Цифровая первичная сеть – принципы построения и тенденции развития

Воронежский институт высоких технологий – АНОО ВПО 
 

Факультет ___________________________________________________________________________ 

Направление подготовки 280104.65  «Пожарная безопасность»____________________________

(шифр, название) 
 
 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА  
 

по дисциплине «Автоматизированные системы управления и связь» 
 
 

на тему: Цифровая первичная сеть – принципы построения и тенденции развития

Выполнил   ПБз-092У, 3 курс, Языков Павел Александрович

                                                                           (группа, курс, ФИО студента) 

Проверил   __________________________________________

                                                 (ученая степень, звание, ФИО научного руководителя)  
 
 

                                                  Дата защиты:

                                                   «____»_____________201__г. 

                                                  Оценка: __________________ 
 
 
 

Воронеж 2011

СОДЕРЖАНИЕ 
 

Список сокращений.................................................................................................3

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………..6

1. ЦИФРОВАЯ ПЕРВИЧНАЯ СЕТЬ - ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ.....................................................................................7

2. ТЕХНОЛОГИЯ SDH.........................................................................................14

3. СОСТАВ СЕТИ SDH. ТОПОЛОГИЯ И АРХИТЕКТУРА............................18

      3.1 Состав сети SDH. 18

      3.2 Тополлогия сети SDH. 23

      3.3 Архитектура сети SDH. 26

4. ПРОЦЕССЫ ЗАГРУЗКИ/ВЫГРУЗКИ ЦИФРОВОГО ПОТОКА. 29

4.1 Структура заголовка POH. 36

4.2 Структура заголовка SOH. 40

5. МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЧЁТНОСТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОШИБОК В СИСТЕМЕ SDH 44

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………….……………………46СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ...…....……………………….47 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  сокращений

Русские сокращения.

АТС Автоматическая телефонная станция

ВОСП  Волоконно-оптическая система передачи

ИКМ Импульсно-кодовая модуляция

ИКМ-30 Сокращение, используемое для обозначения потока Е1 с цикловой и сверхцикловой структурой

ИКМ-31 Сокращение, используемое для обозначения потока Е1 с цикловой структурой

ЛАЦ Линейно-аппаратный цех (иногда применяется ЛАЗ - линейно-аппаратный зал)

МВВ Мультиплексор ввода/вывода

МККТТ Международный комитет по телефонии и телеграфии

МСЭ Международный союз электросвязи

МСЭ-Т  Международный комитет по телефонии  и телеграфии (новое название)

ОКС 7 Система сигнализации по ОКС №7

ОЦК Общий  цифровой канал (канал 64 кбит/с)

ПД Передача данных

ПО Программное обеспечение

ПСП Псевдослучайная двоичная последовательность

РРЛ Радиорелейная линия связи

ССС Спутниковая  система связи

ТЧ Канал тональной частоты

УПАТС Учрежденческая производственная АТС

Иностранные сокращения.

ADM  &nbspAda-Drop Multiplexor    Мультиплексор ввода/вывода – МВВ

ANSI  &nbspAmerican National Standard Institute    Американский национальный институт стандартов

APS  &nbspAutomatic Protection Switching   &nbspАвтоматическое переключение

ATM  &nbspAsynchronous Transfer Mode  &nbspРежим асинхронной передачи

AD    Administrative Unit    Административный блок

AUG  &nbspAdministrative Unit Group   &nbspГруппа административных блоков

AU-PJE  &nbspAU Pointer Justification Event    Смещение указателя AU

BBE  &nbspBackground block error     Блок с фоновой ошибкой

BBERBackground block error rate    Коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками

BER  &nbspBit Error Rate     Параметр ошибки по битам, равен отношению количества ошибочных битов к общему количеству переданных

BIN  &nbspBinary     Двоичное представление данных

BIP    Bit Interleaved Parity     Метод контроля четности

B-ISDN    Broadband Integrated Service Digital   &nbspШирокополосная цифровая сеть с интеграцией Networks служб (Ш-ЦСИС)

