦЛС возбуждает одну продольную моду. Эту же моду в этом же соединителе возбуждает оптическое излучение гетеродина. На расстоянии 10...20 длин волн эти моды становятся стационарными. Суммарный сигнал принятого оптического ЦЛС и гетеродина детектируется в ЛФД так, как если бы на вход приемника поступило одно оптическое излучение. Однако использование при этом мощного дополнительного излучения гетеродина позволяет улучшить выделение и прием слабых оптических ЦЛС в условиях воздействия различных (квантовых, тепловых) шумов приемника.

5. Оптический гетеродин приемника, как и лазер ОПД, должен генерировать излучение с узкой спектральной линией. Поэтому обычно в качестве местного гетеродина ОПМ в СЛТ со скоростью передачи до 622,08 Мбит/с включительно используются лазеры с зарощенной полосковой гетероструктурой, а в более высокоскоростных когерентных СЛТ применяется ИЛ с волноводным каналом и перестраиваемым внешним резонатором. Регулировка длины резонатора позволяет перестраивать частоту местного гетеродина до нескольких сотен мегагерц. Однако эта перестройка сопровождается изменением выходной мощности гетеродина, которая увеличивается, когда лазер перестраивается в направлении длинных волн. Такой гетеродин, несмотря на отмеченный недостаток, обеспечивает частотную селекцию, что очень важно для широкополосных распределенных телекомуникационных сетей, где предполагается использование когерентных линейных трактов в системах передачи с плотным и сверхплотным волновым мультиплексированием.

Вернемся к приведенной на рис. 3.61 схеме когерентного линейного тракта с ЧМ и кратко рассмотрим его работу, указывая основные параметры, которые могут быть получены при реализации разноскоростных линейных трактов с использованием данной схемы.

Оптический когерентный передатчик с прямой ЧМ исключает применение внешнего модулятора и характеризуется отсутствием вносимых им потерь, т. е. высоким уровнем мощности источника излучения. Оптическая когерентная система передачи с прямой ЧМ излучения лазерного диода в сочетании с гетеродинным приемом может обеспечить большую длину участка регенерации, что представляет интерес для транспортных сетей связи.

В качестве источника излучения ОПД используется ИЛ с зарощенной полосковой гетероструктурой и фазовой настройкой. Такой лазер имеет стабильную выходную мощность (поскольку в нем отсутствует внешний резонатор) и (как указывалось выше) равномерную модуляционную характеристику.

Модулирующая цифровая последовательность U_вх в коде NRZ с заданной скоростью передачи поступает на вход лазера через усилитель, или формирователь модулирующих импульсов тока ФМИТ (см. также рис. 3.22). Передатчики характеризуются разными значениями параметров, основные из которых для различных скоростей передачи модулирующего сигнала приведены в табл. 3.10.

Таблица 3.10

Параметры ИЛ	Скорость передачи, Мбит/с
Параметры ИЛ	155,52	622,08	2448,32
Длина волны излучения, мкм	1,53	1,546	1,497
Уровень выходной мощности ИЛ, дБ	11,7	10,6	7
Уровень введенной в ОВ мощности, дБ	7,1	5,5	-4,5
Ширина спектральной линии, МГц	17	10	8
Девиация частоты, МГц	±1000	±500	±325
Затухание обратного излучения, дБ	40	40	60

Выход излучателя ОПД соединяется с ООВ через один или два оптических изолятора с суммарным затуханием обратного излучения в пределах 40...60 дБ. Для повышения энергетического потенциала СЛТ на выходе ОПД может включаться усилитель мощности.

В оптических секциях СЛТ используется обычное (не однополяризационное) ОВ с коэффициентом затухания в пределах 0,196...0,218 дБ/км на указанных в табл. 3.10 длинах волн.

Поступивший в приемник оптический ЦЛС Р_пр в одномодовом объединителе О 2:1 смешивается с излучением местного гетеродина. Затухание поступившего ЦЛС в соединителе не превышает 1 дБ. Совмещение плоскости поляризации излучения гетеродина с поляризацией поступившего ЦЛС осуществляется вручную с помощью поляризационного компенсатора, в качестве которого используется включенный на входе приемника ВВЭ. Для детектирования суммарного сигнала в качестве фотодетектора используется ЛФД. С выхода ЛФД сигнал поступает на высокоимпедансную схему усиления с выравниванием полосы частот усиленного сигнала в пределах нескольких гигагерц. Например, для сигнала со скоростью передачи 622,08 Мбит/с АЧХ усилителя должна быть постоянной в пределах 2,5 ГГц.

Сигнал промежуточной частоты выделяется с помощью устройств промежуточной частоты УПЧ обычным образом по системе «предварительный усилитель ПЧ резонансного типа - фильтр ПЧ - основной усилитель ПЧ». Центральное значение ПЧ через частотный дискриминатор ЧД и управляющий элемент стабилизируется с помощью системы частотной автоподстройки ЧАП, при которой часть сигнала ПЧ по цепи обратной связи используется для регулировки инжекционного тока лазера местного гетеродина. Сигнал ПЧ демодулируется детектором огибающей ДО. Шумы демодулированного сигнала ослабляются с помощью фильтра нижних частот ФНЧ. Например, для сигнала со скоростью передачи 155,52 Мбит/с используется ФНЧ чебышевского типа 5-го порядка с граничной частотой пропускания 92 МГц [104]. На выходе решающего устройства РУ получаем цифровую последовательность принятого сигнала в коде NRZ.

В качестве местного гетеродина используются ИЛ с зарощенной полосковой гетероструктурой или ИЛ с внешним резонатором (последний применяется в ОПМ при обработке сигналов со скоростью передачи 2,5 Гбит/с и более). Для уменьшения влияния на стабильность работы гетеродина обратного излучения в схеме применяется оптический изолятор с затуханием отражения не менее 30 дБ (в схеме с применением в качестве гетеродина ИЛ с ВР такой изолятор не требуется).

Основные параметры OS и приемной части СЛТ для различных скоростей передачи сигналов приведены в табл. 3.11.

Таблица 3.11

Параметры	Скорость передачи, Мбит/с
Параметры	155,52	622,08	2488,32
Протяженность OS, км	243	270	100
Затухание OS, дБ	55	53	29
Энергетический потенциал, дБ	59	54,5	32,5
Коэффициент ошибок	10^-9	10^-9	10^-9
Максимальная чувствительность ОПМ, дБ	-51,9	-49	-37
Уровень выходной мощности гетеродина, дБ	-2,7	8,0	7,0
Уровень введенной в объединитель 2:1 мощности гетеродина, дБ	-8,3	-6,5	-3,0
Ширина спектральной линии гетеродина, МГц	13	10	0,04
Среднее значение ПЧ, МГц	600	1000	2100
Полоса пропускания фильтра ПЧ, МГц	300	500	1800
Полоса пропускания ФНЧ, МГц	92	428	-

Теоретический анализ показывает, что предельная чувствительность приемника ЧМ-сигналов ограничивается только квантовыми шумами и, например, при скорости передачи 622 Мбит/с она составляет минус 53,9 дБ. Практическое значение максимальной чувствительности равно минус 49 дБ (см. табл. 3.11). Таким образом, проигрыш относительно теоретического предела чувствительности составляет всего 4,9 дБ. Эту величину уровня шумов распределяют следующим образом: шумы за счет флуктуации интенсивности излучения гетеродина 0,9 дБ, шумы электронных цепей тракта приема 2,3 дБ и шумы за счет неидеальности фильтров и дискриминатора 1,7 дБ.

Для повышения чувствительности приемника и, следовательно, увеличения дальности передачи оптических ЦЛС, была разработана гетеродинная ЧМ-система передачи с двумя фильтрами в приемнике. Оптический передатчик такой схемы ничем не отличается от передатчика, приведенного на рис. 3.61, а в тракте приема используется балансный фотоприемник (БФП) с двумя фильтрами в демодуляционной части схемы. Структурная схема приемника изображена на рис. 3.62. Он позволяет существенно подавить шумы из-за флуктуации интенсивности излучения гетеродина и более эффективно использовать мощности принимаемого ЦЛС и гетеродина.

Рис. 3.62

Не останавливаясь на особенностях работы приведенной схемы и параметрах балансного приемника (два таких приемника оптических сигналов с ЧМ и ФМ и их параметры подробно описаны в работе [104]), отметим, что рассматриваемый приемник при скорости передачи 155,52 Мбит/с и К_ош < 10^-9 имеет достаточно высокую чувствительность (минус 54,2 дБ). Это на 10,2 дБ больше по сравнению с приемником прямого детектирования, но всего лишь на 2,3 дБ больше по сравнению с гетеродинным детектированием с одним фильтром (см. табл. 3.11). В высокоскоростных когерентных СЛТ наблюдается высокий уровень тепловых шумов. Кроме того, в них трудно обеспечить достаточный уровень мощности излучения гетеродина, поэтому такая балансная схема ОПМ для оптимизации его чувствительности мало пригодна.

В работе [81] предложена схема БФП, в котором местный гетеродин отсутствует как элемент гетеродинного приемника. Некоторое усложнение схемы ОПМ путем использования дополнительных усилителей ПОУ и других устройств позволяет получить более высокие, близкие к теоретическому пределу (при данных компонентах) значения чувствительности приемника. Предлагаемая в указанной работе схема приведена на рис. 3.63. Основными ее устройствами являются блок оптического усиления БОУ и БФП, в котором два стандартных приемных оптических модуля ПPOM₁ и ПPOM₂ включены по балансной схеме. Рассмотрим кратко принцип работы предложенного ОПМ и оценим его возможности.

Принимаемый оптический ЦЛС Р_пр поступает на вход волоконно-оптического разветвителя Р 1 х 2, в котором разветвляется на две совершенно идентичные составные части Р_с. Первая часть этого сигнала Р_с с выхода 1 разветвителя через оптическую линию задержки ОЛЗ и переменный фазовращатель ФВ подается на вход 1 звездообразного соединителя С 2 х 2. Вторая часть ЦЛС Р_с с выхода 2 разветвителя Р 1 х 2 подается на вход блока БОУ. Выходной сигнал блока БОУ Р_гет используется в этой схеме в качестве гетеродинирующего излучения для первой, неусиленной части принятого сигнала. Усиление блока БОУ должно быть таким, чтобы мощность сигнала Р_гет на входе 2 соединителя 2x2 обеспечивала преобладание квантовых шумов оптического сигнала над тепловым шумом приемных модулей ПPOM₁ и ПРОМ₂. Для эффективного гетеродинирования необходимо также выполнение условия Р_гет >> Р_с.

Структура оптических сигналов на входах 1 и 2 соединителя 2 х 2 совершенно одинакова. Поэтому при взаимной их синхронизации с точностью до фазы возможна реализация автогомодинного режима приема, теоретически обеспечивающего наивысшую чувствительность такого ОПМ. Указанную синхронизацию можно выполнять с помощью регулируемого ФВ, например, электрооптического типа. Фазовращатель ФВ вместе со схемой автоподстройки разности фаз АПРФ образуют петлю обратной связи. Она непрерывно поддерживает фазовый сдвиг между сигналами Р_с и Р_гет, которые подводятся ко входам 1 и 2 соединителя 2 x 2. Управляющий сигнал в схему АПРФ вырабатывается по критерию максимума среднего уровня полезного сигнала на выходе компаратора приемника БФП. Мощность сигнала Р_гет на выходе блока БОУ поддерживается постоянной с помощью устройства автоматической регулировки мощности гетеродина АРМГ путем изменения тока накачки I_н усилителя ПОУ₂.

Рис. 3.63

Напряжение результирующего электрического сигнала U_вых на выходе компаратора приемника БФП определяется выражением [81]:

, (3.7)

где А - коэффициент преобразования мощности принимаемого оптического ЦЛС в выходное напряжение в заданной полосе частот; Е_гет - напряженность основной составляющей гетеродинирующего оптического поля на выходе соединителя 2 х 2; Е_с - напряженность оптического поля принимаемого ЦЛС; Е_ш, Е_ш_._гет - напряженности шумов составляющих оптических полей сигнала и гетеродина соответственно; К_нс - коэффициент несимметричности плеч схемы приемника БФП.

При высокой степени балансировки схемы БФП (К_нс → 1) и из выражения (3.7) непосредственно следует возможность существенного снижения гетеродинного шума и значительного выигрыша в отношении сигнал/шум на выходе ОПМ.

Рассмотрим возможные преимущества. Из табл. 3.11 видно, что ОПМ с одним фильтром при заданных параметрах СЛТ обеспечивает максимальную чувствительность минус 51,9 дБ. При этом выполнялось условие, что коэффициент К_с/ш на выходе ОПМ имел значение не меньше теоретического, т. е. К_с/ш ≥ 12 (см. подразд. 3.4.4).

Пусть для рассматриваемой схемы БФП выполняются условия К_нс ≈ 1 и К_у >> 1, что технически вполне реализуемо. Будем также считать собственные оптические потери компонентов схемы малыми. Тогда взаимосвязь между оптической мощностью Р_с и коэффициентом К_с/ш на выходе ОПМ будет выражаться формулой:

Полагая, что в усилителях БОУ K_y₁ = К_у2 = К_у, при том же качестве приема, т.е. К_с/ш > 12, в работе [81] приводится оптическая мощность P_с = 2,46 • 10^-7 мВт. Мощность принимаемого ЦЛС больше этой мощности по крайней мере в 2 раза, т. е. Р_пр = 5 • 10^-7 мВт, что соответствует уровню принимаемого сигнала минус 63 дБ.

Таким образом, выигрыш в чувствительности в случае реализации схемы приемника БФП с использованием ПОУ (рис. 3.63) по сравнению со схемой приемника с одним фильтром может составить: - 51,9 - (- 63) = = 11,1 дБ.

Следовательно, в СЛТ для реализации когерентного приема оптических ЦЛС при усложнении ОПМ с использованием балансной схемы и ПОУ можно ожидать выигрыш в чувствительности более 11 дБ. Это позволит значительно увеличить длину OS и протяженность линейных трактов в целом с повышением их экономической эффективности.

3.6.4. Волоконно-оптические усилители и их применение в линейных трактах

Наряду с полупроводниковыми оптическими усилителями (см. подразд. 3.6.2) в качестве компонентов оптических линейных трактов со второй половины 90-х гг. все чаще применяются оптические усилители на основе легированных эрбием оптических волокон (ОУЭОВ) [39]. В данной работе их для краткости далее будем называть ВОУ. Рассматриваемые усилители способны внести коренные изменения в технологию волоконно-оптических телекоммуникаций, снижая их стоимость, повышая надежность и качественные показатели работы. Усилители ВОУ работают в диапазоне длин волн 1530...1560 нм и обеспечивают высокий уровень усиления оптического сигнала (до 46 дБ), значительную выходную мощность (до 4 Вт), большое отношение сигнал/шум на выходе ВОУ (до 50 дБ), т. е. имеют наилучшие усилительные и шумовые параметры, которые сегодня не могут быть обеспечены ни одной другой технологией усиления оптических сигналов. Указанные значения параметров и простота их получения, а также ряд других достоинств за последние несколько лет вывели ВОУ из исследовательских лабораторий на путь коммерческого применения.

Однако следует отметить, что наряду с преимуществами, которые дает использование ВОУ в линейных трактах, имеют место и некоторые недостатки. В основном они касаются возникновения шумов в ВОУ, а также проблем, связанных их с работой в режиме насыщения. Кроме того, ВОУ по сравнению с ПОУ, более сложны в устройстве и энергоёмки.

Волоконно-оптические усилители могут использоваться как выходные усилители мощности ОПД, промежуточные (линейные) оптические усилители и входные усилители (предусилители) ОПМ для повышения их чувствительности. Поскольку при этом ВОУ совмещаются с волокнами OS, то они соединяются с волокнами путем сварки, а потери на соединение составляют десятые доли децибела.

Главный компонент всех ВОУ - короткий (от нескольких метров до нескольких десятков метров) отрезок ООВ на кремниевой или фторцирконатной основе, сердцевина которого легирована эрбием - оптически активным элементом. Концентрация эрбия в сердцевине ОВ составляет менее 0,1 %.

Вторым по важности компонентом ВОУ является источник накачки отрезка волокна с примесью эрбия. В качестве таких источников используются полупроводниковые лазерные диоды с мощностью накачки несколько десятков миливатт. Остальные компоненты ВОУ (устройства оптического объединения, оптические изоляторы, полосовые оптические фильтры и др.) являются вспомогательными.

Типовые схемы построения ВОУ показаны на рис. 3.64 [39, 76]. Их различают по направлению прохождения по отрезку активного волокна излучения источника накачки. По этому признаку различают три варианта построения указанных схем:

с прямой накачкой, когда информационный сигнал (оптический ЦЛС) и излучение источника накачки проходят по участку эрбиевого ОВ в одном направлении (рис. 3.64, а);

с обратной накачкой, когда оптический ЦЛС и излучение источника накачки проходят по указанному участку волокна усилителя в противоположных направлениях (рис. 3.64, б);

с двунаправленной накачкой, когда используются два источника накачки, излучение которых проходит по участку эрбиевого ОВ во встречных направлениях (рис. 3.64, в).

Наибольшее значение отношения сигнал/шум на выходе ВОУ обеспечивает прямая накачка эрбиевого ОВ, а обратная накачка позволяет получить высокий уровень выходной мощности. Выбор варианта для практического использования всякий раз определяется местом включения ВОУ в линейном тракте.

Рис. 3.64

Накачка волокна с примесями эрбия может осуществляться на нескольких длинах волн, но эффективнее всего это происходит в тех случаях, когда источник накачки имеет длину волны излучения 0,98 или 1,48 мкм, где поглощение оптического излучения ионами эрбия наиболее интенсивное.

Рассмотрим принцип работы ВОУ, построенного по схеме, приведенной на рис. 3.64, б. Слабый входной оптический ЦЛС, поступающий на вход ВОУ, проходит через оптический изолятор ОИ₁, который пропускает входной ЦЛС в прямом направлении, но не пропускает отраженный (рассеянный) сигнал в обратном направлении. После изолятора входной ЦЛС следует через прозрачный для него оптический фильтр ПОФ₁. Последний блокирует излучение на длине волны источника накачки. Далее передаваемый ЦЛС поступает на вход отрезка ООВ, сердцевина которого легирована эрбием. Этот отрезок волокна подвергается сильному непрерывному воздействию излучения лазера накачки ЛН, который установлен с противоположной стороны отрезка эрбиевого волокна и имеет меньшую длину волны, чем входной ЦЛС. Излучение от ЛН возбуждает ионы эрбия. Их возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно перейти в основное состояние. Однако при появлении слабого входного сигнала (внешних фотонов) происходит стимулированный (индуцированный) переход ионов эрбия из возбужденного состояния в основное. При этом излучаются кванты оптической энергии на той же длине волны и с той же самой фазой, что и вызвавший излучение входной сигнал. Это вызывает его усиление. Селективный разветвитель СР направляет усиленный сигнал в линейное волокно оптического кабеля. Изолятор ОИ₂ на выходе предотвращает попадание отраженного сигнала в активную область ВОУ. Шумы ВОУ на его выходе ограничиваются с помощью фильтра ПОФ₂.

Таким образом, активной средой ВОУ является сердцевина ООВ, легированная эрбием. При работе ВОУ состояние ионов эрбия можно пояснить трехуровневой энергетической диаграммой, которая приведена на рис. 3.65 [76,80].

Излучение ЛН проходит через сердцевину волокна с примесью эрбия. Ионы эрбия поглощают оптическую энергию источника накачки. Это возбуждает ионы эрбия, которые способны накапливать энергию до некоторого момента времени. Но лазер накачки работает непрерывно и ионы эрбия, получившие достаточную дополнительную энергию, переходят из основного состояния (уровень А) в возбужденное, т. е. на более высокий энергетический уровень (уровень В). Далее происходит релаксация ионов эрбия с уровня В на промежуточный энергетический уровень С. Когда населенность этого уровня становится достаточно высокой, при которой образуется инверсная населенность энергетических уровней В и С, эрбиевое волокно способно индуцировано усиливать входной оптический ЦЛС в определенном диапазоне длин волн. Последующее возвращение ионов на нижний (основной) энергетический уровень одновременно сопровождается излучением фотонов. Этот процесс может иметь спонтанный (природный распад возбужденных ионов при отсутствии какого-либо внешнего на них воздействия) или стимулированный характер. Стимулированное излучение происходит в присутствии и под воздействием внешних фотонов, которые передают дополнительную энергию ионам эрбия. Стимулированная эмиссия вырабатывает дополнительные фотоны со скоростью, пропорциональной интенсивности их поступления.

Рис. 3.65

Оптический ЦЛС также проходит через сердцевину волокна с примесями эрбия. Этот сигнал, являясь источником внешних фотонов, стимулирует излучение возбужденных ионов, что усиливает оптический ЦЛС. Длительное (около 10 мс) пребывание ионов эрбия в возбужденном состоянии приводит к тому, что вместо образования шума из-за спонтанной эмиссии большинство ионов «ожидает» поступления оптического ЦЛС (усиливаемого сигнала). Излучение фотонов ионами эрбия в каждой точке сердцевины ОВ происходит только в момент прохождения через эту точку оптических импульсов усиливаемого ЦЛС.

Следовательно, образующееся «дополнительное» излучение эрбиевого ОВ накладывается на оптический ЦЛС и усиливает его. Конечно, во всем этом процессе существует доля спонтанного излучения, что приводит к возникновению шумов на выходе ВОУ. Эти шумы ограничиваются ПОФ, который может иметь различную полосу пропускания.

Скорость, с которой ионы эрбия переходят в возбужденное состояние, пропорциональна интенсивности излучения источника накачки. Чтобы повысить темпы накачки ионов, обеспечивая минимальную мощность источника накачки, излучение, т. е. фотоны последнего и атомы эрбия, необходимо сконцентрировать по возможности на меньшем расстоянии друг от друга. Этой цели можно эффективно достигнуть или путем увеличения разницы между показателями преломления сердцевины и оболочки эрбиевого ОВ, или уменьшением диаметра легированной эрбием сердцевины ОВ, который обычно находится в пределах 2...4 мкм.

Важен также вопрос о концентрации и материале примесей в сердцевине ОВ, используемого для построения ВОУ. Например, добавление алюминия в сердцевину ОВ приводит к увеличению ширины спектральной линии излучения на выходе ВОУ, а чем больше концентрация эрбия в сердцевине ОВ, тем выше степень усиления ВОУ. Но если концентрация эрбия очень высокая (свыше 10¹⁹ см^-3 для сердцевины с алюминиевыми примесями или 10¹⁸ см^-3 для сердцевины, легированной германием), то ионы «сбиваются в комья» и передача излучения между ними ухудшает качество работы ВОУ.

Особенности работы ВОУ во многом зависят от типа примесей и от диапазона длин волн, в пределах которого он должен усиливать сигнал. Наиболее широко распространены ВОУ, в которых используется кремниевое волокно, легированное эрбием. Такие усилители получили название эрбиевых волоконно-оптических усилителей EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) [80].

Взаимодействие между ионами эрбия, находящимися на разных энергетических уровнях, является причиной очень важного положительного фактора - расширения динамического диапазона энергетических уровней, что, в конечном итоге, обеспечивает усилителю широкий диапазон длин волн усиливаемого сигнала. В эрбиевых ВОУ этот диапазон находится в пределах 1530... 1560 нм, который соответствует переходу ионов эрбия с промежуточного уровня С на уровень основного состояния А. Указанный диапазон достигается при оптимальной длине волны излучения лазера накачки 980 нм (см. рис. 3.65).

Для практического использования ВОУ важнейшими его параметрами являются уровень (коэффициент) усиления, выходная мощность и собственные шумы.

Уровень усиления. Для получения большого коэффициента усиления оптического сигнала в ВОУ достаточно иметь источник накачки малой мощности. Именно это достоинство ВОУ является ключевым моментом практичности его использования. Для источника накачки в ВОУ применяются компактные полупроводниковые лазерные диоды с током питания (накачки) в несколько сотен милиампер.

Зависимости коэффициентов усиления усилителя от мощности источника накачки Р_нак для различных уровней сигнала на входе ВОУ р_вх (1 - минус 27 дБм; 2 - минус 8 дБм; 3 - минус 4 дБм) приведены на рис. 3.66 [39]. При этом другие параметры ВОУ имеют значения: длины волн оптического ЦЛС и источника накачки равны 1,552 и 1,48 мкм соответственно; концентрация эрбия в сердцевине ОВ - 0,0025 %; длина эрбиевого волокна - 50 м.

Рис. 3.66

Зависимости коэффициентов усиления ВОУ от длины отрезка эрбиевого волокна l при различных значениях мощности источника накачки (1 - 90 мВт; 2 - 50 мВт; 3 - 30 мВт) показаны на рис. 3.67. Прочие параметры ВОУ такие же, как и в предыдущем варианте. Однако длина волокна, которая обеспечивает наибольшее усиление, т. е. самый большой уровень выходной мощности оптического ЦЛС, не всегда является оптимальной по критерию максимального отношения сигнал/шум на выходе ВОУ. В случае же не очень большого усиления сигнала (при работе ВОУ в режиме ненасыщенного усиления), короткий отрезок эрбиевого волокна и мощная накачка позволяют получить достаточно хорошее отношение сигнал/шум.

Рис. 3.67

Поскольку ВОУ типа EDFA являются широкополосными усилителями (рабочий диапазон длин волн 1530... 1560 нм) и должны усиливать входной сигнал в большом динамическом диапазоне, то важными являются зависимости коэффициента усиления указанного типа ВОУ от мощности Р_вх (1 - 1 мкВт; 2 - 70 мкВт; 3 - 1 мВт) и длины волны входного сигнала. Эти зависимости представлены на рис. 3.68 [80].

Рис. 3.68

При малых значениях мощности входного сигнала Р_вх с его ростом амплитуда выходного сигнала линейно возрастает, коэффициент усиления усилителя при этом достигает своего максимального значения. Например, если входной сигнал имеет значение 1 мкВт, что соответствует его уровню мощности минус 30 дБм, то сигнал на выходе усилителя может иметь значение 1 мВт (0 дБм), что соответствует усилению сигнала в 30 дБ. Но если входной сигнал имеет большое значение, то он приводит усилитель в режим насыщения (см. ниже Выходная мощность) и коэффициент усиления уменьшается. Например, пусть на той же длине волны входной сигнал имеет значение 1 мВт. При мощности сигнала 20 мВт на выходе усилителя он войдет в режим насыщения. Это будет соответствовать уровню усиления всего лишь 13 дБм.

Выходная мощность. Зависимости выходных уровней сигналов р_вых от уровней сигналов на входе усилителя р_вх для трех вариантов построения схемы эрбиевых ВОУ при заданной мощности источников накачки 64 мВт (прочие параметры ВОУ такие же, как и в предыдущих вариантах) изображены на рис. 3.69 [39]. На этом рисунке кривая 1 относится к ВОУ с двунаправленной накачкой (64 мВт + 64 мВт); 2 - с обратной накачкой; 3 - с прямой накачкой. Из рис. видно, что выходной уровень мощности сигнала не всегда пропорционален его входному уровню. Это объясняется тем, что во всяком усилителе существует некоторое значение уровня мощности входного сигнала, превышение которого приведет ВОУ в режим насыщения.

Рис. 3.69

Насыщение - это такое состояние ВОУ, при котором резкое возрастание входного сигнала снижает усиление усилителя, ограничивая таким образом мощность на его выходе. Это вызвано тем, что возрастание входного сигнала больше заданного значения вызывает стимулированную эмиссию, которая происходит с большей скоростью, чем инверсия, т. е. при этом существенно снижается количество возбужденных ионов эрбия.

Однако колебания уровня входного сигнала не снижает стабильности усиления ВОУ типа EDFA, поскольку существует длительный период спонтанного распада эрбия в возбужденном состоянии. Поэтому изменение усиления усилителя происходит инерционно. Как правило, снижение интенсивности усиления ВОУ происходит через 0,1... 1,0 мс после поступления на его вход сигнала, обеспечивающего состояние насыщения. Поскольку такие временные интервалы значительно превышают длительности импульсов усиливаемых оптических ЦЛС, передаваемых по линейным трактам с ВОУ со скоростями передачи 2,5 Гбит/с и более, ВОУ вносят в усиливаемый сигнал минимальные искажения.

Амплитудные характеристики волоконно-оптических усилителей, т. е. зависимости их рабочего усиления G от уровня мощности сигнала на выходе ВОУ (G = φ(р_вых)), изображены на рис. 3.70. Амплитудные характеристики ВОУ, в которых используются отрезки эрбиевых волокон разной длины l (1 - 100 м; 2 - 50 м; 3 - 25 м) при одинаковой мощности источника накачки показаны на рис. 3.70, а, а на рис. 3.70, б - амплитудные характеристики ВОУ с отрезком эрбиевого волокна длиной 100 м и источниками накачки разной мощности (1 - 90 мВт; 2 - 50 мВт; 3 - 40 мВт). По амплитудной характеристике судят о мощности, которую можно получить на выходе ВОУ до состояния насыщения. Насыщение ВОУ приводит к резкому уменьшению его усиления.

Уровень сигнала на выходе ВОУ р_max, при котором усиление снижается на ΔG = 3 дБ относительно значения усиления в ненасыщенном состоянии усилителя, называется максимальным уровнем на выходе ВОУ. Этому уровню соответствует максимальная мощность на выходе ВОУ, которая определяется выражением [мВт], где р_max - максимальный уровень на выходе ВОУ, дБм.

Значение этого параметра варьируется в зависимости от модели ВОУ. У мощных ВОУ типа EDFA он может превосходить 36 дБм, что соответствует P_max = 4 Вт. С увеличением мощности источника накачки мощность P_max возрастает почти линейно.

Рис. 3.70

Собственные шумы. Искажения оптических ЦЛС в ВОУ вызываются шумами усиленной спонтанной эмиссии, которая возникает при ненасыщенном режиме работы ВОУ, как показано на рис. 3.71, а (уровень входного оптического ЦЛС равен минус 27,3 дБм).

При работе ВОУ в насыщенном состоянии мощность источника накачки в основном тратится на усиление оптического ЦЛС, и шумы спонтанной эмиссии не превышают уровней, приведенных на рис. 3.71, б (уровень входного оптического ЦЛС равен минус 4,1 дБм). Поскольку спектр шума простирается далеко за пределы полосы частот спектральной линии оптического ЦЛС, то значительная часть шума может быть подавлена при помощи полосового оптического фильтра. Влияние ПОФ на подавление шумов можно оценить, сравнивая рис. 3.71, а и 3.71, в.

На рис. 3.71, в приведена спектральная картина режима работы ВОУ, что и в случае, приведенном на рис. 3.71, а, но с использованием на выходе ВОУ фильтра ПОФ с полосой пропускания 1 нм для подавления шумов. Результаты сравнения позволяют сделать вывод об эффективности использования фильтра на выходе ВОУ, работающего в ненасыщенном состоянии, для подавления шумов спонтанной эмиссии. Но из рис. 3.71 следует и другое - крайняя неравномерность спектральной характеристики мощности шума на выходе ВОУ типа EDFA, построенных с использованием отрезков ООВ на кремниевой основе. Одно дело - использовать такой ВОУ для усиления одного сигнала, т. е. сигнала, передаваемого на одной длине волны (см. рис. 3.71, а) в СЛТ системы передачи SDH, и совсем другое - когда такой же ВОУ, т. е. на основе кремниевого волокна (потому что сегодня они широко распространены), используется в линейном тракте системы передачи WDM или DWDM, где необходимо усиливать несколько единиц или десятков сигналов.

Для примера на рис. 3.72, а показаны уровни сигналов и шума на выходе кремниевого ВОУ типа EDFA при поступлении на его вход мультиплексного сигнала, образованного из 16 сигналов в системе передачи WDM. Из рисунка видно, что в некоторых оптических трактах сохраняется высокое отношение сигнал/шум, в то время как в других, особенно на длинах волн в окрестности 1540 нм, значения отношения сигнал/шум низкие.

Рис. 3.71

В настоящее время эта проблема решается путем использования для ВОУ отрезков ОВ на фтор-цирконатной основе. Такие ООВ способны поглотить больше эрбия, что и приводит к выравниванию спектральной характеристики мощности шума на выходе ВОУ типа EDFA.

На рис. 3.72., б показано, что мультиплексированные сигналы во всем диапазоне длин волн 1530... 1560 нм имеют близкие значения отношения сигнал/шум на выходе ВОУ. Но фтор-цирконатные усилители типа EDFA имеют недостаток: у них более высокий, чем у кремниевых ВОУ, уровень собственных шумов. Существуют пути преодоления этой проблемы и производители скоро начнут поставлять усилители нового поколения, имеющие равномерную спектральную характеристику мощности шума, низкий уровень шумов и высокую надежность. На практике необходимо также учитывать влияние температуры на параметры ВОУ: при возрастании температуры от минус 20 °С до + 80 °С усиление ВОУ уменьшается на 7... 10 дБ, а при погружении эрбиевого ОВ в жидкий азот усиление ВОУ возрастает. Основные параметры современных усилителей типа EDFA приведены в работе [76].

Рис. 3.72

Переходя к вопросу об использовании ВОУ на телекоммуникационных сетях, следует указать два основных направления их практического применения:

в СЛТ волоконно-оптических систем передачи большой протяженности (в том числе и подводных);

в оптических сетях доступа.

Рассмотрим кратко основные особенности применения ВОУ в первом из этих направлений.

Применение ВОУ в структуре СЛТ имеет следующие особенности:

1. Усилитель ВОУ, включенный на выходе ОПД, используется преимущественно в качестве усилителя мощности. Он предназначен для компенсации потерь, вносимых такими пассивными компонентами ВОУ, как оптические соединители и разветвители, изоляторы и фильтры, а также для повышения уровня оптического ЦЛС на входе ООВ линейного кабеля. Кроме того, шум усиленной спонтанной эмиссии, создаваемый ВОУ, в этом случае, как и передаваемый оптический ЦЛС, будет затухать в процессе распространения по волокну OS.

2. Оптический приемник, на входе которого ВОУ используется в качестве предусилителя, может быть построен или по схеме прямого детектирования, или по схеме когерентного приема. Рассмотрим работу ОПМ, построенного по схеме прямого детектирования с предусилителем на входе. Качество работы такого ОПМ зависит от широкополосности (ширины полосы частот спектральной линии) лазера ОПД и ширины полосы пропускания ПОФ, включенного на выходе ВОУ. Для каждого значения ширины полосы частот оптического ЦЛС существует оптимальная (по критерию максимального отношения сигнал/шум на выходе ОПМ) ширина полосы частот ПОФ. Фазовый шум расширяет спектр принимаемого оптического ЦЛС.

Следовательно, чем больше ширина полосы частот оптического ЦЛС, тем больше должна быть ширина полосы пропускания ПОФ. Если эта полоса пропускания больше, чем оптимальная, ОПМ регистрирует шум усиленной спонтанной эмиссии, поскольку он проходит через этот фильтр, и чувствительность ОПМ ухудшается. Увеличение мощности оптического ЦЛС не снимает проблему, так как уровень фазового шума зависит от уровня ЦЛС и пропорционален ему. Применение в таком ОПМ сразу после детектора фильтра ФНЧ позволяет несколько уменьшить влияние шума спонтанной эмиссии, но эффективность применения ВОУ в такой схеме незначительна.

При когерентном приеме потенциал ВОУ, включаемого на входе ОПМ в качестве предусилителя, используется эффективнее. Применение оптического гетеродина позволяет избавиться от мешающего шума в спектре оптического ЦЛС. Благодаря этому когерентный ОПМ становится менее чувствительным к воздействию широкополосного шума усиленной спонтанной эмиссии, который является доминирующей шумовой составляющей на выходе ВОУ. В результате когерентный ОПМ с ВОУ на входе является более чувствительным, чем приемник прямого детектирования оптического ЦЛС (см. подразд. 3.6.3).

3. Применение ВОУ в структуре СЛТ вместо части регенераторов практически ничего не меняет по сравнению с использованием для этих целей ПОУ, за исключением варианта применения в ВОУ «удлиненных» эрбиевых волокон. Сердцевина таких ОВ по всей длине легирована эрбием с очень низкой концентрацией (0,00002...0,0001 %). Благодаря этому их усилительные свойства распространяются на всю длину ОВ. В результате обеспечивается непрерывная компенсация затухания оптического ЦЛС. Поскольку мощность оптического ЦЛС по всей длине ОВ постоянно поддерживается на довольно низком уровне, влияние нелинейных эффектов практически может быть сведено к нулю. Применение такого способа передачи оптических ЦЛС возможно только после разработки технологии усилителей ВОУ с «удлиненными» эрбиевыми волокнами.

Рабочий диапазон длин волн ВОУ находится в пределах 1530... 1560 нм, т. е. имеет ширину спектра около 30 нм. В указанной ширине спектра ВОУ может быть образовано несколько десятков оптических трактов (см. подразд. 3.6.1). Примером системы передачи DWDM является разработанная в лаборатории Bell Labs фирмы Lucent оптическая линейная система типа WaveStar OLS 400G, которая образует 40 оптических трактов со скоростью передачи 10 Гбит/с в каждом, т. е. суммарный поток трафика составляет 400 Гбит/с одновременной передачи по одному ООВ. Наиболее эффективное применение ВОУ типа EDFA в линейных трактах систем передачи подобного типа показано на рис. 3.55.

Новейшее применение ВОУ - использование их в солитонных волоконно-оптических системах передачи [25,79]. При передаче оптических солитонов, или солитонных импульсов, т. е. при высококачественной передаче узких оптических импульсов с высоким значением пиковой мощности по OS большой протяженности со скоростью передачи несколько гигабит в секунду, существует несколько способов применения ВОУ:

а) компенсация потерь мощности солитонов в ООВ для поддержания условий передачи солитонных импульсов;

б) генерирование кратковременных высокомощных импульсов для образования оптических солитонов;

в) усиление кратковременных импульсов до уровня солитонов (в этом случае ВОУ работает в режиме насыщения).

Подробнее солитонные системы передачи рассмотрены в следующем подразделе.

3.6.5. Оптические солитоны и их использование в синхронных линейных трактах

На современном этапе развития систем передачи и сетей связи необходимы высокоскоростные СЛТ большой протяженности. Проведены испытания опытных образцов СЛТ со скоростями передач 5 и 10 Гбит/с при протяженности трактов 15000 и 11000 км соответственно [39]. В результате было окончательно установлено, что одним из основных факторов, ограничивающих скорость передачи оптических ЦЛС на большие расстояния, является дисперсия ООВ. Разработаны способы ее снижения и соответствующая технология производства (вытяжки) одномодовых волокон. Однако достижение малой дисперсии сопряжено с соблюдением довольно жестких требований к стабильности первичных параметров ООВ, что значительно усложняет процесс их производства.

В настоящее время лучшие образцы ООВ характеризуются коэффициентом удельной дисперсии порядка 0,1 пс/(нм • км) в окрестности длины волны 1,55 мкм. При высокой стабильности генерации и узкой спектральной линии излучения современных лазеров, использовании систем передачи с волновым мультиплексированием и высокоскоростных когерентных методов приема, применение ПОУ и ВОУ, а также лучших образцов ООВ в диапазонах длин волн 1530...1565 и 1565...1675 нм, повышение коэффициента широкополосности СЛТ вследствие влияния дисперсии в ближайшее время, по-видимому, станет серьезной проблемой.

Как известно (см. подразд. 3.2.6), в линейном режиме распространения по ООВ модулированных по интенсивности оптических ЦЛС их искажение в общем случае обусловлено внутримодовой и материальной дисперсиями. Поскольку они могут иметь различные знаки, то путем соответствующего подбора параметров ООВ достигают существенного снижения суммарной дисперсии в области длин волн с минимальным значением коэффициента затухания. Однако для получения весьма малых значений суммарной дисперсии необходима, как уже отмечалось выше, высокая стабильность первичных параметров ООВ, которая на практике не всегда реализуема.

Представляет интерес альтернативный способ передачи оптических сигналов по ООВ практически без искажений. Он заключается в передаче весьма коротких оптических импульсов в средах распространения с быстрым нелинейным откликом. При этом отклике формируются оптические импульсы заданной формы, которые при распространении по волокну вызывают эффект самомодуляции их фазы, приводящий к компенсации отрицательной дисперсии ООВ. Благодаря полученному при этом балансу дисперсии форма импульсов практически не изменяется при распространении их по ООВ на расстояние L_max, превышающее некоторое значение l₀ = сτ₀ в 10⁶... 10⁷ раз, где с - скорость света в вакууме; τ₀ - половина длительности (ширины) оптического импульса.

Такие импульсы называются оптическими солитонами [25]. В результате появилась принципиальная возможность передачи оптических сигналов на большие расстояния без искажений. Но эту возможность еще нужно реализовать практически.

Задача построения высокоскоростных СЛТ с использованием солитонов в основном сводится к созданию солитонного лазера и оптимальному выбору параметров ООВ.

Первая особенность передачи оптических солитонов заключается в том, что их параметры тесно взаимосвязаны с первичными параметрами ООВ. Действительно, мощность оптического излучения, при которой реализуется солитон, называемая критической, определяется выражением:

, (3.8)

где - коэффициент дисперсии второго порядка; К(ω) - коэффициент распространения основной моды НЕ₁₁; ω₀ - центральная частота излучения солитонного лазера, соответствующая длине волны λ₀; - эффективное сечение поля основной моды HE₁₁; d_пм - диаметр поля основной моды HE₁₁; К₀ = ω₀п₁(ω₀)/с - коэффициент показателя преломления сердцевины ООВ; К_К= 1,2 • 10^-22 [м/В]² - коэффициент Керра, определяющий нелинейные свойства материала ООВ.

Из представленного выражения (3.8) следует, что пиковое значение критической мощности передаваемого солитона пропорционально абсолютному значению коэффициента дисперсии второго порядка, эффективному сечению поля основной моды НЕ₁₁ и обратно пропорционально коэффициенту Керра, коэффициенту показателя преломления сердцевины ООВ и квадрату половины длительности солитона.

Вторая особенность солитонной передачи состоит в том, что для облегчения практической реализации солитонных СЛТ в них необходимо создать режим малых значений пиковых мощностей. Для этого, как следует из выражения (3.8) для критической мощности, необходимы ООВ с малыми значениями отрицательной дисперсии, сечением поля основной моды НЕ₁₁ и наименьшим значением суммарного затухания, которое складывается из собственных потерь ООВ, потерь на его изгибах и соединениях строительных длин.

Третья особенность солитонных СЛТ - это то, что для их построения требуются ООВ с высокой стабильностью параметров, особенно при малых сечениях поля основной моды НЕ₁₁. Известно, что дисперсия и эффективное сечение поля основной моды НЕ₁₁ одномодового оптического волокна на заданной длине волны определяются профилем показателя преломления волокна.

Например, при отклонении радиуса внутренней оболочки ОВ относительно заданного на 0,4 мкм (из-за несовершенства технологии производства ООВ) коэффициент удельной дисперсии изменяется на 3 пс/(нм • км) для ступенчатого ППП, на 1,16 пс/(нм • км) - для треугольного и на 1 пс/(нм • км) - для гауссовского распределения ППП при d_пм = 8 мкм и длине волны 1,55 мкм [25].

Проведенный предварительный анализ различных типов ООВ с разными ППП показывает, что для построения солитонных СЛТ наиболее перспективными являются трехслойные ООВ с треугольным и гауссовс-ким распределением ППП.

В настоящее время известны три основных направления построения СЛТ с использованием солитонов.

Первое направление предусматривает использование в СЛТ одномодовых оптических волокон при весьма жестких требованиях к их параметрам: коэффициенты затухания и удельной дисперсии должны быть ничтожно малы. При этом существенно облегчается задача построения СЛТ, схема которого приведена на рис. 3.73. На выходе солитонного лазера СЛ формируется непрерывная последовательность солитонов с заданными параметрами, например, критическая мощность Р_кр = 5 мВт, длительность солитона 2τ₀ = 3 пс и период их следования Т = 20τ₀.

Рис. 3.73

Солитонный лазер - это один из основных компонентов ОПД рассматриваемых СЛТ. К нему предъявляют высокие требования в отношении формы огибающей генерируемых солитонов, их малой длительности, отсутствия паразитной фазовой модуляции (чирпинг-эффекта) и соответствующего пикового значения мощности. Лазер СЛ может быть оптимально построен на основе ИЛ с относительно узкой спектральной линией излучения, с использованием ВОУ в режиме насыщения и устройств оптической компрессии. Использование компрессора, осуществляющего сжатие оптических импульсов, уменьшает взаимное влияние соседних солитонов в случае их синфазности при передаче по СЛТ. Известны два основных способа компрессии оптических импульсов с целью создания солитонной передачи: линейное и нелинейное компрессирование, которые описаны в работах [25,79].

