3.přednáška Metody multiplexování, přenosové systémy PDH a SDH Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Metody multiplexování -
-
-
Jedním z úkolů telekomunikačních systémů je sdružovat různorodé signály před přenosem příslušnými přenosovými cestami a dále přizpůsobovat sdružené signály pro přenos příslušným přenosovým prostředím Podstatou vývoje přenosových systémů je snaha o co nejefektivnější využití přenosového prostředí se základní myšlenkou, že nejlepšího ekonomického zhodnocení přenosových cest se dosáhne jejich vícenásobným využitím Podíváme-li se na historický vývoj, objevovaly se z hlediska využívání přenosových cest postupně následující principy přenosu: -
Prostorové dělení (prostorový multiplex) – více paralelních vedení Obvodové dělení u nízkofrekvenčního telefonního přenosu (obvodový multiplex) Kmitočtové dělení (frekvenční multiplex) FDM (Frequency Division Multiplex) Časové dělení (časový multiplex) TDM (Time Division Multiplex) Vlnové dělení (vlnový multiplex) WDM (Wavelength Division Multiplex) Kódové dělení (kódový multiplex) CDM (Code Division Multiplex) 2
Metody multiplexování -
Nízkofrekvenční přenosové prostředky využívaly prostorové dělení a metody obvodového dělení v podobě tzv. sdružených okruhů. Za pomoci transformátorů s vyvedenými odbočkami (střed vinutí) bylo možno po dvojici dvoudrátových vedení přenášet tři telefonní signály
-
Frekvenční dělení přenosové cesty využívá skutečnosti, že obvykle máme k dispozici širší pásmo kmitočtů, než dokážeme obsadit přenášeným signálem → přesun signálu z uvedeného pásma do vyšší kmitočtové polohy vždy vhodně kmitočtově posunuté o Df Þ efektivnější vícenásobné využití jediné přenosové cesty Uvedený princip je typický pro obsazování radiového prostoru vysílači Þ každý má přiřazen svůj nosný kmitočet a sdílí volný prostor k šíření elektromagnetické vlny Tentýž způsob byl aplikován i u telefonního přenosu po kabelech u analogových nosných telefonních systémů U moderních systémů je princip frekvenčního dělení využit např. u přípojky ADSL či VDSL
-
3
Metody multiplexování -
-
Obdobně, jako lze zobrazit princip frekvenčního multiplexu ve frekvenční oblasti v podobě kmitočtových spekter přenášených signálů, lze časové dělení ukazovat v časové oblasti na časových průbězích signálů Þ Þ jednotlivým kanálům přiřazujeme na společné přenosové cestě jen přesně vymezený časový interval Dt a ostatní časové úseky využívají další kanály (systém PCM 30/32) Naznačený způsob dovoluje přenášet vzorky signálů přímo v analogové podobě pomocí dalších impulsních modulací označovaných zkratkami PAM (pulsně amplitudová), PPM (pulsně polohová), PWM (pulsně šířková)
-
Vlnové dělení je paralelou frekvenčního dělení pro optický signál Þ husté vlnové dělení DWDM (Dense WDM) s rozestupy optických nosných pod 1 nm a hrubé vlnové dělení CWDM (Coarse WDM) s rozestupy optických nosných nad 10 nm
-
Kódové dělení využívá ke sdružování vlastností vhodně vystavěného kódu a používá se u moderních bezdrátových systémů, např. u mobilních systémů 3.generace UMTS a bezdrátových sítí LAN (tzv. systémy s rozprostřeným spektrem). 4
Způsoby komunikace -
Komunikace může v zásadě probíhat dvěma způsoby: -
-
se spojováním bez spojování
Pro komunikaci se spojování jsou charakteristické tři etapy: -
vytvoření spojení vlastní komunikace zrušení spojení
-
Spojovat se mohou různé elementy zpráv, nejčastěji okruhy (kanálové intervaly PCM), pakety (sítě založené na protokolu X.25), buňky (ATM), rámce (Frame Relay)
-