CRC    Cyclic Redundancy Check     Циклическая проверка по избыточности

CRC ERR    CRC errors     Число ошибок CRC

DEMUX    Demultiplexer     Демультиплексор

ETS    European Telecommunication Standard     Европейский телекоммуникационный стандарт

ETSI    European Telecommunication Standard Institute     Европейский институт стандартизации в теле-kоммуникациях, протокол ISDN, стандартизированный ETSI

FEBE    Far End Block Error     Наличие блоковой ошибки на удаленном конце 
FERF    Far End Receive Failure    Наличие неисправности на удаленном конце

HEX    Hexagonal     16-ричное представление информации

НО-РОН    High-order POH    Заголовок маршрута высокого уровня

ISDN     Integrated Service Digital Networks    Цифровая сеть с интеграцией служб (ЦСИС)

ITU    International Telecommunication Union    Международный Союз Электросвязи

ITU-T    International Telecommunication Union-Telephony group    Международный Союз Электросвязи подразделение телефонии

LO-POH    Low-order POH     Заголовок маршрута низкого уровня

M1, М2    Management Interface 1, 2     Интерфейсы управления

MSOH    Multiplexer Section Overhead     Заголовок мультиплексорной секции

MSP    Multiplex Section Protection    Цепь резервирования мультиплексорной секции

MUX    Multiplexer    Мультиплексор

OSI    Open System Interconnection    Эталонная модель взаимодействия открытых систем   

РОН    Path Overhead    Заголовок маршрута

PTR    Pointer     Указатель в системе SDH

RGEN, REG    Regenerator    Регенератор

RSOH    Regenerative Section Overhead     Заголовок регенераторной секции

SDH    Synchronous Digital Hierarchy     Синхронная цифровая иерархия 
SDXC    Synchronous Digital Cross Connect    Синхронный цифровой коммутатор

SOH    Section Overhead     Секционный заголовок

STM    Synchronous Transport Module    Синхронный транспортный модуль - стандартный цифровой канал в системе SDH

ТСМ    Tandem Connection Monitoring     Мониторинг взаимного соединения  
ТМ    Traffic Management     Управление графиком

TMN    Telecommunications Management    Автоматизированная система управления связью

TU    Tributary Unit    Блок нагрузки

TUG    Tributary Unit Group    Группа блоков нагрузки

VC    Virtual Container     Виртуальный контейнер 

     ВВЕДЕНИЕ

     SDH - это стандарт для высокоскоростных  высокопроизводительных оптических  сетей связи более известный,  как синхронная цифровая иерархия. Это синхронная цифровая система  предназначена для обеспечения  простой, экономичной и гибкой  инфраструктуры сети связи. По  мере роста скоростей передачи  и развития структуры традиционных  плезиохронных систем передач  все больше стали проявляться  присущие им недостатки.

       Главные из них - отсутствие  в структуре сигнала средств  управления сетью и сложность  выделения исходного сигнала  из высокоскоростных цифровых  потоков. Действительно, чтобы  выделить исходный сигнал 2 Мбит/с  из потока

      140 Мбит/c необходимо произвести полную "разборку" потока, пройдя при  этом все уровни иерархии скоростей.(в  данном случае -140, 34, 8 Мбит/c). Это  крайне неудобно и дорого, и  тем дороже, чем выше скорости  передачи цифровых потоков. К  середине 80х годов назрела острая  необходимость создания нового  стандарта для цифровых систем  передач. В июне 1986 года началась  работа над стандартом SDH.

       Цель состояла в том, чтобы разработать общий стандарт для волоконно-оптических систем передачи, который обеспечит сетевых операторов возможностью простой экономичной и гибкой работы с сетью.

       В 1988 были одобрены первые SDН стандарты 6.707, 6.708 и 6.709. Эти стандарты определяют особенности и функциональные возможности транспортной системы, основанной на принципах синхронного мультиплексирования. 
 