Сформированная последовательность солитонов, пройдя оптический изолятор ОИ, поступает на вход 1 модулятора М. В нем солитоны модулируются передаваемым сигналом ЦГС, который через формирователь ФМИТ подается на вход 2 модулятора. Модулированная последовательность солитонов с выхода 3 модулятора поступает на вход ООВ линейного тракта. Хотя мощность излучения СЛ невелика, но благодаря очень малым потерям в ООВ солитоны могут передаваться на большие расстояния (теоретически - тысячи километров) без установки в СЛТ оптических усилителей. Через заданное расстояние на выходе ООВ для регистрации поступивших солитонов включается ОПМ.

Таким образом, при использовании ООВ с пренебрежимо малыми потерями потенциальный СЛТ на тысячи километров будет состоять из солитонного оптического передатчика, ООВ с заданными параметрами и ОПМ. В настоящее время интенсивно ведутся разработки технологии получения сверхчистого материала для изготовления ООВ в диапазоне длин волн 2... 10 мкм с коэффициентом затухания 10^-4...10^-2 дБ/км. Но получить такое ООВ пока еще не удалось. Поэтому для передачи солитонов используются ООВ, в которых коэффициент затухания вблизи длины волны 1,55 мкм не превышает 0,2 дБ/км.

Второе направление построения СЛТ с использованием солитонов заключается в создании условий для практически полной компенсации потерь мощности сигнала в ООВ и других пассивных оптических компонентах (электронно-оптических модуляторах, ПОФ, ОИ и др.). При компенсации потерь необходимо правильно воспроизвести первоначальную амплитуду и форму солитонов на входе каждой последующей оптической секции СЛТ. Вариант построения СЛТ с периодической компенсацией потерь путем использования ВОУ с прямой накачкой приведен на рис. 3.74. Для этой цели разработаны ВОУ с улучшенными параметрами. В структуре СЛТ они обеспечивают уровень усиления до 46 дБм, что дает возможность с использованием усилителя мощности У СМ (бустера) на выходе ОПД и предусилителя ПРУС на входе ОПМ получить длину усилительного участка до 100 км. Показанные на рисунке 3.74 лазеры ЛН и фильтры ПОФ на выходе усилителей являются элементами ВОУ. Отдельное изображение указанных устройств подчеркивает их принципиальную необходимость. Кроме того, для ослабления шумов нелинейного происхождения, возникающих в ООВ при передаче солитонов, на входе каждого ВОУ линейного тракта также включается ПОФ.

Рис. 3.74

Достоинствами схемы представленного варианта построения СЛТ являются использование в ВОУ только одного источника (лазера) накачки, а также относительно малое значение мощности накачки (5,2 мВт) [25]. Недостатком схемы СЛТ, приведенной на рис. 3.74, является сложность реализации тракта большой протяженности вследствие высоких требований к идентичности параметров усилительных секций.

Возможен вариант построения схемы солитонного СЛТ с компенсацией потерь путем совместного использования ВОУ и распределенного усиления.

Третье направление построения СЛТ связано с некоторым снижением требований к солитонному режиму. При распространении солитонов в ООВ с потерями увеличивается их длительность. Это результат нарушения солитонного режима из-за уменьшения пикового значения мощности по сравнению с критическим ее значением Р_кр. Для сохранения формы солитонов в ООВ с потерями может быть предложено несколько способов.

Согласно выражению (3.8) для критической мощности, убыванию пиковой мощности солитона из-за его затухания в ООВ, можно поставить в соответствие уменьшение дисперсии или размера поля основной моды вдоль волокна. В этом случае значение пиковой мощности солитона будет соответствовать его критической мощности по всей длине ООВ. В результате форма солитона останется неизменной по всей длине волокна.

Таким образом, условием существования солитона в ООВ с потерями будет выполнение соотношения:

|K’’|S_эфe^-²^αl= const.

Из этого равенства следует, что одним из способов сохранения солитонного режима является создание ООВ с дисперсией (при постоянстве S_эф), подчиняющейся закону: |K’’| ≈ e^‑²^αl.

Очевидно, что создание ООВ с непрерывно меняющимися по его длине параметрами - весьма сложная технологическая задача.

В работе [25] предложен иной способ сохранения солитонного режима в ООВ с потерями, причем солитонный СЛТ строится без устройств компенсации потерь. Физическая сущность способа состоит в следующем. Если пиковое значение напряженности электрического поля солитона отличается от критического в N раз, где 1 < N < 1,5, то солитон по мере его распространения вначале сужается, а далее на предельном расстоянии от начала СЛТ восстанавливает свою первоначальную длительность даже при наличии в ООВ потерь. В указанной работе с использованием теории возмущений получено выражение для координаты ООВ l₀, где происходит восстановление первоначальной длительности солитона:

l₀ = ln(1 + 2γ)/α = 2γ/α,

где - величина, определяющая скорость изменения нелинейной поляризации ООВ.

Следовательно, на выходе первого участка волокна длиной l₀ амплитуда солитона по мощности станет равной (1 + γ)² = 1.

Второй участок ООВ в структуре СЛТ должен быть таким, чтобы на его выходе солитон сохранил свою форму. Это достигается путем соответствующего подбора коэффициента дисперсии используемого ООВ, при котором входная пиковая мощность в точке с координатой l₀ (на входе второго участка ООВ) оказалась бы в (1 + γ) раз больше критической мощности для данного участка. Коэффициент дисперсии второго участка ООВ определяется выражением:

Методом итерации можно продлить длину ООВ на следующий участок и т. д., а коэффициент дисперсии (i + 1)-го участка будет определяться как D_i₊₁ = D_i(1 + γ)². При этом считается, что эффективное сечение поля основной моды НЕ₁₁ на всей длине ООВ остается постоянным, а потери на соединениях строительных длин и обратные отражения достаточно малы.

Максимальное количество участков, из которых может состоять СЛТ при таком построении, определяют по формуле:

где Р_кр1 - критическая пиковая мощность солитона на первом участке; Р_min - минимальная пиковая мощность солитона, соответствующая заданному значению коэффициента ошибок на выходе СЛТ.

Максимальная протяженность такого СЛТ определяется выражением:

В результате получается солитонный СЛТ, структурная схема которого соответствует варианту его построения без устройств компенсации потерь. Солитонный режим в СЛТ достигается благодаря использованию в нем последовательности ООВ с постоянными коэффициентами дисперсии D_i в пределах каждого i-го участка, но убывающими по заданному закону от участка к участку. Формулы, определяющие максимальное количество участков N_max и общую длину солитонного СЛТ максимальной протяженности L_max, приведены выше. Структурная схема такого солитонного СЛТ показана на рис. 3.75.

Рис. 3.75

В настоящее время технология вытяжки ООВ с различными заданными значениями коэффициентов дисперсии отработана, что позволяет осуществить необходимый подбор ООВ при построении солитонного СЛТ заданной протяженности.

Таким образом, современный уровень развития элементной базы волоконно-оптических телекоммуникаций и все более ощутимая необходимость транспортирования высокоскоростного трафика на большие расстояния создают реальные предпосылки для построения синхронных линейных трактов протяженностью в несколько тысяч километров с использованием оптических солитонов без промежуточных регенераторов.

Проведенный краткий анализ перспектив развития волоконно-оптических линейных трактов позволяет сделать вывод, что в настоящее время разработчики, представив на рынке системы передачи DWDM, ООВ типа TrueWave XL, SMF-28, AllWave, волоконно-оптические усилители типа EDFA и солитонные способы передачи оптических ЦЛС, могут удовлетворить требования клиентов к магистралям связи по их протяженности и пропускной способности. В настоящее время это позволяет избежать проблем, которые создавали разработчикам потребители услуг телекоммуникационных сетей своими требованиями. Надолго ли?

4. Основы построения сетей SDH

Современные телекоммуникационные сети должны быть высокоскоростными, иметь гибкую, легко управляемую структуру и при этом обеспечивать возможность совместной работы аппаратуры и оборудования различных фирм-производителей (поставщиков) как на сети одного оператора, так и при взаимодействии нескольких сетей различных операторов.

Основная тенденция развития таких сетей - это всеобъемлющая интеграция, т. е. интеграция цифровых систем передачи и коммутации, интеграция услуг на одной абонентской линии (включая ISDN и B-ISDN) и, наконец, интеграция терминалов на базе компьютерной техники и технологии мультимедиа: терминалы, включаемые в ISDN по интерфейсу основного доступа с конфигурацией 2В + D; терминалы, включаемые на первичной скорости передачи с конфигурацией 30В + D; терминалы, работающие в сети LAN и др.

Реализация указанных требований и тенденций развития стала возможной благодаря появлению высокоскоростных (до 40 Гбит/с включительно) цифровых систем передачи, построенных на основе принципов и стандартов синхронной цифровой иерархии, а также мощных цифровых коммутационных систем (трафик до 30000 Эрл) с использованием системы общеканальной сигнализации ОКС № 7. В основе этих современных телекоммуникационных технологий используются новые достижения науки и производства и, прежде всего, в области волоконно-оптической техники, микроэлектроники и программного обеспечения.

Появление ВО ЦСП на основе технологии SDH расширило области их применения, включая оптические линейные тракты, идущие непосредственно к пользователю. Однако, использование систем передачи SDH с мощными мультиплексорами и кросс-коннекторами «превратило» сеть, по сути, в распределенный цифровой кроссовый узел.

Эти обстоятельства привели к тому, что возникла необходимость пересмотреть многоуровневую структуру прежней первичной сети общего пользования (магистральная, внутризоновая и местная - городская и сельская), представив ее двумя уровнями: транспортной сетью и сетью доступа.

В Рекомендации ITU-T G.803 [140] понятие «транспортирование» определяется как функциональный процесс перемещения информации между разнесенными пунктами доступа, а понятие «передача» - как физический процесс распространения цифровых сигналов в физической среде.

Транспортная сеть - это совокупность всех ресурсов, выполняющих не только функции транспортирования информации, но и функции контроля, оперативного переключения, управления и обслуживания. На сегодняшний день системы передачи SDH в наибольшей степени отвечают требованиям, необходимым для построения транспортных сетей [59, 63].

Применение оборудования систем передачи SDH на сети доступа позволяет расширить номенклатуру пользователей, предоставляя им услуги не только в объеме B-ISDN, но и возможность взаимодействия с сетями LAN, использующими технологии ATM, Ethernet, IP и др. [3, 63, 80].

В новейшей Рекомендации ITU-T G.7041/Y.1303 (2002) определен механизм адаптации сигналов пользователей или клиентов для размещения этих сигналов в контейнерах или сцепках систем передачи SDH. Предусмотрено два типа такой адаптации:

с размещением (инкапсуляцией) кадров (Frame-Mapped) - для таких клиентских сигналов, как пакеты IP и кадры Ethernet;

прозрачная (Transparent) адаптация - для клиентских сигналов Gigabit Ethernet, Fibre Channel, ESCON и других, использующих блочные коды 8В/10B [63].

Перспективным направлением построения современной сетевой инфраструктуры является также использование в высокоскоростных сетях единой системы сигнализации, позволяющей объединять самые различные типы систем передачи. В качестве такой объединяющей технологии сегодня рассматривается технология универсальной многопротокольной коммутации меток - GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switcing) [5, 6]. Она унифицирует составляющую управления в сети, начиная с обычных пакетных сетей и заканчивая коммутацией длины волны или оптического волокна в оптических транспортных сетях технологий SDH, DWDM, IP over DWDM и др. [84].

4.1. Топология сетей SDH

Чтобы спроектировать сеть в целом, нужно пройти несколько этапов, на каждом из которых решается та или иная функциональная задача, поставленная в техническом задании на проектирование.

Первой из них является задача выбора топологии сети. Эта задача может быть решена достаточно просто, если известен возможный набор элементарных (базовых) топологий, из которых может быть составлена топология сети в целом. Ниже рассматриваются такие элементарные базовые топологии и их особенности.

4.1.1. Топология линейной сети «точка - точка»

Участок сети, непосредственно связывающий два узла телекоммуникаций, расположенных в оконечных пунктах, или пунктах доступа ОП₁ и ОП₂, является наиболее простым примером базовой топологии сети SDH. Такая конфигурация называется системой телекоммуникаций «пункт с пунктом без регенератора», или топология «точка - точка» [77].

В результате в технике проводной связи появилось новое понятие - однопролетная линия передачи. При проектировании однопролетных линий передачи разброс длин их СЛТ компенсируется выбором и применением того или иного типа оптического лазера с соответствующей мощностью излучения на его выходе. В СЛТ малой протяженности (менее 10 км) в качестве излучателя ОПД, в зависимости от скорости передачи транспортируемой нагрузки, следует выбирать ЛД с пониженной мощностью оптического излучения. В СЛТ средней (до 50 км), и большой (120 км) и более протяженности рекомендуется применять ОПД с лазерными диодами, работающими на длине волны 1,55 мкм [3].

Во всех случаях рассматриваемая топология реализуется с помощью синхронных линейных мультиплексоров SLM, которые могут работать как по схеме без резервирования (так называемый незащищенный режим) СЛТ (рис. 4.1), так и по схеме со стопроцентным резервированием, или с системой защиты типа «1+1» (рис. 4.2) с целью повышения надежности СЛТ. При этом мультиплексоры SLM могут быть различного уровня иерархии, например, как показано на рис. 2.2.

Рис. 4.1

В СЛТ с системой защиты типа «1+1» используются оба линейных, или так называемых агрегатных порта (Пер, Пр) линейных блоков А и В (см. рис. 2.29), которые позволяют образовать основной и резервный СЛТ. Для построения указанных СЛТ прокладываются два кабеля по географически разнесенным трассам. Эти названия СЛТ являются условными. С выходов линейных блоков А и В оптические ЦЛС между двумя пунктами передаются по обоим СЛТ одновременно, а в пункте приема осуществляется выбор «лучшего» принятого сигнала. Резервирование СЛТ с системой защиты типа «1+1» в сетях SDH является их внутренней особенностью и не имеет ничего общего с внешним резервированием, когда используется альтернативный (резервный) путь от одного пункта сети к другому. При выходе из строя одного из СЛТ система передачи в считанные десятки миллисекунд автоматически переходит на второй линейный тракт.

Рис. 4.2

Несмотря на свою простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется при транспортировании больших потоков информации по высокоскоростным СЛТ как на океанских просторах, так и на соединительных линиях ГТС, оборудованных мощными цифровыми АТС для обслуживания телефонного трафика [23, 101].

Эту же топологию используют для отладки участков сети при переходе к новой более высокой скорости передачи сигналов при использовании технологии SDH, например, от скорости передачи 622,08 Мбит/с к 2488,32 Мбит/с или от 2,5 к 10 Гбит/с. Она же является основной для топологии сети с пунктами выделения/вставки и используется как составная часть топологии «звезда» и радиально-кольцевой топологии. Топологию сети «точка - точка» с системой защиты типа «1+1» можно рассматривать как вырожденный вариант топологии «кольцо» (см. подразд. 4.1.3).

4.1.2. Топология линейной сети с пунктами выделения/вставки

В топологии сети между двумя точками (оконечными пунктами), рассмотренной в подразд. 4.1.1, интенсивность трафика может быть не очень великой. В то же время существует необходимость в ряде пунктов СЛТ выполнить ответвление, где могут выводиться (выделяться) и вводиться (вставляться) каналы доступа. Такая топология реализуется с использованием как линейных мультиплексоров SLM, включаемых на обоих концах СЛТ, или в оконечных пунктах доступа, так и мультиплексоров выделения/вставки DIM, которые включаются в СЛТ в промежуточных пунктах доступа ПП₁. Рассматриваемую топологию можно представить либо в виде простого последовательного СЛТ без резервирования, как показано на рис. 4.3, либо более сложным СЛТ с резервированием, т.е. с системой защиты типа «1+1», как изображено на рис. 4.4.

Рис. 4.3

Рис. 4.4

При использовании схемы, показанной на рис. 4.3, не обеспечивается защита сети против отказов в оптическом СЛТ, и DIM сконфигурированы как незащищенные. Линейные мультиплексоры на концах СЛТ в этом случае используют только один агрегатный порт и также являются незащищенными.

Вариант топологии, изображенной на рис. 4.4, часто называют «плоское кольцо», которое образуется дублированием трафика с помощью дополнительного участка СЛТ [59]. Защита от отказов в СЛТ в таком варианте топологии обеспечивается маршрутизацией трафика одновременно по обоим (противоположным) направлениям вокруг искаженного кольца (имеется в виду не круглого по форме).

Таким образом, повреждение СЛТ на любом участке кольца не приводит к потере связи любого из мультиплексоров промежуточного пункта с оконечными пунктами доступа или же DIM между собой при наличии нескольких таких мультиплексоров в структуре СЛТ.

Если же оптические волокна обоих СЛТ находятся в одном кабеле, то такое «плоское кольцо» менее надежно, так как при повреждении кабеля связь будет прервана с некоторым числом мультиплексоров в зависимости от места повреждения. Однако дублирование трафика хотя бы и в «плоском кольце» обеспечивает защиту сети от неисправностей аппаратуры и позволяет проводить техническое обслуживание (ТО) мультиплексоров даже с отключением ОПД и ОПМ с одной стороны.

Мультиплексор DIM может иметь на входе и выходе тот же набор цифровых каналов доступа, что и ТМ. Дополнительно к возможностям обычного кросс-соединения, обеспечиваемого SLM, мультиплексор DIM позволяет осуществлять сквозные кросс-соединения входных цифровых потоков в обоих направлениях, например, на уровне контейнеров VC-4 в потоках, поступающих с линейных портов.

Кроме того, в DIM можно выполнить оперативные переключения выходов каналов приема на входы соответствующих каналов передачи в одном из направлений в случае выхода из строя (повреждения) другого направления. Наконец, имеется возможность, в случае аварийного повреждения DIM пропускать оптический ЦЛС мимо него в обходном режиме. Все это позволяет эффективно использовать DIM в топологии сети типа «кольцо».

4.1.3. Кольцевая топология сети с использованием мультиплексоров выделения/вставки

Такая топология сети (ее схема приведена на рис. 4.5) широко применяется для построения сетей SDH с использованием первых двух уровней систем передачи SDH (скорости передачи 155,52 и 622,08 Мбит/с) на сети доступа [22]. Основная особенность и достоинство этой топологии - легкость обеспечения системы защиты типа «1+1» благодаря наличию в синхронных мультиплексорах DIM двух пар оптических линейных (агрегатных) портов. Они дают возможность образовать СЛТ в форме двойной кольцевой структуры со встречными цифровыми потоками (на рис. 4.5 они показаны стрелками).

Кольцевая топология обладает рядом свойств, которые позволяют сети самовосстанавливаться, т. е. обеспечивать защиту от некоторых достаточно распространенных типов отказов. Поэтому остановимся на основных свойствах кольцевой топологии сети более подробно.

Рис. 4.5

«Интеллектуальные» возможности DIM позволяют образовать кольцевые самовосстанавливающиеся («самозалечивающиеся») сети двух типов: однонаправленные и двунаправленные [59].

В сетях первого типа используются два оптических волокна. Каждый передаваемый цифровой поток направляется по кольцевой сети в обоих (противоположных) направлениях, а в пункте приема, как и в случае защиты по схеме «1+1» в топологии сети «точка - точка» (см. рис. 4.2), осуществляется выбор одного из двух принятых сигналов (лучшего по качеству, например, по наименьшему коэффициенту ошибок). Передача цифровых потоков по всем основным участкам СЛТ происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным - в противоположном. Поэтому такая кольцевая сеть и называется однонаправленной с переключением СЛТ или с закрепленным резервом. Схема прохождения сигналов по основному и резервному участкам СЛТ рассматриваемой кольцевой сети показана на рис. 4.5 [77, 164].

Двунаправленная кольцевая сеть может быть образована с помощью двух (топология «сдвоенное кольцо») или четырех (два «сдвоенных кольца») оптических волокон. В двунаправленной кольцевой сети с двумя волокнами передаваемые ЦЛС не дублируются. При работе такой сети цифровые потоки пунктов доступа передаются по кольцу кратчайшим путем во встречных направлениях (отсюда и название «двунаправленное кольцо»). При возникновении отказа на любом участке СЛТ посредством DIM, включенных на концах отказавшего участка, выполняется переключение всего цифрового потока, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. Такую конфигурацию сети называют также кольцом с переключением участков или кольцом, защищенным с помощью совместно используемого резерва.

Пример двунаправленной кольцевой сети с двумя ОВ приведен на рис. 4.6 [59]. На нем показаны схемы прохождения сигналов для одного из вариантов соединения пунктов доступа в рабочем (доаварийном) режиме (рис. 4.6, а) и в аварийном режиме при отказе одного из участков СЛТ кольцевой сети, который перечеркнут крестом (рис. 4.6, б). Поврежденный участок СЛТ исключается из схемы кольца, но связь между всеми пунктами доступа на сети сохраняется.

Рис. 4.6

Сравнивая однонаправленную и двунаправленную кольцевые сети с двумя волокнами между собой, следует заметить, что при отказе одного участка можно сохранить полную работоспособность любой из этих сетей. Однако в большинстве случаев двунаправленное кольцо сети оказывается более экономичным, поскольку требует меньшей пропускной способности. Это объясняется тем, что для сигналов, передаваемых на различных пересекающихся участках кольцевой сети, используют одни и те же оптические волокна (как в основном, так и в аварийном режиме работы). В то же время однонаправленное кольцо сети проще в реализации.

Однонаправленные кольцевые сети больше подходят в случае «центростремительного» трафика, в частности, для сетей доступа к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца сети предпочтительнее при равномерном трафике, например, для построения цифровых соединительных линий между мощными электронными АТС, или цифровыми коммутационными станциями (ЦКС).

Двунаправленная кольцевая сеть с четырьмя волокнами обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольцо сети с двумя оптическими волокнами, однако затраты на построение четырехволоконной кольцевой сети существенно больше. В сетевых структурах с двумя сдвоенными кольцами при отказе на каком-либо участке СЛТ первоначально делается попытка перейти на другую пару оптических волокон в пределах того же (отказавшего) участка. Но если это не удается, то осуществляется реконфигурация кольцевой сети, аналогичная той, что показана на рис. 4.6, б.

Несмотря на высокую стоимость четырехволоконной кольцевой сети, в последнее время она находит все большее применение на высокоскоростных сетях SDH, так как она обеспечивает очень высокую надежность.

Выше рассматривался только случай, когда в аварийном состоянии оказался участок СЛТ кольцевой сети, т. е. оптическое волокно линейного кабеля. Однако в такой сети отказать в работе может и мультиплексор. В этой ситуации резервирование как таковое не используется, а работоспособность сети в целом (на уровне линейных блоков) восстанавливается путем исключения из схемы функционирования поврежденного мультиплексора. Современные системы управления DIM обеспечивают обходной путь, который позволяет пропускать цифровой поток в обход отказавшего мультиплексора в данном пункте кольцевой сети [77].

4.1.4. Топология сети типа «звезда», или узловая сеть

Узловая сеть обеспечивает объединение нескольких, как правило, однотипных (со стороны входных портов) цифровых потоков. Эти потоки, поступающие от удаленных пунктов доступа, объединяются в узле сети SDH - концентраторе, который представляет собой мультиплексор. Его линейные порты соединяются с основной сетью, например, с кольцом транспортной сети, как показано на рис. 4.7.

Рис. 4.7

Приведенная схема узлового объединения (Hubbing) цифровых потоков позволяет уменьшить число СЛТ (оптических волокон), которые необходимы для непосредственного соединения каждого ТМ пунктов доступа с кольцом основной транспортной сети. Концентратор узла сети SDH, или хаб соединяется с кольцом основной сети с использованием системы защиты типа «1+1», для чего необходимы две пары ОВ (рис. 4.7). Эти волокна в обоих направлениях транспортируют нагрузку между пунктами доступа и основной сетью в виде общих виртуальных контейнеров.

Рассматриваемая топология сети имеет две основные особенности. Первая состоит в том, что общее количество транспортируемой нагрузки, которая сформирована в концентраторе, не может превышать его возможностей. Но даже при этом условии применение такой топологии сети целесообразно с экономической точки зрения, так как она позволяет обслуживать пользователей удаленных пунктов доступа.

Вторая особенность заключается в том, что концентратор позволяет локально соединять подключенные к нему оптические тракты (на рис. 4.7 показано пунктиром). Это дает возможность ТМ удаленных пунктов доступа обмениваться нагрузкой между собой через концентратор, не загружая трафик основной транспортной сети. Конечно, такой концентратор должен быть «активным и интеллектуальным», т. е. быть DIM с развитыми возможностями кросс-соединения.

В высокоскоростных транспортных системах передачи SDH иногда рассматриваемую схему называют оптическим концентратором, если на его входные порты подаются частично заполненные цифровые потоки уровня STM-N (или потоки уровня на ступень ниже), а его выходной порт обрабатывает поток уровня STM-N [77]. Фактически эта топология является топологией типа «звезда», где в качестве центрального узла сети (центральной станции) используется DIM системы передачи SDH.

Необходимо также отметить, что данный мультиплексор может иметь не один или два, а четыре и больше линейных портов уровня STM-N. Используя DIM, можно осуществить разветвление СЛТ на три и более линейных тракта. Примером такого мультиплексора является широкополосный DIM типа SMS-600W системы передачи SMS-600 уровня STM-4 компании NEC. Мультиплексор типа SMS-600W служит для обеспечения высоких показателей в работе и универсального применения, в частности, он может работать в режиме кросс-соединения через четыре линейных порта с временной ступенью коммутации. Схема разветвления СЛТ с использованием мультиплексора типа SMS-600W изображена на рис. 4.8 [167].

Рис. 4.8

Используя рассмотренные основные (базовые) топологии сети, можно построить сети SDH различной архитектуры.

4.2. Архитектура сетей SDH

Известно [70], что для построения узлов как элементов транспортной сети SDH, кроме синхронных мультиплексоров (терминальных, линейных, выделения/вставки), применяется АОП или цифровые системы оперативного кросс-соединения DXC (цифровые кросс-коннекторы).

Под оперативным переключением или кросс-соединением следует понимать установление на сети полупостоянных соединений между различными цифровыми каналами. Здесь уместно отметить разницу между оперативным переключением и коммутацией. Последняя предполагает установление временных соединений на вторичной сети по инициативе абонентов. В случае оперативных соединений полу постоянные кросс-соединения устанавливаются по командам оператора сети с использованием средств сетевого управления [59].

На сети SDH оперативное кросс-соединение цифровых каналов может выполняться с помощью устройств, встроенных во многие виды аппаратуры систем передачи SDH. Именно такими средствами переключаются цифровые потоки в DIM. Это дает возможность распределять функции оперативного переключения между многими сетевыми элементами. Однако в крупных узлах сети предпочтительнее устанавливать специализированную аппаратуру (оборудование), которая имеет значительно больше портов, чем мультиплексоры (несколько сотен портов для цифровых потоков уровня STM-1 и несколько тысяч портов для потоков E1). С использованием различного оборудования типа DXC, или цифровых кросс-коннекторов различного класса можно построить сеть SDH ячеистой структуры.

4.2.1. Физическая архитектура сети

Оптимальная по выбранным или заданным критериям качества сеть, т. е. качественная сеть SDH, должна быть соответствующим образом рассчитана и построена согласно выбранной архитектуре сети с учетом совокупности рассмотренных элементарных топологий. При этом следует подчеркнуть, что построение сети в целом требует особенно тщательного выбора ее архитектуры. У оператора сети должна быть одна задача - предоставить потребителям высококачественное непрерывное обслуживание с одновременным незаметным для потребителей сети устранением возникающих отказов в ее функционировании.

Согласно современным представлениям перспективная сеть на базе систем передачи SDH должна иметь иерархическую трехуровневую архитектуру (см. рис. 1.3). Более подробно трехуровневая архитектура сети SDH показана на рис. 4.9 [59, 84, 169].

Верхний (магистральный) уровень образуется главными узлами сети, на которых устанавливается различное высокоскоростное синхронное оборудование (SLM, DIM, DXC и др.). Типичными изделиями различных систем передачи SDH, используемыми на этом уровне сети, являются:

а) оптические терминальные мультиплексоры типа ТМ-64/4, ТМ-16/4 и ТМ-4/4, которые обеспечивают формирование и транспортирование модулей STM-64, STM‑16, STM-4 соответственно; в качестве примера можно назвать одноименные ТМ соответствующих уровней систем передачи SDH с системой защиты типа «1+1» и связью на уровне VC-4 фирмы Philips;

б) линейные регенераторы СЛТ, обеспечивающие регенерацию и транспортирование соответствующих модулей; в качестве примера можно указать на регенераторы типа SLR-64, SLR-16, SLR-4 соответствующих уровней аппаратуры SDH серии SL-xx фирмы Siemens; SLM указанной серии могут быть сконфигурированы и как ТМ типа SLТ-64, SLT-16, SLT-4;

в) цифровые кросс-коннекторы класса DXC-4/4 и DXC-4/1, которые выполняют оперативное переключение (гибкое кросс-соединение) высокоскоростных цифровых каналов; они связаны по типу «каждый с каждым» и обеспечивают взаимосвязь между главными узлами сети SDH или элементарными топологиями сети, например, кольцевыми; примером кросс-коннектора класса DXC-4/1 является аппаратура типа DACS-VI-2000 фирмы Lucent, которая обеспечивает полностью не блокируемую кроссировку цифровых каналов и является эффективным оборудованием для пунктов транзита плезиохронных (со скоростью передачи 2 и 140 Мбит/с) и синхронных (со скоростью передачи 155 Мбит/с) цифровых каналов; примером более мощного кросс-коннектора типа DXC-4/4 является аппаратура типа SXC-4/4 фирмы Siemens, которая используется для кросс-соединения цифровых каналов без блокировки систем передачи PDH и SDH с эквивалентной максимальной нагрузкой до 1024 портов на скорости передачи 140 и 155 Мбит/с;

г) высокоскоростные мультиплексоры выделения/вставки типа DIM-64/4, DIM-16/4 и DIM-4/4 могут эффективно обеспечивать взаимосвязь между главными узлами сети SDH при использовании в архитектуре этой сети кольцевой топологии, что позволяет существенно снизить на сети количество относительно дорогих кросс-коннекторов; примерами такого оборудования являются DIM типа ADM-16/4 и ADM-4/4 соответствующих уровней систем передачи SDH с системой защиты «1+1» и связью на уровне VC-4 фирмы Philips.

Рис. 4.9

Анализируя состав указанного оборудования верхнего (базового) уровня физической архитектуры сети SDH, можно заключить, что этот уровень характеризуется следующими особенностями:

основными информационными единицами обмена для главных узлов сети являются виртуальные контейнеры типа VC-4;

мультиплексные и регенерационные секции СЛТ в основном являются высокоскоростными, способными транспортировать модули STM-4, STM-16, STM-64 соответствующих уровней иерархии систем передачи SDH;

каждый участок волоконно-оптической линии передачи может образовывать большое количество (несколько десятков) разноскоростных СЛТ протяженностью от нескольких сот до нескольких тысяч километров;

большой объем транспортируемой нагрузки оправдывает применение полной защиты (защищенности от отказов) сети, которая обеспечивается наличием нескольких альтернативных путей для каждого прерванного участка и, по сравнению с восстановлением функционирования сети, обеспечивает более быстрое время переключения [169].

Средний уровень физической архитектуры сети SDH состоит из нескольких соединительных региональных сетей, охватывающих определенную территорию. Важнейшие региональные узлы этого уровня выходят на несколько узлов сети базового уровня и обмениваются между собой виртуальными контейнерами типа VC-4. Прочие узлы региональной сети обмениваются более мелкими, например типа VC-3 и VC-12, виртуальными контейнерами.

К типовому оборудованию различных систем передачи SDH, используемому на региональном уровне сети, относятся:

а) мультиплексоры выделения/вставки типа DIM-4/1, которые эффективно обеспечивают взаимосвязь между узлами региональной сети, особенно при использовании в структуре этой сети кольцевой топологии; примерами такого оборудования являются мультиплексоры ввода-вывода ADM-4/1 уровня STM-4 систем передачи SDH с системой защиты типа «1+1» и связью на уровне VC-12 компаний-производителей Alcatel, Nokia, Philips и др.;

б) цифровые кросс-коннекторы класса DXC-4/1, которые выполняют гибкое кросс-соединение (оперативное переключение) цифровых каналов и обеспечивают взаимосвязь между кольцевыми топологиями региональной сети; примером кросс-коннектора указанного класса, кроме названной выше аппаратуры типа DAXC-VI-2000, является модульный кросс-коннектор типа SXC-4/1 компании Siemens, который используется на региональной сети для оперативного переключения различных цифровых каналов без блокировки с эквивалентной максимальной нагрузкой до 16384 портов для цифровых потоков E1 (скорость передачи 2 Мбит/с);

в) локальные (местные) кросс-коннекторы типа LXC-4/1, которые обеспечивают местную связку колец на региональной сети; примером такого оборудования является локальный кросс-коннектор типа LXC-4/1 со связью на уровне виртуальных контейнеров типа VC-12 компании Philips.

Анализ приведенного состава оборудования среднего уровня сети позволяет сделать следующие выводы:

в линейных трактах этой сети передаются сигналы модулей STM-4;

узлы этой сети обмениваются не только контейнерами типа VC-4, но и более мелкими VC;

предпочтительной является кольцевая структура сети, хотя она может быть и ячеистой.

Нижний уровень составляют сети доступа, к которым подключаются источники и потребители нагрузки [59]. Типичными изделиями, используемыми в сети доступа, являются терминальные мультиплексоры типа ТМ-1, мультиплексоры выделения/вставки типа DIM‑1/1 и локальные кросс-коннекторы типа LXC-1/1.

Сети нижнего уровня имеют, как правило, кольцевую структуру, в которой могут использоваться участки (вставки) радиорелейных линий уровня STM-1. Линейные тракты этой сети обеспечивают транспортирование модулей STM-1 и STM-4. Каждая сеть доступа выходит на один или несколько узлов региональной сети. Взаимосвязь между потребительской и региональной сетями может очень хорошо поддерживаться с помощью аппаратуры типа LXC, которую можно рассматривать как большие мультиплексоры DIM (ADM) или малые кросс-коннекторы DXC [169].

Таким образом, на верхнем уровне физической архитектуры сети SDH при ее построении создается сеть цифровых трактов типа VC-4, на среднем уровне - тракты типа VC-12 и VC-3, которые перераспределяются между трактами VC-4, а на нижнем уровне сети обеспечивается доступ к ней пользователей.

Преимуществами подобной иерархической архитектуры сети являются:

а) возможность независимого развития и реконструкции каждого из уровней сети;

б) экономичное построение сети за счет концентрации потоков нагрузки, позволяющей использовать СЛТ высокой пропускной способности;

в) возможность осуществлять контроль, управление и защиту отдельно на каждом уровне, что упрощает ликвидацию последствий аварий (отказов) на сети.

Описанная модель сети дает только общую ее структуру, от которой возможны различные отступления. В каждом конкретном случае могут быть изменены количество уровней, структура каждой подсети, функции уровней сети могут частично перекрываться и т. д.

При построении сетей SDH наиболее распространенными (типовыми) их структурами являются кольцевые сети с использованием топологий «кольцо», «точка - точка» и DIM, а также ячеистые сети на базе топологии «точка - точка» и кросс-коннекторов.

4.2.2. Кольцевые структуры сети

Рассмотрим архитектуру сети, в которой применяются комбинации описанных выше элементарных топологий. Это радиально-кольцевая архитектура, архитектура типа связки двух и более колец одного или разного уровней, каскадное соединение колец разного уровня и др.

Пример радиально-кольцевой архитектуры сети SDH приведен на рис. 4.10. Такая сеть фактически может быть построена с использованием трех базовых топологий: «кольцо», «точка - точка» и «плоское кольцо», или топология сети с пунктами выделения/вставки. Число радиальных ветвей сети, подключаемых к кольцу, ограничивается допустимой нагрузкой на кольцо, или общим числом каналов доступа, выходящих на кольцо.

Рис. 4.10

В комбинированной архитектуре сетей SDH часто используется другое решение - соединение типа «кольцо - кольцо». В таком соединении территориально разнесенные кольца могут быть либо одинакового, либо разного уровней систем передачи SDH. На рис. 4.11 показана схема соединения двух колец уровня STM-4 с помощью простого (без системы защиты) СЛТ уровня STM-1 с пунктом выделения/вставки (см. рис. 4.3). Недостаток такой сети - нарушение связи между кольцами при выходе этого СЛТ из строя. Защиту сети в этом случае можно существенно повысить, если для связи между кольцами использовать топологию «плоское кольцо», показанную на рис. 4.4.

Рис. 4.11

Анализ конфигураций архитектуры типичных сетей SDH показывает, что для них наиболее эффективными являются сети, состоящие из нескольких смежных колец, которые в местах их соприкосновения связаны между собой узлами соединения. Наиболее простой и дешевый вариант объединения колец - наличие для двух смежных колец только одного общего узла [59]. Однако такая структура сети имеет тот же недостаток, что и в рассмотренном выше случае соединения разнесенных колец с помощью простого СЛТ, т. е. при выходе этого узла из строя нарушается связь между кольцами. Поэтому рекомендуется выполнять сопряжение колец в двух узлах, что обеспечивает устойчивость сети к одиночным отказам ее элементов. В отдельных случаях требуется бесперебойная работа сети не только при любых одиночных отказах, но и при любом сочетании двух отказов в различных кольцах (по одному в каждом) одновременно. Для этого любой цифровой поток, направляемый в смежное кольцо, должен достигать обоих узлов в местах сопряжения колец. Эти узлы, в свою очередь, должны оборудоваться специальными устройствами для выбора и оперативного кросс-соединения соответствующих каналов.

Следующий вариант кольцевой архитектуры сети изображен на рис. 4.12, где показано каскадное соединение трех колец различного уровня систем передачи SDH: STM-1, STM-4 и SТМ-16. При такой схеме построения сети соединение между кольцами при переходе от кольца одного уровня к другому можно обеспечивать с помощью цифровых потоков предыдущего иерархического уровня. Например, цифровой поток уровня STM-1 используется для связи между кольцами уровней STM-1 и STM-4, а цифровой поток уровня STM-4 - при переходе на кольцо уровня STM-16 [77].

Рис. 4.12

Проектирование достаточно больших и сложных реальных сетей SDH, как правило, требует рассмотрения всех перечисленных выше и других вариантов кольцевой архитектуры сети. Перспективным является построение сетей, имеющих в структуре несколько объединенных колец. Например, сеть может состоять из нескольких колец сети доступа, объединенных посредством СЛТ, имеющего форму кольца, которое называется главным, или центральным кольцом данной сети [59]. Если оно имеет структуру сдвоенного кольца, то уровень отказоустойчивости такой сети весьма высокий.

По указанному образцу в 1993 г. была построена первая сеть SDH кольцевой структуры в Москве. Она состояла из центрального кольца транспортной сети уровня STM-16 и колец сети доступа уровней STM-1 и STM-4 (рис. 4.13, а).

В 1998 г. была построена уже третья очередь транспортной сети SDH Москвы, которая имела многокольцевую структуру [22]. Она стала похожа на несколько цветков ромашки, расположенных друг под другом и связанных по вертикали. Упрощенный вид архитектуры такой сети показан на рис. 4.13, б.

В конце 2001 г. эта сеть была вновь модернизирована [23]. В ней шесть центральных высокоскоростных оптических колец уровня STM-16 были объединены в мощное ядро с использованием новейшего сетевого оборудования - интеллектуальной мультисервисной оптической сетевой платформы типа XDM компании ECI [109].

Построение конкретной сети целесообразно выполнять, исходя из реальной ситуации, т. е. не обязательно строить сеть по классическим образцам кольцевых структур. Кольцевые структуры оправданы на сетях с малым количеством взаимосвязанных узлов.

Опыт эксплуатации показывает, что существенным недостатком кольцевых структур является то, что при возникновении потребности в увеличении пропускной способности на отдельных участках сети необходимо перепроектировать и перестраивать всю сеть целиком и создавать новые мощности, которые необходимы для реализации задач по резервированию и самовосстановлению сети. Это значительно усложняет планирование, проектирование и построение сетей. Отмеченный недостаток сложной сети кольцевой структуры очень скоро проявился и на московской ГТС, которая после 1993 г. уже трижды (в 1996, 1998 и 2001 гг.) подвергалась реконфигурации, на что потребовались значительные средства.

Поэтому в 2001, 2002 гг. в периодической печати начали появляться публикации сотрудников ЦНИИС России, посвященные оптимальному проектированию структуры сети взаимосвязанных двусторонних колец, предложены математические модели оценки надежности кольцевых структур в сетях SDH [10, 73]. При проектировании сетей наиболее сложным считается расчет кольцевых структур. Этот расчет осуществляется в три этапа и охватывает межкольцевую маршрутизацию, внутрикольцевую маршрутизацию с балансировкой и загрузку кольца.

В работе [73] предложен метод, позволяющий все эти задачи решать одновременно. Формулируется задача маршрутизации и балансировки выделенного двустороннего кольца как задача оптимизации системы взаимосвязанных колец. Задача решается методом линейного целочисленного программирования. Приводится сравнение полученных результатов с результатами решения задачи эвристическим методом и делается вывод о том, что предлагаемый метод позволяет получить решение, значительно превосходящее эвристическое.

Сети, разделенные на отдельные ячейки и использующие в узлах сети DIM и средства оперативного переключения (кросс-коннекторы), имеют гораздо большую гибкость, значительно больше возможностей по предоставлению услуг, решают более экономично задачи реконфигурации сети. Ниже рассматриваются ячеистые сети.

4.2.3. Ячеистая архитектура сети на основе кросс-коннекторов

Сетевую структуру, узловые точки которой взаимосвязаны «прямыми» СЛТ топологии «точка - точка», принято называть ячеистой. Если в узлах этой сети установлены кросс-коннекторы, то при возникновении отказов, разрывающих действующие СЛТ, возможно переключение высокоскоростных цифровых потоков с использованием резервов пропускной способности функционирующих (работоспособных) СЛТ. Фрагмент ячеистой сети с наложенной схемой прохождения цифровых потоков и схемами СЛТ при работе сети показан на рис. 4.14, а. Тот же фрагмент после реконфигурации сети, которая была проведена по причине аварии СЛТ между узлами А и В сети, изображен на рис. 4.14, б.

Таким образом, наличие показанных на рис. 4.14, а резервных СЛТ и возможность их оперативного переключения с помощью кросс-коннекторов позволили сохранить работоспособность данного фрагмента ячеистой сети после возникновения указанной аварии.

Рис. 4.13

Рис. 4.14

В сетях на основе кросс-коннекторов возможно резервирование с использованием различных маршрутов, количество которых растет с увеличением связности сети и повышением резерва пропускной способности. Поэтому такие сети, в отличие от кольцевых структур, могут быть защищены не только от одиночных отказов элементов, но и от одновременных отказов нескольких элементов сети.

Самовосстановление сетей на основе кросс-коннекторов имеет несколько вариантов реализации. Процедура реконфигурации сети может быть централизованной и распределенной.

В первом случае должен быть центр управления сетью, который собирает и обрабатывает информацию о состоянии всех ее элементов, а при необходимости принимает решение о реконфигурации сети и рассылает всем кросс-коннекторам соответствующие команды на переключение. Основное преимущество централизованного метода управления - это меньшая сложность его реализации, а главный недостаток - критичность к отказам самого центра управления из-за его сложности, к потере или искажению циркулирующей информации как поступающей в него, так и передаваемой от него к кросс-коннекторам.

Распределенные процедуры реконфигурации сети не требуют наличия центра управления. При возникновении отказов на сети кросс-коннекторы различных узлов, обмениваясь сообщениями между собой, сами определяют состояние сети, вырабатывают согласованные решения по ее реконфигурации и реализуют эти решения. Основной недостаток распределенных процедур состоит в том, что они являются гораздо более сложными в реализации и, как следствие, требуют увеличения времени на выполнение реконфигурации сети.

В ответ на изменение состояния сети новый план распределения цифровых потоков выбирается с помощью запуска процедур поиска в реальном масштабе времени. Эту же операцию можно проводить с использованием таблиц, рассчитанных заранее и хранящихся в памяти процессоров центра управления или процессоров кросс-коннекторов.

