А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Учебное пособие

4-е издание (электронное)

Интернет-Университет
Информационных Технологий
www.intuit.ru

Ай Пи Ар Медиа

Москва

2024

УДК 621.3
ББК 32.88

Берлин, А.Н.
Высокоскоростные сети связи : учебное пособие / А.Н. Берлин. — 4-е изд. (эл.) —
Москва : Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ» : Ай Пи Ар Медиа, 2024. —
451 с. — Текст : электронный.

ISBN 978-5-4497-2393-2
В данном учебном пособии рассмотрены различные участки высокоскоростной сети
коммутации, характеристики и нормы абонентских и соединительных линий, свойства
проводов и кабелей, кроссы и кроссовое оборудование, и их воздействие на передачу
информации. Дается описание принципов передачи по оптоволоконному кабелю, видов
электрооптических и оптоэлектрических преобразователей (светодиоды, светотранзисторы),
характеристик оптоволоконных кабелей и видов дисперсии. Даны основные сведения о
системах цифрового уплотнения абонентских линий и описание различных типов этих линий,
симметричных и асимметричных, высокоскоростных и сверхвысокоскоростных. Рассмотрены
принципы построения и архитектура мобильной системы CDMA, использующей
многостанционный доступ с кодовым разделением. Описаны технология доступа к
широкополосным мобильным сетям OFDMA, применяемые методы модуляции и стратегии
использования каналов. Изложены сведения о высокоскоростной технологии передачи —
синхронной цифровой иерархии (SDH). Приводится описание элементов этой системы и
образование групповых трактов. Рассмотрены основные принципы сети и технологии
передачи при асинхронном режиме передачи (ATM). Описана эталонная модель протоколов
широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания, определяется назначение всех
уровней этой модели. Показан принцип создания виртуального соединения и коммутации
через коммутатор ATM.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям, связанным с
информатикой и информационными технологиями, а также для всех, кто интересуется
сетевыми коммуникациями.
Учебное электронное издание
Технический редактор Е.А. Семенова
Обложка С.С. Сизиумова, Я.А. Кирсанов
Подписано к использованию 05.10.2023.

© ООО «ИНТУИТ.РУ», 2012–2016
© Берлин А.Н., 2012–2016
© Оформление электронного издания.
ООО Компания «Ай Пи Ар Медиа», 2024

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Содержание
1. Абонентские и соединительные линии
2. Линейные устройства. Факторы, ухудшающие
передачу
3. Оптоволоконные кабели
4. Цифровая модуляция
5. Цифровые абонентские линии
6. Технология Ethernet и кабельные сети
7. Многостанционный доступ с кодовым разделением и
сети CDMA
8. Основы ортогонального доступа с частотным
разделением каналов (OFDMA)
9. Технологии SDH
10. Cети ATM
11. Уровни адаптации ATM
Список русских сокращений
Список иностранных сокращений
Глоссарий
Список литературы

3

4
21
40
71
112
141
193
230
280
327
369
408
411
422
447

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Абонентские и соединительные линии
Рассмотрены различные участки сети коммутации, характеристики и
нормы абонентских и соединительных линий, свойства проводов и
кабелей, кроссы и кроссовое оборудование, и их воздействие на
передачу информации.
Терминалы подключаются к станции с помощью абонентских линий.
Абонентская линия местной телефонной сети ("последняя миля" —
lastmile) соединяет оконечное абонентское телефонное устройство с
телефонной станцией.
Абонентская линия вследствие малой пропускной способности стала
основным узким местом, сдерживающим развитие новых услуг связи.
Эта часть сети количественно является самой массовой, поскольку в
конечном итоге каждый абонент сети должен иметь свой вход в сеть,
поэтому таких входов должно быть, по крайней мере, не меньше, чем
абонентов [36]. При введении современных услуг и терминалов
проблема заключается в том, что прямая замена абонентской проводки
современными линейными средствами с высокой пропускной
способностью (например, оптическими кабелями) в короткие сроки
экономически невозможна. Поэтому в течение достаточно большого
периода основные решения будут связаны с использованием
существующих линейно-кабельных сооружений. Знание устройства
существующей линейно-кабельной сети необходимо при переходе к
новым услугам.
Соединительные линии (СЛ), или линии межстанционной связи,
соединяют между собой телефонные станции и в существующих сетях,
как и абонентские линии, реализуются с помощью линейно-кабельных
устройств.
Соединительные линии в настоящее время наряду с абонентскими
линиями составляют одну из основных частей сети.
Возможность успешного обеспечения высокоскоростной передачи
данных по существующей кабельной сети во многом зависит от
способности этой сети передавать сигналы с высокой частотой и
цифровые сигналы. Основные препятствия, которые могут возникнуть
4

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

при организации систем высокоскоростной передачи данных по
существующей кабельной сети, состоящей из медных пар телефонных
проводов, это - установленные устройства и компоненты
(магистральные и распределительные кабели, соединительные
устройства, кроссы и защитные приборы), рассчитанные на
предоставление традиционных услуг телефонной связи;
частотные характеристики по затуханию, которые ограничивают
полосу пропускания до значений, необходимых традиционным
телефонным услугам;
старение со временем существующей кабельной сети и ухудшение
ее характеристик из-за существующей практики монтажа или из-за
внешних воздействий (например, природных факторов).
Абонентская линия местной телефонной сети состоит из участков,
которые рассматриваются ниже.

Линейный участок
телефонной сети

абонентской

линии

местной

Линейный участок абонентской линии местной телефонной сети - это
[8], [27], [28], [29] участок абонентской линии местной сети от
контактов кроссового оборудования станции до розетки телефонного
аппарата.
Основная система построения абонентской сети, которую нужно
учитывать при внедрении любых новых услуг, например цифровых
высокоскоростных абонентских линий - шкафная. При этом абонентская
сеть делится на три участка (рис. 1.1) [8], [28], [33].
Абонентская проводка ("Последний фут") - от розетки телефонного
аппарата до телефонной распределительной коробки (РК), которая
находится на ближайшем расстоянии от места установки оконечного
терминала. В коробку сводятся двух парные телефонные провода от 1020 терминалов и одна испытательная пара. Максимальная длина этого
участка - 150 м. Для сельских сетей устройство, собирающее
абонентские провода (для воздушных линий они могут выполняться
металлическим проводом), называется кабельным ящиком (КЯ) и, по
5

А.Н. Берлин

сравнению с РК,
окружающей среды.

Высокоскоростные сети связи

рассчитывается

на

более

жесткие

условия

Распределительный участок абонентской линии местной телефонной
сети - участок абонентской линии местной телефонной сети от
распределительного кабельного шкафа до абонентского пункта.

Рис. 1.1. Линейный участок абонентской линии местной телефонной
сети
Магистральный участок абонентской линии местной телефонной сети
— участок абонентской линии местной телефонной сети от кроссового
оборудования до распределительного кабельного шкафа. Он включает
участки межшкафной связи, или до абонентского пункта, который
расположен в зоне, примыкающей к телефонной станции, телефонной
подстанции или концентратору в радиусе до 500 м.
На рис. 1.1 показан пример линейного участка абонентской линии
местной телефонной сети. В левой части рисунка находится АТС, от
которой распределяются 1000 пар (1000x2). Проходя по сети, пары в
данном примере разводятся на магистральном участке по
распределительным шкафам, сначала группами по 300 пар (300x2) и
далее группами по 200 пар.
На распределительном участке линии распределяются по 50 пар и далее
по 20 и 10 пар. Проводка до абонентской телефонной розетки
выполняется однопарным телефонным проводом, а при воздушных
линиях — металлическими проводами без изоляции.
6

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Средняя длина линейного абонентского участка абонентской линии в
местной городской сети — около 2,5 км.

Соединительные линии местной телефонной сети
Соединительные линии (СЛ) городской телефонной сети соединяют
районные автоматические и узловые телефонные станции между собой
и телефонную подстанцию или концентратор с опорной станцией
городской телефонной сети.
При связи в сельских районах СЛ соединяет оконечные и узловые
телефонные станции (УС) между собой, а также оконечные (ОС) и
узловые станции с центральной телефонной станцией. В
междугородней связи СЛ применяются для связи с междугородними
телефонными станциями (АМТС).
Средняя длина соединительной линии — 4-12 км.
Стоимость абонентских и соединительных линий составляет большую
часть стоимости сети.
Величина, показывающая удельную протяженность абонентских линий
на сети, выражается в км/1000 номеров АТС. Эта величина показана в
таблица 1.1 [8].
Таблица 1.1. Удельная протяженность абонентских и соединительных
линий (км/1000 номеров)
Численность населения в
Протяжность кабельных линий км/1000
городе
номеров
Более миллиона человек
100 тыс.до 1 млн.

4000
3000

Менее 100 тыс.

2000

Характеристики кабелей и проводов
Параметры проводов и кабелей сегодня привлекают особое внимание,
поскольку существенно влияют на расширение полосы передачи и,
7

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

следовательно, на предоставляемые услуги, рассматриваемые в этой
книге в дальнейшем. Например, при использовании цифрового
уплотнения абонентских линий (xDSL - Digital Subscriber Line) требуется
полоса пропускания частот не менее 160 Кбит/с, а в дальнейшем до 8
Мбит/c.
Основные физические параметры, влияющие на возможность
расширения услуг - это сопротивление абонентских и соединительных
линий постоянному току, сопротивление утечки, емкость и
индуктивность линии. Эти параметры носят распределенный характер
и зависят от длины и марки кабеля. Для различных расчетов их часто
представляют в виде двухполюсника, образованного реальными
конденсаторами и резисторами, так, как это показано на рис. 1.2 для
абонентской линии; аналогичное представление используется и для
соединительной линии.
Согласно рис. 1.2 сопротивление постоянному току одной линии равно:

Разность

сопротивлений
.

проводов

называется

асимметрией:

На других участках абонентских линий и на соединительных линиях
ГТС рекомендуется использовать многопарные кабели типа ТП, МКС с
медными жилами диаметром 0,32, 0,4, 0,5 и 0,64 мм и кабели типа Т с
медными жилами диаметром 0,4, 0,5, 0,64 мм.
Величина асимметрии нормируется. Обычно для передачи речи норма
принимается не более 1% от номинальной величины сопротивления
линий в виде емкостей и резисторов.

8

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 1.2. Условное изображение физических параметров абонентских
Для передачи высокоскоростных данных эта норма должна быть
уменьшена. Ниже приводятся характеристики некоторых марок
проводов.
Для абонентской проводки применяют однопарные распределительные
провода марок ТР1) (телефонный распределительный) с медными
жилами диаметром 0,4 и 0,5 мм.
Некоторые сведения характеристик проводов и кабеля приводятся в
таблица 1.2, таблица 1.3(см. [33]2)).
Таблица 1.2. Удельное сопротивление токопроводящей медной жилы
(Ом/км) для проводов абонентской разводки (максимальное
сопротивление)
9

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Диаметр Сопротивление
жилы, цепи, Ом, не
мм
более
0,32

458,0

0,40

296,0

0,50

192,0

0,64

116,0

Примечание

Сопротивление токопроводящей медной
жилы, пересчитанное на 1 км длины при
температуре 20 градусов по Цельсию.

Таблица 1.3. Удельное сопротивление токопроводящей медной жилы
(Ом/км) многопарных кабелей местной телефонной связи
Электрическое
Диаметр
сопротивление
токопроводящей
Примечание
токопроводящей
жилы, мм
жилы, Ом, не более
0,32

229,0

0,40

148,0

0,50

96,0

0,64

58,0

Сопротивление токопроводящей
медной жилы, пересчитанное на
1 км длинны при температуре
200С

Рабочая емкость электрических цепей кабельных линий ГТС,
пересчитанная на 1 км длины, составляет в зависимости от марки
кабеля не более 50-55 нФ. Электрическая емкость измеряется между
двумя жилами цепи при заземленных остальных жилах, экране и (или)
оболочке кабеля.
Индуктивность кабелей находится в пределах 4,75-7,04 10-4 Гн/км.
Сопротивление изоляции показаны в таблице 1.4.
Параметры реальной абонентской линии, проложенной в условиях
10

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

городской телефонной канализации, отличаются от параметров
телефонного кабеля. Большую роль при этом играют условия, в которых
проложен кабель (трубопроводы или тоннели, или грунт, или
подводный кабель). Большие изменения вносит качество соединений
кусков кабелей, соединительные муфты, способ и качество коммутации
в распределительных коробках и шкафах. Физические дефекты кабеля
могут привести (и приводят) к местному изменению его электрических
характеристик, что существенно ухудшает работу широкополосных
систем передачи. Каждая кабельная муфта может быть подвержена
коррозии, проникновению воды и изменению своего сопротивления (с
полным или частичным обрывом соединения).
Частично эти показатели тоже нормированы (например, величина
затухания при сращивании кабелей), но в данной книге
рассматриваться не будут.
В настоящее время появились новые стандарты на широкополосные
кабели с частотной полосой более 200 МГц, которые опираются на
иные, чем ранее, характеристики и форму их представления [7].Эти
стандарты
выпущены
американской
ассоциацией
телекоммуникационной индустрии TIA — (Telecommunication Industry
Association).
Новшество заключается, например, в представлении стандартных
требований в виде уравнений (как мы видим, большинство норм в
настоящее время задается в табличном, либо в цифровом виде).
Причина такого изменения в том, что современные анализаторы
кабельных систем позволяют строить графические зависимости по
аналитическим выражениям легко и просто. Считается, что графическая
форма более наглядна.
Кроме того, новшества коснулись наименования и состава участков
сети.

Основные требования к абонентской линии
Приведем ( таблица 1.4) примерные требования к абонентской линии
со стороны станции [8].
Таблица 1.4. Примерные требования
к абонентской и соединительным
11

А.Н. Берлин

сети связи
Таблица 1.4. Примерные требования к абонентской и Высокоскоростные
соединительным
линиям
Соединительная
Абонентская Соединительная
Параметр
линия
линия
линия
(междугородняя)
Сопротивление
каждого из разговорных 500 / 1700* 700
1000
проводов ОМ, не более
Сопротивление
изоляции между
проводами или между 20 / 50*
50
150
любым проводом и
землей кОм, не менее
Eмкость между
проводами или любым
0,5 / 1*
1,6
1,3
проводом и землей,
мкФ, не более
* Для удаленных абонентов

Данные, приведенные в таблице 1.4 , показывают требования,
предъявляемые при предоставлении услуг при передаче речи при
установленном обычном телефонном соединении. Услуги при передаче
данных с помощью модема и организации передачи речи через Internet
предъявляют другие, более жесткие требования к физическим
параметрам линий и станции (станционного четырехполюсника).
Точнее, они требуют жесткого выполнения объявленных норм и
идеального содержания всех участков линейных и станционных
сооружений. Одним из важнейших показателей является затухание
линий и их частотные зависимости.

Кроссы и элементы защиты
Кроссы предназначены для ввода на станцию кабелей абонентских,
соединительных линий и аналоговых и цифровых уплотненных линий.
Кросс — это коммутационное поле для электрического подключения и
механической фиксации окончаний кабелей и защитных элементов,
12

А.Н. Берлин

предоставляющее возможность
помощью проводов и перемычек.

Высокоскоростные сети связи

коммутации

преимущественно

с

Наибольшие ограничения на развитие современных видов услуг
накладывают элементы, устанавливаемые в кроссах для защиты
устройств и линий.
В соответствии со стандартом [38], электрической защите в кроссах
станций с помощью разрядников и предохранителей в 100%-м объеме
подлежат линии, включенные в цепи кабелей (подземных, подвесных и
проложенных по стенам зданий):
1. абонентские комплекты физических абонентских линий и
уплотненных линий;
2. входы на станции электромеханической, квазиэлектронной и
электронной систем коммутации;
3. аппаратура уплотнения и таксофоны;
4. комплекты реле физических соединительных линий на станциях
электромеханической, квазиэлектронной и электронной систем
коммутации.
Функционально устройства защиты разделяются на:
устройства защиты по току;
устройства защиты по напряжению;
комбинированные защитные устройства (защита по току и по
напряжению);
В качестве элементной базы производители устройств защиты
используют:
для защиты по напряжению воздушные искровые разрядники,
газонаполненные разрядники, варисторы, ограничительные
диоды, полупроводниковые тиристорные структуры;
для защиты по току: резисторы, плавкие вставки, индуктивные
термокатушки, позисторы (терморезистор с положительным
температурным коэффициентом сопротивления — ТКС),
электронные схемы.
13

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Они устанавливаются со станционной и абонентской сторон [8].
Угольные грозоразрядники (защита по напряжению). При большом
напряжении они меняют свое сопротивление ("пробиваются") и
замыкают электрическую цепь "на себя", защищая абонентскую линию и
приборы станции. Напряжения "пробоя" угольного разрядника зависит
от типа и составляет 230-500 В для статического напряжения при
времени срабатывания 2 с. После разряда гарантируется напряжение не
более 80 В при токе 120 мА. Межэлектродная емкость (которая может
влиять на передачу высокоскоростных данных) равна 10 пФ.
Применяемые также газонаполненные разрядники обеспечивают
пробой примерно при тех же уровнях напряжения и имеют те же
временные и емкостные характеристики, что и угольные.
Термические катушки (защита по току) — предохранители
многоразового действия. Они включаются в случае нагревания до
определенной температуры и отключают защищаемую цепь. Основные
параметры термических катушек: ток срабатывания — 0,11-014 А, время
срабатывания — от 10-55 с, сопротивление — 20 Ом.
Однако элементная база (разрядники и предохранители) схем защиты,
представленных в ГОСТ 5238-81, по своим характеристикам не
обеспечивает надежную защиту оборудования АТС от опасных
напряжений и токов. Особенно это касается АТС с электронными
системами
коммутации
(ЭАТС), где компоненты
наиболее
чувствительны к посторонним электромагнитным воздействиям. Чаще
всего электромагнитными импульсами, приходящими со стороны
линии, повреждаются абонентские комплекты ЭАТС, где наиболее
"слабое" место находится на печатной плате внутри одного из
электронных коммутаторов.
Каждый из элементов защиты имеет собственную электрическую
емкость, индуктивность и сопротивление. Они не оказывают никакого
отрицательного воздействия на традиционную телефонную связь и
низкоскоростную передачу данных. Но эти элементы могут ухудшать
передачу высокочастотных цифровых сигналов, в значительной мере
ограничивая скорость передачи данных и максимальную длину
телефонной линии, по которой эти данные могут передаваться. В
частности, это относится к защитным устройствам, включающим в себя
14

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

термическую катушку (имеющую относительно высокую индуктивность
для увеличения чувствительности и более быстрого срабатывания).
Поскольку за время срабатывания современные электронные устройства
на стороне станции выходят из строя, и такая защита становится
бессмысленной,
в
настоящее
время
разработана
более
быстродействующая защита [15].
В последнее время наиболее эффективным средством защиты
аппаратуры от любых импульсных напряжений
признаны
варисторы[1], [6].
Варисторы [англ. varistor, от variable — переменный и resistor — резистор
— это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от
приложенного напряжения. Отличительной чертой варистора является
двухсторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная
вольтамперная характеристика.
При возникновении высоковольтного импульса сопротивление
варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку,
защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. Это
изменение происходит примерно за 25 нс. При этом через варистор
может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч
ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после
исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим.
Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому
устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но
гасит импульсы опасного напряжения.
В импульсном режиме через варистор протекает большой ток,
вследствие чего необходимо опасаться выхода его из строя из-за
перегрева. Поэтому нужно использовать варисторы с рассеиваемой
мощностью большей, чем расчетная. Для расчета варисторов,
защищающих те или иные цепи от грозового разряда, иногда приводят
сведения о напряжении на вариаторе при воздействии стандартного
грозового импульса, который имеет емкость около 100 нФ.
Тиристоры — переключательные полупроводниковые приборы с двумя
устойчивыми состояниями, имеющими три или более p-n переходов
[15], [37]. Они переходят из закрытого состояния (с большим
15

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

сопротивлением) в открытое (с малым сопротивлением) при
определенном значении напряжения на электроде управления.
Тиристоры работают как ключи в импульсных режимах с токами,
значительно превышающими допустимые постоянные токи в открытом
состоянии. Время его перехода к проводящему состоянию
приблизительно 1 нс. Однако, емкость тиристора около 200 пФ.
Тиристор рассчитан на пропускание большого тока - свыше 10 А.
Для защиты по току кроме термических катушек и плавких вставок в
настоящее время применяют позисторы. Это полупроводниковые
приборы
с
отрицательной
температурной
характеристикой
сопротивления. Они увеличивают свое сопротивление при нагревании.
Время срабатывания позисторов — около 2 с, пропускаемый ток — от 3
А. Однако они вносят в цепь передачи информации довольно большое
сопротивление 5-50 Ом, в отличие от плавкой вставки, которая вносит
сопротивление 1x10-4 Ом при времени срабатывания 5 с, немного
превышающее время срабатывания позистора.
В соответствии с установленными требованиями К.20 МСЭ-Т, К.11
МСЭ-Т и МС-06-16.02.1989 г., выпускаемое оборудование ЭАТС
должно выдерживать без повреждений воздействие электромагнитных
помех амплитудой до 1000 V при отсутствии дополнительной защиты в
кроссе. При этом допускается частичное повреждение оборудования от
воздействия напряжения сети 220 В, 50 Гц. В связи с этим в
абонентских
комплектах
современных
электронных
АТС
устанавливается собственная защита от перенапряжения. При изучении
влияния элементов защиты на передачу скоростной информации надо
учитывать,
что
устройства
защиты
могут
устанавливаться
неоднократно. На рис. 1.3 показан случай, когда абонентская линия
состоит из двух участков — кабельного и воздушного, при этом
воздушный участок пересекает провода электрической сети или
контактные сети трамвая и троллейбуса. В этом случае имеется три
точки линии, на которых устанавливается защита. Наиболее часто
используемые схемы включения электрической защиты приводятся в
[8].

16

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 1.3. Пример установки электрической защиты на абонентской
линии, состоящей из кабеля и воздушной линии
Пример установки электрической защиты на абонентской линии,
состоящей из кабеля и воздушной линии.

Краткие итоги
Абонентская линия местной телефонной сети ("последняя миля"
— last-mile) соединяет оконечное абонентское телефонное
устройство с телефонной станцией. Вследствие ее малой
пропускной способности стала основным узким местом,
сдерживающим развитие новых услуг связи.
Абонентская сеть делится на три участка:
абонентская проводка ("Последний фут") — от розетки
телефонного аппарата до телефонной распределительной
коробки (РК);
распределительный участок абонентской линии местной
телефонной сети — от распределительного кабельного
шкафа до абонентского пункта;
магистральный участок абонентской линии местной
телефонной сети — от кроссового оборудования до
17

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

распределительного кабельного шкафа, включая участки
межшкафной связи, или до абонентского пункта, который
расположен в зоне, примыкающей к телефонной станции,
телефонной подстанции или концентратору в радиусе до
500 м.
Соединительная линия телефонной сети (СЛ) — линия
телефонной сети, соединяющая автоматические и узловые
телефонные станции между собой.
Параметры проводов и кабелей сегодня привлекают особое
внимание, поскольку очень влияют на расширение полосы
передачи и, следовательно, на предоставляемые услуги.
Для
абонентской
проводки
применяют
однопарные
распределительные
провода
марок
ТР
(телефонный
распределительный) с медными жилами диаметром 0,4 и 0,5 мм.
На других участках абонентских линий и на соединительных
линиях ГТС рекомендуется использовать много парные кабели
типа ТП, МКС с медными жилами диаметром 0,32, 0,4, 0,5 и 0,64
мм и кабели типа Т с медными жилами диаметром 0,4, 0,5 и 0,64
мм.
Основные физические параметры, влияющие на возможность
расширения услуг — это сопротивление абонентских и
соединительных линий постоянному току, сопротивление утечки,
емкость и индуктивность линии.
Кроссы предназначены для ввода на станцию кабелей
абонентских, соединительных линий и аналоговых и цифровых
уплотненных линий.
В кроссе устанавливаются два вида элементов электрической
защиты. Они устанавливаются со станционной и абонентской
стороны.
Грозоразрядники — это устройства, которые при большом
напряжении меняют свое сопротивление и замыкают
электрическую цепь "на себя", защищая абонентскую линию
и приборы.
Термические катушки — предохранители многоразового
действия. Они включаются в случае нагревания до
определенной температуры и отключают защищаемую цепь.
Примерные требования к абонентской линии со стороны станции:
сопротивление каждого из разговорных проводов;
сопротивление изоляции между проводами или между
18

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

любым проводом и землей; емкость между проводами или
любым проводом и землей.

Задачи и упражнения
1. Используя таблицу 1.4 (Примерные требования к абонентской и
соединительным линиям), определите максимальную длину
абонентской линии, которая может быть обслужена в
соответствии с нормами на сопротивление абонентской линии,
указанными в таблице 1.3 . -Удельное сопротивление
токопроводящей медной жилы (Ом/км) многопарных кабелей
местной телефонной связи для однопарных кабелей (не учитывать
сопротивление абонентской разводки).
2. Используя таблицу 1.4 , определите максимальную длину
соединительной линии, которая может быть обслужена в
соответствии с нормами на сопротивление медной жилы,
указанными в таблице 1.3 (Удельное сопротивление
токопроводящей медной жилы (Ом/км) многопарных кабелей
местной телефонной связи).
3. Используя данные по сопротивлению изоляции кабелей
(1000мОМ/км), определите максимальную длину абонентской
линии, которая может быть обслужена в соответствии с нормами
на изоляцию абонентской линии, указанными в таблице 1.4
(учтите, что сопротивление изоляции действует как параллельное
соединение).
4. Используя данные по емкости кабеля (50-55 нФ/км), определите
максимальную длину абонентской линии, которая может быть
обслужена в соответствии с нормами на емкость абонентской
линии, указанными в таблице 1.4.
5. Используя данные по емкости кабеля, определите максимальную
длину соединительной линии, которая может быть обслужена в
соответствии с нормами на емкость абонентской линии,
указанными в таблице 1.4.
6. Сравните результаты п. 1-5. Какие параметры в большей степени
ограничивают длину абонентской и соединительной линий?
1)

Обозначение марок кабелей в дальнейшем не расшифровывается, так
как в большинстве случаев сокращение содержит указание на тип
19

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

изоляции (например, П – полиэтиленовая) и/или на тип защиты
(например, Б — бронированные). Эти характеристики мы не
рассматриваем. Для ознакомления с ними можно рекомендовать [32],
[33]
2) Ссылки на ГОСТ, ОСТ и другие официальные документы здесь и
далее приводятся для указания источника сведений при авторской
трактовке. Приводимые данные не могут быть использованы ни у каких
целях как официальные данные

20

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Линейные устройства. Факторы, ухудшающие передачу
Приводится описание основных линейных устройств, необходимых для
физической передачи информации — дифференциальные системы,
эхокомпенсаторы
и
эхоподавители.
Рассмотрены
основные
характеристики линии, прямое и переходное затухание, а также
факторы, ухудшающие параметры передачи, шумы и помехи, отводы,
пупиновские катушки.

Дифференциальная система (hybrid)
Пока еще абонентские линии в большинстве случаев двухпроводные. Во
многих случаях имеются двухпроводные соединительные линии.
Цифровые и аналоговые системы передачи, как правило, применяют
четырехпроводные физические линии. Поэтому одна из задач состоит в
переходе от двухпроводной линии к четырехпроводной. Схема,
включаемая в линию и выполняющая такой переход, называется
дифференциальной системой (hybrid). Это устройство (рис. 2.1) в виде
трансформатора (или группы трансформаторов), имеющего три отвода.
В первый из них включается цепь, поступающая от цепей передачи. Во
второй включается цепь, поступающая от цепей приема. В третью —
балансные цепи. Принцип работы дифференциальной системы.
Сигналы из цепей приема поступают в двухпроводную линию, а из нее
— в цепь передачи с помощью трансформаторной связи. Информация,
передаваемая в двухпроводную линию, может пройти в цепь приема
четырехпроводной линии, как это показано пунктирной линией на рис.
2.1 . Для того чтобы этого не произошло, установлена третья обмотка
(В), которая наводит в цепи приема четырехпроходной линии ток,
обратный и равный по величине току передатчика четырехпроходной
линии. Балансные цепи, предназначаются для того, чтобы установить
нужные параметры этого тока. Балансный контур содержит активные
(резисторы) и реактивные составляющие (емкостную и индуктивную).
Его комплексное сопротивление должно быть согласовано с
сопротивлением абонентской линии. Поскольку сопротивление линий
изменяется,
особенно
если
эта
линия
подключается
к
дифференциальной системе с помощью систем коммутации, такое
сопротивление не может поддерживаться точно. В настоящее время в
балансных схемах применяются управляемые (адаптируемые) цепи с
21

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

комплексным сопротивлением, которое регулируется (управляется
цифровым сигнальным процессором) с помощью программы. Надо
отметить,
что
дифференциальные
системы
могут
вносить
дополнительное затухание и могут препятствовать высокоскоростной
передаче. Поэтому в большинстве систем коммутации приняты меры по
передаче,
приему
и
выполнению
сигналов
отключения
дифференциальной системы. Например, передача сигнала "отключение
дифференциальной системы" с помощью частоты 2100 Гц.

