Состояние вопроса и общие принципы построения оптических

Реферат

систем

Содержание

1. Обобщенная схема оптической системы

2. Волоконно-оптические сети

3. Сети с коммутацией каналов и пакетов

4.Эталонная модель OSI

Литература

Единая система связи Российской Федерации (ЕСС РФ) является одной их самых динамично развивающихся отраслей экономики. Для удовлетворения непрерывно растущих потребностей в увеличении пропускной способности сетей связи РФ интенсивно внедряются системы передачи с временным уплотнением - системы синхронной цифровой информации различных иерархий скоростей - СТМ-4, СТМ-16, СТМ-64, в ближайшей перспективе СТМ-256 (40 Гбит/с, что является предельной для электронных методов обработки сигналов). В этих системах цифровые потоки передаются на одной оптической несущей с определенной длиной волны. Дальнейшее повышение скорости передачи возможно только с использованием чисто оптических методов временного уплотнения, обозначаемых в англоязычной технической литературе аббревиатурой OTDM (Optical Time Division Multiplexing).

Имеются сведения о успешном испытании ВОСП с OTDM по передаче цифровых потоков информации со скоростью 160 Гбит/с на расстояние до 300 км [1] и 1,28 Тбит/с на расстояние до 70 км [2]. Альтернативным методом повышения пропускной способности ВОСП является передача необходимого количества цифровых потоков информации упомянутых выше иерархий скоростей на соответствующих оптических длинах волн (1,….m) по одному оптическому волокну. Такой метод увеличения пропускной способности оптического тракта получил название «уплотнение оптических сигналов по длинам волн» - WDM (Wavelength Division Multiplexing), при плотном размещении оптических каналов в окне прозрачности - DWDM (где первая D - dense (плотный)). В отечественной отраслевой технической литературе в соответствии с РД 45.286.2003 [3] используются термин «волоконно-оптические системы передачи со спектральным разделением оптических каналов» и аббревиатура ВОСП-СР. В настоящее время ВОСП-СР получили широкое распространение во многих странах мира, включая Россию. Оборудование ВОСП-СР производят также ведущие компании мира, такие, как Nortel Networks (Канада), Lucent Technologies (США), NEC (Япония), Siemens и Alcatel (Германия), Huawei (Китай), ИРЭ-Полюс (Россия), и некоторые другие, а отдельные компоненты для ВОСП-СР производят более 20 компаний мира.

Увеличение пропускной способности ВОСП достигнут внедрением оптических и квантово-электронных технологий, которые ориентированы на полное вытеснение электронных методов обработки сигналов оптическими. Этот процесс получил название фотонизации систем связи и его можно считать состоявшимся, поскольку на этом участке ВОСП-СР используются полностью оптические компоненты: оптические волокна и оптические компоненты (ОК) на их основе: оптические усилители передачи и приема, оптические промежуточные усилители, полностью оптические компенсаторы хроматической дисперсии, полностью оптические 2R- и ЗР-регенераторы. Следует отметить, что сегодня один из самых важных компонентов оптического тракта - ОВ по коэффициенту затухания, приблизился (на длине волны 1550 нм) к теоретическому пределу 0,151 дБ/км (теоретический предел 0,14 дБ/км) [4]. Для уменьшения влияния оптических нелинейных явлений, возникающих в ОВ при введении в него оптического группового сигнала с повышенным уровнем мощности (+23...30 дБм), созданы одномодовые оптические волокна с большой эффективной площадью поперечного сечения Аэфф = 211 мкм2 [5]. Исследования в области создания микроструктурированных (дырчатых) оптических волокон указывают на возможность снижения коэффициента потерь до ~ 0,1 дБ/км за счет уменьшения релеевского рассеяния. Уменьшение релеевского рассеяния в «дырчатых» волокнах обусловлено тем, что значительная часть энергии оптического сигнала распространяется в физических каналах, представляющих собой трубки диаметром 1...1.5 мкм, содержащие воздух или вакуум. Оптический тракт регенерационных секций магистральных ВОСП-СР большой протяженности, как правило, содержит до 7...8 оптических промежуточных усилителей и до 9 элементарных кабельных участков (ЭКУ). Длина одного ЭКУ (Lэку) обычно не превышает 180 - 200 км, что явно недостаточно для местностей (азиатской части территории РФ), где нет населенных пунктов и источников электрического питания. Существенное увеличение Lэку для ВОСП-СР, проходящих через такие территории, может быть достигнуто с помощью применения здесь рамановских оптических усилителей. Преимущество последних состоит в том, что активной (усиливающей) средой является обычное рабочее волокно, по которому передается информационный оптический сигнал, т.е. часть самого оптического тракта в виде оптического кабеля превращается в распределенный оптический усилитель длиной до 50 км. Одним из основных факторов, ограничивающих длину регенерационной секции ВОСП-СР, является увеличение длительности информационных оптических импульсов в процессе их распространения в ОВ, что приводит к взаимному наложению информационных символов и возникновению ошибок при приеме сигналов. Это увеличение длительности вызвано хроматической дисперсией в ОВ, которая для одноволновых ВОСП практически нейтрализуется введением дискретных компенсаторов, основанных на использовании сдвоенных дифракционных решеток Брэгга. Однако в системах передачи с 20-ю и более спектральными сигналами, устройство компенсатора резко усложняется, что приводит к необходимости дополнительного увеличения потребляемой электрической мощности для температурной стабилизации, увеличению габаритов и неприемлемого повышения стоимости. В системах ВОСП-СР проблема компенсации хроматической дисперсии решается с помощью использования оптического волокна с отрицательным коэффициентом хроматической дисперсии. Такие компенсаторы не требуют температурной стабилизации (т.е. дополнительных энергозатрат) и являются распределенными. Их достоинством является широкополосность, которая позволяет одним компенсатором осуществлять компенсацию дисперсии во всем рабочем диапазоне. Их основным недостатком является большой коэффициент затухания, который нейтрализуется дополнительными оптическими усилениями. Включение дополнительного ОУ приводит к возрастанию мощности усиленного спонтанного излучения, в результате чего снижается отношение с/ш и уменьшается энергетический потенциал.

В настоящее время в реализованных проектах ВОСП-СР используются оптические квантово-электронные регенераторы и хотя созданы полностью оптические 2R- и ЗR-регенераторы (без преобразования в электронную форму энергии сигналов [6,7]), последние изделия высоких технологий имеют высокую стоимость, что препятствующую их широкому использованию в коммерческих ВОСП-СР. Таким образом, проблема уменьшения влияния хроматической дисперсии остается актуальной. Решение этой проблемы просматривается по трем направлениям: разработка и снижение стоимости оптического волокна с пониженным коэффициентом дисперсии и малым коэффициентом наклона дисперсионной характеристики (ОВ стандарта G.655 ITU-T); применение в оптическом тракте чередующихся участков с волокнами с положительным и отрицательным коэффициентом дисперсии в сочетании с рамановским усилителем; использование в передающих устройствах на стороне передачи или в регенерационных пунктах полупроводниковых лазеров с внешними модуляторами. Использование внешней модуляции дает возможность ограничить ширину линии излучения практически только спектром модулирующего сигнала. Наибольший эффект это дает в системах со скоростями передачи 622 Мбит/с или 2,5 Гбит/с. Успешная фотонизация магистральных и зоновых сетей практически снимает ограничения по пропускной способности и дальности передачи информации на ближайшие 5 - 10 лет. Эти утверждения могут быть подтверждены тем, что достигнутая пропускная способность экспериментальной ВОСП-СР 11 Тбит/с [8] далеко превосходит потребности сегодняшних дней, а начало реализации проекта SAT-3/WASL протяженностью 28 тыс. км [9] свидетельствует о решении проблемы дальности передачи.

В заключении обзора общего состояния следует сказать, что сегодня с успехом эксплуатируются: подводный участок трассы Копенгаген - С.Петербург (протяженностью 1325 км), линия Москва - Копенгаген, ведется строительство Транссибирской оптической линии длиной более 17000 км, которая пройдет через всю Россию и свяжет Восток и Запад страны со странами Европы. Этот участок замкнет глобальное волоконно-оптическое кольцо цифровой связи, охватывающее четыре континента (Европа, Азия, Америка, Австралия) и три океана (Атлантический, Тихий, Индийский). В 1988 г завершено строительство ВОСП Европа - США (через Атлантический океан), Япония-США-Канада (через Тихий океан), ВОСП в 16000 км Австралия - Новая Зеландия - Северная Америка (через Гавайи). Завершается прокладка трансатлантической линии в 6000км без усилителей Америка-Европа (применяется волокно из тетрафторида циркония (0,01 дБ/км на 2,5 мкм) и фторид бериллия (0,005 дБ/км на 2,1 мкм)).

1. Обобщенная схема оптической системы

В системах оптической связи происходит передача и обработка световых или оптических сигналов. Выбор вида светового излучения и длины волны для оптической связи зависит как от характера передаваемого сообщения, так и от возможностей создания такого излучения, формирования из него сигнала, передачи и обработки световой волны и, наконец, приема сигнала, содержащего информацию. Обобщенная схема ВОСП приведена на рис. 1.

Рис. 1

В ее составе: СП - система передачи, ОС - оборудование сопряжения, Опер - оптический передатчик, ОВ - оптическое волокно, ОР - оптический ретранслятор, Опр - оптический приемник. Тракт передачи включает в себя : СП, ОС, ОПер, а тракт приема: СП, ОС, Опр и входят в состав оконечных станций А и Б. В волоконно-оптический линейный тракт входят : ОПер, ОВ, ОР и Опр.

С передающих станций 1-N первичные электрические сигналы поступают на систему передачи. С выхода СП многоканальный электрический сигнал подается в ОС, где он преобразуется в форму, целесообразную для передачи по волоконно-оптическому линейному тракту. В оптическом передатчике электрический сигнал путем модуляции оптической несущей преобразуется в оптический, который далее передается по ОВ.

Локальные линейные ВОСС могут выполняться: двухпроводными однополосными однокабельными; одноволоконными однополосными однокабельными; одноволоконными многополосными однокабельными (со спектральным уплотнением). Обобщенная схема ВОСС на рис. 2 имеет только одно направление передачи, причем передача и прием осуществляются по двум волокнам и на одной волне. Каждое ОВ является эквивалентом двухпроводной физической цепи. Поскольку взаимное влияние между ОВ кабеля практически отсутствуют, то тракты передачи и приема различных систем организуются по одному кабелю, т.е. ВОСП является однокабельной. Ее достоинства: однотипность оборудования передачи и приема оконечных и промежуточных станций, а недостатком - малый коэффициент использование пропускной способности ОВ.

Рис. 2

Учитывая, что доля затрат на кабельное оборудование составляет значительную часть стоимости системы связи, а цены на ОВ в настоящее время достаточно высоки, возникает задача повышения эффективности использования каналов за счет одновременной передачи по ОВ большего объема информации. Этого добиваются, например, передачей информации во встречных направлениях по одному ОВ. Схема одноволоконного однополосного однокабельного ВОСП приведена на рис. 3.

Особенность такой системы является использование ОВ для сигналов в двух направлениях на одной длине волны. Такие системы значительно эффективнее первых, но при дуплексной передачи информации появляются переходные помехи между информационными потоками, распространяющимися во встречных направлениях.

Рис. 3

Эти помехи возникают за счет обратного релеевского рассеяния в ОВ и ответвителях, отражения света от сварных стыков и разъемных соединений на концах линии. Уровень помехи и ее спектральный состав в основном зависят от передаваемого сигнала (скорости передачи, формы импульсов) и параметров линейного тракта (затухания волокна, его длины, числовой апертуры, профиля показателя преломления).

Среди основных характеристик каналов передачи чаще всего оперируют модулем коэффициента передачи (HL) и его зависимостью от частоты (рис. 4) и зависимостями переходного затухания от скорости передачи информации для многомодовых (рис. 5, а) и одномодовых ОВ (рис. 5, б).

