Страница 58 из 64
Мультиплексирование с разделением времени
Мультиплексирование с разделением времени, основанное на импульсно-кодовой модуляции, используется, чтобы передать несколько голосовых вызовов по магистралям, посылая выборку из каждого звонка каждые 125 мкс. Когда цифровая передача стала реальностью, ITU (CCITT) был неспособен достигнуть соглашения по международному стандарту для импульсно-кодовой модуляции. В результате в разных странах используется множество несовместимых схем.
Методом, используемым в Северной Америке и Японии, является канал T1, формат кадра которого изображен на рис. 2.33. (Технически говоря, формат называется DS1, а канал называется T1, но мы не будем делать здесь это тонкое различие, следуя широко распространенной промышленной традиции.) Линия T1 состоит из 24 голосовых каналов, мультиплексированных вместе. Каждый из этих 24 каналов, в свою очередь, вставляет в выходной поток 8 бит.
Рис. 2.33. Канал T1 (1,544 Мбит/с)
Кадр состоит из 24 х 8 = 192 бита плюс один дополнительный бит в целях управления, итого 193 бита каждые 125 мкс. В результате это дает огромную суммарную скорость передачи данных в 1,544 Мбит/с. 193-й бит используется для синхронизации кадров и сигналов. В одном варианте 193-й бит используется после группы из 24 кадров и называется расширенный суперфрейм. Шесть битов, в 4-й, 8-й, 12-й, 16-й, 20-й и 24-й позиции, взятые из образца 001011 . . . Обычно приемник постоянно проверяет этот образец, чтобы убедиться, не потерял ли он синхронизацию. Если это вдруг происходит, то приемник сканирует принятые данные, отыскивая кадровый бит и с его помощью восстанавливая синхронизацию. Еще 6 битов используются для того, чтобы послать код проверки ошибок, чтобы помочь приемнику подтвердить, что он синхронизирован. Если он теряет синхронизацию, приемник может просмотреть на образец и подтвердить код проверки ошибок, чтобы повторно синхронизироваться. Оставшиеся 12 бит используются для получения информации для управления и поддержки сети, такой как выполнение сообщений от удаленного конца.
У формата T1 есть несколько разновидностей. Более ранние версии послали сигнальную информацию в полосе, то есть в том же самом канале, что и данные, используя некоторые из битов данных. Эта схема — одна из форм сигнализации, ассоциированной с каналом, потому что у каждого канала есть свой собственный сигнальный подканал. В одном из способов младший значащий бит из 8-битового образца на каждом канале используется в каждом шестом кадре. Этот вариант красочно называется сигнализация с ограблением бита. Идея состоит в том, что несколько украденных битов не будут иметь значения для голосовых вызовов. Никто не услышит различия.
Для данных, однако, ситуация другая. Отправка неправильных битов, по меньшей мере, бесполезна. Если используются более старые версии T1, только 7 из 8 битов, или 56 Кбит/с, могут использоваться в каждом из этих 24 каналов. Вместо этого более новые версии T1 обеспечивают чистые каналы, в которых все биты могут использоваться, чтобы послать данные. Чистые каналы — то, что хотят фирмы, которые арендуют линию T1, когда они посылают данные через телефонную сеть вместо голосовых отсчетов. Сигнализация для любых голосовых вызовов тогда обработана вне полосы, то есть в отдельном от данных канале. Часто сигнализация сделана с общим сигнализирующим каналом, в котором есть совместно используемый сигнальный канал. Один из 24 каналов может использоваться с этой целью.
Вне Северной Америки и Японии вместо T1 используется 2048 Мбит/с канал E1. У этого канала есть 32 8-битовых образца данных, упакованные в основные 125 мкс кадры. Тридцать из каналов используются для информации и до двух используются для сигнализации. Каждая группа из четырех кадров обеспечивает 64 сигнальных бита, половина которых используются для того, чтобы сигнализировать (или связаны с каналом, или общий канал), и половина используются для синхронизации кадра или зарезервированы для каждой страны для использования по желанию.