Typickým představitelem komunikace bez spojování jsou sítě IP založené na přenosu datagramů (paketů) mezi uzly sítě
-
Dále rozlišujeme přenosový mód podle toho, zda se určitý časový interval (signálový element) příslušný k jedné komunikační relaci vyskytuje pravidelně či nepravidelně – synchronní přenosový mód a asynchronní přenosový mód 5
Způsoby komunikace -
-
Synchronní přenosový mód bývá někdy označován zkratkou STM – typický představitel – zjednodušený rámec PCM30/32, kde se pravidelně vždy ve stejném časovém intervalu (kanálovém intervalu) vyskytuje 8 bitů náležících vzorku telefonního signálu či datovému signálu s rychlostí 64 kbit/s (vyznačeno černě) Pro synchronní přenosový mód se dnes často používá poněkud redukovaně zkratka TDM (Time Division Multiplex), i když i asynchronní přenosový mód je aplikací časového dělení Asynchronní přenosový mód je obecným principem, ovšem zkratka ATM se používá již ve významu konkrétní technologie založené na přenosu buněk Na následujícím obrázku je uvedena jednak buňková komunikace s černě vyznačenými buňkami náležícími jedné relaci i paketový způsob přenosu, který je v principu rovněž asynchronním módem, ovšem někdy se uvádí jako další specifický mód se zkratkou PTM. Rozdíl je v tom, že buňky mají konstantní délku a bezprostředně na sebe navazují (na konec buňky navazuje záhlaví následující buňky), kdežto pakety mají různou délku a mohou mezi sebou mít mezery Þ v případě, že zařízení nemá připraven informační signál k žádné z obsluhovaných relací, vysílá v prvním případě prázdnou buňku, ve druhém případě použije výplň. 6
Způsoby komunikace
-
Asynchronní přenosový mód má základní výhodu v tom, že umožňuje statistické multiplexování (někdy též označované STDM – Statistical TDM), kdy přenosové prostředky sítě jsou obsazovány pouze v případě aktivní komunikace, čímž se efektivněji využívají Þ možnost vytvářet kanály s proměnnou přenosovou rychlostí, takže lze reagovat na požadavky účastníka a reagovat i na potřeby moderních kodeků se ztrátovou kompresí, které podle momentálního charakteru signálu produkují signál s různou přenosovou rychlostí 7
Digitální hierarchie pro sdružování signálů -
Efektivní přenos digitálních signálů mezi uzly telekomunikační sítě se provádí pomocí časového, příp. vlnového sdružování
-
Smyslem digitálních hierarchií pro sdružování signálů je veškeré požadované digitální toky (digitalizované hovorové signály, data, video apod.) multiplexovat ve vysokorychlostní signál, který je možné přenášet jediným spojem (dnes nejčastěji optickým vláknem) Þ standardizace hierarchií digitálních systémů vycházejících původně z potřeb propojení digitálních telefonních ústředen
-
Nad signálem 1. řádu (PCM30/32) byla vytvořena celá hierarchie signálů vyšších řádů, které postupně sdružují větší počet telefonních kanálů na jedinou digitální přenosovou cestu
-
V současnosti jsou využívány dva druhy digitálních hierarchií: - plesiochronní digitální hierarchie (PDH) - synchronní digitální hierarchie (SDH) 8
Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) -
Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) → tvorba soustavy signálů vyšších řádů, umožňující přenos většího počtu telefonních kanálů, než umožní tok PCM 1. řádu (PCM30/32), případně přenos dat vyšších přenosových rychlostí
-