Рис. 4

При использовании в дуплексных ВОСП с линейными ретрансляторами на полупроводниковых квантовых усилителях (ПКУ) также возникают переходные помехи, основными источниками которых являются модуляция коэффициента усиления ПКУ для одного канала оптического излучения встречного канала, обратный поток суперлюминесцентного излучения и остаточное отражение от торцов усилительного кристалла. Модуляция коэффициента усиления обусловлена концентрацией носителей в активном слое от мощности оптического излучения на входе ПКУ.

а б

Рис. 5

В целом помехи этого типа уменьшаются с увеличением скорости передачи информации и величина их оказывается несущественной, если уровень входного сигнала не превышает -25…-30 дБ, при этом переходное затухание более 17 дБ.

Остаточное отражение от торцов усилителя (значение которого достигает 103) приводит к появлению попутного и обратного потоков излучения. Отношение сигнала к мощности помехи обратного потока лежит в пределах 5 … 10 дБ, что значительно меньше допустимой величины (12 дБ). Переходное затухание помехи обратного потока суперлюминесцентного излучения в диапазоне изменения мощностей входного сигнала 10-9 .. 10-5 Вт имеет значение 5,3…5,5 дБ. Ослабление последних двух источников переходных помех достигается введением оптических фильтров (ф 0,1 нм) на входе фотоприемного устройства и широкополосного (ф 2 нм) на выходе оптического усилителя. Переходное затухание в этом случае будет не менее 25 дБ.

Наиболее полная реализация возможностей дуплексных оптических систем связи с линейными ретрансляторами на ПКУ достигается в совокупности с одночастотными полупроводниковыми излучателями.

В ВОСП со спектральным уплотнением (одноволоконные многополосные однокабельные) по одному оптическому волокну одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется, как правило, многоканальным цифровым сигналом. Возможность построения таких систем основывается на сравнительно слабой зависимости коэффициента затухания ОВ в пределах используемого спектрального диапазона от частоты оптической несущей. Поэтому, применяя метод частотного разделения, по одному ОВ (подобно многоствольным радиорелейным системам передачи), можно организовать несколько широкополосных оптических каналов, увеличив тем самым результирующую скорость передачи информации. Это позволяет обойти ограничение на скорость передачи по одному ОВ, связанное с дисперсионными искажениями. Структурная схема системы передачи со спектральным разделением каналов приведена на рис. 6.

В такой системе на передающей станции имеется n систем передачи, сигналы с которых передаются на n оптических передатчиков Опер, получающих оптические несущие с длинами волн 1, 2, … n . С помощью устройств спектрального объединения (УСО) осуществляется ввод различных оптических несущих в одно ОВ. На приемной стороне в устройстве спектрального разделения (УСР) оптические несущие разделяются в пространстве и поступают на оптические приемники Опр. Таким образом по одному ОВ организуется n спектрально разделенных оптических каналов, т.е. коэффициент использования пропускной способности увеличивается в n раз по сравнению с традиционным построением линейных трактов оптических систем.

Рис. 6

Мультиплексирование

В локальных и особенно в протяженных сетях емкости магистральных линий связи значительно превышают емкости передач отдельных приложений. Это, как было показано выше, позволяет передавать одновременно множества различных приложений. Дополнительно, сами приложения могут иметь разную природу, например, это может быть передача постоянного битового потока или передача файлов данных. С целью повышения эффективности передающей среды (носителя) и ее адаптации под множество разнородных приложений применяется передача одновременно сразу нескольких информационных сигналов в одном носителе - мультиплексирование.

Известные методы уплотнения ВОЛС аналогичны радиотехническим (временное, пространственное, частотное) и дополняются спектральным и пространственным, отличающимися лишь методами их реализации.

В современных ВОСС широкое применение нашли два основных вида мультиплексирования: частотное и временное.

- Частотное мультиплексирование FDM (используется также термин мультиплексирование с частотным уплотнением): каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существуют одновременно сразу несколько сигналов.

- Временное мультиплексирование TDM (также используется термин мультиплексирование с разделением времени): сигналу каждого приложения выделяется вся полоса носителя, но на короткий промежуток времени - тайм-слот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последовательности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные приложения.

В общем случае, объединение нескольких информационных потоков в один, может осуществляться как на уровне электронной аппаратуры (электрических сигналов), так и на уровне оптических сигналов. Схема, реализующая первый вариант, показана на рис. 7. При объединении электрических сигналов две серии импульсов (источников может быть значительное количество), поступающих с входов А и В, с помощью устройства объединения (УО) суммируются в определенной последовательности чередования в групповой сигнал которым в оптическом передатчике (ОПер) осуществляется модуляция оптическая несущая. Промодулированный оптический сигнал распространяется по ВОЛС и в оптическом приемнике (ОПр) вновь преобразуется в электрический сигнал, который разделяется устройством разделения (УР) на две серии импульсов, подобных входным, которые поступают на выходы А* и В*.

Рис. 7

Схема объединения оптических цифровых потоков показана на см. рис. 8. Электрические цифровые потоки от n источников поступают на n оптических передатчиков, в которых электрические сигналы преобразуются в оптические. Перед объединением оптических сигналов происходит их задержка на t; 2t; 3t….(n-1)t. После такой задержки на выходе оптического смесителя (ОС) получаем последовательность оптических импульсов. При приеме выполняется обратное преобразование.

При временном уплотнении требуется передача световых импульсов длительностью менее 10-9 с. Формирование и передача субнаносекундных импульсов предъявляет чрезвычайно высокие требования к быстродействию оптоэлектронных компонентов приемопередающей аппаратуры ВОСС, близкие к их предельным возможностям. Кроме того, скорость передачи (широкополосность) ограничена дисперсионными свойствами ОВ.

Рис. 8

Основным достоинством временного уплотнения являются увеличение коэффициента использования пропускной способности ОВ (экспериментально получены скорости передачи 8….16 Гбит/с) и возможности создания полностью оптической сети связи.

Пространственное уплотнение использует такие преимущества ОВ, как гибкость и малые размеры, что позволяет создавать ОК, содержащий несколько десятков ОВ (см.рис. 9). При этом методе уплотнения число ВОСП равно числу ОВ в ОК и, следовательно, пропускная способность определяется числом ОВ в кабеле.

Рис. 9

Недостатками такого уплотнения являются: большой расход ОВ, значительные затраты на каблирование, т.е. высокая стоимость линейного тракта. Для магистральных ВОСП, где стоимость 1 кан.-км определяется в основном стоимостью ОВ, этот метод не обеспечивает улучшения технико-экономической эффективности.

В рамках TDM различают синхронное мультиплексирование (каждому приложению соответствует тайм-слот (возможно несколько тайм-слотов) с определенным порядковым номером в периодической последовательности слотов, и асинхронное или статистическое мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например, по требованию.

На рис. 10 показаны схемы размещения каналов при TDM и FDM.

Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мультиплексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором (MUX), а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце – демультиплексорам (DEMUX). Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и демультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется мультиплексором.

Рис. 10

Частотное мультиплексирование FD

Частотное мультиплексирование (рис. 10 б) распространено в системах беспроводной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских телевизионных системах, включая кабельное телевидение и телефонию. Каналы, представленные в мультиплексном сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

В сетях широковещательного телевидения сначала исходные низкочастотные телевизионные сигналы от передающих устройств смещаются модуляцией в отведенные для них области спектра - каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распространяется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локальных студий кабельного телевидения к абонентам.

Таким образом для получения группового линейного сигнала требуется близкое расположенные стабильные оптические несущие, что трудно реализовать в случае полупроводниковых лазеров (особенно при высокоскоростной модуляции), и приводит к тому, что расстояние по спектру между рабочими длинами волн соседних каналов во много раз превышает полосу информационного сигнала. Поэтому для получения близко расположенных спектральных каналов в ВОСП используются различные несущие не от разных источников, а от одного с помощью сдвига оптической несущей.

Достоинства этого метода в том, что длина участка регенерации за счет гетеродинного приема возрастает до 200 км при значительном повышении коэффициента использования пропускной способности ОВ. Недостатками является то, что требуется оптический тракт приема и передачи с сохранением поляризации, а также ряд специальных устройств: сдвига частоты, оптических вентилей, контролеров поляризации, оптических усилителей, схемы автоподстройки частоты и т.п., что усложняет и увеличивает стоимость ВОСП.

Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование WDM, применяемое в ВОСП, главным образом в области спектра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 нм (188 ТГц). Для плотного волнового мультиплексирования используется область спектра 1530 - 1560 нм.

Спектральное уплотнение – один из перспективных методов увеличения коэффициента использования пропускной способности ОВ. Этот метод является альтернативным пространственному уплотнению, а положительный эффект достигается за счет сокращения стоимости используемого волокна в линейном кабеле. Преимуществом этого метода является полное использование сверхширокой спектральной полосы пропускания ОВ. Сегодня освоен диапазон 0,8…1,8 мкм. Если принять, что ширина спектрального канала 10 нм, то в указанном диапазоне размещается до 100 спектральных каналов.

Основными компонентами ВОСП со спектральным разделением являются мультиплексоры и демультиплексоры, которые подразделяются на спектрально-нечувствительные и спектрально-чувствительные. К первым относятся волоконные направленные ответвители, соединительные устройства, а также устройства на градиентных линзах. Вторые, содержат элементы, характеристики которых зависят от оптической длины волны – это: дифракционные решетки, призмы, фильтры. Конструктивно мультиплексоры разделяются на объемные многоэлементные, объемные интегральные, планарные, волоконные, гибридные и др.

В ВОСП со спектральным разделением целесообразно использовать одномодовые ОВ с малым затуханием и лазерные источники с повышенной мощностью излучения. Для обеспечения большего энергетического потенциала, оптические каналы следует располагать в одном окне прозрачности, где потери в ОВ минимальны.

Относительно высокие плотности оптической энергии в одномодовых ОВ вызывают появление нелинейных эффектов, наиболее заметным из которых является эффект усиления вследствие комбинационного рассеяния (УВКР), который обусловлен резонансным взаимодействием оптических несущих с оптическими фотонами вещества ОВ. Из-за УВКР в таких ОВ наблюдается взаимодействие между оптическими сигналами различных оптических каналов, что выражается в уменьшении мощности оптических несущих с меньшей длиной волны и увеличением за счет этого мощности оптических несущих с большими длинами волн.

При синхронном временном мультиплексировании объединяется n низкоскоростных цифровых каналов (или n периодически повторяющихся равных по длительности тайм-слотов) внутри одного носителя. С целью лучшей синхронизации непрерывного битового потока, в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом частоты. На рис. 10 б показана схема следования тайм-слотов при 12-канальном TDM. Тайм-слоты с номером 1 соответствуют первому приложению, с номером 2 - второму и т.д. Емкость отдельного приложения - емкость тайм-слота - равна W/n, где W - полная полоса носителя. Емкие приложения могут занимать полосу в несколько тайм-слотов.

Если от одного из приложений не поступают данные, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале и оставляет для него прежнюю полосу W/n. Никакому другому приложению эта полоса не доступна. Более того, ни одно из приложений не может получить большую полосу пропускания, чем ту, которая отводится, что является особенностью синхронного мультиплексирования.

Мультиплексирование может происходить на октетном, битовом или кадровом уровне. При мультиплексировании на октетном уровне последовательности в 8 битов от каждого из n приложений - октеты - циклически сменяют друг друга. Задержка на время буферизации одного октета возникает между входным низкоскоростным и выходным мультиплексным потоками.

При мультиплексировании на битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. Более критичными, в этом случае, становятся требования к временным характеристикам, но и уменьшается задержка, вносимая мультиплексором. В городских коммутируемых телефонных сетях мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплексных каналов.

При мультиплексировании на кадровом уровне кадры (специальные битовые последовательности с заголовком, сигнальными полями и полями данных) из входных низкоскоростных каналов смешиваются в выходном мультиплексном канале. Этот вид мультиплексирования характерен при построении асинхронных мультиплексоров.

Логическая топология определяет характер движения данных в мультиплексном канале. Три основных типа логической топологии могут иметь синхронные мультиплексные системы: соединение "точка-точка ", цепное соединение и кольцевое соединение, рис. 11.