Рис. 2.1. Принцип работы дифференциальной системы

Эхокомпенсатор (echo canceller)
Основная проблема заключается в том, что при работе
дифференциальной схемы возможен переход информации с цепей
передачи на цепь приема, как это показано на рисунке пунктирной
линией. Такой переход вызывает у абонента эффект эха. В линии, при
наличии усилителей, это может привести к генерации. Информация,
поступившая в цепь приема, может, пройдя усилитель, снова поступить
в цепь передачи, что приведет, как принято говорить, к возбуждению
всей системы передачи. Поэтому имеется третий трансформатор, задача
которого - порождать в трансформаторе передачи компенсационный ток
(текущий в обратном направлении и равный по величине току,
22

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

поступившему от приемника). Чтобы этот ток можно было
регулировать,
применяется
балансный
контур,
комплексное
сопротивление которого регулируется в зависимости от параметров
абонентской линии. В цифровых системах для улучшения качества
тракта применяется цифровая схема эхо - компенсации (см. рис. 2.2 ).
Явление "эхо" заключается в поступлении в приемник сигнала
передатчика. Это может порождаться не только несовершенством
дифференциальной системы, но и многими другими причинами
(рассогласованием входных сопротивлений на разных участках
передачи, эффектом отражения сигнала на длинной линии и т.п).
Эхо-компенсация [2] основывается на том, что обратный сигнал,
повторяющий прямой, приходит с некоторым запаздыванием. Ее
принцип заключается в том, что передаваемая в линию информация
через цепь задержки передается в сумматор, стоящий в цепи приема.
Там она вычитается (алгебраически суммируется) из принимаемого
потока. Задержка и параметры сигнала выбираются таким образом,
чтобы при вычитании уничтожить сигналы, перешедшие из
собственной цепи передачи.

Рис. 2.2. Структурная схема двухпроводной линии с эхокомпенсатором

Эхоподавление (echo suppressor)
Метод эхоподавления основан на том, что при передаче информации
закрывается (ослабляется) цепь собственного приема. При
эхоподавлении может происходить ухудшение качества связи в момент,
когда оба абонента активны, а тракт приема одного из них
23

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

заблокирован. Принцип действия эхоподавителя показан на рис. 2.3.
Устройство для подавления эхосигнала основано на автоматической
блокировке приема на время передачи. Для этого существуют два
устройства: первое следит за активностью абонента A, второе — за
активностью абонента Б. Активность Б определяется тем, что уровень
сигнала в приемной цепи выше, чем уровень сигнала в передающей
цепи.

Рис. 2.3. Структурная схема двухпроводной линии с эхоподавителем

Факторы, ухудшающие передачу
Затухание
Прямое затухание — это интегральный показатель качества передающей
среды. Затухание показывает уменьшение мощности сигнала в
результате его прохождения через среду передачи. Количественно оно
выражается отношением значения мощности на выходе
к
мощности на входе
:

Наиболее распространено представление затухания в виде
логарифмического отношения, единица которого называется децибел
(дБ).
24

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Обычно мощность согласно этой формуле определяется относительно 1
мВт. На практике удобно измерять не мощность, а напряжение, которое
подается на входное сопротивление линии. В этом случае затухание
определяется относительно напряжения
. Затухание тогда
определяется по формуле

Измерение затухания можно также проводить с помощью измерения
тока. Тогда затухание определяется относительно величины
по формуле

В официальных документах, например нормах МСЭ-Т, начальным
уровнем передачи считается 0 дБ, т.е. входная мощность равна 1 мВт.
Эта единица измерения обозначается дБм (мощность в децибелах,
отсчитываемая относительно 1 милливатта). Однако в реальной
системе передачи входной сигнал редко совпадает с этим значением
мощности. Уровень входного сигнала диктуется типом оборудования,
типом и протяженностью линии. Поэтому во всех странах принято
измерять затухание системы передачи относительно назначенной
заранее точки отсчета в цепи передачи, по которой определяются
значения уровней передачи во всех остальных точках. Эта точка
неудачно названа точкой c нулевым уровнем передачи (Zero Transmission
Level point). Заметим, что уровень в этой точке не равен нулю,
например, в США уровень передачи на передающем окончании
четрехпроводной системы передачи определен нормами (2 дБм). При
этом уровень в других точках, измеренный относительно данной,
обозначается для точек с более высоким уровнем +дБр(децибелразность), или, для точек с более низким уровнем, просто дБр.
(Английская аббревиатура dBr — decibels above reference). На рис. 2.4
показана зависимость коэффициента затухания от частоты для кабеля
25

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

марки ТПП [8]. Под коэффициентом затухания понимается [34]
относительное изменение мощности передачи сигнала, при
распространении его на единицу расстояния, выраженное в км.

Рис. 2.4. Частотная характеристика коэффициента затухания для кабеля
ТП с диаметром жилы 0,4 мм
На рис. 2.5 показана зависимость коэффициента затухания от частоты
высокочастотного кабеля марки МКС (Многопарные Симметричные
Кабели) 1X4 в алюминиевой оболочке с диаметром жилы 1,2 мм. Она
приведена, чтобы показать характер поведения затухания при
увеличении частоты и отметить, что кабельные пары способны
поддерживать гораздо более высокие частоты, чем требует речевой
тракт (примерно 3,4 КГц).

26

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 2.5. Частотная характеристика высокочастотного кабеля марки
МКС (Многопарные Симметричные Кабели) 1X4 в алюминиевой
оболочке с диаметром жилы 1,2 мм

Распределение затухания
Максимальное затухание между двумя телефонными аппаратами на
городской телефонной сети должно быть не более 28 дБр (децибелразность). В данном случае все величины затухания показаны от уровня
предыдущей точки. При этом затухание абонентских линий (АЛ) не
должно превышать 4,5 дБ для кабеля с диаметром жил 0,32 и 3,5 дБ для
жил с большим диаметром.
Затухание станционного четырехполюсника не должно превышать 1 дБ
на РАТС (районных АТС) и 0,5 на узловых станциях (исходящего УИС
или входящего сообщения — УВС).
При четырехпроводной коммутации затухание станционного
четырехполюсника узловых станций принимается равным нулю. При
переходе от двухпроводного соединения к четырехпроводному тракту
затухание равно 1дБ. При использовании электронных АТС затухание
на участках с системой передачи ИКМ должна быть 7 дБ.
Распределение затухания в дБ на ГТС приведено на рис. 2.6 .
27

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 2.6. Распределение затухания на городской телефонной сети

Переходное затухание
Переходное

затухание

—

величина,
28

которая

характеризует

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

относительное
количество
энергии,
переходящей
вследствие
электромагнитной связи из одной цепи в другую; выражается в
децибелах. Так же как обычное затухание, оно измеряется отношением
мощности на выходе к мощности на входе. Но в данном случае входным
является мощность полезного сигнала одной цепи, выходным —
мощность этого же сигнала в соседней цепи. Этот эффект обязательно
имеет место между соседними цепями (жилами кабеля, проводами
воздушной линии). Он может порождаться переходами сигналов из
приемника
в
передатчик,
а
также
при
преобразовании
четырехпроводной
линии
в
двухпроводную
и
обратным
преобразованием.
Различаются переходное затухание:
измеряемое на ближнем конце (NEXT — Near End Cornstalk).
Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой,
который измеряется на конце, ближнем к передатчику пары,
подверженной влиянию;
измеряемое на дальнем конце (FEXT — Far End Cornstalk). Имеется
в виду переход мощности от одной пары к другой, который
измеряется на конце, дальнем от передатчика пары,
подверженной влиянию. Измерение проводятся во всем
диапазоне рабочих частот, т.е. для речевого сигнала — в
диапазоне частот 300-3400 Гц.

Меры по уменьшению переходного затухания.
Кабель с витыми парами
Для уменьшения влияния переходного затухания применяются кабели с
витыми (скрученными) парами. Это многожильные кабели, у которых
жилы скручены по парам или четверкам. Принцип борьбы с помехами
переходного затухания заключается в том, что при скрутке провода,
влияющие на отдельные участки кабеля, наводят электромагнитную
энергию, равную по амплитуде и противоположную по направлению,
как это показано на рис.2.7. При идеально сбалансированной скрутке
(равный шаг скрутки, идеальная симметрия проводов) переходное
29

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

затухание равно нулю.

Рис. 2.7. Метод устранения помех с помощью "скрещивания" проводов
например, применение в одном помещении электромеханических и
электронных систем. В современных системах, применяющих
абонентские устройства передачи данных, большое значение имеет
показатель коэффициент импульсных помех
Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки
состояния линии, он указывает количество ошибок на определенное
число переданных битов. Нормальным считается коэффициент ошибок
— это означает, что на
битов в канале появляется одна
помеха, которая может привести к ошибке. Минимально приемлемая
величина коэффициента ошибок (допускается обычно при применении
радиотракта) составляет
. Величина
считается хорошей.
Следует учитывать, что эти показатели условны. Они измеряются за
определенный интервал времени, например, за час. Но в реальности в
течение каждого интервала они распределяются неравномерно и могут
приходить концентрированно (пачкой). Поэтому иногда вводят
коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок), который показывает
отношение количества ошибок, полученных в данном интервале
времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам. Для преодоления
ошибок применяются различные алгоритмы, которые будут
рассмотрены далее. Помехи ухудшают качество приема речи, а при
передаче данных могут привести к неверному их принятию или
задержкам, замедляющим реальную скорость обмена данными (скорость
модема). Наибольшие проблемы возникают при ухудшении этого
коэффициента и при контроле качества канала со стороны передающих
или принимающих устройств. Если эти устройства настроены на
30

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

отключение канала при превышении ошибки, то при случайных
возмущениях в сети часто происходит полное отключение станции.
Поэтому при автоматическом контроле этого параметра необходимо
оставлять возможность регулировки порога.

Измерение затухания
Стандартный уровень шума, относительно которого измеряются
помехи, равен 1 пВт или 10-12 Вт. Это равняется принятому
акустическому порогу слышимости (см. раздел 1.1 в части
"Акустические свойства человеческого уха"). В относительных единицах
дБм (децибел-милливатт, мощность, отсчитываемая относительно
одного милливатта) это составляет -90 дБм. Мощность, измеряемая
относительно эталона 1 пВт, называется эталонной и обозначается в
дБэт. Мощность, указанная в дБэт, показывает, насколько уровень шума
превышает эталонный. Иначе

Уровень 20 дБэт равен 70 дБм, т.е. уровню, измеренному относительно
одного децибела. И наоборот,

Однако, акустическое восприятие человеком звука зависит от частоты.
Эта чувствительность изображается диаграммой слуха и имеет
максимум на частоте 1000 Гц. Поэтому при измерении мощность шума
усредняют (взвешивают) в соответствии с псофометрической кривой,
учитывающей
уровень
слышимости
в
соответствии
с
чувствительностью человеческого уха. Приблизительно эта величина
составляет 0,562от мощности шума, измеренной в пВт. Эта мощность
называется псофометрической мощностью и обозначается пВтп.
Поэтому мощность, выражаемая в дБм, легко пересчитывается в дБп
(децибелы псофометрические). Если сигнал шума имеет мощность P, то
затухание, выраженное в дБм, равно

а затухание, выраженное в дБп,
31

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Учитывая, что эталонный уровень

Для полноты изложения отметим, что в Северной Америке принято
учитывать частотную зависимость восприятия звука с помощью C
взвешивания. Кривая восприятия звука определяется путем измерения
чувствительности на различных типах телефонных аппаратов (не менее
500). В этом случае диаграмма восприятия звука несколько отличается
от псофометрической. Приблизительно эта величина

Задержка передачи
Задержка передачи информации (запаздывание) измеряется временем
между поступлением сигнала на вход системы передачи и появлением
его на выходе. На это время влияют: параметры линии, параметры
аппаратуры, быстродействие и алгоритмы обработки. Задержка
информации приводит к наличию эффекта эха при передаче речи. А
фазовые задержки могут привести к ошибкам в передаче данных или к
уменьшению скорости передачи за счет времени, необходимого для
исправления ошибок.

Пупиновские катушки
Для использования существующей абонентской кабельной сети с целью
передачи интегральной информации следует упомянуть еще одно
решение, применяемое на абонентском участке в целях увеличения
дальности передачи информации в речевом диапазоне — это
пупиновские катушки. Известно, что высокие частоты спектра речи
подвержены затуханию больше, чем низкие. Это определяется
преимущественно емкостным характером абонентской линии.
32

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Зависимость затухания от частоты приводит к искажениям речевого
сигнала, которые называются "амплитудными искажениями". В
существующих
сетях
получило
распространение
введение
искусственной индуктивности, которая ослабляет емкостный характер.
Эти устройства получили название "пупиновские катушки" (по имени
их изобретателя, словацкого ученого Пупина). Эти катушки
используются на длинных межстанционных и абонентских сельских
линиях. Улучшая параметры речи, они препятствуют расширению
частотного диапазона (например, для услуг, требующих широкой полосы
частот) [2].

Отводы
Существует три категории отводов абонентской линии в
распределительной или магистральной сети. Первый — отвод для
подключения резервного оборудования (jumping-off). Он используется в
качестве резервной линии для подключения телефонного аппарата в
другое место (например, дополнительная розетка). Большую часть
времени он находится в состоянии, когда к нему не подключена
аппаратура. Отвод для перехвата информации (taping) подразумевает
включение
оборудования,
которое
самоактивно
принимает
информацию. Если использование кабельных отводов и допустимо в
аналоговых телефонных сетях, обычно такие отводы оказывают
серьезное воздействие на работу цифровых систем передачи. Цифровой
сигнал, передаваемый по кабелю абоненту, попадает также и в каждый
кабельный отвод. Отраженный от конца такого отвода сигнал
накладывается на исходный сигнал, подаваемый абоненту, что приводит
к значительному увеличению числа ошибок. К цифровому абонентскому
тракту не должно быть подключено телефонное оборудование.
Еще один тип отвода — неиспользуемая пара (bridged tap):
дополнительная пара проводов, проложенная рядом с основными
парами кабеля. Она обычно ни к чему не подключена, но может
понадобиться в будущем для подключения нового пользователя.
Короткие неиспользуемые пары не влияют на сигналы в речевой
полосе, но могут быть чрезвычайно вредны для цифровых сигналов
высокой частоты.

33

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Потери
Качество обслуживания телефонных вызовов на сети определяется
вероятностью потерь (отказов в обслуживании) из-за отсутствия
свободных и доступных коммутационных приборов или каналов.
Определению всех понятий и расчету потерь посвящена большая
область теоретических исследований. Для детального рассмотрения
этих вопросов рекомендуются книги [17], [18], [14], [35]. Кратко
приведем нормы на обслуживание.
Имеются потери двух типов — явные потери и потери по ожиданию. В
первом случае при отсутствии свободных путей или каналов заявка
снимается с обслуживания, во втором случае — ставится на
ожидание.Она снимается с обслуживания, если время ожидания
превышает заранее заданную величину. Суммарные потери любого
типа от абонента до абонента не должны превышать:
при связи через городскую телефонную сеть — 0,03;
при связи через пригородную зону — 0,04;
при связи через междугороднюю сеть — 0,005.
Эти потери следует разделять на станционные и линейные. Поскольку
стоимость линейных сооружений больше стоимости станционной
аппаратуры, для станций устанавливаются нормы небольшой
величины, а оставшаяся часть приходится на потери из-за отсутствия
линий и каналов. Для станций существуют следующие нормы:
от абонента до входа (выхода) станции — 0,001,
и между двумя входами (выходами) станции — 0,005.
В конце отметим, что норма потерь очень отражается на техникоэкономических показателях сети: чем меньше норма потерь, тем больше
требуется установить оборудования.

Качество обслуживания
Рассмотренные выше показатели потери характеризуют только одну
сторону услуги передачи речи. В современных сетях телекоммуникаций
34

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

применяется
характеристика
качество
обслуживания.
Эта
характеристика является комплексной при оценке класса и качества
услуг и зависит от вида трафика. Все виды трафика можно разделить на
три основные категории [14], [18]. Трафик реального времени включает
в себя аудио- и видеоинформацию, критичную к задержкам при
передаче. Обычно качество характеризуется явными потерями.
Допустимые значения задержек обычно не превышают 0,1 с(сюда
входит время на обработку пакетов конечной станцией). Кроме того,
задержка должна иметь малые флуктуации (с ними связан эффект
"дрожания"). При сжатии информации трафик данной категории
становится очень чувствительным к ошибкам при передаче, а из-за
жестких требований к задержкам при передаче потоков в режиме
реального времени возникающие ошибки не могут быть исправлены с
помощью повторной посылки. Трафик транзакций (интерактивный).
При передаче этого вида трафика задержки не должны превышать 0,1 с.
В противном случае пользователи будут вынуждены прерывать работу
и ждать ответа на свои сообщения. Такая схема обмена информацией
снижает производительность труда, а разброс в значениях задержек
может привести к возникновению чувства дискомфорта у
пользователей. В некоторых случаях превышение допустимого времени
задержек приводит к сбою рабочей сессии. Трафик данных. Задержки
при передаче трафика этой категории могут иметь практически любые
значения и достигать даже нескольких секунд. Для такого трафика
полоса пропускания более важна, чем время задержек: увеличение
пропускной способности сети влечет за собой уменьшение времени
передачи. Приложения, передающие большие объемы данных,
разработаны преимущественно в расчете на предоставление им всей
доступной полосы пропускания сети.
Следующим шагом на пути к реализации коэффициента качества
обслуживания QoS стала разработка механизма явного управления
скоростью трафика (ECR — Explicit Rate Control), который в течение ряда
лет довольно активно используется в сетях ATM. В последнее время все
чаще высказывается мнение, что ECR можно применять также со стеком
протоколов TCP/IP. Этот механизм способен работать автономно либо
совместно с существующими алгоритмами организации очередей.
Основные задачи, которые он позволяет решать:
рост производительности каналов связи;
35

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

уменьшение времени ожидания реакции сети;
увеличение степени детализации сетевого управления благодаря
контролю за отдельными потоками трафика.
Преимущества ECR таковы:
возможность точного управления распределением полосы
пропускания между входящими и исходящими потоками трафика;
снижение нагрузки на сеть, связанной с повторной передачей
пакетов с ошибками;
уменьшение длины очередей в маршрутизаторе (и, как
следствие,снижение нагрузки на его центральный процессор);
значительное сокращение времени доставки пакета и уменьшение
его флуктуаций, более быстрая адаптация к изменениям ситуации.
Реализацию этого механизма можно изучить в [14] и [35].

Краткие итоги
Прямое затухание — это интегральный показатель качества
передающей среды. Затухание показывает уменьшение мощности
сигнала в результате его прохождения через среду передачи.
Уровень входного сигнала диктуется типом оборудования, типом
и протяженностью линии. Поэтому во всех странах принято
измерять затухание системы передачи относительно назначенной
заранее точки отсчета в цепи передачи, относительно которой
определяются значения уровней передачи во всех остальных
точках. Эта точка названа точкой c нулевым уровнем передачи
(Zero Transmission Level point). Уровень сигнала в точке c нулевым
уровнем передачи не равен нулю.
Под коэффициентом затухания понимается относительное
изменение мощности передачи сигнала при распространении его
на единицу расстояния, выраженное в км.
Переходное затухание — величина, которая характеризует
относительное количество энергии, переходящей вследствие
электромагнитной связи из одной цепи в другую, и выражается в
децибелах.
Имеются следующие виды переходного затухания:
36

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

измеряемое на ближнем конце (NEXT — Near End Cornstalk).
Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой,
который измеряется на конце, ближнем к передатчику пары,
подверженной влиянию;
измеряемое на дальнем конце (FEXT — Far End Cornstalk).
Имеется в виду переход мощности от одной пары к другой,
который измеряется на конце, дальнем от передатчика пары,
подверженной влиянию.
Для уменьшения влияния переходного затухания применяются
кабели с витыми (скрученными) парами. Это многожильный
кабель, у которого жилы скручены по парам или четверками.
В связи с проблемой устранения переходного затухания большое
внимание уделяется симметрированию проводов разговорного
тракта (провода a и b). Любая нагрузка, подключаемая к одному
проводу, должна иметь аналог по сопротивлению, подключаемый
к другому проводу.
Шумы (помехи) — это паразитные сигналы, поступающие в
пользовательский канал. Он в большинстве случаев имеют
случайный характер и случайные характеристики. По своему
происхождению они делятся на внутренние и внешние.
Внутренние шумы возникают от теплового движения заряженных
частиц, температурных изменений и т.п. Внешние шумы или
помехи возникают от многих источников излучения, а также при
недостатках заземления.
Коэффициент импульсных помех служит для цифровой оценки
состояниялинии, он указывает количество ошибок на
определенное число битов. Нормальным считается коэффициент
ошибок
— это означает, что на 106 битовв канале
появляется одна помеха, которая может привести к ошибке.
Минимально приемлемая величина коэффициента ошибок
(допускается обычно при применении радио тракта) составляет
Коэффициент "пачечности" (концентрации ошибок) показывает
отношение количества ошибок, полученных в данном интервале
времени, к ожидаемому среднему по всем интервалам.
Задержка передачи информации (запаздывание) измеряется
временем между поступлением сигнала на вход системы передачи
и появлением его на выходе. На это время влияют: параметры
37

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

линии, параметры аппаратуры, быстродействие и алгоритмы
обработки.
В существующих сетях получило распространение введение
искусственной индуктивности, которая ослабляет емкостный
характер. Эти устройства получили название "пупиновские
катушки".
Существует три категории отводов абонентской линии в
распределительной или магистральной сети.
Первый отвод — для подключения резервного оборудования
(jumping-off). Этот отвод используется в качестве резервной
линии для подключения телефонного аппарата в другое
место (например, дополнительная розетка).
Отвод для перехвата информации (taping) подразумевает
включение оборудования, которое само активно принимает
информацию.
Неиспользуемая пара (bridged tap) — дополнительная пара
проводов, проложенная рядом с основными парами кабеля.
Качество обслуживания телефонных вызовов на сети
определяется вероятностью потерь (отказов в обслуживании) изза отсутствия свободных и доступных коммутационных приборов
или каналов.
Имеются потери двух типов — явные потери и потери по
ожиданию. В первом случае при отсутствии свободных путей или
каналов заявка снимается с обслуживания, во втором случае —
ставится на ожидание. Она снимается с обслуживания, если
время ожидания превышает заранее заданную величину.
В
современных
сетях
телекоммуникаций
применяется
характеристика качество обслуживания. Эта характеристика
является комплексной при оценке класса и качества услуг,
критичных к задержкам при передаче. Обычно качество
характеризуется явными потерями. Допустимые значения
задержек обычно не превышают 0,1 с(сюда входит время на
обработку пакетов конечной станцией).
Трафик транзакций (интерактивный). При передаче этого вида
трафика задержки не должны превышать 0,1 с. В противном
случае пользователи будут вынуждены прерывать работу и ждать
ответа на свои сообщения.
Трафик данных. Задержки при передаче трафика этой категории
могут иметь практически любые значения и достигать даже
38

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

нескольких секунд.
Схема, включаемая в линию и выполняющая переход от
двухпроводной линии к четырехпроводной, называется
дифференциальной системой (hybrid).
При работе дифференциальной схемы возможен переход
информации с цепей передачи на цепь приема, как это показано
на рисунке пунктирной линией. Такой переход вызывает у
абонента эффект эха. Явление "эхо" заключается в поступлении в
приемник сигнала передатчика.
В цифровых системах для улучшения качества тракта применяется
цифровая схема эхокомпенсации. Ее принцип заключается в том,
что передаваемая в линию информация через цепь задержки
передается в сумматор, стоящий в цепи приема. Там она
вычитается (алгебраически суммируется) из принимаемого
потока. Задержка и параметры сигнала выбираются таким
образом, чтобы при вычитании уничтожить сигналы, перешедшие
из собственной цепи передачи.
Метод эхоподавления основан на том, что при передаче
информации закрывается (ослабляется) цепь собственного
приема. При эхоподавлении может происходить ухудшение
качества связи в момент, когда оба абонента активны, а тракт
приема одного из них заблокирован.

Задачи и упражнения
1. Показать, что приведенные эталонные значения напряжения (
В ) и тока (
) соответствуют
мощности 1 мВт, развиваемой на эталонном сопротивлении 600
Ом. Вывести уравнения, применяемые для вычисления затухания
с помощью этих параметров.
2. Определите затухание в дБ (относительно эталонного занчения
напряжения), если мощность на выходе равна 100 пВт.
3. В точке А уровень передачи равен (-2дБм) в точке B (-4дБм).
Определите затухание между точкой A и B в дБр. Если после
точки С сигнал будет передаваться дальше и в точке C будет
уровень 13 дБр, какое значение будет иметь затухание в единицах
дБм?
39

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Оптоволоконные кабели
Дается описание принципов передачи по оптоволоконному кабелю.
Виды электрооптических и оптоэлектрических преобразователей
(светодиоды, светотранзисторы). Характеристики оптоволоконных
кабелей и виды дисперсии.
Оптоволоконные (волоконно-оптические кабели) используются для
передачи информации с помощью светового луча. Передача
информации по волоконно-оптическому кабелю имеет целый ряд
достоинств перед передачей по медному кабелю [24], [25].
Широкая полоса пропускания — по сравнению с электромагнитной
средой. Одно волокно, работающее на длине волны1300 или 1550 нм,
потенциально имеет ширину полосы 20 ТГЦ
). Это дает
возможность передачи по одному оптическому волокну потока
информации со скоростью несколько терабит в секунду. Это достаточно
для размещения приблизительно 250 миллионов каналов со скоростью
передачи 64 Кбит/с.
Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в
настоящее время отечественными и зарубежными производителями
промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,35 дБ/км на
длине волны 1300 и 1500 нм. При допустимом затухании 20 дБ
максимальное расстояние между усилителями или повторителями
составляет около 100 км и более.
Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет
увеличить полосу пропускания, путем передачи с использованием
различной модуляции сигналов без защиты и контролировать
правильность принятой информации только в оконечных терминалах.
Это упрощает алгоритмы обработки и еще больше увеличивает
реальную скорость передачи.
Защищенность от электромагнитных помех. Поскольку волокно
изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к
электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных
систем и электрического оборудования, способного индуцировать
электромагнитное
излучение
(линии
электропередачи,
40

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях
также не возникает проблемы перекрестного затухания.
Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес
и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же
пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель
диаметром 7,5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром
0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и
покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого кабеля будет 1,5
см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.
Высокая безопасность от несанкционированного доступа. Поскольку
оптоволоконный кабель практически не излучает в радиодиапазоне,
передаваемую информацию трудно подслушать, не нарушая приема/
передачи. Более того, несанкционированные отводы (см. в разделе
"Оптические соединители") в оптической системе реализуются более
сложно, и требуют подключения с помощью сложного оборудования.
Несанкционированные подключения в оптической сети проще
обнаруживаются.
Системы,
отслеживающие
качество
распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и
разной поляризации), имеют очень высокую чувствительность к
колебаниям, к небольшим перепадам давления. Поэтому оптические
системы со слежением за качеством сигнала особенно необходимы при
создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых
других специальных службах, предъявляющих повышенные требования
к защите данных.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество
оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.
Оптоволоконные кабели не требуют заземления оболочки,
защищающего от "блуждающих токов" и высоковольтных наводок по
"земле", при которых может возникнуть большая разность потенциалов,
что для электромагнитных кабелей может привести к повреждению
сетевого оборудования.
Пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое
волокно
повышает
безопасность
сети
на
химических,
нефтеперерабатывающих
предприятиях,
при
обслуживании
технологических процессов повышенного риска.
41

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Уменьшение требований к линейно-кабельным сооружениям.
Волоконно-оптические кабели освобождают переполненные кабельные
трубопроводы. Как уже отмечалось выше, волоконно-оптические кабели
имеют меньший объем в расчете на одну и ту же пропускную
способность, в связи с чем переполнение кабельных трубопроводов
становится маловероятным, даже при
интенсивном росте
широкополосных услуг.
Экономичность волоконно-оптического кабеля. Волокно изготовлено из
кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко
распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.
В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре
определяется как 2:5. При этом волоконно-оптический кабель позволяет
передавать сигналы на большие расстояния без ретрансляции.
Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при
использовании волоконно-оптического кабеля. Современные системы
передачи позволяют достигнуть дальности около 400 км [24] только с
использованием оптических усилителей на промежуточных узлах при
скорости передачи выше 10 Гбит/с.
Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает
деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле
постепенно возрастает. Однако благодаря совершенству современных
технологий производства оптических волокон этот процесс значительно
замедлен, и срок службы волоконно-оптического кабеля составляет
примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений
стандартов приемо-передающих систем. Сроки старения оптических
кабелей гораздо больше, чем сроки деградации электромагнитных
кабельных сооружений.

