Проектирование транспортной сети SDH

[Введите текст]

ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электрическая связь»

Курсовой проект на тему:

Проектирование транспортной сети SDH

Санкт-Петербург 2012 г.

Синхронный мультиплексор, обобщенная структурная схема мультиплексора ввода/вывода (ADM)

Рис. 1

На рисунке представлена обобщенная структурная схема мультиплексора ввода/вывода цифровых потоков (ADM). Контроллер осуществляет контроль и управление всеми модулями мультиплексора, а также сбор и индикацию аварийных сигналов. По каналам DCC (Data Control Channel), организованным с помощью байтов секционных заголовков D1,…D12, он поддерживает постоянный информационный обмен с другими мультиплексорами в сети, что обеспечивает функционирование наложенной на первичную сеть SDH сети управления. К контроллеру могут быть подключены либо местная система управления (по стыку RS-232), либо система управления стандарта TMN (Telecommunications Management Network), для которой используется стык Ethernet. К контроллеру также подключается блок служебной связи EOW (Engineering Order Wire), которая организуется с помощью байтов Е1, Е2, F1 секционных заголовков (в некоторых мультиплексорах для EOW могут использоваться и другие байты).

К коммутационной (кросс-коннекторной) матрице, осуществляющей все оперативные переключения цифровых потоков, подключаются оптические агрегаты (с номерами 1 и 2 в США, и West и East в Западной Европе). К матрице также подключаются трибьютерные блоки, к которым подводятся передаваемые цифровые потоки. Помимо потоков PDH иерархии, может быть осуществлен ввод/вывод и потоков SDH иерархии (в электрической или оптической форме), а также сигналов компьютерных сетей стандарта Ethernet.

Основным узлом контроллера синхронного мультиплексора является процессор с соответствующим программным обеспечением. Таким образом, мультиплексор по сути является специализированным компьютером. Программное обеспечение находящегося в производстве мультиплексора непрерывно развивается и совершенствуется. Как показывает практика, в течение года появляется примерно 3−5 обновленных версий программного обеспечения, которые обеспечивают расширение функциональных возможностей мультиплексора.

Аппаратурное резервирование

Аппаратурное защитное переключение EPS (Equipment Protection Switching) является одной из мер, направленных на повышение надежности работы сети SDH. В этом случае резервируются рабочие блоки оборудования (коммутационные матрицы, трибьютерные блоки для ввода/вывода цифровых потоков, линейные оптические агрегаты). Так как проектируется первичная сеть необходимо максимально повысить надежность. Применяю резервирование по принципу 1 + 1 (один блок рабочий и один резервный).

Сетевой защитный механизм MSP

Для повышения надежности работы проектируемой сети SDH осуществляю с помощью резервирования мультиплексорных секций MSP (Multiplexer Section Protection), соответствующий G.841. Он может быть использован на сети или подсети «точка-точка». Для его реализации необходимо наличие резервного линейного тракта, как это показано на рис. 2.1. При этом сигнал SDH одновременно передается как по основному, так и по резервному тракту. При нормальных условиях работы на приеме используется сигнал, передаваемый по основному тракту. В сети SDH производится постоянный контроль качества передачи сигналов посредством алгоритма BIP (Bit Interleaved Parity). В случае значительного ухудшения качества сигнала основного тракта на приеме производится аварийное переключение APS (Autometic Protection Switching) на резервный линейный тракт, для управления которым используются байты KI и К2 заголовка мультиплексорной секции MSOH. Очевидно, что такое переключение сопровождается перерывом связи, но согласно существующим нормам, его длительность не должна превышать 50 миллисекунд. Отметим, что при MSP защищается весь передаваемый по линейному тракту групповой сигнал.

Рис. 2

Выбор синхронных мультиплексоров

Взаимодействие узлов проектируемой кольцевой сети SDH рассчитано в таблице 1. В ней указано количество цифровых потоков со скоростью 2 Мбит/с, которое необходимо организовать между узлами сети, параметр, А соответствует суммированию соответствующих цифровых потоков по вертикали, а параметр В соответствует суммированию по горизонтали.