Рис. 11

Допускаются более сложные смешанные логические топологии.

Физическая топология определяет структуру кабельной системы. Для повышения надежности сложные мультиплексные сети, использующие логическую топологию "кольцо", делают с использованием физической топологии "двойное кольцо", рис. 12. В нормальном состоянии активно первичное кольцо, а по вторичному кольцу данные не идут.

При повреждениях канала связи или одного из мультиплексоров происходит свертывание логического кольца с восстановлением его целостности, при котором активизируется вторичное кольцо при этом общая целостность сети также сохраняется. Физическая топология "двойное кольцо" используется и в сетях SDH, а также в некоторых локальных сетях Token Ring, DQDB, FDDI.

Рис. 12

По каждому из каналов мультиплексор может поддерживать одну из шести функций выделения, добавления или пропускания каналов (drop-add-pass), рис. 13:

1. "Drop & Add" (выделение и добавление канала). Эту функцию могут поддерживать мультиплексоры как при цепной (на промежуточных узлах), так и при кольцевой логических топологиях. При цепной топологии один выходной канал может быть заменен на другой, например, при использовании специальных мультиплексоров для межстудийного обмена в сетях цифрового кабельного телевидения. При кольцевой топологии этой функцией могут обладать два или более мультиплексоров, которые сообща используют данный TDM канал, например, при организации удаленной связи сетей Ethernet или Token Ring. Фактически происходит подмена информации в соответствующих тайм-слотах.

Рис. 13

2. "Drop & Pass" (выделение и пропускание). Эта функция наиболее характерна для физической топологии "цепная линия". Основная задача - размножить информационный поток. Структура ретранслируемых в мультиплексный канал тайм-слотов остается без изменения.

3. "Рass Only" (только пропускание). Эта функция обычно автоматически отрабатывается мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.

"Terminate & Add" (прервать и добавить). Эта функция подменяет информацию в тайм-слотах соответствующего канала на новую, взятую из входного низкоскоростного канала и фактически предназначена для начального (мастер) мультиплексора при физической топологии "цепная линия".. Прежняя информация не выводится наружу и становится недоступной как для текущего, так и для последующих мультиплексоров.

5. "Drop Only" (только выделение). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия".

6. "Terminate" (прерывание). Эта функция характерна для конечного мультиплексора при физической топологии "цепная линия" и автоматически отрабатывается конечным мультиплексором, если в физический слот мультиплексора, соответствующий данному каналу (номеру тайм-слота), не установлен ни один модуль.

В практических реализациях скоростной мультиплексный канал строится преимущественно на основе волоконно-оптического интерфейса. Существует огромное разнообразие мультиплексоров, использующих волоконно-оптическую ТDМ-магистраль.

Оптический модем-мультиплексор Optimux производства RAD Data Communications [1]. Схема включения модема показаны на рис. 14, а в табл. 1 приведены технические характеристики.

Рис. 14

Аналогичные оптические модемы-мультиплексоры, также широко используемые на российском рынке, выпускаются фирмами: ADC Telecommunications - продукт Quad Fiber Loop Converter, 4хЕ1 [2]; и Pan Dacom - продукт FME-Н, 6Е1 [3].

Модульный ТDМ мультиплексор MagnumPlus фирмы ADC Kentrox более универсальное и прогрессивное решение, допускающее передачу множества различных протоколов. Его основные характеристики приведены в табл. 2 [4].

Таблица 1

Тип логического соединения	точка-точка
Тип физического соединения	точка-точка
Полная емкость мультиплексного канала, Мбит/с	8 (канал Е2)
Тип среды передачи	оптическое волокно многомодовое (mm) / одномодовое (sm), коаксиальный кабель
Оптические передатчики (LED - светодиод, LD - лазерный диод)	850 нм mm LED /1300 нм sm LED / 1300 нм sm LD / 1550 нм sm LD
Тип оптических соединителей	ST, SC или FC
Максимальное расстояние оптического сегмента, км	75
Число входных каналов Е1	4
Поддерживаемые интерфейсы по низкоскоростным входным каналам	ITU G.703, G.742, G.823, G.956
Другие характеристики	Голосовой служебный канал, допускается резервирование по каналу связи (автоматическое реконфигурирование при повреждении) и по питанию, управление через ASCII терминал или по SNMP протоколу

Отметим, что логическая топология взаимодействия мультиплексоров MagnumPlus по TDM магистрали базируется на кольце, а физическое соединение может быть как точка-точка так и кольцо, или цепная линия. Кольцевая логическая топология необходима для дистанционного мониторинга и управления мультиплексорами на основе TDM магистрали.

При инициализации TDM магистрали одно из устройств автоматически выбирается мастером - по нему синхронизируются все остальные устройства. При подключении мультиплексоров через сеть SDH, синхронизация происходит от SBH магистрали.

Таблица 2

Тип логического соединения	кольцо
Тип физического соединения	точка-точка, двойное кольцо, цепная линия
Полная емкость мультиплексного канала, Мбит/с	155 (возможно подключение устройств через магистраль STM-1)
Тип среды передачи	оптическое волокно многомодовое (mm)/ одномодовое (sm)
Характеристики модулей общей логики	1300 нм; mm, 12 дБ / mm, 20 дБ / sm, 20 дБ / sm, 30 дБ 1550 нм: sm, 20 дБ
Число тайм-слотов в мультиплексном канале	28
Число In/Out слотов на одно шасси	8 (гибкое приписывание физических слотов к тайм-слотам)
Емкость тайм-слота, Мбит/с	4,7
Поддерживаемые интерфейсы по низкоскоростным входным каналам	Ethernet, Token Ring, EIA RS-449/RS-422, V.35, RS-232, RS-530, E1/T1, IBM 3270, AS/400, System/3X
Другие характеристики	Допускается резервирование по каналу связи (автоматическое реконфигурирование двойного кольца при повреждении) и по питанию, управление по SNMP протоколу, гибкое приписывание In/Out модулей в физических слотах к тайм-слотам

Модули MagnumPlus.

- Интерфейсные модули (IN/OUT). Чтобы удовлетворить тем или иным специфическим требованиям, имеется большое разнообразие модулей, среди которых модули Ethernet Switch (разъем AUI, BNC, F/O), Token Ring 4 или 16 Мбит/с (разъем DB9), E1 (G.703).

- Модули питания. Питание может осуществляться от источников 48 В постоянного, 110 В и 220 В переменного тока. Для обеспечения защиты на случай выхода из строя блока питания допускается установка до двух блоков питания с распределяемой нагрузкой.

- Модуль контрольной логики. Необязательный модуль, позволяющий осуществлять дистанционное SNMP управление и мониторинг.

- Модули общей логики. Обеспечивают все необходимые возможности мультиплексирования и демультиплексирования на основе волоконно-оптического интерфейса (155 Мбит/с) или интерфейса на коаксиальном кабеле (DS3, 45 Мбит/с).

Похожие модульные TDM мультиплексоры выпускаются фирмами Base-Fibroins (Multi-HUB) [5] и Racal Data Group (PremNet 5000, PremNet Branch) [6].

Синхронная цифровая иерархия SDH - наиболее широко распространенная технология синхронного временного мультиплексирования - рассматривается в последующих разделах.

Статистическое (асинхронное) временное мультиплексирование

Взрывная природа трафика, свойственная сетям передачи данных, привела к разработке более гибкого метода мультиплексирования - статистического. В этом методе тайм-слоты не приписываются жестко за каналами и могут более свободно распределяться под приходящие по разным каналам данные. Времена прибытия данных, а не номера низкоскоростных каналов определяют последовательность, в которой данные от разных каналов размещаются в тайм-слоты. Каждый раз, когда тайм-слот испускается в мультиплексную линию, мультиплексор добавляет к нему специальный идентификатор, по которому демультиплексор на другом конце определяет, в какой выходной канал перенаправить содержимое данного тайм-слота. Если на вход мультиплексора данные не поступают, то он передает пустые тайм-слоты с пустыми полями идентификаторов. Асинхронность выражается не в асинхронном испускании тайм-слотов (они следуют строго регулярно), а в допустимости асинхронного размещения приходящих данных в тайм-слоты.

Заметим, что идентификатор, выполняя важную функцию в этом методе мультиплексирования, является служебной информацией и, таким образом, уменьшает полосу, которая могла бы использоваться под передачу данных.

Статистический TDM мультиплексор предоставляет приложению такую полосу, которую оно запрашивает, но если эта величина не превосходит свободной емкости мультиплексной линии. Суммарная величина полос пропускания низкоскоростных каналов, входящих в мультиплексор, может превосходить полосу пропускания скоростного канала. Используется то, что не все низкоскоростные приложения осуществляют одновременно передачу.

Статистическое мультиплексирование требует более сложного управления и значительно большей вычислительной мощности от оборудования.

Сначала статистическое мультиплексирование было использовано в сетях с протоколом Х.25, позже - в сетях Frame Relay и ATM.

В табл. 3 приведен сравнительный анализ синхронного и статистического методов временного мультиплексирования, откуда следует, что преимущества одного метода можно рассматривать отчасти как недостатки другого.

Таблица 3

Преимущества синхронного TDM

Недостатки статистического TDM

- Простая технология изготовления мультиплексора

- Гарантированная полоса пропускания для всех приложений, потери при передаче отсутствуют

- Не требуется использование специальных идентификаторов каналов

- Высокая защищенность потока данных внутри тайм-слота

- Более сложная технология изготовления мультиплексора, выше стоимость

- Могут быть потери или задержки в приложениях с меньшим приоритетом – не всегда гарантируется полоса

- Требуется использование специальных идентификаторов каналов, которые являются служебными и отнимают часть полосы. Более сложное конфигурирование

Преимущества статистического TDM

Недостатки синхронного TDM

- Выше эффективность мультиплексного канала при

- Приложение может использовать всю полосу канала, если он свободен. Емкие критические к задержкам приложения могут быть быстро переданы

- Допускается система приоритетов по получению доступа и к каналу и по требуемой, полосе для приложения

- Высокая гибкость в организации соединений

- Низкая эффективность при работе с сетями передачи данных

- Приложение может использовать только емкость отведенного тайм-слота

Пример 1. Расчет производительности статистического мультиплексора.

Допущения. Рассмотрим работу гипотетического статистического 4-канального мультиплексора, рис. 15 а [7]. Пусть максимальная скорость (полоса пропускания) каждого из 4-х входных каналов составляет 300 бит/с, а входные данные представляются 8-битными символами в обкладках "старт" и "стоп" битов. В процессе мультиплексирования биты "старт" и "стоп" сбрасываются, а два дополнительных бита (поле идентификатора) добавляются к тайм-слотам в мультиплексном канале, что приводит к общей длине 10 бит для тайм-слота.

Отклонения. Из-за нерегулярности входных потоков, средняя скорость по каждому из низкоскоростных каналов меньше 300 бит/с. Мультиплексный канал работает со скоростью 600 бит/с. Таким образом, полоса пропускания мультиплексного канала в два раза меньше суммарной емкости 4-х низкоскоростных каналов. Каждый символ, прибывающий на мультиплексор, преобразуется в соответствующий тайм-слот. Если символы с разных каналов приходят на мультиплексор одновременно, они обрабатываются последовательно в соответствии с предустановками. При условиях рис. 15 а средняя битовая скорость по первому каналу равна 120 бит/с, по второму - 150 бит/с, по третьему - 120 бит/с, по четвертому - 90 бит/с. В итоге средняя битовая входная скорость равна 480 бит/с. Загруженность мультиплексного канала составляет 80% (заполнены 16 слотов из 20). Эффективность кода равна 80 % - каждый тайм-слот содержит двухбитный идентификатор, вследствие чего полезная информация составляет 8 бит из 10-ти в тайм-слоте, а выходная скорость - 480 бит/с (выход 64% это загруженностьэффективность кода).

Рис. 15

Для сравнения на рис. 15 б приведены параметры работы синхронного мультиплексора. Эффективность кода 100% является следствием отсутствия при синхронном мультиплексировании служебных идентификаторов у тайм-слотов.

