Технологии плезиохронной цифровой иерархии

Лекция 2. Будем рассматривать вопросы основных информационных технологий для цифровых оптических транспортных сетей связи и сетей доступа. Начнем с рассмотрения информационной технологии плезиохронной цифровой иерархии Для транспортных сетей связи в начале 70-х годов 20 века была разработана технология плезиохронной цифровой иерархии (PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy). В технологии PDH используется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и временное разделение каналов (TDM - Time Domain Multiplexing). Для цифровой передачи телефонного сигнала используется основ ной цифровой канал (ОЦК) со скоростью передачи информации 64 кбит/с.  В табл. 1. приведены европейские уровни иерархии PDH Таблица 1.. Уровни иерархии PDH. Системы PDH были первоначально разработаны для медножильных симметричных и коаксиальных кабелей. Однако для оборудования PDH были разработаны и волоконно-оптические интерфейсы.    Недостатком технологии PDH является невозможность непосредственного выделения данных низкоскоростного канала из данных высокоскоростного сигнала, если каналы работают на несмежных уровнях иерархии скоростей. Например, нельзя выделить данные канала Е1 из данных канала Е3 – необходимо последовательно демультиплексировать канал Е3 на каналы Е2, канал Е2 на каналы Е1, а затем на отдельные телефонные каналы.  В 90-е годы 20 века широкое распространение получила технология синхронной цифровой иерархии (SDH - Synchronous Digital Hierarchy). Технология SDH изначально разрабатывалась для волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). В технологии SDH также используется временное разделение каналов TDM.     Уровни иерархии SDH приведены в табл.2. Таблица 2. Уровни иерархии SDH Линейный сигнал соответствующего уровня называется синхронным транспортным модулем (Synchronous Transport Module – STM) и обозначается STM-N.     Вся информация в системе SDH передается в контейнерах. Контейнер представляет собой структурированные данные. Если система PDH генерирует трафик, который нужно передать по системе SDH, то данные PDH сначала упаковываются в контейнеры, а затем к контейнеру добавляется заголовок и указатели, в результате образуется STM. Указатели позволяют «найти» внутри STM любые упакованные туда данные, что позволяет их выделять, не демультиплексируя весь сигнал целиком.     Важным отличием SDH от PDH является обеспечение полной синхронизации всех устройств в сети. Синхронизация обеспечивает единый для всей сети отсчет продолжительности временных интервалов, в рамках которых осуществляется передача и прием байтов информации. Нарушения синхронизации приводят к возникновению разницы скоростей передачи и приема информации, что в свою очередь вызывает либо потерю (если приемник работает медленнее передатчика), либо дублирование (если приемник работает быстрее передатчика) части информации. Технология SDH широко используется в магистральных и зоновых транспортных сетях. По сравнению с технологией PDH она обладает следующими преимуществами: • высокие скорости передачи до 40 Гбит/с, • повышение гибкости механизма мультиплексирования, возможность непосредственной вставки низкоскоростных потоков в высокоскоростной поток и выделения низкоскоростных потоков из высокоскоростного потока, • совместимость со всеми уровнями технологии PDH и с технологией ATM, • надежное резервирование и эффективное управление сетью.      Наиболее перспективной в настоящее время считается технология оптической транспортной иерархии (ОТН – Optical Transport Hierarchy), основанная на рекомендации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) G.709. Эта рекомендация определяет требования к оптическим транспортным сетям (OTN - Optical Transport Network), включая структуру кадров, заголовки, битовые скорости и форматы для упаковки передаваемой информации. В настоящее время стандартизованы 4 уровня иерархии OTH (табл.3). Линейный сигнал соответствующего уровня называется оптическим транспортным модулем (Optical Transport Unit – OTU) и обозначается OTU-N. Таблица3. Уровни иерархии OTH       За счет расширенных возможностей мультиплексирования OTN различные типы трафика, включая Ethernet, трафик систем хранения данных, цифровое видео и SDH, можно передавать в одном кадре OTU, то есть осуществлять конвергенцию сетей.  