В первом случае, как правило, можно провести анализ любого состояния сети, однако следует учитывать ограниченное время для принятия решения. Во втором варианте возникает трудность из-за большого количества всех возможных конфигураций сети. Поэтому хранить таблицу, охватывающую все множество состояний сети, практически невозможно, а время поиска в ней будет недопустимо большим. В связи с этим приходится ограничиваться некоторым подмножеством состояний сети. Оно выбирается, с одной стороны, с учетом требований по отказоустойчивости, а с другой - исходя из реальной вычислительной мощности компьютера.

Существуют и комбинированные методы управления реконфигурацией сети. Например, возможен подход, при котором в памяти процессоров кросс-коннекторов всех узлов сети хранятся конфигурационные таблицы, включающие некоторое подмножество возможных состояний сети. При отказах начинает действовать распределенная процедура определения состояния сети. После ее выполнения принимается решение о реконфигурации сети на основании имеющихся таблиц. Состояние всей сети при этом контролируется единым центром, который при необходимости обновляет конфигурационные таблицы и рассылает их по всем узлам. В такой ситуации выход из строя центра управления не приведет к полной блокировке процедур самовосстановления сети, а только снизит их эффективность.

Обеспечение самовосстановления на основе кросс-коннекторов предполагает наличие весьма развитой системы сетевого управления. Кроме того, реконфигурация в больших сетях может продолжаться десятки секунд и даже несколько минут.

Кросс-коннекторы можно эффективно использовать не только в ячеистых сетях, но и в сетях смешанной архитектуры, использующих как кольцевые структуры, так и кросс-коннекторы. Это позволяет строить более эффективные сети с таким же уровнем отказоустойчивости, как и у чисто кольцевой сети, но с меньшей суммарной пропускной способностью всех СЛТ. Возможности использования кросс-коннекторов для объединения кольцевых структур показаны на рис. 4.15 [59]. Но этим не исчерпывается применение кросс-коннекторов. Они позволяют построить разветвленную сеть SDH с каскадно-кольцевой и ячеистой структурой.

Рис. 4.15

4.2.4. Архитектура разветвленной сети общего вида

Большая гибкость сети SDH, в том числе возможность менять конфигурацию распределения цифровых потоков, позволяет проектировать и строить ее более комплексно, делает способной адаптироваться к непредвиденному быстрому ее развитию без дорогостоящего перепроектирования и реконструкции. В процессе развития сети можно использовать ряд решений, характерных для глобальных сетей, таких как формирование самого верхнего (базового) уровня сети, например, в виде ячеистой структуры, которая позволяет обеспечить альтернативные (резервные) СЛТ. Они будут использоваться в случае возникновения проблем при транспортировании виртуальных контейнеров по основному пути (см. рис. 4.14).

С целью достижения необходимой надежности и устойчивости связи может быть спроектирована и реализована комбинированная (гибридная) конфигурация сети, сочетающая ячеистую структуру с линейной защитой и сопряженные с ней кольцевые структуры. При этом на протяженных участках сети, имеющих высокоскоростные СЛТ, создается их многоступенчатая защита, например, путем передачи ЦЛС по различным оптическим волокнам одного кабеля, по волокнам географически разнесенных оптических кабелей и по резервному тракту цифровой радиорелейной линии. Отмеченные особенности, наряду с присущим сетям SDH внутренним резервированием, позволяют обеспечить надежную и бесперебойную работу всей сети в целом.

Архитектура такой разветвленной сети SDH, базовый уровень которой для простоты представлен в виде одной сетевой ячейки, показана на рис. 4.16. Ее узлами являются цифровые кросс-коннекторы типа DXC, связанные по типу «каждый с каждым». К этому базовому (опорному) уровню сети присоединены периферийные сети SDH различной топологии, которые могут быть либо корпоративными сетями, либо общегородскими сетями SDH, либо участками других глобальных сетей. В общем эта структура может рассматриваться как некий образ глобальной сети SDH.

Рис. 4.16

Еще одним примером архитектуры разветвленной сети общего вида является цифровая комбинированная сеть (рис. 4.17) [77]. Это вариант законченного решения сети, в которой топологии колец связаны линейными трактами (участками), образованными как системой передачи PDH, так и двумя СЛТ систем передачи SDH. Рассматриваемая схема сети состоит из трех колец, образованных системами передачи SDH. Два кольца уровня STM-4 соединены между собой высокоскоростным СЛТ большой протяженности (с промежуточными линейными регенераторами) уровня STM-16. Левые (рис. 4.17) кольца - верхнее уровня STM‑4 и нижнее уровня STM-1 связаны между собой цифровым линейным трактом системы передачи PDH четвертого уровня иерархии типа Е4. Терминальные мультиплексоры этого тракта типа PSM-1 (шлюз) на уровне четверичного цифрового потока Е4 непосредственно связаны с мультиплексорами SLA-1 и SLA-4 указанных оптических колец уровней STM-1 и STM-4 соответственно. На последнем (замыкающем) участке между правым верхним и нижним (рис. 4.17) кольцами систем передачи SDH используется кросс-коннектор типа SXC‑4/1. Он связан плезиохронными цифровыми потоками уровней E1 и Е3 с двумя мультиплексорами: мультиплексором типа SLA-1 нижнего кольца, с одной стороны, и мультиплексором типа SLT-1, с другой. Этот мультиплексор имеет многоцелевое назначение, т. е. выполняет несколько функций:

терминального мультиплексора SLT-1 линейного тракта уровня STM-1;

мультиплексора DIM, с одной стороны для сети доступа, образованной оборудованием типа РСМ-2, а с другой - для плезиохронных потоков уровней E1 и Е3 от кросс-коннектора типа SXC-4/1;

концентратора и кросс-коннектора цифровых потоков между кросс-коннектором типа SXC-4/1, правым верхним (рис. 4.17) кольцом уровня STM-4, линейным трактом типа SL-1 уровня STM-1 и мультиплексором типа РСМ-2 в сети доступа.

Рис. 4.17

Сеть SDH общего вида можно также использовать как транспортную сеть для переноса ячеек ATM, причем такой режим переноса ячеек ATM рассматривается документами ITU-T в качестве одного из основных режимов [107]. Сеть SDH-ATM показана на рис. 4.18.

Рис. 4.18

Для сопряжения транспортной сети SDH с сетями ATM, которые на данном этапе рассматриваются как одна из технологий сети доступа, разработаны устройства (узлы) доступа, осуществляющие упаковку ячеек ATM в виртуальные контейнеры систем передачи SDH. Устройства доступа АТМ можно разделить на две группы.

Первую группу образуют коммутаторы доступа, или коммутаторы-концентраторы (на рис. 4.18 они обозначены условно - АТоМ), которые выполняют непосредственное сопряжение оборудования пользователей с устройствами сети путем реализации интерфейса пользователь - сеть UNI (User-Network Interface). Примером такого интерфейса является интерфейс между сетями ATM и LAN, который на рис. 4.18 обозначен DXI (Data Exchange Interface).

Ко второй группе относят коммутаторы базовой сети ATM, или базовые коммутаторы, реализующие интерфейс сеть - сеть NNI (Network-Network Interface), т. е. между сетью ATM и сетью SDH (на рис. 4.18 базовый коммутатор обозначен как Switch ATM).

В настоящее время к разным уровням транспортной сети нового поколения предъявляются различные требования. На уровне сети доступа главными являются гибкость и экономичность. На уровне распределения (зоновая сеть) важны объединение различных видов трафика и возможность его диспетчеризации с целью более рационального использования пропускной способности. На магистральном (базовом) уровне решающими становятся большая пропускная способность и возможность ее быстрого увеличения по мере роста объемов трафика.

Поэтому одним из основных требований к поставщику оборудования SDH сегодня является наличие у него полной линейки продуктов SDH и DWDM т. е. оборудования, которое может успешно работать на всех трех уровнях: базовом (опорном), распределения и доступа. Это обеспечит полную совместимость оборудования на сети и возможность использования единой системы управления. Такая система, работающая со всей предлагаемой производителем линейкой оборудования, гарантирует единое управление в масштабах всей сети и экономию при ее наращивании [66].

4.3. Основы проектирования сетей SDH

4.3.1. Особенности проектирования

Проектирование транспортных сетей SDH представляет собой сложный комплекс работ, связанный с решением множества разнообразных задач: правильное определение местоположения основных узлов сети, выбор топологии и архитектуры сети, резервирование основных направлений транспортирования высокоскоростных цифровых потоков и т. д.

Требуется разработка соответствующих нормативных и методических документов. Международные стандарты описывают структуры сети SDH, а также функции, электрические и оптические параметры аппаратуры систем передачи SDH в расчете на их глобальное использование. В связи с этим рекомендации ITU-Т содержат ряд вариантов параметров и процедур, характерных для различных региональных и национальных цифровых сетей. Для конкретной страны эти требования оказываются избыточными и допускают неоднозначные решения, что затрудняет взаимодействие на сети оборудования (аппаратуры) SDH различных фирм-производителей. Целесообразна также национальная регламентация некоторых процедур и схем построения сети.

Поэтому в России был разработан нормативный документ «Руководящий технический материал (РТМ) по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации» (первая редакция), который утвержден Решением ГКЭС России от 05. 03. 94 г. № 74 [70]. Уже в следующем году была принята вторая редакция РТМ, который предназначен для использования при проектировании сетей SDH и сертификации аппаратуры систем передачи SDH. Аналогичный документ в 1996 г. принят в Украине. Подготовлены и изданы также справочные материалы по проектированию сетей SDH, содержащие перечень аппаратуры систем передачи SDH и ее параметров различных фирм-производителей.

Проектирование транспортной сети SDH должно базироваться на перспективном прогнозе и среднесрочном планировании развития сети (Генеральных схемах или Программах развития и цифровизации).

Главная задача при проектировании состоит в том, чтобы правильно определить местоположение основных узлов сети и направления из соединения. Не следует экономить на количестве оптических волокон и пропускной способности систем передачи SDH, а необходимо предусматривать разумный запас оптических волокон в прокладываемых кабелях и резерв пропускной способности в линейных трактах. В перспективе это позволит успешно решать задачи развития и оптимального резервирования основных направлений сети, создания логических кольцевых структур.

Фирмы-производители оборудования систем передачи SDH постоянно совершенствуют свою продукцию, ежегодно предлагаются ее модификации с новыми возможностями. Этот прогресс за последние несколько лет хорошо просматривается на примере оборудования систем передачи SDH, производимого компанией Siemens: от базового мультиплексора типа SMA-1 уровня STM-1 в 1993 г. к мультиплексорам типа SMA-4 уровня STM-4 и типа SMA-16 уровня STM-16 в 1996 г., которые также модернизировались. В результате появились базовые мультиплексоры второго поколения типа SMA-1-R2, SMA-4-R2, SMA-16-R2 соответствующих уровней. Они обладают большими возможностями, чем их предшественники.

В 1997 г. на европейском рынке появляется базовый мультиплексор типа SMA-64-R2 уровня STM-64. Он может быть сконфигурирован как ТМ, LXC или DIM. Разработан синхронный линейный мультиплексор типа SL-64 уровня STM-64, который может быть сконфигурирован как терминальный мультиплексор (SLТ-64), линейный мультиплексор (SL‑64) или промежуточный регенератор (SLR-64). Такое оборудование позволяет построить СЛТ со скоростью передачи 10 Гбит/с.

В 1999 г. появляется сообщение, что компания Siemens разработала мультиплексор типа SMA-256 уровня STM-256, работающий на скорости передачи 40 Гбит/с [78].

В настоящее время компания Siemens производит и поставляет на рынок самое современное оборудование SDH - мультиплексоры для сети доступа типа TransXpress SMA1K, SMA1K-CP, мультиплексор типа TransXpress SL-64 и др., а также оборудование систем передачи DWDM: типа Infinity WL-16, которое обеспечивает пропускную способность одного ООВ 2,5 Гбит/с х 16 = 40 Гбит/с и типа WaveLine MN с пропускной способностью одного ООВ 2,5 Гбит/с х 64 = 160 Гбит/с [63, 87]. Рассмотрим основные этапы проектирования сети SDH на конкретном примере [77].

4.3.2. Техническое задание на проектирование

Типичное техническое задание на проектирование сети SDH содержит следующие основные исходные предпосылки (данные):

в некотором районе местности, например города, необходимо построить 6 цифровых АТС;

предполагается связать все станции в единую сеть, используя технологию SDH;

цифровая электронная коммутация АТС позволяет использовать как ОЦК со скоростью передачи 64 кбит/с, так и первичные цифровые каналы со скоростью передачи 2048 кбит/с;

указанные цифровые каналы имеют интерфейсы G.703 и могут быть сопряжены с соответствующими каналами систем передачи магистральной сети;

проектируемую сеть предполагается построить в два этапа: первый осуществляется, например в 2001 г., а второй - в 2002 г.;

существующий и предполагаемый в 2002 г. сетевой трафик, пересчитанный на число первичных цифровых каналов со скоростью передачи 2048 кбит/с, представлен в табл. 4.1 числами слева от главной диагонали ABCDEF (за основу для примера принята схема трафика, приведенная в работе [77]);

первичные цифровые каналы должны иметь стопроцентное резервирование, т. е. систему защиты типа «1+1»; они представлены числами в указанной табл. 4.1 справа (сверху) от диагонали ABCDEF.

Таблица 4.1

Узлы

Годы

2001

2002

2001

2002

2001

2002

2001

2002

2001

2002

2001

2002

30/10

70/14

30/5

50/10

30/3

60/12

10/1

15/3

10/0

17/4

30/10

70/14

7/2

17/4

4/0

10/4

5/0

7/2

4/1

8/2

30/5

50/10

7/2

17/4

2/2

7/7

3/1

30/3

60/12

4/0

10/4

2/2

7/7

4/1

10/1

15/3

5/0

7/2

3/1

2/0

10/0

17/4

4/1

8/2

4/1

2/0

Итого

110/19

212/43

50/13

112/26

39/9

77/22

36/5

81/24

15/1

27/6

14/1

31/7

Необходимо выбрать топологию сети и оборудование SDH для ее построения. Выполнение задания на проектирование включает решение следующих основных задач:

выбор топологии сети;

определение количества мультиплексоров и их уровня;

изучение поставщиков оборудования, выбор поставщика и номенклатуры сменных блоков;

определение конфигурации мультиплексных узлов сети и составление спецификации оборудования.

4.3.3. Выбор топологии сети

Широкое повсеместное распространение оборудования SDH в базовых распределительных сетях и сетях доступа в последнее время связано не только со строительством новых, преимущественно линейных или кольцевых сетей, но и с модернизаций старых (городских) телефонных сетей. На такой сети в ряде случаев для обеспечения связи друг с другом АТС в пределах одного района связывались в так называемое технологическое кольцо.

Если цифровые потоки на отдельных участках такого технологического кольца отличаются по пропускной способности значительно, то использование характерных кольцевых топологий SDH бывает не всегда оправдано. Это приводит к завышению необходимого количества цифровых каналов в структуре кольцевой сети и, как следствие, к необходимости использовать в пунктах доступа DIM более высокого уровня иерархии.

В таких случаях может оказаться, что экономически целесообразнее, т. е. дешевле, использовать сети ячеистой структуры, основанные на топологиях «точка - точка» и «звезда», так как современные мультиплексоры позволяют использовать последнюю топологию с достаточно большим количеством лучей за счет применения более гибких схем кроссового соединения в центральном узле сети.

Не вдаваясь здесь подробно в анализ технического задания, можно предложить три варианта топологии: кольцевую, радиально-кольцевую и ячеистую.

Кольцевая топология. Объединение всех шести цифровых АТС в кольцо требует применения мультиплексоров уровня STM-4 с результирующим цифровым потоком 4 х 63 = = 252 первичных цифровых канала со скоростью передачи 2048 кбит/с, так как общий цифровой поток по кольцу, определяемый максимальным потоком на одном из его участков, равен 212 первичных цифровых потоков (в табл. 4.1 - общий поток через узел А проектируемой сети в 2002 г.). Преимуществом такого решения может быть только стопроцентное резервирование всех, а не только требуемых цифровых каналов.

Радиально-кольцевая топология. Поскольку только два узла сети (узлы Е и F) имеют меньше 63 первичных цифровых канала - 27 и 31 соответственно (см. табл. 4.1), то кольцо должно иметь в своем составе 4 мультиплексора уровня STM-4 и одну радиальную ветвь (если АТС узлов Е и F связаны между собой непосредственно) или две радиальные ветви (если узлы Е и F подключаются к кольцу порознь - Е к С, a F к D и не связаны между собой непосредственно). Радиальные ветви (участки) требуют топологии «точка - точка» типа «плоское кольцо» или системы защиты типа «1+1» (см. рис. 4.2), если защита используется. При этом точка, контактирующая с кольцом (см. рис. 4.10), или мультиплексор связи должен быть типа DIM, а не типа ТМ с целью обеспечения переключения цифрового потока с кольцевого маршрута на радиальный.

Поэтому при первом варианте решения потребуется четыре мультиплексора уровня STM-4 и три мультиплексора уровня STM-1, а при втором - на один мультиплексор уровня STM-1 больше.

Ячеистая топология. Эта топология может иметь вид, показанный на рис. 4.19. Ячеистая сеть состоит из двух ячеек и содержит шесть узлов. Каждый из них на практике соответствует мультиплексору уровня STM-N, установленному на цифровой АТС. В рассматриваемом примере на АТС узлов А, В, С и Д сети устанавливаются мультиплексоры уровня STM-4, а на АТС узлов Е и F - уровня STM-1, так как цифровые потоки между узлами С и Е, Е и F, D и F сети содержат меньше, чем 63 первичных цифровых канала.

Рис. 4.19

Представленная структура приводит к минимальному количеству требуемых мультиплексоров различных уровней и с этой точки зрения она оптимальна, однако при необходимости обеспечения защиты выделенных первичных цифровых каналов возникают сложности.

Вопросы защиты здесь решаются путем направления выделенных первичных цифровых каналов по двум маршрутам с совпадающими конечными точками сети, например по маршрутам А→В и A→C→D→B. Такая схема защиты «по разнесенным маршрутам» иногда более предпочтительна, чем система защиты типа «1+1» в топологии «кольцо» сети SDH. Однако она требует более тщательного расчета числа цифровых потоков, проходящих по отдельным участкам сети. Этот расчет необходимо проводить для того, чтобы убедиться, что количество потоков не превышает возможности кросс-коннектора узлового мультиплексора, прежде чем ответить на вопрос о том, какого уровня мультиплексор может быть использован на данном узле сети (на данной АТС).

Рассмотрим эту проверку более подробно, основываясь на сведениях, приведенных в табл. 4.1. В результате получим сводные данные об основных и резервных цифровых потоках, проходящих по участкам ячеистой сети между узловыми мультиплексорами на АТС. Эти данные приведены в табл. 4.2, где защищаемые первичные цифровые каналы, проходящие по резервным маршрутам, помечены буквой «р». Число каналов приведено по 2001 - 2002 гг. В нижней (последней) строке указаны итоговые суммы на втором этапе.

Таблица 4.2

А→В	А→С	В→D	C→D	С→Е	D→F	Е→F
А-В 30/70	А-В(р) 10/14	А-В(р) 10/14	А-В(p) 10/14	А-Е 10/15	А-Е(p) 1/3	А-Е(p) 1/3
А-С(р) 5/10	А-С 30/50	А-С(р) 5/10	А-С(p) 5/10	A-F 10/17	A-F(p) 0/4	A-F 10/17
A-D 30/60	A-D(р) 3/12	A-D 30/60	А-D(p) 3/12	В-Е(p) 0/2	В-Е 5/7	В-Е 5/7
А-Е(р) 1/3	А-Е 10/15	А-Е(р) 1/3	B-C 7/17	B-F(p) 1/2	B-F 4/8	B-F(p) 1/2
A-F(р) 0/4	A-F 10/17	A-F(p) 0/4	B-D(p) 0/4	С-E 0/3	С-Е(p) 0/1	С-Е(p) 0/1
В-С(р) 2/4	В-С(р) 2/4	В-С 7/17	C-D 2/7	D-F(p) 0/1	D-F 0/4	D-F(p) 0/1
B-D(р) 0/4	B-D(р) 0/4	B-D 4/10	С-Е(p) 0/1	-	-	E-F 0/2
В-Е(р) 0/2	В-Е(р) 0/2	В-Е 5/7	D-F(p) 0/1	-	-	-
B-F(р) 1/2	B-F(р) 1/2	B-F 4/8	-	-	-	-
C-D(р) 2/7	C-D(р) 2/7	C-D(p) 2/7	-	-	-	-
Сумма 166	Сумма 127	Сумма 140	Сумма 66	Сумма 40	Сумма 27	Сумма 33

Приведенными в таблице основными маршрутами в качестве резервных были выбраны следующие соответствующие маршруты первичных цифровых потоков:

основной А→В, резервный А→С→D→B;

основной А→С, резервный А→В→D→С;

основной В→D, резервный B→А→С→D;

основной C→D, резервный С→А→B→D;

основной С→Е, резервный C→D→Е→F;

основной D→F, резервный D→C→E→F;

основной Е→F, резервный Е→C→D→F.

Здесь необходимо отметить, что в представленной структуре сети резервные первичные цифровые потоки проходят по маршрутам в пределах одной ячейки.

Полученная табл. 4.2 подтверждает правильность выбора уровней мультиплексоров в узлах сети и может служить показателем эффективности использования коммутационной способности этих узлов.

В результате проведенного краткого анализа возможных топологий проектируемой сети ячеистую сеть с топологией, представленной на рис. 4.19, можно рекомендовать для использования как оптимальную, так как она при минимальном количестве мультиплексоров (четыре мультиплексора уровня STM-4 и два - уровня STM-1) удовлетворяет сформулированным условиям по резервированию указанных первичных цифровых каналов.

4.3.4. Изучение поставщиков и выбор номенклатуры оборудования

Для конфигурации узлов сети, составления спецификации сменных блоков и разработки блок-схемы соединений сменных блоков на всех узлах сети, кроме показанной на рис. 4.19 топологии сети и тех сведений, которые содержатся в табл. 4.1 и 4.2, необходимо иметь номенклатуру функциональных сменных блоков (желательно знать их назначение и функциональные возможности). Поэтому необходима привязка к оборудованию системы передачи SDH конкретной фирмы-производителя.

Промышленность Украины аппаратуру и оборудование систем передачи SDH пока не производит, ОАО «Прожектор» (г. Малин Житомирской обл.) готовится наладить производство мультиплексоров уровня STM-1типа СММ-155.

Однако в стране за последние несколько лет иностранными компаниями Ericsson, Nortel, Siemens и другими построено и введено в эксплуатацию несколько систем передачи SDH на магистральной транспортной сети - это СЛТ Львов - Киев - Харьков уровня STM-16 с оборудованием компании Ericsson, СЛТ Одесса - Киев - Чернигов уровня STM-4 с оборудованием компании Nortel, СЛТ Львов - граница Польши уровня STM-4 с оборудованием компании Lucent и др. Кроме того, на сетях доступа в городах Киеве, Харькове, Одессе и других активно внедряются кольцевые топологии сетей с DIM цифровых потоков. Например, в г. Днепропетровске новая сеть абонентского доступа реализована по кольцевому принципу с использованием оборудования систем передачи SDH компании Lucent [20, 87].

Ниже приводится перечень аппаратуры и оборудования систем передачи SDH некоторых фирм-производителей.

Lucent. Аппаратура систем передачи SDH представлена мультиплексорами и оборудованием серии 2000, а также устройствами управления:

ISM-2000 - базовый мультиплексор, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, регенератор и DIM сигналов уровня STM-1, как ТМ, SLM и мультиплексор выделения/вставки уровня STM-4 и как ТМ уровня SТМ-16;

SLM-2000-4 - синхронный линейный мультиплексор уровня STM-4, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, регенератор или мультиплексор выделения/вставки; может использоваться в различных топологиях сети SDH с автоматическим резервированием, принимает до четырех цифровых потоков плезиохронных ЦСП со скоростью передачи 140 Мбит/с или сигналов уровня STM-1 и мультиплексирует их в сигнал уровня STM-4;

SLM-2000-16 - синхронный линейный мультиплексор уровня SТМ-16; он может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, регенератор или DIM; может использоваться в различных топологиях сети SDH с автоматическим резервированием, принимает до 16 цифровых потоков уровня Е4 систем передачи PDH или сигналов уровня STM-1 и мультиплексирует их в сигнал уровня STM-16;

DACS-V-2000 и DACS-VI-2000 - аппаратура оперативного переключения высокой пропускной способности, управляемая микропроцессорами; она обеспечивает полную неблокируемую кроссировку (кросс-соединение) цифровых потоков плезиохронных сетей со скоростями передачи 2 и 140 Мбит/с и синхронных сетей со скоростью передачи 155 Мбит/с (сигналов VC-12 и VC-4 соответственно); она также используется для гибкого смешивания плезиохронных и синхронных цифровых потоков [75].

К современному оборудованию SDH компании Lucent относятся мультиплексоры типа WaveStar TM1, AM1, AM1 Plus, WaveStar TDM 10G и др.

Nortel. Аппаратура систем передачи SDH представлена серией TN-xx.

TN-1C, TN-1P - современные компактные синхронные мультиплексоры уровня STM-1, имеющие 16 портов для первичного цифрового канала или один порт для третичного цифрового канала системы передачи PDH со скоростью передачи 34 Мбит/с;

TN-1X - базовый синхронный мультиплексор сигналов уровня STM-1, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, регенератор, оптический концентратор или DIM [164];

TN-4X - базовый синхронный мультиплексор сигналов уровня STM-4, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, регенератор, оптический концентратор или DIM;

TN-16X - базовый синхронный мультиплексор сигналов уровня STM-16, который может быть сконфигурирован как терминальный или линейный мультиплексор, или регенератор;

TN-MS - оборудование системы управления элементами сети SDH.

Alcatel. Аппаратура и оборудование систем передачи SDH представлены серией 16хх (мультиплексоры, кросс-коннекторы), 96хх (системы радиорелейной связи) и 13хх (системы управления):

1631FX - волоконно-оптический расширитель, имеет три входных модуля 4x2 Мбит/с и линейный оптический выход со скоростью передачи 51,84 Мбит/с (уровень ОС-1 системы передачи SONET) для сопряжения (стыковки) с дополнительным входом сигналов уровня ОС-1 мультиплексоров типа 1641SМ и 1651SМ;

1641SМ - мультиплексор выделения/вставки уровня STM-1, имеет дополнительный вход сигналов уровня ОС-1;

1641SM/C - компактный вариант мультиплексора типа 1641SМ для оборудования узлов сети с малым количеством каналов со скоростью передачи 2 Мбит/с (интерфейсные модули 8x2 Мбит/с);

1651SM- мультиплексор выделения/вставки уровня STM-4;

1651SM/C - мультиплексор выделения/вставки уровня STM-4, который может быть оборудован двумя интерфейсными платами уровня STM-16 с возможностью обработки половины потока со скоростью передачи 2488,32 Мбит/с с пропуском без обработки другой половины такого потока;

1661SM- мультиплексор выделения/вставки уровня STM-16;

1661SM/C - мультиплексор выделения/вставки уровня STM-16 (с цифровыми потоками нижнего уровня VC-12), имеет мощную встроенную аппаратуру оперативного переключения;

1664SM/C - мультиплексор выделения/вставки уровня STM-16, аналогичен мультиплексору типа 1661SМ, но оптимизирован для работы на четырехволоконных кольцевых СЛТ;

1674SM/C - мультиплексор выделения/вставки уровня STM-64;

1654SL - оборудование СЛТ, рассчитанное для работы с цифровым потоком уровня STM-4 (4 потока PDH со скоростью передачи 140 Мбит/с или 4 потока уровня STM-1, или комбинации указанных цифровых потоков);

1664SL - оборудование СЛТ, рассчитанное для работы с цифровым потоком уровня STM-16 (16 потоков PDH со скоростью передачи 140 Мбит/с или 16 потоков уровня STМ-1, или комбинация указанных цифровых потоков);

1644SX - электронный цифровой кросс-коннектор потоков PDH уровня Е4 или потоков SDH уровня STM-1, позволяет осуществить неблокируемое кроссовое соединение до 512 потоков со скоростями передачи 140/155 Мбит/с;

1641SX - синхронный кросс-коннектор класса DXC-4/3/1 потоков со скоростями передачи 1,5; 2; 34; 45; 140; 155 и 622 Мбит/с с максимальной производительностью эквивалентного кросс-соединения 192 потоков уровня STM-1;

96хх - комплекс аппаратуры и оборудования радиорелейных микроволновых систем передачи SDH, включающий следующие модификации:

LH - система передачи уровня STM-1 с длинными межстанционными секциями;

UH - система передачи уровня STM-1 для работы в городских условиях;

LM -система передачи уровня ОС-1 для работы в сетях доступа;

UM -система передачи уровня ОС-1 для работы в городских условиях;

9667ТН - комплекс аппаратуры и оборудования транспортных радиорелейных систем передачи уровня STM-1;

1353SH - менеджер элементов сети для систем передачи SDH уровней STM-1, STM-4, STM-16;

1353RМ - региональный менеджер систем передачи SDH на уровне управления сетью (управляет системами типа 1353SH);

1353WX - менеджер элементов для кросс-коннекторов (рассчитан для работы как с потоками PDH, так и с потоками SDH);

1354NN - менеджер национальной сети для систем передачи PDH и систем передачи SDH (управляет менеджерами типа 1353RМ).

Современным оборудованием компании Alcatel технологии SDH на сети доступа являются мультиплексоры типа Optinex 1631 FOX, 1640 FOX и др.

Siemens. Аппаратура и оборудование систем передачи SDH представлена следующими основными сериями: SMA-xx, SXC-xx, SL-xx.

SMA-1 - базовый блочный синхронный мультиплексор уровня STM-1, который может быть сконфигурирован как ТМ, LXC или DIM;

SMA-1-R2 - аналогичный мультиплексор второго поколения;

SMA-4 - базовый блочный синхронный мультиплексор уровня STM-4, который может быть сконфигурирован как ТМ, LXC или DIM;

SMA-4-R2 - аналогичный мультиплексор второго поколения;

SMA-16 - базовый блочный синхронный мультиплексор уровня STM-16, который может быть сконфигурирован как ТМ, LXC или DIM;

SMA-16-R2 - аналогичный мультиплексор второго поколения;

SMA-64-R2 - базовый блочный синхронный мультиплексор уровня STM-64, который может быть сконфигурирован как ТМ, LXC или DIM;

SMT-1D - синхронный двухтерминальный мультиплексор уровня STM-1, который может быть сконфигурирован как двойной ТМ, концентратор или DIM; он является составной частью мультиплексоров второго поколения серии SMA-R2;

SL-1 - аппаратура СЛТ уровня STM-1, которая может быть сконфигурирована как ТМ типа SLT-1, DIM типа SLA-1 или регенератор типа SLR-1;

SL-4 - аппаратура СЛТ уровня STM-4, которая может быть сконфигурирована как ТМ типа SLT-4, DIM типа SLA-4 или регенератор типа SLR-4;

SL-16 - аппаратура СЛТ уровня STM-16, которая может быть сконфигурирована как ТМ типа SLT-16, DIM типа SLA-16 или регенератор типа SLR-16;

SL-64 - аппаратура СЛТ уровня STM-64, которая может быть сконфигурирована как ТМ типа SLT-64, DIM типа SLA-64 или регенератор типа SLR-64;

SXC-4/1 - синхронный модульный кросс-коннектор, который может быть использован для кросс-соединения без блокировки потоков E1, Е3, Е4 и STM-1 с эквивалентной максимальной нагрузкой до 16384 порта для потоков со скоростью передачи 2 Мбит/с;

SXC-4/4 - синхронный модульный кросс-коннектор, который может быть использован для кросс-соединения без блокировки потоков Е4 и STM-1 с эквивалентной максимальной нагрузкой до 1024 порта для потоков со скоростью передачи 140/155 Мбит/с;

EMN-OS - элемент-менеджер регионального уровня для управления элементами сетей SDH;

SMN-OS - сетевой менеджер национального уровня для управления сетями SDH.

Представленный перечень компаний и производимых ими аппаратуры и оборудования ни в коей мере не претендует на полноту; более подробные сведения об этом изложены в работах [38, 63, 77].

Для рассматриваемого здесь примера проектирования сети SDH выбрано оборудование фирмы Nortel. Хотя оно не является новым, но автор руководствовался следующими соображениями.

Во-первых, это оборудование практически используется в Украине, в частности, на линии передачи Одесса - Киев - Чернигов, где СЛТ уровня STM-4 с пунктами выделения/вставки и системой защиты типа «1+1» построен с использованием аппаратуры типа TN-1X и TN-4X компании Nortel.

Во-вторых, наиболее полные сведения у автора имеются именно об этом оборудовании.

В-третьих, это всего лишь пример проектирования, а не практический выбор аппаратуры и оборудования для применения в реальном СЛТ.

Конструктивно базовый синхронный мультиплексор типа TN-1X выполнен в виде моноблока, габаритные размеры которого: высота -525 мм, ширина - 450 мм (с учетом кромок 535 мм), глубина - 250 мм (со съемными элементами 280 мм) соответствуют проекту европейского стандарта ETSI-ETS 300-119, часть 4 [164].

Моноблок имеет:

верхний отсек (секцию), в котором размещаются сменные (съемные) блоки (платы, ТЭЗ);

нижний отсек, где находятся интерфейсные модули (карты) и соединительные кабели, обеспечивающие внешние электрические соединения моноблока;

средний (центральный) отсек, который содержит панель местного доступа оператора LCAP (Local Craft Acceass Panel) и блок для подключения оптических кабелей с поддоном для их укладки.

Моноблок может иметь несколько вариантов компоновки, один из которых показан на рис. 4.20.

^*Не свободная, когда канальный блок типа STM-1 подключен в позицию S2;

^**Не свободная, когда канальный блок типа STM-1 подключен в позицию S9.

Рис. 4.20

Верхний отсек обеспечивает установочные позиции с разъемами для шести типов сменных блоков (префикс S используется для обозначения номера позиции в отсеке):

канальные блоки типа 2М (2 Мбит/с) устанавливаются в позиции S2, S4, S9 и S11; каждый блок обслуживает 16 портов для сигналов, поступающих на эти порты со скоростью передачи 2 Мбит/с (за исключением блока в позиции S11, где задействованы только 15 портов (см. подразд. 2.3.2);

канальные блоки типа STM-1 (155 Мбит/с) подключаются только в позиции S2 и S9; каждый блок занимает два установочных места, т. е. блок в позиции S2 занимает установочные места S2 и S3, а блок в позиции S9 - места S9 и S10; каждый блок обслуживает порт с доступом максимум к 16 каналам сигналов TU-12;

линейные (агрегатные) блоки типа STM-1 или (и) STM-4 могут быть электрическими (блок типа STM-1E) или оптическими (блоки STM-1 и STM-4) и подключаются в позиции S6 и S7;

устройство управления нагрузкой (одно или два) занимают позиции S5 и S8; каждый блок может работать в основном или запасном режиме и отдельно соединяется с канальным и линейным блоками; при работе оба устройства активны, но выход резервного блока не задействован (не используется);

контроллер мультиплексора устанавливается в позицию S14, осуществляет функции общего контроля и управления работой мультиплексора, имеет стандартный интерфейс к шине сигнализации;

блоки электропитания (один или два) занимают позиции S12 и S13; блоки работают в режиме разделения нагрузки, однако каждый из них в отдельности способен обеспечить питание всего оборудования мультиплексора.

Таким образом, представленный вариант компоновки верхнего отсека содержит 14 установочных позиций для сменных блоков мультиплексора. Все сменные блоки, независимо от размера передней панели и количества электронных элементов (микросхем, навесных деталей), выполнены на печатных платах европейского стандарта длиной 233 мм и шириной 220 мм.

Нижний отсек предназначен для размещения интерфейсных модулей, которые представляют коннекторы для внешних соединений. Существует два вида интерфейсных модулей:

интерфейсные модули трафика TIM (Traffic Interface Module), где расположены коннекторы для подключения трафика;

сервисные интерфейсные модули SIM (Service Interface Module), где находятся коннекторы общего назначения (питания, синхронизации, сигнализации и т. д.).

Чтобы различать TIM и SIM с различными функциональными возможностями, они идентифицируются по типовым номерам. Различают четыре типа TIM и три типа SIM:

TIM типа 10 (75-омный модуль подключения трафика) содержит 16 коаксиальных коннекторов для восьми канальных портов сигналов со скоростью передачи 2048 кбит/с (один порт образуют передающая и приемная пары коннектора);

TIM типа 22 (120-омный модуль подключения трафика) содержит два 25-контактных коннектора для восьми канальных портов сигналов со скоростью передачи 2048 кбит/с (один порт образуют пара контактов в передающем и пара контактов в приемном коннекторах);

TIM типа 30 (высокоскоростной модуль подключения трафика) имеет два коаксиальных коннектора для электрического линейного (агрегатного) порта сигналов STM-1 (скорость передачи 155,52 Мбит/с);

TIM типа 50 (высокоскоростной модуль подключения трафика) имеет два коаксиальных коннектора для электрического канального порта сигналов STМ-1;

SIM типа 10 (модуль станционного обслуживания) содержит четырехконтактный коннектор для подключения двух источников питания, 15-контактный коннектор для порта управления сетью Q₃ (LAN) и 15-контактный коннектор для соединения с шиной сигнализации;

SIM типа 20 (75-омный модуль синхронизации) снабжен двумя коаксиальными коннекторами для передачи и приема внешних сигналов тактовой частоты 2048 кГц;

SIM типа 40 (универсальный модуль доступа) содержит 25-контактный коннектор для соединения с панелью местного доступа оператора.

Вариант компоновки нижнего отсека моноблока мультиплексора типа TN-1X показан на рис. 4.20 (префикс Т используется для обозначения номера позиции интерфейсного модуля в отсеке). Из рисунка следует, что нижний отсек содержит 16 позиций для различных интерфейсных модулей вида TIM и SIM. Эти позиции используются для следующих интерфейсных модулей:

1) TIM типа 10 или TIM типа 22 (любые из указанных типов) в позициях T2, T3, T3, T6, T10, T11, T13 и T14 обеспечивают порты 2 Мбит/с для канальных блоков типа 2М; так как каждый блок типа 2М обслуживает 16 портов 2 Мбит/с, a TIM типа 10 или TIM типа 22 содержит 8 таких портов, то для выполнения всех соединений, необходимых канальному блоку типа 2M, требуется два TIM типа 10 или TIM типа 22 (далее для краткости - TIM 10/22); это реализуется следующим образом:

а) TIМ типа 10/22 в позиции T2 обеспечивает 1...8 порты 2 Мбит/с, а в позиции T3 - 9...16 порты 2 Мбит/с (всего 16 портов) для 1-го канального блока типа 2М, который устанавливается в позицию S2 (верхнего отсека) (см. рис. 4.20);

б) TIM типа 10/22 в позиции T5 обеспечивает 17...24 порты 2 Мбит/с, а в позиции T6 - 25...32 порты 2 Мбит/с (всего 16 портов) для 2-го блока типа 2M, который устанавливается в позицию S4;

в) TIM типа 10/22 в позиции T10 обеспечивает 33...40 порты 2 Мбит/с, а в позиции T11 - 41...48 порты 2 Мбит/с (всего 16 портов) для 3-го блока типа 2М, который устанавливается в позицию S9;

г) TIM типа 10/22 в позиции T13 обеспечивает 49...56 порты 2 Мбит/с, в позиции T14 - 57...63 порты 2 Мбит/с (всего 15 портов) для 4-го блока типа 2М, который устанавливается в позицию S11;

TIM типа 30 в позициях T7 и T9 обеспечивают два порта 155 Мбит/с для линейных электрических блоков типа STM-1E, которые подключаются в позиции S6 и S7 соответственно;

TIM типа 50 в позициях T3 и T11 обеспечивают два порта 155 Мбит/с для канальных блоков типа STМ-1, которые занимают установочные места (позиции) S2 и S9 соответственно;

SIM типа 10 в позиции T16 обеспечивает два порта для подключения источников питания, порт управления сетью SDH и порт, обеспечивающий соединение с шиной сигнализации; блоки питания, для которых SIM типа 10 обеспечивает указанные порты, устанавливаются в позиции S12 и S13;

SIM типа 20 в позиции T8 обеспечивает соединения для портов передачи и приема внешних сигналов тактовой частоты 2048 кГц;

SIM типа 40 в позиции T1 обеспечивает соединение с панелью местного доступа оператора; никаких внешних соединений данный модуль не обеспечивает.

Позиции T4, T12 и T15 в нижнем отсеке являются свободными, т. е. не используются.

В целом компания Nortel может поставлять моноблоки мультиплексоров типа TN-1X и TN-4X с различными комплектами сменных блоков и интерфейсных модулей, например, разные типы линейных (агрегатных) блоков, различное количество канальных блоков типа 2М (2 Мбит/с), различные типы интерфейсных модулей и т. д.

Ниже приводится номенклатура сменных блоков мультиплексоров типа TN-1X и TN-4X, используемых в примере проектирования:

канальный блок типа 2М с двумя интерфейсными модулями TIM типа 10/22 на 16 портов 2 Мбит/с;

линейный электрический блок типа STM-1E с двумя интерфейсными модулями TIM типа 30 на 2 порта 155 Мбит/с;

линейный оптический блок типа STM-1 с двумя портами 155 Мбит/с;

линейный оптический блок типа STM-4 с двумя портами 622 Мбит/с;

блок управления нагрузкой;

контроллер мультиплексора;

блок электропитания.

4.3.5. Разработка конфигурации мультиплексных узлов сети

Учитывая в рассматриваемом примере проектирования два этапа развития сети, необходимо указать также, какие блоки мультиплексоров будут установлены на первом, а какие - на втором этапах.

Конфигурация узлов с мультиплексорами уровня STM-1. Для работы любого мультиплексора уровня STM-1 системы передачи SDH при минимальной конфигурации (один канальный блок типа 2М с двумя модулями TIM типа 10/22 на 16 первичных цифровых каналов со скоростью передачи 2 Мбит/с) требуется следующий набор блоков: 2 х 2М, 2xSTM-1, блок управления нагрузкой, контроллер мультиплексора и блоки электропитания.

Следовательно, для узлов сети Е и F, обеспечивающих на первом этапе 15 и 14 каналов типа E1, а на втором этапе 27 каналов и 31 канал типа E1 соответственно, достаточно иметь минимальную конфигурацию на первом этапе с добавлением на этих узлах по одному блоку типа 2М на втором этапе развития сети. Так как узлы сети Е и F соединяются с узлами этой сети С и D оптическим СЛТ уровня STM-1, то никаких других блоков из комплекта мультиплексора типа TN-1X не требуется. Конфигурация мультиплексных узлов сети показана на рис. 4.21.

Рис. 4.21

Конфигурация узлов с мультиплексорами уровня STM-4. Если мультиплексор данного уровня связан на сети с таким же мультиплексором как, например, мультиплексор узла В, оптическим СЛТ уровня STM-4, то для работы мультиплексора уровня STM-4 при минимальной конфигурации (один канальный блок типа 2М на 16 первичных цифровых каналов типа El) требуется следующий набор блоков: 2 х 2М, 2 х STM-4, блок управления нагрузкой, контроллер мультиплексора и блоки электропитания.

Для мультиплексного узла А, который работает в режиме выделения/вставки в технологическом кольце A→B→D→C, необходимо обеспечить 110 первичных цифровых каналов типа E1 на первом этапе и 212 каналов такого же типа на втором этапе. Для этого следует использовать 9 канальных блоков типа 2M на первом и 14 блоков на втором этапах. Учитывая, что возможности кроссовых соединений узла с мультиплексорами уровня STM-4 составляют 4 х 63 = 252 канала типа E1, а возможность размещения канальных блоков типа 2М в отсеке моноблока ограничена, предполагается использовать дополнительные моноблоки (или их отсеки), которые на рис. 4.21 обозначены как узлы A1, A2 и A3. Они связаны с основным моноблоком электрическими трактами уровня STM-1E. Изображенный на рис. 4.21 вариант является одним из возможных решений для узла А проектируемой сети SDH.

