6.1. Плезиохронная цифровая иерархия

Потребности людей в общении, в обмене различного рода инфор мацией очень индивидуальны. Изучение информационных потоков позволяет выяснить, сколько требуется для общения людей каналов связи. Для различных населенных пунктов это число разное. Напри мер, в таком крупном городе, как Москва, междугородная телефонная станция вынуждена предоставлять своим абонентам несколько де сятков тысяч только телефонных каналов с разными городами, а кро ме того, есть запросы на междугородные каналы для телеграфа, ви диотелефона, ЭВМ и т.п. В то же время в небольшом районном цен тре оказалось достаточным иметь десятка два-три телефонных кана­лов, да с десяток телеграфных.

Цифровые потоки - это последовательности 0 и 1, передаваемых по линии связи. Нули и единицы могут нести информацию о речи, тексте, изображении и т.д. При этом скорости потоков будут, естест­венно, отличаться: для текста - 50...100 бит/с, для компьютерных дан ных - 200 бит/с и выше, для речи - 64 кбит/с, для подвижной «картин­ки» - более 100 Мбит/с.

Как же «строить» цифровые системы передачи? Сколько цифро вых потоков можно объединять и направлять в одну линию связи -провод в электрическом кабеле, ствол в радиорелейной или спутни­ковой линиях, волоконный световод в оптическом кабеле? Можно ли стандартизировать скорости передачи?

Начнем с того, что узлы различных систем передачи должны быть однотипными, или унифицированными.

Цифровые системы передачи создают во всем мире; коммуника ции связи не знают государственных границ. Каждая страна должна выпускать аппаратуру, согласовывая ее со стандартами, принятыми в других странах. Государства должны договориться, на каких принци­пах строить аппаратуру. С этой целью создан межгосударственный орган - Международный союз электросвязи (МСЭ). Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.

Примером иерархического построения системы является кален дарь. Иерархия календаря состоит в следующем. За единицу измере­ния выбраны сутки. Семь суток объединяются в неделю. Из четырех или четырех с половиной недель образуется месяц. Три месяца со ставляют квартал.

Рис. 6.1. Иерархия календаря

Четыре квартала - это год (рис. 6.1). Годы склады-ваются в десятилетия и века, а века - в тысячелетия. При необходи-мости эту иерархию можно продолжить и «вниз» от суток: сутки со-стоят из 24 ч, час - из 60 мин и т.д.

Иерархия, рекомендованная для цифровых систем передачи, чемто похожа на иерархию календаря. Прежде всего необходимо было выбрать некоторую единицу измерения - «элементарную» скорость цифрового потока, единую для всех стран и предприятий, выпускающих аппаратуру систем передачи, и позволяющую измерять скорость суммарных цифровых потоков. Такая «единичная» скорость во всем мире - скорость передачи цифровой речи, равная, как вы помните, 64 кбит/с. Выбор этой величины в качестве единицы объединения цифровых потоков связан, скорее, с традициями, нежели с какими-то другими соображениями.

Канал, в котором биты передаются со скоростью 64 000 цифр/с, по­лучил название основного цифрового канала. Возможности любой цифровой системы передачи оцениваются числом организованных с ее помощью именно таких стандартных каналов.

На какое же число каналов рассчитаны современные системы пе­редачи?

Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток или, другими словами, тем выше его ско-росгь. К системам передачи, стоящим в самом низу иерархической лестницы, относится аппаратура ИКМ-30. У подобных систем переда­чи сравнительно невысокая скорость цифрового потока (около 2 Мбит/с), что делает их пригодными для организации связи между АТС по обычным городским и сельским кабелям связи, образующим довольно обширную сеть подземных магистралей. Объединение циф-ровых потоков в этих системах осуществляется, как мы видели, по принципу «чередования кодовых комбинаций». Введение в них синхросигнала и различных служебных символов потребовало до полнительных каналов и привело к тому, что скорость объединенно го цифрового потока стала больше суммы скоростей объединяемых потоков.

Скорость передачи по междугородным симметричным кабелям связи может быть увеличена до 8 Мбит/с. По каждой паре этих кабе лей могут работать четыре системы ИКМ-30 или пять систем ИКМ-24 Чтобы обеспечить одновременную работу этих систем, нужно объе­динять их выходные потоки. Аппаратура, осуществляющая это объе­динение, называется по числу образованных каналов - ИКМ-120. Скорость потока на выходе этой аппаратуры 8,448 Мбит/с.

