Телекоммуникационные решения - взгляд изнутри

Нежуренко А.

Источник: Журнал "Сети и Телекоммуникации" 16.03.2005

Телекоммуникационные решения - взгляд изнутри

Построение современных транспортных сетей невозможно без использования таких технологий, как, например, SDH. В то же время в сети доступа приходят новые стандарты, например, V.5.X.
Как известно, транспортная система современных телекоммуникационных сетей состоит из магистральной сети и сетей доступа.
Магистральная сеть, состоящая из мультиплексированных каналов различной емкости, объединяет между собой узлы коммутации (каналов, пакетов и т.д.), в свою очередь, сети доступа объединяют узлы коммутации либо концентраторы (о них будет сказано дальше) с абонентскими терминальными устройствами (телефонами, факсами, компьютерами, банкоматами и т.д.). Оба типа сетей включают различные сетевые элементы для мультиплексирования и концентрации трафика.
Основными тенденциями развития современных транспортных сетей является переход на полностью цифровые системы связи и широкое использование в качестве среды передачи данных оптического волокна, что уменьшает стоимость передачи единицы данных на километр и значительно повышает само качество передачи данных (вероятность возникновения ошибок на бит данных).
Использование современных цифровых методов передачи позволило значительно расширить число используемых сред передачи (радио, спутниковые, оптические, медные, лазерные и т.д.), а также увеличило информационную емкость традиционных сред передачи (прежде всего, медных кабелей) благодаря применению новых систем передачи - ISDL, HDSL, SHDSL, VDSL, ADSL и т.д.
Надо сказать, что вначале новые технологии использовались только в магистральных транс портных сетях для передачи на большие расстояния. При этом цифровые многоканальные системы передачи иногда даже проигрывали аналоговым (30 временных каналов против 10800-частотных). Но с внедрением более совершенных TDM-систем новые технологии полностью "наводнили" современные транспортные сети.
Магистральные каналы и каналы доступа
Сейчас оптические системы передачи данных используются практически во всех развитых регионах планеты, цифровые радиорелейные системы стали повседневностью, аналоговые коаксиальные системы уступили место цифровым. Вообще сегодня не делаются значительные инвестиции в аналоговые системы передачи.
Как это ни странно, при цифровизации магистральных транспортных сетей и увеличении их емкости проявилось несколько серьезных недостатков:
  1. неэффективное использование емкости систем передачи - во многих случаях только 30% доступных каналов были задействованы;
  2. продолжительное время, необходимое для предоставления пользователям выделенных линий, а также значительное время их восстановления в случае повреждения;
  3. высокая стоимость выделения трафика из оптоволоконных систем большой емкости;
  4. трудность планирования и управления сетями из-за их "беспорядочного" роста;
  5. значительные эксплуатационные затраты, вызванные большим объемом ручной кроссировки в цифровых и аналоговых распределительных системах.
Все вышерассмотренные факторы обусловили развитие новых подходов и стандартов для построения транспортных сетей. Вот основные из них:
  1. разработка новой цифровой системы передачи под названием "синхронная цифровая иерархия" - SDH (synchronous digital hierarchy), которая значительно уменьшила проблемы с выделением трафика и взаимодействием систем с интерфейсами различных стандартов, например, североамериканского и европейского. Это привело к появлению мощных управляемых элементов коммутации, называемых "цифровые кроссы" - DXC (digital cross-connect), и мультиплексоров вставки/выделения каналов (add/drop multiplexer ADM);
  2. внедрение компьютерных систем управления транспортными сетями. Данные системы являются частью концепции "сети управления телекоммуникациями" - TMN (telecommunications management network);
  3. разделение транспортных систем на географические зоны, что облегчает их контроль и мониторинг.
Интерфейс V5.X
Разработка интерфейсов между коммутационным оборудованием ТфОП/ISDN (в быту - телефонными станциями) и устройствами абонентского доступа традиционно отдавалась на откуп производителям оборудования - единого стандарта в этой области просто не было, и каждый разработчик внедрял свои собственные решения.
С существенным усложнением телекоммуникационных сетей доступа, в которых сегодня задействовано сложное оптическое и электронное оборудование, операторы начали ощущать потребность в совместном использовании оборудования от различных независимых поставщиков, при этом такое оборудование должно гарантировано взаимодействовать между собой и с уже установленным коммутационным оборудованием.
Для решения проблемы совместимости оборудования Европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI) разработал стандартный интерфейс V5, который поначалу являлся исключительно европейским стандартом, а сейчас принят де-факто во всем мире. Следует отметить, что в отличие от ранее используемых приватных интерфейсов, V5 не поддерживает передачу информации управления от узла доступа к узлу коммутации, вместо этого предусмотрено, что информация управления независимо поступает от узлов доступа и коммутации в центр сетевого управления.