Для мультиплексора узла В проектируемой сети, который на первом этапе обеспечивает 50, а на втором - 112 каналов типа E1, на первом этапе достаточно иметь минимальную конфигурацию с добавлением двух блоков типа 2М, а на втором этапе необходимо добавить еще 4 канальных блока типа 2М (всего 7 блоков: 7x16=112 первичных цифровых каналов E1).

Для мультиплексоров узлов С и D проектируемой сети, которые фактически работают в режиме концентраторов, необходимо обеспечить доступ цифровым потокам ячейки уровня STM-1 к ячейке уровня STM-4. Последняя является по сути «технологическим» кольцом STM-4. Поэтому на узлах С и D нужно предусмотреть по одному линейному оптическому блоку типа STM-1 для связи с мультиплексорами на узлах сети Е и F оптическими СЛТ уровня STM-1 соответственно. Дополнительно мультиплексоры узлов сети С и D должны быть укомплектованы необходимым числом канальных блоков типа 2М и интерфейсных модулей TIM типа 10/22. Так как мультиплексоры узлов С и D на первом этапе должны обеспечивать 39 и 36 цифровых каналов типа E1, а на втором - 77 каналов и 81 канал этого же типа соответственно, то для узла С в итоге необходимо 5, а для узла D - 6 канальных блоков типа 2М.

Учитывая вышеизложенное и схему, показанную на рис. 4.21, можно составить спецификацию на оборудование, необходимое для построения спроектированной сети SDH. При составлении спецификации следует обратить внимание на то, что блоки мультиплексоров различных узлов сети имеют разные варианты компоновки, за исключением мультиплексоров узлов Е и F, имеющих одинаковую компоновку блоков.

Выше шла речь о проектировании и построении новой сети SDH. При модернизации ранее построенной оптической сети технологии SDH операторы озабочены решением двух практических задач: замена оборудования пунктов доступа с целью повышения пропускной способности сети и замена дорогих и сложных регенераторов более простыми и дешевыми оптическими усилителями. Методы модернизации транспортных оптических сетей рассмотрены в работе [106].

5. Основы управления сетями SDH

5.1. Краткое введение в систему управления сетями

5.1.1. Основные понятия и задачи системы управления

Назначение сети SDH, как и любой сети связи, состоит в том, чтобы обслуживать потребителей, или клиентов, например, телефонной связью. При этом абонентам должны быть предоставлены не только услуги, но и обеспечено качество связи, т. е. должна быть гарантирована своевременная и точная передача сообщений, выполнены требуемые соединения и сигнализация, обеспечена защита от потерь и прерываний во время проведения сеанса связи и т. д.

Функционирование сети с указанными требованиями невозможно без ее обслуживания на различных уровнях с помощью гибкой стандартизированной системы управления. В общем случае обслуживание сети сводится к автоматическому, полуавтоматическому или ручному управлению сетью, ее тестированию и сбору статистики о прохождении сигналов, возникающих в неординарных или аварийных ситуациях, а также к менеджменту, или административному управлению сетью. В свою очередь, эти функции невозможно осуществить без различного рода сигнализации о состояниях сети, например, сигнализации о возникновении аварийного состояния в мультиплексорах, кросс-коннекторах, регенераторах и т. д. Сигнализация должна осуществляться по специальным встроенным или зарезервированным для этого служебным каналам, которые связывают управляющие (оперирующие на сети) системы OS (Operations Systems) и управляемые объекты МО (Managed Objects), или элементы сети NE.

Первой и главной задачей системы управления сетью является обеспечение уверенности в том, что качество услуг, которые сеть предлагает своим клиентам, соответствует спецификациям. Абонент платит за предоставленные ему во время сеанса связи качественные услуги и он будет получать от сети соответствующее обслуживание, за исключением незначительных потерь качества, вызванных некоторыми ошибками функционирования сети. Истинный результат управления сетью заключается в уменьшении (минимизации) ошибок (пропусков, прерываний, переполнений и т. д.) в соответствии с предписанным качеством предоставления услуг потребителям.

Второй задачей системы управления является распределение проходящего через сеть информационного (нагрузочного) цифрового потока (трафика) таким образом, чтобы потребителя могло обслуживать минимальное количество задействованного на сети оборудования без влияния (давления) на нагрузку и обеспечение «запасного пути» в случае возникновения аварийных ситуаций при отказе (выходе из строя) какого-либо элемента сети.

Таким образом, общую задачу функционирования системы управления сетями можно сформулировать следующим выражением: «Система управления в сетях SDH должна обслуживать максимальное количество вызовов при полном обеспечении качества предоставляемых потребителям услуг и быть наиболее эффективной в ценовом выражении» [108]. Поэтому и не удивительно, что система управления в сетях SDH рассматривается как их неотъемлемая часть.

Для решения указанных задач системы управления на всех ее уровнях (физическом, логическом, информационном и административном), из которых два последних относят к особой категории управления - менеджменту, требуется разработать модель сети управления и описать типы интерфейсов связи, необходимые для реализации функций системы управления на различных участках сети [77].

В отличие от плезиохронных ЦСП, практически не имеющих стандартного описания моделей сети и интерфейсов, а также специальных управляющих каналов связи, системы передачи SDH содержат свою систему управления (подробнее см. подразд. 5.3). Она базируется на достаточно проработанной в настоящее время системе стандартов, представленных в Рекомендациях ITU-T серии М [148 - 154], где описаны модели сетей управления, интерфейсы взаимодействия, функциональные блоки и каналы управления.

Далее с практической точки зрения рассматриваются только основные аспекты системы управления сетями SDH. Построение структуры сети управления, которая должна отражать ее основные идеи и возможности, будет базироваться на соответствующие рекомендации ITU-T.

В настоящее время наибольшую популярность в мире получила открытая сетевая архитектура, использующая в своей основе эталонную модель взаимодействия открытых систем - ЭМ ВОС, или в английской аббревиатуре RM OSI (Open Systems Interconnection / Reference Model), которая для краткости далее будет именоваться модель OSI [77, 80]. При изложении материала данного раздела использованы также стандарты и протоколы модели OSI.

5.1.2. Уровни и функции системы управления

Анализ работы сети связи показывает, что ее система управления может быть разделена на функциональные слои, или уровни. Структура системы управления, основанная на стандартах модели OSI, условно показана на рис. 5.1. Такая структура системы управления транспортными сетями SDH соответствует сети управления связью TMN, приведенной в Рекомендации ITU-T М.3010, и отображает слоевую архитектуру сети TMN [108].

Рис. 5.1

Здесь выделяется пять уровней (слоев), каждый из которых выполняет определенные функции, представляя верхнему уровню последовательно обобщаемую нижними уровнями обстановку в функционирующей транспортной сети. Система управления имеет следующие уровни.

Верхний уровень управления экономической эффективностью сети, или уровень финансового управления, который осуществляет общее руководство предпринимательством в соответствии с направлениями бизнеса и требованиями потребителей сети - бизнес-менеджмент.

Уровень управления сервисом сети, который обслуживает трафик сети и менее нацелен на физическую сущность сети, - сервис-менеджмент.

Уровень систем управления сетью, который обеспечивает функциональное единство отдельных NE в единой сети управления – сетевой менеджмент.

Сетевой менеджмент позволяет оператору иметь полную картину состояния сети SDH: географическая карта с нанесенной на ней архитектурой сети показывает на экране сетевого менеджера все NE и их взаимосвязь между собой. «По щелчку мышки» можно наблюдать за состоянием NE, обрабатывая сообщения от них, управлять сетевой топологией, проверять тракты прохождения виртуальных контейнеров и т. д.

4. Нижний уровень систем управления NE, который обеспечивает однообразный вид управления элементами сети разных типов для сети управления более высокого уровня - элемент-менеджмент.

Мониторинг работы (МР) в NE может быть начат либо на уровне менеджмента элементов (информация, относящаяся к конечной точке), либо на уровне менеджмента сети (информация, относящаяся к тракту передачи). Обнаружение неисправных NE осуществляется при помощи менеджеров элементов согласно расписанию МР.

Сообщение о тревожном событии (аварийном состоянии) оборудования (элементов) сети вначале обрабатывается менеджерами элементов. Система менеджмента элементов дает графическое отображение состояния данного оборудования, аварийный статус отдельных устройств элемента обозначается световой (цветной) сигнализацией. Обработанное сообщение о событии пересылается на уровень менеджмента сети для сетевого анализа и доклада оператору сети [169].

5. Элементы сети, которыми являются все компоненты, входящие в состав сети, включая такие устройства, как различные мультиплексоры (терминальные, выделения/вставки, линейные), регенераторы, кросс-коннекторы и т. д. Таким образом, с NE взаимодействует нижний уровень системы управления - это слой элемент-менеджмента, функции которого распространяются только на NE. Слоем выше находится уровень менеджмента сети. Он управляет секциями (трактами) обмена трафиком между NE. Указанные слои могут по одиночке или с направленным интерфейсом применяться в системе сервис-менеджмента, которая поддерживает устройства (части), относящиеся к обслуживанию потребителей.

В этой структуре функционирование каждого верхнего уровня базируется на информации, поступающей с находящегося ниже уровня. Информация передается через интерфейс между этими уровнями. Рассмотрим функции системы управления более подробно применительно к указанным выше уровням.

Элемент-менеджер осуществляет управление отдельными NE, т. е. оборудованием сети (мультиплексорами, кросс-коннекторами, регенераторами и т. д.). Задачами ЕМ являются:

конфигурация элементов сети - установление параметров конфигурации, например, структуры элементов сети, количества и назначения каналов, распределения интерфейсов по потокам и т. д.;

мониторинг - определение степени работоспособности (статуса) NE, сбор и обработка сигналов о возникновении аварийных ситуаций, несущих сообщения типа «в элементе сети NE_i произошла ошибка А_i»;

управление функцией передачи - управление операционными параметрами, отвечающими за функционирование сети, а именно: проверка состояния интерфейсов, активация систем защиты для переключения на резервное оборудование;

управление функциями сети управления связью, или функциями TMN - управление потоком сигналов о возникновении аварий, адресация возникающих при этом сообщений, формирование критериев фильтрации ошибок, маршрутизация пакетов сообщений по каналам служебной связи, формируемым за счет секционных заголовков в циклах передачи сигналов, генерация и мониторинг сигналов синхронизации;

тестирование элементов сети - проведение тестов, характерных для данного типа оборудования;

локализация NE в рамках выделенного уровня - осуществление сервиса NE, специфических для данного уровня, и обработка информации от них.

Функции менеджера ЕМ могут интерпретироваться как независимые функции системы OS, осуществляемые конкретными NE с помощью данного ЕМ через сервисные интерфейсы, поддерживаемые данной системой OS. Для осуществления этих функций все NE должны быть известны и различаемы конкретной OS. Если несколько систем OS реализуют одни и те же сервисные интерфейсы, то в этом случае функции элемент-менеджмента могут быть распределены по нескольким системам OS/, как это показано на рис. 5.2.

Сетевой менеджер, или система управления сетью, предназначен для управления сетевым уровнем, или сетью в целом. На этом уровне менеджер абстрагируется от отдельных NE, рассматриваемых с точки зрения выполнения задач, выполняемых ЕМ. Это не значит, что NM их «не видит», они рассматриваются здесь как элементы, поддерживающие сетевые связи - тракты (маршруты) в системах передачи и сетях SDH.

Сетевой менеджер использует следующие функции сетевого элемента:

функцию связи, осуществляемую всеми элементами, имеющими возможность кросс-соединения;

функцию доступа к мультиплексору, осуществляемую всеми мультиплексорами;

функцию секции передачи, реализуемую между точками связи или между точкой связи и мультиплексором;

Сетевой менеджер осуществляет следующие функции:

а) мониторинг - проверку тракта передачи с использованием функции проверки окончания тракта, проверку качества передачи и самой возможности установления связи; при этом NE используется либо непосредственно самой OS, либо через OS EM',

б) управление сетевой топологией - управление функцией связи для переключения трактов передачи (в том числе и в результате сбоев) и последующего восстановления трактов;

в) локализация в рамках выделенного уровня (слоя) – осуществление сервиса NM и обработка сообщений от NE, специфических для данного уровня.

Как и в любом слое NM обеспечивает тракты для слоя сервис-менеджера.

Сервис-менеджер SM обеспечивает традиционные для сетей виды сервиса - телефонный сервис, передачу данных различного вида и др. Менеджер SM выполняет следующие функции:

а) мониторинг - проверку возможности осуществления сервиса, а также доступности трактов (маршрутов) передачи, подготовленных в слое NM;

б) управление - управление характеристиками сервиса, а также формирование запросов сетевому уровню на изменение трактов передачи;

в) локализация в рамках выделенного слоя - осуществление сервиса SM и обработка данных от NM.

Сервис-менеджер обеспечивает также информацию о новых видах сервиса для бизнес-менеджера.

Бизнес-менеджер ЕМ обеспечивает мониторинг и управление типами сервиса, формирование запросов на уровень сервиса, лежащий ниже, а также на изменение вида сервиса.

5.1.3. Модель системы управления сетями

Сеть управления связью TMN в концепции систем передачи и сетей SDH является необходимым инструментом для управления телекоммуникациями и их обслуживания. Из предыдущего пункта следует, что сеть TMN обеспечивает большой набор функций менеджмента и управления для сетей SDH и сервиса, а также поддерживает связь между сетью TMN и сетями SDH и сервисом.

Элемент-менеджер, NM и SM формируют основу (ядро) сети управления связью. Идея управления системами передачи и сетями SDH описывается в Рекомендации ITU-T G.784, где указывается, что принципы управления базируются на концепции, определенной в Рекомендации ITU-T М.3010, а именно: функциональная организация управления (конфигурация, качественные показатели, повреждения) и функциональное описание NE в объектах управления.

Основная концепция TMN определяется тщательно организованной и структуризированной сетью и заключается в формировании такой ее архитектуры, которая позволяет связать различные уровни управляющих систем: уровень управления экономической эффективностью сети, уровень управления сервисом сети и уровень системы управления сетью как между собой, так и с NE (сетевым оборудованием) для обмена управляющей информацией с помощью стандартных интерфейсов, протоколов и сообщений.

Модель системы управления современной телекоммуникационной сетью TCN (Telecommunication Network), составной частью которой является сеть SDH, или модель сети управления связью TMN, показана на рис. 5.2. Она соответствует Рекомендации ITU-T М.3010.

Рис. 5.2

Важнейшими составными частями представленной модели сети TMN являются:

оборудование системы (или систем) передачи SDH, объединенное в общую сеть с оборудованием систем доступа цифровыми коммутационными станциями (ЦКС), или элементы сети NE₁, NE₂, ..., NE_n;

сеть цифровых каналов служебной связи, или сеть передачи данных DCN (Data Communication Network), которая является составной частью сети SDH;

управляющие (операционные) системы OS₁, OS₂, ..., OS_m, которые могут быть связаны между собой через общую сеть передачи данных, управляемую рабочей станцией WS (Workstation). Станция WS также связывает операционные системы с различным оборудованием (элементами) сети SDH.

Физическое соединение между NE и OS на рис. 5.2 показано условно. Практически связь между NE и OS реализуется через интерфейс между ними с использованием каналов сети DCN. По этим каналам аварийная и управляющая информация передается от NE к центральной OS с использованием интерфейсных портов, которые имеют точки доступа к уровню физической сети TMN. Сеть управления может изменяться в очень широких пределах: от простого соединения между OS и одиночным NE до сети сложной архитектуры, соединяющей большое количество разнотипных элементов оборудования сети SDH и большое количество типов различных OS. Такая архитектура сети TMN с местным размещением OS, в отличие от централизованного управления, позволяет создать систему управления, которая обеспечивает более высокое качество услуг и наилучшее обслуживание потребителей.

В Рекомендации ITU-T М.3010 указывается, в частности, что рассмотренная модель системы управления сетями SDH может поддерживать следующие типы управления:

управление рабочими параметрами сети;

обеспечение надежности работы систем передачи и сети SDH и управление отказами их элементов;

управление конфигурацией сети;

обеспечение конфиденциальности передаваемых сообщений, циркулирующих в сетях;

управление безопасностью систем передачи SDH.

5.2. Архитектура сети управления телекоммуникациями

Архитектура сети TMN рассматривается здесь в трех аспектах [77]:

функциональном, определяющем состав функциональных блоков, который позволяет реализовать TMN любой сложности;

информационном, основанном на объектно-ориентированном подходе и принципах модели взаимодействия открытых дверей (OSI);

физическом, описывающем реализуемые интерфейсы и примеры физических компонентов TMN.

5.2.1. Функциональные блоки сети TMN и их компоненты

Сеть управления содержит несколько функциональных блоков, которые выполняют одноименные функции:

блок OSF выполняет функции управляющей (операционной) системы OS;

блок MDF выполняет медиаторную (MD) функцию, т. е. функцию устройства сопряжения;

блок NEF выполняет функцию элемента сети NE.

блок QAF выполняет функцию Q-адаптера QA.

Блок WSF выполняет функцию рабочей станции WS.

Указанные функциональные блоки и взаимосвязь между ними изображены на рис. 5.3, где пунктиром отмечены границы TMN. Из этого рисунка следует, что три из представленных блоков, выполняющих функции NEF, QAF и WSF, принадлежат TMN лишь частично.

Рис. 5.3

Для обмена информацией между блоками сети TMN используются функция передачи сообщения MCF (Message Communications Function) и функция передачи данных DCF (Data Communications Function).

Функция передачи данных используется для передачи информации между блоками TMN, наделенными управляющими функциями. Основная цель функции DCF - создать транспортный механизм между указанными блоками сети. В Рекомендации ITU-T М.3010 показана схема, поясняющая функцию DCF (рис. 5.4) [108].

Рис. 5.4

Функция передачи сообщения используется во всех функциональных блоках для обмена управляющей информацией, содержащейся в сообщении. Взаимодействие между функциями MCF и DCF показано на рис. 5.5. В данном случае управляющие функции сети TMN разделены на два блока - А и В, характер взаимосвязи между которыми равноправный (одноранговый). Механизм взаимодействия осуществляется путем ретрансляции DCF на уровне модели OSI. Такой механизм может обеспечить все функции, характерные для первых трех уровней модели OSI (физического, звена передачи данных и сетевого).

Рис. 5.5

Названные выше функциональные блоки сети TMN не только выполняют указанные одноименные функции, но и содержат дополнительные функциональные компоненты, которые реализуют определенные функции.

Блок OSF обрабатывает управляющую информацию с целью мониторинга и (или) управления, а также реализует функцию управляющего приложения OSF-MAF (Management Application Function).

Функция MAF фактически осуществляет управляющий (административный) сервис сети TMN, может играть роль либо Менеджера, либо Агента [77, 108] (см. подразд. 5.2.2); используется в функциональных блоках OSF, MDF, NEF и QAF.

Блок MDF обрабатывает информацию, передаваемую между блоками OSF и NEF (или между блоками OSF и QAF), позволяет запоминать, фильтровать, адаптировать и сжимать информацию, а также реализует функцию управляющего приложения MDF-MAF.

Блок NEF включает функции связи, которые являются объектом управления, и реализует функцию управляющего приложения NEF-MAF.

Блок QAF подключает к сети TMN логические объекты класса NEF или QAF, не являющиеся частью TMN, осуществляет связь между опорными точками внутри и вне TMN, а также реализует функцию управляющего приложения QAF-MAF.

Блок WSF интерпретирует информацию сети TMN в термины, понятные оператору сети.

При разработке и создании схем управления в сетях SDH предполагалось, что дополнительные функциональные компоненты будут играть самостоятельную роль в качестве блоков TMN. Однако в настоящее время они практически включены в состав функциональных блоков. К этим компонентам, кроме указанных выше функций DCF, MCF и MAF, относятся:

база управляющей информации MIB (Management Information Base) - играет роль информационного архива управляющих объектов, не является объектом стандартизации TMN, применяется во всех функциональных блоках, кроме WSF;

функция преобразования информации ICF (Information Conversion Function) - используется в промежуточных элементах для передачи информационной модели с интерфейса на интерфейс, применяется в функциональных блоках OSF, MDF и QAF;

человеко-машинная адаптация НМА (Human-Machine Adaptation) - преобразует информацию MAF к пригодному для отображения виду, применяется в функциональных блоках OSF и MDF;

функция представления PF (Presentation Function) – преобразует информацию к пригодному для отображения виду, используется в функциональном блоке WSF.

Соседние функциональные блоки, обменивающиеся информацией в TMN, разделены между собой опорными (интерфейсными) точками, которые определяют границы сервиса. Эти точки делятся на две группы. Первая группа включает точки внутри сети TMN, которые делятся на три класса:

1) q- точки между блоками OSF, MDF, NEF и QAF - обеспечивают информационный обмен между блоками в рамках информационной модели, описанной в Рекомендации ITU-T М.3010 (см. также рис. 5.3 и 5.4); эти точки делятся на два типа:

а) q_х - точки между двумя блоками MDF или блоком MDF и остальными блоками;

б) q₃ - точки между двумя блоками OSF или блоком OSF и остальными функциональными блоками;

2) f- точки для подключения блоков WSF к блокам OSF и (или) MDF (подробнее описаны в Рекомендации ITU-T М.3300);

3) х - точки для соединения функциональных блоков OSF, принадлежащих двум (разным) сетям TMN.

Точки второй группы, находящиеся вне сети TMN, делятся на два класса:

g - точки между блоком WSF и пользователем;

т - точки между блоком QAF и управляемым объектом, не принадлежащим TMN.

В соответствии с местом указанных опорных точек определяется положение соответствующих им интерфейсов сети TMN, которые обозначаются заглавными буквами. Так как опорные точки могут находиться внутри или вне TMN, то соответствующие им интерфейсы Q и F являются внутренними, интерфейс X - пограничным, а интерфейсы М и G - внешними.

Доступ к сети TMN необходим как со стороны пользователя сети, так и со стороны другой (аналогичной) сети TMN. Схема такого доступа и взаимодействия двух TMN показана на рис. 5.6 [77].

При обеспечении доступа пользователя должны быть предусмотрены стандартные в таких случаях процедуры, включая меры защиты, преобразование протоколов, трансляцию функций и сервисное обслуживание.

5.2.2. Информационная модель архитектуры сети TMN

Современная система управления сетями SDH реализуется с использованием стандартов, согласованных с моделью OSI. Но прежде чем рассматривать специальные аспекты управления сетью и логические связи между элементами системы TMN, необходимо указать на некоторые особенности использования концепции OSI в сети TMN. Стандарты модели OSI применительно к сети управления реализуются в двух аспектах.

Стандартизированная информация о состоянии (ресурсах) элементов сети SDH, сформированная объектами управления. Эта информация формируется независимо от типа элементов сети SDH, будь-то мультиплексоры, кросс-коннекторы, среда передачи и т. д.

Рис. 5.6

Стандартные протоколы для передачи управляющей информации. В определении протоколов должно быть сделано различие между управляющей (обслуживающей) и управляемой (обслуживаемой) системами.

Содержание информации, принятой от обслуживателя управляющей системы, вызывает управляющие процессы в управляемой системе. Исполнитель процессов этой системы переводит полученную управляющую информацию в конкретные действия, которые влияют на объекты управления. При этом все взаимодействие между обслуживателем и исполнителем осуществляется на основе использования протокола общей управляющей информации CMIP (Common Management Information Protocol) и сервиса общей управляющей информации CMIS (Common Management Information Service), описанных в Рекомендациях ITU-T X.711 и Х.710 соответственно.

При создании информационной модели обмена данными в сети TMN в настоящее время используется объектно-ориентированный подход и концепция Менеджер - Агент (руководитель - исполнитель). Такой подход рассматривает управление обменом информацией в сети TMN в терминах Менеджер - Агент - Объекты управления с использованием сервиса CMIS и протокола CMIP. На основании изложенного разработана общая информационная модель архитектуры сети TMN, которая показана на рис. 5.7 [108].

Рис. 5.7

Менеджер представляет собой управляющую открытую систему и является частью управления. В процессе управления он издает директивы и формирует команды для проверки состояния NE (объектов управления), приближения их параметров к пороговым значениям, изменения конфигурации сети и т. д., а также получает уведомления и доклады об исполнении переданных директив и команд. Директивы и команды, переданные от Менеджера к объектам управления МО, доводятся до них Агентом.

Агент представляет собой часть управляемой открытой системы и является частью управляющего процесса. В процессе управления он получает директивы и команды от Менеджера по управлению объектами МО и выдает ему сообщения (доклады, уведомления) от имени этих объектов управления. Для этого Агент содержит распознаватель, который руководит доступом к NE (объектам управления). Кроме того, распознаватель управляет местной регистрацией выполненных операций и руководит распределением по МО определенных сообщений. Уведомления и доклады, направляемые от МО к Менеджеру, доводятся до Менеджера тем же Агентом. Один менеджер может быть задействован в информационном обмене с несколькими Агентами и, наоборот, один Агент может взаимодействовать с несколькими Менеджерами. Агент может игнорировать директивы и команды Менеджера по соображениям нарушения режима секретности доступа к объектам управления или по другим причинам.

В представленной модели управляющая информация перемещается между Менеджером и Агентом. Менеджер является руководящей (управляющей) системой, которая осуществляет процесс управления. Агент является промежуточной функцией между Менеджером и NE (объектами управления), он осуществляет исполнительный процесс.

Функции управления, или взаимодействия между Менеджером и Агентом выполняются с использованием сервисных элементов CMISE и протокола CMIP (рис. 5.7).

Рассмотренная схема информационной модели может быть использована при обеспечении связи и взаимодействия между несколькими информационными системами на основе системы управления TMN. Схема взаимодействия трех каскадно связанных сетей TMN информационных систем А, В и С показана на рис. 5.8 [77]. На этой схеме система А управляет системой В, которая, в свою очередь, управляет системой С. Менеджер М системы А действует по следующему алгоритму.

Рис. 5.8

Он управляет системой В, ориентируясь на информационную модель этой системы. Менеджер М системы А «видит» информационную модель системы В благодаря тому, что она хранится в базе управляющей информации MIB системы В. На основе этой информации Менеджер М системы А, используя сервис CM IS и протокол CMIP, осуществляет движение вниз по набору протоколов модели OSI системы А от прикладного уровня до физического (см. подразд. 5.3.3). На физическом уровне происходит связь с набором протоколов модели OSI системы В, а затем движение по нему вверх с выходом через сервис CMIS и протокол CMIP на Агента системы А. Последний реализует директивы и команды от Менеджера М по управлению элементами (ресурсами) системы В, которые отображаются в базе MIB. По цепи обратной связи информация об изменении состояния (статуса, ресурса) объекта управления отображается в базе MIB системы В и поступает Менеджеру М системы В, который управляет системой С.

Алгоритм действий Менеджера М системы В аналогичен описанному выше для системы А. Понятно, что уведомления и доклады, получаемые Менеджером системы В, передаются далее в систему А и осуществляют изменения в MIB систем С и В.

5.2.3. Общая архитектура сети TMN

Кратко описанные выше функциональный и информационный аспекты взаимодействия систем управления на основе TMN являются хорошей основой для рассмотрения общего аспекта или собственно архитектуры сети TMN. Простой пример такой архитектуры управления сетями приведен на рис. 5.9. Здесь рассмотренные в подразд. 5.2.1 функциональные блоки представлены выполняющими только свои обязательные функции (NEF, MDF, QAF, OSF и WSF для элементов NE, MD, QA, OS и WS соответственно), хотя эти блоки могут выполнять и другие функции.

Рис. 5.9

В представленной на рис. 5.9 схеме управляющие системы OS взаимодействуют с телекоммуникационными сетями через три типа интерфейсов, которые соответствуют опорным точкам f, q_x и х. Указанные взаимодействия осуществляются через сеть передачи данных DCN, реализующую протоколы уровней 1, 2 и 3 модели OSI и поддерживающую функцию DCF. Сеть DCN может состоять из нескольких связанных между собой подсетей различного типа. Например, это могут быть подсети, образованные служебными каналами передачи данных типа DCC в сетях SDH, или локальные сети связи LCN (Local Communications Networks).

Через интерфейсы типа F сеть DCN связана с рабочими станциями WS, играющими роль мониторов управляющей системы. Интерфейсы типа Q₃ связывают DCN напрямую с NE или с Q-адаптерами QA. Последние позволяют подключать к сети оборудование, имеющее несовместимые с системой TMN интерфейсы. Интерфейс X связывает DCN с «внешним миром». Кроме того, через интерфейсы типа Q₃ сеть DCN подключается к устройствам сопряжения MD. Устройства МД в свою очередь, через интерфейсы типа Q₂ подключаются к другим сетям DCN или к подсетям той же сети DCN, например, к локальной сети LCN. Последняя через интерфейсы типа Q₂ связана непосредственно с элементами сети NE, QA или с устройством МД которое через интерфейс типа Q₁ связано с NE.

Для поддержания каждого из указанных здесь интерфейсов Q_x, F и X существуют группы протоколов. Выбор конкретного протокола зависит от требований по реализации данной физической конфигурации системы управления. Прикладной уровень - верхний уровень семиуровневой модели OSI (см. подразд. 5.3.3) - является общим для всех групп протоколов, причем он не всегда требуется.

Для интерфейса Q₃ на верхних уровнях (с 4-го по 7-й) модели OSI используются протоколы в соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.812, а на нижних уровнях - протоколы в соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.811. При этом первые три уровня протоколов требуются практически всегда, поскольку передача сообщений в сети TMN осуществляется протоколами сетевого уровня.

Если оборудование сети SDH не имеет такого универсального интерфейса, как Q‑интерфейс, то приходится конвертировать используемые протоколы и сообщения в формат соответствующего интерфейса. Такая конвертация осуществляется функциональными блоками MCF и QAF, которые могут быть реализованы в устройствах и элементах NE, QA, MD или OS.

В сетях SDH, использующих для управления концепцию Менеджер -Агент, взаимодействия в сети DCN реализуеются с использованием функции блока MCF. На рис. 5.10 показаны два примера реализации таких сетей, обеспечивающих функцию DCF в сети SDH. Объединяющий овал на рисунке указывает, что оба Q-интерфейса для передачи сигналов управления имеют объединенный транспорт.

Рис. 5.10

В первом примере (рис. 5.10, а) Менеджер управляющей системы OS реализует функцию управляющего приложения OSF-MAF и, используя интерфейс Q₃ и встроенные каналы управления ЕСС, управляет устройством сопряжения MD и элементами сети NE₁ и NE₂ через функцию блока MCF. Кроме этого, через интерфейсы Q₃ и Q_x реализуется и стандартная для концепции Менеджер - Агент схема управления устройствами MD, NE₁ и управляемым объектом МО.

Во втором примере (рис. 5.10, б) используется только эта стандартная схема управления всеми устройствами, поддержанная функциями MDF-MAF, NEF-MAF и осуществляемая через интерфейсы Q₃ и Q_x.

5.3. Общая схема управления сетью SDH

В свете вышеизложенного рассмотрим схему управления сетью SDH более подробно. Схема организационного управления сетью показана на рис. 5.11. Она является многоуровневой [108]. Нижний уровень этой схемы содержит NE сети SDH, которые обеспечивают транспортный сервис. Функции МАЕ внутри элементов осуществляют связь с одноранговыми NE и поддержку управления ими, а также между устройствами сопряжения MD и управляющей системой OS.

Рис. 5.11

Нижний уровень представленной схемы содержит три NE и в общем напоминает рис. 5.10, б (два правых блока). В каждом из этих NE логически выделены три функции: МСЕ, МАЕ и NEF. Функция МАЕ каждого NE может включать Менеджера, Агента или их обоих, или только Агента как NE₂, в качестве которого может быть, например, регенератор или оптический усилитель линейного тракта.

Управляющие сообщения, поступающие от NE сети SDH по каналам ЕСС через интерфейсы Q и F или от сетевого элемента NNE (Non-Network Element), не относящегося к сети SDH, передаются с помощью функции МСЕ. Далее эти сообщения преобразуются с помощью функции МАЕ и через Агента, интерпретирующего функцию NEF, передаются на МО. Ответная реакция объекта через Агента и Менеджера передается обратно в канал ЕСС или через интерфейсы Q и F на средний уровень устройства сопряжения MD. Этот уровень непосредственно взаимодействует с OS, которая относится к верхнему уровню и управляется от ЕМ (см. подразд. 5.4.4) или от NMS. В такой многоуровневой структуре формат передаваемых сообщений поддерживается одинаковым как при движении по горизонтали NE - NE, так и по вертикали: NE - MD - OS.

5.3.1. Подсети сети управления

Для функционального и географического разделения сети SDH, которая использует централизованную систему управления типа TMN, руководствуются двумя концепциями.

Внутри глобальной сети TMN сеть SDH может быть представлена как отдельная составная часть TMN. Протоколы, интерфейсы, возможности управления для отдельных частей сети SDH будут, безусловно, более сложными, чем при использовании их для единой сети SDH. В связи с этим в Рекомендации ITU-T G.784 разработана так называемая сеть управления сетью SDH - SMN (SDH Management Network), которая представляется как вариант от основной концепции TMN, изложенной в Рекомендации ITU-T М.3010.

Внутри сети SMN ее различные географические и функциональные части могут быть определены как подсети управления сетью SDH – SMS (SDH Management Subnetworks).

В Рекомендации ITU-T G.184 представлен рисунок, на котором показано соотношение между сетями SMS, SMN и TMN (рис. 5.12).

Рис. 5.12

Физическое соединение между полезной нагрузкой (трафиком) сети SDH и сетью TMN схематично показано на рис. 5.13, где сеть управления SMN представлена двумя подсетями SMS. Благодаря своим возможностям сеть TMN, о чем указывалось выше (см. подразд. 5.2.1), обеспечивает функции управляющих систем, которые реализуют взаимодействие с элементами сети SDH. Соединение между NE и управляющей системой сети TMN в каждой подсети SMS может осуществляться прямо или косвенно. В обоих случаях указанное соединение выполняется с использованием предназначенного для этого специального элемента (устройства), который называется шлюзовым элементом сети GNE (Gateway Network Element), так как он служит шлюзом в подсеть SMS.

Шлюзовый элемент представляет собой связующее интерфейсное звено для передачи управляющих сообщений между блоками сети TMN и элементами NE в подсети SMS. По сравнению с обычными NE шлюзовые элементы GNE's имеют дополнительные маршрутные возможности.

Элемент GNE может наделяться функцией Менеджера, с помощью которой управляющая информация передается между блоками TMN, и функциями Агента соответствующих NE. Функции управления в GNE могут запрещать сообщения об отказах или авариях (Alarms) оборудования и преобразовывать аварийные сообщения.

Рекомендация ITU-T G.784 определяет два основных типа шлюзовых элементов GNE's:

Рис. 5.13

первый тип шлюза GNE имеет встроенную функцию среды связи; в этом случае шлюзы GNE соединяют NE сети SDH с OS прямо; такие шлюзы GNE называют основными, или оконечными (на рис. 5.13 они обозначены сплошной линией);

второй тип шлюза GNE не имеет встроенной функции среды связи и способен выполнять указанное выше соединение только через промежуточный элемент, который называют промежуточным шлюзом GNE, a указанное соединение называется косвенным (на рис. 5.13 промежуточные шлюзы GNE обозначены пунктирной линией).

Связь между основным шлюзом GNE и NE устанавливается с использованием встроенных каналов управления ЕСС. Определение сроков прохождения, маршрута и сопровождение управляющих сообщений в канале ЕСС осуществляется функцией MCF, которая может быть образована в каждом функциональном блоке NEF (см. подразд. 5.2.1). Функция MCF взаимодействует с функцией управления синхронным оборудованием SEMF и формирует интерфейсы по направлениям. Управление каналом ЕСС осуществляется функцией MAF, которая является частью функции SEMF.

Архитектура подсетей SMS и их взаимодействие с устройствами OS и MD сети показано на рис. 5.14 [108]. Связь внутри сети TMN между системами OS и NE осуществляется через устройства MD или непосредственно по протоколам Q-интерфейса, а связь внутри подсети SMS обеспечивается с помощью каналов ЕСС. В работе [77] отмечается ряд особенностей архитектуры сети TMN, которая представлена на рис. 5.14.

Несколько NE могут располагаться в одном месте, доступ к которым осуществляется через шлюзы GNE, например GNE₅, GNE₆.

Функция MCF имеет возможность завершать, маршрутизировать или обрабатывать сообщения, передаваемые по каналу ЕСС или через внешний Q-интерфейс.

С использованием ЕСС можно обеспечить связь между офисами или местами установки оборудования сети TMN.

В пределах одного офиса (места установки указанного оборудования) связь между элементами обеспечивается путем использования либо ЕСС, либо каналов локальной сети LCN.

На топологию сети ЕСС ограничения не накладываются - это может быть сеть типа «звезда», «кольцо», ячеистая сеть и т. д.

Рис. 5.14

5.3.2. Основные и общие функции управления

В современных сетях SDH различают основные и общие функции управления качеством их функционирования. К основным функциям управления относятся:

управление сообщениями об аварийных ситуациях;

управление рабочими параметрами;

управление конфигурацией.

Рассмотрим эти функции более подробно.

1. Управление сообщениями об аварийных ситуациях. Оно предусматривает ведение наблюдения за сообщениями об аварийных ситуациях и отслеживание истории сигналов/сообщений о возникновении аварийных ситуаций.

Наблюдение за сообщениями об аварийных ситуациях включает обнаружение таких сообщений и фиксацию/сохранение сообщений о тех событиях и условиях, которые сопутствовали их появлению независимо от оборудования, в котором они были обнаружены. Для этого операционная система OS сети TMN должна поддерживать следующие функции:

автономное сообщение обо всех сигналах, фиксирующих возникновение аварийной ситуации;

запрос на сообщение обо всех зарегистрированных сигналах, отражающих возникновение аварийной ситуации;

сообщение обо всех таких сигналах;

разрешение/запрет на автономное сообщение обо всех сигналах, фиксирующих возникновение аварийной ситуации;

сообщение о статусе функции «разрешение/запрет на автономное сообщение обо всех подобных сигналах».

Отслеживание истории сигналов/сообщений о возникновении аварийной ситуации включает запись моментов возникновения таких сигналов и их хранение в регистровом файле, регистры которого содержат все параметры сообщения о возникшей аварийной ситуации. Эти регистры могут быть считаны по запросу или считываться периодически. Система OS определяет режим работы регистров: либо запись до заполнения с последующей остановкой или полным стиранием, либо непрерывная запись с циклическим возвратом от конца к началу с перезаписью старых событий.

Основные типы сообщений о возникновении аварийной ситуации, которые отслеживаются в сети SDH, приведены в табл. 5.1, где указаны типы аварийных ситуаций (аварий) и места их возможного возникновения, а также символы R, если требуется регистрация данного типа аварийной ситуации, и О, если такая регистрация не обязательна [77].

Таблица 5.1

Типы аварийных ситуаций	Места возможного возникновения
Типы аварийных ситуаций	SPI	RS	MS	Path НОVС	Path LOVC	SETS
TF	R
LOS	R
LOF		R
LOP				R	R
FERF			R	R	R
TIM				R	R²
SLM				R	R
LOM				R¹
AIS			R	R	R
Ехс			О
LTI						R
SD			O

В табл. 5.1 использованы следующие сокращения:

TF (Transmission Fail) - сбой при передаче;

LOS (Loss of Signal) - потеря сигнала;

LOF (Loss of Frame) - потеря цикла передачи (фрейма);

LOP (Loss of Pointer) - потеря указателя;

FERF (Far End Receive Failure) - сбой (отказ) при приеме на дальнем (противоположном) конце;

TIM (Trace Identifier Mismatch) - несовпадение идентификатора трассировки;

SLM (Signal Label Mismatch) - несовпадение типа сигнала;

LOM (Loss of Multiframe) - потеря сверхцикла;

AIS (Alarm Indication Signal) - сигнал индикации аварийного состояния;

Ехс (Excessive errors) - слишком много ошибок;

LTI (Loss of Timing Input) - потеря синхронизации на входе;

SD (Signal Degrade) - ухудшение качества сигнала;

SPI (SDH Physical Interface) - физический интерфейс сигнала SDH;

RS (Regenerator Section) - регенерационная секция;

MS (Multiplex Section) - мультиплексная секция;

Path HOVC - тракт (маршрут) VC верхнего уровня;

Path LOVC - тракт (маршрут) VC нижнего уровня;

SETS (Synchronous Equipment Timing Source) - хронирующий источник синхронного оборудования (системы передачи SDH).

2. Управление рабочими параметрами. Оно выполняет следующие функции.

Сбор данных о рабочих параметрах системы. Он, как правило, связан с определением параметров ошибок, которые описаны в Рекомендации ITU-T G.826. При этом используются следующие основные термины и понятия:

ЕВ (Errored Block) - блок с ошибками;

ES (Errored Second) - секунда с ошибками;

SES (Severely Errored Second) - секунда с серьезными ошибками;

CSES (Consecutive Severely Errored Seconds) - последовательные секунды с серьезными ошибками.

Практически используются следующие параметры ошибок, отнесенные к интервалу измерения параметров:

а) коэффициент ошибок по секундам с ошибками ESR (Errored Second Ratio);

б) коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками SESR;

в) коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками ВВЕR (Background Block Error Ratio), где под блоками с фоновыми ошибками ВВЕ понимаются те блоки с ошибками, которые не вошли в SES.

Более подробно параметры ошибок рассмотрены в подразд. 6.2.4.

Отслеживание истории мониторинга рабочих параметров. Эта процедура осуществляется заполнением двух типов регистровых файлов: 24-часового и 15-минутного. Текущий 24-часовой регистровый файл по заполнении снабжается текущей датой и перегружается в регистровый файл со вчерашней датой. Шестнадцать 15-минутных регистровых файлов образуют 4-часовую очередь с дисциплиной обслуживания «первый на входе - первый на выходе» FIFO (First Input First Output).

Использование временных окон. Общая стратегия их использования описана в Рекомендации ITU-T M.2120. В указанном выше случае с помощью OS в NE можно установить либо 15-минутное, либо 24-часовое временное окно. Как только время наступления события совпадает или выходит за границу установленного окна, генерируется уведомление о пересечении временной границы или порога сети TCN.

Генерация отчетов о параметрах системы. Данные о рабочих параметрах системы могут быть затребованы OS для анализа, используя интерфейс между OS и NE. Эти данные могут запрашиваться периодически или сообщаться в момент пересечения границы временного окна.

Мониторинг системы в недоступные интервалы времени. В интервалы времени, когда система недоступна, съем данных о параметрах NE запрещен, однако моменты его начала и конца должны фиксироваться и храниться в регистровом файле из 6 регистров и иметь возможность считываться операционной системой OS, по крайней мере, один раз в сутки.

Мониторинг дополнительных параметров. К дополнительным параметрам относятся:

а) секунда, содержащая сигнал выхода за границы цикла передачи (фрейма) ОOF (Out of Frame), OFS (Out of Frame Second);

б) число защитных переключений PSC (Protection Switch Count);

в) длительность (определенного) защитного переключения PSD (Protection Switch Duration);

г) недоступные секунды UAS (Unavailable Seconds).

Факт выравнивания указателя PJE (Pointer Justification Event) административного блока AU, т.е. AU PJE, а также события CSES могут быть использованы для управления, однако их мониторинг не обязателен. Если он осуществляется, то для накопления предыстории указанных параметров (кроме CSES) используются регистровые файлы с 15-минутными или 24-часовыми временными окнами таким образом, как описано выше. Для параметра AU PJE отдельно должны фиксироваться как положительные, так и отрицательные случаи PJE для одного выбранного AU внутри модуля STM-N.

Событие CSES наступает тогда, когда обнаруживается последовательность из X или больше моментов SES. При обнаружении этого состояния последовательность прерывается фиксацией начала недоступного интервала времени, в течение которого события CSES не регистрируются. Конец этого интервала фиксируется тогда, когда регистрируется секунда, не являющаяся моментом SES. По крайней мере 6 событий CSES (вместе с файлами появления первых моментов SES в последовательности) должны при этом запоминаться. Значение X устанавливается OS в интервале от 2 до 9 в процессе ее конфигурации.

3. Управление конфигурацией. Оно включает статус и защитное переключение. Основное назначение защитного (резервного) переключения состоит в том, чтобы подключить данное резервное устройство вместо основного. Для реализации указанного переключения устройство с резервированием должно обеспечивать возможность осуществлять следующие функции:

а) включение/выключение ручного режима защитного переключения;

б) включение/выключение принудительного режима защитного переключения;

в) включение/выключение блокировки;

г) запрос/установку параметров автоматического защитного переключения APS.

