Лекция
8
Магистральные каналы передачи данных
Аналоговые магистральные каналы
Первые дальние линии передачи данных появились ещё в эпоху телеграфа. С развитием телефонии потребности в передаче данных на большие расстояния резко увеличились. Появилась необходимость в линиях связи, способных обеспечивать одновременное обслуживание нескольких телефонных разговоров. Такие линии связи получили название «магистральных». Первые магистральные линии телефонной связи представляли просто несколько обычных телефонных линий, проложенных параллельно. Это было не самое экономичное решение и в 30-х годах прошлого века появились первые системы уплотнения телефонных сигналов с частотным разделением каналов.
Принцип работы систем с частотным уплотнением следующий: стандартный телефонный канал обеспечивает передачу аналогового сигнала в диапазоне частот от 300 до 3400 Гц, т.е. имеет полосу пропускания в 3100 Гц. С учетом особенностей человеческого голосового аппарата и возможностей распознания речи такая полоса пропускания обеспечивает понимание не менее 90% слов и 99% фраз. Для уплотнения (или мультиплексирования) несколько низкочастотных голосовых сигналов с помощью модулирования и фильтрации переносятся в более высокочастотный диапазон, причем каждому выделяется своя собственная полоса. Для исключения интерференции каждому сигналу шириной 3100 Гц выделяется полоса в 4000 Гц и они оказываются отделены друг от друга защитной полосой в 900 Гц.
Так первичный групповой тракт К-12 позволяет объединить 12 голосовых каналов и поместить их в диапазоне от 60 до 108 КГц. Вторичный тракт К-60 объединяет 5 первичных в диапазоне от 312 до 552 КГц. Его ширина 240 КГц что соответствует 60 полосам по 4 КГц для голосовых каналов.
Аналоговые магистральные линии разрабатывались задолго до цифровой эры и предназначались только для передачи голосового трафика. Конечно, с помощью модема в каждый голосовой канал можно нагрузить цифровым потоком мощностью в несколько килобит в секунду, но реализовывать столь экзотические схемы не потребовалось по причине прихода на магистральные линии цифровых технологий.
Технология плезиохронной цифровой иерархии (PDH)
Развитие полупроводниковых технологий позволило в начале 60-х годов перейти к цифровым методам передачи, которые имели значительные преимущества по сравнению с аналоговой передачей сигнала (достаточно сказать о возможности практически без потерь восстанавливать цифровой сигнал на регенерационном участке). Для оцифровки речевого сигнала стал применяться метод, названный импульсно-кодовой модуляцией (PCM — Pulse Code Modulation), согласно которому дискретные отсчеты сигнала, взятые с частотой 8 КГц, кодировались 8-ми битной последовательностью (квантовались), что давало цифровой поток 8КГц х 8бит = 64 Кбит/сек. Этот цифровой сигнал получил название DS0 (Digital Signal level zero), и, именно, он является тем строительным "кирпичиком", на базе которого создаются более мощные цифровые системы передач, емкость которых измеряется числом DS0, содержащихся в них.
Цифровая аппаратура мультиплексирования и коммутации была разработана в конце 60-х годов компанией AT&T для решения проблемы связи крупных коммутаторов телефонных сетей между собой. Каналы с частотным уплотнением, применяемые до этого на участках АТС-АТС, исчерпали свои возможности по организации высокоскоростной многоканальной связи по одному кабелю. .
Для решения этой задачи была разработана аппаратура Т1, которая позволяла в цифровом виде мультиплексировать, передавать и коммутировать данные 24 абонентов. Для соединения магистральных АТС каналы Т1 представляли собой слишком слабые средства мультиплексирования, поэтому в технологии была реализована идея образования каналов с иерархией скоростей. Четыре канала типа Т1 объединяются в канал следующего уровня цифровой иерархии - Т2, передающий данные со скоростью 6,312 Мбит/с, а семь каналов Т2 дают при объединении канал ТЗ, передающий данные со скоростью 44,736 Мбит/с. Аппаратура T1, T2 и ТЗ может взаимодействовать между собой, образуя иерархическую сеть с магистральными и периферийными каналами трех уровней скоростей.