Стандарт V5.1 определяет интерфейс между мультиплексором доступа и узлом коммутации.
Сегодня существует две версии стандарта V5 -V5.1 и V5.2. Стандарт V5.1 определяет интерфейс между абонентским мультиплексором и коммутационным узлом, a V5.2 - интерфейс между концентратором доступа и узлом коммутации.
Интерфейс V5.1 используется для передачи трафика без концентрации между абонентским мультиплексором и узлом коммутации, как показано на рис. выше. Устройство V5.1, оснащенное аналоговыми абонентскими и ISDN-интерфейсами (2B+D), может мультиплексировать до 30 каналов TфОП (15 ISDN) во внешний 2048 Кбит/с-канал.
Интерфейс V5 поддерживает отдельные временные каналы для трафика, сигнализации (ТфОП и ISDN) и управления. Протокол управления доступа к каналу (LAP) используется в интерфейсе V5 для передачи информации сигнализации и контроля. Для этого могут использоваться временные слоты в канале 2048 Кбит/с с номерами 16 и 15, а при необходимости 31. Другие каналы используются для передачи трафика и выравнивания кадров (слот 0).
Как уже говорилось, интерфейс V5.2 используется для концентрации трафика между узлами доступа и коммутации. Устройства V5.2 способны концентрировать трафик ТфОП, ISDN BRA и PRI. Простые версии устройств V5.2, оснащенные только одним 2 Мбит/с-каналом для подключения к коммутационным узлам, обеспечивают концентрацию трафика от 200-300 пользователей. Более сложные устройства могут поддерживать от двух до шестнадцати 2 Мбит/с-внешних каналов. При этом их число выбирается в зависимости от объема передаваемого трафика.
Мультиплексоры с поддержкой интерфейса V5.X
Рассмотрим несколько моделей популярных на отечественном рынке мультиплексоров абонентского доступа.
Концентратор абонентского доступа НТС-1100Е производства тайваньской компании Hitron Technologies завоевал известность благодаря широким функциональным возможностям уплотнения телефонных линий, концентрации трафика и организации выносов абонентской емкости. С помощью НТС-1100Е абонентам предоставляется широкий спектр аналоговых и цифровых услуг (телефон с тональным или импульсным набором, факс, ISDN, выделенные линии).
Предусмотрено подключение НТС-1100Е к любым типам АТС (по аналоговой линии, интерфейсу Е1 G.703) по стандартной схеме (станционный и абонентский полукомплекты) или напрямую (АТС - абонентский полукомплект). В качестве среды передачи может выступать как оптоволокно (1310/1550 нм, 49 Мбит/с), так и медный кабель (G.703 или HDSL), можно задействовать и беспроводные каналы.
Встроенный оптический порт облегчает расширение сети, при использовании этого оптического интерфейса расстояние между двумя соседними терминалами составляет до 64 км. Предусмотрена реализация различных сетевых топологий ("линия", "звезда", "дерево") и системных требований с помощью разных сред передачи.
Система поддерживает интерфейс V5.2, который работает с динамической концентрацией каналов, что повышает эффективность использования оборудования. Модульный дизайн позволяет оператору минимизировать начальные инвестиции и платить по мере роста сети. Емкость системы составляет до 120 абонентов (120х64 Кбит/с) для 1 конструктива и до 672 абонентов при каскадном включении. Управлять сетью доступа на базе НТС-1100Е можно как локально (с любого полукомплекта), так и удаленно. Израильская компания RAD data communications поставляет на местный рынок ряд устройств доступа - мультиплексоры телефонного трафика с поддержкой интерфейса V5.1 Megaplex-104 и Megaplex-204, предназначенные для построения небольших выносов АТС. Они имеют один сетевой интерфейс E1 и поддерживают 8 или 16 телефонных каналов FXS соответственно. При построении телефонного выноса для создания канала E1 могут использоваться беспроводные или SDHSL-модемы.
Каждый из портов FXS обладает функциональностью, необходимой операторам телефонной связи: поддерживает определение номера входящего звонка, генерацию телефонной сигнализации, инверсию полярности сигнала и измерительные импульсы с частотой 12 или 16 КГц для определения продолжительности соединений, а также каждый из портов используется для подключения телефонных аппаратов и таксофонов. Поддержка факсимильной передачи Group III соответствует стандартам T.4 и T.30. Управление устройствами Megaplex-104 и Megaplex-204 может осуществляться как удаленно по каналу E1, так и локально через порт Ethernet или с терминала, подключенного к последовательному порту. Синхронизация может производиться как от синхросигналов, полученных приемником из линии (режим lookback timing, LBT), так и от внутреннего генератора (режим INT).
Устройство Megaplex-104 имеет высоту 1 U и может размещаться на столе, на стене или в стойке 19" (при помощи креплений). Питание устройства осуществляется от внешнего источника. Устройство Megaplex-204 выпускается в металлическом корпусе высотой 1 U и шириной 19" и оснащено встроенным источником питания.
Кроме устройств Megaplex-104, компания RAD также поставляет модульные мультиплексоры серии Megaplex-2100/2200 с поддержкой интерфейса V 5.2 и максимальной емкостью 176 абонентских портов (FXS).
Транспортные сети SDH
В настоящее время в магистральных и сетях доступа используются две основные технологии временного мультиплексирования - плезиохронная цифровая иерархия - PDH (plesiochro-nous digital hierarchy) и синхронная цифровая иерархия - SDH (synchronous digital hierarchy). При этом основной тенденцией является переход от соединений типа "точка-точка", присущих технологии PDH, к сетям со сложной топологией и встроенным управлением - SDH-транспортным сетям.
Для облегчения сетевого управления и увеличения надежности и производительности транспортные сети могут иметь многоуровневую архитектуру, каждый уровень которой обслуживает географические зоны различного размера.
Магистральная транспортная сеть может содержать три уровня иерархии - национальный, региональный и местный. Каждый из них является независимой системой со своими собственными резервными элементами и альтернативными путями. При этом неисправность в каком-либо сетевом элементе одного уровня не будет влиять на функционирование и вышестоящих, и нижестоящих уровней.
Для увеличения коэффициента надежности каждый уровень должен иметь как минимум две точки подключения к последующему уровню – так наваемый "двойной хоуминг" (dual homing). Оптическое волокно является предпочтительной средой передачи на всех уровнях иерархии.
Сетевая структура в синхронной цифровой иерархии является полностью логической, и это означает, что коммуникационные каналы на каждом уровне могут быть установлены сразу, как только будут определены начальный и конечный узлы. При этом физическая структура сети между этими точками не будет определяющей.