Принципы работы оптоволоконных кабелей
Электромагнитный спектр
Часть электромагнитного спектра, которая предназначена для
волоконной оптической связи - в пределах инфракрасной составляющей
света, спектрально расположена между СВЧ диапазоном и видимой
42

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

частью спектра (см. рис. 3.1). Инфракрасный означает, что он лежит
ниже красного света" от латинского слова "инфра". Инфракрасная часть
спектра начинается "ниже" красной части спектра, приблизительно в
700 нм длины волны. Инфракрасные волны располагаются
приблизительно от 700 нм до 1 миллиметр (мм). Диапазон
инфракрасного спектра наиболее часто используется для оптической
волоконной связи - от 850 нм до приблизительно 1625 нм.

Рис. 3.1. Электромагнитный спектр
Таблица 3.1. Обозначения диапазонов, используемых при оптической
связи
Диапазон в
Обозначение
Название диапазона
нанометрах
диапазона
1260 - 1360
1369 - 1460

O – band
E – band

Исходный(original)
Расширенный
43

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

1460 – 1530
1530 – 1565
1565 – 1625

S – band
C- band
L- band

1625 - 1675

U - band

Коротковолновой
Обычный
Длинноволновый
Ультра
Длинноволновый

Использование электромагнитного спектра для оптической волоконной
связи тесно связано с показателями затухания стеклянного волокна в
областях инфракрасного спектра. Эти области с низким оптическим
затуханием, названные окнами прозрачности1), зависят от материалов,
из которых изготавливается оптическое волокно (добавками,
улучшающими свойства волокна). Самые ранние системы были
разработаны на основе волокна с использованием кварца. Первое окно
в оптическом волокне предназначалось для работы приблизительно в
области 850 нм. Предложенное вскоре второе окно в области 1310 нм
(S-band) имело более низкое затухание по сравнению с первым
(благодаря добавке диоксида германия). Далее третье окно в области
1550 нм (C -band), с низкими оптическими потерями. Сегодня, является
также доступным четвертое окно в области), около 1625 нм (L –band).
Эти четыре окна показаны на рис. 3.2

Рис. 3.2. Окна прозрачности

Конструкция оптоволоконного кабеля
Оптоволоконный кабель содержит [24], [25] три основных элемента
44

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

(рис. 3.2):
оплетка;
оболочка;
сердцевина.

Рис. 3.3. Конструкция оптического волокна
Сердцевина, волоконный светопроводящий элемент, окружен
оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света. Это
приводит к тому, что большинство световых лучей в сердцевине
отражаются внутрь сердцевины (рис. 3.3). Попадет ли луч снова внутрь
сердцевины, зависит от угла, под которым он пересекает границу
"сердцевина-оболочка" (числовая апертура2)). Если луч входит под
слишком острым углом к поверхности оболочки, то он поглощается.
Поглощение может происходить при изменении в оболочке, например,
при сгибах оптокабеля или при неправильном сращивании волокон.
При построении сетей используются многожильные кабели. На рис. 3.4
показан пример кабеля с 8 волокнами. В центре расположен стальной
трос для укрепления кабеля, а внешняя поверхность покрыта стальной
оплеткой для защиты от грызунов и внешних силовых воздействий.

45

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 3.4. Принцип размещения волокон в оптическом кабеле

Рис. 3.5. Схема распространения лучей в многомодовом кабеле

Многомодовые волокна
На рис. 3.5 показан принцип распространения лучей. В том числе
видно, что при отражении луча под определенным углом возникает
другой луч - "вторичная мода". Такие лучи могут быть использованы для
организации второго пути переноса информации. Оптические волокна,
в которых допускается прохождение лучей к приемнику
многочисленными путями, называются многомодовыми. По сравнению
с одномодовыми кабелями (диаметр сердцевины 8,5 или 9,5 мкм )
многомодовые кабели имеют больший диаметр (50/62/5 мкм при
диаметре оболочки 125 мкм ). Больший диаметр сердцевины упрощает
их изготовление.
46

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Многомодовая дисперсия Обратим внимание, что отраженный луч
проходит больший путь, следовательно, прохождение информации
несколько замедляется. Запаздывающие лучи приводят к расширению
передаваемых импульсов. Величина этого расширения прямо
пропорциональна ширине импульса и обратно пропорциональна
скорости
передачи. Следовательно, многомодовая дисперсия
ограничивает пропускную способность оптического кабеля, которая
характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF — Bandwidth
Distance Factor). Типовое значение BDF у многомодовых кабелей
меняется от 200 до 800 МГц/км. Одномодовые волокна более
широкополосные, их значение BDF равно от 50-100 ГГц/км [20]. Такой
эффект наблюдается у так называемых волокон со ступенчатым
показателем преломления. Это волокна, у которых на границе
"оболочка-сердцевина" происходит скачок коэффициента преломления.
Лучшие показатели BDF у волокна с плавным изменением, показателя
преломления от максимального в центре к минимальному по краям.
Таким образом, лучи, проходящие ближе к центру, будут
распространяться с задержкой, по сравнению с лучами, проходящими по
его краям. Поэтому скорости всех лучей выравниваются, и лучи
прибывают к приемнику с одинаковой задержкой. Волокна с
изменяющимся показателем преломления по указанному выше закону
называются градиентными волокнами и имеют коэффициент
широкополосности на два порядка больше, чем волокна со ступенчатым
показателем.

Затухание сигнала в оптическом волокне
Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение
или рассеяние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощения
зависят от прозрачности материала, из которого изготовлено волокно.
Потери на рассеяние зависят от неоднородности преломления
материала. Затухание сигнала при определенной марке кабеля на
единицу длины линии зависит от длины волны сигнала (рис. 3.6). В
современных оптических волокнах самое низкое затухание наблюдается
на двух длинах волны — 1300 и 1550 нм , так как в этих диапазонах
самая большая прозрачность кварца, из которого делается волокно. На
этих частотах, как можно увидеть на рис. 3.6 , затухание равно 0,35 и 0,2
дБ соответственно. Параметры затухания для различных марок
47

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

оптических кабелей показаны в табл. 3.2 [10].

Рис. 3.6. Зависимость затухания в оптическом волокне от длины волны
Таблица 3.2. Параметры оптического кабеля
Погонное затухание дБ/км
Тип оптического кабеля
d/D мкм NA
850 нм 1350 нм 1550 нм
Одномодовый
9,5/125 0,15 0,4
0,3
Многомодовый
градиентный

Многомодовый ступенчатый

50/125 0,2 2,5
62,50/125 0,275 3

0,7
1

-

80/125 0,28 3,5
100/140 0,4 5
200/280 0,4 5

1,5
-

-

200/280 6
Примечание:d/D – отношение диаметра сердцевины к диаметру
оболочки, NA – числовая амплитуда

Хроматическая дисперсия (Chromatic Dispersion)
Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой сигнал
состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия — один из
механизмов, лимитирующих полосу пропускания волоконнооптических кабелей, ухудшающих распространение импульсов сигнала,
который состоит из различных цветов проходящего света
48

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

(некогерентность сигнала). Различные длины волн распространяются с
различной скоростью. Хотя большинство оптических источников имеют
одинаковый диапазон светового луча, каждая волна с различной длиной
прибывает за различное время, и поэтому оказывается, что
передаваемый импульс размывается. Количественно дисперсия
измеряется относительно скорости распространения волн с различной
длиной, входящих в световой сигнал. Большая дисперсия означает, что
волны распространяются с большой разницей по скорости. Низкая
дисперсия указывает, что сигналы, смежные по длине волны,
распространяются
приблизительно
с
одинаковой
скоростью.
Упорядочение дисперсии состоит в том, чтобы снизить разницу
распространения сигналов разной длины волны по всему диапазону.
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волновой
составляющих и происходит при распространении как в одномодовом,
так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она
проявляется в одномодовом волокне, ввиду отсутствия межмодовой
дисперсии. Материальная составляющая отражает зависимость
показателя преломления волокна от длины волны. В выражение для
дисперсии одномодового волокна входит характеристика материала, а
именно зависимости показателя от длины волны.

где
— дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на
нанометр (пс/км•нм);
—
дифференциальная
зависимость
показателя
преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии
волокна) в пс/км;
— спектр источника в нанометрах (нм);
— длина кабеля.
В выражение для дисперсии одномодового волокна входит показатель
преломления материала, а именно — дифференциальная зависимость
показателя от длины волны
. Эта составляющая определяется
скоростью (дифференциалом) возрастания или уменьшения показателя
преломления в зависимости от длины волны. С увеличением длины
49

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

волны этот показатель может быть положительным (коэффициент
преломления
возрастает)
или
отрицательным
(коэффициент
преломления убывает).
Волновая дисперсия определяется временем распространения сигнала в
зависимости от длины волны. Дифференциал такой функции всегда
положительный (время распространения с увеличением длины волны
только возрастает).

где
— дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на
нанометр (пс/км•нм);
—
дифференциальная
зависимость
показателя
преломления от длины волны;
— увеличение длины волны вследствие некогерентности
источника в нанометрах;
— длина кабеля.
Итоговая удельная хроматическая дисперсия

равна

И здесь важным является то, что при определенной длине волны
(примерно
нм для ступенчатого одномодового волокна)
происходит взаимная компенсация

и

, а результирующая

дисперсия
обращается в нуль. Длина волны, при которой это
происходит, называется длиной волны нулевой дисперсии
. Обычно
указывается некоторый диапазон длин волн, в пределах которых может
варьироваться
для данного конкретного волокна. Для борьбы с
хроматической дисперсией можно рекомендовать следующие методы.
1. В качестве рабочей длины волны выбирать длину, при которой
хроматическая дисперсия минимальна.
50

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

2. Выбирать источник с узким спектром.
3. Использовать для передачи сигналов узкие однополярные импульсы.
4. Применять оптическое волокно, компенсирующее дисперсию
(волокно со смещенной или выровненной дисперсией). На рис. 3.6
приведены кривые, показывающие зависимости задержек для
различных типов кабелей [10]. Как видно из рис.3.7 , длина волны
нулевой дисперсии
для многомодового градиентного и
одномодового ступенчатого кабелей — 1300 нм и для одномодового со
смещенной дисперсией — 1500 нм. В реальных кабелях вследствие
производственных допусков типичные значения дисперсии порядка 13,5 пс/км нм.
Установлено, что при определенной форме сигнала (рис. 3.8) он имеет
наименьшую дисперсию. Такие импульсы называются солитонами.

Электрооптические преобразователи
Имеется два типа приборов, преобразующих электрический сигнал в
световой, — это светодиоды и лазерные диоды.
Светодиоды (LED — Light-Emitting Diode) генерируют некогерентное
излучение (сигнал содержит составляющие из нескольких длин волн).
Характеристика светодиода показана на рис. 3.9 [20]. Область спектра
генерируемого сигнала
при длине волны основного
сигнала 850 нм и 70 или 120 при длине волны основного сигнала 1300
нм. На рисунке максимальная мощность обозначена 1. Типовое
значение возбуждаемой максимальной мощности для различных типов
диодов различна и находится в пределах от 20 до 10 дБ.
Некогерентность светодиодов ограничивает их применение.

51

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

52

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 3.7. Кривые временных задержек и удельной хроматической
дисперсии

Таблица 3.3. Дисперсия оптических сигналов в разл
Тип
волокна

,
(нм)

Межмодовая дисперсия, пс/км

850 414 (

)

99,6 (
1,0
19,2

MMF50/125 1310 414

MMF
62,5/125

SF 8/125

1550 414
973
850
(
1310 973
1550 973

)

106,7
4,2
17,3

1310 0

<1,8

1550 0
1310 0
DSF 8/125
1550 0

17,5
21,2 6
<1,7

Рис. 3.8. Форма импульса типа "солитон"
Самые главные достоинства светоизлучающих светодиодов — это:
большой срок службы;
меньший временной дрейф параметров;
большая линейность и меньшая температурная зависимость
излучаемой мощности;
низкая стоимость и простота эксплуатации.

53

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 3.9. Спектральная характеристика светодиода

Рис. 3.10. Характерные спектральные характеристики лазерных диодов:
а) Многомодовые, б) Одномодовые
Для светодиодов потери мощности при переходе в линию составляют
10 дБ. Кроме того, поскольку излучение — некогерентное, то есть оно
происходит в некотором спектральном диапазоне, будет происходить
дополнительное искажение передаваемого сигнала (расширение
импульсов) за счет различий в распространении разных спектральных
54

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

составляющих. Принцип излучения светодиодов позволяет модуляцию
только по интенсивности излучения. Мощность излучения светодиодов
может достигать нескольких десятков мкВт. При необходимости создать
линию для передачи на большие расстояния применяют лазерные
диоды, имеющие лучшую спектральную характеристику. Лазерный диод
обеспечивает когерентное излучение, его луч обладает более узким
спектром (рис. 3.10), по сравнению со светодиодом [24]. Принцип
излучения лазерных диодов позволяет использовать модуляцию по
параметрам световой волны, например частотную. Кроме того, они
характеризуются максимальной для полупроводниковых излучателей
мощностью [16] до нескольких сотен милливатт, минимальной
шириной спектра и очень узкой направленностью. На рис. 3.10 видно,
что как многомодовые, так и одномодовые лазерные диоды имеют
значительно более узкий спектр, чем светодиоды, и это обеспечивает
меньшую хроматическую дисперсию.
Поскольку лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и
большими электрическими нагрузками по сравнению со светодиодами,
они уступают последним в надежности, удобстве эксплуатации и
стоимости. Это определяет их применение для осуществления передачи
на дальние расстояния в магистральных линиях. Характеристики
светодиодов и лазерных диодов приведены в табл. 3.4 [16].
Таблица 3.4. Характеристики светодиодов и
лазерных диодов
Параметры
Светодиод Лазерные диоды
Длина волны
850, 350
1350,550
Выходная мощность 0,5 – 11,5 мВт 3 – 10 мВт
Время нарастания
Диапазон тока
Ширина спектра

1 – 20 нс
5 – 150 мА
50 – 120 нм

1 – 2 нс
100 – 500 мА
0,4 – 1,0

Оптоэлектрические преобразователи
Фотодиоды
55

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Приемник излучения должен преобразовать оптический сигнал в
электрический. Поскольку информационный сигнал содержится в
модулированном световом потоке, этот поток должен быть принят как
можно полнее и без искажений. Так как рабочая поверхность
приемника намного больше сечения световода, потери при переходе
излучения в приемник будут намного меньше, чем при переходе от
источника в линию. Для приема излучения могут использоваться
фотодиоды - полупроводниковые приборы на основе групп кремния и
германия. В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от
интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая линейность
и стабильность работы, малое время отклика, но они не обеспечивают
усиление фототока.

Фототранзисторы
Эти полупроводниковые приборы также строятся на основе кремния и
германия. Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и
хорошее усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у
них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у диодов.
Граничная частота для лучших образцов достигает 200 МГц.

PIN-фотодиоды
В p-i-n (PIN) фотодиодах между слоями с разной проводимостью (p и n)
вводится слой с собственной проводимостью (i-область), который при
подаче обратного напряжения смещения обедняется свободными
носителями. В результате поглощения света будут образовываться
электроны-носители, которые будут ускорять сильное электрическое
поле.
PIN-фотодиоды
обладают
большей,
чем
фотодиоды,
чувствительностью. Их барьерная емкость мала, за счет чего
обеспечиваются хорошие частотные характеристики (граничная частота
— до 1 ГГц). Для них требуется небольшое напряжение обратного
смещения (менее 5В).

Лавинные фотодиоды
56

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Лавинные фотодиоды обладают внутренним усилением и отличаются
от p-i-n фотодиодов наличием еще одного дополнительного слоя. При
высоких обратных напряжениях смещения (порядка 100 В) в них
образуется сильное ускоряющее поле. В поле происходит лавинное
размножение носителей, образующихся под влиянием света, то есть
усиление фототока. Эти приборы характеризуются высокой
чувствительностью, большим усилением и высоким быстродействием,
однако, их использование затруднено сложностью, высокой
стоимостью, высокими рабочими напряжениями, необходимостью
стабилизации напряжений и температур и работой только в режиме
усиления слабого сигнала. Характеристики оптических приемников
приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5. Характеристики оптических приемников
Лавинный
Параметры
p – i– n
Фототранзистор
фотодиод
0,5 мка/
Чувствительность
15мка/мкВт
35мка/мкВт
мкВт
Время нарастания
1 нс
2 нс
2 мкс
Напряжение
10 В
100 В
10 В
смещения

Оптические соединители
Одним из критических мест волоконных систем являются сращивание
волокон и разъемы. Учитывая диаметр центральной части волокна,
нетрудно предположить, к каким последствиям приведет смещение
осей стыкуемых волокон даже на несколько микрон (особенно в
одномодовом варианте, где диаметр центрального ядра менее 10
микрон) или деформация формы сечения волокон. Соединители для
оптических волокон имеют обычно конструкцию, показанную на рис.
3.11 , и изготовляются из керамики. Потеря света в соединителе
составляет 0,2 дБ. Для сравнения: сварка волокон приводит к потерям
не более 0,001-0,1дБ. Существует также техника механического
сращивания волокон, которая характеризуется потерями около 10%
(splice). Оптические аттенюаторы для оптимального согласования
57

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

диапазона3)оптического

динамического
сигнала
и
интервала
чувствительности входного устройства представляют собой тонкие
металлические шайбы, которые увеличивают зазор между волокном
кабеля и приемником.
С использованием оптических волокон можно создавать не только
кольцевые структуры. Возможно построение фрагмента сети, по
характеру связей эквивалентного кабельному сегменту или хабу4). Схема
такого фрагмента сети представлена на рис. 3.12 (пассивный хаб
концентратор). Базовым элементом этой субсети является прозрачный
цилиндр, на один из торцов которого подключаются выходные волокна
всех передатчиков интерфейсов устройств, составляющих субсеть.
Сигнал с другого торца через волокна поступает на вход
фотоприемников интерфейсов. Таким образом, сигнал, переданный
одним из интерфейсов, поступает на вход всех остальных интерфейсов,
подключенных к этой субсети. При этом потери света составляют
, где: — потери в разъеме,
— потери в
пассивном разветвителе, а
— число оптических каналов ( может
достигать 64). Некоторые из них (например, ODL 200 AT&T) способны
осуществлять переключение на обходной оптический путь (bypass) при
отключении питания.

Рис. 3.11. Схема оптического разъема

58

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 3.12. Схема пассивного оптоволоконного хаба

Кросс
Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к кроссам
высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на единицу
площади превышает предыдущие системы (например, цифровые
системы уплотнения). К такому кроссу предъявляются стандартные
требования:
учет специфики кроссирования оптоволоконного кабеля;
надежность и управляемость кабельным хозяйством;
удобство работы;
безопасность для персонала.
Высокая плотность и хрупкость (высокая вероятность повреждения в
условиях эксплуатации) приводят к новым решениям. Еще одна
особенность оптических кабелей состоит в специфике распространения
света по волокну. При перегибе волокна больше защитного радиуса в 30
мм в нем возникает рассеяние оптической мощности, и затухание в
кабеле значительно возрастает. Поэтому помимо бережной
эксплуатации появляется еще одно требование — геометрического
59

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

свойства: ни при каких обстоятельствах радиус перегиба не должен
превышать критический. В соответствии с новыми нормами и
стандартами безопасности OSHA (Occupational Safety and Health
Administration — законы о технике безопасности и гигиене труда США)
оптические кроссы должны обеспечивать максимальную защиту глаз
оператора от возможного лазерного излучения при кроссировке
кабелей. Особенно это важно для кроссов высокой плотности.
Особенностью кроссов высокой плотности является принципиальная
невозможность использования вертикальных или фронтальных методов
доступа к кабелям. Фронтальные методы не обеспечивают в полной
мере необходимую плотность кроссовых соединений и не столь
безопасны для персонала. Вертикальный доступ неудобен при работе с
отдельными волокнами.

Волновое мультиплексирование (WDM)
В последнее время заметного удешевления оптических каналов удалось
достичь за счет мультиплексирования с делением по длине волны [9],
[16]. Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM)
технология передачи в системе в оптических системах, где различные
источники используют разную длину волны. При этом два и более
оптических сигналов объединяются и передаются по одному общему
оптическому пути. Эта технология позволяет объединение передачи
нескольких потоков данных по одному физическому волконнооптическому кабелю. Такое увеличение емкости кабеля достигается
исходя из фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что
лучи света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой.
Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких длин
волн (или частот) для передачи отдельного потока данных на каждой из
них. Благодаря этому удалось в 16-160 раз [16] увеличить
широкополосность канала из расчета на одно волокно. Схема
мультиплексирования показана на рис. 3.13. На входе канала сигналы с
помощью призмы объединяются в одно общее волокно. На выходе с
помощью аналогичной призмы эти сигналы разделяются. Число
волокон на входе и выходе может достигать 32 и более (вместо призм в
последнее время используются миниатюрные зеркала, где применяется
развертка по длине волны).
60

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Рис. 3.13. Мультиплексирование с делением по длине волны в
оптическом волокне
Эта достигается с помощью нескольких компонент. Во-первых,
передаваемые данные должны посылаться на определенной несущей
длине волны. Обычно волновое мультиплексирование WDM
осуществляется в окне прозрачности 1530-1560 нм, где обеспечивается
минимальное затухание сигнала до 0,2 дБ/км. Как правило, волоконнооптические системы используют 3 длины волны — 850, 1310 и 1550
нм. Если входной сигнал является оптическим и передается на одной из
этих длин волн, он должен быть преобразован для передачи с длиной
волны окна прозрачности WDM. При наличии нескольких независимых
входных сигналов каждый из них должен быть преобразован для
передачи на своей длине волны в рамках этого диапазона. Затем эти
сигналы объединяются с помощью оптической системы таким образом,
что большая часть мощности всех сигналов передается по одному
оптическому волокну. На другом конце линии световые сигналы
разделяются с помощью сплиттера5)(еще одной системы линз) на
несколько каналов. Каждый из этих каналов проходит через фильтры,
отделяющие только одну из длин волн. В конце концов, каждая из
отделенных длин волн попадает на свой приемник, который
преобразует ее в исходный вид (оптический на длинах волн 850, 1310 и
1550 нм или медный).
Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое (CWDM)
мультиплексирование с большим шагом разноса несущих или плотное
(DWDM) разделение шкалы длин волн. Системы CWDM обычно
обеспечивают передачу от 8 до 16 длин волн с шагом в 20 нм, от 1310
до 1630 нм. Системы DWDM работают с количеством длин волн до
144, обычно с шагом менее 2 нм примерно в том же диапазоне длин
волн. WDM (CWDM или DWDM) обычно используется в одном из двух
61

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

приложений.
Первое и главное состоит в увеличении объема информации,
передаваемого по оптическому волокну. В этом случае большое
количество потоков данных передаются по небольшому количеству
оптических кабелей. Это дает возможность значительно увеличить
пропускную способность оптического кабеля. Так, при скорости 10
Гбит/с на канал общая пропускная способность каждого волокна
составит 1,25 Тбит/с , (то есть 12 500 000 000 000 бит в секунду).
Конечно, в большинстве случаев такой уровень скоростей не требуется,
обычной задачей является передача нескольких потоков Gigabit Ethernet
по одной паре волокон, когда дополнительных пар уже нет. Во многих
случаях проложить новый оптический кабель оказывается слишком
дорого или просто невозможно. Тогда использование технологии WDM
становится единственной возможностью для увеличения пропускной
способности.
Второе приложение WDM появилось сравнительно недавно, когда все
большее число заказчиков стали использовать высокоскоростные
каналы связи. В этом случае оператор связи предоставляет заказчикам,
имеющим офисы в разных точках города, длины волн в своем кабеле
для организации каналов "точка-точка". Например, крупная компания,
имеющая два здания в разных концах города, может поставить задачу их
объединения. Для решения этой проблемы оператор может развернуть
сеть. При использовании WDM оператору нет необходимости
заботиться о том, какой протокол или технология используется
заказчиками, что дает возможность более гибкого предоставления услуг.
Использование WDM в сетях абонентского доступа будет рассмотрено в
дальнейшем.
Устройства для организации WDM пассивны, т.е. не требуют
электропитания. Однако многие из них требуют постоянной
температуры. Для этого устанавливаются устройства регулировки
температуры, а им необходимо удаленное электропитание. Тогда
используется смешанный кабель, который наряду с оптическими
волокнами содержит медные жилы. Для обеспечения норм по
затуханию при передаче информации по оптическим кабелям
применяются регенераторы и усилители сигналов.
62

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

При передаче одиночного оптического сигнала (см рис. 3.13а) каждый
регенератор преобразует оптический сигнал в электрический,
корректирует временные параметры, выделяет передаваемую
информацию и в результате управляет лазерным передатчиком для
регенерации сигнала и преобразование оптического сигнала в
электрический сигнал требует больших затрат, поскольку применяет
очень дорогие компоненты (лазеры и сверхскоростную электронику).
imОптические системы передачи: а) с линейной регенерацией; б)
DWDM составной сигнал с одним участком разделения по длине волны;
в) DWDM
составной
сигнал
с
оптическим
усилителем
последовательного ввода информации в оптический кабель для
передачи ее по следующему участку.
Схема, показанная на рис. 3.13б, передает составной WDM-сигнал. При
этом на каждом регенераторном участке производится разбиение
составного сигнала на отдельные сигналы. Далее производится
индивидуальное преобразование в электрическую форму и
индивидуальная регенерация. Более предпочтительно применение
оптических усилителей, которые могут усиливать сигнал на всех длинах
волн, составляющих WDM-сигнал. Оптический усилитель на
оптоволконе, легированном эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifier —
EDFA) — это отрезок оптоволокна типа EDFA и полупроводниковый
лазерный диод в качестве источника "накачки". Усилитель принимает
ослабленный сигнал и генерирует мощный сигнал в оптический кабель,
легированный эрбием. От воздействия мощного сигнала атомы эрбия
возбуждаются и генерируют фотоны в той же самой фазе и
направлении, что и посылаемый сигнал. В результате получается эффект
усиления. Такие усилители могут быть спроектированы на все
диапазоны длин волн. Применение усилителей снижает потребность в
применении регенераторов, как это показано на рис. 3.13б. При этом
имеется ограничение на количество последовательно устанавливаемых
усилителей. Тем не менее установка усилителей позволяет увеличить
расстояние между регенераторами и связанное с ними преобразование
оптика-электроника до сотен и тысяч километров.