Более мощные потоки цифровой информации можно «гнать» по парам коаксиальных кабелей, волокнам оптических кабелей, стволам спутниковых и радиорелейных линий связи. Для образования высоко­скоростных потоков объединяют цифровые потоки четырех систем ИКМ-120. В результате скорость передачи в линии возрастает до 34,368 Мбит/с. Число каналов в новой системе равно 480, поэтому она получила название ИКМ-480.

Поступая далее аналогичным образом, получаем при слиянии че­тырех потоков систем передачи ИКМ-480 суммарный цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с. Это уже аппаратура ИКМ-1920.

Только с помощью одной коаксиальной пары или одного оптиче­ского волокна можно связать друг с другом почти 2000 телефонных аппаратов в одном городе с таким же количеством аппаратов в дру­гом городе. А ведь в кабелях не одна такая пара и не одно такое во­локно. Но на этом иерархия цифровых систем передачи (рис 6.2) не заканчивается. Можно продолжать укрупнять потоки и дальше.

Рис. 6.2. Иерархия плезиохронных цифровых систем передачи

Принципы синхронизации остаются неизменными для систем передачи всех ступеней иерархии, сколько бы их не было: точно так же выделяются из цифрового потока тактовые импульсы и точно так же для обеспечения синхронной (а, если точнее, синфазной) работы мультиплексоров и демультиплексоров посылаются в линию комби-нации импульсов цикловой синхронизации. Правда, некоторые отличия все же есть. О них и пойдет речь дальше.

Дело в том, что в системах передачи, начиная со второй ступени иерархии (это аппаратура ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920 и т.д.), объе­динение потоков выполняется по принципу чередования битов (на рис. 6.3 дан пример объединения двух потоков). Таких потоков - че-тыре. и скорость каждого из них 2,048 Мбит/с. Четыре «двери» муль-типлексора передающей станции поочередно открываются и пропус-кают в линию по одному биту из каждого цифрового потока. Разумеется, что они должны успеть это сделать за время, пока данные биты не успели смениться следующими. Затем все снова повторяется.

Понятно, что объединение потоков становится возможным только за счет укорочения в 4 раза длительности передаваемых импульсов, т.е. Фактически за счет уменьшения в 4 раза времени передачи каж­дого из них. Но как же в этом случае ввести в цифровой поток сигнал цикловой синхронизации, ведь места-то для него нет? Вероятно, путь только один - укоротить информационные импульсы еще чуть-чуть, Пусть они немного потеснятся, тогда в цикле передачи появятся «пустые» временные интервалы, в которые и можно будет вставлять син-хросигнал.

Вот как это делается практически. Приходящие на вход системы передачи биты из четырех информационных потоков записываются в ячейки памяти ЗУ, а затем считываются с них и направляются в ли­нию. Зачем так делать? Казалось бы, ничего не изменилось, только усложнилась аппаратура. Но это не так. Поскольку шины записи и счигывания ЗУ независимы друг от друга, становится возможным за­писывать биты с одной скоростью, а считывать - с другой, чуть чаще. Прочитали» содержимое ячеек памяти быстрее - вот и появилась во времени «дырка» для вставки синхроимпульсов (рис. 6.4).

Рис. 6.3. Объединение потоков по принципу чередования битов

Рис. 6.4. Формирование «пустых» интервалов в цифровом потоке

Если им­пульсы считывания не «отстают» и не «убегают вперед», а «идут» весьма стабильно, то в каждом потоке регулярно появляются «пус­тые» интервалы. В системе передачи ИКМ-120 таким «пустым» ин­тервалом, не несущим никакой информации, является во всех пото­ках каждый 33-й интервал. При объединении потоков в линию пооче­редно посылаются импульсы каждого из них, а так как на указанных «пустых» интервалах ни в одном из потоков никаких информационных импульсов нет, то в общем потоке периодически образуются «дырки» шириной в четыре интервала. В них-то и «вставляют» синхроимпуль­сы, а так же другую служебную информацию. Напомним, что строгая периодичность синхросигнала - это одно из важнейших свойств, ис­пользуемое для его распознавания.