Сети SDH могут иметь различную топологию. В традиционных сильносвязных транспортных сетях устройства DXC могут располагаться на узлах, обеспечивая установку необходимых и альтернативных коммуникационных путей с помощью системы управления. Таким образом, использование SDH в традиционных полносвязных/сильносвязных магистральных сетях создает большую нагрузку на систему управления, которая должна обеспечивать максимально эффективное использование сетевых ресурсов.
Другой альтернативой является использование логических кольцевых структур в полносвязных/сильносвязных транспортных сетях. Данные кольца могут быть сформированы благодаря выбору соответствующих волоконных пар и объединению узлов на различных уровнях. Каждое кольцо имеет определенную скорость передачи, например, STM-4 и ниже. При этом в состав сетевых узлов входят мультиплексоры ввода/вывода, которые позволяют выделять или вводить трибутарные группы потоков.
Как уже упоминалось, SDH-сети национального уровня обеспечивают транспортировку информации между регионами и международный транзит, а также являются оконечной точкой подключения для различных вторичных магистральных сетей. Сети регионального уровня в свою очередь отвечают за транзит информации между местными сетями, входящими в конкретный регион.
При этом ряд региональных транзитных узлов используется для подключения к национальному уровню и местным уровням. Ниже местного уровня можно обнаружить сети доступа, обеспечивающие непосредственное подключение оконечного оборудования - маршрутизаторов/коммутаторов, учрежденческих телефонных станций, базовых радиостанций и т.д.
Далее будет рассмотрен ряд телекоммуникационных технологий, применяемых в современных сетях доступа.