С середины 70-х годов выделенные каналы, построенные на аппаратуре T1, стали сдаваться телефонными компаниями в аренду на коммерческих условиях, перестав быть внутренней технологией этих компаний. Сети T1, а также более скоростные сети T2 и ТЗ позволяют передавать не только голос, но и любые данные, представленные в цифровой форме, - компьютерные данные, телевизионное изображение, факсы и т. п.
Технология цифровой иерархии была позже стандартизована для международного применения. При этом в нее были внесены некоторые изменения, что привело к несовместимости американской и международной версий цифровых сетей. Американская версия распространена сегодня кроме США также в Канаде и Японии (с некоторыми различиями), а в Европе применяется международный стандарт. Аналогом каналов Т в международном стандарте являются каналы типа El, E2 и ЕЗ с другими скоростями - соответственно 2,048 Мбит/с, 8,488 Мбит/с и 34,368 Мбит/с. Американский вариант технологии также был стандартизован ANSI.
Несмотря на различия американской и международных версий технологии цифровой иерархии, для обозначения иерархии скоростей принято использовать одни и те же обозначения - DSn (Digital Signal n). В таблице приводятся значения для всех введенных стандартами уровней скоростей обеих технологий.
Иерархия цифровых скоростей
Или в графической форме:
На практике в основном используются каналы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ.
При передаче голоса в сетях Т1 все 24 канала являются абонентскими, поэтому управляющая и контрольная информация передается восьмым (наименее значащим) битом замеров голоса.
При передаче компьютерных данных канал Т1 предоставляет для пользовательских данных только 23 канала, а 24-й канал отводится для служебных целей.
Пользователь может арендовать несколько каналов 64 Кбит/с (56 Кбит/с) в канале Т1/Е1. Такой канал называется «дробным» (fractional) каналом Т1/Е1. В этом случае пользователю отводится несколько тайм - слотов работы мультиплексора.
Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель.
Коаксиальный кабель благодаря своей широкой полосе пропускания поддерживает канал Т2/Е2 или 4 канала Т1/Е1. Для работы каналов ТЗ/ЕЗ обычно используется либо коаксиальный кабель, либо волоконно-оптический кабель, либо каналы СВЧ.
Физический уровень международного варианта технологии определяется стандартом G.703.
Как американский, так и международный варианты технологии PDH обладают несколькими недостатками.
Одним из основных недостатков является сложность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных. Сам термин «плезиохронный», используемый для этой технологии, говорит о причине такого явления - отсутствии полной синхронности потоков данных при объединении низкоскоростных каналов в более высокоскоростные. Поскольку мультиплексируемые потоки не были синхронными, их скорости могли различаться в пределах допустимой нестабильности тактовых генераторов, формирующих битовые последовательности, каждого из них. Поэтому при мультиплексировании таких потоков, необходимо производить вставку либо исключение бит для согласования скоростей.
Наличие в PDH потоках выравнивающих битов, делает невозможным прямое извлечение из потока, составляющих его компонентов. Так, чтобы извлечь из потока 140 Мбит/сек (Е4) поток 2 Мбит/сек (Е1) необходимо демультиплексировать Е4 на четыре потока 34Мбит/сек (Е3), затем один из Е3 на четыре потока 8 Мбит/сек (Е2), и только после этого можно вывести требуемый Е1. А для организации ввода/вывода требуется трехуровневое демультиплексирование, а затем трехуровневое мультиплексирование (Рис.2). Такой подход был самоочевидным для обслуживания телефонного трафика с его иерархической системой узлов коммутации каналов. Но использование системы PDH в сетях передачи данных требует большого количества мультиплексоров, что значительно удорожает сеть и усложняет ее эксплуатацию.
Другим существенным недостатком технологии PDH является отсутствие развитых встроенных процедур контроля и управления сетью. Служебные биты дают мало информации о состоянии канала, не позволяют его конфигурировать и т. п. Нет в технологии и процедур поддержки отказоустойчивости, которые очень полезны для первичных сетей, на основе которых строятся ответственные междугородные и международные сети. В современных сетях управлению уделяется большое внимание, причем считается, что управляющие процедуры желательно встраивать в основной протокол передачи данных сети.
Третий недостаток состоит в слишком низких по современным понятиям скоростях иерархии PDH.