Принципиальным отличием технологии OTH от PDH и SDH является наличие не только электронного, но и оптического уровня. Технология была разработана специально для оптических сетей с применением WDM.      В сетях OTN используется упреждающая коррекция ошибок (FEC - Forward Error Correction), которая позволяет увеличить оптический бюджет ВОСП на 6 дБ, что соответствует дополнительным 25 – 30 км на длине волны 1550 нм. Этот дополнительный бюджет позволяет заменить систему STM-16 со скоростью 2,5 Гбит/с на OTU-2 со скоростью 10 Гбит/с без дополнительных усилителей и регенераторов. Далее рассмотрим информационную технологию Ethernet Технология Ethernet первоначально разрабатывалась Институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers – IEEE) для локальных сетей, расположенных в одном здании, и почти сразу зарекомендовала себя как наиболее успешная технология. Подавляющее большинство локальных сетей во всем мире – сети Ethernet, т.е. большая часть связей между клиентами начинается и заканчивается в сети Ethernet (с использованием IP протокола поверх Ethernet). Впоследствии использование Ethernet расширилось на сети доступа и даже на транспортные сети. Важнейшие этапы стандартизации технологии Ethernet в оптических сетях приведены в табл. 4. Таблица 4. Виды и этапы стандартизации Ethernet с оптическими интерфейсами (IEEE). В заключение рассмотрим возможности повышения эффективности транспортных сетей связи - спектральное мультиплексирование.    Все рассмотренные информационные технологии оптических транспортных сетей используют мультиплексирование во временной области (TDM). Переход к более высокому уровню иерархии приводит к увеличению канальной скорости передачи. Основным сдерживающим фактором по ограничению канальной скорости являются возможности электронной техники (быстродействие), которые практически исчерпаны.      Самым успешным решением, позволяющим резко увеличить скорость передачи по одному ОВ, является использование технологии мультиплексирования в волновой области или спектрального мультиплексирования (WDM– Wave Division Multiplexing). Суть технологии заключается в том, что в ОВ на передающей стороне одновременно вводятся высокоскоростные сигналы на нескольких оптических несущих λ1... λn (рис. 1). Рис.1. Общая схема передачи цифровых сигналов по оптическому линейному тракту со спектральным уплотнением   Каждый оптический сигнал формируется своим передающим устройством. Затем сигналы объединяются в один поток с помощью пассивного оптического мультиплексора. В связи с тем, что при объединении потоков возникают значительные потери, на выходе мультиплексора обычно устанавливается оптический усилитель (ОУ), который усиливает групповой сигнал.      На приемной стороне групповой сигнал снова усиливается в ОУ, с помощью демультиплексора разделяется по отдельным каналам, а затем преобразуется в канальные электрические сигналы с помощью отдельных приемных устройств.      В сетях связи используют плотное и грубое спектральное мультиплексирование (DWDM – Dense WDM и CWDM – Coarse WDM).     При плотном мультиплексировании используется один из трех спектральных диапазонов – С (1530-1565 нм), S (1460-1530 нм) и L (1565-1625 нм), число отдельных каналов достигает 80 и более, а расстояние между длинами волн соседних каналов может составлять 100 ГГц, 50 ГГц, 25 ГГц или 12.5 ГГц. DWDM используется в магистральных сетях.     Грубое мультиплексирование является упрощенным вариантом плотного мультиплексирования. Системы CWDM используют диапазон длин волн от 1270 до 1610 нм, в котором организуется до 18 каналов с шагом 20 нм. Достоинством этих систем является более низкая стоимость оборудования по сравнению с DWDM. Это связано с более низкими требованиями к стабильности излучения источников, параметрам оптических фильтров и мультиплексоров. Системы CWDM находят применение на городских и зоновых сетях. Стандарт IEEE 802.3ae (10 Гбит/с) определяет два типа логических по дуровней физического уровня: LAN и WAN. Подуровень LAN предназначен для использования в локальных сетях, а