Принципи побудови первинних мереж на основі SDH

ЗМІСТ

ВСТУП

Починаючи з 90-х років ХХ століття в Україні здійснювався перехід аналогової первинної мережі на цифрові технології за рахунок заміни аналогових систем передачі цифровими (на базі устаткування закордонних виробників).

 На першому етапі цифрації  первинної мережі (до 1994—1995 років) для  переходу до цифрових систем  зв’язку на основі кабелів  з металевими жилами і РРЛ  використовувалося PDH-устаткування.

 Наступним етапом стала побудова  в Україні волоконно-оптичних  ліній зв’язку, основні магістралі  почали прокладатися з 1995 року. На  нових ВОЛЗ вже використовується  сучасне устаткування систем  передачі на базі технології SDH. Тоді ж у межах міжнародного  проекту ІТУР (Італія — Туреччина  — Україна — Росія) почалося  будівництво першої ВОЛЗ «Південь» (Київ — Одеса), яке було завершене 1996 року.

 На сьогоднішній день в  Україні вже побудовано декілька  великих і потужних ВОЛЗ первинної  магістральної мережі, у тому  числі й у межах міжнародних  проектів, що дали змогу  разом  із радіорелейними лініями забезпечити  практично всі регіони доступом  до сучасних магістралей зв’язку

Застосування на мережах зв'язку систем передачі SDH являє собою якісно новий етап розвитку цифрових телекомунікацій. У рамках технології SDH розроблені не тільки нова ієрархія швидкостей передачі цифрових сигналів і новий метод мультиплексування цифрових потоків, але й перспективна концепція побудови й розвитку цифрових транспортних мереж, яка підтримується міжнародними рекомендаціями й стандартами.

В курсовому проекті було розроблено план побудови транспортної мережі на основі синхронного цифрового обладнанняSDH.

Здійснено синтез кільцевої топології проектованої мережі з мінімальною сумарною довжиною ребер - перетворення повнозв’язної топології у кільцеву топологію таким чином, щоб сума відстаней між вузлами отриманої кільцевої топології була мінімальною із всіх можливих варіантів кільцевих топологій.Перетворення здійснювалось  по алгоритму Дейкстри.

Було розраховано довжину регенераційної ділянки за затуханням і за дисперсією. На основі цих даних розраховано необхідну кількість регенераторів на заданому маршруту між відповідними вузлами, схематичне представлення яких можна побачити на  схемі проектованої  мережі на 1 аркуші  графічної  частиниданого курсового проекту.

Також було дано загальну характеристику синхронного цифрового обладнання (СЦІ).

 В даному курсовому проекту  згідно завдання проектована  первинна мережа зв'язку має  бути побудована з використанням  волоконно-оптичного кабелю на  базі обладнання синхронної цифрової  ієрархії (SDH) рівнів STM-1, STM-4 чи STM-16 та  повинна забезпечувати:

- виділення первинних цифрових  потоків 2,048 Мбіт/с у кожному вузлі;

- можливість наскрізної передачі  трафікаEthernet / FastEthernet / GigabitEthernet між  двома віддаленими пристроями;

- можливість подальшого розвитку  за рахунок переходу до вищого  рівня мультиплексування SDH чи використання  технології спектрального ущільнення DWDM.

Вибір архітектури проектованої первинної мережі зв'язку повинен здійcнюватися на основі типових топологічних рішень чи їхніх комбінацій для окремих сегментів мережі й мережі в цілому. При проектуванні треба орієнтуватися в основному на застосування сегментів мережі з кільцевою топологію для забезпечення необхідного рівня резервування.