Инверсное мультиплексирование

Если обычное мультиплексирование объединяет n низкоскоростных каналов в один высокоскоростной, то инверсное мультиплексирование можно рассматривать как обратную процедуру, то есть как способ передачи скоростного потока данных посредством нескольких независимых каналов меньшей полосы пропускания, которые существуют на промежуточном участке между точками входа и выхода скоростного потока.

Инверсное мультиплексирование используется для передачи широкополосного сигнала, который не способен разместиться в одном независимом канале существующей телекоммуникационной сети. Например, сигнал видеоконференции емкости 384 Кбит/с не может быть передан по каналу 64 Кбит/с, но может быть разбит и размещен в шести таких каналах и вновь собран на другом конце. Также используют инверсное мультиплексирование, когда мультиплексор (или коммутатор) на промежуточном узле магистральной сети не может обрабатывать емкости больше заданной, например 64 Кбит/с.

На приемной стороне инверсный демультиплексор получает информацию с разных каналов и проводит сборку сигнала - эта процедура может требовать переупорядочения потоков из разных сегментов и компенсации задержек, возникающих в различных низкоскоростных сегментах. Принципы работы инверсного мультиплексора показаны на рис. 16.

Рис. 16

Инверсное мультиплексирование в ВОЛС. При передаче широкополосного сигнала по волокну на очень большие расстояния (до 1000 км и более) приходится считаться с затуханием и дисперсией сигнала в волокне. Затухание можно компенсировать при помощи оптических усилителей (EDFA), установленных на промежуточных узлах.

Дисперсию также можно уменьшать, используя специальные методики, но лишь до определенного предела. Кроме того, ОУ вносят дополнительный шум. Известно, что из двух оптических сигналов меньше подвержен влиянию шума и дисперсии тот сигнал, который модулируется меньшей частотой.

При проектировании и разработке городских оптических супермагистралей на скорости 10/100 Гбит/с (оценка максимального расстояния для канала с частотой 100 ГГц - 20 км приведена в примере раздела 2.5), единственным способом передачи широкополосных сигналов представляется деление его на множество низкоскоростных сигналов (см. рис. 17 инверсное мультиплексирование канала 100 Гбит/с в 40 каналов 2,5 Гбит/с) [8]. В результате мультиплексный сигнал, представленный множеством длин волн, лучше противостоит влиянию дисперсии и вносимому шуму ОУ в протяженной линии. В рассмотренном примере инверсное мультиплексирование совмещено с частотным (временным) мультиплексированием.

Рис. 17.

Рассмотренные выше электронные и волоконно-оптические устройства входят в состав каналов оптической связи и совместно с ОВ обеспечивают параметры систем связи.

2. Волоконно-оптические сети

Технологии волоконно-оптических сетей помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего, приемного и ретрансляционного оборудования, его стандартизации, протоколов передачи данных, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Преимущества передачи, использующей оптическое усиление сигнала и плотное волновое мультиплексирование DWDM, изменили концепции построения оптических сетей. Менее чем за 10 последних лет емкость одного волокна в эксплуатируемых системах возросла с 2,5 до 1600 Гбит/с (т.е. выросла почти в 1000 раз). Такому прогрессу систем связи предшествовали исследования и отработка волоконно-оптических технологий. Анализ развития протяженных линий связи показывает, что в качестве среды передачи информации нет никакой альтернативы волокну. В течение последних лет мы наблюдаем соревнование одной волоконно-оптической технологии с новой, более совершенной волоконно-оптической технологией.

Выделяются следующие технологические этапы в развитии волоконно-оптических телекоммуникационных технологий.

Волокно: градиентное многомодовое волокно MMF стандартное одномодовое волокно SSF - волокно со смещенной дисперсией DSF волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Источник излучения: светодиод лазер Фабри-Перо лазер DBR лазер DFB лазер VCSEL.

Длина волны: 850 нм 1300 нм 1550 нм использование С-диапазона (1530 - 1565 нм) использование С- и L-диапазонов (1530 - 1625 нм).

Число каналов: один канал двух-, трехоконное мультиплексирование (WDM: 850 нм, 1300 нм, 1550 нм) широкозонное волновое мультиплексирование CWDM (4, 8 каналов) плотное волновое мультиплексирование DWDM (16, 32, 40, 96, 192 канала).

Модуляция: формат NRZ формат HZ дуобинарный формат фазомодулированный формат RZ.

Восстановление сигнала: частая электронная регенерация эрбиевые усилители рамановские усилители компенсация хроматической дисперсии компенсация ПМД оптическая 3R-регенерация.

Скорость передачи по одному каналу: 2 Мбит/с 34 Мбит/с 155 Мбит/с 622 Мбит/с 2,5 Гбит/с 10 Гбит/с 40 Гбит/с 160 Гбит/с.

Маршрутизация сигнала: опто-электро-оптическое преобразование оптический мультиплексор ввода/вывода оптическая коммутация полностью оптическая сеть.

После первой волоконно-оптической коммуникационной системы (компания Standard-Telephones and Cables, сентябрь 1975 г.), в том же году несколько компаний заявили о передаче в реальном времени по оптическому MMF волокну в их испытательных сетях телефонного трафика (компании AT&T, General Telephone and Electronics, British Post Office и другие). Наряду с градиентным MMF волокном (G.651) в их состав входили светодиоды на основе арсенида галлия, излучающие на длине волны 850 нм [1]. Поскольку потери в волокне на этой длине волны были более чем существенны (3 дБ/км), такие линии связи строились с большим числом близко расположенных друг к другу регенераторов. Эти оптические магистрали были наземными, а для межконтинентальной связи все еще использовались подводные коаксиальные кабели.

С появлением одномодового волокна - стандартного SSF (G.652), - стало ясно, что значительно перспективней вести передачу на длине волны 1300 нм (ниже потери и дисперсия, большая скорость и больше расстояния).

Коммерческие преимущества новой технологии SSF продемонстрировала компания MCI в 1982 г., когда их система связи (функционирующая на длине волны 1300 нм) передавала данные на 50% быстрее и на расстоянии 30 км, чем система AT&T на MMF (передача на двух длинах волн, 850 и 1300 нм, расстояние 7 км). Другие компании, специализирующиеся на строительстве протяженных линий связи, быстро сделали выбор в пользу новой технологии на основе одномодового волокна. Между тем трансатлантические кабельные операторы продолжали терять рынок - подводные коаксиальные кабельные системы не могли больше противостоять появляющимся системам спутниковой связи - и в поисках ресурсов для увеличения полосы пропускания вынуждены были рассмотреть возможность использовать волокно. Подводные оптические кабели (ОК) начали производить позднее, чем кабели для наземных волоконно-оптических магистралей, что обусловлено сложностью изготовления подводного ОК - нагрузки на кабель и соответственно на волокна при укладке кабеля в грунт значительно меньше. Тем не менее, в 1988 г. консорциум компаний, ведомый AT&T, сдал в эксплуатацию первую трансатлантическую ВОСС ТАТ-8 (состоящую из 3 пар SSF, работающую на длине волны 1300 нм с расстоянием между повторителями 60 км).

Минимальные значение потерь в стандартном одномодовом волокне 0,2 - 0,25 дБ/км достигается на длине волны, близкой к 1550 нм. Минимальная хроматическая дисперсия, в окрестности нуля, достигается на длине волны 1310 нм. Чтобы обеспечить высокую скорость передачи на большие расстояния, необходимо свести к минимуму потери и дисперсию, причем на одной и той же длине волны.

Прямолинейным ответом было создание волокна со смещенной дисперсией (DSF, волокно G.653). Это волокно, имеющее нулевую дисперсию в окрестности длины волны 1550 нм, обещало быть оптимальным для одноканальной передачи. Однако две появившиеся впоследствии технологии (DWDM и EDFA) показали несостоятельность волокна DSF. Четырехволновое смешение, эффект, выражающийся в появлении дополнительных паразитных сигналов на частотах, являющихся комбинацией рабочих частот, которые также усиливаются, проходя через каскады усилителей EDFA. Этот эффект становится заметным при многоволновой передаче.

Одновременно две причины приводят к резкому увеличению нелинейных эффектов в волокне DSF: нулевая дисперсия в рабочем диапазоне длин волн и малое эффективное поперечное сечение. Уменьшение эффективного поперечного сечения связано с тем, что смещение дисперсии достигается за счет увеличения волноводной дисперсии при изменении профиля показателя преломления и уменьшении диаметра сердцевины.

В 1994 г. создается волокно с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF, волокно G.655), в котором длина волны нулевой дисперсии вынесена за пределы зоны усиления EDFA. И это волокно также оказалось не способным удовлетворить растущие потребности. Рост числа каналов, канальной скорости передачи, увеличение протяженности сегментов между усилителями - все эти факторы требуют увеличения мощности излучения, вводимого в волокно. В 1998 г. разрабатываются еще более совершенные волокна NZDSF с увеличенной эффективной площадью поперечного сечения, что снизило плотность световой энергии в волокне, а следовательно ослабило влияние нелинейных эффектов и увеличило дальность и скорость передачи информации.

В 1990 г. созданы первые ОУ на основе волокна, легированного эрбием (EDFA), которые несмотря на позднее рождение первыми проникают на телекоммуникационный рынок и на сегодняшний день доминируют на нем. Известные преимущества ОУ типа EDFA настолько значительны, что позволяют мириться с главным недостатком - дополнительным шумом, вносимым усилителем.

Три основных параметра характеризуют оптический усилитель - коэффициент усиления, мощность насыщения на выходе усилителя и шум-фактор.

Коэффициент усиления G (gain) (и его логарифмический эквивалент g = 10lgG [дБ]) определяется отношением мощности (полезных) сигналов на выходе к мощности сигнала на входе усилителя.

Коэффициент усиления ОУ EDFA зависит от длины волны и мощности входного сигнала.

С практической точки зрения удобно ввести еще один параметр, характеризующий EDFA, Poutsat - мощность насыщения на выходе усилителя. Poutsat определяется как значение мощности сигнала на выходе, при которой коэффициент усиления G в два раза (g на 3 дБ) меньше максимального значения коэффициента усиления Gmax, достигаемого при малом входном сигнале. Эрбиевые усилители, используемые как усилители мощности, обычно работают в режиме насыщения, когда мощность сигнала на выходе близка или превосходит мощность насыщения Poutsat - именно в этом режиме удается получить максимальную выходную мощность и максимальную эффективность накачки.

Качество оптического сигнала характеризуют величиной, которую принято называть оптическим отношением с/ш (OSNR). OSNR равно отношению мощности полезного сигнала к мощности шума в спектральном интервале, определяемом окном фильтра или демультиплексора на приемной стороне. Значение OSNR должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить требуемую для стандарта передачи максимально допустимую частоту появления ошибок ВЕR. По мере распространения сигнала между регенераторами значение OSNR может только убывать. Шум-фактор NF (noise figure) показывает, как сильно возрастает шум в усилителе по cравнению с полезным сигналом, и определяется как отношение сигнал-шум на входе (OSNRin) к отношению сигнал-шум на выходе (OSNRout).

Здесь следует отметить, что шум-фактор усилителя определяется в условиях, когда на вход подается идеальный когерентный сигнал частоты , т.е. сигнал с минимальным теоретическим значением мощности шума, определяемым квантовыми флуктуациями

PNin = h, (1)

где h - постоянная Планка, - ширина спектра оптического фильтра. Меньше этой величины уровень шума быть не может. У такого идеального сигнала отношение с/ш максимально возможное, но не бесконечное, и вычисляется по формуле

OSNRin = Ps in/ h.

При этом мощность шума на выходе будет состоять из мощности усиленного спонтанного излучения PASE (amplified spontaneous emission) и мощности шума, связанной с квантовыми флуктуациями:

PN out = РАSЕ + h. (2)

Мощность усиленного спонтанного излучения РАSЕ определяется соотношением [2]

PASE = 2nsp(G - 1)/ , (3)

где nsp - коэффициент спонтанной эмиссии. Для идеального усилителя nsp = 1 . Коэффициент спонтанной эмиссии зависит от заселенностей уровней эрбия. Если учесть, что PSout/РS in = G, то шум-фактор можно выразить через коэффициент усиления и коэффициент спонтанной эмиссии

NF = [1 + 2nsp(G - 1)]/G.