Краткие итоги
Передача информации по волоконно-оптическому кабелю имеет
63

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю:
широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала
в волокне, низкий уровень шумов, защищенность от
электромагнитных помех, малый вес и объем, высокая
безопасность от несанкционированного доступа, гальваническая
развязка элементов сети, пожаробезопасность, уменьшение
требований к линейно-кабельным сооружениям, экономичность,
длительный срок эксплуатации.
Оптоволоконный кабель содержит три основных элемента:
оплетка, оболочка, сердцевина.
Сердцевина - волоконный светопроводящий элемент окружен
оболочкой, которая имеет меньший показатель преломления света.
Это приводит к тому, что большинство световых лучей в
сердцевине отражаются внутрь сердцевины.
Максимальный угол, при котором для вводимого в волокно
светового излучения обеспечивается полное внутреннее
отражение, называется числовая апертура.
При построении сетей могут использоваться многожильные
кабели.
Оптические волокна, в которых допускается прохождение лучей к
приемнику
многочисленными
путями,
называются
многомодовыми.
Запаздывающие лучи приводят к расширению передаваемых
импульсов. Это явление называется дисперсией. Величина этого
расширения прямо пропорциональна ширине импульса и обратно
пропорциональна скорости передачи.
Пропускная
способность
оптического
кабеля,
которая
характеризуется коэффициентом широкополосности (BDF —
Bandwidth Distance Factor).
Волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина" происходит
скачок коэффициента преломления, называются волокнами со
ступенчатым показателем преломления.
Волокна с изменяющимся показателем преломления по
указанному выше закону называется градиентными и имеют
коэффициент широкополосности на два порядка больше, чем
ступенчатые волокна.
Затухание измеряется в дБ/км и определяется потерями на
поглощение или рассеяние излучения в оптическом волокне.
Потери на поглощения зависят от прозрачности материала, из
64

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

которого изготовлено волокно. Потери на рассеяние зависят от
неоднородности преломления материала.
Хроматическая дисперсия возникает в том случае, если световой
сигнал состоит из волн разных длин. Хроматическая дисперсия —
один из механизмов лимитирующих полосу пропускания
волоконно-оптических кабелей, ухудшающих распространение
импульсов сигнала, который состоит из различных цветов
проходящего света (некогерентность сигнала).
Хроматическая дисперсия состоит из материальной и
волноводной составляющих и происходит при распространении
как в одномодовом, так и в многомодовом волокне.
Материальная составляющая отражает свойства зависимости
показателя преломления волокна от длины волны. В выражение
для дисперсии одномодового волокна входит характеристика
материала, а именно — зависимости показателя от длины волны.
Эта составляющая определяется скоростью (дифференциалом)
возрастания или уменьшения показателя преломления в
зависимости от длины волны. С увеличением длины волны этот
показатель может быть положительным, (коэффициент
преломления возрастает) или отрицательным (коэффициент
преломления убывает).
Волновая дисперсия определяется временем распространения
сигнала в зависимости от длины волны. Она всегда
положительная (время распространения с увеличением длины
волны только возрастает).
При определенной длине волны (примерно
для
ступенчатого одномодового волокна) происходит взаимная
компенсация материальной и волновой дисперсий, а
результирующая дисперсия обращается в нуль. Длина волны, при
которой это происходит, называется длиной волны нулевой
дисперсии
. Обычно указывается некоторый диапазон длин
волн, в пределах которых может варьироваться
для данного
конкретного волокна.
Установлено, что при определенной форме сигнала он имеет
наименьшую
дисперсию.
Такие
импульсы
называются
солитонами.
Имеется два типа приборов, преобразующих электрический
сигнал в световой — это светодиоды и лазерные диоды.
65

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Светодиоды
(LED—
Light-Emitting
Diode)
генерируют
некогерентное излучение (сигнал содержит составляющие из
нескольких длин волн). Принцип излучения светодиодов
позволяет модуляцию только по интенсивности излучения.
Мощность излучения светодиодов может достигать нескольких
десятков мкВт.
Лазерный диод обеспечивает когерентное излучение. Его луч
обладает более узким спектром, по сравнению со светодиодом.
Принцип излучение лазерных диодов позволяет использовать
модуляцию по параметрам световой волны, например частотную.
Лазерные диоды отличаются более сложной конструкцией и
большими электрическими нагрузками по сравнению со
светодиодами, но они уступают последним в надежности,
удобстве эксплуатации и стоимости.
В обычных фотодиодах формируется ток, зависящий от
интенсивности падающего излучения, их отличают хорошая
линейность и стабильность работы, малое время отклика, но они
не обеспечивают усиление фототока.
Фототранзисторы имеют высокую чувствительность и хорошее
усиление, но из-за большой барьерной емкости время отклика у
них большое, то есть частотные характеристики хуже, чем у
диодов.
p-i-n обладают большей чувствительностью, чем светодиоды. Их
барьерная емкость мала, за счет чего обеспечиваются хорошие
частотные характеристики (граничная частота — до 1 ГГц ).
Лавинные диоды характеризуются высокой чувствительностью,
большим усилением и высоким быстродействием, однако, их
использование затруднено сложностью, высокой стоимостью,
высокими
рабочими
напряжениями,
необходимостью
стабилизации напряжений и температур и работой только в
режиме усиления слабого сигнала.
Одними из критических мест волоконных систем являются
сращивание волокон и разъемы. Потеря света в соединителе
составляет 10-20%. Для сравнения: сварка волокон приводит к
потерям не более 1-2%.
Кросс, предназначенный для оптического кабеля, относится к
кроссам высокой плотности, т.е. количество подключаемых пар на
единицу площади превышает предыдущие системы (например,
цифровые системы уплотнения).
66

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing —
WDM) — это концепция объединения нескольких потоков данных
по одному физическому волоконно-оптическому кабелю. Такое
увеличение
емкости
кабеля
достигается
исходя
из
фундаментального принципа физики. Он состоит в том, что лучи
света с разными длинами волн не взаимодействуют между собой.
Основная идея систем WDM состоит в использовании нескольких
длин волн (или частот) для передачи отдельного потока данных
на каждой из них.
Существует два типа систем WDM, обеспечивающих грубое
(CWDM) или плотное (DWDM) разделение шкалы длин волн.
Системы CWDM обычно обеспечивают передачу от 8 до 16 длин
волн с шагом в 20 нм , от 1310 до 1630 нм. Системы DWDM
работают с количеством длин волн до 144, обычно с шагом менее
2 нм примерно в том же диапазоне длин волн.
Главное приложение WDM-систем состоит в увеличении емкости
оптического волокна. В этом случае большое количество потоков
данных передаются по небольшому количеству оптических
кабелей. Это дает возможность значительно увеличить
пропускную способность оптического кабеля. Другое приложение
— использование WDM в сетях абонентского доступа.

Задачи и упражнения
1. Используя таблицу 3.1, определите максимально допустимую
длину по затуханию оптической линии, которая может быть
обслужена в соответствии параметрами оптического кабеля,
указанными в таблице 3.2, и функционирует в следующих
условиях:
одномодовый кабель 9,5/125 , работающий на длине волны
1350 нм ;
одномодовый кабель 9,5/125 , работающий на длине волны
1550 нм ;
многомодовый градиентный 50/125 , работающий на длине
волны 850 нм ;
многомодовый градиентный 50/125 , работающий на длине
волны 1350 нм ;
многомодовый градиентный 100/140 , работающий на длине
67

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

волны 1350 нм ;
многомодовый градиентный 200/280 , работающий на длине
волны 850 нм.
Принимаем разность между допустимой выходной мощностью
источника и входной мощностью, необходимой приемнику, при
максимальном коэффициенте ошибок равной 42 дБ.
2. Определите максимально допустимую длину оптической линии
по дисперсии, которая может быть обслужена в соответствии с
параметрами оптического кабеля, указанными в тексте этой
лекции и приведенными ниже. Примем при этом полосу
пропускания равной 90 Мбит/c и коэффициент широкополосности
(BDF — Bandwidth Distance Factor).
200 МГц/км
800 МГц/км
50 ГГц/км
100 ГГц/км
Сравните с результатом предыдущей задачи. Какой из показателей
больше ограничивает расстояние?
3. Определить
коэффициент
широкополосности
(BDF)
в
оптоволоконной системе при следующих условиях:
длина волны 850 нм
ширина спектра светодиода 50
дисперсия 3,5 пс-км (почти "нулевая" хроматическая
дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
максимально допустимая величина расширения
4. Определить
коэффициент
широкополосности
(BDF)
в
оптоволоконной системе при следующих условиях:
длина волны 1550 нм
ширина спектра светодиода 0,4
дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая
дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
максимально допустимая величина расширения
5. Определить допустимую ширину спектра светодиода при
следующих условиях:
длина волны 1550 нм
коэффициент широкополосности 500 Мбит
дисперсия 3,5 пс/км-нм (почти "нулевая" хроматическая
дисперсия, с учетом допусков на изготовление)
68

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

максимально допустимая величина расширения
Указания к решению задачи 2
Для решения используем приведенную в тексте формулу

где
— дисперсия, выраженная в пикосекундах на км на
нанометр (пс/км•нм);
—
дифференциальная
зависимость
показателя
преломления от длины волны (или коэффициент дисперсии
волокна) в пс/км;
— спектр источника в нанометрах (нм);
— длина кабеля.
Введем показатель "максимально допустимая величина расширения
импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):
импульса" (она зависит от кода, применяемого для передачи сигналов):

Подставляя выражение в предыдущую формулу, получаем

или

Учитывая, что

69

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

где
— ширина полосы пропускания, получаем формулу
коэффициента широкополосности, по которой следует проводить
вычисления:

1)

область частот, для данной марки оптического кабеля, в которой
обеспечиваются лучшие условия для распространения радиоволн
2) максимальный угол, при котором для вводимого в волокно светового
излучения обеспечивается полное внутреннее отражение
3)
Отношение максимального уровня сигнала, при котором еще не
происходит перегрузка входных каскадов приемника к минимальному,
определяемому порогом чувствительности (обычно выраженному в
децибелах)
4)
Многопортовое устройств, которое обеспечивает возможность
размножения сигнала на всех или части своих портов
5) устройство, предназначенное для разделения сигнала на несколько
частей.

70

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Цифровая модуляция
В лекции рассматриваются методы модуляции, применяемые при
передаче широкополосной информации – фазовая манипуляция,
квадратурно-амплитудная модуляция, амплитудно фазовая модуляция с
подавлением несущей, сверточные и решетчатые коды, турбо
кодирование, цифровой многотональный сигнал

Сведения о системах модуляции
В настоящее время все абонентские терминалы преобразуют сигналы в
цифровую форму. Одна из важнейших проблем, как на абонентском
участке, так и участке соединительных линий обеспечить
максимальную скорость передачи цифровой информации.
Существующая абонентская проводная сеть имеет громадный объем.
Замена ее на более скоростную среду передачи, например, на
оптоволоконную среду, подобна замене песка на всех пляжах мира и не
всегда возможна по экономическим причинам.
Поэтому основная задача, которую успешно решают связисты мира
увеличение пропускной способности существующей.
Всегда возникает основной вопрос, телефонная связь уже существует
более 150 лет. Эта проводная сеть рассчитана на диапазон
человеческого голоса или точнее на пропускание аналоговой частоты в
диапазоне от 0,3 до 3,4 кГц.
Как же удалось сегодня многократно увеличить этот диапазон и сделать
возможным передачу информации, которая требует ресурс в более чем
100 раз. Это достигнуто различными способами, но в основном
благодаря разработке способов модуляции.
Наиболее применяемый в настоящее время класс модуляции фазовый.
Мы постепенно рассмотрим этот вид. Начиная от простейших видов
такой модуляции, а потом рассмотрим наиболее применяемые методы.

Многоуровневая передача сигналов
71

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Цифровое преобразование сигналов подразумевает двоичное
кодирование сигналов. Когда же нужно получить высокую скорость
передачи данных в условиях ограниченной полосы прибегают к
методам повышения информационной емкости передаваемых
символов. Одним из таких методов является многоуровневая система,
когда каждый сигнал может принимать несколько уровней амплитуды в
зависимости от значения исходного символа. Скорость передачи данных
в многоуровневой системе передачи равна.
(4.1)
где
– уровней, которые могут быть выбраны для передачи
сигналов в данном интервале,
–длительность интервала сигнала.
Скорость передачи сигнала, равная
обычно называется скоростью
передачи символов и измеряется в бодах. На практике понятие "бод"
обычно понимают как синоним скорости в битах. Однако, строго
говоря, скорость передачи в битах равна скорости передачи в бодах
только в случае двоичной передачи (один бит за один интервал
сигнала).
На рис.4.1 показан пример восьмиуровневого сигнала. Это позволяет
увеличить скорость передачи 3 бита на сигнальный интервал (т.е. 3 бита
на бод).

72

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.1. Многоуровневая передача с тремя битами на сигнальный
интервал
Многоуровневые передающие системы увеличивают скорость передачи
данных в пределах заданной полосы частот, но требуют значительного
увеличения уровня сигнал шум. Известно, что при большом уровне
помех наиболее уязвима амплитуда сигнала. Поэтому такая система не
получила распространения.
В современных системах примером применения такой системы может
служить организация цифровой абонентской линии в системе ISDN
(Integrated Services Digital Network), в которой для достижения скорости
160 кбит/с. используется четырехуровневая передача [2]

Фазовые методы модуляции
Фазовые методы модуляции XE "Фазовые методы модуляции"
являются, в какой - то степени аналогами многоуровневой передачи
сигналов, поскольку тоже позволяют увеличить информационную
емкость передаваемого символа.

Фазовая манипуляция
Фазовая модуляция связана с манипуляцией фазы. При такой
манипуляции для получения бинарного сигнала в каждом тактовом
интервале используется одна из фаз, отличающаяся на 180 градусов.
73

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Возможна также многоуровневая ФМ. Фазовая манипуляция XE
"Фазовая
манипуляция" в
настоящее
время
–
наиболее
распространенная форма модуляции.
Популярность этого типа модуляции определяется, прежде всего,
наличием постоянной огибающей, что обеспечивает то, что она
нечувствительна к изменениям уровня сигнала, влиянию затухания и
характеристикам аппаратуры усиления и обеспечивает хорошую
характеристику. С точки зрения отношения сигнал шум (
)
системы
фазовой
модуляции
обеспечивают
оптимальные
(теоретически) значения характеристик ошибок.
Общий вид n-уровневой фазовой манипуляции отображается формулой
(4.1)
где
-величина, на которую отличаются фазы соседних
сигналов;
- симметричный n –уровневый сигнал "без возвращения к
нулю" (NRZ – non return to zero) c уровнями
и т.д.

74

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.2. Фазовые манипуляции: а – 2ФМ; б – 4ФМ
На рис.4. 2 показаны примеры типичных 2-ФМ и 4-ФМ – сигналов. На
рисунке скорость передачи при 4-ФМ, в два раза меньше, чем 2-ФМ,
что обеспечивает одинаковую скорость передачи данных (из-за
увеличения информационной емкости). На этом рисунке приведены
фазовые диаграммы для косинусоидального сигнала (см. формулу 4.1).

Реализация модулятора
Возможные методы многоуровневой модуляции следующие:
1. Синтез требуемой формы сигнала с использованием цифровой
обработки.
2. Формирование множества сигналов основанных на применении
75

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

одной несущей, но имеющих разные фазы, и выбор сигнала в
зависимости от значения данных.
3. Использование контролируемых задержек несущей.
4. Генерация сигналов, как линейной комбинации квадратурных
сигналов.
Из этих методов наибольшее распространение получил последний –
четвертый, так реализация сдвигов фаз или непосредственное
вычисление синусоидального сигнала на основании формулы (4.1)
сложно реализуема.
Прямая модуляция исходного многоуровнего сигнала возможна, если
использовать так называемое, квадратурное представление сигнала.
Это представление основано на разложении синусоидального
колебания в виде линейной комбинации косинусоидального и
синусоидального колебания с нулевыми начальными фазами, которое
определяется известным тригонометрическим тождеством.

В этой формуле
и
постоянны в пределах тактового
интервала и представляют коэффициенты в линейной комбинации
и
с нулевой начальной фазой. Разность фаз между
сигналами
и
составляет
, поэтому они
ортогональны на фазовой диаграмме, и тогда говорят, что сигналы
находятся "в квадратуре".
В сущности,
и
представляют собой базисные векторы
в двумерном пространстве фазовой диаграммы. Косинусоидальный
сигнал часто называют синфазным или I – сигналом, а
синусоидальный- сдвинутым по фазе или Q- сигналом.
В табл.4.1 приведен пример значения квадратурных коэффициентов (
и
) при переменных
и
для квадратурного
представления сигнала 4-ФМ.
В табл.4.2 дано соответствующее представление для системы 8-ФМ и
фазами сигналов, изображенными на рис. 4.3 . В фазовых диаграммах
76

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

предполагается обход по часовой стрелке, и, следовательно,
косинусоидальное колебание опережает синусоидальное на

Рис. 4.3. Фазовая диаграмма для сигнала 8 - ФМ
Таблица 4.1. Коэффициенты при квадратурном представлении сигнала
XE "квадратурном представлении сигнала" для модуляции 4-ФМ
Квадратурные коэффициенты при
Значение данных
Составной сигнал
01

0,707

- 0,707

00

- 0,707

- 0,707

10

- 0,707

0,707

11

0,707

0,707

Таблица 4.2. Коэффициенты при квадратурном представлении сигнала
XE "квадратурном представлении сигнала" для модуляции 8-ФМ
Квадратурные коэффициенты при
Значение данных
Составной сигнал
011

0,924

- 0,383

010

0,383

- 0,924

000

- 0,383

- 0,924

001

- 0,924

- 0,383

101

- 0,924

0,383

100

- 0,383

0,924

110

0,383

0,924
77

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

111

0,924

0,383

С помощью квадратурного представления возможна прямая модуляция
Для этого необходимы два многоуровневых модулирующих сигнала:
синфазный (I) и со сдвигом фазы (Q).Они обозначаются, как
и
соответственно. Уровни этих двух сигналов подбираются так, чтобы
соответствовали коэффициентам необходимым для предоставления ФМ
сигнала в виде линейной комбинации сигналов I и Q. В качестве
примера на рис.4.4 показано, каким образом сигнал 8-ФМ, может быть
получен сложением двух амплитудно-модулированных квадратурных
сигналов.
Обобщенная схема модулятора ФМ показана на рис.4.5 . Подобная
форма модулятора выбрана как иллюстрация важных концепций
модуляции, и она может быть полезна при анализе требований к
спектру ФМ сигналов.

Рис. 4.4. Получение сигнала 8-ФМ, сложением двух амплитудномодулированных квадратурных сигналов
78

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.5. Обобщенная схема модулятора с ФМ

Реализация демодулятора
Структура модулятора и демодулятора для 4-ФМ приведена на рис. 4.6
Основной элемент модулятора ФМ – смеситель.
Основными элементами модулятора ФМ являются смеситель и фильтр
низкой частоты (ФНЧ).

79

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.6. Структура 4-ФМ модулятора – демодулятора а) – модулятора, б
– демодуляторы
Комбинацию смесителя и фильтра низкой частоты (ФНЧ) называют
фазовым детектором (ФД). Функции ФД математически выражаются в
виде:
(4.3)
80

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Для дальнейшего изложения напомним формулы тригонометрических
преобразований

Применяя формулу
Получим
Применяя формулу
Получим

Отделяя с помощью низкочастотного фильтра, составляющие с
удвоенной частотой
получаем значение:

С помощью тригонометрических преобразований можем получить
выходной сигнал Q –канала

Полученные функции могут быть использованы для получения
исходного сигнала. Сигнал может быть получен после того, как будет
определено значение аргумента

.

В качестве первого примера рассмотрим детектирование сигналов с
модуляцией 4 –ФМ, представленных в табл.4.1. Рассмотрение табл.4.1
показывает, что из двух битов данных первый бит, равен
при
81

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

положительном значении фазы сдвига (
и
полностью определяется отрицательным знаком
сигнала на выходе
сдвига

), т.е. первый бит
, т.е. значением

.Значение второго бита равно

при фазе

, т.е. полностью определяется положительным знаком,

, т.е. выходным сигналом на выходе
. Основной способ
реализации демодулятора для 4-ФМ сигналов показан на рис.4.6 .
Система 4-ФМ приведена, как основа для описания других способов
реализации.
Следует отметить, что в системе 4-ФМ имеются два раздельных потока
данных. Модулятор разделяет входящий поток данных таким образом,
чтобы биты поочередно отсылались то к синфазному I-модулятору, то к
инверсному Q-модулятору. На выходе соответствующего ФД эти биты
возникают опять поочередно и вставляются в один поток битов. Таким
образом можно говорить о наличии двух независимых двоичных
каналов ФМ с ортогональными несущими
и
.
Эти каналы называются обычно I и Q каналами. Способ создания таких
двух независимых каналов в пределах одной полосы иногда называют
квадратурным мультиплексированием.
До тех пор пока в демодуляторе соблюдается ортогональность между
несущими в модуляторе и эталонными колебаниями (в приемнике
когерентность поддерживается в обоих каналах), каналы I и Q не
взаимодействуют между собой. В противном случае малейшие
отклонения от ортогональности приводят к взаимным помехам в
квадратурных каналах. Взаимные помехи могут быть вызваны
несбалансированными фазовыми искажениями в канале передачи.
На первый взгляд может показаться, что при квадратурном
мультиплексировании пропускная способность при заданной полосе
возрастает в два раза. Но нужно помнить, что сигнал в ФМ сигнал в
квадратурном канале представляет собой сигнал с двумя боковыми
полосами. Значит, полоса канала без квадратурного сигнала меньше, она
составляет 50% полосы системы с одной боковой полосой. При
использовании квадратурных каналов работа с одной боковой полосой
становится невозможным, так как процесс разделения боковых
82

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

приводит к нарушению ортогональности двух сигналов. В сущности,
квадратурное мультиплексирование только компенсирует потерю
пропускной способности, связанную с передачей спектра с двумя
боковыми полосами. Демодуляция в системах с большим числом
уровней усложнена тем, что использование только двух опорных
колебаний не обеспечивает простое детектирование всех битов данных.
Существует два основных метода, применяемых для детектирования
данных.
Первый состоит в использовании большого числа опорных колебаний в
приемнике и измерении фазы принятого сигнала по отношению
каждого из дополнительных опорных колебаний. При втором методе
используются только два опорных колебания и соответствующие им ФД,
а все дополнительные измерения реализуются как линейная
комбинация двух ФД.
В качестве примера первого метода рассмотрим систему с 8-ФМ (
таблица 4.2 и рис. 4.7). Оптимальное детектирование в такой системе
может быть достигнуто при наличии двух дополнительных выходных
сигналов с ФД с фазами
и
обозначены на рис.4.7 как A и B

.Эти два опорных колебания

Рис. 4.7. Опорные колебания для детектирования сигналов с 8-ФМ

83

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Для поиска двоичного решения эти выражения рассчитаны и
представлены в таблице 4.3
Таблица 4.3. Выходной сигнал фазового
детектора 8-ФМ
Данные Фаза
011

-0,383 0,383 0,924 0,924

010

-0,924 0,383 0,383 0,924

000

-0,924 -0,924 -0,383 0,383

001

-0,383 -0,924 -0,924 -0,383

101

0,383 -0,383 -0,924 -0,924

100

0,924 0,383 -0,383 -0,924

110

0,924 0,924 0,383 -0,383

111

0,383 0,924 0,924 0,383

Значения в табл. 4.3 показывают, что:
при положительном значении
первый бит данных всегда
равен ,
при положительном значении
второй бит равен ,
третий бит равен
если все три значения
имеют
один и тот же знак.
Логически можно записать

где
- i–тый бит данных;
– логические переменные, представляющие собой
положительные сигналы от
соответственно.
Другой метод детектирования сигналов с 8 ФМ, при котором не
84

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

требуются дополнительные опорные колебания и ФД, следует из формул
(4.2). Дополнительные измерения могут быть определены в виде:
(4.5)
Другими словами, величины
и
могут определяться в виде
линейных комбинаций измерений фазы в квадратурных каналах
и
, не требуя дополнительных ФД. Соответствующие модулятор и
демодулятор показаны на рис. 4.8 .

Рис. 4.8. Демодулятор, использующий всего два опорных колебания
Линейные

комбинации

(4.3)

представляют

вращение

базисных

векторов в квадратурных канала на угол . Изменяя угол вращения
можно легко найти линейные комбинации в других случаях фазовой
модуляции. Следовательно, все демодуляторы, в состав которых входят
ФД, могут быть реализованы с помощью двух ФД и комбинаций, в
которых вращение происходит на произвольный угол ,имеют вид:

Восстановление

на

приемном
85

конце

опорных

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

колебаний и тактовой частоты.
Как мы видели на примерах, реализации демодуляторов требуется
наличие местного опорного колебания синхронизированного с
передатчиком. Более того, для многоуровневых систем требуется, как
правило, и дополнительное опорное колебание в квадратуре к первому.
В данном случае восстановление любого опорного колебания
осложняется тем, что ФМ в отличие от других видов модуляции в
спектре, передаваемого сигнала, не имеет канала, по которому можно
передать несущую частоту передатчика. Отсутствие несущей может
быть преодолено с помощью методов нелинейного преобразования [75]

Спектр сигналов ФМ и характеристики ошибок
На рис.4.8 приведены для сравнения спектры сигналов для систем 2ФМ, 4-ФМ, 8-ФМ, рассчитанных на одинаковые скорости передачи
данных.
Напомним, что для системы ИКМ 90% мощности содержится в полосе
спектра
(
–длительность символа исходного сигнала).
Высокий процент мощности внутри этой полосы означает, что сигнал
может быть заключен в полосе до
идеальной формы сигнала.

, и давать хорошую аппроксимацию

Рис. 4.9. Спектр нефильтрованных сигналов с ФМ на одинаковой
скорости передачи
86

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

На рис.4.8 видно, что более многоуровневые системы работают при
более узком спектре (при более низких скоростях передачи символов, но
не битов исходных данных). Так система 8-ФМ передает один символ,
содержащий 3 – бита (см. рис. 4.1 ), но имеет спектр в 3 раза меньше
чем ИКМ (

).

Теоретически для удобного восстановления требуется сохранить
характеристики в середине каждого интервала. Поэтому требуемая
ширина полосы частот равна
. Или скорость передачи
информации в данной полосе частот равна

Характеристика ошибок приведена на рис.4.9 .
Чем больше уровней в системе тем, больше нужно иметь отношение
энергии на бит к плотности шума (коэффициент сигнал-шум) при
равной вероятности ошибки. Например, для получения одной и той же
вероятности ошибки для систем 4-ФМ и 8- ФМ требуется для 8-ФМ
повысить коэффициент сигнал-шум на 3 дБ.

Рис. 4.10. Вероятности ошибок в системе с ФМ
87

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Базовое выражение, определяющее расстояние между соседними
точкам в многоуровневой системе с ФМ, имеет вид:
(4.6)

Квадратурно–амплитудная модуляция
Как видно из предыдущих разделов, использование квадратурных
сигналов удобно для представления фазовой модуляции с четырьмя и
более фазами. В случае 4 ФМ квадратурные сигналы соответствуют
отдельным каналам из-за того, что для каждого квадратурного канала
первичный
сигнал
может
рассматриваться независимо.
В
многоуровневых системах с ФМ уровень исходного сигнала для канала I
не является независимым от уровня канала Q (см. рис.4.4 и табл. 4.2 ).
После приема первичного сигнала, однако, процессы модуляции и
демодуляции могут рассматриваться как независимые для всех систем с
ФМ.
Квадратурно-амплитудная модуляция - КАМ (QAM – Quadrature
Amplitude Modulation) может рассматриваться как расширенная
многоуровневая ФМ, в которой два исходных сигнала генерируются
независимо. Таким образом, здесь имеют место два полностью
независимых квадратурных канала, включающие процессы кодирования
и детектирования в основной полосе.
На рис.4.11 показано сигнально - точеное пространство для системы с
16-КАМ и четырмя уровнями в каждом квадратурном канале. Точки
представляют составной сигнал, а штрихи на осях отмечают уровни
амплитуды в каждом квадратурном канале. Основная схема модулятор –
демодулятора 16-КАМ представлена на рис.4.12 .

