Мультиплексоры синхронной цифровой иерархии

Мультиплексоры  синхронной цифровой иерархии

Системам передачи и  сетям плезиохронной цифровой иерархии (PDH) свойственны следующие недостатки:

1. добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод, например потоков 64 кбит/с и 2 Мбит/с, зашитых в поток 140 Мбит/с без полного демультиплексирования или «расшивки» этого потока и удаления выравнивающих бит в промежуточных пунктах.
2. тратится много времени на многоступенное восстановление синхронизма при его нарушении
3. громоздкость и малонадежные технические решения
4. увеличение фазовых дрожаний из-за неточности согласования скоростей с увеличением числа ступеней группообразования
5. слабые возможности в организации служебных каналов для целей контроля и управления потоками в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексируемых цифровых потоков.

Указанные недостатки отсутствуют  у модулей сетей синхронной цифровой иерархии (SDH). В тоже время они обладают целым рядом преимуществ:

1. упрощение сети, вызванное тем, что в SDH сети один мультиплексор ввода-вывода, позволяя непосредственно вывести, например, сигнал 2 Мбит/с из цикла или ввести в цикл синхронного транспортного модуля STM-1 (скорость передачи 155 Мбит/с), заменяет целую гирлянду мультиплексоров РDH, давая экономию не только в оборудовании и его цене, но и в требуемой площади для размещения, экономию в питании и обслуживании.
2. выделение полосы пропускания по требованию, сервис, который раньше мог быть осуществлен только по заранее спланированной договоренности (за несколько дней). В SDH сети, например, канал для видеоконференций может быть предоставлен в считанные секунды.
3. простота наращивания мощности, переход на следующую более высокую скорость иерархии можно осуществлять, просто вынув одну группу блоков и вставив новую.
4. надежность и самовосстанавливаемость сети, обусловленная, во-первых, тем, что сеть использует волоконно-оптические кабели, передача по которым не подвергается действию электромагнитных помех, во-вторых, архитектура и гибкое управление сетями позволяет использовать защищенный режим работы, допускающий альтернативные пути распространения сигнала с почти мгновенным переключением в случае повреждения одного из них, а также обход поврежденного узла сети.
5. гибкость управления сетью, обусловленная наличием достаточно широкополосных каналов управления, а также возможностью автоматического дистанционного управления сетью из одного центра.

Поэтому несомненный  интерес представляет изучение архитектуры  и функциональных модулей сетей SDH.

Функциональные  модули сети SDH

Набор модулей, из которых строятся SDH-сети и мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и терминальных устройств определяется следующими основными операциями, выполняемыми при передаче данных по сетям:

• сбор входных потоков с помощью каналов доступа (трибов) в агрегатный блок, транспортируемый по сети
• передвижение агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода входных потоков
• передача виртуальных контейнеров из одного сегмента сети в другой с помощью коммутаторов или кросс-коннекторов (Digital Cross-Connect – DXC)
• объединение нескольких однотипных потоков в распределительном узле-концентраторе
• восстановление формы и амплитуды сигналов, передаваемых на большие расстояния
• сопряжение с сетями пользователей с помощью согласующих устройств-конверторов интерфейсов, скоростей, импедансов и т. д. [2]

Мультиплексор (multiplexer - MUX) – основной функциональный модуль сетей SDH и PDH. Этим термином обозначают устройства сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных и разборки (демультиплексирования), т. е. выделения из высокоскоростного низкоскоростных потоков.

SDH-мультиплексоры (SMUX) в отличие от мультиплексоров, используемых в сетях PDH, могут выполнять и функции собственно мультиплексора и устройства терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH-иерархии непосредственно к своим входным портам. К тому же, они способны решать задачи коммутации, концентрации и регенерации вследствие их конструкции. Таким образом, их возможности зависят лишь от системы управления и состава модулей. Различают два типа мультиплексоров: терминальные и ввода/вывода.