Кроме кратко рассмотренных выше трех основных функций управления, существуют общие функции, среди которых следует отметить управление каналами ЕСС и фиксацию временных событий.

3. Управление каналами ЕСС. Поскольку для связи между NE используются каналы ЕСС, то они должны иметь следующие функции:

а) запрос/получение сетевых параметров, таких как размер пакета, временные промежутки, качество сервиса и т. д.;

б) формирование маршрутизации сообщения между узлами канала DCC;

в) менеджмент сетевых адресов (возможное преобразование форматов адресов);

г) запрос/получение сетевого статуса канала DCC для данного узла связи;

д) возможность разрешать/запрещать доступ к каналу DCC.

Фиксация временных событий. На все события, требующие фиксации во времени, ставится временная метка с разрешением в одну секунду. Время фиксируется по показанию локального таймера данного NE.

Другие общие функции, например, защита на различных уровнях и обеспечение необходимой безопасности связи, дистанционный вход в сеть, разработка, загрузка и модификация необходимого программного обеспечения, осуществляются в настоящее время производителями оборудования систем передачи SDH.

5.3.3. Протоколы и внутрисистемные взаимодействия

Протоколы взаимодействия. Современные телекоммуникационные сети строятся по слоям, или уровням. Каждый уровень выполняет определенный набор присущих ему функций. В результате объединения уровней образуется сетевая архитектура. Она выделяет функции связи по определенным логическим группам - уровням, что в значительной степени упрощает стандартизацию.

При открытой сетевой архитектуре правила взаимодействия уровней не представляют закрытую информацию или собственность какой-либо организации, а открыты для всеобщего изучения и использования.

Каждый уровень имеет свои определенные правила и процедуры, называемые протоколами. Протоколы регулируют активность в пределах уровня и характер взаимодействия между уровнями. Допускается взаимодействие как между соседними уровнями по вертикали в пределах одного NE, так и между однотипными уровнями разных NE. В результате происходит преобразование и передача сигналов между уровнями в пределах одного NE и между различными NE. Уровни независимы друг от друга в том смысле, что изменение одного уровня или его внутренних протоколов не влечет изменения протоколов в соседних уровнях.

Разделение сети на уровни позволяет:

а) упростить построение сети и структурировать ее функции;

б) расширить набор приложений, ориентированных на пользователей сети;

в) обеспечить наращивание сети в процессе ее развития.

Открытая сетевая архитектура в своей основе использует эталонную модель OSI (ВОС), разработанную в 1977 г. совместно международными организациями ISO (MOC) и ITU-T. На сегодняшний день такая архитектура сети является базой для развития международных стандартов в области телекоммуникаций.

В рамках сети TMN подсеть SMS является сетью LCN. Связь между подсетью SMS и системой OS может осуществляться через одну или более сетей передачи данных DCN и LCN. Это требует обеспечения взаимодействия между подсетью SMS и либо сетью DCN, либо сетью LCN, также как и между сетями DCN и LCN. Ниже кратко рассматривается только взаимодействие между подсетью SMS и сетью DCN.

Взаимодействие между указанными сетями невозможно без протоколов преобразования формата сообщений, которыми обмениваются сети на интерфейсах. При передаче управляющих сообщений по каналам DCC в сетях SDH необходимо использовать набор протоколов, ориентированный на эталонную модель OSI.

Ниже приводятся уровни эталонной модели OSI, их основные функции и соответствующие им протоколы, используемые для обслуживания встроенных каналов управления ЕСС в сетях SDH.

Первый уровень - физический, он отвечает за физические и электрические параметры физических цепей и трактов между узлами сети. В сети TMN физический уровень представляет каналы DCC. Протокол канала DCC не оговорен. На регенерационной секции сети SDH для передачи управляющих сообщений используется канал DCC-R со скоростью передачи 192 кбит/с (байты D1, D2, D3 заголовка RSOH), а на мультиплексной секции - канал DCC-M со скоростью передачи 576 кбит/с (байты D4, ..., D12 заголовка MSOH).

Второй уровень - канальный, или уровень звена данных; он обеспечивает надежную передачу данных по физическим цепям. На этом уровне происходит исправление ошибок, возникающих при передаче сигналов, кодирование передаваемых и декодирование принимаемых битовых последовательностей. Данный уровень в соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.921 использует протокол доступа к звену данных для D канала LAPD (Link Access Procedure for the D Channel) и через канал DCC сети SDH обеспечивает связь «точка - точка» между каждой парой смежных сетевых узлов. При этом применяются два типа сервиса:

передача информации с подтверждением приема AITS (Acknowledged Information Transfer Service) - основана на Рекомендации ITU-T Q.921, используется по умолчанию;

передача информации без подтверждения приема UITS – основана на Рекомендациях ITU-T Q.921, Q.922 и стандарте ISO 8473.

Третий уровень – сетевой; он обеспечивает для верхних уровней прозрачность (независимость от стандарта) передачи данных и отвечает за адресацию и доставку сообщений. В соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.811 используется протокол ISO 8473. Он поддерживает неориентированный на установление предварительного соединения сервис, удобный для высококачественных высокоскоростных сетей. Этот же стандарт определяет протоколы сведения, используемые для передачи как по ориентированным, так и по неориентированным на установление соединения подсетям на уровне звена данных. Для этой цели используется функция качества обслуживания QoS (Quality of Service), параметры которой определяются протоколом ISO 8473 и относятся к компетенции сетевого оператора.

Четвертый уровень – транспортный; он управляет упорядочиванием компонентов сообщений и регулирует входящий цифровой поток, если на обработку приходят два или более пакетов одновременно. Дублированные пакеты распознаются этим уровнем и лишние дубликаты фильтруются. Требуемый транспортный протокол в сети TMN - протокол класса 4; он обеспечивает в соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.812 надежную доставку по сети и транспорт неориентированного на установление соединения нижележащего сетевого сервиса (стандарт ISO 8073/AD2). Все это осуществляется на уровне звена данных как через ориентированные, так и через неориентированные на установление соединения подсети.

Пятый уровень - сеансовый (сессионный); он открывает сеанс соединения, поддерживает диалог, т. е. управляет отправкой сообщений туда и обратно и закрывает сеанс. Этот уровень позволяет прикладным программам, работающим на разных NE, координировать свое взаимодействие в рамках отдельных сеансов. В соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.812 на данном уровне используется сеансовый протокол. Он обеспечивает синхронизацию взаимодействующих систем связи при сеансе (диалоге) и с учетом требований двух верхних уровней, управляет запросами на транспортные соединения.

Шестой уровень – представительный; он осуществляет преобразование данных из внутреннего числового формата, присущего данному NE, в стандартный коммуникационный формат (кодирование, сжатие, переформатирование пакета и т. д.). Этот уровень и нотация абстрактного синтаксиса ASN.1 (Abstract Syntax Notation One) должны обеспечивать возможность понимания как контекста, так и синтаксиса информации, передаваемой с прикладного уровня на нижележащие уровни. В соответствии с Рекомендацией ITU-T Q.812 на данном уровне используется протокол представлений.

Седьмой уровень – прикладной; он предоставляет программисту интерфейс к модели OSI. На данном уровне используется протокол общей управляющей информации СМIР (см. подразд. 5.2.2 и стандарт ISO 9596). Поддержка протокола передачи файла, дистанционного доступа и менеджмента FTAM (File Transfer, Access and Management) не требуется. В рамках CMIP используются следующие элементы:

сервисный элемент общей управляющей информации CMISE;

сервисный элемент дистанционных операций ROSE (Remote Operations Service Element);

сервисный элемент ассоциированного управления ACSE (Association Control Service Element).

Уровни с меньшим номером принято называть нижними уровнями эталонной модели OSI, а уровни с большим номером - верхними.

Внутрисистемные взаимодействия. Каналы DCC мультиплексных и регенерационных секций используют сетевой протокол режима без установления соединений CLNP (Connectionless Network Layer Protocol), описанный в стандарте ISO 8473. Связь в сети DCN между системой OS и подсетью SMS также базируется на протоколы модели OSI. Для этого используется сетевой протокол режима с установлением соединений CONP (Connection Oriented Network layer Protocol) технологии Х.25 с протоколом взаимодействия IP (Interworking Protocol) в качестве одной из опций в системе OS (протокол CONP описан в стандарте ISO 8208).

Взаимодействие между сетями SMS и DCN. Согласно эталонной модели OSI взаимодействие между подсетью SMS и DCN должно происходить на сетевом уровне, тогда как транспортный и более высокие уровни используются для взаимодействия между терминальными системами, например, шлюзом GNE и системой OS. Сетевой уровень в соответствии со стандартом ISO 7498 должен быть прозрачен для цифрового потока между оконечными системами. Этот поток обрабатывается функциями маршрутизации и ретрансляции сетевого уровня и может зависеть только от качества сетевого сервиса различных подсетей. В частности, сеть DCN по типу сетевого сервиса разбита на две части:

1) сеть, использующая режим без установления соединений CLM (Connectionless Mode), т. е. сетевой сервис режима без установления соединений CLNS (Connection-Less-mode Network Service);

2) сеть, использующая режим с установлением соединений СМ (Connection Mode), т. е. сетевой сервис режима с установлением соединений CONS (Connection-Oriented-mode Network Service).

Взаимодействие подуровней сетевого уровня регламентируется стандартом ISO 8648.

При передаче сообщений между подсетью SMS и сетью DCN происходит взаимодействие между наборами протоколов CLNP в подсети SMS и CONP в сети DCN. На нижних уровнях модели OSI взаимодействие основано на стандарте ISO 10172, который определяет функциональный блок взаимодействия IFU (Interworking Functional Unit). Блок IFU осуществляет функцию ретрансляции и (или) преобразования протокольных блоков данных PDU (Protocol Data Unit) между сетями.

Ретрансляция на сетевом уровне. Блок IFU, функционирующий в режиме ретрансляции на сетевом уровне NLR (Network Layer Relay), является регулярной промежуточной системой и представляет единственный удовлетворяющий модели OSI метод взаимодействия между оконечными системами, имеющими различные сетевые протоколы. Здесь под взаимодействием понимается функция сетевого уровня, определенная стандартами ISO 7498 и ISO 8648.

Правила функционирования протокола CLNP на сети пакетной коммутации PSN (Packet Switched Network), например, технологии Х.25 определяются функцией сведения, зависящей от подсети SNDCF (Sub-Network Dependent Convergence Function), описанной в стандарте ISO 8473.

Режим NLR блока IFU может обеспечить взаимодействие между сетями SMS и DCN, если обе сети используют протокол CLNP и соединение типа ТР-4, т. е. транспортный протокол класса 4 (Transport Class 4 Protocol), обеспечивающий обнаружение и коррекцию ошибок. В этом случае сетевой сервис верхнего уровня SMS NE - DCN OS играет роль сервиса, который соответствует режиму взаимодействия без установления соединения на сети технологии Х.25, обеспечивающей (через DCN с протоколом CONP) взаимодействие блока IFU с OS. При этом блок IFU анализирует адреса назначения сетевых протокольных блоков данных NPDU (Network Protocol Data Unit), полученных от SMN, и транслирует соответствующие протокол CLNP и протокол данных NPDU от подсети SMS на коммутируемые виртуальные цепи SVC (Switched Virtual Circuit) технологии Х.25 сети DCN.

5.3.4. Внутренние интерфейсы сети TMN

Из всех интерфейсов, взаимодействующих с сетью TMN (см. рис. 5.9), здесь рассмотрены только интерфейсы Q и F, которые являются внутренними интерфейсами сети TMN. Безусловно, наиболее важными из них являются интерфейсы, объединенных под общим названием Q-интерфейс.

Q-интерфейс. Согласно общей концепции управления телекоммуникациями (см. подразд. 5.2.1) местоположение интерфейса Q соответствует положению опорных точек q, как показано на рис. 5.9.

Для взаимодействия с сетью TMN подсеть SMS использует Q-интерфейс, имеющий три набора протоколов: В1, В2 и В3, которые определены в Рекомендации ITU-T G.773 (1990). Эти наборы протоколов были позднее заменены на наборы А1 и А2 - краткий набор протоколов и протоколы CONS1, CLNS1 и CLNS2 (вместо В1, В2 и В3 соответственно) - полный набор протоколов, которые определены в Рекомендации ITU-T G.773 (1993). В этой рекомендации описаны только наборы А1 и А2, которые в основном соответствующие интерфейсу Q_x, причем выбор соответствующего набора протоколов остается за производителем оборудования систем передачи SDH.

Профиль протоколов CONS1, CLNS1 и CLNS2 для уровней 1, 2 и 3 модели OSI описан в Рекомендации ITU-T Q.812. Они (при необходимости реализации всех уровней модели OSI) соответствуют как интерфейсу Q₃, так и интерфейсам Q_x сетей SDH.

Скорости передачи, поддерживаемые интерфейсом Q_x, зависят от набора протоколов. Для набора А1 они равны 19,2 и 64 кбит/с, хотя можно использовать и скорость передачи 128 кбит/с. Для набора А2 используется скорость передачи 1 Мбит/с или больше.

Скорости передачи, поддерживаемые интерфейсом Q₃, зависят от типа сетевого сервиса CLNS. Для протокола CLNS2 скорости передачи соответствуют ряду: 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 19,2 и 64 кбит/с (в течение некоторого переходного периода допускается использование скоростей передачи 48 и 56 кбит/с). Для протокола CLNS1 скорости передачи равны 1, 10 Мбит/с или больше. В качестве физической среды передачи цифровых сигналов для этого протокола используются экранированная скрученная (витая) пара, пара коаксиального или волоконно-оптического кабеля.

Для протокола CLNS2 в качестве соединительных разъемов допустимо использовать такие, которые поддерживают протоколы Х.21, X.21bis и интерфейсы серии V. К этим интерфейсам из широко известных относятся Х.21 и V.35.

Модель DCN с маршрутами связи интерфейсов Q₃ показаны на рис 5.15.

При этом используются следующие профили протоколов трех нижних уровней:

CLNS1 - интерфейс, использующий локальные сети Ethernet или Fast Ethernet [80] с протоколом типа ISO 8802-2 и режимом без установления соединений, применим к опорной точке между сетью LAN и системами (устройствами, элементами) OS, MD, QA, NE;

CLNS2 - интерфейс с режимом без установления соединений, использующий протокол IP на сети Х.25 с режимом установления соединений, применим к опорной точке между сетью передачи данных общего пользования с пакетной коммутацией PSPDN (Packet Switched Public Data Network) и системами (устройствами, элементами) OS, MD, QA, NE;

CONS1 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.25 с режимом установления соединений, применим к опорной точке между сетью PS PDN и системами (устройствами, элементами) OS, MD, QA, NE;

Рис. 5.15

CONS2 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.21 с режимом установления соединений и D-канал сети ISDN, применим к опорной точке между сетью ISDN и системами (устройствами, элементами) OS, MD, QA, NE;

CONS3 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.21 с режимом установления соединений и 5-канал, применим к опорной точке между сетью ISDN и системами (устройствами, элементами) OS, MD, QA, NE;

CONS5 - интерфейс, использующий протоколы части системы сигнализации по общему каналу № 7 (ОКС-7), или SS#7 (Signaling System #7), ответственной за передачу сообщений (первые три уровня ОКС-7), и части, ответственной за управление соединением канала сигнализации (протокол уровня 4 ОКС-7) с режимом установления соединений;

CONS6 - пакетный интерфейс, использующий протокол Х.25 с режимом установления соединений через локальную сеть, применим к системам (устройствам, элементам) OS, MD, QA, NE, подключаемым к LAN.

Более подробно наборы протоколов для указанных интерфейсов описаны в Рекомендации ITU-T Q.811.

Пояснения к схеме, приведенной на рис. 5.15 [77]:

Системы (устройства, элементы) OS, MD, QA, NE, которые могут подключатся к интерфейсам Q₃ на рисунке не показаны.

Функции взаимодействия типа 1 - это функции, которые выполняются на границах между подсетями и не прозрачны для оконечных систем.

Функции взаимодействия типа 2 - это функции, которые выполняются на границах между подсетями и могут быть прозрачными для оконечных систем.

Черными (заштрихованными) кружочками показаны опорные точки блоков взаимодействия IWU (InterWorking Unit).

Белые (незаштрихованные) кружочки на концах линий показывают положение интерфейсов Q₃, а соединительные линии между ними - маршруты связи между выделенными точками.

Кроме того, двухбуквенный код указывает типы сетей, подключенных к интерфейсам и вовлеченных во взаимодействие. Первая буква указывает на сеть, с которой данный интерфейс физически соединен, а вторая - на сеть, с которой соединен другой, взаимодействующий с ним интерфейс.

Например, код ga интерфейса (данный интерфейс показан снизу левого верхнего блока CLNS X.25) означает, что указанный интерфейс соединен с сетью CLNS X.25 (буква g соответствует сети с пакетной коммутацией Х.25, тип сервиса CLNS) и через сеть DCN по маршруту ga-ag связан с интерфейсом ag, который соединен с сетью PS PDN (буква а соответствует сети PS PDN, тип сервиса CONS).

Показаны две части сервиса (CLNS и CONS) сети DCN.

Пользовательская часть сети ISDN, или ISUP (ISDN User Part) - протокол управления вызовами, передающий информацию управления вызовом между узлами сети, которые поддерживают сигнализацию по общему каналу SS#7 (ОКС-7).

F-интерфейс. Через интерфейс F сеть DCN связана с рабочей станцией WS - монитором управляющей системы (см. рис. 5.9). Благодаря этой связи обеспечивается выполнение функций OSF и MDF, осуществляющих ряд действий, например:

а) общую обработку управляющей информации;

б) реализацию функции управляющего приложения OSF-MAF;

в) обработку информации, передаваемой между функциональными блоками OSF и NEF (или QAF);

г) реализацию функции управляющего приложения MDF-MAF.

Возможностей управления сетью через интерфейс F со стороны оператора сети, находящего за пультом управления рабочей станции WS, достаточно много. К ним относятся как основные, так и общие функции управления:

управление потоками сообщений о возникновении аварийных ситуаций;

управление рабочими параметрами оборудования (элементов) сети;

управление конфигурацией систем передачи и сетей SDH;

управление выставлением счетов;

обеспечение надежности и сохранение безопасности функционирования сети, а также ее тестирование.

Более подробно эти и другие возможности перечислены в прил. А Рекомендации ITU-T М.3300 [154].

5.4. Практические методы управления сетью SDH

5.4.1. Каналы служебной связи и внешние интерфейсы

В структуре цикла передачи мультиплексоров систем передачи SDH предусмотрено отдельное место (поле), которое служит для передачи служебных сигналов секционных заголовков SOH, трактовых заголовков POH и AU-указателей (см. подразд. 2.2.3, рис. 2.8). Общий размер этого поля составляет 9 х 9 + 9 = 90 байт. Учитывая, что использование каждого байта в структуре цикла передачи эквивалентно образованию цифрового канала со скоростью передачи 64 кбит/с, передача всех 90 байт соответствует созданию результирующего цифрового канала с суммарной скоростью передачи 90 х 64 кбит/с = = 5760 кбит/с.

Таким образом, получается общий канал служебной связи с достаточно большой скоростью передачи. Это позволяет осуществить передачу не только всех сигналов управления и контроля, но и отвести часть ресурса этого канала для образования необходимых внутренних каналов служебной связи (передачи данных).

Структура поля байтов служебных сигналов показана на рис. 5.16. Все 90 байт могут быть разделены на три группы.

Байты, которые не могут эксплуатироваться потребителями каналов, образованных оборудованием систем передачи и сетей SDH. Таких байтов 36 (на рис. 5.16 они заштрихованы).

Байты, которые специально предназначены для использования в служебных целях и служат для создания каналов служебной связи. Таких байтов 16, они обозначены символами и номерами, например D7. К ним относятся:

а) три байта D1, D2, D3 для образования канала служебной связи на регенерационной секции, или канала DCC-R;

б) девять байтов D4...D12 для образования канала служебной связи на мультиплексной секции, или канала DCC-M;

в) четыре байта E1, Е2, F1, F2 позволяют образовать четыре канала служебной связи со скоростью передачи 64 кбит/с в каждом (более подробно байты этой группы рассмотрены в подразд. 2.2.3).

Суммарная скорость передачи каналов служебной связи, образованных байтами второй группы, составляет 1024 кбит/с.

3. Байты, к которым пользователь имеет доступ, но их функции не регламентированы стандартами и рекомендациями. Таких байтов 38 (на рис. 5.16 они не помечены). Суммарная скорость передачи каналов служебной связи, образованных байтами третьей группы, составляет 2432 кбит/с.

Рис. 5.16

Две последние группы байтов могут быть использованы для образования различных каналов служебной связи (каналов передачи данных с различными скоростями передачи) и скоммутированы на внешние интерфейсы, к которым может подключаться пользователь оборудования систем передачи и сетей SDH. Число таких каналов, а значит и интерфейсов, определяется производителями оборудования.

Например, мультиплексоры уровня STM-4 компании Nokia имеют 6 внешних интерфейсов, возможная схема коммутации которых показана на рис. 5.17. Из рисунка следует, что блок внешних интерфейсов позволяет осуществить ряд вариантов образования каналов служебной связи, а также реализовать следующие функции [163]:

подключение физических интерфейсов, например, V.11 или G.703 к выбранным байтам поля служебных сигналов цикла передачи STM-N;

две специальные функции с гибридным набором данных DH1, DH2 (Hybrid Data) для сигналов, взятых из отобранных байтов заголовка ОН цикла передачи или из физического интерфейса V.11 (только два интерфейса V.11 могут быть соединены с блоками DH);

подключение набора протоколов Q₃ к выбранным байтам заголовка ОН цикла передачи или к внешнему физическому интерфейсу AUX (Auxiliary - блок для внешних подключений).

Такая реализация внешних интерфейсов и наличие гибридных наборов данных позволяют с помощью каналов сети SDH осуществлять управление оборудованием систем передачи PDH, подключенным к мультиплексорам систем передачи SDH с помощью интерфейсов V.11. При этом используются каналы управления со скоростью передачи 64 кбит/с, образованные потребителем с использованием байтов поля служебных сигналов заголовка ОН цикла передачи STM-N. Это дает возможность создавать на базе одной сети управления гибридные комплексы систем передачи PDH-SDH.

Рис. 5.17

Использование набора протоколов Q₃ вместе с образованными каналами служебной связи позволяет через интерфейс AUX-3 осуществить маршрутизацию управляющей информации через сеть, которая не может использовать каналы ЕСС напрямую.

5.4.2. Сеть управления на основе каналов DCC

Рассмотрим некоторую обобщенную практическую двухуровневую схему управления сетью SDH, которая состоит, например, из колец сети SDH, а каждое кольцо включает несколько NE - мультиплексоров. Соединение колец и элементов такой сети SDH формирует SMN. Эту сеть можно реализовать, используя либо встроенные (внутренние) каналы служебной связи DCC, которые образуются самим оборудованием SDH, либо построенные специально для целей управления внешние каналы между элементами, реализующие сеть Х.25 или Ethernet.

В любом случае каждый элемент сети SDH должен быть доступен для управления (для защиты наиболее важных участков сети управления может использоваться резервирование каналов).

Маршрутизация в сети управления может осуществляться на основе протокола связи (взаимодействия) между оконечной и промежуточной системами ES-IS (End System - to - Intermediate System) или протокола взаимодействия между промежуточными системами IS-IS (Intermediate System - to - Intermediate System) [108], взятых из протоколов, обслуживающих интерфейс Q₃. Это обеспечит автоматическую маршрутизацию как в процессе инсталляции сети, так и при возникновении ошибок в сети, т. е. если в каком-либо звене сети управления возникает неисправность, то используется альтернативный маршрут. Схема маршрутизации должна автоматически изменяться при изменении конфигурации мультиплексоров и сети SDH. Обычно на один NE задействовано два или три канала DCC, чтобы время маршрутизации было небольшим, однако при необходимости количество каналов может быть увеличено.

Практическая схема управления сетью SDH показана на рис. 5.18. Эта сеть состоит из двух колец, в каждом из которых включено по четыре DIM. Элемент-менеджер ЕМ (нижний уровень управления) подключен к одному из NE через интерфейс F. Сетевой менеджер NM (верхний уровень управления) подключен к сети SDH через локальную сеть с использованием интерфейса Q₃. Это может быть локальный (для данного кольца) или центральный менеджер. Кольца сети SDH также соединены между собой по контуру управления через интерфейсы Q₃.

Рис. 5.18

С учетом вышеизложенного приведем сводные данные по локальной сети и интерфейсам управления F и Q₃. Для конкретного примера выберем локальную сеть Ethernet типа 10Base-2, которой соответствует набор протоколов CLNS1. Тогда профили наборов протоколов сети SDH и интерфейса Q₃, протоколы маршрутизации, используемые в управлении сетью SDH, регламентируются стандартами ISO и рекомендациями ITU-T (табл. 5.2) [77].

Таблица 5.2

Профиль набора протоколов сети SDH	Управление сетью SDH	ITU-T G.784
	Уровни 1-3	ITU-T Q.811
	Уровни 4-7	ITU-T Q.812
Набор протоколов интерфейса Q₃	Уровень 2	ITU-T Q.921 LAPD для DCC LLC1 (ISO 8802-2) для Ethernet
	Уровень 3	CLNP ISO 8473, ISO 8348/AD2
	Уровень 4	ITU-T X.214, X.224
	Уровень 5	ITU-T X.215, X.225
	Уровень 6	ITU-T X.216, X.226
	Уровень 7	ACSE: CCITT X.211, X.221
		ROSE: CCITT X.219, X.229
		CMISE: ISO 9595-1, ISO 9596-1
Протоколы маршрутизации	ES-IS	ISO 9542
Протоколы маршрутизации	IS-IS	ISO 10589

Элемент-менеджер ЕМ формально соединен с сетью через интерфейс F. Фактически при использовании LAN Ethernet это тот же интерфейс Q₃ с указанными в табл. 5.2 протоколами уровня 2.

Каждый NE управления должен иметь свой адрес точки доступа сетевого сервиса NSAP (Network Service Access Point). Этот адрес присваивается элементу сети NE при ее инсталляции и служит для идентификации NE при подключении к нему ЕМ или NM.

При управлении конкретной сетью важным параметром является максимальное количество элементов, управление которыми возможно. Если число элементов в результате роста сети превысило максимально допустимое, например число 100, то сеть управления должна быть разбита на области с меньшим числом управляемых элементов. Такое разбиение проводится с учетом целого ряда ограничений, обычно указываемых в руководствах по маршрутизации. Чтобы осуществить такое разбиение, необходимо руководствоваться следующими положениями:

наиболее приемлемой топологией для сети управления, имеющей несколько областей, является топология «звезда», например, сеть в виде квадрата можно разбить делением его сторон пополам, что дает четыре симметричные области с центром сети управления в центре квадрата;

области управления могут не иметь ничего общего с топологией транспортной сети SDH;

нужно помнить, что, используя портативный компьютер в качестве ЕМ, при переходе из области в область необходимо изменять адрес NSAP этого компьютера.

Не рассматривая здесь подробно процедуру разбиения сети управления на подобласти, необходимо указать на важность возможности такого разбиения, которое позволяет планировать использование более совершенных схем маршрутизации. Например, уровень 1 протокола IS-IS позволяет осуществлять маршрутизацию только внутри одной области, тогда как уровень 2 позволяет выполнить маршрутизацию и между областями в пределах одного домена.

Структура адреса NSAP для протокола маршрутизации IS-IS показана на рис. 5.19, максимальная емкость этого адреса 20 байт.

Начальная часть домена IDР		Специфическая часть домена DSP
AFI	IDI	Адрес области АА	Идентификатор системы SID	NS
1 байт	2 байт	10 байт	6 байт	1 байт

Рис. 5.19

Адрес NSAP состоит из двух частей: начальной части домена IDР (Initial Domain Part) и специфической части домена DSP (Domain Specific Part).

Начальная часть домена IDP в структуре адреса NSAP занимает два поля: поле идентификатора полномочий и формата AFI (Authority and Format Identifier) размером 1 байт и поле идентификатора начальной области ID! (Initial Domain Identifier) размером 2 байт. Они фиксируются локальной схемой нумерации, которой и следуют. Правила нумерации адреса NSAP приведены в стандарте ISO 3166.

Структура специфической части домена DSP соответствует протоколу IS-IS, выбранному в данном примере в качестве протокола маршрутизации. Внутри одной области начальная часть домена IDР и адрес области АА (Area Address) емкостью 10 байт постоянны. Только идентификатор системы SID (System Identifier) размером 6 байт изменяется при передаче по сети от элемента к элементу в пределах одной области, но его размер остается постоянным. Поле выбора сети NS (Network Selection) принимается постоянным. Пример формирования и использования адреса NSAP приведен в работе [77].

5.4.3. Тактовая синхронизация элементов сети SDH

Проблема тактовой синхронизации сетей SDH является частью общей проблемы синхронизации цифровых сетей, использующих плезиохронные ЦСП и системы передачи SDH. Общие вопросы синхронизации, описанные в Рекомендации ITU-T G.810, актуальны как для плезиохронных, так и для синхронных телекоммуникационных сетей. Отсутствие хорошей тактовой синхронизации приводит, например, к относительному «проскальзыванию» цифровых последовательностей, или «слипам», что ведет к увеличению коэффициента ошибок при приеме сигналов в цифровых сетях.

Цель тактовой синхронизации - получить наилучший из возможных хронирующий источник для всех узлов сети, называемый также генератором тактовых импульсов, или таймером. Для этого нужно иметь не только высокоточный хронирующий источник, но и надежную систему передачи сигнала тактовой синхронизации на все узлы сети.

В настоящее время система такого распределения базируется на иерархической схеме, которая заключается в создании ряда точек, где находится первичный эталонный генератор тактовых импульсов, или первичный таймер. Сигналы этого первичного источника затем распределяются по сети, создавая вторичные источники - вторичный (ведомый) эталонный генератор тактовых импульсов, или вторичный таймер. Указанный вторичный источник реализуется либо в виде таймера транзитного узла TNC (Transit Node Clock), либо таймера локального (местного) узла LNC (Local Node Clock). Первичный таймер обычно представляет собой хронирующий атомный источник тактовых импульсов (рубидиевые или цезиевые часы) с точностью хода 10^-11 .Он периодически калибруется (автоматически или вручную) по сигналам универсального (мирового) скоординированного времени UTC (Universal Time Coordinated). Затем эти сигналы распространяются по каналам наземных линий связи для реализации того или иного метода тактовой синхронизации.

Методы тактовой синхронизации. Существует два основных метода тактовой синхронизации элементов сети NE, которые определены в Рекомендации ITU-T G.810:

иерархический метод принудительной тактовой синхронизации с парами ведущий-ведомый таймеры;

неиерархический метод взаимной тактовой синхронизации узлов сети.

Оба метода могут использоваться отдельно и в комбинации, однако, как показывает опыт, практически широко используется первый метод. Повсеместное внедрение сетей SDH, которые наряду с привычной топологией «точка - точка» широко используют кольцевую и ячеистую топологии сети, вызвало дополнительные сложности в решении задач тактовой синхронизации, так как для двух последних топологий маршруты сигналов в процессе функционирования сети могут меняться.

Известно [110, 164], что элементы сети SDH имеют несколько дублирующих источников тактовой синхронизации:

сигнал внешнего сетевого таймера, поступающий на NE от центрального генератора синхроимпульсов, определяемый как первичный эталонный генератор PRC (Primary Reference Clock) - это колебание частотой 2048 кГц (сигнал описан в Рекомендации ITU-T G.811);

сигнал, выделяемый из первичного цифрового потока, поступающего на интерфейс доступа данного NE со скоростью передачи 2048 кбит/с; аналог таймера транзитного узла TNC - это колебание частотой 2048 кГц (сигнал описан в Рекомендации ITU-T G.812);

сигнал, выделяемый из линейного сигнала STM-N, поступающего на оптический интерфейс данного элемента сети; сигнал определяется как линейный таймер - колебание частотой 2048 кГц;

сигнал внутреннего таймера, вырабатываемый внутренним генератором синхроимпульсов данного NE и определяемый как таймер локального узла LNC - колебание частотой 2048 кГц (сигнал описан в Рекомендации ITU-T G. 812).

Указанные дублирующие источники сигнала тактовой синхронизации элемента сети SDH показаны на рис. 5.20.

Рис. 5.20

Учитывая, что передаваемые цифровые потоки со скоростью передачи 2048 кбит/с размещаются в виртуальных контейнерах и могут «плавать» в рамках структуры вложенных контейнеров, использующих указатели, сигналы VC-12 должны быть исключены из системы тактовой синхронизации сети SDH. Относительная нестабильность источника синхросигнала внутреннего таймера невысока, порядка (1...5) • 10^-6, поэтому использовать его для получения синхроимпульсов нужно только в крайнем случае. В этом смысле наиболее надежными источниками синхронизации являются сигнал внешнего сетевого таймера и линейный таймер.

Целостность тактовой синхронизации сети PDH базировалась на использовании иерархической принудительной синхронизации (ведомый/ведущий таймеры). В ней прохождение сигналов таймеров через узлы сети было прозрачным. В сети SDH, где сигнал таймера восстанавливается в каждом узле из линейного сигнала STM-N, такая прозрачность теряется. В этой ситуации целостность тактовой синхронизации сети SDH лучше обеспечивается при использовании распределенных первичных эталонных источников PRS (Primary Reference Source). Это позволяет уменьшить накапливание ошибок в хронирующем сигнале за счет эффекта «каскадирования сигналов таймеров»: когда узел сети восстанавливает сигнал таймера по принятому сигналу и передает его следующему узлу.

Режимы работы источника тактовых синхросигналов. Предусмотрено четыре режима работы хронирующих источников узлов сети:

режим первичного эталонного таймера PRC (мастер-узел);

режим принудительной тактовой синхронизации, или режим ведомого задающего генератора (транзитный и (или) местный узлы);

режим удержания с точностью удержания 5 • 10^-10 для транзитного узла и 1 • 10^-8 для местного узла с суточным дрейфом 1 • 10^-9 и 2 • 10^-8 соответственно;

свободный режим (для транзитного и местного узлов), точность поддержания которого зависит от класса источника.

Рекомендациями международных организаций ITU-T и ETSI предложено использовать понятие уровень качества хронирующего источника. Этот уровень может быть передан в виде сообщения о статусе синхронизации SSM (Synchronization Status Message) через заголовок сигнала STM-N, для чего используются биты 5, 6, 7, 8 байта синхронизации, например S1, или последовательность резервных битов в сигнале цифрового потока E1. В этом случае при сбое в сети, вызвавшим защитное переключение, NE имеет возможность послать сообщение таймеру о необходимости использовать сигнал тактовой синхронизации, восстановленный из сигнала, принятого по альтернативному маршруту.

Современные системы управления сетью SDH могут иметь несколько уровней качества хронирующего источника (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Символ	Уровень качества хронирующего источника
PRC или G.811	Первичный эталонный таймер PRC, ITU-T G.811
Unknown	Уровень качества не известен
TNC или G.812Т	Таймер транзитного узла TNC, ITU-T G. 812
LNC или G.812L	Таймер локального узла LNC, ITU-T G.812
SETS	Таймер собственно узла SDH, инициированный линейным сигналом STM-N
Don't use	Не используется для целей синхронизации

Аттестация типа «уровень качества неизвестен» означает, что сигнал хронирующего источника получен от оборудования системы передачи SDH, на котором сервис сообщений о статусе синхронизации не реализован. Сообщение «не используется для целей синхронизации» может быть получено от линейного блока, чей интерфейс STM-N в данный момент используется для целей синхронизации.

Использование мирового скоординированного времени. Среди хронирующих источников наиболее универсальным и точным является мировое скоординированное время UTC. Для его трансляции используются спутниковые системы LORAN-C и глобальная система позиционирования (объекта) GPS (Global Positioning System). Традиционные системы приема UTC являются сравнительно дорогими и используются в основном в центрах спутниковой связи. Однако в связи с широким развитием системы GPS первичным эталонным источникам PRC была разработана альтернатива - технология локальных первичных эталонов LPR (Local Primary Reference), основанная на использовании UTC для подстройки частоты. Многие телефонные компании используют эту технологию в местах развертывания GPS для создания альтернативы таймерам класса TNC на транзитных узлах сети SDH. На таких узлах в качестве таймеров TNC устанавливаются улучшенные рубидиевые часы. В комбинации с технологией LPR использование синхронизации от UTC позволяет получать локальные первичные эталоны, существенно перекрывающие требования по точности 1 • 10^-11, установленные рекомендациями ITU-T и ETSI для первичных эталонных таймеров.

Создание системы распределенных первичных эталонных хронирующих источников позволяет не только увеличить надежность тактовой синхронизации сетей SDH, но и устраняет (при использовании сообщений о статусе синхронизации) возможности нарушения тактовой синхронизации при выполнении защитного переключения в ячеистой или кольцевой сети SDH.

Пример синхронизации кольцевой сети SDH. Основным требованием при построении сети синхронизации является наличие основных и резервных путей передачи сигналов тактовой синхронизации. Однако и в том, и в другом случае должны строго выдерживаться топология иерархического дерева и отсутствовать замкнутые петли синхронизации. Еще одним требованием является наличие альтернативных хронирующих источников. В идеальном случае альтернативные источники должны быть проранжированы в соответствии с их приоритетом и статусом.

На схеме (рис. 5.21) [77] тактовой синхронизации кольцевой сети SDH левая часть соответствует функционированию исправной сети, а правая - сбою тактовой синхронизации в сети, вызванному разрывом СЛТ между узлами В и С сети.

В схеме используется ставший классическим иерархический метод принудительной тактовой синхронизации. Здесь узел А является ведущим, или мастер-узлом, и на него подается сигнал тактовой синхронизации от внешнего PRC. От этого узла основная синхронизация (источник первого приоритета 1) распределяется в направлении против часовой стрелки, т. е. к узлам В, С и D. Синхронизация по резервной ветви (источник второго приоритета 2) распределяется по часовой стрелке, т. е. к узлам D, С и В. Начальное распределение хронирующих источников по узлам сети, которое по мнению некоторых специалистов называется планом синхронизации, приведено в табл. 5.4.

Рис. 5.21

Таблица 5.4

Узел сети	Источник первого приоритета	Источник второго приоритета
А	Внешний PRC, 2048 кГц	Не предусмотрен
В	Линейный сигнал STM-N от узла А	Линейный сигнал STM-N от узла С
С	Линейный сигнал STM-N от узла В	Линейный сигнал STM-N от узла D
D	Линейный сигнал STM-N от узла С	Линейный сигнал STM-N от узла А

При разрыве СЛТ, например между узлами В и С, узел С, не получая сигнала тактовой синхронизации от узла В, переходит в режим удержания синхронизма и посылает узлу D сообщение о статусе хронирующего источника синхронного оборудования SETS (Synchronous Equipment Timing Source) уровня качества тактовой синхронизации. Узел D, получив сообщения об уровне качества синхронизации от узлов А и С и выбрав лучший уровень (от узла А), посылает узлу С сообщение «PRC» вместо «Don't use». Узел С, получив это сообщение от узла D изменяет источник тактовой синхронизации на «РRС» от узла D.

5.4.4. Элемент-менеджеры сети

Элемент-менеджер - это прикладной программный продукт, разрабатываемый фирмами-производителями оборудования систем передачи SDH для управления и мониторинга отдельных NE. Его также называют узловым менеджером, так как фактически он управляет узлом сети SDH, который может содержать несколько элементов.

Элемент-менеджер применяется для управления не только локальными, но и удаленными узлами сети. Он может быть также использован во время ремонтных работ при вводе в действие (инсталляции) новых узлов сети, а также для мониторинга за функционированием оборудования системы передачи SDH на сети.

Элемент-менеджеры могут быть реализованы на различных компьютерных платформах, в том числе и на IBM PC совместимых компьютерах под управлением различных операционных систем, например, Windows 98, Windows NT, Windows XP и др. Информация, получаемая ЕМ в процессе работы, может храниться в файле или в базе данных, используемой менеджером сети SDH. Основное окно ЕМ, кроме стандартных пунктов меню - Options, Window, Help, содержит следующие пункты с соответствующими операциями:

Node - для работы с узлом или элементом сети NE;

Data - для отображения (размещения) хранящейся информации;

Monitor - для мониторинга сообщений о возникновении аварийных ситуаций и сообщений о рабочих параметрах оборудования сети;

Configure - для инсталляции новых узлов и изменения конфигурации существующих (действующих) узлов сети SDH.

Общие задачи, выполняемые ЕМ, описаны в подразд. 5.3.2. Остановимся только на некоторых практических аспектах выполнения наиболее важных функций: управления тактовой синхронизацией, конфигурирования кросс-соединений, мониторинга сообщений о возникновении аварийных ситуаций и сообщений о рабочих параметрах.

Управление тактовой синхронизацией. Конфигурация сети хронирования каждого узла должна быть разработана в соответствии с планом синхронизации сети в целом, как было описано выше. По этому плану с помощью ЕМ (или узлового менеджера) выполняются следующие начальные операции:

определяются источники хронирования, которые могут быть использованы в качестве эталонных;

устанавливаются приоритеты в выборе эталонных источников;

устанавливаются уровни качества передаваемых сигналов 2048 кбит/с и соответствующих им сигналов тактовой синхронизации частотой 2048 кГц;

для каждого интерфейса сигнала STM-N выбирается либо фиксированный уровень качества, либо возможность использования сообщений о статусе синхронизации;

выбирается сигнал таймера, который посылается с внешнего интерфейса.

Поскольку сигналы 2048 кбит/с и входные сигналы синхронизации 2048 кГц не несут сообщений о статусе синхронизации, оператор может установить им желаемый уровень качества вплоть до PRC, если входной сигнал 2048 кГц был взят от источника высокого класса.

Элемент-менеджер может использовать три режима работы системы тактовой синхронизации:

режим использования списка приоритетов для выбора наилучшего возможного источника синхронизации в качестве эталонного из списка, сформированного в соответствии с приоритетами;

режим ручного выбора источника тактовой синхронизации;

режим удержания синхронизма.

На экране дисплея может быть показан один из используемых режимов, список приоритетов источников и список возможных источников, где указываются имена источников, уровни их качества и доступность в данный момент.

Конфигурирование кросс-соединений. Мультиплексоры выделения/вставки и блоки аппаратуры оперативного переключения способны выполнять кросс-соединения на уровне различных виртуальных контейнеров в зависимости от типа оборудования систем передачи SDH, используемого на сети. Но если возможность кросс-соединения на уровнях VC-2 и VC‑3 реализуют только некоторые производители, причем для VC-2 (цифровой поток со скоростью передачи 6 Мбит/с), как правило, по запросу заказчика оборудования, то на уровнях VC-12 и VC-4 кросс-соединения (для европейских потребителей) реализованы практически на любом типе оборудования. Режим такого соединения - двунаправленный.

Мониторинг аварийных сообщений и рабочих параметров. Сообщения об аварийных ситуациях могут отображаться как аппаратными средствами, например светодиодными индикаторами, так и программным путем на экране дисплея ЕМ. При этом на экране может отображаться:

источник аварийного сообщения;

степень серьезности или статус проблемы;

список аварийных сообщений, относящихся к данному узлу сети;

список аварийных сообщений, относящихся к данному блоку;

журнал событий, отображающий список всех аварийных сообщений, случившихся за определенный промежуток времени, в том числе и тех, которые были ликвидированы.

Цвет индикатора о возникновении аварийной ситуации может быть различный: красный, желтый и белый или зеленый - в зависимости от степени серьезности аварии, отражаемой индикатором:

красный - наиболее серьезная аварийная ситуация, требующая активных действий (например, резервного переключения оборудования);

желтый - предупреждение (например, о возможном критическом значении какого-либо параметра данного блока);

белый или зеленый - все в порядке.

Иногда аварийные сообщения делятся на две группы: A-сообщения и B-сообщения, где A-сообщения относятся к главным или критическим, а B-сообщения - к второстепенным по степени серьезности последствий.

Что касается мониторинга рабочих параметров блоков или устройств, то режим мониторинга (15-минутные или 24-часовые интервалы времени) может быть установлен с помощью ЕМ. Соответствующие результаты мониторинга сохраняются так, как было описано выше.