vlastnosti PDH: sdružované signály nemají oproti signálu vyššího řádu definován pevný časový vztah Þ asynchronní sdružování V signálu vyššího řádu je vyčleněna určitá rezerva pro odchylky přenosových rychlostí signálu nižšího řádu, protože se nepředpokládá přesný časový souběh sdružovaných signálů, ale uvažuje se diference přenosových rychlostí v určitých předepsaných mezích U PDH prokládáme jednotlivé sdružované signály volně bit po bitu do rámce signálu vyššího řádu, aniž by byl jakýkoli definovaný vztah mezi rámcem signálu nižšího řádu a rámcem signálu vyššího řádu Signály nižšího řádu lze získat opět postupným demultiplexováním, což při mnohonásobně opakovaných operacích multiplexování a demultiplexování může vést k degradaci signálu 9
Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) -
Sdružovací zařízení v evropské hierarchii multiplexuje čtyři signály nižšího řádu a vkládá navíc pomocné informace: skupinu rámcové synchronizace FAS vyrovnání přenosových rychlostí
-
Pro schopnost přenést signály s vyšším taktem se vytváří v rámci rezerva v bitových místech, která je pro signály s nižším taktem nevyužita Þ dojde k vyplnění nevyužitého místa neužitečnou informací → odtud pochází i používaný anglický název této metody – stuffing
-
Typy vyrovnávání přenosové rychlosti: Kladný stuffing – přenosová rychlost signálu vyššího řádu je vyšší než násobek signálů řádu nižšího
-
Záporný stuffing – přenosová rychlost signálu vyššího řádu je nižší než násobek signálů řádu nižšího
-
Oboustranný stuffing – kombinace předchozích (kolísání přenosové rychlosti) 10
Plesiochronní digitální hierarchie (PDH)
11
Synchronní digitální hierarchie (SDH) -
růst nároků na kapacitu přenosových prostředků → díky rozmachu telefonního provozu, ale především z důvodu prudkého nárůstu požadavků na přenos dat
-
Přidávání dalších stupňů do plesiochronní digitální hierarchie nebylo efektivní a ani technicky schůdné Þ vytvoření nové hierarchie založené na odlišných principech sdružování Þ celosvětový standard → synchronní digitální hierarchie (SDH)
-
Hlavní znaky SDH: -
Používá se řízené prokládání po celých bytech (8 bitů) → pomocí adresace informačního pole lze jednoduše získat žádaná data i v rámcích signálů vyšších řádů podle údajů ukazatele (PTR) Všechny signály se u SDH multiplexují synchronně s pevným časovým vztahem mezi signálem vyššího a nižšího řádu Počítá se s vysokými přenosovými rychlostmi, nejnižší stupeň SDH začíná přibližně v oblasti, kde PDH končí Standardizovaným přenosovým médiem je optické vlákno, které dovoluje vysoké přenosové rychlosti až desítek Gbit/s Standardizovaný způsob řízení přenosové sítě a pružné zajištění bezpečného provozu i při poruchách 12
Synchronní digitální hierarchie (SDH) -
-
Celosvětově standardizovaná technologie SDH vychází z amerického standardu SONET (Synchronous Optical NETwork) Základní signály synchronní digitální hierarchie se nazývají synchronní transportní moduly STM-N, kde N vyjadřuje hierarchický stupeň označení
STM-0
STM-1
STM-4
STM-16
STM-64
STM-256
vp [Mbit/s]
51,84
155,52
622,08
2488,32
9953,28
39813,12
označení SONET
STS-1 (OC-1)
STS-3 (OC-3)
STS-12 (OC-12)
STS-48 (OC-48)
STS-192 (OC-192)
STS-768 (OC-768)
Podstupeň STM-0 byl doplněn pro kompatibilitu se standardem SONET (odpovídá STS-1 (OC-1)) U všech hierarchických stupňů a multiplexních jednotek v SDH je důsledně udržována délka rámce 125 ms jako u PCM 1. řádu (PCM30/32) vyplývající ze vzorkovací frekvence telefonního signálu (fv = 8 kHz) Přenosové rychlosti signálů vyšších řádů jsou na rozdíl od PDH vždy přesným čtyřnásobkem přenosové rychlosti signálu nižšího rádu 13
Synchronní digitální hierarchie (SDH) -
Signály nižších řádů se prokládají synchronně po bytech do signálu vyššího řádu, na rozdíl oproti systémům PDH
-
Multiplexní strukturu popisuje doporučení ITU-T G.707