 
 
 

     1. ЦИФРОВАЯ ПЕРВИЧНАЯ СЕТЬ - ПРИНЦИПЫ  ПОСТРОЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ 

     Первичной сетью называется совокупность типовых  физических цепей, типовых каналов  передачи и сетевых трактов системы  электросвязи, образованная на базе сетевых  узлов, сетевых станций, оконечных  устройств первичной сети и соединяющих  их линий передачи системы электросвязи. В основе современной системы  электросвязи лежит использование  цифровой первичной сети, основанной на использовании цифровых систем передачи. Как следует из определения, в  состав первичной сети входит среда  передачи сигналов и аппаратура систем передачи. Современная первичная  сеть строится на основе технологии цифровой передачи и использует в качестве сред передачи электрический и оптический кабели и радиоэфир.

      Рассмотрим ту часть первичной, которая  связана с передачей информации в цифровом виде. Как видно из рис. 1.1, современная цифровая первичная  сеть может строиться на основе трех технологий: PDH, SDH и ATM.

Рисунок 1.1. Место цифровой первичной сети в системе электросвязи

     Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит  из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней  иерархии стандартной пропускной способности (ниже), регенераторов, восстанавливающих  цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов  первичной сети. Схематично структура  первичной сети представлена на рис. 1.2. Как видно из рисунка, первичная  сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Современные  системы передачи используют в качестве среды передачи сигналов электрический  и оптический кабель, а также радиочастотные средства (радиорелейные и спутниковые  системы передачи). Цифровой сигнал типового канала имеет определенную логическую структуру, включающую цикловую структуру сигнала и тип линейного  кода. Цикловая структура сигнала  используется для синхронизации, процессов  мультиплексирования и демультиплексирования  между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также  для контроля блоковых ошибок. Линейный код обеспечивает помехоустойчивость передачи цифрового сигнала. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический  сигнал, передаваемый затем по среде  передачи. Тип модуляции зависит  от используемой аппаратуры и среды  передачи. Таким образом, внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной  структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие  стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода.

     Обычно  каналы первичной сети приходят на узлы связи и оканчиваются в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦе), откуда кроссируются для  использования во вторичных сетях. Можно сказать, что первичная  сеть представляет собой банк каналов, которые затем используются вторичными сетями (сетью телефонной связи, сетями передачи данных, сетями специального назначения и т.д.). Существенно, что для всех вторичных сетей этот банк каналов един, откуда и вытекает обязательное требование, чтобы каналы первичной сети соответствовали стандартам.

      Cовременная цифровая первичная  сеть строится на основе трех  основных технологий: плезиохронной  иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM). Из перечисленных  технологий только первые две  в настоящее время могут рассматриваться  как основа построения цифровой  первичной сети.

Рисунок 1.2. Структура первичной сети 

     Технология ATM как технология построения первичной  сети является пока молодой и до конца не опробованной. Эта технология отличается от технологий PDH и SDH тем, что  охватывает не только уровень первичной  сети, но и технологию вторичных  сетей (рис. 1.1), в частности, сетей  передачи данных и широкополосной ISDN (B-ISDN). В результате при рассмотрении технологии ATM трудно отделить ее часть, относящуюся к технологии первичной  сети, от части, тесно связанной со вторичными сетями.

     Рассмотрим  более подробно историю построения и отличия плезиохронной и  синхронной цифровых иерархий. Схемы  ПЦС были разработаны в начале 80х. Всего их было три:

1) принята в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с и давала последовательность DS1 - DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с. Это позволяло передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (ОЦК 64 кбит/с);

2) принята  в Японии, использовалась та же  скорость для DS1; давала последовательность DS1 - DS2 - DSJ3 - DSJ4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с, что пзволяло  передавать 24, 96, 480 или 1440 каналов  DS0;

3) принята  в Европе и Южной Америке,  в качестве превичной была  выбрана скорость 2048 кбит/с и давала последовательность E1 - E2 - E3 - E4 - E5 или 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 кбит/с. Указанная иерархия позволяла передавать 30, 120, 480, 1920 или 7680 каналов DS0.

     Комитетом по стандартизации ITU - T был разработан стандарт, согласно которому:

     - во-первых, были стандартизированы три первых уровня первой иерархии, четыре уровня второй и четыре уровня третьей иерархии в качестве основных, а также схемы кросс-мультиплексирования иерархий;

     - во-вторых,последние уровни первой и третьей иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных.

