Глава 6 Цифровая иерархия
6.1. Плезиохронная цифровая иерархия
Потребности людей в общении, в обмене различного рода информацией очень индивидуальны. Изучение информационных потоков позволяет выяснить, сколько требуется для общения людей каналов связи. Для различных населенных пунктов это число разное. Например, в таком крупном городе, как Москва, междугородная телефонная станция вынуждена предоставлять своим абонентам несколько десятков тысяч только телефонных каналов с разными городами, а кроме того, есть запросы на междугородные каналы для телеграфа, видеотелефона, ЭВМ и т.п. В то же время в небольшом районном центре оказалось достаточным иметь десятка два-три телефонных каналов, да с десяток телеграфных.
Цифровые потоки - это последовательности 0 и 1, передаваемых по линиям связи. Нули и единицы могут нести информацию о речи, тексте, изображении и т.д. При этом скорости потоков будут, естественно, отличаться: для текста - 50...100 бит/с, для компьютерных данных - 200 бит/с и выше, для речи - 64 кбит/с, для подвижной «картинки» - более 100 Мбит/с. [17].
Узлы различных систем передачи должны быть однотипными, или унифицированными.
Цифровые системы передачи создают во всем мире; коммуникации связи не знают государственных границ. Каждая страна должна выпускать аппаратуру, согласовывая ее со стандартами, принятыми в других странах. Государства должны договориться, на каких принципах строить аппаратуру. С этой целью создан межгосударственный орган - Международный союз электросвязи (МСЭ). Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.
Примером иерархического построения системы является календарь. Иерархия календаря состоит в следующем. За единицу измерения выбраны сутки. Семь суток объединяются в неделю. Из четырех или четырех с половиной недель образуется месяц. Три месяца составляют квартал. Четыре квартала - это год (рис. 6.1). Годы складываются в десятилетия и века, а века - в тысячелетия. При необходимости эту иерархию можно продолжить и «вниз» от суток: сутки состоят из 24 ч, час - из 60 мин и т.д.
Иерархия, рекомендованная для цифровых систем передачи, чем-то похожа на иерархию календаря. Прежде всего, необходимо было выбрать некоторую единицу измерения - «элементарную» скорость цифрового потока, единую для всех стран и предприятий, выпускающих аппаратуру систем передачи, и позволяющую измерять скорость суммарных цифровых потоков. Такая «единичная» скорость во всем мире - скорость передачи цифровой речи, равная, 64 кбит/с. Выбор этой величины в качестве единицы объединения цифровых потоков связан, скорее, с традициями, нежели с какими-то другими соображениями.
Рис. 6.1. Иерархия календаря
Канал, в котором биты, передаются со скоростью 64 000 цифр/с, получил название основного цифрового канала. Возможности любой цифровой системы передачи оцениваются числом организованных с ее помощью именно таких стандартных каналов.
Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток или, другими словами, тем выше его скорость. К системам передачи, стоящим в самом низу иерархической лестницы, относится аппаратура ИКМ-30. У подобных систем передачи сравнительно невысокая скорость цифрового потока (около 2 Мбит/с), что делает их пригодными для организации связи между АТС по обычным городским и сельским кабелям связи, образующим довольно обширную сеть подземных магистралей. Объединение цифровых потоков в этих системах осуществляется, по принципу «чередования кодовых комбинаций». Введение в них синхросигнала и различных служебных символов потребовало дополнительных каналов и привело к тому, что скорость объединенного цифрового потока стала больше суммы скоростей объединяемых потоков.
Скорость передачи по междугородным симметричным кабелям связи может быть увеличена до 8 Мбит/с. По каждой паре этих кабелей могут работать четыре системы ИКМ-30 или пять систем ИКМ-24. Чтобы обеспечить одновременную работу этих систем, нужно объединять их выходные потоки. Аппаратура, осуществляющая это объединение, называется по числу образованных каналов - ИКМ-120. Скорость потока на выходе этой аппаратуры 8,448 Мбит/с.
Более мощные потоки цифровой информации можно «гнать» по парам коаксиальных кабелей, волокнам оптических кабелей, стволам спутниковых и радиорелейных линий связи. Для образования высокоскоростных потоков объединяют цифровые потоки четырех систем ИКМ-120. В результате скорость передачи в линии возрастает до 34,368 Мбит/с. Число каналов в новой системе равно 480, поэтому она получила название ИКМ-480.
Поступая далее аналогичным образом, получаем при слиянии четырех потоков систем передачи ИКМ-480 суммарный цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с. Это уже аппаратура ИКМ-1920.
Только с помощью одной коаксиальной пары или одного оптического волокна можно связать друг с другом почти 2000 телефонных аппаратов в одном городе с таким же количеством аппаратов в другом городе. А в кабелях не одна такая пара и не одно такое волокно. Но на этом иерархия цифровых систем передачи (рис 6.2) не заканчивается. Можно продолжать укрупнять потоки и дальше.
