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