Многоуровневая транспортная сеть с тремя магистральными уровнями и одним уровнем доступа (скорости передачи данных приведены для справки)
Концентрация трафика в сетях доступа
Основой построения всех современных телекоммуникационных сетей, в том числе и сетей доступа, является концентрация трафика, которая позволяет значительно снизить удельные расходы на одного абонента.
Концентрация трафика особенно эффективна, когда абонентские линии мало используются - например, один телефонный абонент (в частном секторе) делает в среднем один вызов в час длительностью 5 минут. При этом совершенно естественно использовать одну линию, физически подключенную к АТС, на определенное количество абонентских. Таким образом, концентрация абонентских линий частных пользователей позволяет оператору значительно снизить свои расходы и увеличить прибыль.
На рис. приведено три примера концентрации трафика в сетях доступа. Первый пример иллюстрирует концентрацию трафика в фиксированной сети с коммутацией каналов с помощью абонентского концентратора, подключенного к АТС. Управление концентраторами обычно производится со стороны АТС, предоставляющей услуги телефонной сети общего пользования или ISDN. При использовании аналогового абонентского окончания в функции концентратора входит также аналогово-цифровое преобразование.
Обычно используемая степень концентрации для частных пользователей - 10 к 1. На практике к одному концентратору можно подключить от сотни до тысячи пользователей, задействовав при этом от 10 до 100 физических телефонных каналов для связи с АТС.

Стандартные интерфейсы для сетей доступа V5.1 и V5.2
Еще большая выгода получается, когда два пользователя, подключенные к одному абонентскому концентратору, устанавливают соединение между собой - в этом случае внешние каналы связи могут не использоваться вовсе, однако это не совсем так, они частично задействуются для установки соединения и тарификации.
К пользовательским интерфейсам концентратора также могут подключаться цифровые мультиплексированные каналы от мультиплексоров доступа (см. далее) или УАТС. На сегодня разработан стандарт V5.1, описывающий интерфейс между мультиплексором и концентратором доступа. В свою очередь протокол V5.2 является стандартным интерфейсом между абонентским концентратором и "родительским" телефонным коммутатором. Таким образом, протоколы серии V5 предоставляют стандартный интерфейс (исполнение которого не зависит от конкретного производителя) между телефонными сетями доступа и узлами коммутации.
Следует отметить, что интерфейс V5.1 поддерживает предоставление стандартных услуг ТфОП и основного доступа (BRA) ISDN с постоянно закрепленными для каждого пользователя временными слотами. Интерфейс V5.2 дополнительно поддерживает первичный доступ к ISDN - PRA (primary rate access), концентрацию трафика (с динамически выделяемыми тайм-слотами) и схему защищенного подключения к транспортной сети (см. подробнее дальше). В данном интерфейсе также поддерживается раздельное управление оборудованием доступа и коммутации.
Второй пример, приведенный на рис., иллюстрирует вариант концентрации трафика в радиосетях доступа, которые, как правило, основаны на многостанционных методах доступа. Это означает, что пользователь не имеет определенного канала, закрепленного за ним на базовой станции. Поскольку радиочастоты и соответственно частотные каналы на сегодня являются остродефицитным и дорогостоящим ресурсом, телекоммуникационные операторы не могут позволить себе предоставлять пользователям радиоканалы в монопольную собственность. Вместо этого имеется определенный набор радиоканалов, из которых при необходимости соединения пользователю "выдаются" свободные в данный момент каналы.
Примеры концентрации трафика в сетях доступа