Из таблицы видно:

1) В колонке В суммарное число 100 характеризует количество цифровых потоков, передаваемых по кольцу SDH;

2) В колонке А+В числа 45, 42, 39, 38, 36 соответствуют числу портов 2 Мбит/с на каждом узле.

Таким образом, минимально допустимый уровень передаваемого по кольцу сигнала SDH равен STM-1. При этом для реализации данной сети целесообразно использовать аппаратуру Metropolis ADM (Compact shelf).

Технические характеристики синхронного мультиплексора Alcatel-Lucent Metropolis ADM (Compact shelf).

Синхронный мультиплексор с линейными оптическими агрегатами STM-4 или STM- 16, причем допускается реализация и без агрегатов (с одними трибьютерными блоками). Число установочных мест — 5 (одно место для резервного блока).

Типы трибьютерных блоков — 2 Мбит/с;

34 Мбит/с;

10/100 Base-T;

STM-1 (электрический);

STM-1 (оптический);

STM-4;

GbE.

Максимальное число портов 2 Мбит/с на одном трибьютерном блоке — 63.

Максимальное число портов 2 Мбит/с на мультиплексоре — 252.

Защитные механизмы: MSP, SNCP, 2/:MS-SPRlNG (для агрегатов STM-16).

Типы линейных оптических агрегатов: L-4.1, L-4.2, L-16.1, L-16.2/3.

Типы оптических трибьютеров: S — 1.1, L-1.2, S-4.1, L-4.2.

Устанавливается только в стойке.

Соответственно, исходя из расчетов взаимодействия узлов, аппаратурного резервирования и выбранного типа сетевого защитного механизма, комплектация мультиплексоров будет выглядеть следующим образом:

Узел 1 Metropolis ADM (Compact Shelf)

Узел 2 Metropolis ADM (Compact Shelf)

Узел 3 Metropolis ADM (Compact Shelf)

Узел 4 Metropolis ADM (Compact Shelf)

Узел 5 Metropolis ADM (Compact Shelf)

Оптические агрегаты и трибьютеры

Оптические агрегаты и трибьютеры обеспечивают передачу оптических сигналов по одномодовому оптическому волокну, которое используется в качестве направляющей системы на всех сетях SDH. В зависимости от расстояния и параметров волокна необходимо использовать различные типы этих устройств, поэтому существует система обозначений и нормирования параметров оптических агрегатов и трибьютеров согласно Рекомендации МСЭ-Т G.957. В соответствии с ней тип агрегата или трибьютера обозначается как:

Таким образом, например, обозначение L-4.2 соответствует L агрегату или трибьютеру, уровня STM-4 и с рабочей длиной волны в диапазоне 1,55 мкм.

Как упоминалось выше, с целью более надежной работы системы выделения тактовой частоты, передаваемый по линейному тракту сигнал подвергается скремблированию. При этом используется формат сигнала с невозвращением к нулю NRZ (Non Return to Zero).

В выпускаемых в последнее время синхронных мультиплексорах находят применение сменные модули SFP (Small Form-factor Pluggable), которые позволяют оператору самостоятельно менять тип оптического агрегата или трибьютера (к примеру тип S на тип L).

По желанию оператора, для некоторых типов мультиплексоров возможна поставка так называемых «окрашенных» оптических агрегатов, длина волны оптического излучения которых соответствует плану длин волн системы передачи с WDM.

В числе параметров оптических агрегатов и трибьютеров следует выделить диапазон перекрываемого оптического затухания Amin — Атах) и преодолеваемую им максимальную хроматическую дисперсию Dmax. Например, для оптического трибьютера L-4.2, производства Alcatel-Lucent и соответствующего Рекомендации G.957,диапазон перекрываемого оптического затухания равен 10−24 дБ, а максимальная хроматическая дисперсия Dmax равна 2000 пс/нм.

Параметры оптических агрегатов и трибьютеров

Оптические агрегаты с большой выходной оптической мощностью оборудуются системой автоматического выключения лазера ALS (Automatic Laser Shutdown).Эта система обеспечивает выключение лазеров обоих направлений в случае повреждения оптического волокна и их автоматическое включение при устранении повреждения (эта профилактическая мера направлена на предупреждение возможного повреждения глаз обслуживающего персонала оптическим излучением, выходящим из торца волокна).