1 ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

1.1 Принципи побудови  первинних мереж на основі SDH

Концепція мережі SDH дозволяє оптимальним образом поєднувати процеси високоякісної передачі високошвидкісних цифрових сигналів із процесами автоматизованого контролю, управління й обслуговування елементів мережі в рамках єдиної системи. Для цього мережа SDH підрозділяється на інформаційну мережу споживачів і мережу сервісних систем, що забезпечують глибоку автоматизацію функцій контролю, управління й обслуговування обладнання й елементів мережі. Останнє досягається органічним впровадженням техніки спеціалізованих ЕОМ в апаратуру й обладнання цифрової мережі.

Нова концепція мереж SDH передбачає, що на першому етапі їх впровадження й розвитку обладнання систем передачі SDH може використовуватися для передачі цифрових потоків плезіохронних ЦСП по високошвидкісним волоконно - оптичним лінійним трактам у структурі «точка - точка». Надалі, завдяки закладеним у системах передачі SDH можливостям багаторазових виділень/вставок і відгалужень цифрових потоків, будуть створюватися лінійні, кільцеві й розгалужені мережеві структури з пунктами виділення/вставки різношвидкісних цифрових потоків.

У відповідності зі структурою мережі SDH у ній реалізується комплексний процес переміщення повідомлень, який включає передачу інформаційних сигналів і функції контролю, керування й обслуговування. Для назви цього процесу в системах передачі й мережах SDH використовується термін транспортування, а відповідні системи й обладнання називаються транспортними (транспортна система, цифрова транспортна мережа, синхронний транспортний модуль і т.д.).

Універсальні можливості транспортування різних сигналів досягаються в мережі SDH завдяки використанню принципу контейнерних перевезень. У мережі переміщаються не самі сигнали навантаження, а нові цифрові структури - віртуальні контейнери VC (VіrtualContaіner), у яких розміщуються інформаційні сигнали. Мережні операції з контейнерами виконуються незалежно від їхнього змісту. Після доставки на місце й «вивантаження з контейнерів» сигнали навантаження обробляються й знаходять вихідну форму.

Навантаженням транспортної цифрової мережі можуть бути сигнали, формовані на виході мультиплексорівплезіохронних ЦСП, потоки чарунок асинхронного режиму перенесення ATM (AsynchronousTransferMode) або інші цифрові сигнали. Аналогові сигнали попередньо повинні бути перетворені в цифрову форму, що може бути виконане за допомогою наявного обладнання, або нового обладнання, що з'явилося в мережі. У всіх випадках передані цифрові сигнали «вибудовуються за часом», тобто з них формуються стандартні цикли передачі сигналів, або фрейми, що повторюються через 125 мкс.

У структурі сигналу систем передачі SDH передбачене формування декількох типів службових сигналів, які називають заголовками. Використання цих заголовків, буферів (оперативних запам'ятовуючих пристроїв) і спеціалізованих ЕОМ дозволяє оператору мережі переміщувати сигнали з кінця одного циклу передачі в початок іншого й навпаки. При цьому можливо однозначно визначити в загальному цифровому потоці місце розташування кожного первинного цифрового потоку. Це дозволяє оператору мережі в будь-яку мить знати, де перебуває закодований сигнал користувача і у часі, і в просторі, що забезпечує йому (оператору) доступ до окремо взятого первинного цифрового потоку без низки перетворень загального цифрового потоку.

Для ефективного впровадження функцій контролю, керування й обслуговування в діючі мережеві структури й в існуючі плезіохронні ЦСП потрібна була б їх істотна переробка. Наприклад, у цикли передачі, формовані мультиплексорамиплезіохронних ЦСП, потрібно було б включити додаткові позиції для контрольних і керуючих сигналів, а в обладнання передачі й оперативного управління - інтерфейсні, контрольні й виконавчі пристрої. У світлі викладеного, розробку систем передачі SDH можна розглядати в якості способу впровадження вищезгаданих нововведень. Фактично в рамках технології SDH створюється нова перспективна концепція не тільки цифрових мереж, але також апаратури й устаткування, що враховує сучасні досягнення системотехніки й програмування. Однак при цьому концепція SDH розроблена так, щоб вона могла функціонувати в оточенні існуючих мереж з використанням більшої частини діючої апаратури плезіохронних ЦСП.