Типы ошибок, фиксируемых при мониторинге - ЕВ, ES, SES, UAS, и типы функциональных блоков, для которых они определяются - RST, MST, НРТ, LPT, EPPI, приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Функциональные блоки	Типы ошибок
Функциональные блоки	ЕВ	ES	SES	UAS
RST	+	+	+	+
MST	+	+	+	+
НРТ	+	+	+	+
LPT	+	+	+	+
EPPI 2M (bsmm)	+	+	+	+
ЕРPI 2M (amm)		+	+	+
EPPI 140M (amm)		+	+	+

Фиксируемые при мониторинге ошибки указаны в подразд. 5.3.2. Функциональные блоки и другие обозначения имеют следующие наименования:

MST- окончание мультиплексной секции;

RST- окончание регенерационой секции;

НРТ- окончание маршрута VC верхнего уровня;

LPT- окончание маршрута VC нижнего уровня;

EPPI 2M - физический интерфейс потока 2 Мбит/с системы передачи PDH;

EPPI 140M - физический интерфейс потока 140 Мбит/с системы передачи PDH;

amm - асинхронный режим отображения (размещения);

bsmm - байт-синхронный режим размещения.

5.4.5. Сетевой менеджер

Сетевой менеджер - это прикладной программный продукт, разрабатываемый фирмами-производителями оборудования системы передачи SDH для управления и мониторинга сетью SDH в целом. Он осуществляет целый ряд функций управления, отмеченных в подразд. 5.3.2, и задач сетевого управления в рамках сетевого уровня эталонной модели OSI, среди которых:

а) мониторинг (проверка трактов передачи);

б) управление сетевой топологией;

в) осуществление сетевого сервиса и обработка информации от NE.

Функции управления, осуществляемые NE, как правило, соответствуют ряду рекомендаций ITU-T и стандартов ISO, среди которых G.784, М.3010, Х.217, Х.227, Х.219, Х.229, ISO 9595, ISO 9596 и др. Как и ЕМ, но в более широких масштабах, сетевой менеджер NM осуществляет:

обработку аварийных сообщений;

управление рабочими параметрами;

управление конфигурацией;

управление программой обслуживания сети и тестирования ее элементов;

управление безопасностью системы телекоммуникаций в целом;

административное управление.

Сетевой менеджер обычно реализуется на достаточно мощных рабочих станциях, функционирующих под управлением OS UNIX, таких, как станции SUN SPARC (OS Solaris) или Hewlett Packard (OS OpenView). Используемое программное обеспечение разрабатывается, как правило, самой фирмой-производителем NM, хотя в последнее время наметилась тенденция использования NM Open View компании Hewlett Packard как наиболее совершенного в качестве основы для создания NM.

В качестве примера рассмотрим NM типа eNM компании ECL Он реализован на базе рабочей станции типа SUN SPARC под управлением OS Solaris и имеет шесть основных опций - Alarm, Performance, Configuration, Maintenance, Security, System, которые в точности соответствуют шести вышеперечисленным функциям управления. Каждая опция позволяет генерировать свои экраны в соответствии с пунктами меню, отображающими выполняемую функцию или задачу.

1. Опция Alarm (обработка аварийных сообщений) позволяет:

вести журнал аварийных сообщений, например, для выбранного NE, и просматривать его в соответствии с выбранным критерием на заданном отрезке времени для конкретной степени серьезности аварийного сообщения;

просматривать текущие аварийные сообщения в соответствии с выбранным критерием;

присваивать определенную степень серьезности аварийным сообщениям, например, «критическое сообщение», «главное сообщение», «второстепенное сообщение».

Особенность обработки аварийных сообщений заключается в возможности их маскирования, т. е. создания «маски» (развернутого логического условия). Она позволяет исключить возможность отображения на экране второстепенных аварийных сообщений для того, чтобы сосредоточить внимание на нужных (главных или критических) аварийных сообщениях, например, при анализе конкретной аварийной ситуации.

2. Опция Performance (управление рабочими параметрами) дает оператору или NM возможность:

открыть и просмотреть окно с итоговыми данными по рабочим параметрам для конкретного объекта (элемента) сети;

просмотреть динамику изменения рабочих параметров конкретного объекта;

установить временные интервалы, используемые для определения параметров качества обслуживания QoS;

сбросить счетчики, используемые при вычислении рабочих параметров.

3. Опция Configuration (управление конфигурацией) позволяет:

создавать (уничтожать) временные связи между любым разрешенным спецификацией кросс-коннектора трактовым (канальным) портом и сетью, включая образование локальных, планируемых (тракт-порт/порт-тракт) и проходных (сквозных) кросс-соединений для реализации функций выделения/вставки, прямой передачи со входа на выход (сквозного прохождения потока) и вещания;

присваивать и модифицировать атрибуты элементов (объектов);

назначать сменным блокам (картам) соответствующие разъемы (слоты) в субстойке (или в моноблоке, кассете) размещения оборудования;

выбирать в качестве эталонного возможный источник тактовой синхронизации;

конфигурировать элементы и топологию сети.

4. Опция Maintenance (управление программой обслуживания сети и тестирования ее элементов) позволяет:

оперировать на выбранных пунктах доступа, перенаправлять входящие и выходящие цифровые потоки, образовывать шлейфы как на ближнем, так и на дальнем конце;

осуществлять диагностику выбранного сетевого элемента NE;

осуществлять перегрузку системы управления;

искусственно инициировать поток аварийных сообщений для выбранного элемента;

искусственно инициировать поток сигналов сбоя для выбранного элемента;

блокировать автоматическое защитное переключение активного тракта (кольца);

вручную переключать активный тракт кольцевой структуры на резервный.

5. Опция Security (управление безопасностью системы) позволяет:

устанавливать и менять пароли, менять список пользователей, имеющих авторизованный доступ;

создавать списки групп пользователей с определенным уровнем доступа;

разрабатывать иерархию уровней доступа пользователей.

6. Опция System (административное управление) позволяет:

распечатывать отчеты и сообщения как стандартные для системы, так и сформированные оператором или администратором;

осуществлять копирование баз данных для создания резерва;

загружать базы данных информацией из файлов пользователя;

заменять программные модули системы управления в NE, используя возможности каналов служебной связи для передачи данных;

осуществлять процедуры регистрации пользователей системы управления сетью.

5.4.6. Пример реализации системы управления сетью SDH

В отличие от рынка средств и оборудования систем передачи SDH, на рынке систем TMN не существует нескольких универсальных платформ управления. Производители оборудования систем передачи SDH не ставят перед собой задачу разработки управляющего программного обеспечения сразу для нескольких вычислительных сред. Наоборот, крупные производители систем передачи SDH поставляют собственные платформы управления, тем самым создавая дополнительный повод «привязать» пользователя к своей продукции. В результате управление сложной территориально-распределенной сетью, на которой используется оборудование систем передачи SDH различных фирм-производителей, нередко превращается в трудно выполнимую задачу или в «настоящий кошмар».

В этих условиях усилия крупных разработчиков систем управления TMN направлены на выпуск средств и систем, облегчающих создание управляющих приложений с учетом специфики конкретной сети.

Признанным лидером в области разработки и внедрения систем TMN остается компания Lucent. Для управления сетями SDH с малым количеством NE компания предлагает семейство небольших по масштабу систем управления. Это семейство было специально создано для снабжения заказчиков оборудованием, которое имеет наилучшее соотношение цена/качество, что было достигнуто путем снижения объема и сложности программного обеспечения. Полученное семейство программ служит модульным интегральным решением проблемы централизованного управления небольшими по размеру, но развивающимися сетями, и реализует основные функции управления. Предлагаемое фирмой Lucent семейство систем управления имеет следующие основные принципы их построения:

наличие интерфейсов для обеспечения работы с оборудованием систем передачи SDH различных фирм-производителей (основное внимание уделяется интерфейсам с системами передачи SDH компаний Alcatel, Fujitsu и NEC);

использование открытых программных платформ для объединения различных программных приложений;

соответствие международным стандартам ISO и рекомендациям ITU-T, использование стандартных протоколов передачи данных;

наличие графического и текстового интерфейсов пользователя.

Первой продукцией компании Lucent, предназначенной для обеспечения централизованного управления отказами (сообщениями об аварийных ситуациях) на уровнях управления NE и управления сетью, является центр управления сетью NOC1 (Network Operation Centre 1) [53].

Система NOC1 предназначена для операторов связи, которые хотят повысить эффективность работы сети SDH путем централизации ее управления. Указанная система позволяет управлять отказами коммутационных станций стационарной и мобильной связи различных фирм-производителей. В систему включаются также функции генерирования и обработки квитанций об отказах.

Система NOC1 собирает и хранит данные, поступающие от NE и систем управления элементами ITM-SC, ITM-XM (см. подразд. 6.2.7), автоматически обрабатывает данные, информирует пользователя о возможных отказах в сети и обеспечивает его программными средствами, помогающими анализировать данные, предоставляет доступ - прямой или через другие системы - к NE для реализации централизованного управления. Квитанция об отказе генерируется автоматически или вводится вручную, может быть просмотрена, обновлена и доставлена менеджерам центра, т. е. служит основой управления рабочим процессом.

Система NOC1 может взаимодействовать и функционировать с самым современным телекоммуникационным оборудованием, позволяет анализировать состояние и восстанавливать работоспособность оборудования коммутационных и транспортных сетей, интеллектуальной сети, ISDN, сети ОКС-7 и др. Каждая поставляемая система NOC1 содержит набор правил, инструкций и данных для управления наиболее важными элементами сети NE заказчика.

Система NOC1 дает возможность оператору работать в стандартной среде UNIX и добавлять в систему другие (собственные) функции. Дополнительные возможности предоставляют доступ С-программ к сообщениям элементов и доступ к системе управления базами данных Oracle.

Система NOC1 - это наращиваемая система управления, способная работать с NE различной емкости (см. подразд. 5.1.3). Обычно объем NOC1 зависит от количества NE, частоты получения сообщений и количества пользователей. Система может наращиваться шагами по 5 NE до максимального количества 20 NE (фактическое количество NE может изменяться в зависимости от типа оборудования систем передачи SDH и «настроек» программного обеспечения). Операторы больших сетей (сеть максимальной конфигурации может включать более тысячи NE) могут использовать более мощные системы управления (например, систему ITM-NM), предлагаемые компанией Lucent. Это реализуется без необходимости в переподготовке специалистов и замены служебных каналов передачи данных в сети управления.

Система NOC1 работает с графическим и текстовым интерфейсами пользователей. Графический интерфейс основан на применении «окон» и «мышки», а текстовый интерфейс пользователя представляет собой комбинацию систем меню и ввода команд через командную строку. Оба интерфейса используют простой набор команд с короткими названиями. Сообщения об отказах отображаются на схеме сети, нанесенной на географической карте местности, и в таблице кратких сообщений об отказах (аварийных ситуациях). Квитанции об отказах также отображаются с помощью графического интерфейса.

Система NOC1 демонстрировалась на международных выставках, в частности, на выставке «Связь - Экспокомм'97» в Москве, где вызвала большой интерес у специалистов.

Чтобы обеспечить заказчика системой NOC1, оптимально соответствующей масштабам его сети, компания Lucent предоставляет несколько вариантов аппаратурной реализации системы. Во всех конфигурациях системы NOC1 используются серверы и рабочие станции компании Hewlett-Packard и OS типа HP-UX этой компании.

В заключение данного раздела автор предлагаемой читателям монографии приводит два мнения о системе управления сетью связи TMN, которые изложены в работах [9, 23].

Авторы работы [9] начинают свою статью подзаголовком «История одной утопии: почему система TMN не может быть создана?» и продолжают так: «В настоящее время шум вокруг концепции глобального управления сетями связи (TMN) немного утих. Нет первоначальной эйфории, на смену ей пришло разочарование..., тупиковая проблема..., гонка без финиша, напоминающая пресловутый ремонт... В результате TMN как целое, как система управления создана быть не может». Сразу возникает вопрос: почему и зачем же так тоскливо? Есть же и другие мнения.

Авторы работы [23] пишут: «На московской ГТС используется.... универсальная система управления транспортной сетью SDH, которая называется «eNM» (eci Network Manager). Система предоставляет дежурному персоналу широкое поле деятельности по управлению сетью и, в частности, возможность:

собирать и анализировать аварийные сообщения в реальном режиме времени;

осуществлять мониторинг и конфигурировать (до уровня блока и даже глубже, вплоть до порта) удаленный NE\

автоматически создавать канал связи с указанием начальной и конечной точек последнего;

контролировать качество канала без нарушения связи;

эффективно осуществлять поиск неисправностей;

редактировать конфигурации канала без перерыва связи;

переводить периферийное оборудование сети на новую версию программного обеспечения из центра управления сетью без перерыва связи;

легко и быстро удалить или вставить NE, а также переконфигурировать его топологию из центра управления сети.

В каждый мультиплексор SDM вставляется специальная карта NVM (Non-Volatile Memory - модуль энергонезависимой памяти), на которой записана конфигурация данного NE и при необходимости его легко заменить на другую. Сама загрузка системы также осуществляется оперативно.

Сегодня сетью управляет единая система управления, базирующаяся как на новом ПО, так и на новой компьютерной технике».

Ну а что же авторы работы [9]? После тоскливой ноты по системе TMN, т. е. после ее «похорон», они пишут: «В настоящее время в мировой и отечественной практике сначала робко, а затем уверенно стали появляться территориально распределенные... измерительные комплексы (ТРИК). ТРИК представляют собой новое явление в области современных средств измерений».

Далее о ТРИК и его преимуществах они пишут: «значительно сокращаются эксплуатационные расходы, оптимизируются регламентные работы, повышается оперативность поиска неисправности» и т. д.

В заключение авторы работы [9] пишут: «Единственным и важным недостатком такой системы является полное отсутствие в ней активной компоненты, невозможность при помощи ТРИК реконфигурировать систему связи».

Ваш комментарий, читатель!

6. Основы технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH

В данном разделе рассматриваются три последовательные стадии контроля технического состояния систем передачи и сетей SDH путем наблюдения за их параметрами.

Первая стадия включает производство оборудования систем передачи SDH, его испытание (тестирование), подготовку к эксплуатации (развертывание, установку, монтаж и т. д.) и ввод в эксплуатацию. В процессе проведения всех работ первой стадии оборудование систем передачи SDH подвергается различным испытаниям, в процессе которых выполняются различные измерения параметров, определяющих техническое состояние оборудования.

Вторая стадия представляет собой ТЭ исправных или, по крайней мере, работоспособных систем передачи SDH в структуре сети. При этом в ходе эксплуатации осуществляется автоматизированный контроль за качеством функционирования оборудования (элементов сети) систем передачи SDH и сети в целом, в которой может наступить аварийное состояние (отказ).

Третья стадия включает быструю локализацию точек деградации качества функционирования сети и устранение этой деградации (аварии). Например, в случае отказа СЛТ необходимо с высокой степенью точности и оперативности локализовать место аварии, предварительно переключив вышедший из строя СЛТ на резервный (если имеется система защиты «1+1»), заменить поврежденный участок оптической секции, регенератор или оптический усилитель на исправный и выполнить измерения параметров восстановленного участка СЛТ.

Задачи, которые решаются на третьей стадии, сопровождаются проведением эксплуатационных измерений соответствующих параметров оборудования систем передачи SDH.

Ниже кратко рассматриваются вопросы контроля технического состояния на каждой из трех стадий.

6.1. Измерения параметров систем передачи и сетей SDH при различных испытаниях

6.1.1. Измеряемые параметры и измерительное оборудование

Как известно (см. подразд. 2.2.4), для согласования передаваемых плезиохронных сигналов со структурой цикла передачи сигнала STM-1 используются два адаптационных (вспомогательных) процесса. Первый из них состоит в том, что при размещении плезиохронных сигналов в соответствующие контейнеры к этим сигналам добавляется битовое заполнение.

Второй адаптационный процесс заключается в использовании указателей, с помощью которых осуществляется компенсация возможных изменений скорости передачи и фаз плезиохронных цифровых потоков, транспортируемых в сети SDH.

Такая компенсация обеспечивает ее функционирование как синхронизированной сети, которая допускает:

плезиохронный режим ее работы в рамках, оговоренных в Рекомендации ITU-Т G.811;

сетевой дрейф фаз, или вандер (Wander) - фазовое дрожание инфранизкой частоты передаваемых плезиохронных цифровых сигналов.

Реализацию указанных функций адаптации рассмотрим на конкретном примере. Плезиохронный поток со скоростью передачи 139,264 Мбит/с размещается в контейнере С-4 с помощью положительного цифрового выравнивания. Поскольку цикл передачи сигнала С‑4 содержит 260 столбцов, то скорость передачи (объем) контейнера С-4 составляет 260 х x 9 х 64 кбит/с = 149,760 Мбит/с.

На приеме, после демультиплексирования сигнала SТМ-1, получается сигнал в структуре С-4. Извлечение плезиохронных сигналов из контейнера С-4 вызывает фазовые дрожания этих сигналов на выходном (приемном) интерфейсе оборудования сети SDH. Эти дрожания называются фазовыми дрожаниями размещения.

После присоединения к контейнеру С-4 трактового заголовка РОH образуется виртуальный контейнер VC-4. С него начинается сетевой тракт высшего порядка, который необходимо согласовывать с сетевым слоем мультиплексной секции. Эта функция реализуется с помощью административного блока АU-4. Он состоит из полезной (информационной) нагрузки VC-4 и указателя, т. е. АU-4 = VС-4 + AU-указатель. Так как сигнал VС-4 может формироваться не только в данном пункте, но и поступать в этот пункт с других направлений сети, то фаза сигнала VС-4 в цикле передачи АU-4 жестко не фиксируется, начало цикла передачи сигнала VС-4 может перемещаться относительно начала цикла передачи сигнала AU-4, т. е. относительно начала цикла передачи мультиплексной секции.

В процессе корректирования фазы входного сигнала VС-4 начало его цикла передачи может сдвигаться, но это начало обозначается AU-указателем, который имеет фиксированное место в структуре цикла передачи модуля SТМ-1. Такое корректирование обеспечивает возможность двустороннего цифрового выравнивания, для чего в AU-указателе предусмотрено три байта для положительного или отрицательного согласования скоростей между сигналами VС-4 и АU-4. При этом обеспечивается как асинхронное, так и синхронное размещение сигналов VС-4 в структуре АU-4. Если в пункте приема выделяемый плезиохронный поток рассинхронизирован с циклом передачи принятого сигнала SТМ-1, то в результате этого возникает фазовое дрожание указателей.

Значение пикового фазового дрожания на плезиохронном выходном (приемном) интерфейсе оборудования сети SDH зависит от величины сдвига начала цикла передачи плезиохронного сигнала при его согласовании со структурой цикла передачи модуля SТМ-1.

При выделении плезиохронного потока из сигнала, в котором использовались указанные выше три байта для согласования скоростей, может возникнуть всплеск фазового дрожания величиной 8 бит х 3 = 24 тактовых интервала. Этот всплеск должен быть сглажен (подавлен, погашен), для чего используются специально создаваемые фазозапирающие шлейфы, исключающие дальнейшее распространение возникшего фазового дрожания. Если указатели появляются (используются) нерегулярно, то фазовое дрожание также может иметь взрывной характер, что плохо влияет на результирующее фазовое дрожание указателей.

Использование битового заполнения и указателей является основными причинами, вызывающими фазовые дрожания плезиохронных сигналов на выходных портах оборудования сети SDH. Практически же имеет место и ряд других причин, которые вызывают фазовые дрожания указанных сигналов, например, тактовая синхронизация сети SDH, вандер плезиохронных цифровых сигналов, изменение статуса источника тактовой синхронизации сети и т. д.

Кроме фазовых дрожаний, рассмотренные адаптационные процессы приводят к битовым ошибкам, которые при различных условиях согласования передаваемых плезиохронных сигналов со структурой цикла передачи сигнала SТМ-1 имеют различные значения.

Таким образом, далее будем полагать, что при тестировании оборудования систем передачи SDH на первой стадии контроля их технического состояния основными измеряемыми параметрами являются:

фазовое дрожание размещения;

фазовое дрожание указателей;

коэффициент ошибок по битам.

Для измерения значений этих параметров может использоваться комплект приборов, который производится компанией W&G (Wandel & Goltermann). В состав комплекта входят:

анализатор ошибок и фазовых дрожаний типа SF-60 РDН/SDH;

генератор-анализатор цикла передачи модуля SТМ-1 типа SFА-2 SТМ-1;

измеритель фазовых дрожаний типа РJМ-4S SDH/SONЕТ.

Анализатор типа SF-60 - это основной прибор, который предназначен для точного анализа ошибок и фазовых дрожаний на различных скоростях передачи сигналов от 2 до 175 Мбит/с. Он состоит из генератора и приемника с синтезатором частот.

Генератор имеет несколько режимов работы, что позволяет его использовать в качестве источника тактовой синхронизации сети, источника фазовых дрожаний и битовых ошибок различной интенсивности, а также как источник микропрерываний, повреждений и аварий.

Приемник записывает и хранит с временной меткой все поступающие сигналы «аварий»: битовые ошибки, фазовые дрожания, проскальзывания импульсов и т. д. Во время прерываний и потери синхронизма принятые данные не искажаются.

Генератор-анализатор типа SFА-2, или цикловой анализатор предназначен для всестороннего исследования структуры цикла передачи сигнала SТМ-1. Состав прибора и его основные возможности:

размещение плезиохронного сигнала со скоростью передачи 140 Мбит/с в структуру сигнала SТМ-1 и обратно;

выделение из структуры сигнала SТМ-1 секционных (SОН) и трактовых (РОH) заголовков, байтов D1...D3, D4...D12, Е1, Е2, F1 различных каналов служебной связи и любых других байтов и обратную вставку указанных сигналов;

цикловой редактор, который служит для воспроизведения различных вариантов построения структуры цикла передачи сигнала SТМ-1 в соответствии с рекомендациями ITU‑T и стандартами ETSI;

два синтезатора для сдвига сигнала SТМ-1 и воспроизведения до 2000 различных указателей в секунду;

режим сквозного шлейфа для манипуляции сигналами SТМ-1;

имеется маскирующая функция с управляемым запуском для изменения бита или любого числа битов в структуре заголовков SОН или РОН, что позволяет прибору генерировать различные «аварийные» циклы передачи сигнала SТМ-1.

Измеритель фазовых дрожаний типа РJМ-4S предназначен для измерения указанного параметра в цифровых потоках систем передачи РDН, SDН и SONЕТ со скоростями передачи 1544, 2048, 34 368, 44 736, 51 840, 139 264 и 155 520 кбит/с, а также для измерения всплесков фазовых дрожаний.

Для проверки соответствия значений фазовых дрожаний, полученных в результате измерений, Рекомендациям ITU-Т G.783 (для синхронных цифровых потоков) и G.823 (для плезиохронных потоков) в измерителе типа РJМ-4S используется фильтр с полосой пропускания от 200 Гц до 6,7 МГц. Кроме измерений фазовых дрожаний, рекомендуемых ITU-Т, существует возможность измерять вандер, вызванный колебаниями указателей в спектре частот ниже 200 Гц. Для измерения вандера прибор типа РJМ-4S содержит фильтр верхних частот с полосой пропускания выше 2 Гц.

Кроме использования представленных приборов по прямому назначению, т. е. для измерения фазовых дрожаний и коэффициентов ошибок по битам, они позволяют выполнять тестирование тактовой синхронизации сети, проверять совместимость систем передачи SDН различных фирм-производителей, проводить быстрый анализ мультиплексной структуры сигнала SТМ-1 и ряд других функций.

6.1.2. Измерения фазовых дрожаний в мультиплексорах систем передачи SDН при производственных испытаниях

Произведенное оборудование систем передачи SDН должно быть проверено на соответствие его параметров техническому заданию на разработку и рекомендациям ITU-Т. Рассмотрим фрагмент этой большой работы (проверки) на примере измерения фазовых дрожаний в точках мультиплексирования четырех плезиохронных сигналов со скоростью передачи 140 Мбит/с в сигнал SТМ-4 и обратно. Следует напомнить, что проблема фазовых дрожаний и вандера всегда существовала при передаче цифровых сигналов в системах передачи РDН. В системах передачи SDН по указанным в предыдущем пункте причинам влияние этой проблемы на качество приема цифровых сигналов еще более возрастает.

Для измерения фазовых дрожаний и вандера в точках перехода РDН-SDН и обратно используются измерительные приборы типа SF-60 и PJM-4S. Схема измерения показана на рис. 6.1 [168].

Рис. 6.1

При проведении данного измерения терминальное оборудование MUX/DMUX систем передачи SDН и прибор типа SF-60 синхронизируются от первичного эталонного генератора (ПЭГ) частотой 2048 кГц. Плезиохронный цифровой поток со скоростью передачи 140 Мбит/с формируется генератором прибора типа SF-60. Этот сигнал подается на вход мультиплексора, где выполняются все его преобразования от размещения в контейнере С-4 до формирования фрагмента сигнала SТМ-4. Далее этот сигнал проходит шлейф СЛТ и после демультиплексирования в DMUХ извлекается из контейнера С-4 и подается на вход прибора типа PJM-4S. Фазовое дрожание измеряется как функция девиации (сдвига) тактовой синхронизации между передаваемым (размещаемым) и принимаемым (извлекаемым) плезиохронными потоками. Сдвиг влияет на скорость заполнения контейнера С-4 во время размещения в нем плезиохронного потока, поэтому фазовое дрожание заполнения является основным компонентом фазового дрожания размещения. Полученные результаты необходимо сравнить с данными, приведенными в Рекомендации ITU-Т G.783, где представлены ограничения на фазовые дрожания размещения.

Фазовое дрожание указателей измеряется одновременно с фазовым дрожанием размещения. Генератор прибора типа SF-60 формирует псевдослучайную плезиохронную последовательность со скоростью передачи 140 Мбит/с, которая размещается в полезной нагрузке. В зависимости от величины сдвига между полезной нагрузкой и местом, которое она должна занять в структуре сигнала STМ-1, формируется указатель соответствующего объема (число байтов указателя) для положительного или отрицательного согласования скоростей. Прибор типа PJM-4S измеряет фазовое дрожание указателей, которое имеет место на плезиохронном выходном порту оборудования системы передачи РDН.

Для измерения вандера, вызванного колебаниями указателей в спектре инфранизких частот, в приборе типа PJM-4S используется фильтр с полосой пропускания выше 2 Гц. Наблюдение за кривой низкочастотного фазового дрожания можно осуществить с помощью осциллографа, который подключается к выходу демодулятора прибора типа PJM-4S.

6.1.3. Тестирование тактовой синхронизации сети SDH при полевых испытаниях

При проведении полевых испытаний сети SDH сетевые операторы должны всесторонне проанализировать работу каждого отдельного NE для того, чтобы дать правильную оценку всем параметрам этого элемента, в том числе и тактовой синхронизации сети.

Все элементы развернутой сети должны синхронизироваться от первичного эталонного генератора с тактовой частотой 2048 кГц и функционировать под его управлением. Если этот генератор выйдет из строя по какой-либо причине, то элементы сети SDH должны переключиться на запасной вариант источника тактовой синхронизации. Этот случай изображен на рис. 6.2, где показано, как анализатор типа SF-60 замещает первичный эталонный генератор, принимая на себя функции источника синхронизации всех NE.

Рис. 6.2

Первичный эталонный генератор подключается к NE через анализатор типа SF-60, который может сдвигать основную тактовую частоту (синхронизацию) шагами 10E-12 для исследования вандера. Это фазовое дрожание может также накладываться на выходную синхронизирующую последовательность для проверки возможности его подавления во всей совокупности элементов сети NE.

Представленная схема будет функционировать, если нет всплесков фазовых дрожаний, прерываний или сигнала индикации аварии (аварийного состояния) AIS (все единицы), случающихся в пределах определенного временного интервала тактовой синхронизации или когда происходит переключение источника (режима) тактовой синхронизации. Во время данного измерения анализатор типа SF-60 в соответствии с выбранной моделью управляет одним портом сигнала STM-1 и подсчитывает указатели. Такие данные необходимы при исследовании тактовой синхронизации сети в различных режимах работы.

6.1.4. Анализ времени реакции системы передачи SDH при приемных испытаниях

Анализ времени реакции системы передачи SDH необходим для проверки совместимости на сети оборудования SDH различных фирм-производителей. Разумеется, что при приемных испытаниях предварительно должно быть выполнено тестирование тактовой синхронизации сети SDH. Далее необходимо проверить временные пределы для различных функциональных процедур, так как эти пределы строго определены Рекомендацией ITU-T G.783, стандартами ETSI и «Телекоммами» некоторых стран. Например, воспроизводя различные аварийные ситуации, выполняют измерения соответствующих параметров и анализируют полученные результаты.

В данном случае рассматривается несколько иная испытательная технология, в частности, выясняется вопрос: сколько времени потребуется системе передачи SDH для индикации сигнала «Авария в приеме на дальнем конце» FERF?

Эта задача решается с помощью прибора типа SFA-2 путем имитации аварии «Потеря цикла передачи» LOF по схеме, показанной на рис. 6.3.

Рис. 6.3

Цикловой анализатор типа SFA-2 генерирует и посылает в СЛТ уровня STM-1 сто свободных от ошибок циклов передачи сигнала STM-1. С помощью маскирующей функции для заголовка SOH прибор типа SFA-2 генерирует также сто циклов передачи сигнала STM-1 с ошибками и тоже посылает сигналы этих ста ошибочных циклов передачи в СЛТ таким образом, что сто циклов передачи без ошибок и сто циклов передачи с ошибками в СЛТ чередуются. Как только сигналы циклов передачи с ошибками поступают в NE системы передачи SDH, она фиксирует сигнал аварии LOF, генерирует сигнал аварии FERF, который передается в обратном направлении (рис. 6.3), а в прямом направлении (дальше по СЛТ) посылается сигнал AIS [168].

Прибор типа SFA-2, получив сигнал FERF, подсчитывает циклы передачи сигнала STM‑1 с ошибками, начиная с первого из этих циклов до цикла передачи, в котором поступил сигнал FERF. Время реакции системы передачи SDH на аварию LOF определяется умножением числа подсчитанных циклов передачи с ошибками на длительность цикла передачи сигнала STM-1 (125 мкс).

Временная диаграмма, поясняющая изложенную методику, приведена рис. 6.4, где показано, что время реакции системы на указанную аварию LOF не должно превышать 3 мс.

Рис. 6.4

6.1.5. Измерение параметров систем передачи SDH при их монтаже и сдаче в эксплуатацию

При монтаже оборудования систем передачи SDH и подготовке его к сдаче в эксплуатацию выполняется всесторонняя проверка отдельных устройств систем передачи SDH, которая включает:

испытание синхронных мультиплексоров (терминальных, линейных, выделения/вставки) и кросс-коннекторов;

быстрый анализ мультиплексной структуры;

измерение ошибок по битам в различном синхронном оборудовании;

определение места обнаруженного или возникшего в оборудовании повреждения с помощью односторонних измерений;

воспроизведение (моделирование) основных аварийных ситуаций и др.

Измерение ошибок по битам рассмотрим на примере DIM. Измерение начинается с сетевого слоя трактов низшего порядка на уровне субблока TU-12. Для выполнения измерений применяется анализатор типа SF-60. Схема измерений показана на рис. 6.5. Выход генератора прибора типа SF-60 соединяется с входом интерфейса STM-1DIM, а вход приемника того же прибора типа SF-60 - с выходным портом STM-1 мультиплексора. Генератор формирует псевдослучайную битовую последовательность со скоростью передачи 2048 кбит/с и размещает ее в измеряемый субблок TU-12 модуля STM-1, а приемник извлекает соотствующий TU-12 из принятого сигнала STM-1. Далее необходимо соединить выходной и входной порты соответствующего модуля 2 Мбит/с, чтобы образовать шлейф для измеряемого цифрового потока. Эта операция выполняется с компьютера оператора данного NE по команде сетевого оператора. После образования шлейфа прибор типа SF-60 измеряет ошибки по битам. Результаты измерений могут быть переданы на экран компьютера сетевого оператора.

Рис. 6.5

Аналогичным образом можно измерить ошибки по битам в различных других цифровых потоках систем передачи PDH, SDH и SONET, если эти потоки обрабатываются данным DIM.

Представленная схема измерения ошибок по битам в DIM позволяет также определить распределение принятого цифрового сигнала в данном мультиплексоре. Поочередно выполняются все соединения различных цифровых потоков по представленной схеме и измеряются ошибки по битам. Если они не превышают заданных норм (заданного порога), то считается, что тестируемое оборудование функционирует правильно.

Определение места повреждения в оборудовании DIM с помощью однонаправленных измерений также выполняется с помощью показанной на рис. 6.5 схемы. Шлейф для потока со скоростью передачи 2 Мбит/с убирается. Прибор типа SF-60 подключается для поочередного однонаправленного измерения ошибок по битам в направлениях выделения и вставки. Схемы, которые образуются для проведения этих измерений, показаны на рис. 6.5 пунктиром. Подобным способом легко обнаруживается поврежденный участок: тракт выделения или тракт вставки. Далее уточняется источник повреждения тракта. Этим источником, как правило, является механическое повреждение монтажных проводов или ошибки при выполнении монтажных работ.

Рассмотренные измерения параметров систем передачи и сетей SDH при различных испытаниях ни в коем случае не претендуют на полноту. Они являются только прелюдией к той большой работе, которую необходимо выполнить по измерению, испытанию и тестированию параметров различного оборудования систем передачи и сетей SDH на первой стадии контроля их технического состояния.

Приведенные схемы и краткие описания измерений и тестирования не являются методическими руководствами, а только показывают порядок проведения тех или иных измерений. Подробные инструкции по измерению конкретных параметров приводятся в технической документации, прилагаемой фирмой-производителем к каждому поставляемому комплекту изделия системы передачи SDH.

Представленный выше комплект приборов фирмы W&G не является единственным средством измерения параметров и тестирования оборудования систем передачи и сетей SDH. В настоящее время уже имеются более современные и совершенные приборы, с которыми можно ознакомиться в работах [8, 13, 71, 72, 162].

Одним из примеров таких приборов является семейство модульных тестеров фирмы Hewlett-Packard типа HP 37 717 В/С для измерения и тестирования параметров систем передачи PDH/SDH/ATM, которые поступили на мировой рынок измерительного оборудования.

Тестер типа HP 37 717С с большим цветным дисплеем в различной конфигурации не только выполняет все функции указанных выше приборов компании W&G, а имеет более широкие возможности. Например, наличие в нем оптического передатчика и оптического приемника, которые могут работать на длинах волн 1,3 или 1,55 мкм, а также оптических интерфейсов сигналов со скоростями передачи 155,52 и 622,08 Мбит/с; просмотр одновременно фазового дрожания передатчика, установки фазового дрожания приемника, результатов фазового дрожания и графов фазового дрожания на дисплее анализатора данного прибора.

Компания Hewlett-Packard производит приборы типа HP 37 717 В/С по системе качества, удовлетворяющей международному стандарту ISO 9001.

В настоящее время на международном рынке телекоммуникаций имеются уже и более совершенные приборы.

6.2. Концепция технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH

6.2.1. Основные положения техники безопасности

1. При производстве некоторых электронных компонентов оборудования систем передачи SDH в небольшом количестве используются материалы, опасные для здоровья обслуживающего персонала. Эти компоненты обычно герметически изолированы и при нормальных (неаварийных) условиях ТО систем передачи SDH на сети не представляют никакой опасности для здоровья персонала. Фирмы-производители оборудования SDH обозначают компоненты, в которых использованы опасные материалы, специальной маркировкой. При обращении с этими компонентами рекомендуется придерживаться следующих правил:

а) не разбирать и не сжигать такие компоненты;

б) если целостность компонента нарушена, собрать все части, избегая их вдыхания и соприкосновения с открытой кожей, и поместить в соответствующий контейнер для утилизации;

в) утилизировать указанные компоненты в соответствии с местными правилами утилизации токсичных отходов.

2. Источники лазерного излучения должны иметь предостерегающие метки желтого цвета, которые ставятся на оптические блоки оборудования систем передачи SDH вблизи выходного оптического коннектора. Конструкция оборудования сводит к минимуму доступ персонала к лазерному излучению как в результате нахождения вблизи оборудования, так и в ходе выполнения работ с ним на всех стадиях ТО.

Лазерное излучение, которому может подвергнуться персонал, соответствует классу 3А для продолжительного взгляда с любого расстояния от источника лазерного излучения или от конца оптического волокна. В непосредственной близости к лазеру крепятся предостерегающие ярлыки желтого цвета примерно следующего содержания:

Невидимое лазерное излучение!

Не следует смотреть на луч или непосредственно на оптические приборы! Лазерное изделие класса 3А, спецификация EN60 825.

3. При нормальных (неаварийных) условиях эксплуатации СЛТ каждая оптическая секция представляет собой по существу замкнутую цепь, не допускающую облучение персонала оптическим излучением. В ходе монтажа и ТО СЛТ при работающем лазере обслуживающему персоналу не следует смотреть на открытые концы оптических волокон или коннекторы.

Однако и в этих условиях попадание персонала под воздействие открытого лазерного излучения возможно в двух случаях:

а) разомкнуто оптическое соединение в работающей секции волоконно-оптического кабеля;

б) разрыв волокна оптической секции во время работы в результате аварийного повреждения волоконно-оптического кабеля.

В связи с тем, что в оптических коннекторах, применяемых в современных системах передачи SDH, оптические линзы не используются, обе описанные выше ситуации могут рассматриваться как эквивалентные, т. е. требования по безопасности одинаковы в обоих случаях и совпадают с теми, которые следует соблюдать при работе с открытыми концами оптических волокон.

4. С точки зрения лазерной безопасности обслуживание оптических блоков отличается от упомянутого ТО только в отношении тестирования неисправных оптических передающих цепей.

Процедуры тестирования оптических передающих цепей таковы, что выходное оптическое излучение лазера остается в регламентируемых классом 3А пределах. С этой целью оптические цепи сначала тестируются без лазера. Прежде чем лазер будет подключен, его схемы управления проверяются и настраиваются так, чтобы выходное лазерное излучение было минимальным.

Если рекомендуемые процедуры тестирования не соблюдаются, выходная мощность лазера в процессе тестирования может превысить предел для класса 3А. Поэтому владелец оборудования SDH должен обеспечить для персонала, работающего с волоконно-оптическими системами передачи, ряд административных и технических мер, в том числе:

а) аккуратный уход за оборудованием: оптические кабели и коннекторы следует содержать в чистоте и обращаться с ними осторожно;

б) предостерегающая маркировка желтого цвета (метки, ярлыки) должна быть видна ясно и никогда не должна удаляться;

в) обслуживающий технический персонал должен быть хорошо обучен;

г) строгое соблюдение мер техники безопасности:

ни при каких обстоятельствах не следует смотреть на открытый конец оптического волокна или коннектор вблизи оптического передатчика, если лазер не отключен;

при любых работах с разорванными оптическими волокнами на секции работающего (действующего) СЛТ сначала следует отключать источник оптического излучения и при помощи измерителя мощности убедиться в отсутствии двухсекундного импульса на протяжении не менее двух минут;

соблюдать рекомендуемые процедуры обращения с оборудованием, которые сводят к минимуму риск для здоровья обслуживающего персонала.

5. Уровень мощности излучения лазера ОПД поддерживается постоянным при помощи цепи обратной связи, в которой используется излучение на тыльной стороне лазера и контрольный фотодиод. Независимо от этой цепи обратной связи существует схема защиты и аварийной сигнализации режима работы лазера. Эта схема генерирует сигнал аварии «Превышение оптической мощности» и осуществляет автоматическое выключение лазера, если уровень мощности его выходного оптического излучения превышает допустимое значение. Практика показывает, что обе схемы имеют очень высокую надежность, т. е. вероятность неисправностей, которые могут повлечь за собой излучение лазером повышенной мощности, весьма мала.

Таким образом, количество неисправностей, в результате которых мощность выходного оптического излучения лазера превышает пределы для класса 3А, минимально. Совпадение таких неисправностей с возникновением разрыва оптического волокна в кабеле крайне маловероятно, что обеспечивает высокую степень безопасности для технического персонала при обслуживании оборудования систем передачи SDH.

6. Многие устройства электронного оборудования систем передачи SDH содержат компоненты, чувствительные к электростатическим разрядам. Статическое электричество может вызвать помехи в работе оборудования и вывести из строя такие компоненты, как, например, интегральные микросхемы. Эта проблема возникает в результате быстрого статического разряда через само оборудование или через крышки, кожухи и соседние металлические детали и предметы. Части оборудования, содержащие чувствительные к статическому электричеству приборы, маркируются меткой - изображением перечеркнутой кисти руки.

Риск вывода оборудования из строя и внесения помех в его работу сводится к минимуму, если соблюдаются требования по работе с чувствительными к электростатическим разрядам приборами. Некоторые из этих требований перечислены ниже:

обслуживающий персонал при работе с оборудованием должен носить проводящие заземленные браслеты, подключенные к специальной клемме заземления для снятия электростатического заряда ESD (Electro Static Discharge); не следует подключать браслеты к анодированному металлу или к передним (лицевым) панелям оборудования;

сначала необходимо подключить электростатические браслеты к клемме ESD и только после этого приступать к работе (снимать крышки, извлекать блоки или платы, расчленять разъемы и т. д.);

браслет должен соприкасаться с кожей руки оператора;

извлекаемые блоки или платы следует держать за края, избегая соприкосновений с компонентами, печатными проводниками, контактами разъемов (коннекторов) и т. д.;

все работы с оборудованием систем передачи SDH должны выполняться в защищенном от статического электричества месте, которое должно удовлетворять определенным требованиям;

запасные блоки, платы, ТЭЗ следует хранить в фирменной антистатической упаковке; любые платы (ТЭЗ) или блоки, извлеченные из стойки (кожуха), должны быть немедленно помещены в антистатический пакет;

все тестовое оборудование и испытательные стенды необходимо подключать к клеммам ESD.

6.2.2. Причины повышения интереса к надежности сетей SDH

На современном этапе основным направлением развития и совершенствования сетей связи является их цифровизация на базе волоконно-оптических систем передачи. Это привело к появлению новых технологий - систем передачи и сетей SDH и DWDM. Системы передачи SDH являются одной из основ современной сети связи, которая может удовлетворить перспективные потребности на самых загруженных направлениях (системы передачи DWDM здесь не рассматриваются). Пропускная способность и экономичность современных систем передачи SDH в десятки раз выше, чем систем передачи PDH.

Уместно напомнить, что пропускная способность систем передачи SDH уровней STM‑16 и STM-64 равна 2,5 и 10 Гбит/с соответственно, тогда как европейская система передачи PDH четвертого (самого высокого) уровня иерархии имеет скорость передачи 0,14 Гбит/с.

При передаче оптических ЦЛС по ООВ на длине волны 1,55 мкм регенерационные участки СЛТ имеют длину 100...120 км. Получается, что на развитых сетях регенераторы просто не нужны: СЛТ образуются интерфейсами сетевых узлов и соединяющими их ООВ волоконно-оптических кабелей, а все узлы сети SDH оборудуются универсальными мультиплексорами с программным управлением, выполняющими функции мультиплексирования, выделения/вставки, оперативного переключения и резервирования высокоскоростных цифровых потоков.

В настоящее время системы передачи SDH с указанными параметрами (тип ООВ, скорости передачи и длина участка регенерации) различных компаний-производителей широко применяются на международных, магистральных и крупных городских сетях [4, 23, 61, 63, 66, 101].

Таким образом, с использованием современных высокоскоростных систем передачи SDH с высоким уровнем программного обеспечения и применением ООВ в развитых странах и во всем мире создается универсальная транспортная сеть связи. Аппаратно и программно такая сеть рассчитана на техническую эксплуатацию (ТЭ) в соответствии с современной концепцией контроля и обслуживания сети, изложенной в последних редакциях рекомендаций ITU-T.

Кратко рассмотренные выше существенные изменения в технике и организации связи, происшедшие за последнее десятилетие, затронули все заинтересованные стороны: поставщиков услуг связи (провайдеров), пользователей (клиентов) сети и производителей оборудования систем передачи SDH. Одним из следствий этих изменений стало значительное повышение активности специалистов в области надежности сетей связи [10, 60, 73].

Надежность - один из основных факторов, влияющих на качество обслуживания пользователей на сети связи. Интерес к проблемам обеспечения надежности особенно возрос в начале 90-х годов. Это объясняется комплексом причин, к которым относятся [4, 60]:

повышение требований к надежности связи со стороны пользователей;

усиление конкуренции между операторами (поставщиками услуг) связи;

быстрое развитие и внедрение новых технологий систем передачи, топологий и архитектур сетей, дополнительных видов обслуживания;

возникновение на сетях связи ряда стран нескольких серьезных аварий, вызвавших значительный общественный резонанс, и принятие соответствующих организационных мер, направленных на снижение риска подобных ситуаций в дальнейшем.