Многие оптические агрегаты обеспечивают контроль оптической мощности на выходе лазера и на входе фотодиода и контроль постоянного тока смещения лазера, что позволяет, как с приемлемой точностью оценить величину полного оптического затухания в линейном тракте, так и осуществлять текущий контроль за работой лазера.

Определение типа оптических агрегатов и оптических трибьютеров

Дальность связи по одномодовому оптическому волокну ограничивается двумя факторами — затуханием оптических сигналов и их хроматическими дисперсионными искажениями. В процессе проектирования сперва определяется максимально допустимая дальность связи с учетом только наличия затухания сигналов — Lзат. Затем определяется максимальная дальность связи с учетом только хроматических дисперсионных сигналов — Lдис. Окончательное значение максимальной дальности связи — Lmax с учетом двух указанных выше ограничивающих факторов рассчитывается как меньшее из значений Lзат и Lдис.

Величина Lзат определяется энергетическим потенциалом оптического агрегата или трибьютера, т. е. допустимым диапазоном преодолеваемого агрегатом полного оптического затухания от нижней Amin до верхней Атах границы энергетического потенциала, в котором обеспечивается нормальная работа синхронного мультиплексора. При этом должно выполняться следующее соотношение Данные об энергетическом потенциале и максимальной хроматической дисперсии являются паспортными данными синхронного мультиплексора и входят в состав соответствующей технической документации. В таблице выше эти параметры применительно к различным типам оптических агрегатов и трибьютеров приведены для некоторых образцов аппаратуры фирмы Alcatel — Lucent, что дает возможность решить соответствующую задачу в ходе проектирования сети SDH.

Рис. 3

Так как, минимально допустимый уровень передаваемого по кольцу сигнала SDH равен STM-1, то необходимо проверить оптические агрегаты типа S-1,1; L-1,2.

Проверю оптический агрегат S — 1,1.

Amax > 0,37 Lзат + (0,1*4) + (1*2) + 3

Amax > 0,37 Lзат + 5,4

12 > 0,37 Lзат + 5,4

6,6 > 0,37 Lзат

Lзат < 17,83 — Не удовлетворяет требованиям.

Проверю оптический агрегат L — 1,2.

Amax > 0,21 Lзат + (0,1*17) + (1*2) + 3

Amax > 0,21 Lзат + 6,7

28 > 0,21 Lзат + 6,7

21,3 > 0,21 Lзат

Lзат < 101,43 — Удовлетворяет требованиям.

Основываясь на расчетах, для построения данной сети, целесообразнее использовать оптические агрегаты L — 1,2.

Система тактовой сетевой синхронизации

синхронный мультиплексор трибьютер сеть Развитие цифровых сетей связи вызывает необходимость создания и совершенствования системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Потребность в ТСС возникает, когда к цифровым системам передачи подключаются цифровые коммутационные станции, т. е. создается единая цифровая сеть, обеспечивающая передачу и коммутацию сигналов в цифровой форме. Дело в том, что если тактовые частоты задающих генераторов совместно работающих коммутационных станций хотя бы незначительно отличаются, то возникают проскальзывания, т. е. исключение или повторение в цифровом сигнале одного или нескольких бит. Они происходят вследствие различия в скоростях записи и считывания буферных устройств, находящихся на коммутационных станциях. С помощью ТСС обеспечивается установка и поддержание тактовой частоты сигналов, что позволяет не выходить за установленные МСЭ-Т пределы по частоте проскальзываний на сети. При этом транспортная сеть SDH используется не только для передачи информационных цифровых потоков, но также и для передачи сигналов синхронизации цифровых коммутационных станций, базовых станций стандарта GSM и других внешних, для сети SDH, систем.

Режимы работы сети ТСС

Существующие нормативные документы определяют четыре режима работы сети синхронизации:

1) синхронный;

2) севдосинхронный;

3) плезиохронный;

4) асинхронный.