     Указанные иерархии, известные под общим  названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ, сведены в  таблицу 1.1.

     Таблица 1.1.

Три схемы  ПЦС: АС-американская; ЯС-японская; ЕС-европейская.

Но PDH обладала рядом недостатков, а именно:

- затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;

- отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;

- многоступенчатое востановление синхронизма требует достаточно большого времени;

     Также можно считать недостатком наличие  трёх различных иерархий.

     Указанные недостатки PDH, а также ряд других факторов привели к разработке в  США ещё одной иерархии - иерархии синхронной оптической сети SONET, а в  Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDH, предложенными для использования  на волоконно-оптических линиях связи(ВОЛС).Но из-за неудачно выбранной скорости предачи для STS-1 , было принято решение -- отказаться от создания SONET, а создать  на её основе SONET/SDH со скоростью передачи 51.84 Мбит/с первого уровня ОС1 этой СЦИ. Врезультате OC3 SONET/SDH соответствовал STM-1 иерархии SDH.Скорости передач иерархии SDH представлены в таблице 1.2.

      
Таблица 1.2.

     Скорости  передач иерархии SDH. 

     Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры  мультиплексирования и демультиплексирования  потоков PDH в системы SDH.

     Основным  отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. Система PDH использует принцип плезиохронного (или почти синхронного) мультиплексирования, согласно которому для мультиплексирования, например, четырех потоков Е1 (2048 кбит/с) в один поток Е2 (8448 кбит/с) производится процедура выравнивания тактовых частот приходящих сигналов методом стаффинга. В результате при демультиплексировании необходимо производить пошаговый процесс восстановления исходных каналов. Например, во вторичных сетях цифровой телефонии наиболее распространено использование потока Е1. При передаче этого потока по сети PDH в тракте ЕЗ необходимо сначала провести пошаговое мультиплексирование Е1-Е2-ЕЗ, а затем - пошаговое демультиплексирование ЕЗ-Е2-Е1 в каждом пункте выделения канала Е1.

     В системе SDH производится синхронное мультиплексирование /демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH. Это довольно важное и простое нововведение в технологии привело к тому, что в целом технология мультиплексирования в сети SDH намного сложнее, чем технология в сети PDH, усилились требования по синхронизации и параметрам качества среды передачи и системы передачи, а также увеличилось количество параметров, существенных для работы сети. Как следствие, методы эксплуатации и технология измерений SDH намного сложнее аналогичных для PDH.

     Международным союзом электросвязи ITU-T предусмотрен ряд рекомендаций, стандартизирующих  скорости передачи и интерфейсы систем PDH, SDH и ATM, процедуры мультиплексирования  и демультиплексирования, структуру  цифровых линий связи и нормы  на параметры джиттера и вандера (рис. 1.3).

Рисунок 1.3. Стандарты первичной цифровой сети, построенной на основе технологий PDH, SDH и ATM.  

     Рассмотрим  основные тенденции в развитии цифровой первичной сети. В настоящий момент очевидной тенденцией в развитии технологии мультиплексирования на первичной сети связи является переход от PDH к SDH. Если в области средств связи этот переход не столь явный (в случае малого трафика по-прежнему используются системы PDH), то в области эксплуатации тенденция к ориентации на технологию SDH более явная. Операторы, создающие большие сети, уже сейчас ориентированы на использование технологии SDH.Следует также отметить, что SDH дает возможность прямого доступа к каналу 2048 кбит/с за счет процедуры ввода/вывода потока Е1 из трактов всех уровней иерархии SDH. Канал Е1 (2048 кбит/с) является основным каналом, используемым в сетях цифровой телефонии, ISDN и других вторичных сетях.

2. ТЕХНОЛОГИЯ SDH 

     Технология SDH, как было отмечено в гл. 1, представляет собой современную концепцию  построения цифровой первичной сети. В настоящее время эта концепция  доминирует на рынке.