Рассмотрим некоторые из этих причин более подробно.

Повышение требований пользователей к надежности связи. В последнее десятилетие различные телеинформационные системы, основанные на совместном использовании средств связи и вычислительной техники, глубоко вошли в различные сферы человеческой деятельности и стали для них жизненно необходимыми. Особенно увеличились и высокими темпами продолжают возрастать объемы передачи данных. К этому виду электросвязи всегда предъявлялись более высокие требования по надежности и качеству обмена, чем, например, к традиционной передаче речевых сигналов телефонной связи. Поэтому от отказов средств связи значительно возросли потери пользователей. По оценкам специалистов они стали достигать нескольких миллионов долларов в час, что и вызвало повышение требований к надежности связи [60].

Усиление конкуренции между операторами. С начала 90-х годов на рынках услуг связи большинства развитых стран стали происходить существенные изменения, направленные на их демонополизацию, начались процессы приватизации в области электросвязи. Эти процессы были направлены на то, чтобы в 1998 г. рынки услуг связи стран Европейского союза стали полностью открытыми. Все это значительно обострило конкуренцию между операторами связи и заставило их идти навстречу требованиям пользователей.

Внедрение новых технологий. Использование на сетях SDH современных средств телекоммуникаций (волоконно-оптические системы передачи SDH высокой пропускной способности, цифровые коммутационные системы большой емкости, системы сигнализации ОКС-7 и т. д.) приводит к многократному возрастанию потерь даже от одного отказа. Действительно, отказ на сети только одной системы передачи SDH уровня STM-16 выводит из строя 30240 основных цифровых каналов.

Современные высокоскоростные системы передачи SDH, предназначенные для создания более совершенных и, следовательно, надежных транспортных сетей, в полной мере способны реализовать свои преимущества только при применении специальных мер по обеспечению отказоустойчивости сетей SDH. Эти меры предусматривают использование резервного оборудования систем передачи SDH, реконфигурацию сети при отказах ее элементов с использованием резервных участков СЛТ, новые алгоритмы маршрутизации с обходными путями вокруг отказавших элементов и перегруженных участков и т. д. Реализация указанных и других мер осуществляется путем применения дистанционного программного контроля и автоматизированного управления элементами сети, т. е. использованием на сетях SDH автоматизированной системы ТЭ.

Таким образом, актуальность проблемы обеспечения надежности сетей связи повышается. Низкая надежность грозит операторам не только возможной потерей клиентов, но и непосредственно влияет на экономические показатели. Отказ пользователям в предоставлении услуг из-за неработоспособности NE - это упущенный доход, а в некоторых случаях и прямые убытки при предъявлении клиентами к операторам штрафных санкций. Поэтому в Рекомендации ITU-T E.862 «Надежное планирование сетей связи» указывается, что при планировании, проектировании, эксплуатации и ТО сетей связи необходимо учитывать экономические потери, которые несут как администрация связи, так и пользователи [60].

Основным современным направлением обеспечения высокой надежности сетей SDH при отказе элементов сети NE является автоматическое восстановление нарушенной связи в короткое время без серьезных последствий для пользователей.

6.2.3. Общие принципы технической эксплуатации систем передачи и сетей SDH

В настоящее время ТЭ систем передачи и сетей SDH в тех странах, где они используются, ведется в соответствии с пакетом нормативно-технических документов (НТД). Они разработаны и постоянно обновляются с учетом основных положений развития сети связи страны, рекомендаций ITU-T, современных условий функционирования систем передачи и сетей SDH и накопленного опыта их эксплуатации. В указанном пакете условно можно выделить четыре слоя.

К первому, верхнему, слою относятся Правила технической эксплуатации (ПТЭ) систем передачи и сетей SDH.

Ко второму слою могут быть отнесены НТД, расширяющие ПТЭ: руководящие документы, руководящее технические материалы и типовые технические требования Государственного комитета связи и информатизации на системы передачи и сети SDH.

К третьему слою относятся НТД, уточняющие и конкретизирующие отдельные детали: нормы; отраслевые стандарты; основные положения по проектированию и строительству систем передачи и сетей SDH; типовые инструкции по паспортизации, эксплуатации и восстановлению систем передачи и сетей SDH; указания по измерениям и методики измерений; результаты расчета параметров систем передачи и сетей SDH и т. д.

Сегодня ТЭ каждого конкретного типа системы передачи SDH должна проводиться на основании НТД всех трех слоев и в соответствии с эксплуатационной документацией на этот тип системы передачи SDH. Указанная документация поставляется фирмой-производителем в комплекте с оборудованием данной системы передачи SDH и является по существу НТД четвертого, самого нижнего слоя.

Система ТЭ оборудования систем передачи и сетей SDH представляет собой совокупность методов и алгоритмов ТО, технического персонала, технических и программно-технических средств, средств контроля и измерений. Они обеспечивают поддержание параметров любого объекта ТЭ в пределах установленных норм.

Объектами ТЭ, как они определены в ПТЭ, являются:

- линии передачи SDH и участки этих линий передачи;

синхронные линейные тракты и участки этих трактов;

мультиплексные и регенерационные секции;

оконечные (терминальные) пункты, или пункты доступа;

обслуживаемые (ОРП) и необслуживаемые (НРП) регенерационные пункты;

терминальные мультиплексоры и мультиплексоры DIM;

аппаратура оперативного переключения.

Наряду с объектами ТЭ, система передачи SDH содержит в своем составе вспомогательные объекты технической эксплуатации (ВОТЭ), которые функции передачи сообщений непосредственно не выполняют. К ним относятся устройства контроля и обнаружения отказов, передачи служебных сигналов, аварийной сигнализации и т. д.

Один или несколько объектов ТЭ с одним или несколькими ВОТЭ образуют элемент сети SDH.

Он выполняет функции формирования сигналов управления и контроля, обмена ими с другими элементами сети NE через их ЕМ и сетью TMN через ее сетевой менеджер данной сети SDH.

Рекомендуются следующие методы ТО объектов ТЭ [4]:

профилактическое ТО, которое выполняется через определенные промежутки времени или в соответствии с заранее установленными критериями и направленное на своевременное предупреждение появления признаков отказа или ухудшения функционирования объекта ТЭ;

корректирующее ТО, выполняемое после обнаружения состояния неработоспособности объекта ТЭ и направленное на его восстановление и приведение в состояние, когда параметры качества объекта ТЭ окажутся в пределах установленных норм с учетом допусков;

управляемое ТО, которое выполняется путем систематического применения методов анализа состояния объектов ТЭ с использованием средств контроля и управления и направлено на сведение к минимуму профилактического ТО и уменьшения времени восстановления объекта ТЭ.

Предпочтительным является метод управляемого ТО, который позволяет устранять намечающиеся отказы до их возникновения при наличии средств структурного резервирования (по типовым элементам замены аппаратуры, синхронным линейным трактам на участке переключения или обходным путям на сети). Это реализуется при использовании программно-технических средств контроля и переключения на резерв во взаимодействии с сетью TMN.

В соответствии с Рекомендацией ITU-T М.20 объект ТЭ предназначен для выполнения определенных функций между интерфейсами NE, например, линейного регенератора СЛТ, как показано на рис. 6.6.

По интерфейсам ТЭ значения рабочих параметров, контролируемых встроенными устройствами обнаружения отказов, сообщаются техническому персоналу либо автоматически после возникновения отказа, либо по запросу информации техническим персоналом. Кроме того, с помощью интерфейсов ТЭ могут выполняться другие функции ТЭ и управления сетью SDH и ее элементами, изложенные в разд. 5, а более подробно - в Рекомендации ITU-T М.3010.

Рис. 6.6

6.2.4. Контроль качества функционирования систем передачи и сетей SDH

Отказ - это прекращение способности объекта выполнять требуемую функцию. Для классификации отказов используются понятия аномалии или нарушения и дефекта, или неисправности [4].

Аномалия (нарушение) - это расхождение между текущим и требуемым значениями параметра объекта. Аномалия может влиять или не влиять на способность объекта ТЭ выполнять требуемую функцию.

Дефектом (неисправностью) считается ограниченный перерыв в способности объекта ТЭ выполнять требуемую функцию. Он может требовать или не требовать действий по ТЭ в зависимости от оценки результатов дополнительного анализа. Последовательные аномалии, вызывающие уменьшение способности объекта ТЭ выполнять требуемую функцию, рассматриваются как дефект.

Контроль качества функционирования систем передачи и сетей SDH -это процесс, при котором аномалии и дефекты, обнаруженные в объекте ТЭ, анализируются и проверяются. Анализ может быть внутренним или внешним относительно объекта ТЭ. Внешний анализ может выполняться либо местными, либо централизованными средствами.

Указанный контроль включает три непрерывно и совместно проводимых процесса контроля для выявления:

аномалий (кратковременный процесс);

дефектов (среднесрочный процесс);

ухудшенного качества функционирования (долговременный процесс).

Каждый процесс контроля сопровождается определенными собранными данными об аномалиях и дефектах объектов ТЭ. Процессы контроля 1 и 2 указывают на возникновение состояния аномалии и дефекта соответственно. Контроль за ухудшением качества показывает уровень качества функционирования объекта ТЭ, т. е. является ли качество функционирования данного объекта ТЭ хорошим, ухудшенным или неприемлемым. Уровень качества определяется на основе данных об аномалиях и дефектах, полученных и проанализированных за указанный (заданный) интервал времени. Пороги, разделяющие ухудшенные и неприемлемые пределы качества, и интервал наблюдения устанавливаются для каждого дефекта и подтвержденного состояния неработоспособности или для пакета аномалий и дефектов, а также для каждого типа объекта ТЭ. Индикация ухудшенного или неприемлемого значения рабочих параметров выдается каждый раз при превышении порога. Этот процесс показан на рис. 6.7 [4].

До недавнего времени критерием, с помощью которого оценивалось качество передачи по цифровым трактам, был средний коэффициент ошибок Кош за длительный временной интервал. По мере того, как выяснялись причины возникновения ошибок в цифровой сети, становилось понятно, что этот критерий не является оптимальным. Он пригоден для оценки систем передачи, где имеют место случайные ошибки. Но в системах передачи большой емкости, например, систем передачи SDH уровней STM-16 и STM-64, которые в настоящее время широко применяются на транспортных сетях, возникают пачки цифровых ошибок. Эти ошибки нельзя точно оценить по одиночным ошибкам, так как свойства ошибок изменяются во времени.

Рис. 6.7

Для оценки качества проектирования, построения и эксплуатации цифровых сетей ранее использовалась Рекомендация ITU-T G.821, которая была основополагающей. Она определяла также направления разработки оборудования систем передачи и измерения ошибок, используемые в цифровых сетях. Однако с течением времени при практическом применении указанной рекомендации возникли две проблемы:

1) требования к качеству функционирования относятся исключительно к цифровым каналам со скоростью передачи 64 кбит/с; практически же контроль ошибок в настоящее время осуществляется в ЦСП, работающих на значительно более высоких скоростях;

2) определения параметров качества основываются на регистрации ошибочных битов и, исходя из этого, на измерении коэффициента ошибок по битам; в устройствах встроенного контроля плезиохронных ЦСП коэффициент ошибок по битам оценивается без перерыва связи, например, по нарушению свойства чередования полярности символов линейного кода; однако эта оценка приблизительна и не всегда адекватно отражает статистику цифровых ошибок в ЦЛТ.

Ошибочные биты могут быть однозначно опознаны при известной контролируемой последовательности, т. е. при измерении К_ош с перерывом связи. Эти недостатки учтены в Рекомендации ITU-T G. 826, которая удовлетворяет следующим требованиям:

пригодность для оценки цифровых каналов и трактов с различными скоростями передачи;

возможность измерения параметров качества без перерыва связи;

независимость результатов оценки от среды передачи и от системы передачи (PDH или SDH);

ужесточение целевых величин оценки качества с учетом возможностей современных систем передачи SDH.

В соответствии с новой рекомендацией для оценки качества функционирования систем передачи SDH без перерыва связи используются встроенные устройства контроля ошибок, которые имеются в оборудовании систем передачи SDH. Это потребовало отказа от измерения ошибок по битам и перехода к измерению «блочных» ошибок (см. подразд. 5.3.2).

Блок определяется как группа следующих друг за другом битов, которые могут быть закреплены за исследуемым соединением (трактом). Контроль основан на наблюдении за следующими четырьмя различными показателями (событиями) ошибок:

блок с ошибками ЕВ (Errored Block) - блок, в котором имеется одна или несколько ошибок по битам;

секунда с ошибками ES (Errored Second) - интервал времени в одну секунду, в котором имеется один блок с ошибками или несколько блоков с ошибками;

секунда с серьезными ошибками (или секунда, пораженная ошибками) SES (Severely Errored Second) - отрезок времени в одну секунду, который содержит более 30 % блоков с ошибками или, по крайней мере, один период с большим количеством ошибок, или сильно пораженный ошибками период;

фоновая блочная ошибка ВВЕ (Background Block Error) - блок с ошибками, не относящийся к секунде, пораженной ошибками, т. е. к SES. Этот вариант называют также последовательными секундами с серьезными ошибками CSES (Consecutive Severely Errored Seconds) [77].

Практически контролируются (измеряются) относительные величины, которые в действующих нормах называются коэффициентами ошибок:

коэффициент ошибок по секундам с ошибками ESR (Errored Second Ratio) - отношение секунд с ошибками к общему числу секунд в интервале измерения;

коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками SESR - отношение секунд с большим количеством ошибок к общему числу секунд в интервале измерения;

коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками BBER - отношение количества блоков с ошибками к общему количеству блоков в измерительном интервале времени.

Все сигналы первичной информации об ошибках от различных датчиков либо передаются от каждого объекта ТЭ в блок обработки, либо обрабатываются на месте. Показатели рабочих параметров определяются на основе этой информации. Каждый показатель, называемый показателем ошибок (ES, SES, ВВЕ), обрабатывается отдельно, чтобы затем вычислить коэффициенты ошибок, которые характеризуют качество работы объекта ТЭ.

Показатели ошибок основных цифровых каналов и высокоскоростных трактов являются статистическими параметрами и нормы на них установлены с соответствующей вероятностью их выполнения. Для показателей ошибок разработаны долговременные и оперативные эксплуатационные нормы [4].

Долговременные нормы определены на основе Рекомендаций ITU-T G.821 для ОЦК и G.826 - для высокоскоростных цифровых трактов. Проверка долговременных норм требует в эксплуатационных условиях длительных периодов измерения - не менее одного месяца.

Оперативные нормы относятся к экспресс-нормам; они определены на основе Рекомендаций ITU-T М.2101, М.2110, М.2120, для систем передачи и сетей SDH и требуют для своей оценки относительно интервалов измерения: 15 мин, один час, одни сутки, семь суток.

Для анализа результатов контроля определяются пороговые значения S1 и S2 коэффициентов ошибок ESR и SESR за некоторый интервал наблюдения (измерения). Если, например, за этот интервал в процессе эксплуатации по результатам контроля получено значения коэффициентов ошибок ESR и SESR, равное S, то это означает:

S ≥ S2 - неприемлемое качество;

S1 < S < S2 - ухудшенное (плохое) качество;

S ≤ S1 - приемлемое (хорошее ) качество.

Современные требования к средствам и системам передачи SDH предопределили появление дополнительных возможностей контроля качества функционирования аппаратуры СЛТ - синхронных линейных мультиплексоров, линейных регенераторов, волоконно-оптических усилителей, которые должны обеспечивать:

формирование и передачу аварийных сообщений как в сторону СЛТ (в сторону линии), так и в сторону пункта доступа (в сторону станции) при возникновении аварий (отказов) в аппаратуре данного пункта;

с помощью устройств встроенного контроля без перерыва связи осуществление оценки уровней мощности оптического излучения на выходе тракта передачи и на входе тракта приема как на ближнем, так и на дальнем конце СЛТ; это обеспечивает непрерывный контроль за величиной системного запаса (энергетического потенциала) на прилегающем регенерационном (или усилительном) участке;

автоматическое отключение лазера ОПД при пропадании входного сигнала на оптическом интерфейсе приемника и ограничение уровня мощности излучения ОПД до предельно допустимого уровня для лазера используемого класса при разъединении или обрыве оптического волокна в тракте передачи СЛТ;

контроль показателей ошибок ES и SES без перерыва связи как на ближнем (Nearer) (NES, NSES), так и на дальнем (Farther) концах (FES, FSES) СЛТ.

6.2.5. Система аварийной сигнализации и обработка сигналов аварии

В соответствии с современной концепцией технической эксплуатации (ТЭ) объект ТЭ характеризуется обобщенными оценками технического состояния. Они должны адекватно отражаться системой аварийной сигнализации, которая информирует о следующих состояниях параметров, характеризующих качество объекта ТЭ.

«Норма» - параметры качества объекта ТЭ находятся в пределах установленных допусков (приемлемое или хорошее качество).

«Предупреждение» (информационный сигнал ТЭ) - параметры качества находятся в пределах установленных допусков, а параметры элементов объекта ТЭ, режимы и условия их работы свидетельствуют о повышенной возможности отказа в работе объекта ТЭ (приемлемое качество).

«Повреждение» (несрочный аварийный сигнал ТЭ) – параметры качества вышли за пределы установленных допусков в результате нарушения режима работы объекта ТЭ или возникновения неисправности в нем при сохранении состояния работоспособности (ухудшенное или плохое качество).

«Авария» (срочный аварийный сигнал ТЭ) - параметры качества объекта ТЭ вышли за пределы установленных допусков в результате нарушения режима работы объекта ТЭ или возникновения неисправности в нем, вследствие чего наблюдается отказ в работе объекта ТЭ (неприемлемое качество).

Процесс обработки аварийной информации об объекте ТЭ, начиная с процесса его контроля до обнаружения неправильного функционирования, показан на рис. 6.8.

Сигналы системы аварийной сигнализации «Предупреждение», «Повреждение», «Авария» могут выдаваться или не выдаваться в объект ТЭ. Когда сигнал выдается за пределами объекта ТЭ, процесс обработки сигналов аварии или аварийной информации может объединять сообщения от других источников (например, от других объектов ТЭ, о времени суток, об интенсивности нагрузки и т. д.) с выходными данными от процесса контроля за плохим функционированием. На их основе формируется решение о том, должны ли выдаваться срочные, несрочные или информационные сигналы ТЭ. Когда принят сигнал индикации аварийного состояния или сигнал об отказе на предшествующем участке какой-либо секции СЛТ, от объекта ТЭ может потребоваться выдача сигнала аварии службы.

Чтобы избежать ненужных действий по ТЭ, используется следующая сигнализация об отказах, выдаваемая объектами ТЭ:

сигнал индикации аварийного состояния (СИАС), или сигнал индикации аварии AIS (Alarm Indication Signal);

сигнал указания об отказе на предшествующем участке (СУОП);

сигнал аварии службы (САС).

Рис. 6.8

Сигнал СИАС, или AIS - сигнал, поступающий от отказавшего объекта ТЭ. Этот сигнал путем замены рабочего сигнала вводится во все зависимые исходящие (передаваемые) цифровые потоки для сообщения другим недефектным объектам ТЭ, что отказ идентифицирован. Другие аварийные сигналы ТЭ, являющиеся следствием зафиксированного отказа, должны быть блокированы.

Сигнал СУОП информирует о том, что отказ объекта ТЭ произошел на участке СЛТ, предшествующем данному пункту, и поэтому какие-либо действия по ТЭ на данном пункте не инициируются. Появление СУОП означает либо нарушение передачи поступающего сигнала (получено извещение об отказе предшествующего оборудования), либо отказ в устройстве, выдающем сигнал аварии.

Чтобы правильно определить эти две возможности, необходимо провести независимое тестирование либо входного сигнала, либо устройства, выдающего аварийный сигнал. Пораженный входной сигнал указывает на отказ предшествующего оборудования. Устройство, выдающее аварийный сигнал, может быть испытано независимо, например, методом шлейфа. И если это устройство исправно, то фиксируется сигнал отказа объекта ТЭ на предшествующем участке.

Сигнал САС выдается объектами ТЭ, в которых начинается и (или) заканчивается предоставление услуги, чтобы показать, что данный вид услуги более не предоставляется. Сигнал САС должен выдаваться в том случае, когда значение рабочего параметра снижается ниже значения, требуемого данной службой. Оно может совпадать с тем значением, при котором также выдается сигнал «Авария».

Принимаемые три указанных вида аварийных сигналов маркируются метками времени, регистрируются и обрабатываются.

Каждый поступающий сигнал аварии фильтруется для определения его состояния. Значения временных интервалов, по которым фильтрующее устройство принимает решение о наличии или отсутствии сигнала аварии, закладывается при конфигурации системы передачи SDH, однако они могут быть изменены с компьютера рабочего места оператора.

Сигнал аварии может находиться в одном из следующих четырех состояний:

«Сигнал присутствует» - в случае, если время наличия сигнала превышает значение временного интервала, по которому фильтрующее устройство принимает решение о наличие сигнала аварии;

«Прерывистый сигнал» - когда время наличия сигнала аварии меньше временного интервала, по которому фильтрующее устройство принимает решение о наличии сигнала аварии, а время его отсутствия меньше временного интервала, по которому принимается решение об отсутствии сигнала аварии;

«Сигнал отсутствует» - если время отсутствия сигнала аварии превышает значение временного интервала, по которому фильтрующее устройство принимает решение об отсутствии сигнала аварии;

«Сигнал маскирован» - состояние, когда сигнал аварии присутствует, но не отображается из-за наличия сигнала аварии с более высоким приоритетом.

Система аварийной сигнализации имеет устройство маскирования сигналов аварий, которое подавляет всю последовательность сигналов аварий, и только сигнал с более высоким приоритетом будет отображаться. Маскирование выполняется в два этапа.

На первом этапе перед отображением сигнала проверяют, присутствует ли сигнал аварии с более высоким приоритетом, на втором - приводит ли сброс сигнализации с более высоким приоритетом к сбросу сигнализации с более низким. Все маскируемые сигналы аварии отображаются на объектах ТЭ и (или) на экранах компьютеров системы управления сетью SDH.

При обнаружении сигнала аварии система аварийной сигнализации через систему управления выполняет его обработку в такой последовательности [164]:

выдает соответствующие сигналы индикации на шину сигнализации данного объекта ТЭ;

засвечивает соответствующие светодиоды сигнализации на местной панели доступа оператора LCAP;

засвечивает индикатор «Отказ» в соответствующем устройстве (блоке, плате) объекта ТЭ;

регистрирует сигнал аварии и выдает сообщение о нем на интерфейс устройства отображения оператора данного элемента сети (объекта ТЭ); на экране компьютера устройства отображения немедленно появляется сигнал аварии (см. подразд. 5.4.4);

выдает сообщение об аварии на более высокий уровень системы управления сетью;

при необходимости переключает нагрузку на свободные (резервные) тракты;

дает команду соответствующим устройствам вставить сообщение об аварии (отказе) в исходящие цифровые потоки для передачи этого сообщения на прилегающий объект ТЭ.

Кроме того, любое оборудование мультиплексирования (от виртуальных контейнеров VC-12 сетевых трактов низшего порядка до линейных мультиплексоров высшего уровня иерархии мультиплексных секций) при наступлении состояния его неработоспособности должно обеспечивать передачу аварийных сообщений по специальным каналам, образованным определенными битами или байтами заголовков POH и MSOH (см. подразд. 2.2.3) цифровых последовательностей соответствующих циклов передачи. Эти сообщения используются для контроля и оценки состояния удаленных ТМ на противоположном конце СЛТ, для чего применяются сигналы FEBE/REI (Farther End Block Error/Remote Error Indication) - «Ошибки на дальнем конце» и FERF/RDI (Farther End Receive Failure/Remote Defect Indication) -«Авария приема на дальнем конце».

6.2.6. Стратегия технического обслуживания и устранения неисправностей

Стратегия ТО систем передачи SDH по обнаружению и устранению неисправностей состоит в том, чтобы обнаружить отказавший сменный модуль (блок, плату) и заменить его, пытаясь всегда свести к минимуму разрывы трафика. При определении источников неисправностей и аварий предполагается, что система контроля и система аварийной сигнализации (индикации) находятся полностью в рабочем состоянии. Предполагается далее, что сеть SDH управляется централизованно, поэтому дальнейшая обработка возникающих аварийных сигналов осуществляется системой управления сетью, что позволяет [164]:

изолировать ключевые аварии при помощи процесса однонаправленного соответствия;

однозначно обнаружить ключевые аварии в определенном месте;

использовать автоматически управляемые шлейфы и замену неисправного основного оборудования заведомо исправным резервным оборудованием для зон систематического возникновения аварий и свести их к определенному оборудованию, например, мультиплексор, блок (плата), устройство (компонент);

систематически проводить тестирование оборудования и выдавать результаты проверки на экран компьютера оператора объекта ТЭ для локализации неисправностей и повреждений.

Возникающие неисправности можно отыскать в определенном блоке мультиплексора также за счет использования индикации местной аварии следующим образом:

блок системы аварийной сигнализации индицирует состояние сигнализации оборудования и обеспечивает передачу аварийных сообщений в систему управления;

панель местного доступа оператора LCAP индицирует состояние сигнализации отдельного мультиплексора;

красные лампочки индикаторов «Отказ» на передних (лицевых) панелях блоков указывают на отказ в работе того или иного блока данного мультиплексора;

более подробную информацию об активной аварии можно получить, запустив с компьютера оператора объекта ТЭ программное обеспечение инструментальной подсистемы задания конфигурации и тестирования САТТ (Configuration and Test Tool), которая, кроме того, выдает дополнительную информацию. Она может быть использована для диагностики неисправностей (регистрация аварий, измерение рабочих параметров).

При этом необходимо учитывать, что система аварийной сигнализации выполняет маскирование сигналов аварий, чтобы ограничить количество сигналов, выдаваемых на устройства управления сетью, т. е. на экраны компьютеров сетевых операторов.

Кроме того, если индикацию «Отказ» вызывает не один, а два или несколько сигналов аварии, то загорается лампочка индикатора, в наибольшей степени связанного с данной аварией. Например, при обнаружении потери сигналов STM-1 и AU-4 выдается аварийное сообщение только о потере сигнала STM-1, т. е. сообщение AIS STM-1, так как сообщение AIS AU-4 - это следствие потери сигнала STM-1. Поэтому существует большая вероятность того, что аварийное сообщение AIS AU-4 было вызвано потерей сигнала STM-1.

При диагностике отказов необходимо особенно следить за тем, чтобы избежать неоправданных разрывов трафика во всех трактах, образованных различными системами передачи и сетью SDH в целом. В методиках и руководствах по обнаружению и устранению неисправностей и отказов, приведенных в инструкциях по ТО конкретных систем передачи SDH особо выделены действия, которые могут нарушить целостность трафика. Например, для исключения разрывов трафика в системе передачи типа TN-1X необходимо [164]:

переключение на резервное устройство управления нагрузкой выполнять до снятия отказавшего устройства управления нагрузкой; переключение устройства управления нагрузкой моментально повлечет за собой ошибки во всех трактах трафика (как в сквозных трактах, так и в трактах выделения/вставки); после выполнения соответствующей процедуры при полной уверенности в том, что причина аварии устранена, следует переключиться на прежнее устройство управления нагрузкой;

в системах с защищенными канальными потоками перед заменой линейного (агрегатного) блока выполнить защитное переключение канальных потоков;

если блок, обрабатывающий трафик, является текущим источником сигнала тактовой синхронизации, то перед заменой блока переключиться на другой источник синхроимпульсов;

если линейный блок используется только как средство доступа к оборудованию типа TN-1X через канал ЕСС, линейные соединения шлейфом выполнять в присутствии оператора, который мог бы отключить шлейф с компьютера.

Рассмотрим вопрос об устранении неисправностей на нескольких конкретных примерах для терминального мультиплексора типа ТМ-2500 системы передачи AXD-2500 компании Ericsson (см. разд. 7), однако предварительно необходимо сделать несколько замечаний.

1. Для повышения эффективности функционирования данной системы передачи SDH и уменьшения времени разрыва трафика все аварийные системы разделены на четыре приоритета:

Major- серьезная (главная) неисправность;

Critical - критическое состояние;

Minor - незначительная (второстепенная) неисправность;

- Warning - предупреждение о возможной неисправности. Первым всегда должен рассматриваться аварийный сигнал с наивысшим приоритетом. При ликвидации серьезной неисправности многие другие аварийные сигналы устраняются.

Одна и та же индикация серьезной неисправности может быть вызвана различными причинами (авариями) в различных местах (устройствах) системы передачи. Поэтому поиск возникшей неисправности и установление возможной причины ее появления всегда необходимо проводить в определенной последовательности.

Некоторые из методик поиска и устранения неисправностей предусматривают отключение оптических волокон, по которым транспортируется трафик или извлечение и замену блоков аппаратуры. Это, разумеется, должно выполняться в период проведения ТО системы передачи, когда трафик поддерживается другой (резервной) системой передачи.

Оператор сети может допустить существование некоторых аварий (Minor, Warning), которым установлен незначительный статус до проведения запланированного ТО. Аварии, затрагивающие трафик в значительной степени, должны быть немедленно устранены с применением защитного переключения на резервный тракт или с применением резервных блоков мультиплексора SMUX-2500.

4. В процессе функционирования оборудования систем передачи AXD-2500 на сети (ТМ-2500, ADM-2500, IR-2500, одномодовые волокна оптических секций СЛТ) за ним ведется непрерывный мониторинг его состояния с использованием PC операторов NE. При появлении неисправности в каком-либо NE сообщения об этом выдаются на экран PC.

После этих замечаний перейдем к конкретным примерам.

Первая неисправность - потеря входного оптического ЦЛС уровня STM-16, или LOS (Loss of Signal).

В основном окне дисплея PC оператора выбираются рабочие области Multiplexing Path (путь мультиплексирования) и Object Selection (выбор объекта). В рабочей области Object Selection необходимо выбрать объект SDH OS TTP (параметры сигнала SDH в терминальных точках оптической секции).

Индикация о потере указанного сигнала будет выдаваться на экране PC в виде участка сети с обозначением возможных точек (мест) возникновения неисправности (Possible points of failure) и указанием объекта (SDH OS TTP), выбранного порта (STM-16 UP4), наименования аварийного сигнала (Loss of Signal), вида аварии (CommAlarm - общая авария) и приоритета аварийного сигнала (Major). Все это показано на рис. 6.9, а, на котором другие (неуказанные выше) обозначения имеют следующие наименования:

A,B,C,D- элементы участка сети SDH;

TXU и RXU - блоки оптического передатчика (TXU STM-16) и оптического приемника (RXU STM-16) соответственно терминальных мультиплексоров ТМ-2500 пунктов доступа А и D;

UP3 и UP5 - два блока линейных регенераторов IRU STM-16, один из которых (UP5) работает в направлении А-D а второй (UP3) – в направлении D-A (см. рис. 7.6, б);

UP4 - блок оптического приемника RXU STM-16 в позиции 4 субстойки (см. рис 7.3).

Причинами индикации Loss of Signal могут быть:

неисправность оптического приемника RXU мультиплексора TМ-2500 пункта доступа А;

неисправность оптического передатчика соседнего (пункт В) регенератора в сторону мультиплексора TМ-2500 пункта A;

обрыв волокна оптической секции между пунктами А и В в направлении от В к А.

Алгоритм, показанный на рис. 6.9, б, отображает соответствующие последовательные действия оператора сети по отысканию и устранению рассмотренной выше неисправности.

Вторая неисправность - чрезмерное значение коэффициента ошибок по битам во входном оптическом ЦЛС уровня STM-16 (Excessive BER Value).

В основном окне дисплея PC оператора выбираются рабочие области Multiplexing Path и Object Selection. В последней области необходимо выбрать объект MS TTP (параметры сигнала в терминальных точках мультиплексной секции). Индикация аварии «Чрезмерное значение BER» будет выдаваться на экран PC в виде участка сети и других атрибутов данной неисправности, которые показаны на рис. 6.10, а.

Рис. 6.9

Появление большого значения коэффициента ошибок по битам обычно происходит из-за механического напряжения оптического волокна, его неправильного монтажа (некачественного сращивания) или из-за наличия неисправного блока трафика.

Методика обнаружения такой неисправности реализуется путем использования техники ограничения тракта прохождения оптических сигналов. Данная техника позволяет локализовать неисправность до отдельного мультиплексора и блока в данном мультиплексоре. Указанная методика подробно описана в работе [110].

Алгоритм, приведенный на рис. 6.10, б, показывает реализацию этой методики и действия операторов различных пунктов сети по отысканию и устранению причины неисправности Excessive BER Value на объекте MS TTP.

Третья неисправность приоритета Major - потеря цикла передачи (фрейма) входного оптического ЦЛС уровня STM-16, или LOF.

В основном окне дисплея PC оператора выбираются рабочие области Multiplexing Path и Object Selection. В области Object Selection необходимо выбрать объект RS ТТР (параметры сигнала в терминальных точках регенерационной секции, точки С, см. рис. 3.39). Индикация аварии LOF будет выдаваться на экран PC в виде участка сети и других атрибутов данной неисправности, которые показаны на рис. 6.11, а.

Рис. 6.10

Потеря фрейма обычно обнаруживается в блоке RXU STM-16 и рассматривается как неисправность этого блока в ТМ-2500. Однако причиной индикации LOF может быть и неисправность оптического передатчика соседнего регенератора в сторону данного ТМ-2500.

Алгоритм, приведенный на рис. 6.11, б, показывает действия операторов пунктов А и В по отысканию и устранению причины неисправности LOF на регенерационной секции (объект RS ТТР).

Рис. 6.11

Четвертая неисправность - авария мультиплексной секции AIS MS (Multiplex Section AIS).

Сигнал индикации аварии мультиплексной секции вырабатывается в тех случаях, когда какой-либо расположенный вверх по тракту регенератор обнаруживает отказ трафика, т. е. выдает неисправность LOS, LOF или несовпадение идентификатора С1. Места возникновения возможной неисправности показаны на рис. 6.12, а. Алгоритм поиска неисправности преведен на рис. 6.12, б.

Пятая неисправность - выход передаваемой оптической мощности лазера за допустимые пределы (Trans. Opt. Pwr ОOR).

Рис. 6.12

Индикация такой неисправности имеет приоритет Critical (критическое состояние). Обычно причиной данной неисправности является отказ в работе схемы управления излучением оптического передатчика, которая регулирует выходную мощность, излучаемую лазером. Для устранения указанной неисправности необходимо заменить блок TXU STM-16 в мультиплексоре ТМ-2500.

Шестая неисправность - сбой приема оптического ЦЛС уровня STM-16 на дальнем конце мультиплексной секции (FERF MS). Индикация такой неисправности имеет приоритет Minor.

Наличие аварийного сигнала FERF MS показывает, что неисправность, затрагивающая трафик, возникла в тракте передачи, вверх по тракту от места обнаружения неисправности. Места возникновения возможной неисправности показаны на рис. 6.13, а. Алгоритм поиска неисправности аналогичен алгоритму, приведенному на рис. 6.12, б.

Рис. 6.13

Седьмая неисправность - потеря указателя сигнала AU-4, или LOP AU-4 (Loss of AU-4 Pointer).

Индикация этой неисправности имеет приоритет Warning (предупреждение о возможной неисправности). В основном окне дисплея PC оператора выбираются рабочие области Multiplexing Path и Object Selection. В последней из указанных областей необходимо выбрать объект AU-4 СТР (параметры сигнала в терминальных точках тракта AU-4).

Индикация предупреждения LOP AU-4 будет выдаваться на экран PC в виде участка сети и других атрибутов данного предупреждения (рис. 6.14, а). Предупреждение о возможной неисправности LOP AU-4 возникает при невозможности отыскания оконечными блоками доступа типа TAU 4 х 140 или TAU 4 х STM-1e (см. п. 7) достоверного указателя в структуре сигнала AU-4. Действия операторов пунктов доступа A и D по отысканию и устранению неисправностей, вызывающих появление предупреждающего сигнала LOP AU-4, представлены в виде алгоритма, который приведен на рис. 6.14, б.

Рассмотренные, а также другие неисправности, возникающие в различных устройствах оборудования систем передачи SDH, более подробно описаны в специальных руководствах по устранению неисправностей для каждого типа мультиплексоров, регенераторов и других элементов конкретных систем передачи как, например это сделано в работе [110] для оборудования систем передачи SDH типов AXD-620 и AXD-2500 компании Ericsson.

Рис. 6.14

6.2.7. Пример автоматизированной системы технической эксплуатации

Современные требования к транспортным сетям SDH по надежности, времени восстановления отказов, быстроте предоставления резервных трактов делают централизованную систему управления сетевыми ресурсами важнейшей составляющей, без которой эффективная эксплуатация сети практически не возможна. Поэтому вполне объясним увеличивающийся интерес операторов к современным автоматизированным системам технической эксплуатации (АСТЭ). Они основаны на признанных международных стандартах ISO и рекомендациях ITU-T, новейших компьютерных технологиях и в них учтен опыт эксплуатации сетей крупнейшими международными операторами.

В настоящее время в области создания и внедрения АСТЭ признанным лидером по праву считается компания Lucent, которая разработала и предлагает семейство систем (продуктов) ITM (интегрированное управление транспортной сетью). В полном соответствии с моделью TMN (см. подразд. 5.1.3) в данное семейство входят системы уровней управления обслуживанием (сервисом) сетью и элементами сети SDH.

В соответствии с Рекомендациями ITU-T М.3010 и М.3100 оборудование ITM выполняет следующие функции: управление сообщениями об аварийных ситуациях, управление рабочими параметрами, управление конфигурацией сети и т. д. (см. подразд. 5.3.2).

Впервые автоматизированное обеспечение эксплуатации реализовано для различных видов NE, т. е. не только для систем передачи SDH, но и для систем коммутации, например, типа 5ESS VCDX, функционирующих в данной сети [53].

Функции уровня управления сервисом в TMN реализуются с помощью системы ACTIVIEW, которая позволяет операторам связи автоматизировать процессы предоставления услуг заказчику (клиенту), начиная от получения заявки на определенное обслуживание (услугу) и заканчивая внесением соответствующих изменений в конфигурацию оборудования, когда услуга воплощена в NE. Система ACTIVIEW осуществляет также автоматизированную обработку сообщений об аварийных ситуациях.

К уровню управления сетью относятся такие системы управления, как, например, NFM и ITM-NM.

Система управления отказами в сети NFM (Network Fail Management) реализует функции централизованного управления отказами по всей сети. Она отображает графически на карте состояние коммутационных и транспортных элементов сети SDH и анализирует корреляцию сообщений об аварийных ситуациях (отказах).

Система ITM-NM реализует функции интегрированного управления транспортной сетью SDH. В каждый момент времени система располагает полной текущей информацией о состоянии сети. Это достигается путем использования динамической, «живой» базы данных, работа которой обеспечивается периодическим сбором данных с систем управления NE.

Системы уровня управления элементами сети обеспечивают функционирование всех NEs, из которых образуется транспортная сеть SDH. Для управления многофункциональными мультиплексорами (терминальными, линейными, выделения/вставки) компания Lucent разработала систему ITM-SC (Sub-network Controller) - контроллер подсети, а для управления кросс-коннекторами - систему ITM-XM (X-connekt Manager) - менеджер кросс-коннектора.

Система уровня управления сетью ITM-NM, взаимодействуя с системами ITM-SC и ITM-XM, реализует полный набор функций управления современными транспортными сетями, состоящими из SLM, DIM, DXC и т. д.

Таким образом, система управления оборудованием и транспортными сетями SDH, разработанная компанией Lucent, соответствует трехуровневой архитектуре TMN, приведенной в Рекомендации ITU-T M.3010. Структурная схема указанной системы управления приведена на рис. 6.15 [53].

С элементами сети взаимодействуют системы управления ITM-SC и ITM-XM, которые занимают нижний уровень в архитектуре системы управления. Уровнем выше находятся системы NFM и ITM-NM, управляющие функциями всей сети. Верхний уровень занимает система ACTIVIEW, которая управляет услугами (обслуживанием клиентов) сети.

В семействе систем ITM транспортная сеть SDH графически отображается в виде узлов, обозначаемых «значками» на фоне схематической карты местности и линий между узлами, которые представляют собой сетевые тракты различного порядка.

В процессе управления сообщениями об аварийных ситуациях сигналы о тревожном событии в оборудовании сети вначале обрабатываются менеджерами элементов (контроллер подсети, менеджер кросс-коннектора). Они дают графическое отображение состояния оборудования сети. Аварийный статус отдельных узлов сети обозначается цветом. Отказы NE отображаются путем изменения цвета «значка», причем различные цвета соответствуют отказам, влияющим на качество предоставляемых клиенту услуг, и менее серьезным отказам.

Рис. 6.15

Например, если пропадает связь с NE, то цвет «значка» этого элемента изменяется на черный. Обработанное сообщение о событии (отказе) пересылается на средний уровень управления сетью для сетевого анализа.

Кроме простого отображения отказов оборудования, система управления NFM выполняет фильтрацию сообщений об отказах и проводит анализ корреляции сообщений от нескольких систем нижнего уровня управления NE. Все поступающие сообщения об отказах записываются в специальный файл регистрации и становятся доступными для последующего анализа в течение месяца.

При управлении рабочими параметрами в семействе систем ITM выполняются все функции этого управления (см. подразд. 5.3.2) и процессы контроля (см. подразд. 6.2.4), отслеживающие качество функционирования систем передачи SDH. При этом в систему периодически поступают данные о таких параметрах, как «секунда с ошибками», «секунда с серьезными ошибками» и «фоновая блочная ошибка». Вся обработанная информация о рабочих параметрах в текстовой или графической форме в виде таблиц и диаграмм может выводиться на печать, а также записывается и храниться в регистровом файле. Она является доступной для анализа в течение месяца.

Управление конфигурацией сети может осуществляться автоматически, полуавтоматически или вручную. Автоматическое конфигурирование сетевых трактов любого порядка (VC-12, VC-3, VC-4) синхронных линейных трактов различных уровней (STM-1, STM-4, STM-16, STM-64) выполняется с помощью графического интерфейса, оно позволяет быстро и гибко изменять и добавлять маршруты транспортирования сигналов.

После ввода запроса на реконфигурацию система управления ITM-NM проверяет его допустимость и, логически проведя необходимое назначение ресурсов, помещает полученный запрос в базу данных для последующего выполнения в указанное время. В случае автоматического конфигурирования сети система INM-NM, основываясь на алгоритме кратчайшего пути, задает оптимальный (по заданному критерию) маршрут между двумя узлами сети и сама определяет тракты, которые при этом будут использоваться.

Непрерывная конфигурация сети с интерфейсом управления «по щелчку мышки» позволяет быстро предоставлять услуги клиентам.

К ключевым преимуществам семейства систем ITM также относятся: возможность быстрого конфигурирования сети и восстановления приоритетного трафика в случае отказа оборудования (элементов сети); снижение затрат на эксплуатацию; более точное ведение базы данных о конфигурации сети и повышение качества обслуживания клиентов.

Таким образом, семейство систем ITM, разработанное и предложенное компанией Lucent, обеспечивает операторов связи всеми необходимыми средствами для введения АСТЭ на транспортных сетях SDH.

6.3. Эксплуатационные измерения параметров систем передачи SDH

6.3.1. Общие вопросы эксплуатационных измерений

Функционирование АСТЭ способствует поддержанию высокого коэффициента готовности сети SDH. Однако остается необходимость использования «внешней» технологии измерений, когда возникает неисправность и наступает отказ в работе какого-либо NE, особенно оптических секций и регенераторов СЛТ. В такой ситуации выполняются эксплуатационные измерения, которые делятся на профилактические, контрольные и аварийные [55]. Задачи профилактических и контрольных измерений решаются, как правило, с помощью контрольно-измерительных приборов, специально встроенных в аппаратуру СЛТ.

Аварийные измерения предназначены для быстрой локализации места аварии, определения до устранения аварии и после ее устранения соответствующих параметров элементов систем передачи SDH. Эти измерения выполняются немедленно после срабатывания сигнализации и появления сигналов аварии «Низкая оптическая мощность», «Потеря сигнала STM-N», «Превышение оптической мощности» и т. д.

Оптические передатчики линейных мультиплексоров и регенераторов систем передачи SDH имеют устройство автоматического выключения лазера ALS (Automatic Laser Shutdown). При появлении аварийного сигнала «Превышение оптической мощности» или «Потеря сигнала STM-N» лазер отключается.

