 |
Оптические системы передачи
|
|
|
|
Ш 978-5-88405-084-6
Изложены основные принципы построения оптических систем передачи, современное определение моделей оптических транспортных сетей с точки зрения Международного союза электросвязи (МСЭ), технологии мультиплексирования и сопряжения транспортных сетей. Рассмотрены различные виды сетевых элементов с оптическими и электрическими компонентами, структуры сетей на их основе, включая сети синхронизации и управления. Уделено внимание новейшим направлениям развития транспортных сетей на основе стандартов ОТ1Ч-ОТН, Е1Ьегпе1, Т-МРЬ8, автоматически коммутируемых сетей (А50МА8Т1Ч) и т.д. Детально рассмотрены схемы защиты оптических транспортных сетей. Определены принципиальные подходы к проектированию. Все разделы содержат примеры и вопросы для самоконтроля.
Книга предназначена для студентов вузов, обучающихся по направлению «Телекоммуникации». Также может быть полезна специалистам отрасли «связь», самостоятельно повышающим свою квалификацию.
ББК 32.88
181Ш 978-5-88405-084-6 © В.Г. Фокин, 2008
Издано при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям в рамках Федеральной целевой программы «Культура России»
СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ 8
ВВЕДЕНИЕ 9
Глава 1
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ 13
1.1. Определение системы передачи 13
1.2. Обобщенная схема оптической системы передачи 14
1.3. Принципы построения аппаратуры оптических систем передачи и транспортных сетей 18
Контрольные вопросы 23
Глава 2
МОДЕЛИ ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ 25
2.1. Модель транспортной сети SDH 26
2.2. Модель транспортной сети ATM 27
2.3. Модель транспортной сети OTN-OTH 29
2.4. Модель транспортной сети Ethernet 32
|
|
|
Модели транспортных сетей в оптических мультисер-
висных транспортных платформах 33
Контрольные вопросы 35
Глава 3
ТЕХНОЛОГИИ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ В
ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЯХ 36
3.1. Технология мультиплексирования SDH 36
3.1.1. Термины, определения и обозначения в SDH 36
Формирование виртуальных контейнеров и функции
заголовков РОН3.1.2. 45
3.1.3. Сцепленные виртуальные контейнеры 56
3.1.4. Синхронный транспортный модуль STM-N 59
3.1.5. Формирование указателей PTR 64
Технологические решения по контролю качества трактов и
секций SDH 67
3.2. Технология асинхронного режима передачи ATM 69
3.2.1. Термины, определения и обозначения в ATM 69
3.2.2. Уровни адаптации ATM 75
3.2.3. Функции уровня ATM 82
3.2.4. Размещение и передача ячеек ATM на физическом уровне 92
3.3. Технология оптической транспортной сети OTN-OTH 95
3.3.1. Термины, определения и обозначения OTN-OTH 95
3.3.2. Формирование блоков нагрузки оптических каналов OPUk 99
3.3.3. Блок данных оптического канала ODUk 104
3.3.4. Оптический транспортный блок OTUk 110
3.3.5. Блок оптического канала ОСИ 114
3.3.6. Блок переноса оптического канала ОСС 115
3.3.7. Блок группирования оптических несущих частот OCG-n 115
3.3.8. Блок оптического транспортного модуля OTM-n.m 116
3.4. Технология мультиплексирования Ethernet 118
3.4.1. Ethernet стандарта IEEE 802.3 118
3.4.2. Ethernet стандарта ЕоТ 120
3.4.3. Построение схем мультиплексирования Ethernet 122
3.4.4. Технологическое решение для T-MPLS 124
3.5. Технологические согласования транспортных сетей 126
3.5.1. Протокольное решение LAPS 126
3.5.2. Протокольное решение GFP 127
3.5.3. Технология защищаемого пакетного кольца RPR 132
Контрольные вопросы 136
Глава 4
СЕТЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИ
ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ 139
4.1. Регенератор и оптический усилитель 139
4.2. Терминальные мультиплексоры 142
4.2.1. Терминальный мультиплексор с функциями портов PDH 142
4.2.2. Терминальный мультиплексор с функциями портов Ethernet 143
|
|
|
4.2.3. Терминальный мультиплексор с функциями портов ATM 144
4.2.4. Терминальный мультиплексор с функциями портов ОТН 145
4.2.5. Терминальный мультиплексор с функциями портов ASON 145
