Part 2

Theme. Digital telecommunication technology of SDH (Synchronous Digital Hierarchy).

В технологии SDH информация переносится с помощью синхронных цифровых контейнеров.

В чем отличие технологии SDH от других технологий?

1. В технологии SDH используются синхронные цифровые контейнеры. Все контейнеры засинхронизированы между собой. Для синхронизации используется один источник – генератор сигналов синхронизации.

Синхронизация дает возможность извлекать информацию непосредственно из любого контейнера.

В технологии PDH нельзя извлечь информацию сразу. В технологии PDH извлекать информацию можно только постепенно (пошагово). Например, сначала цифровой поток из 480 каналов разбивается на четыре потока по 120 каналов, затем поток из 120 каналов разбивается на четыре потока по 30 каналов, а затем выделяется один канал из тридцати.

2. В технологии SDH используется: Method encapsulation – Method of insertion of small digital container in a middle container, and middle container in large one.

Метод инкапсуляции дает возможность передавать по одной телекоммуникационной системе информацию различных форматов – стандартов (трибы Е1, Е2, Е3,….., Т1, Т2, Т3,….. и так далее).

3. Основной элемент в технологии SDH это цифровой синхронный мультиплексор (SMUX).

SMUX имеет унифицированную структуру. Это означает, что один и тот же прибор SMUX может выполнять функцию регенератора, концентратора, коммутатора входных цифровых каналов, коммутатора выходных цифровых каналов, устройства ввода/вывода цифровых потоков и преобразование их в синхронные цифровые контейнеры.

4. Цифровой синхронный мультиплексор (SMUX) имеет два одинаковых выходных порта. На выходе мультиплексора формируется два идентичных потока информации. Такое техническое решение дает возможность увеличить качество передачи информации за счет резервирования каналов.

5. В технологии SDH используются оптические линии связи на выходных портах. Такое техническое решение дает возможность увеличить качество передачи информации за счет использования оптических кабелей. На оптические кабели не влияют помехи радио диапазона волн.

Fig. 1. Model of information transfer in SDH technology by means of synchronous digital containers.

Для повышения качества передачи информации используется четыре основных метода.

6. Метод резервирования 1+1. В кольце два цифровіх потока передаются в одном направлении. В каждом мультиплексоре из двух потоков вібирается один с лучшим качеством.

7. Метод резервирования 1:1 (один к одному). В кольце два цифровіх потока передаются в разные стороны. Причем второй поток находится в резерве. При выходе из строя линии связи для первого потока включается второй.

8. Метод резервирования 1:N. В аппаратуре из N идентичных блоков имеется один дополнительный запасной блок. Этот блок включается при аварии.

9. Метод автоматического аварийного переключения маршрута.

Тема 11

1 ОТКРЫТЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ДОСТУПА FSO (Free Space Optic)

Открытые оптические системы доступа (ООСД), рассчитаны, как правило, для связи между двумя объектами - система "точка-точка". Однако возможны и более сложные решения, например системы предназначенные для подключения группы пользователей к базовой станции или для создания ячеистой структуры сети (рис.1.1).

Каждая ячейка сети на основе электрических кабелей (как правило это витая пара), через коммутатор КМ подсоединяется к cистеме оптического доступа. ООСД состоит из оптических передающего (ОПУ) и приемного (ОПРУ) устройств с оптическими антеннами, обеспечивающими концентрацию оптического излучения в заданном направлении.

Возможно построение ООСД с одной оптической антенной. В этом случае каналы передатчика и приемника должны быть мультиплексированы. Мультиплексирование возможно осуществить как до преобразования на оптическую несущую, так и после. В оптическом диапазоне мультиплексирование реализуется как правило методом частотного разделения каналов ЧРК, которое в оптическом диапазоне получило название спектрального разделения СРК. Для выполнения операции СРК применяют дифракционные решетки или другие оптические устройства разделения.

Наземные ООСД точка - точка обеспечивают дальность единицы и десятки км.