88

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.11. Сигнально-точечное пространство модуляции для 16-ФМ
Отметим, что в отличие от ФМ сигналов сигналы КАМ, показанные на
рис.4.12 не содержат постоянной огибающей. Наличие постоянной
огибающей в ФМ объясняется поддержанием отношения уровней в
квадратурных каналах. В КАМ такие ограничения не вводятся ввиду
того, что в каждом канале уровни независимы. Отсюда следует, что
КАМ не может использоваться с усилителями, которые могут иметь
насыщения в пределах возможных мощностей.

Рис. 4.12. Схема модулятора- демодулятора КАМ
89

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Спектр системы с КАМ определяется спектром исходных сигналов,
поступающих в квадратурные каналы. Поскольку эти сигналы в своей
основе имеют ту же структуру, что и исходные ФМ сигналы, спектр 16КАМ и 64- ФМ совпадают при равном числе сигнальных точек на
фазовой диаграмме.
Хотя спектры ФМ и КАМ совпадают, характеристики ошибок этих
систем сильно отличаются. При достаточно большом числе сигнальных
точек системы КАМ имеют, как правило, лучшие характеристики, чем
системы с ФМ. Основная причина состоит в том, что расстояние между
сигнальными точками на диаграмме для системы с КАМ больше, чем
для соответствующей системы с ФМ. На рис.4.13 произведено
сравнение систем 16-ФМ и 16-КАМ, работающих на одинаковой
пиковой мощности, по расстоянию между точками.

Рис. 4.13. Сигнально-точечное пространство модуляции для 16-ФМ
Расстояние
между соседними точками в системе КАМ с
нормированной к единице пиковой амплитудой и числом уровней L
может быть представлено в виде:
(4.7)
n-КАМ имеет преимущество над системой n-ФМ при той же пиковой
мощности.
В настоящее время для передачи пользуются системами 256- КАМ.
Надо отметить, что надежное функционирование высокоплотных
90

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

форматов модуляции, таких как 256-КАМ требует строгой линейности
усилителей, для возможности обработки широкого диапазона амплитуд
сигналов. Соотношения для характеристик ошибок методов 4-,16-,64- и
256 - КАМ в зависимости от отношения функции
рис.4.14

приведены на

Рис. 4.14. Вероятности ошибки в системах с КАМ

Амплитудно
несущей

фазовая

модуляция

с

подавлением

Амплитудно- фазовая модуляция с подавлением несущей (Carrierless
Amplitude and Phase Modulation – CAP) представляет собой форму КАМ
(иногда ее называют амплитудно-фазовая модуляция без несущей). При
этом виде модуляции (рис. 4.14) устанавливаются фильтры на
синфазный канал (канал I) и квадратурный канал (канал Q) для
91

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

подавления несущей частоты. Фильтры создаются на базе цифровых
сигнальных процессоров (DSP). Фильтр синфазного канала преобразует
данные канала I в косинусоидальные колебания, тогда как фильтр
квадратурного канала преобразует данные канала Q в синусоидальные
колебания. Преобразование фильтров такого типа обычно привязано к
частоте несущей, так что на приемном конце можно восстановить
несущую.
После сложения синфазного и квадратурного сигнала XE "синфазного и
квадратурного сигнала" , результирующий сигнал преобразуется в
аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя XE
"цифро-аналогового преобразователя" (ЦАП).

Рис. 4.15. Блок – схема модулятора CAP

Сверточные и решетчатые коды
Сверточное кодирование XE "Сверточное кодирование" – метод
непрерывного кодирования и декодирования. Эти коды относятся к
классу прямого исправления ошибок FEC (Forward Error Correction), т.е.
без использования обратного канала.
В случае сверточного на вход кодера поступает последовательность
символов источника, а с выхода кодера снимается также непрерывная
последовательность символов, которая является функцией входных
символов и структуры кодера. Каждый входной символ, состоящий из k,
битов преобразуется в n-битовый поток.
На рис.4.16 показан принцип построения сверточного кодера
92

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.16. Принцип сверточного кодера
Сверточный кодер состоит из регистра сдвига из
ячеек, блока
сумматора по
, входы соединены с некоторыми выходами
регистра сдвига (в соответствии с принятой передаточной функцией
).
Таким образом, на каждом такте в регистр сдвига последовательно
поступает блок из
исходных информационных символов. В том же
такте
на
выходе
преобразователя
формируется
кодовая
последовательность длиной
последовательных символов. С
помощью мультиплексора они передаются в канал.
Скорость поступления исходных данных равна
от выходной
канальной скорости. Длина регистра сдвига, определяет длину
кодируемого блока и называется длиной кодового ограничения.
На рис.4.16 показаны два типа кодеров. Оба кодера называют кодерами с
кодовой скоростью XE "кодовой скоростью"
поскольку скорость
исходных данных равна половине канальной скорости данных. В
каждый интервал времени один входной бит порождает 2 выходных
бита. Как показано на рис. 4.16 Кодер с кодовым ограничением 2 выдает
логическую сумму по модулю 2 битов
и
вместе с
непосредственным значением
. Кодер на рисунке 4.16 порождает
сумму двух перекрывающихся полей (
и
). В этом случае
93

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

логическая сумма битов
равна единицы, тогда и только тогда
когда нечетное число битов равно 1. На рис.4.16 длина регистра равна
2, следовательно, это кодер имеет кодовое ограничение XE "кодовое
ограничение" равное 2. Поскольку выходной задающий генератор имеет
скорость в два раза большую входной скорости канальная скорость,
(канальное ограничение) будет 4. Аналогично кодер на рис.4.17б имеет
кодовое ограничение XE "кодовое ограничение" 3 и канальное
ограничение 6.
Большие по величине кодовые ограничения дают лучшие
характеристики.Поскольку кодер на рис.4.16 имеет наименьшее из
возможных кодовое ограничение XE "кодовое ограничение" , он обычно
не используется, но удобен для иллюстрации основного принципа
работы сверточного кодера. На рис. 4.17 показаны два примера
сверточного кодирования. На рисунке 4.17а для кодового ограничения
и на рис.4.17б для кодового ограничения 3.

Рис. 4.17. Сверточные кодеры с кодовой скоростью 1/2 а – с кодовым
94

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ограничение 2; б- с кодовым ограничением равным 3

Рис. 4.18. Пример последовательностей данных для сверточного
кодирования с параметрами: скорость кодирования R=1/2 и длиной
ограничения: а) k=2; б) k=3
Ниже приводится алгоритм обработки входной последовательности в
выходную последовательность для рис.4.17б.

95

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.19.
Сверточный декодер обычно обрабатывает сигнал согласно алгоритму
Витерби по методу максимального правдоподобия XE "методу
максимального правдоподобия" [69]. Идея этого метода состоит в том,
что последовательность отсчетов принимаемого сигнала сравнивается
со всеми возможными входными канальными последовательностями,
для определения символа исходных данных выбирается наиболее
близкая последовательность.
Помехозащищенность кода в большой степени зависит от еще одной
характеристики сверточного кода свободного расстояния
, под
которым понимают расстояние по Хэминнгу между двумя
96

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

полубесконечными последовательностями.
Предположим,
что
имеются
две
одинаковые
входные
последовательности. Если их подавать на вход кодера то, будет
порождаться одинаковая выходная последовательность. Предположим,
что одна входная последовательность будет содержать символ отличный
от другой (например, 0, а в другой последовательности 1). Тогда при
сверточном кодировании, начиная с этого бита, сверточный код будет
давать различающиеся комбинации.
Свободное расстояние показывает какое наименьшее количество
ошибок должно произойти в канале, чтобы одна кодовая
последовательность была расшифрована как другая и ошибки не были
обнаружены.
Выгрыш от кодирования XE "Выгрыш от кодирования" при кодовом
ограничении XE "кодовом ограничении" равном 7 равен 5 дБ. При о
кодовой скорости
необходимо удвоение ширины полосы, что
увеличивает величину шума на 3 дБ, то суммарный выигрыш
составляет 2 дБ. Поиск хороших сверточных кодов ( с наибольшим
при заданной кодовой скорости и кодовом ограничении XE "кодовом
ограничении" ) осуществляется обычно методом перебора. Для
иллюстрации рассмотрим следующий пример.
Пример. Определить логику декодирования данных полученных
сверточным декодером, показанном на рис.4.17а. Будем считать, что
побитные проверки проводятся для каждого принимаемого бита
канальной последовательности и рассматриваются изолированно друг
от друга.
Решение. При рассмотрении изолированных канальных ошибках
возможны два случая: ошибка в исходном бите
или ошибка в бите,
полученном сложением
. Если исходный бит
содержал
ошибку, то в то мы получим также ошибку суммы
(исключающее ИЛИ). Тогда если мы обнаружим две смежных ошибки,
то наиболее вероятное решение состоит в том, что искажен, бит
.
Если с ошибкой принят, бит суммы, наиболее вероятно, что это
искажение самого бита суммы и не было ошибки исходных данных.
97

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Поэтом ошибки суммы

не учитываются.

В общем случае, сверточное кодирование хорошо подходит для
исключения независимых ошибок. Далее мы знаем, блочное
кодирование (например, коды Рида – Соломона,см. раздел 4.9.) удобны
в средах с пакетными ошибками. Из этих соображений часто
используются комбинации этих двух видов кодирования.

Отображение сверточного кода (решетчатая диаграмма)
Рассмотрим теперь кодер изображенный на рис 4.16б. Он содержит три
накопителя (триггера), которые определяют вид кода на выходе. При
этом первый триггер содержит входной сигнал. Попробуем отобразить
переходы в такой схеме от одного состояния к другому, при поступлении
следующего входного двоичного сигнала (значения 0 или 1) с помощью
двоичного дерева. При этом можно использовать показанные выше
результаты преобразования входной выходную последовательность.
Решетчатой диаграммой XE "Решетчатой диаграммой" называется
ориентированный граф с периодически повторяющейся структурой
"ячеек". Каждая ячейка содержит колонки из одинакового числа вершин
(узлов), соединенных ребрами. Между процедурой кодирования
сверточным кодом и решеткой имеется взаимно однозначное
соответствие, которое задается следующими правилами:
1. Исходное положение диаграммы.
слева перечисляются все возможные комбинации из 3
символов;
ниже (в квадратных скобках) приведен результат обработки
это комбинации в соответствии с заданным алгоритмом;
комбинация их двух символов, которая может быть
добавлена
следующим
символом
исходной
последовательности, при смещении влево.
Построение дерева ( рис. 4.19а).

98

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

99

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.20. Диаграмма (решетка) согласно алгоритму по рис.4.18б
После установки исходных данных строится дерево (решетка). Она
строится по ступеням.
Из каждой вершины исходных данных рисуется граф с двумя
ветвями – ветвь, исходящая из каждой вершины, соответствует
одному из возможных символов источника (для двоичного
источника из каждой вершины выходит два ребра – верхнее для 0
и нижнее для 1);
каждая вершина (узел) соответствует внутреннему состоянию
кодера (двум символам остающимися без изменений);
над каждым ребром отмечены значения символов (в данном
случае двоичных 0 или 1), поступающих от источника,
далее над ребром написан получаемая комбинация, а под ней в
квадратных скобках результат обработки этой комбинации.
Используя рис. 4.19и получаемую исходную последовательность можно
определить последовательности кодов, передаваемых в линию. На этом
рисунке жирным шрифтом показаны значения, получаемые при приеме
исходной последовательности, приведенной на рис.4.18б. Ниже
приводится пример использования решетчатых кодов совместно с ФМ –
модуляцией [2], [69]
На рис.4.20 показаны сигнальные точки и запасы помехоустойчивости.
Предполгается, что запас гарантируется при сдвиге фазы не более чем
наполовину расстояния от данной нулевой точки Это значение
.
Запас по мощности пропорционален этим расстояниям.
В решетке между двумя точками может быть выбран один из двух
переходов. Каждый из переходов кодируется двумя символами (см
свертончый код). Сигналы передаются в течении трех интервалов
(состояний).

100

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.21. Сигнальные точки и запасы помехоустойчивости из четырех
состояний для модуляции 8-ФМ

Рис. 4.22. Решетка с четырьмя состояниями для модуляции методом 8ФМ
Обычно при реализации метода используется избыточное число
101

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

сигнальных точек. При этом накладываются ограничения на
последовательность их следования. Разрешенный порядок следования
показан с помощью решетки. Поэтому применяется термин модуляция с
решетчатым кодированием XE "модуляция с решетчатым кодированием"
(Trellis Coded Modulation - TCM).
Алгоритм
детектирования
определяет
наиболее
вероятную
последовательность состояний передаваемых кодов. В качестве примера
рассмотрим расширение модуляции 4 –ФМ до 8-ФМ, как это показано
на рис 4.20 . Несмотря на то, что в сигнально-точечном представлении
8-ФМ есть 8 точек в каждом интервале, но могут свободно выбираться
только четыре из них. Какие именно точки будут выбраны, зависит от
точек, выбранных в предыдущем интервале. При получении сигнала
приемником (демодулятором) перед принятием решения о
закодированных данных определяется, какая из допустимых
последовательностей сигналов наиболее близка к принятой
последовательности (см. пример).
На рисунке также показан предел помехоустойчивости, (порог
чувствительности, определяемый уровнем собственных шумов
приемника в отсутствии полезного сигнала). Решетка XE "Решетка"
переходов , изображенна на рис.4.21 .
Важно отметить, что на рисунке приведены не сигналы, а переходы из
одного состояния в другое.Переходы кодируются двумя битами . Еще раз
подчеркнем, что из предложенных 8-ми точек выбираются четыре.
Основные принципы декодирования состоят в следующем.
Разрешенный переход осуществляться для любых двух сигналов
любыми сигналами даже если их последовательность не
позволяет их распознование. Однако, эти два сигнала выбираются
так, чтобы получить максимальное разделение (запас по шуму
равен 1), поэтому введение избыточности становится ненужной.
Переходы,
начинающиеся
в
разных
состояниях
и
заканчивающиеся в некотором одном конкретном состоянии,
кодируются сигналами, имеющими предел помехоустойчивости
по шуму равный или больший 0,5.
Все последовательности, которые начинаются и заканчиваются в
одних и тех же состояниях, имеют длительность как минимум три
102

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

интервала с минимальным запасом помехоустойчивости по шуму
равным или больше 0,5; 0,146; 0,5 Таким образом общая
помехоустойчивость
по
шуму между двумя
любыми
последовательностями минималной длины равен 1,146.
Упражнение. 4.1. Приемник в системе TCM (рис. 4.20) обнаружил
последовательность фаз
Определить допустимую
последовательность трех сигналов, расстояние которых до принятой
последовательности было минимальным. Принять за начальную точку
.
Решение.
Вначале мы можем определить ближайшие фазы кодированного
сигнала, которые соответствуют сигнальным точках 1,5 и 1. Анализ
рис.4.21 показывает, что такая последовательность недопустима, так как
сигнал 5 не может следовать за сигналом 1. Если бы принятие решений
проходило символ за символом, то наверняка была бы сделана ошибка.
Просматривая решетку, начиная с точки
, получим набор
разрешенных последовательностей, приведенный табл.4.4 . Для
каждого перехода показа наиболе вероятный сигнал, который может
образовать переход. В таблице также указаны отклонения каждого
сигнала от принятого (в градусах), а также суммарная ошибка
последовательности.
Как
видно,
наиболее
подходящая
последовательность
. (последовательность сигналов 1,6,0).
Переход
Суммарная ошибка при этом равна
Таблица 4.4. Определение последовательности и ошибок для примера
1.1
Состояния Сигналы Символьные отклонения Суммарное отклонение
CBC
141
2,5; 62,5; 12,5
77,5
DDD
351
92,5; 17,5; 12,5
122,5
CAA
160
2,5; 27,5; 32,5
62,5
DCB
370
92,5; 72,5 ; 32,5;
197,5
103

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

CBD
DDC
CAB
DCA

143
353
162
372

2,5; 62,5; 102,5
92,5; 17,5; 102,5
2,5; 27,5; 57,5
92,5; 72,5; 57,5

167,5
21,5
87,5
222,5

Таблица показывает, что можно выбрать другие последовательности
(141 и 162), также близкие к максимально правдподобной
последовательности сигналов. Отметим, что конечные состояния этих
последовательностей (
и
) отличаются от конечного состояния
выбранной последовательности. Так как состояния
и
, не имеют
общих разрешенных сигналов, следующий символ позволит вновь
вернуться к выбору между последовательностями 160 и 162.
Ближайший сигнал не поможет выбору между 160 и 141, а следующий
за ним сигнал позволит принять решение.
Для строгого определения наиболее подходящей последовательности
передаваемых сигналов необходимо рассматривать другие начальные
состояния ( а не только как в упражнении состояние ).

Турбо кодирование
Для улучшения устойчивости, передаваемой информации при
модуляции применяется метод - турбо кодирование XE "турбо
кодирование" (см. рис. 4.23). Наиболее часто этот метод основан на
применении двух сверточных кодов и перемежителя (interliving).
Перемежение XE "Перемежение" (перестановка) информации – это
изменение позиций блоков информации относительно друг другу.
Турбо кодек показан на рис.4.23а.
Турбокодер XE "Турбокодер" состоит из двух сверточных кодеров,
на вход первого поступает исходная последовательность
информации,
на вход второго поступает информация, которая прошла
перемежитель.
104

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Задача перемежителя преобразовать исходный код в псевдослучайную
последовательность. Есть несколько алгоритмов перемежения
(перестановки). Например, перестановка блоков информации в
соответствии с таблицей. Информация размещается в таблице, по
строкам потом читается по столбцам или по диагоналям.
Перемежение XE "Перемежение" кода преобразует групповые ошибки в
одиночные, которые эффективно исправляются сверточным декодером.
Сверточный декодер содержит два декодера, которые используют
исходную (принятую информацию) и результаты перемежения и де –
перемежения для снятия ошибок, и передают приемнику.

105

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.23. Декодер

Коды Рида Соломона
Как и сверточные коды код Рида Соломона (RS) принадлежит к классу
кодов, исправляющих ошибки прямого исправления ошибок FEC
(Forward Error Correction), т.е. без использования обратного канала.
Это блочный код, когда блок символов исходных данных длины M
поступает на вход RS – кодера, на его выходе получается блок символов
106

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

длины
при этом
– количество контрольных
символов. Код Рида –Соломона с таким параметрами обычно называют
кодом

. Он может исправлять ошибки в

символах Во многих случаях символ представляет байт данных.
Таким образом обнаружение и исправление ошибочных 8 битов при
этом коде не сложнее, чем исправление одного бита.
Широковещательный цифровые телевизионные системы (Digital Video
Broadcasting, DVB) используют код
. В таком коде
, т.е. по меньшей мере могут быть исправлены восемь
символов.

Цифровой много тональный сигнал
В настоящее время имеются две разновидности
несколькими несущими:

модуляции

с

1. Цифровой многотональный сигнал (DMT –Digital Multi - Tone),
цифровой сигнал, который состоит из 256 тональных сигналов в
прямом и 16 каналов в обратном направлении, каждый из
которых занимает полосу 4 кГц. Данная структура применяется
для каналов с асимметричной передачи данных.
2. Ортогональная частотное разделение каналов (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – методика
мультиплексирования, которая разделяет полосу канала на
множество поднесущих частот, как показано на рис.4.24

107

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.24. Распределение несущих частот в OFDКак уже сказано выше,
система с DMT применяется при уплотнении абонентских линий. Одна
из примечательных особенностей DMT - её способность согласовывать
спектр информационного сигнала с канальной характеристикой
Эта система модуляции применяется в приложении ADSL для
проводных пар абонента. Определенным препятствием использования
существующих проводных пар для широкополосной передачи является
возможным наличие боковых отводов XE "боковых отводов" .Они
приводят к изменениям характеристик каналов, как это например.
показано на рис.4.25 .
Большинство широкополосных систем, например ISDN требует
удаления отводов из шлейфа. В реализации ADSL с помощью DMT
отводы допустимы, так как здесь их присутствие определеяется по
характеристикам каналов, после чего передача настраивается на
характеристики канала. Система DMT плотность информации (объем
передваемых данных) в данной полосе в соответствии с
характеристиками отдельных каналов или совокупности поднесущих.
При этом возможно учесть узкополосную интерференцию, которая
приводит к изоляции каналов друг от друга.

108

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 4.25.
Использование DMT для согласования пропускной
способности подканала и характеристик подканала

Краткие итоги лекции 4
(Одна из важнейших проблем, как на абонентском участке, так и
участке соединительных линий обеспечить максимальную
скорость передачи цифровой информации.
(Если нужно получить высокую скорость передачи данных в
условиях ограниченной полосы прибегают к методам повышения
информационной емкости передаваемых символов. Одним из
таких методов является многоуровневая система, когда каждый
сигнал может принимать несколько уровней амплитуды в
зависимости от значения исходного символа.
(Фазовые методы модуляции являются, в какой - то степени
109

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

аналогами многоуровневой передачи сигналов, поскольку тоже
позволяют увеличить информационную емкость передаваемого
символа.
(Фазовая модуляция связана с манипуляцией фазы. При такой
манипуляции для получения бинарного сигнала в каждом
тактовом интервале используется одна из фаз, отличающаяся на
.
( Из методов многоуровневой модуляции наибольшее
распространение получил метод– генерации сигналов, как
линейной комбинации квадратурных сигналов.
( Основной элемент модулятора ФМ – смеситель. Основными
элементами модулятора ФМ являются смеситель и фильтр низкой
частоты (ФНЧ). Комбинацию смесителя и фильтра низкой
частоты (ФНЧ) называют фазовым детектором (ФД).
( В системе 4-ФМ имеются два раздельных потока данных синфазный I и инверсный Q. Таким образом можно говорить о
наличии двух независимых двоичных каналов ФМ с
ортогональными несущими
и
. Способ создания
таких двух независимых каналов в пределах одной полосы
называют квадратурным мультиплексированием.
(Реализации демодуляторов требуется наличие местного опорного
колебания синхронизированного с передатчиком, а для
многоуровневых систем требуется, как правило, и дополнительное
опорное колебание в квадратуре к первому.
(Многоуровневые системы работают при более узком спектре
(при более низких скоростях передачи символов, но не битов
исходных данных). Чем больше уровней в системе тем, больше
нужно иметь отношение энергии на бит к плотности шума
(коэффициент сигнал-шум) при равной вероятности ошибки.
(Квадратурно-амплитудная модуляция - КАМ (QAM – Quadrature
Amplitude Modulation) может рассматриваться как расширенная
многоуровневая ФМ, в которой два исходных сигнала
генерируются независимо. Таким образом, здесь имеют место два
полностью независимых квадратурных канала, включающие
процессы кодирования и детектирования в основной полосе.
(При достаточно большом числе сигнальных точек системы КАМ
имеют, как правило, лучшие характеристики, чем системы с ФМ.
(Амплитудно- фазовая модуляция с подавлением несущей
представляет собой форму КАМ, при которой модуляции
110

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

устанавливаются фильтры на синфазный канал (канал I) и
квадратурный канал (канал Q) для подавления несущей частоты.
(Сверточное кодирование – метод непрерывного кодирования и
декодирования. В этом случае на вход кодера поступает
последовательность символов источника, а с выхода кодера
снимается также непрерывная последовательность символов,
которая является функцией входных символов и структуры кодера.
(Сверточный декодер обычно обрабатывает сигнал по принципу
максимального правдоподобия Витерби, последовательность
отсчетов принимаемого сигнала сравнивается со всеми
возможными входными канальными последовательностями, для
определения символа исходных данных выбирается наиболее
близкая последовательность.
(Решеткой называется ориентированный граф с периодически
повторяющейся
структурой
"ячеек
Между
процедурой
кодирования сверточным кодом и решеткой имеется взаимно
однозначное соответствие, которое задается определенными
правилами.
(Метод - турбо кодирование метод основан на применении двух
сверточных кодов и перемежителя (interliving).Перемежение
(перестановка) информации – это изменение позиций блоков
информации относительно друг другу.
(В настоящее время имеются две разновидности модуляции с
несколькими несущими: дискретный много тональный сигнал
(DMT -Discrete Multi - Tone), Ортогональная частотное разделение
каналов (OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

111

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Цифровые абонентские линии
Даны основные сведения о системах цифрового уплотнения
абонентских линий и описание различных типов этих линий,
симметричных
и
асимметричных,
высокоскоростных
и
сверхвысокоскоростных.