4.2.6. Терминальный мультиплексор с линейными портами WDM 146
Мультиплексоры вывода/ввода ADM с электрическими и
оптическими окончаниями 147
4.4. Цифровой кроссовый коммутатор SDXC 149
Оптический сетевой элемент с функциями
OADM/ROADM/OC 149
4.6. Платформенный принцип построения сетевых элементов 153
Контрольные вопросы 155
Глава 5
СТРУКТУРЫ, ЗАЩИТА, СИНХРОНИЗАЦИЯ И
УПРАВЛЕНИЕ В ОПТИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ
СЕТЯХ 156
5.1. Структуры транспортных сетей 156
5.2. Схемы защиты транспортных сетей 164
5.2.1. Защита секции мультиплексирования 1+1 (1:1) 164
5.2.2. Защита секции мультиплексирования в кольцевой сети 168
5.2.3. Защита соединений тракта 172
5.2.4. Защитные переключения в сети с многоволновой передачей WDM 175
5.2.5. Защитные переключения в транспортной сети Ethernet 177
5.3. Синхронизация в транспортных сетях 177
5.3.1. Нормирование проскальзываний 178
Фазовые дрожания и их нормирование относительно
проскальзываний 180
5.3.3. Генераторы сигналов синхронизации 183
5.3.4. Распределение тактового синхронизма 184
5.3.6. Аудит сети синхронизации 192
5.4. Управление в транспортных сетях 192
5.4.1. Общие принципы управления сетями связи 192
5.4.2. Функции управления транспортной сетью 198
5.4.3. Стандартные элементы сети управления 200
Отображение функций управления через окна графического
терминала 202
Автоматически коммутируемые оптические транспортные
сети ASON/ASTN 205
5.5.1. Общая структура ASON/ASTN 206
5.5.2. Логическое построение ASON 207
5.5.3. Построение сигнальной сети и ее функции 209
5.5.4. Протоколы сигнальной системы ASON 212
5.5.5. Однонаправленные и двунаправленные LSP 215
5.5.6. Транспортировка сообщений защиты LSP 216
5.5.7. Механизм сигнализации с использованием протокола RSVP-TE 217
5.5.8. Механизм сигнализации с использованием протокола CR-LDP 219
Контрольные вопросы 220
Глава 6
ПРИНЦИПЫ ПЛАНИРОВАНИЯ И
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ
ТРАНСПОРТНЫХ СЕТЕЙ 222
6.1. Принципы планирования 222
6.2. Виды нагрузки транспортной сети и требуемые ресурсы 223
6.3. Типы линейных интерфейсов и особенности их
|
|
|
использования в оптических транспортных сетях 225
6.3.1. Интерфейсы одноволновых систем оптической передачи 226
6.3.2. Интерфейсы многоволновых систем 231
6.3.3. Реализация многоволновых интерфейсов 236
Коммутационные и алгоритмические возможности
транспортной платформы 239
Этапы разработки проекта оптической транспортной
сети 240
Контрольные вопросы 241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 242
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 243
Список сокращений 245
Литература 259
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современное бурное развитие техники связи обусловлено ростом потребности общества в информационном обмене, с одной стороны, и достижениями в научно- техническом прогрессе, с другой. Существенная роль в этом развитии принадлежит технике оптической связи, основу которой составляют волоконно-оптические линии связи и устройства электронного и оптического мультиплексирования и коммутации. Многие достижения современной фундаментальной и прикладных наук находят в короткий срок применение в оптических устройствах, в системах связи и в сетевых решениях. Одна из важнейших задач развития отрасли связи состоит в подготовке высококвалифицированных специалистов. Эта подготовка осуществляется по ряду специальностей в высших учебных заведениях связи. Однако, одной из проблем обучения будущих специалистов является недостаток учебно-методических изданий, в которых достаточно полно, методически последовательно и на высоком научном и инженерном уровне отражались бы достижения и перспективы развития техники связи. Различные издания, вышедшие за последние годы, только частично заполняют пробелы в информации учебного характера и эти издания очень быстро устаревают [2, 3, 4, 6, 8, 11, 13, 14, 51, 53, 56, 58, 59, 64—67]. Кроме того, выпущенная техническая литература в большей степени относится к научной и производственной и не всегда её содержание структурно удобно для учебных целей.