Выпускаются ООСД для подключения к локальным сетям по протоколу Fast Ethernet 100 Base FX с волоконно-оптическим интерфейсом, обеспечивающие скорость 100 Мбит/с.

Одним из применений ООСД является ее использование в качестве сегментов сетей кабельного телевидения. Распределительная станция сети кабельного телевидения с помощью ООСД обеспечивает доступ к отдельным зданиям территориально распределенных вокруг станции. Внутри зданий используется типовое оборудование сетей кабельного теклевидения на коаксиальных кабелях. В таких гибридных сетях достаточно предоставлять скорость ООСД в 100 Мбит/с, что реализуется достаточно простыми и экономичными ООСД, которые быстро развертываются в условиях городской застройки. Одно из преимуществ такой сети в сравнении с кабельной инфраструктурой - отсутствие работ по прокладке кабелей на территории города. Сеть на основе ООСД в этом случае имеет радиально-звездообразную топологию. Растояния для ООСД невелики и составляют сотни метров. Такие ООСД работают устойчиво даже в условиях сильного тумана, дождя или снегопада.

Возможно применение ООСД инфракрасного диапазона для обеспечения доступа отдельных компьютеров к точкам доступа в офисе по аналогии с беспроводной технологией радиодиапазона IEEE 802.11. Однако распространению такой беспроводной оптической технологии препятствуют трудности возникающие из-за прямолинейного распространения света и возможного появления непрозрачных объектов между передающими и приемными устройствами в процессе эксплуатации.

ООСД для связи с космическими объектами могут обеспечивать дальность связи в десятки тысяч км. Например, такие ООСД могут передавать информацию между спутниками или между спутниками и самолетами. В этом случае, особенно для высоколетящих объектов, влияние атмосферы несущественно.

Открытые оптические системы доступа - системы FSO (Free Spase Optic) в сравнении с системами доступа на кабельных линиях обладают такими качествами как:

- невосприимчивость к электромагнитным помехам;

- высокая скорость передачи;

- низкая удельная себестоимость бита передаваемой информации.

Рисунок 1.1 - Ячеистая сеть на основе ООСД

В отличие от систем беспроводного радиодоступа стандарта IEEE 802.11 системы ООСД могут обеспечивать высокие скорости передачи, примерно такие же, как первичные транспортные сети на оптических кабелях. Это скорости порядка 622 Мбит/с и даже нескольких Гбит/с. Таким образом область применения ООСД - это системы локального доступа и построение магистральных сетей, которое в настоящее время представлено двумя технологиями: проводных оптических сетей и радиорелейных линий (РРЛ). Если сравнивать РРЛ и системы ООСД по стоимости развертывания, то выигрыш для ООСД составит примерно 2-3 раза.

Существует несколько окон прозрачности атмосферы. Как правило в ООСД используют спектральный диапазон ближнего инфракрасного излучения ИК (λ = 0,4 - 1,4 мкм).

В последние годы повысился интерес к окну прозрачности в среднем ИК диапазоне (λ = 8 - 12 мкм). Это связано с разработкой мощных в сотни Вт лазеров на базе СО₂ на длину волны λ ~ 10 мкм.

Примеры обобщенных структурных схем оптических передающих и приемных устройств ООСД представлены на рис. 1.2 -1.5.

Оптическое передающее устройство с мультиплексором каналов в радиодиапазоне (рис.1.2) предназначено для передачи n - сигналов от источников, работающих по различным стандартам, например от телефона, факса, цифровой АТС, локальной компьютерной сети, станции приема телевизионных каналов.

Рисунок 1.2 - Структурная схема оптического передающего устройства с

мультиплексором каналов в радиодиапазоне

Основным режимом работы источников оптического излучения в цифровых системах связи является модуляция оптического излучения по мощности в режиме ключа (включен - выключен). В связи с этим, в случае использования во входных сигналах разнополярных кодов, следует преобразовывать их в однополярные. Кроме того форма импульсов должна быть прямоугольной. Все это откладывает отпечаток на структуру оптического передающего устройства. Передающее устройство содержит блоки преобразования сигналов от источников, работающих по различным стандартам БПРn и пороговое устройство ПУ, формирующее прямоугольные импульсы. Реальные ООСД обеспечивают одновременно передачу от нескольких источников информации, поэтому обязательным элементом системы должен быть мультиплексор каналов. В схеме на рис.1.2 объединение каналов выполнено в электрическом диапазоне с помощью мультиплексора МП. Его схемы могут быть различными. Например в нем может использоваться временное разделение каналов ВРК.