а мощность усиленного спонтанного излучения будет равна

РАSЕ = (NFG - 1) h. (4)

Часто при описании EDFA значение шум-фактора, как и значение коэффициента усиления, указывается в дБ: nf = 10lgNF. При G >>1 NF= 2nsp. Таким образом, в усилителях с большим усилением минимальное значение шум-фактора (теоретический предел) NF равен 2 (nf = 3 дБ) и достигается при nsp = 1.

Шум-фактор двух последовательных ОУ, характеризующихся соответственно коэффициентами усиления G1 и G2 и шум-факторами NF1, и NF2 определяется по формуле

NF = NF1 + (NF2 – 1)/G1 , (5)

В более общем случае многокаскадного ОУ вклад в результирующий шум-фактор со стороны шум-фактора n-го ОУ уменьшается в число раз, равное произведению коэффициентов усиления всех предыдущих ОУ. Это правило позволяет сформулировать общее требование при создании многокаскадных ОУ: лучший способ получения многокаскадного усилителя с более низким уровнем шума состоит в использовании низкошумящего ОУ с малым шум-фактором и большим усилением в первом каскаде. Именно первый каскад определяет шумовую характеристику многокаскадного ОУ.

В двухкаскадном ОУ первый каскад работает с малым входным сигналом и называется предусилителем. Второй каскад обеспечивает большую выходную мощность и называется ОУ мощности. Применительно к каскаду ОУ EDFA имеют место следующие практические выводы: конструкция предусилителей EDFA должна обеспечивать минимально возможное значение NF1, а конструкция ОУ мощности должна обеспечивать наибольшее значение выходной мощности и эффективности накачки. Наименьшее значение шум-фактора достигается в ОУ, использующих сонаправленную накачку на длине волны 980 нм, и именно их целесообразно использовать в качестве предусилителей [3]. Наибольшую эффективность накачки и выходную мощность можно получить при использовании встречной накачки на длине волны 1480 нм. Такую конструкцию целесообразно использовать в усилителях мощности.

Работа ОУ в протяженной линии связи отличается от работы многокаскадных ОУ. В ВОСС между ОУ расположены участки ОВ, в которых сигнал существенно ослабляется.

Процесс накопления шума в протяженной линии связи удобно продемонстрировать на примере линии, содержащей Namp ОУ с одинаковыми коэффициентами усиления G и коэффициентами спонтанной эмиссии nsp (рис. 18). ОУ разделены сегментами ОВ, каждый из которых вносит затухание 1/G. Таким же сегментом волокна отделен первый ОУ от точки ввода сигнала. Такое рассмотрение хотя и является упрощенным (не учитывает эффект насыщения ОУ), однако дает достаточно правильный результат и позволяет сделать важные практические выводы [4]. Для простоты анализа удобно разделить шум на две компоненты: квантовый шум и классический шум. Классический шум ведет себя аналогично полезному сигналу, т.е. ослабляется в линии и усиливается в ОУ. Кроме того, в каждом ОУ к усиленному классическому шуму от предыдущего каскада добавляется шум усиленного спонтанного излучения. На вход первого сегмента подается «незашумленный» сигнал мощностью Рin (в таком сигнале присутствует только квантовый шум).

Рис. 18

До этого же уровня мощности происходит усиление сигнала на каждом ОУ. Однако на каждом новом ОУ линейно будет накапливаться усиленное спонтанное излучение, и на выходе Namp -го ОУ

РАSЕ Namp = Namp 2nsp (G - 1 ) h, рис. 18.

Для определения полного шума на выходе линии с Namp одинаковыми ОУ следует добавить квантовые флуктуации h. Тогда отношение с/ш на выходе будет равно

OSNRout = Pin/{ h[2Nampnsp(G - 1) + 1]}. (6)

Главная задача в ВОСС - получить на выходе как можно большее значение отношения с/ш (OSNRout). В знаменатель входит произведение Namp(G - 1 ), чем оно меньше, тем лучше. Поскольку сигнал на каждом каскаде усиливается до прежнего значения, то справедливо соотношение

G = ехр(L/[Namp10lg(e)]) = ехр(0,23L/Namp)

или

g = 10lgG = L/Namp ,

где [дБ/км] - удельное затухание в волокне, и L/Namp - длина пролета между усилителями. Произведение Namp(G - 1) стремится к своему минимальному значению, равному L(10lg(e)) 0,23L при Namp, стремящемся к бесконечности (т.к. усиление G - экспоненциальная функция, то множитель (G - 1) очень быстро растет с уменьшением Namp). Таким образом, оптимальной стратегией было бы как можно более частое размещение ОУ и соответствующее уменьшение их коэффициентов усиления. Цена, однако, диктует противоположную стратегию. На практике экономически не выгодно размещать ОУ близко, так как каждый узел, в котором находится ОУ, требует определенной инфраструктуры (источника питания, помещения, защищенности узла). Так характерные расстояния между ОУ составляют 40 - 100 км и более. При типичных для реальных систем передачи информации расстояниях между ОУ коэффициент усиления должен быть большим. В этом случае соотношение (6) упрощается

OSNRout = Pin/[2hNampnspG] = Pin/[2hNampNFG ]. (7)

Если подставить частоту , соответствующую длине волны 1550 нм, a положить равным 12,5 ГГц (это соответствует ширине фильтра 0,1 нм на указанной длине волны), то из (7) можно получить удобную при практических расчетах формулу для отношения с/ш, выраженного в децибелах

osnrout = 58 + рin - g - nf - 10lgNamp, (8)

где pin [дБм] - вводимая в волокно мощность в расчете на канал; g [дБ] - коэффициент усиления; nf [дБ] - шум-фактор.

Хотя расстояния между ОУ в линях связи на практике не одинаковы, соотношение (8) позволяет понять многие принципы построения протяженных линий связи. Во-первых, отметим, что если расстояние между ОУ фиксировано, то на один доступный дБ уменьшения OSNRout протяженность безрегенерационного участка увеличивается на 25%, а на каждые 3 дБ - расстояние удваивается. Действительно, т.к. все члены правой части выражения (8) кроме последнего постоянны, то увеличение отношения с/ш на 3 дБ позволяет удвоить число ОУ. Поскольку расстояние между ОУ постоянно, то удвоение числа ОУ эквивалентно увеличению длины линии вдвое.

Во-вторых, из соотношения (8) также видно, что к увеличению OSNRout ведет увеличение вводимой в волокно мощности на канал Pin или, что эквивалентно, мощности сигнала на канал на выходе ОУ, уменьшение шум-фактора и уменьшение потерь в волокне.

В-третьих, имеет место более слабая логарифмическая зависимость отношения с/ш от числа линейных ОУ (рис.18).

Формулу (8) можно преобразовать, воспользовавшись связью усиления в ОУ с длиной участка между усилителями и количества усилителей с длиной регенерационного участка: g =,

Namp = L/; osnrout = 58 + рin - - nf - 10lg(L/).

Прямой путь увеличения отношения с/ш – увеличение мощности сигнала, однако последнее ограничено влиянием нелинейных эффектов.

Вторая – снижение потерь в ОВ, что доведено сегодня до теоретического предела [4] и составляют для участков в 60, 80, 100 и 120 км величины 15, 20, 25 и 30 дБ. Для скоростей передачи 10 Гбит/с и выше следует вносить дополнительные поправки при расчете OSNRout [6].

Еще одна возможность повышения OSNR – уменьшение шум-фактора. Чтобы увеличения OSNR в конце линии на 1 дБ следует снизить NF каждого ОУ на 1 дБ, однако предельное теоретическое значение NF - 3дБ. Практически эта величина составляет 4 – 6 дБ и их снижение весьма проблематично. При протяженных участках иногда используют двухкаскадное усиление на линейном узле - предусиление и усиление мощности. При этом шум-фактор такого узла определяется формулой (5) и стремятся снизить NF ОУ.

Отметим принципиальное отличие ВОСС с периодически расположенными ОУ, между которыми большие пролеты, от многоэлементного ОУ – устройства, состоящего из нескольких ОУ, в котором каждый последующий ОУ следует непосредственно за предыдущим. Итоговый шум-фактор локального многоэлементного ОУ главным образом определяется шум-фактором первого каскада, в то время как итоговый шум-фактор линии с последовательными ОУ критично зависит от шум-фактора каждого линейного ОУ в отдельности. В последнем случае итоговое улучшение шум-фактора на 1 дБ требует уменьшить шум-фактор каждого ОУ на 1 дБ, что может привести к огромным дополнительным расходам, делающим этот путь практически неприемлемым.

Параметр OSNR характеризует накопление шума в оптическом тракте. В протяженной линии связи наиболее весомый вклад в суммарный шум вносят накопленные шумы ASE и избыточный шум источника оптического излучения

Расчет для конкретней линии связи.

Пусть дана линия связи протяженностью L0 = 1000 км с числом ОУ N0 = 10 и потерями в волокне = 0,2 дБ/км. Требуется определить число таких же усилителей N, которые обеспечили бы прежнее значение OSNR для линии 2000 км.

Решение. Чтобы обеспечить одинаковый уровень OSNR для линий 1000 и 2000 км. С учетом (8) получаем

g + 10lgN = g0 + 10lgN0,

где g0 = L0/N0 =20 дБ, а g = 2L0/N = 400/N, и мы получаем уравнение относительно N:

400/N + 10lgN = 30 дБ ,

решая которое, найдем N= 25. Интервалы между ОУ должны быть уменьшены со 100 км до 80 км.

Q-фактор

Работа цифровых систем связи считается нормальной только в том случае, если коэффициент битовых ошибок BER не превышает определенный допустимый уровень, зависящий от используемого сетевого стандарта. Современные оптические линии связи строятся так, чтобы удовлетворить любому сетевому стандарту. Поэтому при их расчете и строительстве закладывается достаточно жесткое ограничение уровня ошибок (от ВЕR = 10-11 до ВЕR = 10-15).

Обратимся теперь к фотоприемнику. Будучи синхронизованным с приходящим оптическим сигналом, фотоприемник периодически в оптимальные моменты времени проводит обработку принимаемого сигнала - регистрирует интенсивность оптического сигнала и по определенному пороговому значению решает, какой сигнал принят - 0 или 1 (рис.19 - типичный вид глаз-диаграммы при использовании кода RZ при приеме оптического сигнала, а справа - модельная схема гауссовских распределений напряжения после фотоприемника непосредственно перед цепью принятия решения). Качество работы цифровой системы связи можно оценить по глаз-диаграмме.

К снижению качества цифровой передачи приводит много факторов: дисперсия, нелинейные эффекты в волокне, нестабильность таймеров, усиленное спонтанное излучение и др.

Рис. 19

Кумулятивное воздействие этих факторов хорошо описывается всего четырьмя параметрами: уровнями 0, 1 сигналов, соответствующих 0 и 1, и их среднеквадратичными отклонениями 0, 1. Более того, для расчета BER требуется еще меньше информации, а именно, знание только одного параметра - Q-фактора, который определяется следующим выражением

Q = 1 - 0 /(1 + 0). (9)

OSNR - это только один из факторов, влияющих на коэффициент ошибок. Однако в предположении, что главным источником ошибок являются биения между сигналом и усиленным спонтанным излучением (ASE), можно найти допустимый уровень OSNR, который обеспечивает данное значение Q-фактора [5].

OSNR = Q2Be/B0 , (10)

где В0 - исходная спектральная полоса 12,5 ГГц (~0,1 нм), Bе - полоса пропускания электрического фильтра фотоприемника, индекс модуляции m = I0/I1, принят равным нулю (I0, I1 - интенсивности передачи 0 и 1 лазером). Отметим, что соотношение (10) справедливо в тех случаях, когда можно пренебречь джиттером, дисперсионными эффектами и ненулевой интенсивностью передачи символа «0».