В современных оптических передатчиках задачи аварийных измерений (тестовые задачи) на 90 с игнорируют указанный механизм отключения лазера, чтобы измерить уровень оптической мощности на его выходе, после чего лазер отключается [7].

Таким образом, одной из задач аварийных измерений является определение уровня мощности на выходе оптического передатчика. Выше указывалось, что лазер отключается также при появлении индикации аварии «Потеря сигнала STM-N». Оператор сети предпринимает попытку сбросить эту сигнализацию. Если ему это удается, то лазер включается немедленно. Если же оператор сбросить сигнализацию «Потеря сигнала STM-N» не может, то это означает, что произошел разрыв волокна оптической секции в некоторой точке «х» линейного тракта (см. подразд. 7.2.5). Возникает еще одна задача аварийных эксплуатационных измерений, которая состоит в том, чтобы в результате их проведения определить место аварии в СЛТ.

Прибывшая на место разрыва оптического волокна аварийная команда (бригада) измеряет его затухание в обе стороны от места аварии, т. е. определяет затухание двух участков оптического волокна. После проведения ремонтно-восстановительных работ по устранению разрыва волокна, выполняется измерение затухания волокна на восстановленной оптической секции.

Таким образом, налицо третья задача аварийных эксплуатационных измерений - определение затухания различных длин оптического волокна. Конечно, представленное выше разделение указанных задач эксплуатационных измерений является условным. Практически приходится измерять уровни мощности излучения не только на выходе оптического передатчика. Измерения уровней оптической мощности и измерения затухания оптических волокон взаимосвязаны. Известно [55], что определение затухания или усиления какого-либо устройства системы передачи связано с измерением уровней мощности сигнала на входе и выходе этого устройства. Применительно к оптическому волокну решение этой простой задачи имеет определенные трудности.

Измерение уровня мощности сигнала на входе и выходе волокна зависит от параметров оптических интерфейсов (адаптеров) между источником тестового оптического сигнала и волокном на передающем конце (на входе) волокна и между волокном и измерителем уровня оптической мощности на приемном конце (на выходе) этого же участка волокна.

К основным параметрам оптических адаптеров относятся: тип оптического адаптера (FC, SC, ST, DIN, SMA и др.); качество обработки торца волокна; точность юстировки излучателя относительно этого торца и др. Кроме того, важным является требование постоянства условий согласования источника оптического сигнала с волокном. Все многообразие технических решений по определению затухания (ослабления) ОВ объясняется различными способами, которые применяются для выполнения этой задачи. Ниже рассмотрены несколько основных методов проведения эксплуатационных измерений оптического волокна.

6.3.2. Основные измерительные приборы и их параметры

Для решения указанных выше задач по измерению уровней мощности оптических сигналов, определению места разрыва оптического волокна, а также затухания оптического волокна в настоящее время используются следующие основные типы измерительных приборов:

источники стабилизированного оптического излучения, или генераторы тестового оптического сигнала;

измерители уровней оптической мощности;

анализаторы затухания оптического волокна, или оптические рефлектометры;

комбинированные измерительные приборы, или оптические тестеры.

Рассмотрим каждый из указанных типов приборов более подробно.

1. Генераторы тестового оптического сигнала являются лазерными источниками стабилизированного одномодового оптического излучения. Они предназначены для введения в ООВ сигнала заданного уровня на заданной длине волны с целью определения затухания этого волокна. Основные параметры некоторых источников оптических сигналов приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Тип прибора	Производитель	Длина волны излучения, нм	Выходной уровень, дБм	Ширина спектральной линии, нм	Масса, г	Габариты, мм	Условия работы при температуре, °С
Е5974А	HP	1310;	-7	5	500	95 x 49 x 195	-10...+ 55
		1550
OLS-17	W&G	1550	-	5	500	95 х 49 х 195	-10...+ 55
FLS-135A	EXFO	1310;	-7	5	350	210 x 100 x 50	-10...+ 50
		1550
266А	RIFOCS	1550	-10	Меньше 3	215	72 х 142 х 36	-15...+ 50
TOP150	Tektronix	1550	-10	Меньше 3	215	72 х 142 х 36	-15...+ 50
7ХТ	Photodyne	1300;	-10	Меньше 3	490	77 х 375 х 18	0...+ 40
		1550
ОТ-30-Х	ОПТЕЛ	1310;	3	5	400	160 х 85 х 30	+ 5...+ 40
		1550

Учитывая, что здесь рассматриваются вопросы эксплуатационных измерений, в данной и последующих таблицах приводятся и чисто эксплуатационные параметры измерительного оборудования, такие как масса, габариты и температурные условия работы.

Иногда в качестве стабилизированного источника оптического сигнала на уже работающих (действующих) СЛТ используются лазеры оптических передатчиков линейного оборудования данной системы передачи SDH.

2. Измерители уровней оптической мощности ОРМ (Optical Power Meters) предназначены для определения уровня мощности на выходе оптических излучателей сигналов (оптический передатчик, регенератор СЛТ), а в паре с генератором тестового оптического сигнала обеспечивают измерение затухания различных устройств системы передачи SDH (станционных или линейных участков ОВ, оптических адаптеров, аттенюаторов и т. д.).

Измеритель ОРМ представляет собой последовательное соединение трех основных его устройств: оптического детектора (фотодиода), сигнального процессора и цифрового дисплея. Наиболее важным устройством прибора является оптический детектор, который определяет основные параметры самого измерителя ОРМ. В качестве детектора самое широкое распространение получил твердотельный фотодиод на основе сплава тройного соединения индия и арсенида галлия InGaAs. Такой детектор оптических сигналов на длинах волн 1300 и 1550 нм имеет наиболее равномерную измерительную (ватт-амперную) характеристику (зависимость выходного тока фотодиода от мощности входного оптического сигнала), высокую температурную и временную стабильность и меньший уровень собственных шумов по сравнению с фотодетекторами на основе германия.

Наиболее мощные современные измерители ОРМ используют детектор на основе сплава InGaAs [8]. Оптический детектор принимает входной оптический сигнал и превращает его в электрический ток, который поступает на сигнальный процессор. В соответствии с измерительной характеристикой детектора процессор пересчитывает полученный электрический сигнал в единицы измерений уровней мощности (дБм) и представляет их на экран прибора. Если измерительная характеристика фотодиода существенно неравномерна, то для компенсации этой неравномерности сигнальный процессор должен иметь более сложную структуру.

Если высокотехнологичный детектор будет иметь более равномерную измерительную характеристику, то сигнальный процессор может быть относительно простым. При разработке измерителя ОРМ основным вопросом является выбор между стоимостью высококачественного фотодиода и сложностью (стоимостью) сигнального процессора. Необходимо также учитывать, что некачественный фотодиод может иметь низкую временную стабильность измерительной характеристики, что потребует регулярной калибровки прибора.

Основными параметрами измерителей ОРМ являются тип детектора, точность и диапазон измерений на заданной длине волны принимаемого оптического излучения. Параметры некоторых типов измерителей ОРМ приведены в табл. 6.2 [7].

Таблица 6.2

Тип прибора	Производитель	Тип детектора	Точность измерения, дБм	Диапазон измерения, дБм	Длина волны, нм	Масса, г	Габариты, мм	Условия работы при температуре, °С
OLP-25	W&G	InGaAs	±0,10	-75...+ 5	1300;	600	98x180x68	-10.. .+ 50
					1500
FOT-92A	EXFO	Ge	±0,20	-70...+ 10	780...1600	700	190x100x45	-10.. .+ 50
FOT-93A	EXFO	InGaAs	±0,20	-73...+ 3	850... 1600	700	190x100x45	-10.. .+ 50
E5970A	HP	InGaAs	±0,13	-70...+ 11	800... 1600	500	95х49х 195	-10.. .+ 55
555В	RIFOCS	InGaAs	±0,25	-60...+ 3	1300;	215	72 х 142 х 36	-15. ..+ 55
					1550
558B	RIFOCS	InGaAs	±0,25	-40...+ 20	1300;	215	72 х 142 х 36	-15. ..+ 55
					1550
FM8515B	Wilcom	InGaAs	±0,20	-60.. .+ 5	1300;	220	83x152x33	0...+ 50
					1550
T339С	Wilcom	Ge	±0,30	-60.. .+ 0	1300;	500	152x89x71	-10... + 40
					1550
OT-30-U	ОПТЕЛ	InGaAs	±0,20	-60.. .+ 3	850... 1600	400	160 х 85 х 30	+5. ..+ 40

Возможность поддержки различных оптических адаптеров в современных системах передачи SDH является также важным условием выбора измерителя ОРМ. В настоящее время на сети SDH номенклатура используемых стандартных адаптеров достаточно велика: Biconic, D4, FC, SC, МIС, SMA, ST, Лист-X и др.

3. Оптические рефлектометры являются примером многофункциональных приборов для эксплуатационного измерения и анализа следующих параметров оптического волокна:

обнаружение мест различных неоднородностей в структуре волокна;

затухание и распределение потерь вдоль волокна;

временная стабильность затухания оптических сигналов в волокне;

затухание между двумя любыми точками волокна;

дополнительные потери в местах соединения оптических волокон;

коэффициент обратного рассеяния в волокне;

диаметр сердцевины ОВ и его флуктуации вдоль волокна и др.

В основе прибора используется метод обратного рэлеевского рассеяния в материале волокна. Часть рассеянного в волокне оптического излучения вследствие френелевского отражения на неоднородностях волокна (дефекты материала, сварка волокон, разъемные соединители и т. д.) возвращается по нему в обратном направлении и содержит сведения о значении и распределении параметров оптического волокна по его длине. Для реализации этого метода на одном конце волокна вводят в него короткий мощный оптический импульс и затем на этом же конце принимают и наблюдают сигнал, отраженный различными неоднородностями.

Рефлектометр представляет собой совокупность четырех основных устройств: источника импульсов оптического излучения, фотоприемника (измерителя) отраженного сигнала, управляющего процессора и оптического разветвителя. Структурная схема рефлектометра приведена на рис. 6.16.

Рис. 6.16

Для ввода оптических импульсов в волокно используются направленный ответвитель и оптический адаптер. Отраженный сигнал через тот же ответвитель поступает на высокочувствительный (уровень шума минус 75 дБ) фотоприемник, где преобразуется в электрическое напряжение.

Это напряжение подается на вход Y осциллографа, вызывая соответствующее принятой мощности обратного рассеяния отклонение луча осциллографа. Управляющий процессор согласует работу лазерного диода и осциллографа, создавая возможность наблюдения потока обратного рассеяния полностью или по частям. Ось X осциллографа градуируется в единицах расстояния, а ось Y - в децибелах.

Основными параметрами рефлектометров являются длина волны оптического излучения, разрешающая способность и диапазон возможных измерений затухания волокна.

Обычно рефлектометры разделяют на два класса: дальнего действия и минирефлектометры. Последние имеют высокую разрешающую способность, обеспечивают локализацию разрыва ОВ и различение двух объектов неоднородности на расстоянии менее 10 м. Мертвая зона рефлектометров дальнего действия обычно превышает 10 м.

Основные параметры рефлектометров дальнего действия приведены в табл. 6.3, а минирефлектометров - в табл. 6.4.

Таблица 6.3

Тип прибора	Производитель	Длина волны, нм	Диапазон затухания, дБ	Разрешающая способность, м	Максимальная длина, км	Дополнительные устройства
AQ7210	Ando	1310; 1550	37...34	0,01	320	FDD 1,44;
						внешний принтер
MW9060A	Anristu	1310; 1550	34,5...33,0	0,05	-	FDD 1,44; MS DOS;
						внешний принтер
8147	HP	1310; 1550	40...39	0,1	-	FDD 1,44; WIN95;
						внешний принтер
Fiber Master	Tektronix	1310; 1550	-	0,2	320	FDD 1,44; MS DOS;
						встроенный принтер
Helios	Wavetek	1310; 1550	35...33	0,01	200	FDD 1,44;
(7920)						встроенный принтер

Таблица 6.4

Тип прибора	Производитель	Длина волны, нм	Диапазон затухания, дБ	Разрешающая способность, м	Масса, кг	Дополнительные устройства
MW9070A	Anristu	1310; 1550	23,0... 20,5	10	0,45	FDD 1,44;
						внешний принтер
FTB 250	EXFO	1310; 1550	28... 26	3	-	FDD 1,44; Windows;
						внешний принтер
Е6000А	HP	1310; 1550	29... 27	5	2,8	FDD 1,44;
OFT-50	W&G	1310; 1550	25	3	2,5	внешний принтер
MTS 5200	Wavetek	1310; 1550	До 38	1	-	Встроенный термо принтер
7976 HR	Wavetek	1310;1550	27... 25	7,5	1,6	Встроенный термо принтер

Однако приведенные в табл. 6.3 и 6.4 параметры не дают полного представления о рефлектометрах, их комплектации, возможностях и сервисе. Ниже излагаются более подробные сведения о двух современных рефлектометрах.

Рефлектометр дальнего действия типа СМА-4000 фирмы Laser Precision создан на базе 486-го процессора, оснащен активным матричным цветным VGA-дисплеем (8.4"), волоконно-оптическим ваттметром и памятью для хранения полученных сведений (комплектация прибора возможна 540 Мбайт жестким диском, 3.5"-дисководом, детектором разрыва волокна, световым источником и измерителем оптических потерь на отражение). Основные параметры моделей прибора приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5

Параметры	Значения параметров
Модель прибора	ОР25	ОР35
Длина волны излучения, нм	1300; 1550	1300; 1500
Диапазон затухания, дБ	36...34	38...41,5
Точность измерения, м	0,01	0,01
Точность отсчета, дБ	0,001	0,001
Масса, кг	4,85	4,85
Габариты, мм	228,6 x 331,0 x 88,9	228,6 x 331,0 x 88,9
Мертвая зона, м	15...20	15...20

Минирефлектометры типа AQ 7220 и AQ 7250 фирмы ANDO разработаны после многолетних испытаний полевых рефлектометров. Основные возможности приборов:

запуск измерений нажатием одной клавиши;

большой жидкокристаллический дисплей, варианты поставки: 7" монохромный дисплей 640 х 480 точек или 7" цветной дисплей;

окно просмотра рефлектограммы;

внешний интерфейс GP-IB, RS-232C, Centronics, выход на внешний VGA-дисплей, карта памяти PC MCIA (тип 2 или 3), подключение клавиатуры и «мыши»;

дополнительный непрерывный режим работы лазера;

режим оптического тестера с уровнем выходной оптической мощности 3 дБм;

автоматическое измерение коэффициента отражения;

возможность создания архива рефлектограмм.

Основные параметры типов прибора приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6

Параметры

Значения параметров

Модель прибора

Длина волны излучения, нм

Диапазон затухания, дБ

Точность измерения, м

Точность отсчета, дБ

Масса, кг

Габариты, мм

AQ7220

1300; 1550

34...32

0,05

0,001

4,6

240,6 х 235 х 100

АQ7250

1300; 1550

41,5...39,5

0,05

0,001

3,0

290 х 194 х 75

4. Оптические тестеры предназначены для проведения эксплуатационных измерений на различных участках сети SDH. Они позволяют измерять уровень оптической мощности на выходе различных устройств и определять затухание различных элементов систем передачи SDH (участков ОВ, адаптеров, оптических разветвителей, аттенюаторов и т. д.). В состав тестера входят источник оптического излучения, измеритель уровня оптической мощности и набор различных вспомогательных устройств (оптические шнуры, адаптеры, ножницы для кевлара и т. д.). Конструктивно оптические тестеры выполняются в виде малогабаритного блока с питанием от сети, батареек или аккумуляторов.

Ниже приводятся состав, возможности и основные параметры трех современных тестеров различных разработчиков и фирм-производителей.

Оптический тестер типа AQ 2150 фирмы ANDO может использоваться как стабилизированный источник оптического излучения и измеритель уровня оптической мощности на выходе различных устройств систем передачи SDH. Портативный и высокоточный мультиметр типа AQ 2150 удобен для проведения приемо-сдаточных, контрольных и эксплуатационных измерений систем передачи и сетей SDH, поставляется с техническим описанием и инструкцией по эксплуатации на русском языке.

Основные параметры прибора:

стабилизированный переключаемый лазерный источник излучения на длинах волн 1310 и 1550 нм; нестабильность уровня мощности излучения лазера с оптическим изолятором не более 0,02 дБм;

высокочувствительный фотоприемник с большой приемной площадкой (его уровень шума минус 75 дБ);

диапазон измеряемого затухания оптического волокна 3...80 дБм;

продолжительность непрерывной работы от комплекта батареек составляет 15 ч.

Для измерения коэффициента отражения прибор может комплектоваться различными входными адаптерами (FS, ST, SC).

Оптический мультиметр разработан Украинским научно-исследовательским институтом радио и телевидения (УНИИРТ, г. Одесса) и представлен на рынке в 1999 г. Предназначен для определения затухания многомодовых и одномодовых оптических волокон при строительстве и эксплуатации плезиохронных и синхронных оптических линейных трактов.

В состав комплекта входят: измеритель, адаптерные оптические шнуры, сменная измерительная головка и сетевой блок питания.

Основные параметры мультиметра:

переключаемый лазерный источник излучения на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм (временная и температурная нестабильность уровня мощности излучения лазера не более 0,5 дБм);

динамический диапазон измерений уровней оптической мощности от минус 60 до 3 дБм, погрешность измерения ± 5 % (имеется возможность измерять оптическую мощность в абсолютных единицах);

габариты прибора 180 х 114 x 50 мм (рассчитан на эксплуатацию при температуре окружающей среды от минус 10 до + 50 °С и относительной влажности до 90 % при температуре + 30 °С.

Возможности прибора:

использование в качестве источника непрерывного лазерного излучения на трех длинах волн 850, 1310 и 1550 нм с таймером на отключение;

измерение уровней оптической мощности на выходе различных устройств, в том числе и на выходе одномодовых и многомодовых оптических волокон на трех длинах волн 850, 1310 и 1550 нм;

отображение получаемых результатов в цифровом виде на жидкокристаллическом дисплее;

ведение служебных телефонных переговоров по измеряемому ОВ.

Семейство оптических тестеров серии OTS 794х фирмы Wavetex включает источники оптического излучения и измерители уровня оптической мощности. Большой экран с подсветкой и защищенная от проникновения воды клавиатура позволяют использовать приборы в сложных условиях окружающей среды. Источники сигналов имеют выход с регулируемым уровнем оптической мощности, могут передавать значение длины волны, на которой ведется измерение. Программируемые пороги результатов измерений упрощают тест «проходит - не проходит», а встроенная в измеритель уровня мощности память позволяет хранить полученные результаты измерений.

Основные параметры тестера типа OTS 7945:

длина волны оптического излучения 1550 ± 30 нм (ширина спектральной линии менее 5 нм);

выходной уровень оптической мощности источника излучения 0 дБм с возможностью его повышения путем регулировки до 10 дБм;

стабильность выходного уровня ± 0,05 дБм за 1 ч и ± 0,15 дБм за 24 ч;

динамический диапазон измерений уровней оптической мощности от минус 65 до 5 дБм (точность измерений при уровне минус 30 дБм равна 0,2 дБм).

Приведенные сведения о трех типах оптических тестеров не означают, что этим исчерпывается их номенклатура [71, 72]. Все ведущие фирмы мира по производству оборудования для волоконно-оптических телекоммуникаций производят и современные оптические тестеры, которые постепенно вытесняют с рынка отдельные источники оптических сигналов и измерители уровней оптической мощности.

6.3.3. Определение затухания и места повреждения оптического волокна

Затухание, вносимое в СЛТ оптической секции, является полным суммарным затуханием собственно волокна и потерь оптической мощности в адаптерах оптического передатчика и фотоприемника. Это затухание (дБм) определяется выражением:

где P₀ - мощность на входе волокна, излучаемая стабилизированным источником оптического сигнала; P_L - мощность этого сигнала, измеренная на выходе волокна длиной L; Е - эффективность ввода излучения в волокно; р - коэффициент отражения вводимой мощности от торца волокна.

При согласованном вводе излучения источника в волокно, к чему стремятся на практике, получаем традиционную формулу:

, (6.1)

где p₀ - уровень оптической мощности сигнала на входе волокна; p_L - уровень оптической мощности этого сигнала, измеренный на выходе волокна длиной L.

К настоящему времени разработаны и практически применяются несколько методов измерения полного затухания ОВ. При аварийных эксплуатационных измерениях наибольшее распространение получили два метода: прямого измерения затухания и обратного рассеяния для измерения затухания ОВ.

1. Метод прямого измерения затухания, или двухточечный метод (метод двух отсчетов), основанный на измерении уровня оптической мощности p_L на выходе волокна при условии, что на его вход подается известный уровень р₀ оптической мощности сигнала от стабилизированного источника. Тогда затухание оптического волокна определяется по формуле (6.1). Схема такого измерения затухания оптического волокна показана на рис. 6.17. Это типичная схема измерения «точка - точка», когда генератор тестового оптического сигнала и измеритель уровня оптической мощности расположены по разным концам измеряемого волокна.

Рис. 6.17

Существует две разновидности двухточечного метода: метод измерения затухания без разрушения волокна (безобрывный метод) и метод измерения затухания с разрушением оптического волокна (метод обрыва).

Безобрывный метод измерения затухания оптического волокна в точности соответствует схеме, показанной на рис. 6.17. Этот метод широко использовался в 90-х годах и еще используется в настоящее время при аварийных эксплуатационных измерениях затухания каждого из двух отрезков разорванного волокна, когда место разрыва локализовано.

Для выполнения измерений на одном конце волокна необходимо иметь стабилизированный источник оптического сигнала из состава генераторов (см. табл. 6.1) или оптический тестер, а на другом конце - измеритель уровня оптической мощности (см. табл. 6.2) или тоже оптический тестер. Один из двух последних указанных приборов должна иметь у себя аварийная команда, прибывшая на место разрыва волокна. Для повышения точности метода обычно используют статистическое накопление результатов после проведения нескольких повторных измерений.

Метод измерения затухания с разрушением ОВ часто используют при проведении строительно-монтажных работ. Процедура измерений состоит в следующем. Сначала безобрывным методом измеряется уровень оптической мощности сигнала p₂ на выходе измеряемого волокна заданной длины L₂. Затем в нескольких метрах от начала волокна оно разрезается (но условия ввода излучения в волокно при этом не нарушаются) и измеряется уровень оптической мощности сигнала р₁ на выходе короткого отрезка волокна длинной L₁. Этот уровень сигнала соответствует уровню, введенному в отрезанную (длинную) часть волокна (она имеет длину L₂ - L₁). Коэффициент затухания α (дБ/км) измеренного волокна определяется по формуле:

Недостаток метода состоит в том, что при измерении требуется разрушать волокно (резать его на куски), поэтому его нельзя применять там, где волокно не может быть укорочено, например, при проведении ремонтно-восстановительных работ по ликвидации разрыва оптического волокна в структуре действующего СЛТ.

2. Метод обратного рассеяния для измерения затухания ОВ в последние годы получил самое широкое распространение. Он основан на использовании оптических рефлектометров и имеет ряд достоинств (см подразд. 6.3.2).

Прежде всего - это метод без разрушения ОВ. При данном методе не требуется знание уровня мощности оптического сигнала, вводимого в волокно при каждом измерении, что в рассмотренных выше методах являлось необходимым условием измерений. Важным преимуществом метода является также возможность выполнения измерений различных оптических параметров волокна при подключении рефлектометра только к одному из концов измеряемого волокна.

В основе метода лежит анализ явления обратного рэлеевского рассеяния, вызванного проходящим по волокну импульсным сигналом. Для реализации метода рефлектометр подключается к волокну, в которое генератор оптического сигнала, имеющийся в составе рефлектометра, посылает зондирующий импульс. Проходя по волокну, этот импульс вследствие отражения сигнала от рассеянных и локальных неоднородностеи, распределенных по всей длине измеряемого волокна, создает поток обратного рассеяния. Он возвращается к тому же концу волокна и обрабатывается фотоприемником. Регистрация принятого сигнала обратного потока на выходе фотоприемника позволяет определить функцию затухания оптического волокна по его длине с одновременной фиксацией месторасположения и характера неоднородностеи, т. е. получить график зависимости уровня мощности отраженного от неоднородностеи сигнала Р_отр от длины волокна L (рефлектограмму).

Типичная рефлектограмма показана на рис. 6.18, где видны отражения, вызванные различными неоднородностями. Наряду с плавным изменением уровня мощности сигнала обратного рассеяния на рисунке видны «скачки» уровня, природа которых весьма разнообразна. Начальный выброс уровня мощности отраженного сигнала обусловлен френелевским отражением в разъемном оптическом интерфейсе, соединяющем рефлектометр с измеряемым оптическим волокном. Место (точка) сращивания двух строительных длин волокна с одинаковыми параметрами обратного рассеяния, т. е. при отсутствии френелевского отражения, вносит лишь затухание (потери), величина которого соответствует падению уровня сигнала в этой точке (скачок 1).

Сращивание двух оптических волокон, например, путем сварки, у которых параметры обратного рассеяния значительно отличаются, вызывает скачок уровня сигнала (точка 2). Если же наряду с потерями в точке соединения двух волокон имеется также и отражение, например, при разъемном соединении, то кривая в этом месте имеет локальный пик со скачком (точка 3). Свободный (дальний) конец волокна или разрыв измеряемого волокна дают выброс, обусловленный френелевским отражением (точка 4). При разрыве волокна, если плоскость скола волокна наклонена к его оси, френелевское отражение может отсутствовать, тогда место разрыва характеризуется резким падением уровня мощности отраженного сигнала. Незначительные колебания отражения на участках волокна между скачками отражения свидетельствуют о наличии технологических неоднородностей и дефектов в материале волокна.

Коэффициент затухания а волокна на его отрезке без скачков отражения, например, на участке с координатами L₃ и L₄ (см. рис. 6.18), определяется по значениям уровней мощности сигналов обратного рассеяния в этих точках и расстояния между точками по формуле

Рис. 6.18

Таким способом можно вычислить затухание ОВ на любом участке, где коэффициент затухания постоянен. Из вышеизложенного также следует, что метод обратного рассеяния является универсальным. Он дает возможность не только измерять затухание волокна и изменение этого затухания вдоль волокна по его длине, но и затухание на отдельных неоднородностях распространения сигнала по волокну, а также определять при этом места их расположения.

Недостатки метода - сравнительно небольшой динамический диапазон измерений уровней отраженного сигнала, обусловленный малой мощностью излучения обратного рассеяния, приходящего к фотоприемнику, и необходимость применения сложной высокочувствительной оптоэлектроники, используемой в рефлектометрах.

В настоящее время эти недостатки успешно преодолеваются, правда, рефлектометры являются дорогими приборами, не всегда доступными для служб эксплуатации.

Определение места повреждения оптического волокна. При проведении аварийных эксплуатационных измерений оптических волокон СЛТ первостепенными задачами являются определение участков и причин деградации качества передачи оптических сигналов, а при авариях - определение места разрыва волокна оптической секции СЛТ. Для решения этих задач используются рефлектометры.

Из рис. 6.18 следует, что рефлектограмма не только описывает функцию распределения затухания волокна по его длине, но может использоваться также для локализации точек и участков оптического волокна плохого качества.

Так, точки сварочного соединения и случайного рассеяния, связанного с дефектами оптического волокна, на рефлектограмме отображаются как увеличение затухания без всплеска мощности отраженного сигнала, что характерно для рэлеевского рассеяния без френелевского отражения. В то же время для точек плохого соединения, значительного повреждения или разрыва оптического волокна характерны всплески уровня мощности отраженного сигнала.

Рефлектометры обеспечивают проведение анализа ОВ с целью поиска в нем неоднородностей. При этом визуальный анализ формы рефлектограммы позволяет качественно оценить характер повреждения в волокне. Но необходимо учитывать, что отраженная мощность в точке разрыва зависит от угла скола волокна. Соответственно будут различаться отраженные в точке разрыва волокна сигналы на рефлектограмме.

Конечно, применение различных ООВ (Рекомендации ITU-T G.650, G.652 - G.655) в современных высокоскоростных системах передачи SDH уровней STM-64 и STM-256 вызывает необходимость измерения и других параметров волокон: длины волны нулевой хроматической дисперсии и наклон кривой в нулевой точке этой дисперсии; коэффициента поляризационной модовой дисперсии и основных состояний поляризации; переходных помех между волокнами, вызываемых нелинейными явлениями в ООВ и т. д. Исследовательские комиссии ITU-T продолжают изучать характеристики и методы испытаний современных оптических волокон и кабелей [19].

7. Краткое описание системы передачи SDH типа AXD-2500 компании ERICSSON

7.1. Назначение, состав и технические данные системы передачи, структурные схемы ее элементов

7.1.1. Назначение комплекса и основные сведения о нем

Комплекс оборудования, образующий систему передачи SDH типа AXD-2500, предназначен для транспортирования оптических сигналов уровня STM-16 (скорость передачи 2488,320 Мбит/с или приближенно 2,5 Гбит/с) в системах передачи и сетях дальней связи на расстояние до 75 км по ООВ без регенераторов и оптических усилителей на длинах волн 1300 или 1550 нм. Для увеличения дальности связи в структуру СЛТ из состава комплекса могут включаться промежуточные (линейные) регенераторы. В используемой для написания данного раздела работе [110] указанный комплекс оборудования называется также «Система мультиплексирования (мультиплексор) SDH типа SMUX-2500». Далее в тексте данного раздела будут использоваться оба названия.

Для формирования потока уровня STM-16 в качестве входных сигналов в комплексе могут использоваться 16 плезиохронных цифровых потоков уровня Е4 (скорость передачи 139,264 Мбит/с). Компания Ericsson в указанной работе именует этот поток D4, или 16 синхронных потоков уровня STM-1e (скорость передачи 155,520 Мбит/с). Возможны также различные комбинации потоков Е4 и STM-1e, число которых в сумме не должно превышать шестнадцать.

Комплекс типа AXD-2500 представляет собой часть архитектуры транспортных сетей компании Ericsson, который обеспечивает весь диапазон оборудования транспортной сети, включая ТМ, DIM, DXC, промежуточные (линейные) регенераторы IR и OS сети управления TMN. Данный комплекс оборудования отвечает требованиям рекомендаций ITU-T, которые определяют параметры систем передачи и сетей SDH со стандартными оптическими интерфейсами и трактами мультиплексирования.

Комплекс типа ADX-2500 также согласуется со стандартами системы эксплуатации, управления, ТО и обеспечения ОАМ&Р. Все изделия комплекса разработаны с соблюдением принципов модульности, с высокой степенью гибкости и в целом отвечают требованиям стандартов института ETSI.

Например, для поддержания концепции модульности в различном оборудовании комплекса используются одинаковые составные компоненты печатных плат (ТЭЗ). Каждая плата содержит собственный микропроцессор и преобразователь постоянного тока (источник электропитания). Все печатные платы, входящие в состав различного оборудования, отличаются только конфигурацией программного обеспечения.

Комплекс типа AXD-2500, кроме приведенных выше сведений, имеет следующие основные особенности:

поддерживает функции TMN;

осуществляет программное управление всем оборудованием сети;

является высокоинтегрированным (небольшой занимаемый объем и малая потребляемая мощность по сравнению с традиционными вариантами цифровых мультиплексоров);

мультиплексоры выделения/вставки могут использоваться для построения архитектуры линейных и кольцевых сетей SDH;

использует стандартные интерфейсы (оптические, трактовые, Q- и F- интерфейсы);

объединяет функции по управлению конфигурацией, параметрами и сетью в целом, а также по контролю за неисправностями оборудования и функционированием сети в целом;

имеет два уровня защиты - линейную систему защиты «1+1» мультиплексной секции для ТМ и систему защиты «1+1» на уровне VC-4 для участков тракта с повышенными требованиями к надежности функционирования оборудования и передачи трафика.

7.1.2. Состав и назначение оборудования

К элементам системы передачи типа AXD-2500, которые являются также элементами сети SDH, относится следующее оборудование:

терминальный мультиплексор типа TM-2500;

мультиплексор выделения/вставки типа ADM-2500;

промежуточный (линейный) регенератор типа IR-2500.

Фрагменты различных топологий сети SDH, в которых используются указанные элементы, показаны на рис. 7.1.

Рис. 7.1

На рис. 7.1, а показана топология линейной сети с DIM, где изображены три пункта доступа и используются все три типа элементов системы передачи AXD-2500.

Топология линейной сети «точка - точка», где между двумя пунктами доступа используются мультиплексоры типа TМ-2500 и СЛТ с промежуточными регенераторами, изображена на рис. 7.1, б.

Кольцевая топология сети SDH, в которой четыре пункта доступа оборудованы только DIM типа АDМ-2500, показана на рис. 7.1, в.

Для реализации принципов унификации, модульности и высокой степени гибкости оборудования все три элемента выполнены в едином конструктиве и каждый из них состоит из определенного (ограниченного) набора различных сочетаний схемных плат, или блоков. Кроме транспортных блоков, в набор входят блок управления (поддержки) и блок каналов служебной связи (блок доступа к байтам заголовка SOH). Указанные блоки (транспортные, управления и служебной связи) устанавливаются в монтажную раму. Совокупность такой (заполненной блоками) рамы, панели внутренних соединений и панели внешних соединений образует субстойку с размерами 900 х 600 х 300 мм, которая может устанавливаться в любой 19" стойке, отвечающей требованиям ETS 300 119-3 института ETSI, например, в универсальной стойке типа BYB 311 компании Ericsson. Полученная стойка с двумя установленными субстойками образует мультиплексор типа SMUX-2500. Он может быть сконфигурирован для различных элементов сети SDH. Сочетание используемых в этом мультиплексоре определенных транспортных блоков с системой управления определяют применение мультиплексора типа SMUX-2500, который может использоваться как терминальный мультиплексор типа TМ-2500, DIM типа ADM-2500 или промежуточный регенератор типа IR-2500.

К устанавливаемым в монтажную раму относятся следующие типы блоков.

1. Два оконечных блока доступа типа TAU 4 x 140 и типа TAU 4 х STM-1e, имеют четыре двунаправленных тракта (передачи и приема), совместимы по контактным соединителям (коннекторам) и взаимозаменяемы.

Блок типа TAU 4 х 140 - это интерфейс между внешними (передача и прием) сигналами Е4 (D4) и внутренними сигналами stm-1p (параллельный). Он осуществляет прямое преобразование сигналов Е4 в формат внутреннего использования stm-1p в трактах передачи и обратное преобразование в трактах приема. Блок функционирует под воздействием программного обеспечения и управляется процессором UP блока.

Блок типа TAU 4 x STM-1e является интерфейсом между внешними (передача и прием) сигналами STM-1e и внутренними сигналами stm-1p. Он принимает от потребителей четыре потока сигналов STM-1e, обрабатывает заголовки SOH и преобразовывает каждый из четырех сигналов в два сигнала stm-1p в трактах передачи. В трактах приема блока каждая из четырех пар входных сигналов stm-1p преобразуется в четыре сигнала STM-1e, которые по коаксиальным кабелям передаются потребителям. Блок функционирует под управлением встроенного процессора UP.

2. Блок оптического передатчика типа TXU STM-16 является оконечным устройством линейного тракта системы передачи SDH уровня STM-16. Он представляет собой устройство сопряжения между передаваемыми внутренними сигналами stm-1p, поступающими на вход передатчика, и внешним оптическим сигналом уровня STM-16, который формируется в передатчике и поступает с его выхода в ООВ кабеля СЛТ.

В этом блоке осуществляется ввод байтов А1 и А2 сигнала цикловой синхронизации, формирование и ввод сигналов заголовков RSOH и MSOH. Блок содержит встроенный процессор UP, который предназначен для установки режима и управления работой передатчика, контроля за его функционированием, сбора индикаций, а также для выполнения непрямых оценок качества передачи выходных оптических сигналов.

Блок оптического приемника типа RXU STM-16 является оконечным устройством направления приема линейного тракта системы передачи SDH уровня STM-16. Он служит для преобразования принятого оптического сигнала в электрический сигнал. Затем принятый сигнал регенерируется и из него выделяется сигнал тактовой синхронизации для восстановления временного положения принятых сигналов. Далее в приемнике сигнал демультиплексируется, из него извлекаются байты сигнала цикловой синхронизации, сигналы заголовков RSOH и MSOH. Принятый сигнал преобразуется в формат stm-1p. Шестнадцать различных сигналов STM-1p могут быть скроссированы и распределены к 48 выходным портам блока приемника. Управление работой приемника осуществляется через встроенный процессор UP, который обеспечивает проверку качества приема сигналов, управление кросс-соединениями, сбор индикаций и другие функции.

Блок промежуточного регенератора типа IRU STM-16 служит для приема линейного оптического сигнала, преобразования его в электрический сигнал, регенерации последнего и преобразования полученного сигнала в формат уровня STM-1p. При этом в блоке окончания регенерационной секции ОРС извлекаются сигналы заголовка RSOH и на этом заканчивается регенерационная секция. Затем в регенераторе процесс повторяется в обратном порядке, воспроизводя оптический сигнал уровня STM-16. Один блок типа IRU STM-16 обеспечивает обработку сигналов одного направления передачи, поэтому в двустороннем регенераторе устанавливаются два таких блока, которые совместимы с блокам типа TAU и TXU в позициях мультиплексора типа SMUX-2500. Блок регенератора также оборудован встроенным процессором UP.

Блок управления типа SU обеспечивает обработку событий в мультиплексоре типа SMUX-2500 и служит для управления мультиплексором в целом как основной его контроллер. Задачей указанного блока управления является контроль за функционированием и конфигурирование всех блоков, представленных в субстойке. Блок SU управляет авариями и текущим контролем состояния, текущим контролем параметров (характеристик), поиском возникшей неисправности, учетом и самодиагностикой, основанной на сообщениях, полученных от процессоров UP других блоков. Процессоры имеются в оконечных блоках доступа, оптических блоках, блоках регенераторов и блоках доступа к байтам заголовка SOH (блоках каналов служебной связи), т. е. во всех блоках мультиплексора, кроме блока SU.

Блок доступа к байтам заголовка SOU типа OHAU предназначен для образования трех каналов служебной связи с использованием байтов E1, Е2 и F1 заголовка SOH. При этом использование байта F1 позволяет образовать цифровой канал служебной связи для обмена данными со скоростью передачи 64 кбит/с, а использование байтов E1 и Е2 дает возможность получить два канала служебной телефонной связи, каждый из которых имеет свой набор аналоговых или цифровых интерфейсов. Блок OHAU обрабатывает (передает и принимает) байты E1, Е2 и F1 заголовка SOH на интерфейсах OWD. Процессор блока управляет его работой.

Рассмотрев кратко назначение транспортных (TAU, TXU, RXU, IRU) и служебных (SU, OHAU) блоков, которые устанавливаются в мультиплексор типа SMUX-2500, перейдем к его различным конфигурациям, т. е. к определению состава и построению структурных схем элементов системы передачи типа AXD-2500, образуемых на основе указанного мультиплексора.

7.1.3. Структурные схемы элементов системы передачи

Терминальный мультиплексор типа ТМ-2500 в тракте передачи обеспечивает кроссовое соединение сигналов VC-4, мультиплексирование 16 сигналов уровня STM-1 в сигнал уровня STM-16, формирование ЦЛС со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с и передачу оптического ЦЛС в одномодовое волокно кабеля СЛТ. В тракте приема рассматриваемого мультиплексора выполняются обратные преобразования принятых оптических сигналов. Один мультиплексор типа TМ-2500 с портами Е4 (D4) выполняет указанные операции с шестнадцатью сигналами, поступающими на его пользовательские входы со скоростью передачи 139,264 Мбит/с. Мультиплексор с портами STM-1e выполняет те же операции с тем же количеством сигналов, которые поступают от потребителей со скоростью передачи 155,520 Мбит/с.

Для реализации указанных функций мультиплексор типа TМ-2500 должен иметь в своем составе следующие блоки: один блок типа TXU STM-16; один блок типа RXU STM-16; четыре блока типа TAU 4 х 140 (TМ-2500 с портами Е4) или четыре блока TAU 4 х STM-1e (TМ-2500 с портами STM-1e), или комбинацию в общем количестве до четырех блоков TAU 4 х 140 и TAU 4 х STM-1e (TМ-2500 с сочетанием портов Е4 и STM-1e); один блок типа SU и один блок типа OHAU.

Если восемь указанных блоков установить в соответствующие позиции монтажной рамы субстойки мультиплексора SMUX-2500, то образуется терминальный мультиплексор типа TМ-2500. Такой мультиплексор называется незащищенным, так как он не имеет системы линейной защиты «1+1». Его структурная схема показана на рис. 7.2, а четыре из пяти вариантов конфигурации оборудования указанного мультиплексора - на рис. 7.3.

Рис. 7.2

Рис. 7.3

Линейно защищенный мультиплексор типа ТМ-2500 образуется путем добавления к незащищенному ТМ-2500 одного блока передатчика типа TXU STM-16 и одного блока приемника типа RXU STM-16. При наличии между пунктами доступа дополнительной пары оптических волокон и дополнительных регенераторов (например, рис. 7.1, б) возможно построение параллельно с существующим еще одного СЛТ, что обеспечивает линейную защиту функционирующей системы передачи типа AXD-2500. В остальном линейно защищенный мультиплексор имеет те же функции, что и незащищенный ТМ-2500. Структурная схема линейно защищенного мультиплексора ТМ-2500 показана на рис. 7.4. Варианты его конфигурации оборудования будут те же, что и незащищенного мультиплексора, за исключением того, что в позициях 5 и 6 монтажной рамы необходимо установить блоки оптического передатчика и оптического приемника соответственно (см. рис. 7.3).

Рис. 7.4

Тактовая синхронизация мультиплексора типа ТМ-2500 может осуществляться от четырех различных источников: внешнего синхронизатора, например, первичного эталонного генератора с частотой 2048 кГц в соответствии с Рекомендацией ITU-T G.703; входного линейного сигнала уровня STM-16; входного сигнала пользователя типа STM-1e или собственного внутреннего генератора синхронизации.

Мультиплексор выделения/вставки типа ADM-2500 представляет собой двунаправленный мультиплексор, в котором до шестнадцати сигналов VC-4 могут быть скроссированы (подключены) напрямую (транзитом), либо введены в линейный сигнал STM‑16, или выведены из него в обоих направлениях.

При этом направление, в котором необходимо осуществить выделение или вставку, может быть выбрано с помощью системы управления.

Мультиплексор типа ADM-2500 может функционировать в сетях с линейной и кольцевой топологией (см. рис. 7.1). Структурная схема мультиплексора показана на рис. 7.5, а, вариант конфигурации оборудования - на рис. 7.5, б.

Рис. 7.5

При наличии между двумя пунктами доступа двух параллельных соединений для сигналов VC-4 в мультиплексоре типа АDM-2500 может быть реализована защитная функция по системе «1+1», которая применима как на линейных (с пунктами выделения/вставки), так и на кольцевых структурах сети SDH. Тактовая синхронизация DIM может осуществляться от таких же 4 источников синхронизации, как и в мультиплексоре типа ТМ-2500.

Рис. 7.6

Промежуточный регенератор типа IR-2500 двустороннего действия реализуется с использованием двух блоков типа IRU STM-16, одного блока типа SU и одного блока типа OHAU. Структурная схема регенератора показана на рис. 7.6, а, конфигурация оборудования - на рис. 7.6, б. Регенератор синхронизируется от входного линейного сигнала STM-16. Если он потерян, то синхронизация осуществляется от имеющегося в составе регенератора источника (генератора) аварийной синхронизации.

7.1.4. Основные технические данные

1 / 41 2 3 4 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

#
10.06.20152.94 Mб7Карапчевский.rtf
#
03.12.20181.37 Mб8карточки.doc
#
10.06.201546.08 Кб8Карякин лабы Варианты+задания.doc
#
10.06.201510.75 Mб95Карякин методичка для лб.pdf
#
17.11.2019156.41 Кб5Клетка.docx
#
12.11.201810.04 Mб48Книга ЭВМ.docx
#
10.06.2015222.21 Кб22ком. мен. лекции.doc
#
25.09.2019279.55 Кб19Команды общего назначения.doc
#
17.04.2019147.46 Кб18Компенс ст рег.doc
#
29.03.20161.46 Mб65Конспект Введение в спец. .pdf
#
10.06.20151.85 Mб112Конспект лекции по ТЭС.pdf

Оглавление