Мультиплексирование с разделением времени позволяет нескольким каналам T1 быть мультиплексированными в каналы высшего порядка. Рисунок 2.34 показывает, как это может быть сделано. Слева мы видим четыре канала T1, объединяемых в один канал Т2. Мультиплексирование в канале Т2 и каналах более высоких порядков выполняется побитно, а не побайтно, причем 24 голосовых канала составляют один кадр T1. Четыре потока T1 по 1,544 Мбит/с образуют 6,176 Мбит/с, однако реально в канале Т2 используется скорость передачи, равная 6,312 Мбит/с. Дополнительные биты используются для синхронизации кадров и восстановления в случае сбоя канала. T1 и T3 активно используются рядовыми пользователями, тогда как T2 и T4 можно найти только внутри телефонной системы, поэтому они не столь известны.
Рис. 2.34. Мультиплексирование потоков T1 на каналах высших порядков
На следующем уровне семь каналов Т2 объединяются побитно в канал Т3. Затем шесть потоков Т3 формируют поток Т4. На каждом этапе добавляется небольшое количество избыточной информации для синхронизации кадров.
Между США и остальным миром нет почти никаких договоренностей по поводу основного канала, а также о том, каким образом они должны мультиплексироваться в каналы более высоких уровней. Американская схема объединения по 4, 7 и 6 не затрагивает остальных, и, например, стандарты ITU предполагают мультиплексирование по четыре потока в один поток на каждом уровне. Кроме того, данные о структурировании и восстановлении отличаются в США и в стандартах ITU. Иерархия ITU объединяет по 32, 128, 512, 2048 и 8192 канала, соответственно работающих на скоростях 2,048, 8,848, 34,304, 139,264 и 565,148 Мбит/с.
SONET/SDH
Когда оптоволоконная связь только появилась, у каждой телефонной компании была своя собственная система мультиплексирования с разделением времени. После раздела в 1984 году корпорации AT&T местным телефонным компаниям пришлось подключаться к различным междугородным линиям с различными оптическими системами TDM. Появилась очевидная потребность в стандартизации. В 1985 году исследовательское подразделение региональных телефонных компаний Bellcore начало разработку стандарта SONET (Synchronous Optical Network — синхронная оптическая сеть).
Позднее к этой работе подключился ITU, что привело в 1989 году к созданию стандарта SONET, а также набора параллельных рекомендаций ITU (G.707, G708 и G709). Рекомендации ITU, получившие название SDH (Synchronous Digital Hierarchy — синхронная цифровая иерархия), отличаются от стандарта SONET небольшими деталями. Практически все телефонные линии дальней связи в США и во многих других странах сегодня используют SONET на физическом уровне. Дополнительную информацию см. в книгах (Bellamy, 2000; Goralsky, 2000; Shepard, 2001).
При разработке системы SONET ставились четыре главные цели. Во-первых, SONET должен был обеспечивать объединение сетей, построенных на различных носителях. Для достижения этой цели потребовалось определить общий стандарт, описывающий длины волн, синхронизацию, структуру кадра и другие вопросы.
Во-вторых, требовалось средство объединения цифровых систем США, Европы и Японии, построенных на 64 Кбит/с каналах с импульсно-кодовой модуляцией, но использующих эти каналы различными (и не совместимыми друг с другом) способами.
В-третьих, SONET должен был предоставить способ объединения нескольких цифровых каналов. Во время разработки системы SONET наиболее быстрым широко используемым в США каналом был T3 со скоростью 44,736 Мбит/с. Стандарт Т4 уже был описан, но мало использовался, а стандарта выше Т4 определено не было. Одной из задач SONET было продолжить иерархию до скоростей, измеряющихся в гигабитах в секунду. Также нужен был стандартный способ объединения нескольких медленных каналов в один канал SONET.