Створення мережевих структур різних конфігурацій, контроль і керування окремими елементами мережі й усією інформаційною мережею SDH у цілому здійснюються програмно й дистанційно за допомогою спеціальної системи контролю, управління й технічного обслуговування. Фізичною основою цієї системи є вхідні в апаратуру керуючі мікропроцесори, Q - Інтерфейси, вбудовані канали службового зв'язку й програмне забезпечення. Така система успішно вирішує завдання експлуатаційного обслуговування устаткування систем передачі SDH різних фірм - виробників у зоні одного оператора мережі й забезпечує автоматичну взаємодію зон мережі різних операторів. Всі операції по виконанню функцій контролю, керування й обслуговування мережі SDH і кожного її елемента можуть виконуватися як із центрального пункту керування, так і з інших пунктів мережі, яким таке право надане.

Рівні систем передачі SDH визначають структуру сигналів і швидкість їх передачі на інтерфейсах мережевих вузлів. За Рекомендацією ІTU-T G.704 (1995) для першого рівня ієрархії як основного циклу передачі синхронного сигналу з періодом повторення 125 мкс у системах передачі SDH був прийнятий синхронний транспортний модуль 1-го рівня STM-1 (SynchronousTransportModuleoflevel 1). За Рекомендацією ІTU-T G.709 (1996) сигнал STM-1 має швидкість передачі 155,52 Мбіт/с.

Швидкості передачі сигналів вищих рівнів ієрархії утворюються множенням даної швидкості на ціле число, рівне більш високому рівню систем передачі SDH. До 2000 р. зазначеними рекомендаціями були визначені також 4, 16 і 64- й рівні ієрархії. Четвертому рівню відповідає сигнал STM-4 зі швидкістю передачі 622,08 Мбіт/с, 16 - му - сигнал STM-16 зі швидкістю передачі 2448,32 Мбіт/с (2,5 Гбіт/с) і 64 - му - сигнал STM-64 зі швидкістю передачі 9953,28 Мбіт/с (10 Гбіт/с).

У жовтні 2000 року ІTU-T прийняв Рекомендацію G.707/Y.1322 по використанню сигналу 256 - го рівня ієрархії, тобто сигналу STM-256 зі швидкістю передачі 39813,12 Мбіт/с (40 Гбіт/с). Цією ж рекомендацією визначений сигнал нульового рівня STM-0 зі швидкістю передачі 51,84 Мбіт/с, що відповідає синхронному транспортному сигналу STS-1 системи передачі синхронної оптичної мережі SONET (SynchronousOptіcalNetwork) (США).

Прийняття рекомендації по сигналу рівня STM-0 слід тільки вітати, тому що мультиплексування трьох таких сигналів утворює потік рівня STM-1, тобто 51,84 Мбіт/с х3 = 155,52 Мбіт/с. Це сприяє ще більшому розвитку міжнародної транспортної мережі зв'язку.

Системи передачі SDH 1, 4, 16, 64 і 256 - го рівнів дозволяють утворювати відповідно 1920, 7680, 30720, 122880 і 491520 основних цифрових каналів зі швидкістю передачі 64 кбіт/с.

Сигнал STM-0 або синхронний транспортний модуль для радіорелейних систем передачі SDH STM-RR (SynchronousTransportModuleforRadіoRelaylіnk) може використовуватися на радіорелейних і супутникових лініях передачі, де широко поширені тракти зі смугою пропускання порядку 40 Мгц. Крім того, зазначений тракт рекомендується використовувати в тих численних додатках, коли на даній ділянці мережі немає необхідності в порівняно великій пропускній здатності тракту першого рівня систем передачі SDH.

У волоконно - оптичний кабельний тракт сигнали систем передачі SDH надходять у коді лінійного сигналу, у якості якого використовується бінарний код без повернення до нуля NRZ (NonReturntoZero).

