Сети доступа на основе технологии SDH

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ: англ. SDH — Synchronous Digital Hierarchy, SONET) — это система передачи данных, основанная на синхронизации по времени передающего и принимающего устройства. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д.

Стандартизация интерфейсов определяет возможность соединения различного оборудования разных производителей. Система SDH обеспечивает универсальные стандарты для сетевых узловых интерфейсов, включая стандарты на уровне цифровых скоростей, структуру фрейма, метод мультиплексирования, линейные интерфейсы, мониторинг и управление. Поэтому SDH оборудование разных производителей может легко соединяться и устанавливаться в одной линии, что наилучшим образом демонстрирует системную совместимость.

Система SDH обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости — STM-1 (155,52 Mбит/с). Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: STM-4 (622 Мбит/с), STM-16 (2,5 Гбит/с), STM-64 (10 Гбит/с) и STM-256 (40 Гбит/с).

Линейные (оптические) интерфейсы работают, используя универсальные стандарты. Линейный сигнал только скремблируется (англ. scrambled - шифровать, перемешивать), вставки избыточного кода нет.

Стандарт скремблирования - универсальный. Поэтому и на приеме, и на передаче должны использоваться стандартные скремблер и дескремблер. Цель скремблирования - сделать вероятность возникновения «1» бита и «0» бита близкой к 50 % для облегчения извлечения синхросигнала из линейного сигнала. Поскольку линейный сигнал только скремблируется, линейная скорость сигнала SDH соответствует стандартной скорости сигнала на электрическом интерфейсе SDH. Таким образом, потребление оптической мощности передающими лазерами остается неизменным, однако, снижается их тепловыделение (так как исключается возможность следования большого количества «1» подряд), что увеличивает их ресурс. Еще одной причиной по которой используется скремблирование — длительная последовательность «1» («0») автоматической петлей регулировки усиления воспринимается как увеличение (уменьшение) уровня входного сигнала, что может привести к неправильной регулировке.

Вся информация в системе SDH передается в контейнерах. Контейнер представляет собой структурированные данные, передаваемые в системе. Если система PDH генерирует трафик, который нужно передать по системе SDH, то данные PDH так и SDH сначала структурируются в контейнеры, а затем к контейнеру добавляется заголовок и указатели, в результате образуется синхронный транспортный модуль STM-1. По сети контейнеры STM-1 передаются в системе SDH разных уровней (STM-n), но во всех случаях сформированный STM-1 может только складываться с другим транспортным модулем, то есть имеет место мультиплексирование транспортных модулей.

Поскольку низкоскоростные сигналы PDH мультиплексируются в структуру фрейма высокоскоростных сигналов SDH посредством метода побайтового мультиплексирования, их расположение во фрейме высокоскоростного сигнала фиксировано и определено или, скажем, предсказуемо. Поэтому низкоскоростной сигнал SDH, например 155 Мбит/с (STM-1) может быть напрямую добавлен или выделен из высокоскоростного сигнала, например 2.5 Гбит/с (STM-16). Это упрощает процесс мультиплексирования и демультиплексирования сигнала и делает SDH иерархию особенно подходящей для высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи, обладающих большой производительностью.

Поскольку принят метод синхронного мультиплексирования и гибкого отображения структуры, низкоскоростные сигналы PDH (например, 2Мбит/с) также могут быть мультиплексированы в сигнал SDH (STM-N). Их расположение во фрейме STM-N также предсказуемо. Поэтому низкоскоростной трибутарный сигнал (вплоть до сигнала DS-0, то есть одного тайм-слота PDH, 64 kbps) может быть напрямую добавлен или извлечен из сигнала STM-N. Заметьте, что это не одно и то же с вышеописанным процессом добавления/выделения низкоскоростного сигнала SDH в/из высокоскоростного сигнала SDH. Здесь это относится к прямому добавлению/выделению низкоскоростного трибутарного сигнала такого как 2Мбит/с, 34Мбит/с и 140Мбит/с в/из сигнала SDH. Это устраняет необходимость использования большого количества оборудования мультиплексирования / демультиплексирования (взаимосвязанного), повышает надежность и уменьшает вероятность ухудшения качества сигнала, снижает стоимость, потребление мощности и сложность оборудования. Добавление/выделение услуг в дальнейшем упрощается.