Синхронный режим является нормальным режимом работы цифровой сети. В идеально работающей цифровой сети при этом режиме возможность возникновения проскальзываний исключена.

Псевдосинхронный режим возникает при условии независимой работы на сети двух (или нескольких) эталонных генераторов, со стабильностью частоты не менее 1×10−11, что соответствует Рекомендации G.811. При этом ухудшение качества для всех видов связи будет практически неощутимым (одно проскальзывание за 70 суток). В частности, такой режим возникает при взаимодействии двух регионов синхронизации.

Плезиохронный режим работы возникает, когда генератор какого-либо ведомого узла теряет возможность внешней принудительной синхронизации. В этом случае генератор переходит в режим удержания (Holdover mode), при котором продолжает генерировать частоту сети с принудительной синхронизацией. Длительность работы в режиме удержания для выполнения норм по частоте проскальзываний должна быть жестко ограничена во времени (не более суток в течение года). Частоты ведомых задающих генераторов, используемых в этом режиме, должны удовлетворять Рекомендации G.812.

Асинхронный режим характеризуется значительно большим расхождением частот генераторов и на сетях связи России неприменим.

Данная проектируемая сеть работает в синхронном режиме. Место подключения основного источника синхронизации узел № 3.

Типы генераторных устройств, применяемые на сетях SDH. Иерархическое построение сети синхронизации

На сетях SDH применяются следующие типы генераторных устройств:

1) Первичные эталонные генераторы PRC (Primary Reference Clock);

2) Ведомые задающие генераторы SSU (Synchronization Supply Unit);

3) Генераторы сетевых элементов SEC (SDH Equipment Clock).

Первичный эталонный генератор PRC — высокостабильный генератор, долговременное относительное отклонение частоты которого от номинального значения поддерживается не превышающим 1×10−11, что соответствует Рекомендации G.811. Этот генератор обладает на сети синхронизации наивысшим качеством и занимает высшую ступень в иерархии генераторных устройств. Реализуется на основе цезиевого или водородного квантового генератора. Другой способ реализации PRC — это использование приемника сигналов системы глобального определения координат GPS (Global Positioning System).При этом может быть использована либо система NAVSTAR, находящаяся в ведении министерства обороны США, либо отечественная система ГЛОНАСС. Отметим, что PRC, реализованные на основе приемников GPS, могут использоваться лишь как резервные.

Ведомый задающий генератор SSU — это генератор, фаза которого подстраивается по входному сигналу, полученному от генератора более высокого или того же качества. Существуют SSU транзитного узла SSU-Т, и местного узла SSU-L, соответствующие Рекомендациям G.812T и G.8I2L, занимающие вторую и третью ступень в иерархии. Их стабильность частоты в ведомом режиме 5×10−10 (SSU-Т) и 1×10−8 (SSU-L), а в режиме свободных колебаний 1×10−9 и 2×10−8 соответственно.

Генератор сетевого элемента SEC отвечает требованиям Рекомендации G.813 и обладает стабильностью 5×10−8 в ведомом режиме и 4,6×10−6 в режиме свободных колебаний (в настоящее время реализуются синхронные мультиплексоры с внутренним генератором и более высокого качества).

От PRC сигналы синхронизации необходимо передать ко всем сетевым элементам, число которых может быть весьма большим. Отметим, что при передаче синхросигналов от одного сетевого элемента NE (Network Element) к другому, их качество непрерывно ухудшается вследствие накопления фазовых дрожаний значащих моментов цифрового сигнала от их идеальных положений во времени («джиттер» и «вандер»). Для улучшения качества синхронизации в цепочке каскадно включенных сетевых элементов используются SSU, которые обладают очень узкой полосой пропускания и отфильтровывают шум джиттера и вандера.

Чтобы ограничить накопление фазовых дрожаний в длинных цепочках сетевых элементов NE, необходимо ограничивать длину и состав цепочки до следующих пределов:

1) цепочка генераторов в сети между PRC и наиболее удаленным NE не должна содержать более 10 SSU и 60 SEC;

2) максимальное число SEC между двумя SSU не должно превышать 20.