Перед входженням у лінійний мультиплексор передані сигнали скремблюются, що робить бітову послідовність сформованого цифрового лінійного сигналу (ЦЛС) випадковою. Цифровий лінійний сигнал на вході лінійного тракту має ту ж швидкість передачі, що й ЦГС даної системи передачі SDH.

Сьогодні системи передачі SDH визнані в усьому світі як найсучасніша й добре відпрацьована технологія для побудови транспортних мереж зв'язку. Практично всі розвинені країни широко застосовують системи передачі SDH, а деякі розвивають свої мережі тільки на базі систем передачі SDH уже з 1996 року. Провідні фірми - виробники різко скоротили виробництво апаратури плезіохронних ЦСП. Альтернативи застосуванню систем передачі SDH на широкосмугових мультисервісних мережах донедавна фактично не існувало.

Однак надання користувачам мережі все більшого числа нових послуг і перехід на пакетні принципи передачі й комутації цифрових сигналів вимагають застосування в мережі високопродуктивного й багатофункціонального устаткування, що має необхідну масштабованість, гнучкість та надійність. Зазначена проблема успішно вирішується шляхом комбінованого застосування цілого спектра новітніх технологій:

1) одномодовых  оптичних волокон типу Truewave RS, Truewave XL, Allwave компанії Lucent і типу SMF-28; LEAF, Metrocor фірми Cornіng;

2) технології  тимчасового мультиплексування  сигналів, зокрема,технології SDH різних  рівнів;

3) технології  щільного хвильового мультиплексування  сигналів DWDM.

Використання цих технологій дозволяє збільшити трафік до сотень Гігабіт у секунду й більше без заміни волоконно - оптичного кабелю (ВОК) і незначними змінами складу обладнання систем передачі на пунктах доступу транспортної цифрової мережі.

Сучасна технологія SDH забезпечує мультиплексування, пряму передачу цифрового потоку рівня STM-256 (40 Гбіт/с) по одному ООВ і демультиплексування прийнятого потоку.

Сутність технології DWDM полягає в одночасній передачі по одному волокну декількох десятків потоків, наприклад, технології SDH з різними швидкостями передачі по «вузьких» спектральних смугах, наприклад, 50 або 100 ГГЦ у заданому діапазоні довжин хвиль ООВ. Зазначені вище типи одномодових волокон з нульовою зміщеною дисперсією спеціально розроблені для технології DWDM.

Таким чином, сучасні тенденції розвитку засобів телекомунікацій свідчать про перспективність систем передачі, що працюють по ООВ. У них сполучаються часове мультиплексування для утворення сигналів STM-N (SynchronousTransportModuleoflevel N) і їх передача по одному ООВ з використанням технології DWDM.

На сьогоднішній день установлене на транспортній мережі обладнання волоконно - оптичного магістрального зв'язку в основному підтримує потоки рівнів від STM-1 до SТM-16. Системи передачі SDH рівня STM-64 уже з'явилися на ринку й користуються великим попитом. Їхній продаж для встановлення на транспортних мережах буде тривати високими темпами. Технологія, що дозволяє створювати апаратуру й устаткування SDH рівня STM-256, також відпрацьована. Однак з економічних міркувань реальне надходження на ринок мультиплексорів рівня STM-256 почнеться не раніше 2012 р. Основою інтегральної цифрової мережі наступного покоління будуть системи передачі SDH високої пропускної здатності (рівнів STM-64, STM-256), системи передачі DWDM і оптична апаратура оперативного перемикання, або оптичні кросс-коннектори.