Сведения о технологиях xDSL
Телефонная линия с ее элементами [5] ограничивает скорость передачи,
поэтому требуется канал, позволяющий обход телефонных цепей и в то
же время, использующий физическую абонентскую линию.
Поэтому была предпринята разработка достаточно недорогой
высокоскоростной цифровой технологии передачи данных по простому
телефонному кабелю (включая витую пару), DSL (Digital Subscriber Line цифровая абонентская линия) [10], [27], [30], [93].
Ключевые преимущества технологий xDSL:
использование существующих абонентских линий;
значительное увеличение скорости передачи данных по медной
паре телефонных проводов без необходимости их модернизации;
передача по этой единственной АЛ всего разнообразного трафика
массового пользователя — от традиционного телефонного
разговора до доступа в Internet;
передача всего трафика данных пользователя (включая и трафик
Internet) в обход коммутируемых сетей ТФОП или ISDN
непосредственно в транспортную сеть передачи данных;
набор технологий DSL обеспечивает скорость передачи данных от
32 Кбит/с до 50 Мбит/с , так что пользователь может сделать
выбор в зависимости от собственных потребностей;
как средство передачи данных оборудование xDSL занимает
промежуточное положение между дешевыми аналоговыми
модемами и дорогими выделенными линиями Т1 или Е1.
Высокие скорости передачи при сравнительно небольших затратах
делают технологии хDSL практически идеальным средством
передачи данных для представителей малого и среднего бизнеса;
112

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

цифровые данные передаются на компьютер именно как
цифровые данные, что позволяет использовать гораздо более
широкую полосу частот телефонной линии;
существует возможность одновременно использовать и
аналоговую телефонную связь, и цифровую высокоскоростную
передачу данных по одной и той же линии, разделяя спектры этих
сигналов. Использование DSL позволяет разговаривать по
телефону, не отключаясь от Internet.
Эти преимущества определили технологии xDSL в качестве самого
эффективного средства широкополосного доступа к сетевым услугам.
В таблице 5.1 приведены некоторые из распространенных технологий
xDSL и их основные характеристики.
Таблица 5.1. Некоторые из распространенных технологий xDSL и их
основные характеристики
Максимальная
Максимальная
DSL
скорость передачи скорость приёма Максимальное Число
Технология
(на конце
(на конце
расстояние линий
пользователя)
пользователя)
ADSL
800 Кбит/с
8 Мбит/с
5500 м
1
ADSL-Lite
512 Кбит/с
1.536 Мбит/с
5500 м
1
(G.Lite)
RADSL
1 Мбит/с
7 Мбит/с
5500 м
1
HDSL
HDSL2

1.54 до 2 Мбит/с
1.54 до 2 Мбит/с
192 Кбит/с до 2.3
Мбит/с
52 Мбит/с

3650 м
3650 м

2
1

7500 м

1

VDSL

1.54 до 2 Мбит/с
1.54 до 2 Мбит/с
192 Кбит/с до 2.3
Мбит/с
16 Мбит/с

1200 м

1

VDSL2
SDSL
MSDSL
IDSL

100 Мбит/с
2.3 Мбит/с
2 Мбит/с
144 Кбит/с

100 Мбит/с
2.3 Мбит/с
2 Мбит/с
144 Кбит/с

150 м
6700 м
8800 м
10700 м

1
1
1
1

SHDSL

Как можно заметить из предыдущего списка xDSL и таблицы,
113

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

большинство xDSL преследует различные цели. Множество вариантов
существуют, потому что есть определенное разделение потребностей
пользователей, требований к скоростям, и готовность заплатить за
реализацию этих требований.
Асимметричные множества xDSL обычно используются для связи в
Интернет и обеспечивают цены, ориентированные на квартирный
сектор. Симметричная xDSL востребована в коммерческом секторе и
применяется там, где требуются рабочие характеристики, подобные
специализированным каналам точка-точка, или для высокоскоростных
служб.
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line — асимметричная цифровая
абонентская линия): вариант DSL, позволяющий передавать данные от
станции пользователю (направление "вниз") со скоростью до 8,192
Мбит/с, а от пользователя к станции (направление "вверх") — со
скоростью до 800 Кбит/с. ADSL применяет этот метод, потому что
большинство приложений Интернета принимает "вниз" намного
больше информации чем передают. Другая версия ADSL – это цифровая
абонентская линия с Адаптацией Скорости (RADSL –Rate Adaptive DSL).
Это – популярный вариант ADSL, который, позволяет модему
корректировать скорость подключения, зависящего длины и качества
линии.
ADSL G.lite — вариант ADSL, имеющий как асимметричный режим
передачи с пропускной способностью со скоростью до 512 Кбит/с от
пользователя к сети и до 1,536 Мбит/с от сети к пользователю. Эта
технология часто называется как ADSL без разделителя (splitterless
ADSL). Технология обеспечивает характеристики ADSL с уменьшенной
скоростью передачи, поддерживающей аналоговую телефонию. G.Lite
более проста в подключении, так как не требует подключения
разделителя. Она часто имеет меньшую стоимость для клиента.
HDSL (High Speed Digital Subscriber Line) — высокоскоростная цифровая
абонентская линия): вариант хDSL с более высокой скоростью передачи,
который позволяет организовать передачу со скоростью более 1,5
4Мбит/с (стандарт США Т1) или более 2 Мбит/с (европейский стандарт
Е1). HDSL в обоих направлениях получает и передает данные на одной
и той же скорости, но это требует двух выделенных абонентских линий.
114

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Эти линии выделяются отдельно от нормальных абонентских линий.
Четырехпроводная линия HDSL часто используется, как альтернатива
линии оборудованной ИКМ-30 для некоторых видов коммерческой
деятельности и абонентов, применяющих высокоскоростной обмен
данными. Установка HDSL обычно дешевле установки аппаратуры
ИКМ-30.
HDSL-2 (High Speed Digital Subscriber Line) - высокоскоростная цифровая
абонентская линия 2, использует методику модуляции, называемую
амплитудно-импульсной модуляцией 16 (PAM16), которая позволяет
скорость передачи до 2 Мбит/с в каждом направлении по единственной
паре проводов. Двухпроводный HDSL теперь может применяться
квартирными абонентами, которым необходима одинаковая скорость в
обоих направлениях.
SHDSL (Simple High Digital Subscriber Line) стандарт ITU, разработанный,
чтобы заменить или улучшить много существующих технологий
цифровой абонентской линии в один стандарт, чтобы улучшить
способности к взаимодействию и упростить обслуживание. SHDSL –
обеспечивает симметричную передачу различного рода данных от 192
Кбит/с до 2.3 Мбит/с . Главным образом она используется для
пользователей офисного класса, SHDSL, как ожидается, заменит SDSL.
VDSL (Very High Speed Digital Subscriber Line — сверхвысокоскоростная
цифровая абонентская линия) — технология хDSL, обеспечивающая
чрезвычайно быструю передачу данных. VDSL включает:
асимметричную передачу (к пользователю до 52 Мбит/с и 16Мбит
от пользователя)
симметричную версию (100 Мбит/с в обе стороны VDSL-2).
VDSL предоставляет высокие скорости обмена, при более коротком
расстоянии по стандартному медному проводу. Поэтому, максимальная
скорость VDSL технологии будет вероятно предоставляться в пределах
сетей поставщика услуг.
SDSL (Simple Digital Subscriber Line) — симметричная цифровая
абонентская линия, работающая по одной паре. Она похожа HDSL, при
этом типе обмена данные передаются и получаются на одной и той же
115

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

скорости. Так как в предыдущем случае SDSL модемы требуют, чтобы
линия передачи данных была отделена от телефонной линии. Но
высокая скорость достигается с помощью одной линии вместо этих двух
линий, необходимых в HDSL. SDSL - также официальное название
стандарта передачи данных европейского Телекоммуникационного
Института Стандартов (ETSI - European Telecomminication Standards
Institute) -, основанного на HDSL-2. Как ожидается, согласно этому
стандарту будет обеспечена скорость, приема и передачи до 2 Мбит/с .
Этот стандарт обеспечивает передачу речи и услуг цифровой сети
интегрального обслуживания без использования аналоговых
разделителей.
MSDSL (Multirate Symmetric DSL). Мультискоростная Симметричная
цифровая абонентская линия - это - симметричная цифровая
абонентская линия, которая может работать, более чем на одной
скорости передачи. Поставщик услуг устанавливает скорость передачи,
обычно в соответствии с ценой и гарантированным уровнем
обслуживания.
IDSL (цифровая абонентская линия ISDN) — недорогая и испытанная
технология, использующая чипы цифровой абонентской линии
основного доступа BRI ISDN и обеспечивающая абонентский доступ со
скоростью до 128 Кбит/с .
Асимметричные множества xDSL обычно используются для связи в
Интернет и обеспечивают цены, ориентированные на квартирный
сектор. Симметричная xDSL востребована в коммерческом секторе и
применяется там, где требуются рабочие характеристики, подобные
специализированным каналам точка-точка, или для высокоскоростных
служб.

Технология ADSL
Технология ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) — это новая
высокоскоростная технология, которая решает проблему пропускной
способности абонентской линии ТфОП ("последней мили") — линии
связи между поставщиком и потребителем услуг сетей передачи данных.
Асимметричная цифровая абонентская линия (ADSL) является наиболее
популярной технологией DSL.
116

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Технология ADSL представляет собой платформу для доставки
широкополосных услуг, поддерживающую большой набор приложений
(высокоскоростной доступ в Internet, телеконференции, виртуальные
частные сети и мультимедиа), которые требуют широкой полосы
пропускания. Слово "асимметричная" в названии технологии означает
несимметричность потока данных в направлениях "серверпользователь" (downstream) и "пользователь-сервер" (upstream). ADSL
позволяет установить большую скорость передачи данных в
направлении от сервера к потребителю. Такой обмен наиболее
эффективен при доступе к мощным информационным ресурсам сетей
Internet, видео по требованию, удаленному доступу к локальной
вычислительной сети центрального офиса. Такой режим работы ADSL
учитывает главную особенность сети Internet, в соответствии с которой
информационный поток от сети к пользователю, содержащий
программы, графику, звук и видео, существенно превышает
информационный поток от пользователя к сети, который обычно
формируется нажатием клавиши клавиатуры или щелчком мыши.
Скорость передачи данных к пользователю обычно составляет от 1,5
Мбит/с до 8 Мбит/с . Скорость передачи данных от пользователя
обычно составляет от 64 Кбит/с до 1,5 Мбит/с (см. таблицу 5.1 ). В
большинстве случаев пользователи посылают лишь запрос на
предоставление ресурса, в ответ, получая большой объем информации.

Принципы работы ADSL
В квартирном секторе, ADSL - один из наиболее популярных
технологий xDSL. ADSL, позволяет параллельную работу и
параллельное сложение широкополосных цифровых частот данных и
существующей системе телефонии, использующей полосу частот 400 3400 кГц.
ADSL технология асимметрична, что подразумевает, что от центральной
станции поставщика услуг до сайта клиента (направление к "сеть пользователь") поток информации идет в направлении "вверх" от
абонента к станции. Следовательно, и также распределяется полоса
частот. Такая асимметрия удобна при просмотре пользователем видео
или приема больших файлов из удаленного центра хранения (например,
из WEB сети). Пользователи этих приложений обычно загружают
117

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

намного больше информации, чем передают.
Далее мы рассмотрим такие аспекты: модемы ADSL, стандарты
мультиплексирования, фильтрацию в обычной ADSL телефонной
информации и высокоскоростных данных, ограничения работы ADSL
по расстоянию, и рассмотрим различные другие типы xDSL.

ADSL -модем
Модемы ADSL - довольно сложные устройства, которые позволяют
подстроить передачу индивидуальную к передаче по одному из
проложенных рядом различных медных проводов, проверяя до 256
различных частотных сочетаний перед выбором лучшего набора частот,
чтобы использовать его.
ADSL - имеет ограничения по скорости и расстоянию, и много типов
технологий ADSL - модема конкурируют для достижением наибольшего
успеха на рынке у пользователя. Так как фактически все пары витых
проводов находятся обычно в одном большом кабеле, то шум и
перекрестные помехи между проводными парами являются общими.
Модемы ADSL, управляют шумами, определяя, какие частоты передачи
в конкретной паре проводов создают меньше шума, и приспосабливает
модем, чтобы обеспечить желательные скорости при наиболее низком
уровне шума.
ADSL модемы размещаются на каждом конце абонентской линии
клиента. Чтобы получить наибольшую ширину полосы частот в медной
паре, технология ADSL - модема должна иметь алгоритмы, которые
могут делить частотный диапазон приблизительно от 0.4 МГЦ до 1.1
МГЦ . Большинство ADSL - модемов в пределах этого диапазона
создает 256 подканалов с расстоянием около 4,3 кГц , размещая поток
"сеть - пользователь" и в обратном направлении, размещает данные и
управляющую информацию. В пределах каждого ADSL - модемы
реализуют это распределение, выполняя на этапе начальной загрузки
последовательность "обучения", передающую известный поток данных
"вниз" и сравнивая результаты подканалов, чтобы определить, какие
подканалы имеют лучшее отношение сигнал-шум (SNR). На основании
этого отношения, будет выделен подканал, по которому будет
118

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

передаваться больше битов, чем через другие. Поэтому, ADSL - модемы
могут быть приспособлены к различным состояниям линии.
Для управления всеми этими подканалами в данной полосе частот,
ADSL - модем должен иметь в цифровые сигнальные процессоры,
приемопередатчики, мультиплексоры и демультиплексоры, аналогоцифровые (A/D) конвертеры для поддержки обычной аналоговой
телефонной сети, и набор полупроводников схем.
Основная часть ADSL системы - цифровой сигнальный процессор,
который часто называют сетевой процессор, которые отвечает за
управление
обработкой
комплекса
информации
подканала.
Приемопередатчик - обеспечивает преобразования сигналов данных в
физические сигналы, передаваемые по медным проводам.
Мультиплексоры на станции помогают размещать данные в
соответствующие каналы для того, чтобы создать различные скорости
потока данных "сеть - пользователь" перед тем как передать их
приемопередатчику. Они эффективно упаковывают данные в эти
заданные подканалы для того, чтобы послать по проводу. На станции
ADSL - модем принимает данные от отдельных каналов, передает их в
сетевой процессор и мультиплексор, чтобы совместить эти данные
перед представлением клиенту по интерфейсу USB (Universal Seria /series
Bus) или по Локальной сети Ethernet.
Работа 256 частотными каналами, мультиплексирование и
демультиплексирование, и аналого-цифровое преобразования A/D (для
того, чтобы приспособить обычную аналоговую телефонную сеть к
цифровому обслуживанию) сделало ADSL популярной "рабочей
лошадкой" для связи через медную витую пару.

Стандарты ADSL
В пределах ADSL есть два конкурирующих и несовместимых стандарта
мультиплексирования – квадратурная амплитудно-фазовая модуляции с
подавлением несущей (CAP) и дискретная многочастотная модуляция
(DMT). CAP использовалась на ранней стадии установки ADSL. рис. 5.5
показывает размещение частот для CAP.
119

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 5.1. Распределение частоты для квадратурной фазовой модуляции
с подавлением несущей (CAP)
CAP применяет устройство, которое разделяет сигналы витой пары на
три различных частотных полосы.
речь от 0 до 4 кГц , как это делается в обычных телефонных
каналах.
канал "вверх" (от пользователя к поставщику услуг) занимает
полосу от 25 до 160 кГц ;
канал потока "сеть - пользователь" (от пользователя поставщика
услуг) - "вниз". Этот канал использует полосу приблизительно 1,5
МГц , начиная от 240 кГц .
Эта система, с разделением речевых, входящих и исходящих каналов
данных минимизирует возможность интерференции между каналами на
одной линии и между сигналами на различных линиях.
Второй стандарт DMT – официальный стандарт ANSI для ADSL, и ITUT стандартизирует DMT, как G. DMT и это самый распространенный
сегодня модем. ANSI также создал вторую версию Североамериканского
стандарта DMT, называемую DMT2. Версия DMT2 также разделяет
сигналы на отдельные каналы, но реализуется эта методика по-другому.
DMT2 разделяет данные на 256 отдельных каналов, каждый из этих
каналов 4,3125 кГц ширины. Эти каналы называются контейнерами или
несущими частотами и закрывают диапазон частот приблизительно
1,104 МГЦ . Каждая из этих несущих частот работает как канал с
пропускной способностью приблизительно 32 Кбит/c каждый.
Множество несущих частот/контейнеров мультиплексируются и
используются вместе, чтобы "обучить" ADSL-модемы и получить для
них самую высокую скорость для этой полосы частот, увеличивая
120

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пропускную способность по 32 Кбит/c .
Если для конкретной несущей частоты или группы смежных частот
условия обмена ухудшаются то, для передачи данных передача
сдвигается к самым близким смежным несущим частотам. В этом
смысле, ADSL, работает, обозревая частоты, как сканер. Если качество
нужно улучшить, то сигнал сдвигается на другой канал. Эта система
постоянно сдвигает сигнал между различными каналами, в поисках
лучшего канала. Дополнительно частоты в нижней полосе (те, которые
начинаются приблизительно от 8 кГц ) используются как двусторонние
каналы для передачи управляющей информации относительно потоков
"вверх" и "вниз". Это управление относится как к потоку "вверх" так и
потоку "вниз" для сохранения качества всех 256 каналов. Такая функция
делает DMT более сложной, чем CAP, но отличается большой гибкостью
для линий различного качества. рис. 5.6 показывает принцип
построения DMT.

Рис. 5.2. Распределение частот в DMT

ADSL Фильтр
При установке ADSL устанавливают малогабаритные фильтры для
присоединения к телефонным проводам. Это – низкочастотные
фильтры, которые не пропускают сигналы свыше заданной частоты.
Поскольку при телефонном соединении все речевые сигналы меньше 4
кГц , микрофильтры сформированы (LP – Low Pass) так, чтобы
121

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

блокировать все частоты выше 4 кГц , препятствуя сигналам,
переносящим данные, влиять на стандартные телефонные каналы. Даже
если ADSL оборудование на данной абонентской линии повреждено,
низкочастотный фильтр гарантирует непрерывное обслуживание
телефонных вызовов. Рис. 5.3 показывает принцип работы низко
частотного фильтра распределение частот.

Рис. 5.3. Низкочастотный фильтр, используемый в ASDL

Скорости передачи данных в ADSL
ADSL модемы обеспечивают скорости передачи данных, совместимые
системами ИКМ-30 –2,048 Мбит и может поставляется с различными
диапазонами скорости и пропускной способностью. Минимальная
конфигурация обеспечивает 1,5 или 2,0 Мбит/c "вниз" и 16 Кбит/c
двухсторонних каналов; другие конфигурации обеспечивают скорости
6.1 Мбит/c -"вниз" и 64 Кбит/c двухсторонних каналов. ADSL изделия со
скоростями "вниз" свыше 8 Mbps и двухсторонние скорости свыше 640
Kbps . Поставщики ADSL предоставляют свои услуги в зависимости от
типа медного провода, DSLAMs, и другие рассматриваемые здесь
системы на практике могут изменять эти теоретические скорости. ADSL
модемы совместимы с Асинхронным Способом Передачи (ATM) и
продвигают его внедрение, так же как IP протоколы. Ниже показаны
типичные скорости ADSL (свыше 6 Mbps ) для комбинации каналов по
направлению "вниз" (к абоненту) и вверх (к станции):
"Вниз" каналы, использующие подсистемы мультиплексирования
:
1.536 Мбит/с
122

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

3.072 Мбит/с
4.608 Мбит/с
6.144 Мбит/с
"Вниз" каналы, использующие подсистемы мультиплексирования
2.048 Мбит/с
4.096 Мбит/с
"Вверх" каналы:
16 Кбит/с (C канал)
64 Кбит/с (C канал)
160 Кбит/с (дополнительный)
354 Кбит/с (дополнительный)
544 Кбит/с (дополнительный)
576 Кбит/с (дополнительный)
640 Кбит/с (комбинация C канала 64 Кбит/с и 576 Кбит/с
дополнительный канал).

Ограничения Расстояния
Все варианты DSL – чувствительны к расстоянию. Увеличение длины
витой пары ухудшает качество сигнала, и уменьшают возможную
скорость. Для ADSL обслуживания, например, максимальное
расстояние 5500 метров между модемом цифровой абонентской линии
и DSLAM. Хотя, чтобы гарантировать скорость и качество, много
поставщиков устанавливают ограничение на максимальное расстояние
меньшие указанного выше.
Скорости, которые можно достигнуть очень зависят от расстояния. Если
ADSL - клиенты находятся далеко от поставщика услуг эти скорости
могут быть гораздо ниже, чем обещанная максимальная скорость
данных, тогда как для клиентов, которые находятся ближе к станции или
точки доставки информации могут иметь скорости, приближающиеся к
максимальной. Практически, поставщики обычно учитывают этот факт.
Когда много абонентов, находятся на большом расстоянии от станции
многие поставщиков DSL услуг, часто развертывают по участкам
дистанционные терминалы ADSL,. Такие дистанционные терминалы
становятся часть абонентского шлейфа и может сократить расстояние
между устройствами DSL на участках абонентской линий.
123

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Скорости передачи данных по направлению "вниз" зависят от ряда
факторов, включая длину медной линии, ее проводной тип, наличие
отводов, и кроссовых соединений. Линейное затухание увеличивается с
длиной линии и частотой, и уменьшается при увеличении диаметра
провода. ADSL обеспечивает скорости (без учета отводов) показанные в
табл. 5.3..
Таблица 5.3. ADSL Физические Рабочие характеристики
Калибр провода
Скорость данных
Диаметр
Расстояние
1)
(Мбит/с)
(мм)
(км)
(AWG
1.5 или 2
24
0,5
5,5
1.5 или 2
26
0,4
4,5
6,1
24
0,5
3,7
6,1
26
0,4
3,7

Набор услуг DSL
Набор услуг DSL зависит от скорости приема и передачи услуг. Любое
изменение в скорости связи зависит главным образом от модема
клиента и его способностей. Провайдер сервиса xDSL может
предложить много вариантов обслуживания, в соответствии
потребностями различных типов клиентов. Например, можно
предложить клиенту девять или больше различных скоростей, с
максимумом скорости связи в направлении "вниз" в пределах от 384
Кбит/с до 8,0 Мбит/с .
Провайдер ADSL обычно определяет, какие скорости он будет
поддерживать на большинстве участков кабельной сети, и будет
предлагать для выбора только несколько полос частот.
Услуги ADSL - специализированное обслуживание точка-точка от
провайдера к пользователю. Это контрастирует с быстродействующим
кабельным модемом, который передает данные для нескольких
клиентов, в соседних частотных диапазонах. Потому что кабельная сеть
- это разветвленная структура, совместно использующая некоторую
часть частотного ресурса. Услуги DSL часто представляют, как более
124

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

безопасные услуги, но значение безопасность очень расплывчатый
термин и требует уточнить. Можно задать вопрос, почему расстояние –
увеличивает затухание для DSL , но не речевых каналов. Ответ,
содержится в элементах, называемых пупиновскими катушки (см раздел
2.7), которые в телефонных проводах используются, чтобы повысить
уровень речевых сигналов. Эти пупиновские катушки несовместимы с
сигналами DSL, потому что усилитель разрушает целостность данных.
Это означает, что, если такая катушка есть в шлейфе между вашим
телефоном и телефонной станцией, Вы не можете получить DSL услуги.

ADSL2 и ADSL2+
Популярность ADSL повлекла длительные научные исследования,
чтобы расширить возможность ADSL технологии. Одобренные в начале
2003, стандарты ITU G.992.3/4 определяют ADSL2, и ITU, стандарт
G.992.5 определяет спецификации ADSL2 + Более новые стандарты
улучшают первоначальный ADSL, предлагают более высокие скорости
данных потока "сеть - пользователь" и увеличивают расстояния. ADSL2
передачи потока данных "сеть - пользователь" увеличиваются более 12
Мбит/с при расстоянии 200 метров . ADSL2 + удваивает скорость
потока данных "сеть - пользователь", по сравнению ADSL2
приблизительно до 25 Мбит/с .
Кроме того, оба новых стандарта улучшают способность к
взаимодействию, для аналоговой телефонии, экономят мощность ADSL
линий.
Более
высокая
эффективность
модуляции
получается,
при
использовании решетчатого кодирования и применение КАМ улучшают
скорости передачи данных для ADSL2 и ADSL2 + Быстрый запуск
улучшает время инициализации от 10 секунд до 3 секунд .
Статистическая экономия времени запуска может сохранить мощность,
порта модема ADSL, рабочий расход электричества и охлаждения, и
может, в конечном счете, сохранить деньги. Новая возможность
формирования каналов поддерживает аналоговую речь по ADSL2 в
цифровом канале. Часто называется - Речь Канализированная по DSL
(Chanelized Voice over DSL- CVoDSL). Это свойство дает возможность
получить ИКМ поток из аналоговой речи, который передается по
125

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

цифровому каналу в каналах ADSL2 и ADSL2 + удаление необходимости
полосы 4 кГц для обычной телефонной сети, которая было
первоначально предусмотрена в ADSL. Это освобождает частотный
диапазон на 4 кГц , и дает возможность создать по направлению "вверх"
абонентские каналы со скоростью более 256 кбит/c . Есть также
возможность поддержать услуги, использующие пакетную коммутацию
по цифровой абонентской линии, например, Локальную сеть Ethernet
ADSL2 + достигает более высоких скоростей передачи данных 25
Мбит/c путем расширения частотного диапазона, усовершенствуя
модуляцию. ADSL2 + удваивает максимальный частотный диапазон от
1,1 до 2,2 МГц , достигающих скоростей передачи данных до 25 Мбит/c
в потоке "сеть - пользователь" на расстояниях приблизительно 1,5 км .
Оба стандарта совместно поддерживают технологии через пучок линий,
известной как обратное мультиплексирование поверх ATM 2) (IMA inverse multiplexing over ATM). Спецификация форума - ATM IMA
использовалась в течение многих лет, чтобы объединить вместе T 1/E 1
каналы, и использовать ширину полосы частот для большего количества
сервисных скоростей.
Та же самая технология теперь применяется к ADSL2 и ADSL2 + и
позволяет объединить две или более ADSL2 и ADSL 2+ линии.
Результат - большая гибкость со скоростями передачи данных потока
"сеть - пользователь":
20 Мбит/с (две объединенные пары)
30 Мбит/с (три объединенные пары)
40 Мбит/с (четыре объединенные пары)

Принципы работы SHDSL
Симметричная Высокоскоростная Цифровая абонентская линия
(SHDSL) обеспечивает симметричное обслуживание цифровой
абонентской линии. SHDSL был стандартизирован ITU-T как стандарт
G.991.2 в феврале 2001. В некоторой документации, SHDSL
упоминается как сокращение G.shdsl. SHDSLпредназначен для замены
всех существующих до этого симметричных типов цифровой
абонентской линии, такие как HDSL, HDSL2, IDS, и SDSL. SHDSL,
126

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

симметричная версия мультискоростной цифровой абонентской линии,
которая также заменит T1/E1 и цифровую сеть интегрального
обслуживания. По скорости передачи данных SHDSL может обеспечить
скорость от 192 Кбит/c до 2,312 Мбит/с. SHDSL может поддерживать
симметричное обслуживание данных, речи, и видео услуг. Он также
может использовать до восьми ретрансляторов на каждую витую пару,
что значительно расширяет его возможности. Связь с обычной
телефонной сетью SHDSL не поддерживает. Она может осуществляться
с помощью использования канализации речи (CVoDSL).
SHDSL использует Решетчатую Кодовую Амплитудно-импульсную
Модуляцию (TC-PAM Trellis Coded, раздел 4.6). Эта методика
кодирования
линии,
которая
может
повысить
расстояния
приблизительно на 30% по сравнению с предыдущими методами. Это менее сложный алгоритм кодирования, который реализуется
микросхемами низкой стоимости. Набор микросхем SHDSL потребляет
очень небольшую мощность.
SHDSL спектрально совместим с другими xDSL услугами, так что может
использоваться в одном пучке кабелей. Двухпарный SHDSL – может
быть обеспечивать скорость от 384 Кбит/c до 4,6 Мбит/с при
использовании четырех проводов. Возможности услуг передачи речи
данных, видео, также как хорошие характеристики по расстоянию и
потреблению мощности, а также совместимость с другими x DSL
технологиями по спектру делает технологию SHDSL одой из самых
привлекательных.
Расширенная версия SHDSL названная, G.SHDSL.bis стандартизирована
ITU и ANSI. Она использует улучшенную версию решетчатого
кодирования (TC-PAM), чтобы увеличить симметричную скорость
передачи данных 5.7 Мбит/с , одновременно удовлетворяя выполнение
требований спектральной совместимости. G.SHDSL.bis стандарт было
принят для Локальной сети Ethernet на Первой Миле (EFM - Ethernet in
the First Mile) комитетом, который разработал IEEE S02.3ah EFM
стандарт. Поэтому, G.SHDSL.bis может быть основным физическим
Уровень 1 (PHY) для 802.3ah. Локальной сети Ethernet по медным
проводам.

Принципы работы VDSL и VDSL2
127

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Другие варианты технологии цифровой абонентской линии известны
как Высокосокростная цифровая абонентская линия (VDSL) и Сверх
Высокосокростная цифровая абонентская линия 2 (VDSL2). VDSL был
стандартизирован, как ITU-G.993.1 в 2004 году, и VDSL2 был
стандартизирован как ITU-T G.933.2 в 2005.
И VDSL, и VDSL2 пытаются увеличить предел передачи данных по
медным проводным парам типа 24 AWG и с асимметричными и с
симметричными версиями передачи данных по цифровой абонентской
линии. Много варианты VDSL технологии следующий шаг в
обеспечении многопрофильной домашней связи и пакетов индустрии
развлечений. Поддерживая видео развлечения, VDSL может
предложить обслуживание конкуренции кабельному телевидению.
Некоторые провайдеры такие как Century Link в настоящее время
предлагают обслуживание VDSL в отдельных областях в Соединенных
Штатах, VDSL очень популярен в Южной Корее, Японии, и Китае.
VDSL использует усовершенствования современных технологий в
цифровых сигнальных процессоров, чтобы обеспечить. невероятную
производительность xDSL до приблизительно 52 Мбит/с с VDSL и до
100 Мбит/с с VDSL2 (даже при симметричном способе передачи) на
очень коротких медных шлейфах длиною приблизительно 100 – 150
метров . Если сравнить, что максимальной скорость для ADSL 6 до 8
Мбит/с или для ADSL2 + 25 Мбит/с , то становится ясным, что переход
существующей ADSL технологии к VDSL может быть существенным
шагом, как был существенным переходом от 56 – килобитовых модемов
к xDSL.
Грубо говоря, VDSL технология работает по витой медной паре
проводов телефонной линии почти таким же способом, которым ADSL
делает, с диапазоном скоростей в зависимости от фактической длины
линии. Тем не менее, есть несколько важных различий между VDSL и
ADSL. Максимальная скорость потока "сеть - пользователь" - 52 Мбит/с
по линиям длиной до 300 метров . Скорости потока "сеть пользователь" ниже 13 Мбит/с при длине вне 1200 метров . Скорости
потока "пользователь - сеть" в ранних моделях VDSL асимметричны,
точно так же как ADSL, и составляют от 1.5 до 2.3 Мбит/с . VDSL2
обеспечивает скорости в 100 Мбит/с , при указанных далее
ограничениях длины
медных проводов,
хорошие
рабочие
128

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

характеристики VDSL технологий получаются ценой сокращения
расстояния: VDSL может работать на максимальной скорости по медной
линии только на короткое расстояние, VDSL максимум приблизительно
1300 метров , а VDSL2 120 метров или меньше. Так что стратегия,
предоставления услуг по абоненту по VDSL состоит в том, чтобы
сервер провайдера услуг располагался, как можно ближе к абоненту.
При VDSL потоки "сеть - пользователь", "пользователь сеть" и каналы
данных должны быть отделены по частоте от частотных полос,
используемых для основного телефонного обслуживания и цифровой
сети интегрального обслуживания, предоставляя возможности доступа
к поставщикам услуг VDSL.
VDSL и VDSL2 достигают дополнительной пропускной способности,
используя различные частотные диапазоны в пределах медных
шлейфов. Частотный диапазон приблизительно от 2 МГц до 12 МГц
используется для VDSL, чтобы не перекрывать частотные окна ADSL.
VDSL2 использует частоты даже выше чем 12 МГц до 30 МГц , чтобы
расширить
используемую
частотную
полосу.
Использование
высокочастотных диапазонов возможны, потому что стандарты VDSL
лимитируют длину медного шлейфа - чем короче шлейф, тем меньше
затухание высокой частоты. VDSL приложения в значительной степени
имеют целью доставку информации на расстояния не больше, чем
несколько десятков нескольких сотен метров по медным пар.
Наибольшую вероятность применения они имеют при применении
оптических сетей или и систем распределения с оптическими узлами
(ONU – Optical Newtork Unit) в местах концентрации абонентов. Также,
VDSL стандарты ориентированы на любой из двух механизмов
линейного кодирования - DMT или Квадратурно амплитудная
Модуляция (QAM). Линейное кодирование используется, чтобы
кодировать множество битов данных пользователя в символы или
периоды времени для передачи через DSL. Чем больше бит передается с
помощью одного символа, тем выше пропускная способность и
эффективность использования полосы частот. Цифровая Модуляция со
многими
несущими
использует очень большое количество
приемопередатчиков, чтобы создать частотные каналы или работающие
параллельно. QAM использует комбинацию фазовой манипуляции и
амплитудной модуляции. Каждый пользователь обслуживается
небольшим числом приёмопередатчиков в конкретной частотной
полосе. QAM собирают биты в символы или временные периоды.
129

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Наборы микросхем для QAM могут создавать вариации, такие как 16QAM, 32-QAM, и так далее.
Реальный ключ к успеху VDSL - эта то, что поставщики услуг заменяют
большую часть кабельной сети оптическим кабелем волокна.
Фактически, много поставщиков услуг планируют прокладку волокна до
распределительной коробки (FTTC – Fiber to the curb) , что означает, что
они заменяют все существующие медные пары до точки, где ваша
телефонная линия входит в ваш доме или оффис. Меньше компаний
осуществляет переход на оптоволокно по соседству (FTTN fiber to the
neighborhood). Вместо того, чтобы устанавливать оптический кабель
волокна на каждой улице, FTTN прокладывает волокно, идущее в
главное месторасположение проводника или оптический сетевой
модуль (ONU) до ближайшего места концентрации абонентов.
Размещение, VDSL приемопередатчика в доме потребителя, а
мультиплексора DSLAM с VDSL модемными картами или ONU в
ближайшем распределительном шкафе позволяет преодолеть
ограничения на расстояния и скорость. рис. 5.4 показывает
концептуальную диаграмму устройства в VDSL сети.