Совсем иная картина будет наблюдаться, если местный генера­тор окажется не очень стабильным. В этом случае главные «часы» цифровой системы передачи (тактовые импульсы) могут «отста­вать» или «убегать вперед» по сравнению с их нормальным «хо­дом». В свою очередь, это будет вызывать смещение во времени «пустых» интервалов в каждом цикле передачи, и, значит, нарушит­ся строгая периодичность их повторения. На каком-то этапе может произойти полный сбой в работе системы синхронизации и, как следствие, всей аппаратуры в целом. Чтобы такого не случилось, местные «часы» (тактовые импульсы) нужно систематически «под­водить». Подобная процедура реализована практически во всех со­временных системах передачи высших (начиная со второй) иерар­хий и называется «согласованием», а иногда «выравниванием», корстей цифровых потоков, или скоростей следования тактовых импульсов записи и считывания.

Как же все происходит? Специальное устройство из нескольких микросхем (так сказать, «группа контроля») следит за взаимным положением импульсов записи и считывания. Пусть расстояние между соседними парами этих импульсов постепенно начинает уменьшаться. Значит, местный генератор ускорил свой бег и импульсы считыва-ния начали следовать быстрее. Как только контролируемый интервал уменьшится до критической величины, наш строгий контролер подаст сигнал тревоги: «пустой» интервал появился раньше времени. По-скольку ему еще не время появляться, другое устройство (тоже груп-па микросхем) введет в этот пустой интервал ложный импульс, не не-сущий никакой информации. Все происходит так же, как и в случае с нашими часами, когда, подводя их вперед, мы добавляем потерян-ные секунды. Вот и здесь мы тоже добавляем как бы потерянный им-пульс. Так достигается согласование, или выравнивание, скоростей записи и считывания цифровых потоков, которое в данном случае на-зывается положительным (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Согласование скоростей цифровых потоков

Почему же обязательно нужно вставлять ложный импульс, не лучше ли взять да и притормозить чуть-чуть генератор тактовых импульсов? Нет, этого делать нельзя. Дело в том, что тактовые импульсы разных цифровых потоков могут, в принципе, и не совпадать точно друг с другом, а генератор - один на всю систему передачи. Представим, что будет, если начать его непрерывно «дергать», подстраивая то под один цифровой поток, то под другой. Тут единственный путь -вставлять по мере необходимости в каждый из потоков ложные импульсы.

В американской технической литературе описанная выше проце дура согласования скоростей называется коротко одним словом: «staffing» что по-русски произносится как стаффинг, а переводится как «вставка».

После того, как в цифровой поток введен ложный импульс, нужно передать на приемную станцию команду: «Внимание! Произошло согласование скоростей». Она служит сигналом для ликвидации на приеме ложного импульса. Такой командой может служить, например, посылка по служебному каналу единичного бита. В качестве служеб­ного канала можно договориться использовать один из «законных» пустых интервалов, не занятый синхроимпульсом. Итак, если на при­емной стороне в служебном интервале объединенного цифрового потока появляется 1, это означает, что из выделенного низкоскорост­ного потока нужно исключить очередной импульс - он ложный. А пока по служебному каналу поступают нули, исключать импульсы не на­до - они все информационные.

Посылать по линии команду, состоящую всего из одного бита, крайне неосторожно. Под воздействием помех 1 может превратиться в 0, а 0 в 1, и тогда случится непоправимое - информация будет де­кодирована неправильно. Поэтому для большей надежности команду согласования скоростей многократно дублируют, например, посылая ее 3 раза. В данном случае она будет иметь вид 111. Теперь, если в ней после воздействия помех останется только одна 1, команда все равно будет воспринята. Комбинация же 000 говорит о том, что со­гласование скоростей не производилось и пока все идет нормально.

До сих пор речь шла о том, что местный генератор может только «убежать вперед». Но с таким же успехом он может и «отставать», вырабатывая импульсы считывания реже, чем необходимо. Может случиться так, что в цифровом потоке уже должен появиться «пус­той» интервал, а тактовые импульсы из-за замедленной их скорости до сих пор еще не считали из ЗУ предшествующий ему информаци­онный импульс. Что делать в таком случае? Придется исключить из цифрового потока этот «неудачливый» бит и предоставить времен­ной интервал «по расписанию» для передачи очередной порции служебной информации (скажем, синхроимпульса). Только так мож­но согласовать, или выровнять, скорости тактовых импульсов записи и считывания. Такое согласование получило название отрицатель­ного (рис. 6.5).