С другой стороны можно аналитически выразить BER как функцию Q с использованием функции ошибок.

BER(Q) = 0,5 erfc(Q/) exp(-0,5Q2)/(Q). (11)

Если задано требуемое значение BER, то пользуясь выражением (11) можно найти требуемое значение Q-фактора. Так для значения BER = 1,0-11 требуется обеспечить значение Q = 16,53.

Часто в качестве значения Q-фактора приводят его логарифмический эквивалент q = 20lgQ [дБ], табл. 1. Следует обратить внимание, что множитель 20 (а не 10) выбран потому, что в (10) OSNR квадратично зависит от Q. Таким образом обеспечивается соответствие с моделью линейного накопления шума, и из (8) и (10) следует, что приросты в децибелах для OSNR и Q-фактора будут одинаковыми.

Прямая коррекция ошибок

Длина межрегенерационного участка может достигать нескольких тысяч км, а число линейных ОУ на таком участке пары десятков и более. Это не может не сказываться негативно на отношении с/ш. В общем случае к уменьшению OSNRout и соответственно к увеличению BER ведет накопление дисперсии в ОВ между регенераторами, накопление искажений сигналов за счет нелинейных эффектов в ОВ, накопление шумов в EDFA, неидеальная работа лазеров и фотоприемников. Все это ограничивает протяженность линии связи между регенераторами, скорость передачи на канал, число каналов и расстояния между соседними усилителями.

Таблица 1

Q – фактор, g [дБ]	BER
6,0	2,7310 - 2
7,0	1,4510 – 2
8,0	6,7710 – 3
10,0	2,6710 – 3
11,0	8,5010 – 4
12,0	2,0810 – 4
13,0	3,6310 – 5
13,0	4,1510 – 6
14,0	2,8010 – 7
15,0	9,6410 – 9
16,0	1,4310 – 10
17,0	7,3810 – 13
18,0	1,0010 – 15

Прямая или упреждающая коррекция ошибок FEC резко повышает качество работы линии связи и, в частности, позволяет сохранить на прежнем уровне значение BER при более низком отношении SNR, т.е. при большей протяженности межрегенерационного участка. Прямая коррекция ошибок функционально организована следующим образом, рис. 20:

- Кодер FEC, находящийся в оптическом терминальном узле, принимает информационный битовый поток, добавляет в него рассчитанные избыточные символы и выдает кодированный битовый поток на большей скорости.

- Декодер FEC принимает на другом терминальном узле битовый поток, выполняет коррекцию ошибочно принятых битов, устраняет избыточные биты и передает битовый поток дальше. Коррекция ошибок обеспечивает нормальную работы системы в условиях более низкого значения OSNRout, что, в свою очередь, позволяет увеличить число ОУ и общую протяженность межрегенерационного участка. Устройство коррекции ошибок обычно является неотъемлемой частью современной ВОСС. При этом существуют разнообразные методы реализации кодеков FEC. Так, при использовании сетевых стандартов Fast Ethernet, Gigabit Ethernet в оптических интерфейсах заложено увеличение битовой скорости на 25%, а соответствующие схемы кодирования получили название 4В/5В и 8В/10В. Стандарт 10 Gigabit Ethernet предусматривает два типа кодирования: 64В/66В (избыточность 3%) для передачи по одномодовому ОВ и 8В/10В (25%) для передачи по многомодовому ОВ.

Рис. 20

Следует добавить, что в технологии Ethernet (10/100/1000/...) предусмотрена и вторая коррекция ошибок. Так, кадр стандарта IEEE 802.3 содержит специальное поле «контроль последовательности кадра» CRC, под которое отводится 4 байта. При учете допустимого изменение длины кадра в пределах от 64 до 1518 байт (преамбула исключена, так как при вычислении контрольной суммы, заносимой в поле CRC, преамбула не учитывается) дополнительная избыточность за счет поля CRC составляет 0,26 - 6,67%. В технологии SDH функцию коррекции ошибок несут однобайтовые поля В1 (мониторинг качества) и В2 (четности) SDH-фрейма.

В линиях дальней связи наиболее широкое распространение получил так называемый «out of band» FEC ITU G.975 стандарт (1999), который основан на коде Рида-Соломона RS(255, 239). FEC увеличивает битовую скорость с 9,95 до 10,66 Гбит/с и позволяет уменьшить BER от 10-5 до 10-15, соответствующий выигрыш по SNR составляет 6 дБ. FEC, основанный на коде RS(255,239). Этот код был первым одобрен для использования в коммерческих подводных системах. В настоящее время поставляются кодеки G.975 FEC, выполненные в виде одной микросхемы, для наземного оборудования дальней связи.

Конечно, использование FEC приводит к увеличению общей стоимости ВОСС, но экономически оправдано использование коррекции ошибок в системах дальней связи, т.к. позволяет уменьшить количество усилителей и регенераторов. Так, нет надобности вводить дополнительный FEC и в городские DWDM-системы в силу малых расстояний между регенераторами. Также не требуется дополнительный FEC при передаче низкоскоростных потоков STM-1/4/16, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet.

Коды Рида-Соломона

При огромном разнообразии кодеков FEC при строительстве протяженных линий связи с множеством линейных оптических усилителей широкое распространение получили кодеки на основе блочных кодов Рида-Соломона (Reed-Solomon) RS(n,k) с s-битовыми символами, и в частности кодов RS(255, 251), RS(255, 239), RS(255, 223) с однобайтовыми (s = 8) символами. Это означает, что кодер FEC принимает последовательно каждые к символов данных длиной s бит каждый и добавляет к ним n - k символов, рассчитанные по принятым k-s битам, дополняя фрагмент до кодового слова. Это кодовое слово длиной n, состоящее из неизмененной части данных длиной k и рассчитанной добавки длиной n-k предается в линию. Декодер из полученного кодового слова, в котором могли появиться ошибки, может исправить до t символов, где t = 0,5(n - k). При этом исправление символа не зависит от числа ошибочных битов внутри него. Избыточность кода называется отношение (n - k)/k. При использовании кодеков требуется определенная процессорная мощность на кодирование и декодирование потока данных. Причем наибольшие ресурсы требуются на этапе декодирования. В табл. 2 приводятся типовые данные неаппаратного декодирования при использовании процессора Pentium P-IV, 2 ГГц. Предполагается, что чем больше избыточность, тем больший процент ошибочных символом можно откорректировать. При больших скоростях передачи необходимо использовать аппаратные кодеки. Отметим основные достоинства кодов Рида-Соломона.

Таблица 2

Код	Избыточность	Поток данных
RS(255,251)	1,6 %	144,0 Мбит/с
RS(255,239)	6,7 %	32,4 Мбит/с
RS(255,223)	14,3 %	13,2 Мбит/с

- Обеспечивается значительная корректирующая емкость - алгоритм RS(n,k) способен корректировать до 0,5(n - k) ошибочно переданных байт-символов в одном кодовом слове длиной n байт.

- Конструктивная простота как кодера, так и декодера FEC.

- Структура кодирования совместима с бинарной передачей.

- Значительная корректирующая емкость при появлении «взрывных» или непрерывных ошибок. Это свойство, присущее самому коду RS(n,k), можно дополнительно усилить путем использования чередования нескольких комплектов кодеков на один канал. Длина непрерывного участка ошибок, которые могут быть полностью откорректированы, возрастает пропорционально числу чередующихся кодеков. В настоящее время коды Рида-Соломона остаются непревзойденными по простоте и эффективности и находятся на переднем рубеже научных достижений.

Эффективность FEC принято измерять по выигрышу OSNR, т.е. насколько данный метод коррекции ошибок позволяет уменьшить OSNR на приемной стороне при сохранении значения BER на прежнем уровне. Так BER на выходе Q 10-11 требует Q-фактора 16,5 дБ, табл. 1.

Рассмотрим, что реально дает чистый выигрыш при использовании FEC, например, q = 3 дБ. Это означает, что соответствующее значение OSNR также можно уменьшить на 3 дБ (уменьшить в два раза) при сохранении прежнего уровня BER. Из соотношения (8) следует, что уменьшения на 3 дБ можно достичь, например, двукратным увеличением числа ОУ, не меняя другие параметры. То есть можно увеличить в два раза протяженность линии, сохраняя все прежние остальные параметры - вводимую в волокно мощность, коэффициент усиления и шум-фактор ОУ и расстояния между соседними ОУ. Выигрыш 7,2 дБ позволяет более чем в пять раз увеличить протяженность линии связи!

Таким образом применение эрбиевых ОУ открыло новую эру ВОСС. Стала возможной безрегенерационная передача на расстояния до 1000 км и более. В настоящее время можно утверждать, что решения на основе EDFA проверены практикой, надежны, сравнительно недороги, достаточно эффективны и не имеют лучших альтернатив при строительстве протяженных ВОЛС с расстоянием между усилителями 60 - 120 км.

3. Сети с коммутацией каналов и пакетов

Передача данных между двумя удаленными оконечными сетевыми устройствами обычно осуществляется через промежуточные сетевые узлы - узлы коммутации. В качестве оконечного устройства могут выступать рабочая станция, хост-компьютер, терминал, телефон или другое коммуникационное устройство. Соответственно, разные функции могут иметь связанные между собой физическими каналами узлы коммутации. Совокупность оконечных устройств и узлов коммутации образуют сеть передачи данных, рис. 21, а.

Спект различных технологий коммутации для передачи данных по сети приведен на рис. 21, б.

Два крайних случая представляют две основные традиционные технологии коммутации: коммутация каналов и коммутация пакетов [9, 10].

Рис. 21

Соединение с коммутацией каналов состоит в том, что на время передачи в сети создается канал, обеспечивающий определенную, фиксированную скорость передачи данных в системе прием - передача (пример - телефонные сети, традиционные аналоговые и цифровые сети ISDN). Особенностью этих сетей - длительное время установления соединения (в аналоговых сетях до нескольких секунд и более).

Особенностью работы сетевых устройств локальной сети является их очень быстрое взаимодействие с сетью (десятки миллисекунд и меньше). Технологии передачи данных, характерные для локальных сетей, преимущественно используют контролируемую со стороны рабочих станцией пакетную коммутацию.

Коммутация каналов

При использовании коммутации каналов подразумевается наличие выделенного коммуникационного канала между взаимодействующими устройствами. Этот путь образуется последовательностью определенных узлов сети.

Связь посредством коммутации каналов включает три фазы, объяснение которых проведем с использованием рис. 21 а.

1. Установление канала. Для простоты будем рассматривать передачу данных в одном направлении. Пусть устройство А хочет передавать данные на устройство Е. Прежде чем данные начнут передаваться, должен установиться канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов. Например, станция А посылает запрос узлу 4 с требованием установить соединение со станцией Е. Поскольку сегмент А-4 - выделенная линия, то часть канала уже существует, Узел 4 должен определить, следующий узел в маршруте, ведущий к узлу 6. Основываясь на информации о маршрутах и анализируя стоимости каналов, узел 4 выбирает канал, например к узлу 5, выделяя в этом канале (используя мультиплексирование TDM или FDM) соответствующую полосу. После этого выделенный канал установлен от устройства А через узел 4 до узла 5. Поскольку несколько станций может быть подключено к узлу 4, он должен быть способен устанавливать внутренние пути от множества станций к множеству узлов. Теперь узел 5 по аналогии с узлом 4 устанавливает канал к узлу 6 и внутренне привязывает этот канал к каналу, идущему от узла Далее узел 6 завершает соединение с устройством Е. По завершении соединения проводится тестирование, определяющее, свободно ли устройство Е, готово ли оно принимать данные.

2. Передача данных. Если устройство Е свободно, данные могут передаваться через сеть. Данные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с хостом) или аналоговыми (например, передача голоса). Сигнализация и передача могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. В любом случае, путь образуется через: сегмент А-4, внутреннюю коммутацию на узле 4, сегмент 4-5, внутреннюю коммутацию на узле 5, сегмент 5-6, внутреннюю коммутацию на узле 6 и сегмент 6-Е. В общем, происходит установление и обратного канала, так что соединение является полнодуплексным, и данные могут передаваться в обоих направлениях.