Рис. 5.4. Концептуальная диаграмма устройства в VDSL сети
Ранние версии VDSL используют FDM (Frequency Division Multiplexing),
чтобы отделить, поток "сеть - пользователь" от потока "пользователь
сеть" и затем через основной телефонный канал или канал ISDN
цифровой сети интегрального обслуживания. Для систем более
позднего поколения требуются устройства подавления эха для
двусторонних скоростных каналов передачи данных. Существенное
расстояние при частотном разделении, между самой низкой частотой
канала передачи данных и основным телефонным каналом,
способствует очень простому и рентабельному их разделению. Обычно
канал потока "сеть - пользователь" находится выше канала потока
130

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

"пользователь сеть". VDSL скорости данных потока "сеть - пользователь"
- кратны канонической скорости каналов, которые образуются при
SONET и Синхронной Цифровой Иерархии (SDH) 155.52 Мбит/с , а
именно VDSL образует скорости 51.84 Мбит/с , 25.92 Мбит/с и 12.96
Мбит/с . Дело в том, что промышленность хочет эффективно упаковать
данные поток "пользователь сеть" цифровой абонентской линии в
инфраструктуру SONET/SDH. Более упрощено скорости передачи
данных обозначают 13 , далее 26 и 52 Мбит/с . Каждая скорость
применяется для соответствующего диапазона расстояний, как показано
для асимметричных VDSL в Таблице 5.4 .
Таблица 5.4. Асимметричные VDSL и покрываемые ими расстояния
(Типичные)
Поток "сеть –
Поток "пользователь – сеть" Расстояние по кабелю
пользователь"Мбит/
(асимметричный)Мбит/с типа 24 AWG(метры)
с
12, 96
1,6
1300
25,92
3,2
900
51,84
6,4
305
Таблица 5.5. Симметричные VDSL и покрываемые ими расстояния
(Типичные)
Поток "сеть –
Поток "пользователь –
Расстояние по кабелю
пользователь"Мбит/
сеть"
типа 24 AWG(метры)
с
(симметричный)Мбит/с
6,48
9,72
12,96

6,48
9,72
12,96

900
900
900

19,44
25,96

19,44
25,96

305
305

Есть множество вариантов установки оборудования цифровой
абонентской линии, применяемых среди поставщиков услуг. Их так
много, потому что есть много различных инженеров с различными
идеями относительно построения сети. Хотя, каждый тип установки
оборудования цифровой абонентской линии изменяет положение к
лучшему. Но с другой стороны, с точки зрения простоты наращивания,
131

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

безопасности или согласования рабочих характеристик, типичный
поставщик редко использует больше чем два или, самое большее, три
типа для разработки своего проектов.
Таблица 5.6. Сравнение скоростей обмена VDSL
Поток
Поток
Поток "сеть – "пользователь –
"пользователь –
Расстояние по
пользователь"
сеть"
сеть"
кабелю типа 24
Мбит/с
(асимметричный) (симметричный)
AWG (метры)
Мбит/с
Мбит/с
70
30
305
100
100
305

Рис. 5.5. Сравнение скоростей обмена ADSL и VDSL
рис. 5.6 показывает типичный проект сети цифровой абонентской
линии.

132

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 5.6. Общий вид сети DSL
Обратите внимание, что модем цифровой абонентской линии стоящий
на стороне абонента называется Удаленный модуль Приемопередатчика
ADSL (ATU-R - ADSL Transceiver Unit-Remote). Абонентская сторона
соединяется с DSLAM (DSL Access Multiplexer - Мультиплексор DSL),
который объединяет множество абонентских соединений в устройство
обслуживания удаленного широкополосного доступа (BRAS – Broad
Remote Access Service), чтобы обеспечить гибкость и обеспечить методы
услуг для потоков "пользователь сеть".
DSLAM предназначен для аналого-цифрового и цифро-аналогового
преобразования, для передачи информации ADSL по оптическому
кабелю. DSLAM также конвертирует данные, объединяя их в вид, для
передачи по волоконно-оптической системе к станции, где данные
направляются через BRAS к соответствующей сети, чтобы достигнуть ее
конечного пункта назначения. Когда данные передают станции к
абоненту, то DSLAM конвертирует сигнал, поступающий из
волоконного - оптического кабеля и передает его удаленному
приемопередатчику VDSL в местоположение абонента.

Принципы работы HDSL
133

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) обеспечивает
симметричную высокоскоростную передачу данных. Среди технологий
xDSL HDSL получила наиболее широкое распространение. В отличие от
других технологий xDSL, в большинстве случаев HDSL обеспечивает
скорость передачи данных 1,5 Мбит/с или 2 Мбит/с в обоих
направлениях на расстояния, зависящие от типа применяемого кабеля.
Указанные скорости передачи данных соответствуют стандартам Т1 и
Е1, и, следовательно, основной сферой использования HDSL являются
соединительные линии местных телефонных сетей или выделенные
линии связи Т1/Е1 в тех местах, где велика плотность абонентоворганизаций (например, в офисных зданиях), когда HDSL используется
в качестве замены оборудования первичных ЦСП для передачи
цифровых потоков Т1 или линий Е1. Благодаря применению более
эффективных линейных кодов 2B1Q и САР, а также метода эхо
компенсации, протяженность линии HDSL в 2-3 раза превышает длину
регенерационного участка первичных ЦСП типа Т1/Е1, что позволяет
отказаться от применения регенераторов при использовании HDSL на
соединительных линиях между АТС местной сети. Для организации
выделенных линий
большой
протяженности
в
различных
модификациях оборудования HDSL предусмотрена возможность
применения дистанционно питаемых трех-четырех регенераторов. В
настоящее время технология HDSL является наиболее опробованной и
широко используемой технологией DSL. Ниже в таблице 5.7 приведены
характеристики некоторых типов систем HDSL.
Таблица 5.7. Характеристики некоторых типов HSDL
Дальность
Число
Название
Скорость передачи при Линейный
Тип
используемых
модема
кбит/c
код
модуляции
пар
км
HSDL
G.hsdl

3
2
1
1

784
1168
2320
2320

3
2б5
2
2-6

Принципы работы RDSL
134

2B/1Q
2B/1Q
2B/1Q
2B/1Q

CAP
CAP
PAM 16

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

В ближайшее время станут выигрывать аппаратные платформы,
которые реализуют возможность использования всех основных
технологий в рамках единой системы. Именно они позволят оператору
выбирать для подключения абонента ту xDSL-технологию, которая
оптимально подходит для существующих условий и решаемых задач.
Одна из них — технология RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Line —
цифровая абонентская линия с адаптацией скорости соединения)
позволяет адаптироваться к постоянно изменяющимся характеристикам
абонентской линии. Фактически, RADSL способна адаптироваться к
изменениям характеристик линии в процессе появления этих
изменений.
В принципе под RADSL понимается любой xDSL-модем, имеющий
функцию автоматической подстройки скорости соединения. Такой
модем может автоматически настраивать скорость передачи в
соответствии с электрическими параметрами линии. Если модем
подключается к протяженной линии, он автоматически понижает
скорость передачи данных, обеспечивая установку соединения с
наивысшей возможной скоростью передачи данных. Благодаря своей
адаптивности технология RADSL устраняет большое количество
проблем, которые могут возникнуть при использовании DSL.
Технология RADSL призвана обеспечить гибкость в предоставлении
услуг пользователям. Данная технология производит автоматическую
подстройку скорости передачи данных по линии, которая базируется на
проведении серии начальных тестов, позволяющих определить
максимально возможную скорость передачи данных по конкретной
телефонной линии. Скорость передачи данных при использовании
технологии ADSL зависит от многих условий, и в первую очередь — от
длины абонентской линии и типа применяемых кабелей. Как правило,
длина абонентских линий (т.е. расстояние от телефонной станции до
абонента) может различаться в достаточно широких пределах, причем
на длине абонентской линии часто используются кабели с
проводниками
различного
сечения.
Поэтому
электрические
характеристики абонентских линий (и особенно их затухание) могут
иметь значительный разброс. Даже такой фактор, как изменение
температуры кабеля, может влиять на допустимую скорость передачи
данных, с которой может осуществляться передача по определенной
телефонной линии. Так как RADSL позволяет автоматически получить
135

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

максимально возможную скорость передачи данных по каждой
конкретной линии, то нет необходимости в трудоёмкой ручной
настройки линии ADSL.
Основными преимуществами RADSL являются:
снижение трудозатрат на проверку абонентской линии;
минимизация затрат на обслуживание задач.

Мультиплексор Доступа Цифровой абонентской линии
(DSLAM)
Новая эра связи требует введения широкополосных служб и увеличения
скоростей передачи. Предоставить каждому абоненту широкополосную
линию невыполнимо, поэтому соединяют широкополосные пучки
каналов от каждого абонента на оборудовании станции, поставщики
проводной линии связи распределяют широкополосную технологию
мультиплексирования ближе абонентам. В терминах иерархической
сети станция становится ядром, DSLAM становится уровнем
распределения, а оконечные абоненты представляют уровень доступа.
Цифровая абонентская линия DSL, уровень доступа цифровой
абонентской линии между абонентом, и телефонной компанией уровень широкополосного объединения. DSLAMs – позволяет создать
широкополосные цифровые системы уплотнения шлейфа. Их главная
функция частотная модуляция к удаленному модему цифровой
абонентской линии, они маршрутизируют нагрузку передачи данных
двух потоков – потока "сеть - пользователь" и потока "пользователь
сеть". Они выполняют преобразования физического уровня. DSLAMs это ключевые компоненты для поставщиков проводных линии, которые
обеспечивают широкополосным службам доступ к квартирным
пользователям и бизнес службам по витым медным парам.
Станция поставщик услуг, местный узел или другая точка присутствия
услуги используют DSLAM, чтобы соединить со станцией xDSL от
квартирных абонентов и предприятий коммерческой деятельности.
Каждая печатная плата в блоке DSLAM принимает и поддерживает
несколько портов модема цифровой абонентской линии, в соответствии
136

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

с характеристиками DSLAM изготовителя, DSLAM является
концентратором Уровня 1, предоставляет физическое обеспечение связи
этого уровня от отдельных абонентов модема цифровой абонентской
линии. Другая функция DSLAM должна принять данные исходящие от
сотен модемов цифровой абонентской линии потока "сеть пользователь", далее соединяя и мультиплексируя эти данные, вводя в
частотные устройства для передачи на более высокой скорости. DSLAM
объединяет поток "пользователь сеть" со следующим устройством сети
поставщика.
DSLAMs вообще гибки и способны поддержать много типов цифровой
абонентской линии, и различных множествах протоколов и модуляций
CAP,DMT и QAM, например- в том же самом блоке DSLAM. DSLAM
объединяет эти данные поток "пользователь сеть" и передает в виде
процесса ATM Уровня, На Уровне 2 ATM DSLAM коммутирует,
прибывающие потоки "пользователь сеть" модемов DSL, как
виртуальные каналы (PVC) цифровой абонентской линии в
широкополосном сервере доступа или DSLAM технология обычно
строится на коммутаторах ATM Уровня 2. Это позволяет обеспечивать
нужный класс обслуживания (CoS) для различных служб и
поставщиков. Сегодня DSLAM технологии включает Локальную сеть
Gigabit Ethernet. Этот способ более применим там, где не применены
платформы ATM.

Маршрутизатор Широкополосного Удаленного доступа
(BRAS).
Маршрутизатор Широкополосного Удаленного Доступа (Broadband
Remote Access Server) маршрутизирует нагрузку, поступающую от/к
DSLAM или коммутаторов интернет сети провайдера. BRAS находится в
центре сети доступа к услугам провайдера.
BRAS преобразует информацию к уровеню 2 для ATM, протокола точкаточка (PPP), или для Локальной сети Gigabit Ethernet или, что более
современно к уровню 3 протокола IP обеспечивает доступ к уровню 1-2
региональной сети доступа к услугам DSL.
Требования для BRAS функционально определены в [86]. BRAS основа
137

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

для обеспечения услуг IP и абонентов цифровой абонентской линии
(DSL) с обеспечением качества обслуживания (QoS) потока
"пользователь – сети доступа (например, ISP –Internet Service Provider).
Устройство BRAS обычно определяется, как последний адрес (а) IP
устройств поставщика услуг - между поставщиками услуг потока
"пользователь - сеть" и сетью абонентского доступа DSLAM/DSL.
BRAS находится в центре сети провайдера и группирует (агрегирует)
потоки от DSLAM. Он обеспечивает: пользовательские сессии согласно
протоколам ATM или PPP . BRAS позволяет проводить политику
маршрутизации3) и качества обслуживания (QoS) DSLAM передает
потоки данных от пользователей BRAS согласно протоколам ATM,
Ethernet и Frame Relay .BRAS также позволяет инкапсулировать данные в
потоки Ethernet или ATM, создавая туннели PPP (PPPоE и PPPоA)
собирает на протокольном уровне 2, инкапсулирует данные, таких
протоколов как PPP или ATM, передавая на DSLAM так же как данные
уровня 3 IP. На уровне 3 IP, BRAS – это точка, разделяющая IP сети
поставщика, и любых услуг Уровня 2 абонента.
Для
обеспечения
качества
обслуживания
BRAS
может
взаимодействовать с устройствами DSL, обеспечивающими передачу
вниз. Пример, такого взаимодействия согласование приоритетов.

Краткие итоги
Скорость, которая достигнута линиями ISDN — 128 Кбит/с уже
недостаточна для обслуживания задач Internet. Поэтому была
предпринята разработка достаточно недорогой высокоскоростной
цифровой технологии передачи данных по простому телефонному
кабелю, DSL (Digital Subscriber Line — цифровая абонентская
линия).
Некоторые из распространенных технологий xDSL: IDSL, ADSL,
ADSL G.lite, HDSL, VDSL, SDSL.
Технология ADSL представляет собой платформу для доставки
широкополосных услуг, поддерживающую большой набор
приложений
(высокоскоростной
доступ
в
Internet,
телеконференции, виртуальные частные сети и мультимедиа),
которые требуют широкой полосы пропускания.
138

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

"Асимметричная"
в
названии
технологии
означает
несимметричность потока данных в направлениях "серверпользователь" (downstream) и "пользователь-сервер" (upstream).
В качестве стандарта для ADSL принят для использования
вариант "дискретной многотональной модуляции" (Discrete
MultiTone, DMT), применяющей несколько несущих, т.е. нескольких
каналов с узкой полосой.
Альтернативой DMT является амплитудно-фазовая модуляция без
несущей (Carrierless Amplitude/Phase, CAP).
ADSL-модемы имеют в своем распоряжении, как правило, так
называемый splitter — разделитель, который обеспечивает
возможность одновременного разговора по телефону и передачи
данных.
HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия)
обеспечивает симметричную высокоскоростную передачу данных.
VDSL обеспечивает скорость передачи данных, более чем в шесть
раз превышающую максимально возможную скорость передачи
данных ADSL.
Технология RADSL (Rate Adaptive Digital Subscriber Lin - цифровая
абонентская линия с адаптацией скорости соединения) позволяет
адаптироваться к постоянно изменяющимся характеристикам
абонентской линии.
1)

American Wire Gauge американский калибр проводов. Одна из
физических характеристик кабеля является его толщина, для
обозначения которой обычно используют величину, называемую
"калибр" (gauge). Калибр измеряется в единицах AWG. AWG - это
система измерений, определяющая толщину проводов. Чем больше
толщина провода, тем меньше его AWG-номер. В качестве точки отсчета
часто используют толщину телефонного провода. Она равна 22 AWG.
Следовательно, провод толщиной 14 AWG толще телефонного, провод
толщиной 26 AWG - тоньше)
2) Обратное мультиплексирование поверх ATM- метод передачи ATM
трафика по нескольким линиям ИКМ (E1/T1) при сохранении заданного
качества в сети ATM и оптимальном использовании пропускной
способности линий
3)
Политика маршрутизации (policy routing) – набор правил,
назначаемых администратором, для управления формированием таблиц
маршрутизации
139

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

140

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Технология Ethernet и кабельные сети
Рассматриваются принципы построения аппаратурных средств
локальных сетей, сеть Ethernet, подключающие устройства ретрансляторы, мосты, маршрутизаторы, а также применение Ethernet в
абонентских широкополосных сетях. Рассматриваются кабельные сети,
которые используются на широкополосном абонентском участке.

Основы технологии Ethernet
Технология Ethernet[3], [4], [17], [57], [60], [70], [77] — это самая
распространенная технология локальных сетей. В сетях Ethernet
применяется множественный доступ с контролем несущей и
обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision
Detection — CSMA/CD). Все компьютеры сети имеют доступ к общей
шине через встроенный в каждый компьютер сетевой адаптер,
используя полудуплексный режим передачи. Схема подключения
компьютеров по коаксиальному кабелю приведена на рис.6.1.

Рис. 6.1. Сеть Ethernet на коаксиальном кабеле (стандарты 10Base5/10Base-2)
Станции на традиционной локальной сети Ethernet могут быть
соединены вместе, используя физическую шину или звездную
топологию, но логическая топология — всегда шинная. Под этим мы
подразумеваем, что среда (канал) разделена между станциями и только
одна станция одновременно может использовать ее. Также
подразумевается, что все станции получают кадр, посланный станцией
(широковещательная передача). Адресованный пункт назначения
сохраняет кадр, в то время как остальные отбрасывают ее. Каким
141

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

образом в этой ситуации мы можем убедиться, что две станции не
используют среду в одно и то же время? Ответ: если их кадры
столкнутся друг с другом. CSMA/CD разработан, чтобы решить эту
проблему согласно следующим принципам:
1. Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный
доступ).
2. Каждая станция, имеющая кадр для того, чтобы послать его,
сначала "слушает" (отслеживает) среду. Если в среде нет данных,
станция может начать передачу (слежение за несущей частотой).
3. Может случиться, что две станции, следящие за средой, находят,
что она не занята, и начинают посылать данные. В этом случае
возникает конфликт, называемый коллизией.
Протокол заставляет станцию продолжать следить за линией после
того, как передача началась. Если есть конфликт, то все станции его
обнаруживают, каждая передающая станция передает сигнал сбоя в
работе, чтобы уничтожить данные линии, и после этого каждый раз
ждет различное случайное время для новой попытки. Случайные
времена предотвращают одновременную повторную посылку данных.
Перед началом передачи узел должен убедиться, что несущая среда не
занята, признаком чего является отсутствие на ней несущей частоты.
Если среда свободна, то узел имеет право начать передачу кадра
определенного формата. Предположим, что узлу 2 требуется передать
кадр узлу N. Обнаружив, что среда свободна, узел 2 начинает передачу
кадра (рис. 6.2), которая предваряется преамбулой (preamble), состоящей
из 7 байт вида 10101010, и байта начала кадра (Start of Frame Delimiter —
SFD) вида 10101011. Эти комбинации нужны приемнику для вхождения
в побитовый и кадровый синхронизм с передатчиком. Кадр
заканчивается полем последовательности контроля кадра (FCS —
Frame Check Sequence) длиной 4 байта (на рис. 6.2не показано).
Сигналы передатчика распространяются по кабелю в обе стороны, и
все узлы распознают начало передачи кадра. Только узел N опознает
свой собственный адрес (МАС-адрес назначения) в начале кадра и
записывает его содержимое в свой буфер для обработки. Из принятого
кадра определяется адрес источника (МАС-адрес источника), которому
следует выслать кадр-ответ. Получатель пакета на 3-м уровне
определяется в соответствии с полем Тип протокола (Protocol Type):
значение 0х0800 — адрес модуля IP, 0806 — адрес модуля ARP.
142

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Минимальное и максимальное значения длины поля для протоколов
верхних уровней — 46 и 1500 байт соответственно. Порядок передачи
бит кадра: слева направо / снизу вверх (рис. 6.2), цифрами обозначены
длины полей кадра в байтах.
Любой узел при наличии кадра к передаче и занятой среды вынужден
ждать ее освобождения. Признаком окончания передачи является
пропадание несущей частоты. После окончания передачи кадра все узлы
должны выдержать технологическую паузу 9,6 мкс, чтобы привести
сетевые адаптеры в исходное состояние и предотвратить повторный
захват среды одним и тем же узлом.

Рис. 6.2. Местоположение в стеке протоколов и форматы физического и
канального уровней сети Ethernet
Иногда возникают ситуации, когда один узел уже начал передачу, но
другой узел еще не успел это обнаружить и также начинает передачу
своего кадра. Такая ситуация захвата свободной среды более чем одним
узлом называется коллизией. Механизм разрешения коллизии состоит в
следующем (рис. 6.3):

143

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.3. Обмен сигналами при возникновении коллизии
Если уровень принимаемого сигнала не превышает порогового
значения, то узел продолжает передачу, если же превышает, то узел
прекращает передачу кадра и посылает в сеть специальную 32-битную
jam-комбинацию (сигнал коллизии) с нерегламентированной
последовательностью, просто приводящей к повышению уровня
сигнала в локальной сети из-за увеличения амплитуды импульсов
манчестерского кода суммарного сигнала. После этого узел,
обнаруживший коллизию, делает случайную паузу и затем снова может
повторить попытку передачи кадра. Число повторных попыток не
может превысить 16. Если же и после 16-й попытки кадр вызвал
коллизию, то он отбрасывается. При большом количестве узлов
вероятность коллизии возрастает, и пропускная способность сети
Ethernet падает, т.к. сеть все большее время занята обработками коллизий
и отбрасыванием кадров. Три фактора определяют работу CSMA/CD:
минимальная длина кадра, скорость передачи данных и домен
конфликта.
Станции нужно ждать определенное время, чтобы убедиться, что на
линии нет никаких данных, — это время равно минимальной длине
144

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

кадра, разделенной на скорость передачи (время, которое требуется,
чтобы передать кадр минимальной длины), и пропорционально
времени, необходимому для первого бита, чтобы пройти максимальное
сетевое расстояние (домен конфликта). Другими словами, мы имеем:
Минимальная длина кадра/Скорости передачи
пропорциональна
Домен конфликта/Скорость Распространения
В традиционной Локальной сети Ethernet, минимальная длина кадра —
520 битов, скорость передачи — 10 Mбит/с, скорость распространения
— почти равна скорости света, и домен конфликта — около 2500
метров.
Уровни. рис. 6.4 показывает уровни Локальной сети Ethernet. Уровень
звена передачи данных (канальный уровень) имеет два подуровня:
подуровень управления логическим каналом связи (LLC — Logical Link
Control) и подуровень управления доступом (MAC - Media Access
Control). LLC-уровень ответственен за поток и контроль ошибок в
уровне звена передачи данных (канальном уровне). Подуровень MAC
ответственен за работу метода доступа CSMA/CD. Этот подуровень
также создает данные, полученные от LLC-уровня, и передает кадры
физическому уровню для кодирования. Физический уровень преобразует
данные в электрические сигналы и посылает их следующей станции
через среду передачи. Этот основной уровень также обнаруживает
конфликты и сообщает о них уровню звена передачи данных
(канальному уровню).

Рис. 6.4. Уровни Ethernet
145

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Кадр. В сети Ethernet имеется один тип кадра [5], содержащий семь
полей: преамбула, начало кадра - SFD, адрес конечного пункта - DA,
адрес источника - SA, длина/тип протокольной единицы — PDU и
циклический избыточный код. Локальная сеть Ethernet не обеспечивает
механизма для подтверждения получения кадров. Подтверждение
реализуется на более высоких уровнях. Формат кадра CSMA/CD MAC
показан на рис.6.5.

Рис. 6.5. Кадр Ethernet
Преамбула. Преамбула кадров содержит 7 байтов (56 битов)
чередующихся нулей и единиц, которые приводят в готовность
систему для приема прибывающего кадра и подготавливают ее
для синхронизации с помощью тактовых импульсов. Преамбула
фактически добавляется на физическом уровне и не является
(формально) частью кадра.
Ограничитель начала кадра (SFD — Start Frame Delimiter). Поле
SFD (1 байт: 10101011) отмечает начало кадра и указывает
станции на окончание синхронизации. Последние два бита — 11
(две единцы) — сигнал, что следующее поле — адрес получателя.
Адрес получателя (DA — Destination Address). Поле DA
насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес станции
пункта назначения или промежуточного звена.
Исходный адрес (SA — Source Address). Поле SA также
насчитывает 6 байтов и содержит физический адрес передающей
или промежуточной станции.
Длина/тип. Поле длина / тип имеет одно из двух значений. Если
значение поля меньше, чем 1518, это — поле длины и определяет
длину поля данных, которое следует дальше. Если значение этого
поля больше, чем 1536, оно определяет верхний протокол уровня,
который используется для обслуживания Internet.
Данные. Поле данных переносит данные, инкапсулированные из
146

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

верхних протоколов уровня. Это минимум 46 и максимум
1500байтов.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclical Redundancy Check).
Последнее поле в этих кадрах по стандарту 802.3 содержит
информацию для обнаружения ошибок, в этом случае CRC — 32.
Адресация. Каждая станция типа PC, рабочая станция или принтер на
сети Локальной сети Ethernet имеет ее собственную сетевую
интерфейсную карту (NIC — Network Interface Card). NIC размещается
внутри станции и обеспечивает станцию 6-байтовым физическим
адресом. Адрес Локальной сети Ethernet — 6 байтов (48 битов), он
обычно записывается в шестнадцатеричной системе обозначений с
дефисом, чтобы отделить байты, как показано ниже:

Адреса в Локальной сети Ethernet передают байт за байтом, слева
направо, однако для каждого байта самый младший бит передают
первым, а самый старший бит — последним. Есть три типа адресов в
Локальной сети Ethernet: однонаправленный, групповая рассылка и
передача. Исходный адрес всегда однонаправленный. Адрес получателя
может быть однонаправленным адресом (один единственный
получатель), групповой рассылкой (группа получателей) или
широковещательной передачей (все станции, подключенные к LAN). В
однонаправленном адресе самый старший бит в начале байта:
0 в адресе групповой рассылки младший бит.
1 Широковещательный адрес — это поле 48 бит.