Сравнивая технологию SDH с технологией PDH, можно выделить следующие  особенности технологии SDH:

     • предусматривает синхронную передачу и мультиплексирование. Элементы первичной  сети SDH используют для синхронизации  один задающий генератор, как следствие, вопросы построения систем синхронизации становятся особенно важными;

     • предусматривает прямое мультиплексирование  и демультиплексирование потоков PDH, так что на любом уровне иерархии SDH можно выделять загруженный поток PDH без процедуры пошагового демультиплексирования. Процедура прямого мультиплексирования  называется также процедурой ввода-вывода;

     • опирается на стандартные оптические и электрические интерфейсы, что  обеспечивает лучшую совместимость  оборудования различных фирм-производителей;

     • позволяет объединить системы PDH европейской  и американской иерархии, обеспечивает полную совместимость с существующими  системами PDH и, в то же время, дает возможность  будущего развития систем передачи, поскольку  обеспечивает каналы высокой пропускной способности для передачи ATM, MAN, HDTV и т.д.;

     • обеспечивает лучшее управление и самодиагностику  первичной сети. Большое количество сигналов о неисправностях, передаваемых по сети SDH, дает возможность построения систем управления на основе платформы TMN.Технология SDH обеспечивает возможность  управления сколь угодно разветвленной  первичной сетью из одного центра. Все перечисленные преимущества обеспечили широкое применение технологии SDH как современной парадигмы построения цифровой первичной сети.

     Выделим общие особенности построения синхронной иерерхии:

     - первая - поддержка в качестве  входных сигналов каналов доступа  только трибов(прим. от trib, tributary - компонентный  сигнал, подчинённый сигнал или  нагрузка, поток нагрузке) PDH и SDH;

     - вторая - трибы должны быть упакованы  в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются  уровнем триба в иерархии PDH;

     - третья - положение виртуального  контейнера может определяться  с помощью указателей, позволяющих  устранить противоречие между  фактом синхронности обработки  и возможным изменением положения  контейнера внутри поля полезной нагрузки;

     - четвёртая - несколько контейнеров  одного уровня могут быть сцепленывместе  и рассматриваться как один  непрерывный контейнер, используемый  для размещения нестандартной  полезной нагрузки;

     - пятая - предусмотрено формирование  отдельного поля заголовков размером 9*9=81 байт.

      Как показано в гл. 1 (табл. 1.2), иерархия SDH включает в себя несколько уровней STM. В качестве примера использования уровней в сети SDH на рис.2.1 показана первичная сеть SDH, включающая кольца магистральной сети, построенной на потоках STM-16, региональных сетей, построенных на потоках STM-4,и локальных сетей с потоками STM-1. 

Рисунок 2.1. Пример первичной сети, построенной на технологии SDH 

      В процессе внедрения технологии SDH на первом этапе вероятно появление  комбинированных сетей SDH/PDH. Технология SDH внедряется обычно в виде "островов", объединенных каналами существующей первичной  сети (рис. 2.2). На втором этапе "острова" объединяются в первичную сеть на основе SDH. В результате на современном  этапе необходимо не только рассматривать  технологию SDH, но и ориентироваться  на изучение комбинированных сетей  и процессов взаимодействия SDH и PDH.  

Рисунок 2.2.Пример комбинированной первичной сети PDH/SDH

     Технология SDH стандартизирована ITU-T(рис. 1.3). Ниже приведен полный перечень рекомендаций ITU-T, определяющих параметры первичной  сети SDH (см. также Приложение).

     Рекомендации  по базовой структуре и электрическим  параметрам интерфейсов G.702 Скорости цифровой передачи в системах PDH 
G.703 Физические и электрические характеристики интерфейсов системы PDH

G.707 Скорости  цифровой передачи в системах SDH

G.708 Структура  интерфейса "сеть-сеть"(NNI)в системах SDH

G.709 Структура  синхронного мультиплексирования 

     Рекомендации  по параметрам сетевых элементов  системы SDH

G.781 Структура  рекомендаций по параметрам мультиплексорного  оборудования систем SDH

G.782 Типы  и основные характеристики мультиплексорного  оборудования систем SDH

G.783 Характеристики  функциональных блоков мультиплексорного  оборудования систем SDH

G.784 Управление  в сетях SDH

Рекомендации  по структуре сетей SDH