В предлагаемом учебном пособии нашли системное отражение наиболее существенные элементы научных и инженерных знаний по технике оптических транспортных сетей с точки зрения рекомендаций Сектора стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи и, соответственно, производителей современных систем связи. Для лучшего усвоения учебного материала предлагаются: наглядные примеры, решения задач, контрольные вопросы и т.д. В основу материалов отдельных глав положены: курсы лекций, результаты обработки научных статей и технических документов, справочные данные, международные стандарты и т.п. Содержание учебного пособия нацелено, прежде всего, на подготовку по специальностям «Физика и техника оптической связи» и «Многоканальные телекоммуникационные системы» и составлено с учетом стандартных программ этих специальностей. Кроме того, учебное пособие может быть полезно всем обучающимся в вузах по направлению «Телекоммуникации», специалистам предприятий связи и отделов связи и телекоммуникаций различных ведомств. Учебное пособие рассчитано на подготовленных студентов и специалистов, т.е. знакомых с основами построения аналоговых и цифровых систем передачи, техникой микропроцессоров, электрическими и оптическими линиями связи в рамках соответствующих дисциплин вузов и коллежей телекоммуникаций.
|
|
|
Также учебное пособие предназначено специалистам, повышающим свою квалификацию в специализированных учебных центрах, самостоятельно и в различных формах заочного образования (ускоренной, дистанционной).
Автор благодарит издательство «Эко-Трендз» за внимательное и детальное редактирование рукописи учебного пособия.
ВВЕДЕНИЕ
Для уяснения смысла и задач, решаемых средствами оптических и, прежде всего, волоконно-оптических систем передачи и транспортных сетей, ниже рассматривается общая архитектура современных телекоммуникаций (рис. 1).
Плоскость компонентов можно считать фундаментальной, так как решения для нее во многом определяют возможности технической реализации выше лежащих плоскостей.
Рис. 1. Архитектура телекоммуникационных систем
|
Современные компоненты для построения телекоммуникационных устройств имеют большую номенклатуру. Условно их можно разделить на электрические и электронные, оптоэлектронные, оптические и программные.
К электрическим и электронным компонентам относятся: металлические кабели и провода; транзисторы и интегральные микросхемы (аналоговые и цифровые) с разной степенью интеграции; микропроцессоры; усилители; регенераторы электрических сигналов и многие другие. В настоящее время электронная часть этой базы испытывает новый этап совершенствования, связанный с внедрением кремниевых и арсенид-галиевых гетероструктур и уменьшением габаритов отдельных транзисторов до нанометровых размеров, что позволяет повысить быстродействие схем, уменьшить габариты устройств и сократить энергопотребление. При реализации схем чаще всего уделяется внимание процедурам параллельных преобразований двоичных данных в векторно-конвеерных структурах.