Рис. 6.2. Иерархия плезиохронных цифровых систем передачи
Принципы синхронизации остаются неизменными для систем передачи всех ступеней иерархии, сколько бы их не было: точно так же выделяются из цифрового потока тактовые импульсы и точно так же для обеспечения синхронной (а, если точнее, синфазной) работы мультиплексоров и демультиплексоров посылаются в линию комбинации импульсов цикловой синхронизации. Но отличия все, же есть в системах передачи, начиная со второй ступени иерархии (это аппаратура ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920 и т.д.), объединение потоков выполняется по принципу чередования битов (на рис. 6.3 дан пример объединения двух потоков). Таких потоков - четыре, и скорость каждого из них 2,048 Мбит/с. Четыре «двери» мультиплексора передающей станции поочередно открываются и пропускают в линию по одному биту из каждого цифрового потока. Объединение потоков становится возможным только за счет уменьшения в 4 раза длительности передаваемых импульсов, т.е. фактически за счет уменьшения в 4 раза времени передачи каждого из них.
Рис. 6.3. Объединение потоков по принципу чередования битов
Места для синхросигнала в цикле передачи осуществляются следующим образом. Приходящие на вход системы передачи биты из четырех информационных потоков записываются в ячейки памяти запоминающего устройства (ЗУ), а затем считываются с них и направляются в линию. Поскольку шины записи и считывания ЗУ независимы друг от друга, становится возможным записывать биты с одной скоростью, а считывать - с другой, чуть чаще. «Прочитали» содержимое ячеек памяти быстрее появляются во времени место для вставки синхроимпульсов . Если импульсы считывания не «отстают» и не «убегают вперед», а «идут» весьма стабильно, то в каждом потоке регулярно появляются «пустые» интервалы. В системе передачи ИКМ-120 таким «пустым» интервалом, не несущим никакой информации, является во всех потоках каждый 33-й интервал. При объединении потоков в линию поочередно посылаются импульсы каждого из них, а так как на указанных «пустых» интервалах ни в одном из потоков никаких информационных импульсов нет, то в общем потоке периодически образуются свободные места шириной в четыре интервала. В них-то и «вставляют» синхроимпульсы, а так же другую служебную информацию. Строгая периодичность синхросигнала - это одно из важнейших свойств, используемое для его распознавания.
Если местный генератор окажется не очень стабильным. В этом случае главные «часы» цифровой системы передачи (тактовые импульсы) могут «отставать» или «убегать вперед» по сравнению с их нормальным «ходом». В свою очередь, это будет вызывать смещение во времени «пустых» интервалов в каждом цикле передачи, и, значит, нарушится строгая периодичность их повторения. На каком-то этапе может произойти полный сбой в работе системы синхронизации и, как следствие, всей аппаратуры в целом. Чтобы такого не случилось, местные «часы» (тактовые импульсы) нужно систематически «подводить». Подобная процедура реализована практически во всех современных системах передачи высших (начиная со второй) иерархий и называется «согласованием», а иногда «выравниванием», скоростей цифровых потоков, или скоростей следования тактовых импульсов записи и считывания.
Специальное устройство из нескольких микросхем (так сказать, «группа контроля») следит за взаимным положением импульсов записи и считывания. Пусть расстояние между соседними парами этих импульсов постепенно начинает уменьшаться. Местный генератор ускорил свой бег, и импульсы считывания начали следовать быстрее. Как только контролируемый интервал уменьшится до критической величины, контролер подаст сигнал тревоги: «пустой» интервал появился раньше времени. Поскольку ему еще не время появляться, другое устройство (тоже группа микросхем) введет в этот пустой интервал ложный импульс, не несущий никакой информации. Все происходит так же, как и в случае с часами, когда, подводя их вперед, мы добавляем потерянные секунды. Так достигается согласование, или выравнивание, скоростей записи и считывания цифровых потоков, которое в данном случае называется положительным.
В американской технической литературе описанная выше процедура согласования скоростей называется коротко одним словом: «staffing» что по-русски произносится как стаффинг, а переводится как «вставка» [18].
После того, как в цифровой поток введен ложный импульс, нужно передать на приемную станцию команду: «Внимание! Произошло согласование скоростей». Она служит сигналом для ликвидации на приеме ложного импульса. Такой командой может служить, например, посылка по служебному каналу единичного бита. В качестве служебного канала можно договориться использовать один из «законных» пустых интервалов, не занятый синхроимпульсом. Итак, если на приемной стороне в служебном интервале объединенного цифрового потока появляется 1, это означает, что из выделенного низкоскоростного потока нужно исключить очередной импульс - он ложный. А пока по служебному каналу поступают нули, исключать импульсы не надо - они все информационные.