Технологія SDH продовжує розвиватися, її останніми досягненнями є:

1) недорогі  й прості в установці й обслуговуванні  мультиплексори доступу (термінальні  мультиплексори ТМ (TermіnalMultіplexer), мультиплексори  виділення/вставки DІM (Drop/ІnsertMultіplexer), або  МВВ) рівнів STM-1, STM-4, STM-16 з повним  набором електричних і оптичних  інтерфейсів, а також з підтримкою  нових можливостей, наприклад, ІP over SDH;

2) високопродуктивні  універсальні мультиплексори й  кросс - коннектори, що підтримують  швидкості передачі сигналів  до рівнів STM-64, STM-256 й мають повні  неблокуючі матриці комутації  на рівні сигналів STM-1;

3) підтримка  на вихідних інтерфейсах лінійних  мультиплексорів оптичних сигналів, що перебудовуються на задану  довжину хвилі, для їхнього безпосереднього  вводу в оптичні мультиплексори  систем передачі хвильового або  щільного хвильового мультиплексування, що дозволяє спростити обслуговування  мережі та знизити її сумарну  вартість.

На думку фахівців компанії Lucent, системи передачі SDH ще довгий час будуть застосовувати оператори для забезпечення доступу до транспортних мереж, а також для побудови зонових і місцевих мереж, у першу чергу, завдяки підтримці різноманітних низькошвидкісних інтерфейсів доступу - від первинних цифрових потоків E1 (швидкість передачі 2,048 Мбіт/с) до сигналів рівня STM-1.

Технологія SDH є достатньо апробованою і надійною основою для подальшого розширення як транспортних волоконно - оптичних мереж, так і мереж доступу. Її безсумнівними якостями є:

1) міжнародна  стандартизація в рамках рекомендацій  ІTU-T, стандартів Європейського інституту  стандартів по зв'язку ETSІ (EuropeanTelecommunіcatіonsStandartsІnstіtute) і Міжнародної організації по  стандартизації ІSO (ІnternatіonalStandartіzatіonOrganіzatіon);

2) наявність  автоматичного резервування різних  видів, що забезпечує високу надійність  і відмовостійкість мереж;

3) розвинені  засоби автоматичного контролю, обслуговування й програмного  керування.

Системи передачі SDH постійно вдосконалюють відповідно до вимог часу. Сучасне обладнання дозволяє інтегрувати технологію SDH з іншими існуючими й новими технологіями (ATM, ІP, DWDM), забезпечуючи транспортування різних видів трафіку. У перспективі таке обладнання може бути основою для побудови мультисервісних мереж.

1.2 Вибір топології проектованої первинної мережі зв’язку

1.2.1 Синтез кільцевої топології проектованої мережі  з мінімальною сумарною довжиною ребер

В даному курсовому проекту згідно завдання проектована первинна мережа зв'язку має бути побудована з використанням волоконно-оптичного кабелю на базі обладнання синхронної цифрової ієрархії (SDH) рівнів STM-1, STM-4 чи STM-16 та повинна забезпечувати:

- виділення первинних цифрових  потоків 2,048 Мбіт/с у кожному вузлі;

- можливість наскрізної передачі трафікаEthernet /FastEthernet/ GigabitEthernet між двома віддаленими пристроями;

- можливість подальшого розвитку  за рахунок переходу до вищого  рівня мультиплексування SDH чи використання  технології спектрального ущільнення DWDM.

Вибір архітектури проектованої первинної мережі зв'язку повинен здійcнюватися на основі типових топологічних рішень чи їхніх комбінацій для окремих сегментів мережі й мережі в цілому. При проектуванні необхідно орієнтуватися в основному на застосування сегментів мережі з кільцевою топологію для забезпечення необхідного рівня резервування.

На основі заданих значень відстаней між кожним з вузлів мережі, які зведені в таблицю  1 вихідних даних, будується повнозв’язна (чарункова) топологія (рисунок 2.1.1). Відстані в таблиці 2.1.1 дані в кілометрах. Вузли на рисунку 1.2.1 позначені відповідно до таблиці 2.1.1

  Таблиця 1.2.1

Далі здійснюється перетворення повнозв’язної топології, що показана на рисунку 2.1.1, у кільцеву топологію таким чином, щоб сума відстаней між вузлами отриманої кільцевої топології була мінімальною із всіх можливих варіантів кільцевих топологій, які можуть бути виділені як складова частина чарункової топології.