-
Pro různé příspěvkové signály americké i evropské PDH, které se mají přenášet přes síť SDH, jsou určeny různé typy tzv. virtuálních kontejnerů
-
Do těchto virtuálních kontejnerů lze ukládat a přenášet jimi i další typy signálů, zejména ATM buňky, IP pakety, Ethernet rámce Þ multiplexní struktura s řadou multiplexních prvků
-
Při synchronním multiplexování signálů v hierarchii SDH se u všech formátů synchronních multiplexovaných signálů, tj. u všech multiplexních prvků SDH, důsledně zachovává jednotná délka časového rámce 125 ms
-
Přizpůsobování, resp. adaptace uživatelského příspěvkového signálu do formátu signálu SDH, čili úprava vnitřní struktury rámce začleňovaného signálu, se označuje jako mapování (Mapping) 14
Synchronní digitální hierarchie (SDH) -
Přizpůsobování přenosových rychlostí plesiochronních příspěvkových signálů se provádí s využitím oboustranného, tj. kladného i záporného bitového stuffingu a adaptace synchronních příspěvkových signálů pomocí pevných výplňových (stuffingových) symbolů
-
Základní struktura rámce vytvořeného při mapování příspěvkového signálu se označuje jako kontejner C-nk, kde n odpovídá hierarchické úrovni signálu PDH a k rozlišuje pro příspěvkové signály 1. řádu struktury kontejnerů podle přenosové rychlosti mapovaných signálů (Amerika, Evropa)
-
Přidáním služebních bajtů záhlaví cesty POH (Path Overhead) do rámce délky 125ms se strukturou kontejneru C-nk se vytvoří rámec, označovaný jako virtuální kontejner (VC-nk) → nemá v informačním poli stálou polohu, poloha je určena na základě hodnoty tzv. ukazatele PTR (Pointer)
-
Záhlaví cesty POH slouží k zabezpečení a kontrole přenosu virtuálního kontejneru VC přenosovou sítí SDH, provází virtuální kontejner VC od jeho sestavení až po jeho rozebrání 15
Multiplexování v SDH
16
Rámec STM-1 a jeho kapacitní možnosti -
Rámec STM-1 má rozměr 270×9 bytů a přenosovou rychlost 155,52 Mbit/s → → 1×VC-4 (1×E4), 3×VC-3 (3×E3, 2×E3+21×E1, 1×E3+42×E1, 63×E1)
-
Prvních 9 bytů přenáší služební informaci (SOH), rozdělenou do dvou dílčích záhlaví: - záhlaví opakovacích sekcí (RSOH) - záhlaví multiplexních sekcí (MSOH) → nepřístupné v opakovačích
-
Zbylou část vyplňuje informační pole, nesoucí virtuální kontejner VC-4, který začíná na pozici určené ukazatelem AU/PTR
-
Sekce je definována jako část sítě, ve které nedochází k multiplexování nebo demultiplexování signálu STM
-
Vyhrazené bajty záhlaví SOH zabezpečují rámcovou synchronizaci modulu STM-N a sledování kvality přenosu jednotlivými opakovacími úseky a multiplexními sekcemi včetně zařízení automatického ochranného přepínání jednotlivých úseků digitálních cest 17
Struktura rámce STM-1
18
Síťové prvky SDH -
Vlastnosti síťových prvků SDH NE (Network Element): - časově sdružují, resp. rozkládají digitální signály - regenerují linkové signály - propojují digitální signály mezi jednotlivými linkovými trakty - mají pružnou modulární konstrukci sběrnicového typu umožňující snadné přizpůsobení síťovému nasazení
-
Základní druhy síťových prvků SDH: 1. Opakovač (Regenerator) 2. Synchronní muldexy SM (Synchronous Multiplex) - koncový synchronní muldex SMT (Synchronous Multiplex Terminal) - linkový synchronní muldex SML (Synchronous Multiplex Line) - vydělovací synchronní muldex ADM (Add-Drop Multiplex) - rozdělovací synchronní muldex SMH (Synchronous Multiplex Hubbing) 3. Synchronní digitální rozvaděč SDXC (Synchronous Digital Cross-Connect) 19
Základní druhy síťových prvků SDH
20
Blokové schéma Add-Drop muldexu
21
Struktura sítě SDH
22