Если местные «часы» системы передачи (тактовые импульсы) подводятся и в ту, и в другую сторону, то одной команды: «Внимание! Произошло согласование скоростей» будет мало. Нужно еще сообщить на приемную станцию, какое согласование произошло: положи-тельное или отрицательное, вставлен ложный импульс или исключен информационный. Для этой цели вводят команду «Вид согласования посылая по другому служебному каналу 1 при положительном согласовании и 0 при отрицательном. Для надежности ее также по-вторяют 3 раза. Комбинация 111 во втором служебном канале (орга-низованном также за счет части «пустых» интервалов) будет воспринята как сигнал о том, что в цифровой поток вставлен ложный им-пульс как комбинация 000 - что из потока «вырезан» информационный бит устройства распознания команд выполнены таким образом, что они сработают даже в том случае, когда в командах «выживут» всего по одному биту, а остальные «погибнут» в борьбе с помехами.

Так что же, исключенный на передаче информационный бит пропадет совсем? Нет. Его посылают вдогонку по третьему служебному каналу, причем для верности тоже повторяют 3 раза. Итак, приемник цифровой системы передачи по первой команде (комбинация 111) что, что произошло согласование, по второй команде поймет, что нужно или ликвидировать ложный импульс (комбинация 000), или восстановить пропущенный информационный (комбинация ,а по информации, взятой из третьего служебного канала, определит, какой бит пропущен - 1 (комбинация 111) или 0 (комбинация-000).

Объединение потоков с выравниванием скоростей получило на-звание плезиохронного (почти синхронного), а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а, значит, и систем пере-дачи типа ИКМ - плезиохронной цифровой иерархией (в англоязыч-

ном написании Plesiohronous Digital Hierarhy - PDH).

Плезиохронная цифровая иерархия была разработана в начале 90-х годов прошлого столетия. На системы передачи данной иерархии возлагались большие надежды. Однако она оказалась очень негибкой чтобы вводить в цифровой поток высокоскоростной или выводить из него низкоскоростные потоки, необходимо полностью «расшивать», а затем снова «сшивать» высокоскоростной поток. Это требует установки большого числа мультиплексоров и демультиплексоров. Ясно, что делать эту операцию часто весьма дорого. На рис. 6.6 показана операция выделения потока со скоростью 2 Мбит/с из PDH потока со скоростью 140 Мбит/с.

В этом случае пришлось один поток со скоростью 140 Мбит/с демультиплексировать в четыре потока со скоростями 34 Мбит/с; затем один поток в 34 Мбит/с - в четыре потока 8 Мбит/с и только после это-го расшить» один поток 8 Мбит/с на четыре потока со скоростями 2 Мбит/с.

Рис. 6.6. Выделение сигнала со скоростью 2 Мбит/с из плезиохронного цифрового потока 140 Мбит/с

Только таким сложным путем можно вывести или ввести поток пользователя в PDH-системах передачи.

Недостатком систем передачи плезиохронной цифровой иерархии является также то, что при нарушении синхронизации группового сиг нала восстановление синхронизации первичных цифровых потоков происходит многоступенчатым путем, а это занимает довольно много времени. В настоящее время среди систем передачи PDH «выживают» только системы первого уровня иерархии, снабженные новой ап паратурой так называемого гибкого мультиплексирования, которая обеспечивает кроссовые соединения каналов 64 кбит/с; выделение и ввод отдельных каналов 64 кбит/с в любом наборе; пользовательские интерфейсы от двухпроводных окончаний для телефона до оконча­ний базового доступа в цифровую сеть с интеграцией услуг; видео-конференцсвязь и многое другое. Можно сказать, что гибкие мульти­плексоры немного продлили жизнь PDH систем.

Но самое главное, что заставило уже в середине 80-х годов XX в. искать новые подходы к построению цифровых иерархий систем пе­редачи, это почти полное отсутствие возможностей автоматически контролировать состояние сети связи и управлять ею. А без этого создать надежную сеть связи с высоким качеством обслуживания практически невозможно. Все эти факторы и побудили разработать еще одну цифровую иерархию.