Очевидно, что в этом случае радиоканалов может быть значительно меньше, чем пользователей. Так и достигается эффект концентрации трафика, во многом аналогичный вышерассмотренному. В современных радиосетях доступа наибольшую популярность получили технологии TDMA (многостанционный доступ с временным разделением каналов) и CDMA (многостанционный доступ с кодовым разделением каналов), причем последняя технология обретает все большую популярность, в том числе и в Украине.
Третий пример, также показанный на рис., относится к пакетной технологии передачи данных ATM. Корпоративные пользователи, которые применяют в своих сетях технологии передачи ячеек, пакетов или кадров, могут использовать для концентрации трафика статистическое мультиплексирование (термин, который рекомендует использовать ITU-T - "динамическое мультиплексирование").
Метод динамического мультиплексирования обусловлен тем, что поток трафика от нескольких источников имеет намного меньшую импульсную структуру, чем от каждого индивидуального пользователя. Основным источником импульсного трафика являются приложения ЛВС и сжатый медиатрафик, например, видео с кодированием MPEG-2.
Импульсный трафик требует непропорционально высокой полосы пропускания - относительно небольшой объем данных должен быть передан за короткое время. Очевидно, операторам наиболее выгодно концентрировать трафик ATM в сетях доступа, например, когда критическое число пользователей генерирует достаточный объем трафика для эффективной загрузки каналов сети доступа.
При концентрации потока ячеек от большого числа малонагруженных пользовательских систем передачи оператор может достичь значительно лучшего коэффициента использования систем передачи, подключенных к выходу концентратора. Коэффициент концентрации трафика повышается с увеличением его импульсности и может иметь значение от 2 до 4. Значение 4, например, соответствует случаю, когда 16 компаний, подключенных к концентратору по каналам STM-1, совместно используют один внешний канал STM-4.
Мультиплексирование в сетях доступа
Основная идея использования мультиплексирования в сетях доступа заключается в значительном сокращении числа используемых медных пар, которые на практике всегда очень дефицитны. Сегодня это достигается путем преобразования аналоговых абонентских окончаний (которые используют полосу частот 300-3,400 Гц) в цифровые потоки со скоростью 64 Кбит/с с последующим их мультиплексированием в стандартный 2 Мбит/с-поток, который благодаря использованию современных SDSL-модемов может быть передан по одной абонентской паре.
Таким образом, достигается практически тридцатикратное сокращение числа необходимых медных пар в сети доступа. Как уже говорилось, в настоящее время интерфейс подключения мультиплексоров доступа к коммутационному оборудованию стандартизирован и носит название V5.1. Для подключения мультиплексоров к коммутационному оборудованию все чаще используются оптоволоконные решения, рост числа которых будет наблюдаться при устойчивой экспансии оптоволокна в сети доступа. Еще одно популярное решение - применение разнообразного радиорелейного оборудования.
В целом же использование мультиплексоров доступа гораздо менее выгодно, чем применение абонентских концентраторов, однако мультиплексирование может быть достаточно неплохим решением при относительно небольшом числе абонентов (до 100). В рассмотренном случае требования пользователей по поводу предоставления услуг ISDN весьма редки: обычно пользователи ограничиваются аналоговой телефонией.
Потребности корпоративных пользователей гораздо шире - мелкому бизнесу могут понадобиться услуги доступа в ТфОП, ISDN BRA-доступ и/или centrex, более крупным предприятиям может потребоваться подключение УПАТС, PRA-доступ к ISDN, а также услуги передачи данных, например, доступ к сетям TCP/IP и frame relay, и, возможно, организация каналов связи внутри компании на основе выделенных линий. Большим компаниям может понадобиться доступ к сетям ATM и соединения с городскими/ глобальными сетями (MAN/WAN).
Разнообразие типов трафика подразумевает то, что много различных видов вторичных сетей будет использовано для его передачи: телефонные сети, сети передачи данных и т.д. Оператор транспортной сети при этом должен отсортировать (groom) трафик в сети доступа и установить необходимые каналы передачи между мультиплексором доступа и соответствующим коммутационным оборудованием.
Мультиплексоры доступа, поддерживающие вышеописанные возможности, иногда называют "гибкими мультиплексорами". Они включают в себя функции цифрового кросса, обычно DXC 1/0, которые обеспечивают перемаршрутизацию/удаление 64 Кбит/с временных слотов между входом и выходом устройства (см. рис.).