В соответствии с вышеизложенным, общая схема синхронизации сети SDH имеет иерархическую древовидную структуру, предусматривающую как резервирование как PRC, так и путей прохождения сигналов синхронизации. Используется только принудительная синхронизация генераторов, иначе именуемая «ведущий ведомый"(master — slave). При этом в сети синхронизации должна соблюдаться определенная иерархия в распространении сигналов синхронизации: от PRC синхронизируется в основном магистральная первичная сеть, от магистральной сети синхронизируются внутризоновые, а от внутризоновых или магистральной — местные сети.

SSM алгоритм. Петли синхронизации. Приоритеты источников синхронизации

Как отмечалось выше, на сети синхронизации необходимо предусмотреть резервные источники и пути прохождения синхросигналов, причем при этом желательна автоматизация процесса переключения. На сетях SDII это достигается посредством использования алгоритма сообщений о статусе синхронизации — SSM алгоритма, который основан на использовании байта S1 секционного заголовка мультиплексорной секции MSOH.

К мультиплексору, находящемуся в начале цепочки синхронизации подключен источник синхросигнала с качеством PRC (узел 3). Тогда, в байте S1 исходящего сигнала STM-N, в битах с 5 по 8, будет записана комбинация 0010. Если же качество источника синхросигнала равно SSU-T (узел 5), то в байте S1 записывается группа 0100. Таким образом, соседние мультиплексоры могут автоматически оценить приходящие к ним сигналы SDH с точки зрения целесообразности их использования для целей синхронизации и выбрать сигнал с наивысшим уровнем качества.

На рис. 2 показана цепочка синхронизации. Значение DNU, записанное в байте S1 посредством комбинации 1111, означает запрет на использование приходящего сигнала для целей синхронизации. Необходимость введения сообщения DNU можно пояснить на следующем примере.

Предположим, что в цепочке на рис. 2 вместо сообщения DNU от второго мультиплексора к третьему в байте S1 передается сообщение PRC. При этом, в случае пропадания внешнего синхросигнала с реальным качеством PRC мультиплексор начнет синхронизироваться по поступающему к нему сигналу SDH. Возникнет так называемая петля синхронизации, когда синхросигнал сетевого элемента извлекается из выходного сигнала синхронизации того же самого сетевого элемента. Вследствие этого синхросигнал становится очень нестабильным, что крайне отрицательно воздействует на характеристики транспортной сети SDH, вплоть до полных перерывов связи. На сети SDH ни при каких возможных режимах работы (нормальных и аварийных) не должно возникать петель синхронизации. Одной из мер, препятствующих возникновению петель, и является передача сообщения DNU в байте S1.

На сетевой элемент может одновременно поступать несколько синхросигналов с одинаковым уровнем качества. В этом случае, для определения источника синхронизации, который выбирает сетевой элемент, каждому источнику синхронизации назначается приоритет.

Отметим, что качество является более важным параметром, чем приоритет. Так при выборе источника синхронизации сетевой элемент сначала выбирает источник с наивысшим уровнем качества. При наличии нескольких источников с одинаковым качеством, выбор делается в пользу источника с наивысшим приоритетом.

Восстановление синхронизации при авариях на сети

Рассмотрим сеть SDH при различных режимах работы синхронизации. Схема 1 иллюстрирует работу этой сети в нормальном режиме. Имеется два источника синхронизации — основной (с качеством PRC) и резервный (с качеством SSU — Т).

Рассмотрим аварийный режим работы сети, соответствующий обрыву кабеля на участке 3−4. При аварии возникает переходный процесс по завершении которого, сеть синхронизации примет вид, показанный на Схеме 2. Очевидно, что в этом случае происходит переключение сети на резервный источник синхронизации.

Существуют определенные требования к построению сети синхронизации, причем эта задача относится к классу поиска многокритериального оптимального решения. Но особо следует подчеркнуть, что сеть синхронизации должна быть спроектирована таким образом, чтобы исключить возможность возникновения петель синхронизации, как в нормальном режиме, так и при всех возможных авариях на сети.

Рис. 4

Рис. 5

1. Методические указания по проектированию транспортных сетей SDH.

2. Конспект лекций.