Этот метод мультиплексирования помогает выполнять функцию цифровой кросс-коммутации (DXC) и обеспечивает сеть мощной функцией самовосстановления. Абонентов можно динамически соединять в соответствии с потребностями и выполнять отслеживание трафика в реальном времени.

Рисунок 4 – Транспортные модули

SDH имеет высокую совместимость. Это означает, что сеть передачи SDH и существующая сеть PDH могут работать совместно, пока идет установление сети передачи SDH. Сеть SDH может быть использована для передачи услуг PDH, а также сигналов других иерархий, таких как ATM, Ethernet и FDDI.

Базовый транспортный модуль (STM-1) может размещать и три типа сигналов PDH, и сигналы ATM, FDDI, DQDB. Это обуславливает двустороннюю совместимость и гарантирует бесперебойный переход от сети PDH к сети SDH и от SDH к АТМ. Для размещения сигналов этих иерархий SDH мультиплексирует низкоскоростные сигналы различных иерархий в структуру фрейма STM-1 сигнала на границе сети (стартовая точка — точка ввода) и затем демультиплексирует их на границе сети (конечная точка — точка вывода). Таким образом цифровые сигналы различных иерархий могут быть переданы по сети передачи SDH.

2.2 .Сети доступа на основе технологии DWDM

Спектральное уплотнение каналов (англ. wavelength-division multiplexing, сокр. WDM - мультиплексирование с разделением по длине волны) - технология, позволяющая одновременно передавать несколько информационных каналов по одному оптическому волокну на разных несущих частотах.

Технология WDM позволяет существенно увеличить пропускную способность канала (к 2003 году, в коммерческих системах достигнута скорость 10,72 Тбит/с, а к 2015 — 27 Тбит/с), причем она позволяет использовать уже проложенные волоконно-оптические линии. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну. Преимуществом DWDM-систем является возможность передачи высокоскоростного сигнала на сверхдальние расстояния без использования промежуточных пунктов (без регенерации сигнала и промежуточных усилителей)^[3]. Эти преимущества крайне востребованы для передачи данных через малонаселенные пункты.

В простейшем случае каждый лазерный передатчик генерирует сигнал на определенной частоте из частотного плана. Все эти сигналы перед тем, как вводятся в оптическое волокно, объединяются оптическим мультиплексором (англ. mux). На приемном конце сигналы аналогично разделяются оптическим демультиплексором(англ. demux). Здесь, так же как и в сетях SDH, мультиплексор является ключевым элементом. Сигналы могут приходить на длинах волн оборудования клиента, а передача происходит на длинах соответствующих частотному плану ITU DWDM.

Одним из основных параметров определения качества DWDM-сигнала в линии является отношение сигнала к шуму. Данный параметр, в соответствии с МСЭ-Т О.201, входит в число первичных атрибутов оптических каналов и является первичной оценкой качества линии передачи.

Исторически первыми возникли двухволновые системы WDM, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна(1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь.

Современные системы WDM на основе стандартного частотного плана (рекомендация G.692 ITU-T) можно подразделить на три группы:

- грубые WDM (англ. сoarse WDM, сокр. CWDM) — системы с частотным разносом каналов более 2500ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов. Используемые в настоящее время CWDM работают в полосе от 1271нм до 1611нм, промежуток между каналами 20нм (2500 ГГц), можно мультиплексировать 16 спектральных каналов;

- плотные WDM (англ. dense WDM, сокр. DWDM) — системы с разносом каналов около 100 ГГц, позволяющие мультиплексировать до 40 каналов;

- высокоплотные WDM (англ. high dense WDM, сокр. HDWDM) — системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать более 64 каналов.

Частотный план для систем CWDM определяется стандартом ITU G.694.2. Область применения технологии — городские сети с расстоянием до 50 км. Достоинством этого вида WDM систем является^[6] низкая (по сравнению с остальными типами) стоимость оборудования вследствие меньших требований к компонентам.