|
|
|
Оптоэлектронные и оптические компоненты и модули на их основе получили особенно широкое применение за последнее десятилетие в технике телекоммуникаций. Среди них выделяются следующие группы изделий: стекловолоконные световоды с возможностью передачи данных на скоростях от десятков гигабит в секунду до десятков терабит в секунду; высокостабильные полупроводниковые и волоконные лазеры (LASER), включаемые в состав передающих оптических модулей; высокочувствительные фотодетекторы, входящие в состав приемных оптических модулей; легированные эрбием усилители на оптоволокне EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) и полупроводниковые оптические усилители с большими коэффициентами усиления (до 50дБ) и широкой полосой усиливаемых частот (от 5 до 10 ТГц); оптические коммутаторы и маршрутизаторы OXC (Optical Cross-Connect); мультиплексоры и демультиплексоры волновых и временных оптических сигналов OADM (Optical Add-Drop Multiplexers); компенсаторы искажений оптических сигналов, вызванных хроматической и поляризационной модовой дисперсиями; оптические процессоры на основе фотонных кристаллов и многие другие, о которых говориться в предлагаемом учебном пособии и многочисленной литературе.
Программные компоненты и модули представляют собой алгоритмическое обеспечение для электрических и оптических устройств, в которых реализуются последовательные или параллельные процедуры обработки сигналов, например, цифровая фильтрация, кроссовая коммутация (переключение), выравнивание фаз цифровых данных при мультиплексировании, функции управления и т. д.
Необходимо подчеркнуть, что развитие компонентной базы определяется достижениями в фундаментальных научных исследованиях физических явлений и в области теории информации.
В плоскости систем передачи могут рассматриваться аналоговые системы с частотным мультиплексированием каналов, типовыми групповыми трактами, электрическими и радиорелейными линейными трактами. Роль этих систем постепенно снижается в современных сетях связи. Им на смену уже пришли более эффективные цифровые системы передачи плезиохронной цифровой иерархии — PDH (Р1е- siochronous Digital Hierarchy) и синхронной цифровой иерархии — SDH (Synchronous Digital Hierarchy) с волоконно-оптическими линейными трактами и автоматизированным обслуживанием. Стеклянные волокна волоконно-оптических кабелей позволяют постоянно совершенствовать передачу информационных данных. Так на смену одноволновой передаче оптических сигналов пришли системы мультиплексирования с разделением длин волн WDM (Wavelength Division Multiplexing), а электрическое мультиплексирование с разделением по времени дополнилось оптическим мультиплексированием с разделением во времени OTDM (Optical Time Division Multiplexing) и оптическим мультиплексированием с кодовым разделением сигналов OCDM (Optical Code Division Multiplexing).
Применение солитонной передачи (SOLITON) может решить проблему дисперсионных искажений, ограничивающих дальность передачи в системах WDM, OTDM, OCDM.
Системы передачи оснащаются средствами эффективного контроля, управления, резервирования участков передачи. В структуре систем передачи выделяются оконечные и промежуточные станции, которые объединяются в секции передачи: регенерации, усиления, мультиплексирования. При этом каждая секция может иметь встроенные средства обслуживания. Системы передачи являются составной частью транспортной сети связи, которая представлена отдельной плоскостью.
При этом транспортная сеть определяется как совокупность ресурсов систем передачи, относящихся к ним средств контроля, оперативного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами сети. Транспортные сети строятся на основе стандартов, принятых Сектором стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи МСЭ-Т (ITU-T — International Telecommunications Union — Telecommunication Standartization Sector). Этими стандартами определены технологии построения как систем передачи, так и транспортных сетей связи:
- синхронная цифровая иерархия SDH и синхронная оптическая сеть SONET
(Synchronous Optical Network);
- асинхронный режим передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode);
- технология Ethernet для передачи пакетов данных, образуемых по протоколам меж
сетевого взаимодействия № (Internet Protocol) и по протоколам MPLS (Multi-Protocol
Label Switching) — многопротокольной коммутации по меткам;
- оптическая технология мультиплексирования с разделением длин волн WDM, пред
ставляемая оптической транспортной иерархией ОТН (Optical Transport Hierarchy).
Все технологические решения по транспортировке имеют проработанную протокольную архитектуру и могут быть увязаны между собой на основе единых аппаратных и программных точек взаимодействия — интерфейсов МСЭ-Т.