Мультиплексирование и сортировка (grooming) различных типов трафика (типы обозначены квадратами разных цветов)
В завершение рассмотрим мультиплексирование в пассивных оптических сетях, которые постепенно приобретают популярность в абонентских сетях доступа в развитых странах, прежде всего в Японии, где девиз "Оптоволокно - в каждый дом" успешно воплощается в жизнь.
Мультиплексирование в пассивных оптических сетях (см. рис.) базируется на принципе использования одного оптоволокна несколькими абонентскими мультиплексорами. При этом волокно прокладывается между станционным окончанием - оптическим линейным терминалом - OLT (optical line terminal) и пассивной оптической точкой разделения. OLT может находиться на местном коммутационном узле или напрямую подключаться к ADM-мультиплексору сети доступа.

Пассивная оптическая сеть доступ
Работа пассивной оптической сети во многом аналогична функционированию радиосистем доступа с многостанционным временным доступом (TDMA): OLT передает в широковещательном режиме исходящий мультиплексированный TDM-трафик каждому оптическому оконечному устройству - ONU (optical network unit).
ONU выбирает из общего потока принадлежащие только ему временные слоты, в которых могут находиться несколько аналоговых или ISDN-BRA/PRA-телефонных каналов, выделенные каналы (64 Кбит/с), видео- и интернет-трафик. Для передачи данных к OLT ONU использует рассмотренную выше технологию TDMA.
Широкий набор интерфейсов, обеспечиваемый отдельным ONU, позволяет использовать оптические сети для предоставления услуг связи и частным пользователям, и корпоративным абонентам. В последнем случае как ONU, так и OLT включают в себя функции цифрового кросса.
Надежный транспорт для сетей доступа
А теперь рассмотрим вопрос надежного подключения узлов доступа к цифровым кроссам (DXC), которые обеспечивают подсоединение коммутационного оборудования сети, важный прежде всего для операторов связи. Подключение с резервированием может быть достигнуто несколькими способами:
  1. оптоволоконные системы передачи могут использоваться с другими решениями, например, с радиорелейными линиями таким образом, что от узла доступа существует несколько физически независимых путей к узлу коммутации;
  2. узел доступа может быть подключен одновременно к нескольким узлам коммутации (двойное подключение);
  3. оптоволоконное кольцо, используемое для подключения узлов доступа, может иметь структуру с защитной коммутацией (protection switching).
Последнее решение требует более подробного рассмотрения (см. рис. ). Как видно из рисунка, абонентский трафик поступает в мультиплексоры ввода/вывода. В этом случае, если произойдет разрыв кольца, трафик будет передан в обратном направлении по кольцу, что исключит его потери. ADM-мультиплексор, подключенный к узлу коммутации оператора, может быть дополнен или заменен синхронным цифровым кроссом - SDXC (synchronous digital cross-connect).

SDH-кольцо с защитной коммутацией
Оптическое кольцо в рассматриваемом варианте может быть построено на базе STM-1, STM-4 или STM-16 SDH-мультиплексоров. Надо отметить, что минимальная скорость цифрового потока, которая может быть предоставлена пользователю в таком случае - 2 Мбит/с, также при этом вспомогательное кольцо может быть использовано для подключения крупных пользователей, самостоятельно генерирующих трафик уровня STM-1.
В будущем, очевидно, такое решение будет наиболее востребовано, поскольку появится все большее число потребителей, которым будут необходимы в сетях доступа скорости передачи 2 Мбит/с и выше - концентраторы, мультиплексоры, УПАТС, базовые радиостанции, устройства доступа к ATM и т.д.