В качестве источника оптического излучения могут использоваться различные виды лазеров: полупроводниковые, газовые, твердотельные или светодиоды. Для коротких линий в основном применяются полупроводниковые лазеры и светодиоды, имеющие небольшие мощности излучения сотни мВт, единицы Вт. Для передачи информации на большие расстояния используются мощные газовые лазеры в десятки и сотни Вт. Мощные лазеры достаточно громоздки в сравнении с полупроводниковыми и требуют мощных источников электропитания. КПД твердотельных и газовых лазеров низок. Например у ряда твердотельных лазеров он составляет единицы процентов.

Источники оптического излучения можно разделить на две группы: с внутренней и с внешней модуляцией. Для реализации внешней модуляции требуется дополнительное устройство - внешний модулятор: электрооптический, магнитооптический или акустооптический. Такие модуляторы работают при достаточно высоких значениях амплитуд управляющих сигналов. Источники оптического излучения с внутренней модуляцией наиболее просты в использовании и не требуют высоких амплитуд модулирующих сигналов.

Полупроводниковые лазеры имеют внутреннюю модуляцию, небольшие мощности излучения и являются токовыми источниками. Последнеее свойство требует введения в передающее устройство дополнительного элемента согласования - преобразователя напряжения в ток. Такое устройство в лазерных системах связи называют генератором тока накачки ГТН, по аналогии с лазерами с системой накачки активного вещества оптическим внешним излучением.

Недостатком полупроводниковых лазеров является зависимость мощности излучения от температуры и времени эксплуатации. Поэтому в ряде оптических систем вводится дополнительнй блок стабилизации рабочей точки излучения лазера БСИИ. Для организации обратной связи используется ответвитель оптической мощности. Однако такой ответвитель вносит дополнительные потери в систему связи. Поэтому в последнее время используются полупроводниковые лазеры со встроенным фотодиодом для детектирования излучаемой мощности. Сигнал с выхода фотодиода усиливается в БСИИ и подается на генератор тока накачки. В этом случае оптический ответвитель не требуется.

Оптическая антенна ОА служит для концентрации световой энергии в направлении получателя информации.

В случае мультиплексирования каналов в оптическом диапазоне схема передающего устройства может иметь вид, представленный на рис. 1.3.

В отличие от схемы (рис.1.2) в каждом канале используется источник оптического излучения со своей рабочей длиной волны λ_i. Сигналы с различными оптическими несущими подаются на оптический мультиплексор, объединяющий оптические каналы по методу СРК, упоминавшемуся выше.

Рисунок 1.3 - Структурная схема оптического передающего устройства с оптическим мультиплексором

Двум схемам оптических передающих устройств соответствуют две схемы оптических приемных устройств (ОПРУ): с мультиплексором в радиодиапазоне (рис.1.4) и с оптическим мультиплексором (рис.1.5).

Оптическое излучение поступает в оптический приемник через оптическую антенну ОА, фокусирующую попадающую на нее оптическую энергию на площадку фотодетектора. Каскад фотодетектора ФД детектирует оптический сигнал, преобразовывая его в электрический сигнал. В качестве фотодетекторов применяются как фотодетекторы без электронного умножения детектированного тока, так и с умножением. Фотодетекторы с умножением называют фотоэлектронными умножителями ФЭУ, а в полупроводниковом исполнении - лавинными фотодетекторами ЛФД. Коэффициент умножения тока в ЛФД составляет от единиц до десятков, а в ФЭУ может достигать десятков тысяч. Недостатком ФЭУ является потребность в высоковольтных источниках электропитания и достаточно большие размеры в сравнении с полупроводниковыми приборами.