Терминальный мультиплексор (Terminal multiplexer - TM) является оконечным устройством SDH-сети с некоторым числом каналов доступа, соответствующим определенному уровню PDH- и SDH-иерархий. Для мультиплексора четвертого уровня SDH-иерархии (STM-64), имеющего скорость выходного потока 10 Гбит/с, входными каналами могут служить PDH-трибы со скоростью передачи данных 1.5, 2, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит/с и SDH-трибы со скоростью 155, 622 и 2500 Мбит/с (соответствующие STM-1, STM-4, STM-16). Если PDH- каналы являются электрическими, то каналы  SDH- могут быть как электрическими (SDH-1), так и оптическими. У мультиплексоров третьего уровня исключается входной канал со скоростью 2500 Мбит/с, второго – еще и канал со скоростью 622 Мбит/с. У мультиплексоров первого уровня входными могут быть только PDH-трибы. Конкретный мультиплексор может и не поддерживать полный набор входных каналов доступа.

Важной особенностью SDH-мультиплексора является наличие двух оптических выходов (каналов приема/передачи) называемых агрегатными, используемых для резервирования или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надежности [3]. Эти выходы (в зависимости от топологии сети) могут называться основными и резервными (линейная топология), или восточными и западными (кольцевая топология). Нужно заметить, что термины «восточный» и «западный», применительно к сетям SDH (рис. 17.2.2. в Приложении) используются достаточно широко для указания на два прямо противоположных пути распространения сигнала в кольцевой топологии: один по кольцу влево – «западный», другой – по кольцу вправо – «восточный». Они не обязательно являются синонимами терминов «основной» и «резервный». Если резервирование не применяется, то достаточно одного выхода.

Мультиплексор ввода/вывода (Аdd/Drop Multiplexer - ADM) может иметь тот же набор каналов ввода, что и терминальный мультиплексор и дополнительно такой же набор каналов вывода.

Концентратор – вырожденный случай мультиплексора. Он объединяет однотипные потоки нескольких удаленных узлов сети в одном распределительном узле, связанном с главной транспортной магистралью. Это позволяет уменьшить общее число подключенных непосредственно к ней каналов. Концентратор дает возможность удаленным узлам обмениваться информацией между собой, не загружая основной трафик.

Регенератор (рис. 17.1.1. в Приложении) – это мультиплексор, имеющий один входной канал доступа (как правило, оптический канал STM-n) и один или два (при использовании защиты 1+1) агрегатных выхода. Его применяют, если нужно увеличить расстояние между узлами SDH-сети. Без регенерации для одномодовых волоконно-оптических кабелей оно составляет 15-40 км (при длине волны порядка 1300 нм) или 40-80 км (1500 нм), а с помощью регенератора его можно увеличить до 250-300 км.

Коммутатор – устройство, позволяющее связывать различные каналы, закрепленные за пользователями, путем организации полупостоянного перекрестного соединения между ними. Тем самым становится возможной маршрутизация в SDH-сети на уровне виртуальных контейнеров VC-n, управляемая менеджером сети в зависимости от заданной конфигурации.

Возможность внутренней коммутации каналов физически заложена в SDH-мультиплексоре. Так, если менеджер полезной нагрузки устанавливает логическое соответствие между каналом доступа и трибным блоком TU, как показано на рис. 17.1.2. в Приложении, то это означает установление внутренней коммутации каналов. Коммутация собственных каналов доступа мультиплексора, рис. 17.2.1. в Приложении, носит название локальной коммутации каналов.

Однако обычно используют специально разработанные коммутаторы (Synchronous Digital Cross-Connects - SDXC), осуществляющие не только локальную, но и сквозную (общую) коммутацию высокоскоростных потоков (со скоростью 34 Мбит/с и выше) и синхронных транспортных модулей STM-N.

Такие коммутаторы принято  обозначать SDXCn/m, где n – номер виртуального входного контейнера, а m – максимальный номер коммутируемого виртуального контейнера. Иногда вместо максимального значения m  указывают весь набор коммутируемых виртуальных контейнеров: m/p/q. Например, для уровня STM-1 допустимы такие типы коммутаторов:

• SDXC 4/4 – принимает и обрабатывает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140-155 Мбит/с^*)
• SDXC 4/3/2/1 – принимает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140/155 Мбит/с) и обрабатывает VC-3, VC-2 и VC-1 (или потоки со скоростями 34/45, 6/8 и 1.5/2 Мбит/с^**)
• SDXC 4/3/1 – принимает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140-155 Мбит/с) и обрабатывает VC-3 и VC-1 (или потоки со скоростями 34/45 и 1.5/2 Мбит/с)
• SDXC 4/1 - принимает контейнеры VC-4 (или потоки со скоростями 140-155 Мбит/с) и обрабатывает VC-1 (или потоки со скоростями 1.5/2 Мбит/с)