подуровень WAN – в глобальных сетях связи. Важнейшее отличие между ними заключается в типе линейного кода. Подуровень WAN использует код, совместимый с уровнем STM-64 иерархии SDH. Это позволяет использовать системы SDH для передачи пакетов Ethernet. Осталось рассмотреть информационные технологии для сетей доступа. Различные варианты построения оптических сетей доступа обозначают аббревиатурой FTTx (Fiber to the x) – ОВ до некоторой точки «х». В зависимости от того, до какого места доходит ОВ, различают:   • FTTN (Fiber to the Node) – ОВ до сетевого узла •  FTTC (Fiber to the Curb) – ОВ до микрорайона •  FTTB (Fiber to the Building) – ОВ до многоквартирного здания •  FTTH (Fiber to the Home) – ОВ до квартиры или коттеджа Сеть доступа FTTH обеспечивает наибольшую скорость доступа и самый широкий набор услуг. В настоящее время активно строятся сети, использующие информационные технологии пассивной оптической сети (PON– Passive Optical Network). В сетях FTTH-PON между активным оборудованием сетевого узла доступа – оптическим линейным терминалом (OLT – Optical Line Terminal) и активным абонентским оборудованием – оптическим сетевым терминалом или узлом (ONT – Optical Network Terminal или ONU – Optical Network Unit) используются только пассивные оптические компоненты (ОВ, разветвители, разъемные соединители и т.п.). Упрощенная схема построения одного сегмента PON, обслуживающего N абонентов показана на рис. 2. Рис. 2. Упрощенная схема одного сегмента PON.     Оптический сигнал от OLT разделяется поровну между ONT или ONU с помощью разветвителя (сплиттера) с коэффициентом деления 32, 64 или 128. В соответствии с рекомендациями МСЭ: ONT – индивидуальное абонентское устройство, ONU – многопользовательское абонентское устройство. Для реализации услуги кабельного телевидения (CaTV) к выходному сигналу OLT добавляется аналоговый оптический сигнал CaTV с помощью мультиплексора WDM. К ONT подключаются персональный компьютер (ПК), телефон (ТФ) и телевизор (ТВ).      В PON нисходящие (от OLT к ONT) и восходящие (от ONT к OLT) потоки разделяются в одном ОВ по длине волны. Обычно для нисходящего потока используют длину волны 1490 нм, а для восходящего – 1310 нм, для передачи сигнала CaTV используется длина волны 1550 нм. В нисходящем потоке реализуется схема связи «точка–многоточка», то есть каждый ONT получает всю информацию, передаваемую OLT, и выбирает ту, которая ему предназначена. В восходящем потоке от ONT к OLT реализуется схема связи «точка–точка», а сигналы от разных ONT передаются в разные интервалы времени. Этим процессом управляет OLT. На рис.3 показано движение пакетов в сети PON в нисходящем и восходящем потоках. Рис.3. Движение пакетов в сети PON в нисходящем (а) и восходящем (б) потоках. В настоящее время используются два варианта технологии PON: Gigabit PON (GPON), основанная на технологии SDH, и Gigabit Ethernet PON (GEPON), основанная на технологии Ethernet. Сравнительные характеристики современных сетей PON приведены в табл.5. Табл. 1.5. Основные характеристики современных сетей PON Основные преимущества архитектуры PON: •  предоставление абонентам полного комплекса услуг связи (телефония,телевидение и интернет); •  отсутствие промежуточных активных узлов; •  экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле; •  экономия ОВ; • простота подключения новых абонентов и удобство обслуживания (подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных). Рассмотренные сети могут быть отнесены к сетям с временным мультиплексированием PON-TDM. Для повышения качества обслуживания и увеличения скорости передачи в настоящее время ведутся работы по созданию сетей PON следующего поколения со спектральным уплотнением PONWDM. Стандарт IEEE 802.3ae (10 Гбит/с) определяет два типа логических по дуровней физического уровня: LAN и WAN. Подуровень LAN предназначен для использования в локальных сетях, а подуровень WAN – в глобальных сетях связи. Важнейшее отличие между ними заключается в типе линейного кода. Подуровень WAN использует код, совместимый с уровнем STM-64 иерархии SDH. Это позволяет использовать системы SDH для передачи пакетов Ethernet. Изложение материала данной лекции закончено. Доц.каф. ФиЛС Иванов В.С.