Фоторезисторы в системах связи практически не получили распространения из-за малого быстродействия. Также не используются в системах связи и фототранзисторы - гибрид фотодиода и транзистора в одном корпусе. Усиление таких элементов составляет всего несколько единиц, а шумовые характеристики не всегда удовлетворяют высоким требованиям при построении чувствительных фотоприемников.

При построении оптических приемных устройств на основе полупроводниковых фотодиодов, как правило, используют схему диодного включения фотодиода. Диод в исходном состоянии заперт за счет соответствующей полярности источника, а оптические импульсы его открывают.

Возможно применение прямого включения фотодиода без источника питания. В этом случае под действием светового импульса фотодетектор вырабатывает миниЭДС. Такой режим обеспечивает очень высокую чувствительность фотоприемника, так как шумы фотодиода в таком режиме достаточно малы. Однако в этом случае предъявляются высокие требования к предварительному усилителю по уровню вносимых шумов, что достаточно сложно реализовать на практике.

Слабый сигнал после фотодетектора требует усиления. Поэтому обязательным элементом оптического приемного устройства является усилитель электрических сигналов УС.

В зависимости от назначения оптического приемного устройства и условий его работы разработаны различные схемы усилителей для ОПРУ.

Наиболее известны три разновидности таких усилителей: с низким, высоким входным сопротивлением и трансимпедансные усилители.

В связи с возможными искажениями переданных прямоугольных импульсов для восстановления формы импульсов в системе после усилителя ставят пороговое устройство ПУ. Для разделения каналов используется демультиплексор ДМП соответсвующего типа. Если в передающем устройстве для объединения каналов использовался метод ВРК, то такой же метод положен в основу работы ДМП. Сигналы с выходов ДМП поступают на входы блоков преобразования сигналов БПР_i. Эти блоки обеспечивают нормальную работу с терминалами, работающими по различным стандартам, преобразуя сигналы к соответствующему виду, определяемому стандартами терминального оборудования.

Рисунок 1.4 - Структурная схема оптического приемного устройства с мультиплексором каналов в радиодиапазоне

Если в передающем устройстве применено оптическое мультиплексирование каналов (рис.1.3), то приемное оптическое устройство строится по схеме, представленной на рис. 1.5. В этом ОПРУ используется оптическое демультиплексирование каналов. Оно осуществляется с помощью оптического демультиплексора ОДМП. Оптические сигналы различных длин волн подаются на фотодиоды для детектирования. Все каналы обработки оптических сигналов аналогичны и состоят из каскадов фотодиодов ФД, усилителей УС, пороговых устройств ПУ и блоков преобразования сигналов БПР. Сигналы с выхода блоков БПР поступают на терминалы, работающие по различным стандартам.

Рисунок 1.5 - Структурная схема оптического приемного устройства с оптическим мультиплексором

На рис.1.6, 1.7 представлены примеры реализации аппаратуры ООСД (FSO), выпускаемой фирмами "Диатек" (Украина), "Полюс" и "Мостком" (Россия).

Рисунок 1.6 - Аппаратура АОСД фирм "Диатек" (Украина), "Полюс" и "Мостком" (Россия)

Рисунок 1.7 - Аппаратура АОСД "Мост" (Россия)

Важнейшее свойство беспроводной оптической связи - высокая степень защищенности канала от несанкционированного доступа. Это является следствием самой природы лазерной передачи сигнала, а не обеспечивается какими-либо специальными методами. Осуществить перехват канала технически весьма трудно - в силу острой направленности луча и применения уникального для каждой модели метода кодирования информации импульсами излучения. Тем не менее для обнаружения попыток несанкционированного доступа разработан ряд мер, основанных на разнообразных принципах - обращения волнового фронта, анализа изменения принимаемого сигнала и др., что еще больше повышает защищенность канала связи.

Системы связи, работающие в инфракрасном диапазоне, не нуждаются в получении разрешений на использование частот, так как не относятся к сфере радиосвязи и не подпадают под действие регламентирующих документов.