3. Отсоединение канала. После определенного времени передачи данных соединение терминируется, обычно после соответствующей команды от одной из станций. Сигналы разъединения должны пройти по узлам 4, 5, 6 чтобы высвободить ресурсы в сеть.

Подчеркнем, что путь соединения устанавливается до начала передачи данных. Таким образом, соответствующая емкость, требуемая для данного канала передачи, должна быть в наличие и резервируется между парами узлов на всем пути еще на этапе установления канала. Для этого каждый узел должен иметь внутреннюю коммутационную емкость, чтобы обеспечить соединение.

Коммутация каналов может быть довольно неэффективной, поскольку емкость установившегося канала выделяется на время соединений оконечных устройств и не доступна под другие приложения, даже если данные не передаются. Для телефонных сетей эффективность голосового канала далека от 100%. Еще хуже обстоит дело при подключении удаленного терминала к хосту, когда данные могут вовсе не идти в течение долгого времени, и канал будет простаивать. С точки зрения производительности, задержка вносится на этапе установления соединения. Однако, если соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам, и данные идут с минимальными задержками.

Коммутация пакетов

Протяженные ВОСС с коммутацией каналов при разработке оптимизировались для достижения наилучших характеристик при передаче голоса, и подавляющая доля потока данных в этих сетях связывалась именно с голосовой передачей. Ключевая характеристика таких сетей в том, что ресурсы внутри сети выделяются под определенные телефонные вызовы. Для голосового соединения это не плохо, поскольку один из абонентов обычно говорит, и канал не простаивает. Можно сказать, что дуплексный канал при телефонной связи используется на 50%. Полоса пропускания для канала также оптимизирована и установлена как раз такой, чтобы можно было обеспечить приемлемое качество передачи речи. Однако при использовании таких телекоммуникационных сетей для передачи данных между компьютерами, появляются два очевидных недостатка.

1. При типовом соединении (например, терминал-хост) значительную часть времени канал связи может быть свободен. Но телекоммуникационная сеть выделяет вполне определенную полосу пропускания под этот канал и не может использовать его для другого приложения. Таким образом, подход с коммутацией каналов не эффективен.

2. В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает передачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети при подключении разнообразных хостов и терминалов.

Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки. Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакетами (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета в зависимости от стандарта может быть от тысячи до нескольких тысяч байт.

Если устройство - источник передачи желает передать данные размером больше максимальной длины пакета, то данные разделяются на несколько пакетов, рис. 22.

Рис. 22

Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные поля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как минимум, включает информацию, необходимую узлу, сети для перенаправления (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация пакетов на узле.

На рис. 23 показаны основные операции. Рабочая станция или другое сетевое устройство посылает сообщение (например, файл данных) в виде последовательности пакетов (а). Каждый пакет наряду с данными содержит управляющую и/или контрольную информацию, в частности, адрес станции назначения, или идентификатор маршрута. Пакет первоначально посылается на узел, к которому подключена передающая станция. Узел, получая пакет, определяет по контрольной информации направление маршрута и на основание этого перенаправляет пакет в выходной порт соответствующего канала. Если связь между узлами по этому каналу исправна, пакет передается на соседний узел. Все пакеты последовательно "отрабатывают" свои пути, двигаясь через сеть к нужной станции назначения. Коммутация пакетов имеет несколько преимуществ над коммутацией каналов.

1. Эффективность, использования линии при пакетной коммутации выше, поскольку один сегмент от узла к узлу может динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами oт разных приложений. Если на передающем узле пакетов, предназначенных для отправки по определенному каналу, собирается больше, чем емкость этого канала, то пакеты помещаются в буфер, и устанавливается очередность передачи пакетов. Напротив, в сетях с коммутацией канала время, предназначенное для каждого приложения, выделяется в виде определенного тайм-слота на основе синхронного временного мультиплексирования. Максимальная скорость передачи определяется полосой этого тайм-слота, а не всей полосой канала.

2. Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразование скорости передачи данных. Так способны обмениваться между собою пакетами станции, подключенные к соответствующим узлам сети каналами разной полосы пропускания.

3. Когда поток через сеть с коммутацией каналов возрастает, сеть может оказаться перегруженной, и в установлении каналов связи между новыми станциями может быть отказано. При перегруженности телефонной сети попытка дозвона может быть блокирована. В сетях с пакетной коммутацией при большой загруженности передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с доставкой пакетов, или может уменьшаться скорость передачи.

В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Если узел хочет передать несколько пакетов, то он может, в первую очередь, передать пакеты, имеющие наивысший приоритет. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с меньшей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом.

Пусть одна станция хочет послать сообщение другой в виде файла, размер которого превосходит максимальный размер пакета. Станция распределяет содержимое файла между несколькими пакетами и последовательно направляет пакеты в сеть. И здесь возникает вопрос, каким образом сеть должна обрабатывать эту последовательность пакетов, чтобы доставить их нужному адресату. В современных сетях с коммутацией пакетов используются два различных подхода, получившие название: дейтаграммные сети и сети с виртуальными каналами.

В дейтаграммной сети каждый пакет передается без ссылки на пакеты, которые идут до или после него, рис. 23.

Каждый узел на основании контрольной информации заголовка пакета и собственных данных об окружающих узлах сети выбирает следующий узел, на который перенаправляется пакет. Пакеты с одним и тем же адресом назначения могут следовать от станции отправителя к станции назначения разными маршрутами. Конечный узел маршрута восстанавливает правильную последовательность пакетов и уже в этой последовательности передает их станции назначения. В некоторых дейтаграммных сетях может отсутствовать функция упорядочения пакетов на выходном узле - тогда эту функцию берет на себя станция назначения. Пакет может повредиться при передаче по сети.

Рис. 23

Например, если один из узлов в сети вышел из строя, то все пакеты, находящиеся на этом узле в очереди на передачу, будут потеряны. Опять же, функцию обнаружения потерянных пакетов может брать на себя как конечный узел маршрута, так и станция-получатель. В такой сети каждый пакет передается независимо от остальных и называется дейтаграммой.

В сети с виртуальными каналами перед тем, как пакеты начинают идти, создается определенный маршрут следования. Этот маршрут служит для поддержки логического соединения между удаленными станциями. Если маршрут установлен, то все пакеты между взаимодействующими станциями будут идти строго по этому маршруту, рис. 2 Поскольку на время логического соединения маршрут строго фиксирован, то такое логическое соединение в некоторой степени аналогично образованию канала в сетях с коммутацией каналов и называется виртуальным каналом. Каждый пакет теперь содержит идентификатор виртуального канала наряду с полем данных. Все узлы по маршруту знают, куда направлять такие пакеты- никакого решения по маршрутизации теперь эти узлы не принимают.

Рис. 24

В любое время каждая станция может установить один или несколько виртуальных каналов с другой станцией или станциями. Заметим, что виртуальный канал не является выделенным каналом, что было характерно для сетей с коммутацией, каналов. Пакеты, двигаясь по виртуальному каналу, могут в случае перегруженности узла или сегмента помещаться в входные и выходные буферы на узлах. Главное различие с дейтаграммным подходом и классической маршрутизацией состоит в том, что в сетях с виртуальными каналами узел не принимает решения о выборе маршрута для каждого входящего пакета, а делает это (вернее, получает инструкции куда перенаправлять пакеты с соответствующими идентификаторами маршрута) только один раз - на этапе формирования виртуального канала.

Преимущества сети с виртуальными каналами. Если две станции желают обмениваться данными на протяжении длительного времени, то подход с использованием виртуальных каналов имеет определенные преимущества. Первое, сеть может поддерживать ряд служб, связанных с виртуальными каналами, включая порядок следования, контроль ошибок и контроль потока. Правильный порядок следования легко поддерживается, поскольку все пакеты двигаются одним и тем же маршрутом и прибывают в первоначально установленной последовательности. Служба контроля ошибок гарантирует не только то, что пакеты прибывают в нужной последовательности, но и то, что все пакеты на приемной стороне корректны. Например, если один из пакетов в последовательности, двигаясь от узла 4 к узлу 6 (рис. 5.14) потерялся или пришел на узел 6 с ошибкой, то узел 6 может послать запрос на узел 4 с просьбой повторить соответствующий пакет последовательности. Служба контроля потока гарантирует, что отправитель не может "завалить" получателя данными. Например, если станция Е буферизует данные от станции А и видит, что приемный буфер близок к переполнению, то она может просигнализировать через обратный виртуальный канал о необходимости уменьшить или временно прекратить передачу данных от станции А. Второе преимущество этой сети состоит в том, что пакеты передаются через узел быстрее, когда узел не принимает решения о маршрутизации пакета.

Преимущества дейтаграммной сети. Первое - при передаче пакетов в дейтаграммной сети отсутствует фаза установления логического виртуального канала. Второе - дейтаграммная служба более примитивна и допускает большую гибкость. Например, если один из узлов в сети с использованием виртуальных каналов становится перегруженным, то "открытые" виртуальные каналы, проходящие через этот узел, невозможно перестроить. В дейтаграммной сети при перегрузке одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного узла. Третье - доставка самой дейтаграммы более надежна. При использовании виртуальных каналов, если узел повреждается, все проходящие через него виртуальные каналы также разрушаются.

Коммутация каналов на разных скоростях и сети ISDN

Один из недостатков сетей с коммутацией каналов - это отсутствие гибкости в отношении предоставляемой полосы пропускания.

Если станция подключена к традиционной телекоммуникационной сети с коммутацией каналов, она вынуждена работать на определенной скорости передачи данных. Это скорость (или полоса пропускания) будет предоставлена станции независимо от вида приложения. В результате приложение с низкой скоростью будет не эффективно использовать предоставленный канал, а приложение, которому требуется высокая скорость передачи данных, наоборот, будет ограничено в выделенной емкости канала.

Для достижения гибкости используется расширенная служба предоставления канала, известная как коммутация каналов на разных скоростях. Эта техника объединяет коммутацию каналов с мультиплексированием. Станция подключается к сети при помощи единственного канала связи. По этому каналу могут передаваться данные на разных предварительно установленных скоростях с определенной дискретизацией. Поток по каждому каналу может коммутироваться независимо через сеть в различных направлениях.

Для этой техники можно построить схему, при которой все возможные каналы работают на одной и той же фиксированной скорости, или схему, которая использует различные скорости передачи данных. Примером служит сеть ISDN (Integrated Services Digital Network – Цифровая сеть с интегрированным обслуживанием).

ISDN обеспечивает коммутируемую систему связи с комплексом услуг по передаче как данных, так и голоса. Определены два интерфейса доступа к ISDN: интерфейс базового доступа (BRI – Basic Rate Interfase) и интерфейс основного доступа (PRI – Primary Rate Interfase). BRI (144 Кбит/с) обеспечивает два речевых канала типа В со скоростью передачи 64 Кбит/с и один сигнальный канал типа D со скоростью передачи 16 Кбит/с (2B + D). PRI позволяет работать с каналами Т1 (1,544 Мбит/с) и Е1 (2,048 Мбит/с) которые разделены на 23 и 30 каналов типа В соответственно, и, кроме этого, имеют один сигнальный D-канал полосой 64 Кбит/с (23B + D или 30B + D). Выделенная линия может использовать как отдельный В-канал, так и их комбинацию для достижения большей полосы пропускания. Как установление, так и разъединение связи между абонентами осуществляется цифровым образом через сигнальный канал D и происходит почти мгновенно.

Почему пользователи (абоненты) могут предпочесть ISDN альтернативным решениям: модемам, выделенным линиям и другим службам глобальных сетей?