Коммутаторы выполняют  следующие функции:

• Маршрутизация виртуальных контейнеров с помощью соответствующего POH-заголовка
• Объединение виртуальных контейнеров
• Трансляция потока от одной к нескольким точкам
• Сортировка (перегруппировка) виртуальных контейнеров для создания нескольких упорядоченных потоков из входного
• Доступ к виртуальному контейнеру для тестирования оборудования
• Ввод/вывод виртуальных контейнеров в режиме мультиплексора ввода/вывода.

Топология SDH-сетей

Для решения конкретных задач из описанных выше модулей  строят отдельные элементы SDH-сети.

«Точка-точка». Соединение узлов А и В с помощью терминальных мультиплексоров является наиболее простым примером организации SDH-сети (рис. 17.3.1. в Приложении). Основной и резервный (электрические или оптические) агрегатные выходы формируют систему резервирования типа 1+1. При отказе основного канала сеть автоматически переходит на резервный.

Благодаря своей простоте именно эта  топология широко используется при  передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам (например, по трансокеанским подводным кабелям). Ее же применяют при переходе к более высоким скоростям – 2,5 и 10 Гбит/с в качестве «радиусов» в сети с «радиально-кольцевой» топологией и как основу для топологии «линейная цепь». Топологию «точка-точка» с резервированием можно рассматривать и как упрощенный вариант топологии «кольцо».

«Линейная цепь». Применяется, если интенсивность трафика сети не велика и в ряде точек линии необходимо сделать ответвления для ввода и вывода каналов доступа. Она реализуется использованием как терминальных, так и мультиплексоров ввода/вывода. Эта топология напоминает линейную цепь, состоящую из отдельных звеньев мультиплексоров ввода/вывода. Для нее возможно соединение без резервирования (рис. 17.3.2. в Приложении) и с резервированием типа 1+1 (рис. 17.4.1. в Приложении). Последний вариант иногда называют «уплощенное кольцо» [4].

«Звезда». В этой топологии один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации (например, цифровой АТС) или узлом SDH-сети на центральном кольце, играет роль концентратора, у которого часть трафика выведена например на терминалы пользователей, а оставшиеся каналы распределены по другим удаленным узлам (рис. 17.4.2. в Приложении). Очевидно, что такой концентратор должен быть активным и интеллектуальным (в терминологии локальных сетей), иными словами, необходимо, чтобы он обладал свойствами мультиплексора ввода/вывода с развитыми возможностями кросс-коммутации. Концентратор, на входы которого подаются частично заполненные потоки STM-N-1 или STM-N, а выход также соответствует STM-N, называют оптическим.

«Кольцо». Эта топология широко используется для построения SDH-сетей первых уровней (со скоростями 155 и 622 Мбит/с). Ее основное преимущество – легкость организации защиты типа 1+1 благодаря наличию в мультиплексорах SMUX двух оптических агрегатных выходов, позволяющих сформировать двойное кольцо со встречными потоками (показаны стрелками на рис. 17.5. в Приложении). Организовать систему защиты можно двумя способами. Суть первого заключается в том, что блочные виртуальные контейнеры TU-n передаются одновременно в двух противоположных направлениях по разным кольцам. Если в момент приема блока происходит сбой в одном из колец, система управления автоматически выбирает этот же блок из другого кольца.

Второй способ защиты предполагает возможность переключения с «основного» кольца на «резервное». Первоначально блоки TU-n имеют доступ только к основному кольцу. В случае сбоя происходит замыкание основного и резервного колец на границах дефектного участка (рис. 17.6. в Приложении), т. е. приемник и передатчик агрегатного блока соединяются на соответствующей стороне мультиплексора. Так образуется новое кольцо. Современные программы управления мультиплексорами обычно поддерживают оба метода защиты.

Следует отметить, что  системы управления SDH-мультиплексоров способны сформировать и обходной путь, по которому поток агрегатных блоков сможет пройти, минуя отказавший мультиплексор (рис. 17.6. в Приложении).