Основным предметом внимания в плоскости транспортировки выступают коммутируемые электрические и оптические тракты и каналы, образуемые на основе секций мультиплексирования систем передачи. Плоскость транспортировки, кроме того, предусматривает проработанные решения по автоматизированному созданию, вводу в эксплуатацию, контролю и защите трактов и секций с физическими и виртуальными каналами, создание таблиц маршрутизации для трактов и каналов, их контроля и управления.
В плоскости транспортировки реализуются принципиальные решения по тактовой сетевой синхронизации и управлению, принятые МСЭ-Т для обеспечения требуемого качества услуг транспортных сетей. Услуги транспортной плоскости напрямую отражаются в плоскость коммутации через соответствующие стандартные точки взаимодействия — интерфейсы.
Плоскость коммутации обращена непосредственно к потребителям телекоммуникационных услуг. Возможные услуги могут быть представлены средствами коммутации каналов (Switch), например, телефонными коммутаторами, средствами коммутации пакетов данных различной величины (в сетях передачи данных и компьютерных сетях IP), средствами быстрой коммутации ячеек (пакетов фиксированной длины 53 байта) в сетях с асинхронным режимом передачи ATM.
Реализация возможностей по коммутационной плоскости происходит в основном благодаря средствам сигнализации, например, сигнализации по выделенному каналу № 7 (ОКС № 7).
Именно плоскость коммутационных услуг является базовой для создания интеллектуальных сетей, баз данных услуг и их технической и экономической доступности для пользователей. Функционирование коммутационных узлов определяет нагрузку (трафик) для транспортных сетей и их соответствующее развитие.
Одной из самых проблемных и динамично развивающейся частей современных телекоммуникаций является доступ терминалов пользователей к узлам предоставления услуг. При этом наблюдаются следующие тенденции развития доступа:
- использование существующей инфраструктуры низкочастотных медных линий для предоставления доступа к узкополосным и широкополосным услугам средствами модемов цифровых абонентских линий xDSL (Digital Subscriber Line) в разновидностях симметричных, асимметричных и высокоскоростных линий (HDSL, ADSL, VDSL), в которых могут передаваться сигналы на скоростях от десятков кбит/с до десятков Мбит/с (64 кбит/с...50 Мбит/с) на относительно небольшие расстояния от десятков и сотен метров до нескольких километров;
- использование технологий: «волокно в дом», «волокно в распределительный шкаф», «волокно в офис» и т.д., обозначаемых M ix (Fiber То The Home,...), например, пассивной оптической сети TON (Passive Optical Network), основанных на сети волоконно-оптических линий, для организации доступа к любым видам услуг;
- использование технологий радиодоступа RLL (Radio Local Loop) для фиксированного и мобильного, узкополосного и широкополосного доступа с разделением радиочастотных ресурсов по спектру чаетот, по времени, кодовым разделением, пакетной передачей; пример последнего — технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access — международное взаимодействие для микроволнового доступа).
Плоскость пользовательских услуг отражает все известные и востребованные услуги электросвязи, к которым относятся: телефония с коммутацией каналов и IP- телефония (Voice), видеосвязь, видеоконференции, Интернет, электронная почта, звуковое вещание, цифровое телевидение, телепутешествия и т.д. Для реализации услуг необходимы различные терминалы для пользователей. Это и обычные телефонные аппараты, теле- и радиоприемники, терминалы сетевых подключений цифровых сетей с интеграцией услуг (ЦСИУ), или служб (ЦСИС) — ISDN (Integrated Services Digital Network), персональные компьютеры и т. д.
Предметом изучения в предлагаемом учебном пособии являются: оптические и электронные компоненты; оптические системы передачи; технологии мультиплексирования и сопряжения оптических транспортных сетей, принципы построения сетевых элементов транспортных сетей в увязке с сетями синхронизации и управления, автоматически коммутируемые оптические сети. Кроме того, рассматриваются необходимые этапы проектирования транспортных оптических сетей.
Глава 1
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
|
|
|