Во первых, если сравнивать с работой модемов на аналоговых линиях, то ISDN дает с учетом компрессии передаваемых данных выигрыш от 8 до 26 раз в пропускной способности. Во вторых, цифровая коммутация с технологической точки зрения более надежна, чем аналоговая. Цифровая коммутация также позволяет защищать данные, используя разнообразные алгоритмы шифрования. При значительно большей гибкости по сравнению с простой аналоговой коммутацией каналов в технологии ISDN сохраняется фундаментальное ограничение. Хотя пользователь имеет возможность выбора скорости передачи, сам набор скоростей остается вполне определенный, что не позволяет в конечном итоге эффективно использовать ресурсы сети.

Цифровые сети ISDN широко распространены сегодня, как альтернатива традиционным аналоговым абонентским сетям. Лидерами в распространении сервиса ISDN являются США, Япония и ряд европейских стран - Франция, Германия, Бельгия, Дания, Португалия, Великобритания.

Протокол X.25

Низкое качество каналов связи, которые были три десятилетия назад, сильная их подверженность воздействию помех и, как следствие, низкая достоверность передачи данных стали причиной разработки помехоустойчивых процедур передачи информации. Одним из наиболее широко распространенных и популярных протоколов, позволяющих решать проблемы плохих телефонных каналов связи, становится протокол Х.25. Этот протокол задумывается как эффективное средство удаленного доступа к хост-машинам. На основе коммутаторов Х.25 несколько пользователей одновременно могут общаться с одним хостом, причем каждый пользователь загружает канал связи с хост-машиной только на время передачи информации, при этом оставаясь на связи и в другие моменты времени. Поддержка связи обеспечивается благодаря установлению логического соединения или виртуального канала.

Протокол передачи данных с коммутаций пакетов Х.25 разработан комитетом МККТТ (сегодня ITU-T) именно для работы по линиям связи с большим уровнем помех, каковыми, например, являются аналоговые телефонные линии. Для обеспечения требуемой достоверности передачи информации используется многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок.

Каждый узел коммутации сети Х.25 на пути движения пакета проверяет целостность пакета, читает контрольную сумму, содержащуюся в его заголовке и вычисленную при передаче, находит ее значение для полученного пакета и сравнивает эти два значения. При небольшом количестве ошибок узел способен восстановить пакет и передать его дальше по пути следования. При этом узел посылает подтверждение предыдущему узлу о корректном приеме пакета. Если же восстановить пакет невозможно, делается запрос на его повторную передачу. По аналогичной схеме работают все сетевые узлы - коммутаторы Х.25.

Высокий уровень помех на линии приводит к падению скорости передачи, и по этой причине многие сети с пакетной коммутацией работают со скоростью передачи до 64 Кбит/с. Кроме того, скорость передачи информации (не следует ее путать со скоростью передачи данных непосредственно в физическом канале) не остается постоянной, а зависит от уровня помех и вызванных ими ошибок. Другими словами, время доставки одного пакета, обусловленное только качеством канала, не является постоянной величиной.

Ретрансляция кадров Frame Relay

Методы пакетной коммутации были разработаны в то время, когда в протяженных цифровых сетях при передаче данных появлялось большое количество ошибок. Как следствие, пакеты были перенасыщены заголовками и содержали большую избыточную информацию, позволяющую восстанавливать ошибки в пакетах. Восстановление пакетов и ликвидация ошибок входило в функции не только конечных станций, но и всех узлов сети, например, использование протокола Х.25.

В современных скоростных телекоммуникационных сетях, применяющих ВОЛС для передачи данных, уровень ошибок резко снизился и большая избыточность кодировки поля пакета становится ненужной (отнимает сетевые ресурсы).

Протокол Frame Relay разработан для использования на линиях связи с низким уровнем помех, поэтому в протоколе Frame Relay нет той избыточности, которая была характерна для Х.25. В Frame Relay устранена система контроля ошибок всего кадра. Вместо этого сетевой коммутатор проверяет целостность полученного кадра и только для адресного поля осуществляет контроль ошибок. Если хотя бы один из этих тестов не проходит, коммутатором посылается запрос на повторную передачу кадра.

Если первоначальные сети с коммутацией каналов предоставляли конечному пользователю скорость около 64 Кбит/с, то сети Frame Relay позволили подключаться пользователям в глобальную телекоммуникационную сеть со скоростью 2 Мбит/с. Главным достоинством, технологии Frame Relay стала низкая избыточность информации в пакете, увеличивающая производительность передачи данных в сети.

Первоначально предназначенные для объединения ВОЛС Frame Relay сегодня охватывают широкий диапазон потоков данных, включая SNA, X.25 и ряд других. В то же время, Frame Relay получил ограниченное применение в территориальных сетях. Одна из причин кроется в том, что в стандарте заложена возможность передачи протяженных кадров, причем разной длины (передаваемые кадры могут иметь переменную длину до 1500 бит). Другая причина в том, что битовая скорость для потока данных от конкретного передающего устройства может быть непостоянной от узла к узлу в сети Frame Relay из-за статистического мультиплексирования пакетов разной длины. Таким образом, возможны задержки в следовании пакетов и вариации этих задержек. Хотя эти свойства весьма удобны для передачи данных (сообщений, команд, файлов и так далее), они плохо согласуются с передачей голоса и видеоизображения. Последние требуют передачи регулярных потоков, скорость же передачи информации от узла к узлу в сети Frame Relay не постоянна, и поэтому при передаче голоса или видеоизображения их качество может ухудшаться при большой загруженности сети.

Интерфейс Frame Relay, безусловно, останется пользовательским интерфейсом, но при подключении к глобальной сети он, очевидно, будет преобразовываться в более универсальный протокол ATM.

Ретрансляция ячеек Cell Relay

Ретрансляция ячеек, более известная как ATM (Asynchronous Transfer Mode – режим асинхронной передачи), представляет собой последнее достижение в области пакетной коммутации и коммутации каналов на протяжение последних 25 лет и является эволюцией технологии ретрансляции кадров. Главным отличием между ними является то, что Frame Relay использует пакеты переменной длины, a Cell Relay использует пакеты фиксированной длины, которые называются ячейками, и предоставляют ограниченный до минимума заголовок для выполнения контроля. Используя фиксированную длину пакетов в ячейке ATM, удалось еще сильнее сократить заголовок по сравнению с заголовком пакета. Если Frame Relay обычно предоставляет скорость канала подключения для конечного пользователя к сети до 2 Мбит/с, то ATM позволяет подключать конечных пользователей на скорости от десятков до сотен Мбит/с.

4.Эталонная модель OSI

Сетевая ВОСС конструируется по слоям или уровням, где каждый уровень выполняет определенный набор функций. Объединением уровней формируется сетевая архитектура, которая выделяет функции связи по определенным логическим группам - уровням, что в значительной степени упрощает стандартизацию. Особенностью открытой сетевой архитектуры является то, что правила взаимодействия уровней не представляют закрытую информацию или собственность какой-либо организации, а открыты для всеобщего изучения и использования.

Каждый уровень имеет свои определенные правила и процедуры, которые называются протоколами. Протоколы регулируют активность в пределах уровня и характер взаимодействия между уровнями. При этом допускается взаимодействие как между соседними уровнями по вертикали в пределах одного сетевого устройства, так и между однотипными уровнями разных сетевых устройств. В результате этого происходит передача и преобразование данных между уровнями в пределах одного сетевого устройства и между различными сетевыми устройствами. Уровни независимы друг от друга и изменение одного из них (или его внутренних протоколов) не влечет изменения протоколов в соседних уровнях, а разделение на уровни позволяет не только упростить конструирование сети и структурировать ее функции, но и расширить набор приложений, ориентированных на пользователей сети и обеспечить наращивание сети в процессе ее развития.

Наибольшее использование сегодня получила открытая сетевая архитектура, использующая в своей основе эталонную модель взаимодействия открытых систем или ЭМВОС (Open Systems Interconnection/Reference Model), или кратко модель OSI (ВОС).

Эта семиуровневая модель (разработанная совместно ISO и CCITT в 1977 г. - современное название ITU-T) на сегодняшний день составляет основу для развития международных стандартов в области компьютерных коммуникаций, табл. 4 [12], где уровни с меньшим номером принято называть низкими уровнями, а уровни с большим номером - высокими.

Таблица 4

Уровень (layer)

Назначение

1 Физический

(Physical)

2 Канальный

(Data Link)

3 Сетевой

(Network)

4 Транспорт

ный

(Transport)

5 Сессионный

(Session)

6 Представи-

тельный

(Presentation)

7 Прикладной

(Application)

Ответственен за физические, электрические характеристики линии связи между узлами (коаксиальные кабели; витые пары; волоконно-оптические кабели; разъемы, например RJ-45, AUI, DB-9, MIC, ST, SG; повторители; тран-сиверы, и т.д.).

Обеспечивает надежную передачу данных по физическим линиям связи. На этом уровне (звена данных) происходит исправление ошибок передачи, кодирование и декодирование отправляемых или принимаемых битовых последовательностей. Этот уровень подразделяется на подуровень Medium Access Control (MAC) - Управление доступом к среде и на подуровень Logical Link Control (LLC) - Управление логическим каналом. Уровень MAC -определяет характер доступа к среде - детерминированный доступ с передачей маркера (Arcnet, Token Ring, FDDI, 100VG AnyLAN) или множественный доступ с распознаванием коллизий (Ethernet - IEEE 802.3). Уровень LLC -верхний подуровень - посылает и получает сообщения с полезными данными.

Обеспечивает для верхних уровней независимость от стандарта передачи) данных (прозрачность), оперирует с такими протоколами, как IPX, TCP/IP и др., а также отвечает за адресацию и доставку сообщений.

Управляет упорядочиванием компонентов сообщений и регулирует входящий поток, если на обработку приходит два или более пакетов одновременно. Дублированные пакеты распознаются этим уровнем и лишние дубликаты фильтруются.

Открывает соединение (сессию или сеанс), поддерживает диалог, т.е. управляет отправкой сообщений туда и обратно, и закрывает сессии. Этот уровень позволяет прикладным программам, работающим на разных сетевых устройствах, координировать свое взаимодействие в рамках отдельных сессий (сеансов).

Осуществляет преобразования данных из внутреннего числового формата, присущего данному сетевому устройству, в стандартный коммуникационный формат. Примеры: кодирование, сжатие, переформатирование текста.

Предоставляет программисту интерфейс к модели OSI. Примеры: сервер транзакций, протокол FTP, сетевое администрирование.

Стандарты IEEE 802

Сетевые протоколы и стандарты двух нижних уровней модели OSI (физический и канальный) были разработаны комитетом IEEE 8802 (Insnitute of Electrical and Electronic Engineers). Сегодня получило распространение несколько различных вариантов построения этих уровней, причем у канального уровня только его нижний подуровень - MAC (Media Access Control - Управление доступом к среде) - был выделен и объединен с физическим уровнем для организации сетевого стандарта. Таким образом, протоколы подуровня LLC (Logical Linc Control – Управление логическим звеном - канального уровня) и более высоких уровней 3, 4 и т.д. остались независимыми от сетевых стандартов.

На рис. 25 приведены основные сетевые стандарты IEEE 802. Следует отметить, что стандарт FDDI (Fiber Distributed Date Interfase), несмотря на то, что был разработан другой организацией, также включен в эту группу сетевых стандартов, так как он выполнен в полном соответствии с эталонной моделью OSI/IEEE 802.

Рис. 25

Основными причинами разработки ряда сетевых стандартов являются: обеспечение на сетевом рынке доступных интерфейсов (цена которых значительно ниже стоимости настольного ПК), удовлетворение потребности в скоростной передаче данных, свойственной современным приложениям (например, клиент-сервер) и необходимой при организации сетевых магистралей.

Литература

1. Карташевский В. Г., Семенов С. Н., Фирстова Т. В. Сети подвижной связи.-М.:Эко-Трендз,2011,300с.

2. Веселовский К. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск. И. Д.Рудинского; под ред. А. И.Ледовского.–М.: Горячая линия - Телеком, 2015

3. Бабков В. Ю., Вознюк М. А., Михайлов П. А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование./ СПбГУТ. СПб., 2014.

4. Громаков Ю. А.Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.:Эко-Трендз,2007,238c.

Состояние вопроса и общие принципы построения оптических