Перетворення здійснюється по алгоритму Дейкстри, що застосовується для знаходження шляху з мінімальною сумарною вагою в графі з ненегативними вагами.

Рисунок 2.1.1- Повнозвязна  (чарункова) топологія

У загальному випадку, алгоритм Дейкстри складається з таких кроків.

1. Маркіруємо всі вузли, крім стартового, парою значень, що складається з відстані до даного вузла (спочатку «¥») і ім'я вузла підходу (спочатку «-»), як показано на рисунку 2.1.1 (стартовим вузлом обраний вузол В). Вузол підходу ( це найближчий сусідній вузол, від якого здійснюється безпосередній підхід до вузла, який маркирується.

2. Починаючи зі стартового вузла, вибирається вузол з найнижчою сукупною вагою й вважається «фіксованим».

3. Сусідні вузли з «фіксованим» вузлом маркіруються сукупною відстанню від стартового вузла й ім'ям вузла підходу.

4. Якщо вузол уже маркірований, то його мітка заміняється на нову, сукупна відстань якої менше, ніж існуюча сукупна відстань.

5. Триває маркування вузлів, поки всі вузли не стануть «фіксованими».

Після фіксації всіх вузлів результуюча сукупна вага дозволяє розрахувати самий короткий шлях від вихідного вузла. Це можна зробити, читаючи у зворотному порядку вузли підходу кожного вузла на відповідному шляху.

Для побудови топології «кільце» знаходиться шлях мінімальної сумарної довжини, наприклад, з вузла В, далі по кільцю через всі інші вузли (СDEFА для нашого приклада) і закінчується також у вузлі В. Потім здійснюється побудова варіанта мережі з кільцевою топологією, що відповідає знайденому шляху. Така процедура проводиться послідовно для всіх вузлів мережі. В результаті отримуємо набір кільцевих топологій з різною сумарною довжиною ліній зв'язку між вузлами.

Остаточне рішення про вибір варіанта мережі з кільцевою топологією приймається після порівняння сумарних відстаней між вузлами мережі й вибору найменшого.

В курсовому проекты синтезуються всі варіанти кільцевих топологій. Для цього вибирається як стартовий вузол вузли А, B, С, D, Е, F і виконуються аналогічні дії для кожного зі стартових вузлів. В результаті одержуємо 6 варіантів кільцевих топологій, з яких необхідно вибрати варіант із мінімальною сумарною довжиною ребер. Сумарна найменша відстань між вузлами буде дорівнювати 439 км (в якості стартового вузла може бути будь-який із 6 вузлів, так  як за попередніми розрахунками мінімальна сумарна довжина ребер складає 439 км.).

Для подальшого розгляду вибираємо кільцеву  структуру зі стартовим вузлом А. Читаючи мітки, що починаються з вузла В - одержуємо найкоротший маршрут В®A®C®F®D®E®B  (рисунок 2.1.2).

Для зручності проведення подальшого аналізу рисунок 2.1.2 можна перетворити 2.1.3.

Рисунок 2.1.2 - Повнозвязна  (чарункова) топологія

Рисунок  2.1.3 – Оптимізована  мережа  з топологією «кільце»

1.2.2 Вибір топології проектованої мережі на основі аналізу кількості цифрових потоків, що проходять по кожному із сегментів мережі

Для вибору топології проектованої мережі спочатку необхідно визначити кількість вводимих та виводимих цифрових потоків (2 Мбіт/с) для кожного вузла.

Це можна зробити на основі аналізу вихідних даних для курсового проектування (таблиця 2.2.1).

Таблиця 2.2.1 - Розподіл цифрових потоків по напрямках зв'язку