Посылать по линии команду состоящую, из одного бита, крайне неосторожно. Под воздействием помех 1 может превратиться в 0, а 0 в 1, и тогда случится непоправимое - информация будет декодирована неправильно. Поэтому для большей надежности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылая ее 3 раза. В данном случае она будет иметь вид 111. Теперь, если в ней после воздействия помех останется только одна 1, команда все равно будет воспринята. Комбинация же 000 говорит о том, что согласование скоростей не производилось и пока все идет нормально.
До сих пор речь шла о том, что местный генератор может только «убежать вперед». Но с таким, же успехом он может и «отставать», вырабатывая импульсы считывания реже, чем необходимо. Может случиться так, что в цифровом потоке уже должен появиться «пустой» интервал, а тактовые импульсы из-за замедленной их скорости до сих пор еще не считали из ЗУ предшествующий ему информационный импульс. Необходимо исключить из цифрового потока этот «неудачливый» бит и предоставить временной интервал «по расписанию» для передачи очередной порции служебной информации (скажем, синхроимпульса). Только так можно согласовать, или выровнять, скорости тактовых импульсов записи и считывания. Такое согласование получило название отрицательное.
Если местные «часы» системы передачи (тактовые импульсы) подводятся и в ту, и в другую сторону, то одной команды: «Внимание! Произошло согласование скоростей» будет мало. Нужно еще сообщить на приемную станцию, какое согласование произошло: положительное или отрицательное, вставлен ложный импульс или исключен информационный. Для этой цели вводят команду «Вид согласования», посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 при отрицательном. Для надежности ее также повторяют 3 раза. Комбинация 111 во втором служебном канале (организованном также за счет части «пустых» интервалов) будет воспринята как сигнал о том, что в цифровой поток вставлен ложный импульс, а комбинация 000 - что из потока «вырезан» информационный бит. Устройства распознания команд выполнены таким образом, что они сработают даже в том случае, когда в командах «выживут» всего по одному биту, а остальные «погибнут» в борьбе с помехами.
Так что, исключенный на передаче информационный бит не пропадет. Его посылают вдогонку по третьему служебному каналу, причем для верности тоже повторяют 3 раза. Итак, приемник цифровой системы передачи по первой команде (комбинация 111) узнает, что произошло согласование, по второй команде поймет, что нужно или ликвидировать ложный импульс (комбинация 111), или восстановить пропущенный информационный (комбинация 000), а по информации, взятой из третьего служебного канала, определит, какой бит пропущен - 1 (комбинация 111) или 0 (комбинация 000).
Объединение потоков с выравниванием скоростей получило название плезиохронного (почти синхронного), а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а, значит, и систем передачи типа ИКМ - плезиохронной цифровой иерархией.
Плезиохронная цифровая иерархия была разработана в начале 80-х годов прошлого столетия. На системы передачи данной иерархии возлагались большие надежды. Однако она оказалась очень негибкой: чтобы вводить в цифровой поток высокоскоростной или выводить из него низкоскоростные потоки, необходимо полностью «расшивать», а затем снова «сшивать» высокоскоростной поток. Это требует установки большого числа мультиплексоров и демультиплексоров. Ясно, что делать эту операцию часто весьма дорого. На рис. 6.4 показана операция выделения потока со скоростью 2 Мбит/с из PDH потока со скоростью 140 Мбит/с.
В этом случае один поток со скоростью 140 Мбит/с демультиплексировать в четыре потока со скоростями 34 Мбит/с; затем один поток в 34 Мбит/с - в четыре потока 8 Мбит/с и только после этого «расшить» один поток 8 Мбит/с на четыре потока со скоростями 2 Мбит/с. Только таким сложным путем можно вывести или ввести поток пользователя в PDH-системах передачи.
Недостатком систем передачи плезиохронной цифровой иерархии является также то, что при нарушении синхронизации группового сигнала восстановление синхронизации первичных цифровых потоков происходит многоступенчатым путем, а это занимает довольно много времени. В настоящее время среди систем передачи PDH «выживают» только системы первого уровня иерархии, снабженные новой аппаратурой, так называемого гибкого мультиплексирования, которая обеспечивает:
- кроссовые соединения каналов 64 кбит/с;
- выделение и ввод отдельных каналов 64 кбит/с в любом наборе;
- пользовательские интерфейсы от двухпроводных окончаний для телефона до окончаний базового доступа в цифровую сеть с интеграцией услуг;
- видеоконференцсвязь.
Можно сказать, что гибкие мультиплексоры немного продлили жизнь PDH систем.
Рис. 6.4. Выделение сигнала со скоростью 2 Мбит/с из плезиохронного цифрового потока 140 Мбит/с
Основное, что заставило уже в середине 80-х годов XX в. искать новые подходы к построению цифровых иерархий систем передачи, это почти полное отсутствие возможностей автоматически контролировать состояние сети связи и управлять ею. А без этого создать надежную сеть связи с высоким качеством обслуживания практически невозможно. Все эти факторы и побудили разработать еще одну цифровую иерархию.