Частотный план для систем DWDM определяется стандартом ITU G.694.1. Область применения — магистральные сети. Этот вид систем WDM предъявляет более высокие требования к компонентам, чем CWDM (ширина спектра источника излучения, температурная стабилизация источника и т. д.). Толчок к бурному развитию сетей DWDM дало появление недорогих и эффективных волоконных эрбиевых усилителей (EDFA), работающих в промежутке от 1525 до 1565 нм (третье окно прозрачности кварцевого волокна).

Изначально медиаконвертеры служили для преобразования сигнала (оптического, электрического) с клиентского уровня в оптический сигнал с длиной волны в диапазоне 1550 нм (характерной для DWDM-систем). Следует отметить, что подлежат преобразованию абсолютно все сигналы, включая сигналы с длиной волны в 1550 нм. Это делается для стабилизации частоты и достижения необходимой мощности (для дальнейшего усиления при помощи EDFA).

Однако, в середине 1990-х годов в медиаконвертерах появилась функция регенерации сигнала. Регенерация сигнала быстро прошла 3 стадии развития — 1R, 2R, 3R. Эти стадии будут описаны ниже:

1. 1R

Ретрансляция. Самые первые преобразователи попали под принцип «мусор на входе — мусор на выходе», так как сигнал на выходе был «копией» сигнала на входе, восстанавливалась только амплитуда. Это ограничивало протяженность ранних систем DWDM. Контроль сигнала был ограничен оптическими параметрами домена, такими как мощность выходного сигнала.

2. 2R

Восстановление амплитуды сигнала и его длительности. Транспондеры данного типа не получили большой популярности. В них использовался метод триггера Шмидта для очистки сигнала.

3. 3R

Восстановление амплитуды сигнала, его длительности и фазы. 3R транспондер — полностью цифровое устройство. Он способен распознать служебные байты управляющего уровня SONET / SDH — сетей, что необходимо для определения качества сигнала. В большинстве случаев предлагается использование транспондеров с пропускной способностью 2.5 Гбит/с, что позволяет осуществлять 3R регенерацию сигналов OC-3/12/48, Gigabit Ethernet и канала управления. Многие 3R транспондеры способны регенерировать мультискоростные сигналы в обоих направлениях. Некоторые производители предлагают 10 Гбит/с транспондеры, которые способны работать с более высокими скоростями, вплоть до OC-192.

Мукспондер (мультиплексор-транспондер). Этот прибор имеет различные названия, в зависимости от поставщика) — это система, выполняющая временное мультиплексирование низкоскоростного сигнала в высокоскоростную (имеется в виду скорость передачи данных) несущую. Характерным примером является прием 4 OC-48 и вывод одной OC-192 на длине волны 1550 нм.

Другие недавние проекты в этой области впитали все больше и больше функциональности TDM (Time Division Multiplexing — временное мультиплексирование), в некоторых случаях это позволяет отказаться от традиционного SONET / SDH транспортного оборудования.

Реконфигурируемые оптические мультиплексоры ввода-вывода (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexors, ROADM) представляют собой новое поколение фотонных кросс-коннекторов, позволяющих удаленно динамически изменять маршрутизацию различных волн, передаваемых мультиплексором. До появления ROADM добавление новой волны (операция Add) и выведение её из общего сигнала (операция Drop) обычно требовали физической установки нового модуля на шасси мультиплексора и его локального конфигурирования, что, естественно, требовало посещения инженером точки присутствия оператора, в которой был установлен мультиплексор. Ранние сети DWDM были достаточно статическими в отношении реконфигурации вводимых и выводимых потоков данных, поэтому с необходимостью выполнять эту операцию путём физической перекоммутации операторы мирились. Развитие сетей DWDM привело к усложнению их топологии и повышению динамизма, когда появление новых клиентов сети стало достаточно частым явлением, а значит, операции добавления или выведения волн из магистрали стали выполнятся регулярно и требовать более эффективной поддержки.