Основные устройства сети Ethernet
Устройства подключения
Сегодня обычная сеть состоит из многих локальных сетей и одной
или нескольких базовых. Поэтому в технологиях должны быть
предусмотрены способы объединить эти сети. Инструментальные
средства, предназначенные для этих целей, называются устройствами
147

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

подключения[61].
В этом разделе мы обсуждаем пять видов устройств: ретрансляторы,
концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы. Ретрансляторы
и концентраторы работают на первом уровне набора протоколов
TCP/IP. (Это сопоставимо с физическим уровнем модели OSI.) Мосты
работают на первых двух уровнях. Маршрутизаторы работают на
первых трех уровнях. Мы имеем два типа коммутаторов: первый тип —
усложненный мост и второй — усложненный маршрутизатор. рис.
6.6показывает уровни, на которых работает каждое устройство.

Рис. 6.6. Подключающие устройства

Ретрансляторы
Для увеличения длины общей сети, состоящей из различных сегментов
кабеля,
используются ретрансляторы.
Ретранслятор
является
устройством 1-го уровня и работает только на физическом уровне.
Сигналы, которые переносят информацию в пределах сети, могут
пройти фиксированное расстояние до того момента, когда затухание
создаст угрозу целостности данных. Ретранслятор получает сигнал, и
прежде чем он становится слишком слабым или искаженным,
восстанавливает первоначальный вид бита. Затем он передает
регенерированный сигнал. Ретранслятор может увеличить физическую
длину сети, как показано на рис. 6.7.
Он принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно
повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и
148

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

улучшая форму импульсов. Применение ретранслятора вносит
дополнительную задержку и ухудшает распознавание коллизии, поэтому
их количество в сети Ethernet не должно превышать 4, при этом
максимальная длина одного сегмента должна быть не более 500 метров,
а диаметр всей сети — не более 2500 метров. Заметим, что сеть,
образованную с помощью ретрансляторов, все еще считают одной
локальной сетью, но часть сети, разделенную ретрансляторами,
называют сегментом. Ретранслятор действует как узел с двумя
интерфейсами, но работает только на физическом уровне.

Рис. 6.7. Ретранслятор
Когда он получает пакет от любого из интерфейсов, он восстанавливает
и передает его вперед к другому интерфейсу. Ретранслятор передает
вперед каждый пакет, но не имеет никаких возможностей для
выделения и перенаправления информации.

Концентраторы
Соединение узлов между собой осуществляется через центральное
устройство — концентратор (рис. 6.8), и это значительно устраняет
недостатки предыдущих стандартов. Хотя в общем смысле термин
"концентратор" может применить к любому устройству подключения, в
данном случае он имеет специальное значение. Концентратор —
фактически многовходовой ретранслятор. Он обычно используется,
чтобы создать соединение между станциями в физической звездной
топологии.
149

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Концентратор (Hub) является устройством 1-го уровня и осуществляет
функции повторителя на всех отрезках витых пар между
концентратором и узлом, за исключением того порта, с которого
поступает сигнал. Каждый порт имеет приемник (R) и передатчик (T).
Кроме того, концентратор сам обнаруживает коллизию и посылает jamпоследовательность на все свои выходы. Типовая емкость
концентратора — от 8 до 72 портов. Концентраторы могут также
использоваться, чтобы размножать уровни иерархии, как показано на
рис.6.9.
Концентраторы можно соединять друг с другом с помощью тех же
портов, которые используются для подключения узлов. Стандарт
разрешает соединять концентраторы только в древовидные структуры,
любые петли между портами концентратора запрещены. Для надежного
распознавания коллизии между двумя любыми узлами должно быть не
больше 4 концентраторов, при этом максимальная длина между
концентраторами должна быть не более 100 метров, а диаметр всей
сети — не более 500метров.

Рис. 6.8. Сеть Ethernet, образованная с помощью концентратора, на
витой паре (стандарт 10Base-T)

150

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.9. Размножение уровней иерархии с помощью концентраторов
Заметим, что сеть, построенная на основе концентраторов,
рассматривается как одна единственная локальная сеть. Эта сеть
представляется логической топологией типа "шина" (если станция
передает пакет, он будет получен каждой другой станцией без
переадресации).
Иерархическое
использование
концентраторов
устраняет ограничение длины 10BASE-T (100 метров). Построение
локальных сетей большой емкости только с помощью концентраторов
приводит к возрастанию числа коллизий и снижению пропускной
способности сети. Поэтому концентраторы используются для
построения небольших фрагментов сетей, которые затем объединяются
с помощью мостов и коммутаторов.

Мосты
Мост (Bridge) является устройством 2-го уровня, он также соединяет два
сегмента сети (рис. 6.10), но, в отличие от повторителя, снабжен
определенной логикой. Порт моста записывает все кадры, поступающие
от узлов одного сегмента, в буферную память данных. Как устройство
физического уровня, он восстанавливает сигнал, который получает. Как
устройство уровня звена передачи данных, мост может проверить
физический адрес (источник и пункт назначения), содержащиеся в
пакете. Заметим, что мост, подобно ретранслятору, не имеет никакого
151

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

физического адреса. Он действует только как фильтр, но не как исходный
передатчик к конечному пункту назначения. В исходном состоянии,
когда состав сети неизвестен, мост ретранслирует буферизированные
кадры, поступающие с одного порта, на другой порт по алгоритму
CSMA/CD. Мосты "прозрачны" и распознаваемы; они могут быть легко
установлены между двумя сегментами локальной сети (принцип "plug
and play" — "включай и работай"1)). Таблица моста первоначально пуста,
но как только мост получает и передает вперед пакет, он создает в своей
таблице вход с исходным адресом и интерфейсом прибытия. С тех пор
мост знает, от кого поступает каждый пакет, к какому пункту назначения,
от какого интерфейса. Мост также делает запись информации о пункте
назначения, используя информацию, содержащуюся в пакете. Мы
делаем нечто подобное, когда отвечаем по почте (или электронной
почте).

Рис. 6.10. Сеть Ethernet с использованием моста
По истечении некоторого времени мост составит следующую таблицу
таблица 6.1 рис. 6.11).
Таблица 6.1.
Порт 1
Порт 2
МАС-адрес узла 1 МАС-адрес узла Х+1
МАС-адрес узла 2 . . .
...
МАС-адрес узла N
МАС-адрес узла Х МАС-адрес маршрутизатора
Он по свой таблице определяет, что нужно ретранслировать кадр из
буфера порта 1 в порт 2. Если же мост получает кадр от узла 2,
направленный к узлу Х, то он по своей таблице определяет, что узлы
находятся в одном сегменте, и стирает кадр в буферной памяти порта 1.
Записи в таблице, произведенные мостом, являются динамическими.
152

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

По истечении определенного времени, если мост не принял ни одного
кадра от какого-то узла, такая запись стирается. Процедура
ограниченного хранения записанных данных называется кэшированием
и предохраняет таблицу от переполнения при удалении узла из сети
или при перемещении узла из одного сегмента в другой. Записи,
внесенные в таблицу администратором, называются статическими и не
имеют срока жизни, они дают возможность администратору при
необходимости принудительно подправлять работу моста.

Коммутатор (Switch)
Термин "коммутатор" может означать две различных вещи. Мы должны
уточнять информацию об уровне, на котором устройство работает. Мы
можем иметь коммутатор уровня два или коммутатор уровня три.
Кратко обсудим каждый.
Коммутатор уровня два Коммутатор уровня два — мост со многими
интерфейсами, который позволяет лучше (более быстро) распределять
информацию. Мост с несколькими интерфейсами может подключить
несколько сегментов LAN вместе. Мост со многими интерфейсами
может распределить информацию каждой станции к каждой станции на
одном и том же сегменте. Далее мы используем термин "мост" для
коммутатора уровня 2.
Коммутатор уровня три Коммутатор уровня три — маршрутизатор.
Коммутатор уровня три может получить, обработать и послать пакет
намного быстрее, чем традиционный маршрутизатор, даже при том, что
функциональные возможности у них одни и те же. Мы используем
термин "маршрутизатор" для коммутатора уровня три.

153

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.11. Мост
Коммутатор (Switch) использует топологию типа "звезда", является
устройством 2-го уровня и функционально представляет собой
многопортовый мост, к каждому порту которого может быть подключен
отдельный хост, концентратор, сервер или маршрутизатор ( рис. 6.12).
Каждый порт коммутатора оснащен процессором обработки пакетов
(Пр.), который может работать как в полудуплексном, так и в
дуплексном режиме. При подключении к порту коммутатора отдельного
узла
(компьютера
или
маршрутизатора)
порт
коммутатора
устанавливается в дуплексный режим, а в узел ставится сетевая карта с
подавлением коллизий. За счет этого узел и коммутатор имеют
возможность одновременной передачи и приема пакетов. При
подключении к порту коммутатора концентратора порт коммутатора
устанавливается в полудуплексный режим.

154

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.12. Сеть Ethernet с использованием коммутатора
Для коммутации кадров между портами используется коммутационная
матрица (Мх). Аналогично мосту каждый порт ведет адресную таблицу
МАС-адресов, подключенных к нему устройств и сообщает о ней
центральному процессору (ЦПР). После приема начальных бит кадра
входной процессор анализирует адрес назначения и пытается
установить соединение через коммутационную матрицу, не дожидаясь
прихода, оставшихся бит кадра. Для этого он обращается к ЦПР с
заявкой на установление пути в коммутационной матрице. ЦПР имеет
адресную таблицу и может осуществить запрашиваемое соединение,
если порт назначения свободен, т.е. не соединен с другим портом. Если
же порт занят, то ЦПР в соединении отказывает, и кадр продолжает
буферизироваться процессором входного порта до освобождения
выходного порта. После того как требуемый путь в коммутационной
матрице установлен, по нему направляются кадры в выходной порт, где
они повторно буферизируются на случай разной скорости
коммутируемых портов. Процессор выходного порта по значению
контрольной суммы (FCS) опционально может проверить целостность
принятого кадра и начинает передавать по сегменту Ethernet принятый
кадр. Из-за наличия множества портов коммутатор обладает
существенно более высокой производительностью за счет параллельной
обработки кадров. Если потоки данных между портами распределяются,
не конфликтуя между собой, т.е. соединения вида "входной порт —
выходной порт" образуют независимые пары, то коммутатор емкостью
N портов может одновременно обслуживать N/2 полудуплексных
соединений или N дуплексных соединений.
155

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Маршрутизаторы
Маршрутизатор — устройство с тремя уровнями; он работает на
физическом уровне, канальном уровне звена (уровне звена передачи
данных) и сетевом уровне. Как устройство физического уровня, он
восстанавливает сигнал, который он получает. Как устройство уровня
звена передачи данных, маршрутизатор проверяет физические адреса
(источник и пункт назначения), содержащиеся в пакете. Как устройство
сетевого уровня, маршрутизатор проверяет адреса сетевого уровня
(адреса в уровне IP).
Маршрутизатор может: соединять локальные сети; соединять вместе
сети общего назначения; подключить локальные сети к сетям общего
назначения. Другими словами, маршрутизатор — устройство
межсетевого обмена; он соединяет вместе независимые сети, чтобы
формировать сеть Internet. Согласно этому определению, сети,
соединяемые маршрутизатором, становятся Internet-сетью, или Internet.
Есть три главных отличия между маршрутизатором и ретранслятором
или мостом:
1. Маршрутизатор имеет физический и логический (IP) адрес для
каждого из его интерфейсов.
2. Маршрутизатор действует только на тех пакетах, в которых адрес
получателя соответствует адресу интерфейса, куда пакет
прибывает. Это истинно для однонаправленного, группового или
широковещательного адреса.
3. Маршрутизатор изменяет физический адрес пакета (и источник, и
пункт назначения), когда он передает пакет вперед.
Рассмотрим пример. На рис.6.13 , мы показываем две сети LAN,
разделенных маршрутизатором. Левая LAN имеет два сегмента,
отделенные мостом. Маршрутизатор изменяет источник и адреса
получателя пакета. Когда пакет перемещается в левую LAN, его
исходный адрес — это адрес передающей станции; его адрес получателя
— это адрес маршрутизатора. Когда тот же самый пакета перемещается
во вторую LAN, его исходный адрес — адрес маршрутизатора, и его
адрес получателя — адрес заключительного пункта назначения.
156

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Маршрутизаторы направляют пакеты среди множества связанных
сетей. Они направляют пакеты от одной сети до любого множества
потенциальных сетей пункта назначения на Internet.

Рис. 6.13. Пример маршрутизации
Маршрутизаторы действуют на сети подобно станциям. Но в отличие от
большинства станций, которые включаются только в одну сеть,
маршрутизаторы адресуются и подключены к двум или более сетям. О
маршрутизаторах и процедуре маршрутизации более подробно можно
будет узнать в главах, посвященных сети Интернет.

Реализация
Стандарты определяют несколько реализаций для традиционного
Internet. В зависимости от типа физической среды имеются различные
стандарты:
10BASE5 ("толстый" Ethernet) использует топологию типа "шина" с
157

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

толстым коаксиальным кабелем как средой передачи.
10BASE2 ("тонкий" Ethernet или более дешевая сеть) использует
топологию типа "шина" с тонким коаксиальным кабелем как
средой передачи.
10BASE-T (Локальная сеть Ethernet по витой паре) использует
физическую звездную топологию (логическая топология — все
еще шина") со станциями, подключенными двумя парами кабеля с
витой пары к центру.
10BASE-FL (Локальная сеть Ethernet по оптоволоконной паре)
использует звездную топологию (логическая топология — все еще
"шина") со станциями, подключенными парой волконно –
оптических кабелей к центру. Число 10 обозначает скорость
передачи 10 Мбит/с, Base — передачу на одной базовой частоте 10
МГц, последний символ обозначает тип кабеля:5 — коаксиальный
кабель диаметром 0,5 дюйма), 2 — коаксиальный кабель
диаметром 0,25 дюйма, Т (twisted pair) — неэкранированная витая
пара, FL (fiber link) — оптический кабель.

Быстрая Локальная сеть Ethernet
Потребность в более высокой скорости данных создала Быстрый
протокол Локальной сети Ethernet (100 Mbps). На уровне MAC Быстрая
Локальная сеть Ethernet использует те же самые принципы, что и
традиционная Локальная сеть Ethernet (CSMA/CD), за исключением
того, что скорость передачи была увеличена от 10 Mbps до 100 Mbps.
Чтобы CSMA/CD работала, есть две возможности: либо увеличить
минимальную длину кадра, либо уменьшить домен коллизии (скорость
света не может быть изменена). Увеличение минимальной длины кадра
требует дополнительного заголовка. Если данные, которые будут
посланы, недостаточно длинны, мы должны будем добавить
дополнительные байты, что влечет за собой увеличение передаваемой
служебной информации и потерю эффективности. Быстрая Локальная
сеть Ethernet выбрала другой путь: домен коллизии был уменьшен с
коэффициентом 10 (от 2500 метров до 250 метров). Эта звездная
топология 250 метров приемлема во многих случаях. На физическом
уровне Быстрая Локальная сеть Ethernet использует различные методы
передачи сигналов и различные среды для того, чтобы достигнуть
скорости передачи данных 100 Mbps.
158

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Реализация Быстрой Локальной сети Ethernet
Быстрая Локальная сеть Ethernet может быть разбита на категории
реализации либо по двухпроводной линии, либо по четырехпроводной.
Двухпроводная реализация названа 100BASE-X, или реализация
кабелем с витыми парами (100BASE-TX), или реализация кабелем с
оптическим волокном (100BASE-FX). Реализация четырехпроводной
линией разработана только для кабеля с витыми парами (100BASE-T4).
Другими словами, мы имеем три реализации: 100BASE-TX, 100BASEFX, и 100BASE-T4.

Гигабитовая Локальная сеть Ethernet
Потребность в скорости передачи данных выше, чем 100 Mbps, в
результате породила протокол Гигабитной Локальной сети Ethernet (1000
Mbps). Чтобы достигнуть этой скорости передачи данных, уровень MAC
(управления средой доступа) имеет два варианта: сохранение
CSMA/CDили отказ от него. Как и прежде, эти варианты конструкции
должны либо уменьшить домен конфликта, либо увеличить
минимальную длину кадра. Так как домен конфликта 25 метров
недопустим, минимальная длина кадра увеличена очень изящным
способом. Во втором варианте - отказ от использования CSMA/CD каждая станция соединена двумя отдельными путями с центральным
концентратором (hub). Это называется Дуплексной Локальной сетью
Ethernet без конфликтов и не нуждается ни в каком CSMA/CD/. На
физическом уровне было сделано много изменений, чтобы позволить
передавать данные на этой скорости.

Реализации Гигабитной Локальной сети Ethernet
Локальная Гигабитная сеть Ethernet может быть классифицирована по
реализации либо как двухпроводная линия, либо как четырехпроводная.
Двухпроводная линия названа 1000BASE-X и может быть реализована с
оптическими волокнами, передающими лазерные коротковолновые
сигналы (1000BASE-SX); с оптическими волокнами, передающими
длинноволновые лазерные сигналы волны (1000BASE-LX); с
159

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

защищенной витой парой, передающей электрические сигналы
(1000BASE - CX). Четырехпроводная версия использует кабели c
витыми парами (1000BASE-T).

Технология Token Ring
Технология Token Ring [78] также использует разделяемую среду с
топологией в виде кольца (рис. 6.14), но в отличие от Ethernet
применяет не случайный, а детерминированный доступ. Право на
доступ передается от одного узла к другому в виде специального кадра,
называемым маркером (Token). Каждый порт имеет приемник (R) и
передатчик (T). Скорость передачи кадров по кольцу может быть 4 или
16 Мбит/с, смешение скоростей в одном кольце не допускается. В
качестве физической среды может использоваться витая пара или
оптоволоконный кабель. Максимальное число узлов в кольце - 260,
максимальная длина кольца - 4000 метров.

Рис. 6.14. Сеть Token Ring

160

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.15. Прохождение маркера

Кольцевая сеть с маркерным доступом
Эта сеть использует для доступа к сети маркер. Прохождение маркера
иллюстрируется на рис.6.15 . Всякий раз, когда сеть не занята,
циркулирует простой 3-байтовый маркер. Его передают от станции к
станции, пока он не встретится со станцией, имеющей данные для
передачи. Станция сохраняет маркер и посылает кадр данных. Этот
кадр имеет адрес назначения и адрес источника. Он обрабатывается по
кольцу и регенерируется каждой станцией. Каждая станция проверяет
адрес пункта назначения, и если находит, что кадр адресован другой
161

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

станции, то он ретранслирует его соседней станции. Назначенный
заранее получатель распознает свой собственный адрес, копирует
сообщение в буфер, проверяет ошибки и заменяет 4 бита в последнем
байте кадра для того, чтобы показать, что адрес опознан и кадр
скопирован. Полезный пакет затем продолжает передаваться по кругу,
пока не вернется к станции, с которой он послан. Узел,
инициировавший передачу кадра, получив подтверждающий кадр,
изымает его из кольца и передает маркер следующему узлу. Каждый узел
следит за временем удержания маркера, которое обычно равно 10 мс. За
это время узел может передать несколько кадров. При первоначальном
включении все станции начинают процедуру выбора активного узла,
критерием которого является узел с максимальным значением МАС адреса. В дальнейшем этот узел каждые 3 секунды генерирует
специальный кадр своего присутствия и восстанавливает маркер в
случае его утери. В случае отключения какого-либо узла от сети или
пропадания питания на узле релейные схемы этого порта замыкают
накоротко его передатчик (T) с приемником (R), обеспечивая
неразрывность кольца.
Уровни Кольцевая сеть с маркерным доступом использует те же самые
два уровня, что и Ethernet. Уровень звена данных разделяется на два
подуровня: управления логической связью (LLC — Logical Link Control) и
управления средой доступа (MAC — Media Access Control). LLC здесь
играет ту же роль, что и в Ethernet. Подуровень MAC несет
ответственность за передачу маркера и операции резервирования. Он
также ответственен за создание кадра и его доставку физическому
уровню.
Кадр Сеть с маркерным доступом определяет три типа кадров: данные,
маркер и прерывание.
Кадр данных. В сети с маркерным доступом кадр данных — только один
из трех типов, который несет протокольные модули данных (PDU Protocol Date Unit) и только с одним адресом заданного конечного
пункта. Рис. 6.16 показывает формат кадра данных. Ниже дается
описание каждого поля в кадре:
Начальный ограничитель (SD — Start delimiter). Это первое поле
кадра данных SD длиной 1 байт. Оно используется для подготовки
162

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

принимающей станции к поступлению кадра, а также для того,
чтобы обеспечить синхронизацию, восстанавливающую тактовые
импульсы.
Управление доступом (AC — Access Control). Это поле AC длиной
1 байт включает четыре подполя. Первые три бита — это поле
приоритета. Четвертый бит называется маркерным битом и
устанавливается для того, чтобы показать, что кадр есть кадр
данных, а не маркер или кадр прерывания. Маркерный бит
следует за битом наблюдения. Последние 3 бита — резервное
поле, которое может быть установлено станцией, желающей
зарезервировать доступ к кольцу.
Управление кадром (FC — Frame Control). Поле FC имеет длину 1
байт и содержит два поля. Первое - это однобитовое поле, которое
указывает тип информации, содержащейся в протокольной
единице PDU (это информация управления или данные). Второе
использует 7 оставшихся бит из байта и содержит информацию,
используемую сетью с маркерным доступом (например, как
использовать информацию в поля AC).
Адрес пункта назначения (DA - Destination Address). Поле DA в 6
байт содержит физический адрес кадров следующего конечного
пункта.

Рис. 6.16. Кадр данных
Адрес источника (SA — Source Address). Поле SA также имеет
длину 6 байт и содержит физический адрес передающей станции.
Данные. Шестое поле, данные размещает 4500 байт и содержит
протокольные единицы PDU. Кадр сети с маркерным доступом не
включает единицу длины или типа поля.
Циклический избыточный код (CRC — Cyclic Redundancy Code).
Поле CRC имеет длину 4 бита и содержит CRC—32,
обнаруживающую последовательность ошибок.
Конечный ограничитель (ED — End Delimiter). ED — второе поле
флага в один байт, который указывает конец передачи данных и
163

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

управляющей информации.
Состояние Кадра (FC — Frame Status). Последний байт кадра —
поле FS. Он может быть установлен приемником для того, чтобы
указать, что кадр прочтен, или монитором, чтобы указать, что кадр
прошел вокруг кольца. Это поле — не подтверждение, но оно
указывает передатчику, что приемная станция скопировала кадр,
который может теперь быть удален.
Кадр маркера. Поскольку маркер реально заполняет место и кадр
резервирования, он имеет только три поля: разделитель старта (SD),
разделитель управления доступом AC и разделитель окончания. Поле
SD указывает, что кадр поступил. Поле AC указывает, что кадр —
маркер, и включает поля резервирования и приоритет. Поле ED
указывает конец кадра.
Кадр прерывания. Прерывание не несет вообще никакой информации только разделитель (SD) старта и окончание. Он может быть передан
любым передатчиком при остановке своей собственной передачи (по
любой причине) или монитором, чтобы произвести чистку
информации старой передачи на линии.
Адресация. Так же как и большинство реализаций локальной сети
Ethernet, кольцевая сеть с маркерным доступом использует 6-байтовый
адрес. Механизм адресации тот же самый, что у локальной сети Ethernet,
за исключением того, что кольцевая сеть с маркерным доступом сначала
передает самый старший бит каждого байта.
Реализация. Кольцо в кольцевой сети с маркерным доступом состоит из
ряда экранированных секций витых пар, связывающих каждую станцию
с ее непосредственным соседом. Формирование сети как кольца
приводит к потенциальной проблеме: один неработающий или
отсоединенный узел может остановить поток нагрузки по всей сети. В
конкретной сети возможно следующее решение: каждая станция
соединена с автоматическим коммутатором. Этот коммутатор может
обойти бездействующую станцию. В то время как станция не работает,
коммутатор замыкает кольцо в обход. Когда станция приходит в порядок,
сигнал, посылаемый центром сетевой информации, включает
коммутатор и включает станцию в кольцо. Для практических целей
индивидуальные автоматические выключатели объединены в центр,
164

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

называемый многостанционным модулем доступа (MAU — Multi Access
Unit) (см.рис. 6.17). Один MAU может обеспечить работу до восьми
станций. MAU могут быть объединены, чтобы создать большее кольцо.

Рис. 6.17. Многостанционный модуль доступа (MAU — Multi Access
Unit)
Кольцевая сеть с маркерным доступом EFM - C определяет
спецификации и рекомендации необходимые для реализации локальной
сети Ethernet через скрученные медные пары. Следует обратить
внимание, эта локальная сеть связь по Ethernet осуществляется, без
использования технологии ATM, PPP (Point – to- Point Protocol), и так
далее. Стандарт определяет две минимальных цели - скорость и
расстояние:
EFM - C на короткое расстояние (EFM – C SR) - локальная сеть
Ethernet по меди для короткого расстояния, обеспечивает минимум
скорость 10 Мбит до не менее 750 метров.
EFM - C на большие расстояния (EFM -C LR) - локальная сеть
Ethernet по меди обеспечивает как минимум 2 Мбит до 2700
метров.
Эти скорости указывают минимальные значения, и стандарт не
ограничивает достижение более высоких скоростей и расстояний. Есть
165

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

также спецификация для уплотненных пар с небольшим количеством
уплотненных каналов. Это используется там, где надо увеличить
пропускную способность без применения оптических кабелей.
Повторяем, что этот тип соединений, использующий пары не
применяет сложных систем, таких как ATM (IMA2) – Inverse Multiplexing
over ATM) или объединение пар, как это делается в SHDSL.
На физическом уровне EFMC (EFMC SR и EFMC LR) использует
методы модуляции DSL, на основе опыта работы и большого числа с
DSL, установленных во всем мире. Пока рекомендуются для
применения не все типы DSL. Чаше всего современные системы EFMC
SR реализуется чаще на VDSL (только для протоколов Локальной сети
Ethernet), а для EFMC LR по SHDSL ITU-T G991.2 и G.SHDSL.bis (только
для протоколов Локальной сети Ethernet). Кроме того, эти типы DSL
должны использовать Локальную сеть Ethernet только на канальном
уровне (уровень 2) стека протоколов (не разрешается использовать ATM
или PPP).
Для физического уровня EFMC стандарта 802.3ah определяются два
новых подуровня, которые называются коррекция скорости (rate
matching)и агрегация линий (loop aggregation), эти новые подуровни
приспосабливаются к технологии DSL. EFMC часть 802.3ah стандарт –
хорошее решение для существующих коммерческих фирм и жилых
районов, где уже существует широкая сеть из медных линий. таблица
6.2, содержит информацию о некоторых EFMC, соответствующих
стандарту 802.3ah EFM
Таблица 6.2. EFMC, соответствующих стандарту 802.3ah EFM
Тип DSL для
EFMC
Минимальные
EFMC Порты
локальной сети
PHY Тип
скорости/расстояния
Ethernet
EFMC на
10BASSкороткое
VDSL
10 Мбит/с / 750 м
TS
расстояние
EFMC на
2BASE- SHDSL (G 991.2) и
большие
2 Мбит/с / 2700 м
TL
G.SHDSL.bis
расстояния
166

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Локальная сеть Ethernet Первой Мили по оптическому
волокну Точка-точки (EFMF)
EFMF содержит рекомендации для реализации Локальной сети Ethernet
по оптическому кабелю, применяя технологию точка - точка в
одномодовом режиме (G 652) и используя либо единственно волокно
либо двойное волокно (пара волокон). Использование единственного
волокна предоставляет возможность создать двух волновой
мультиплексор, который разбивает, сигнал на передачу и приём, и
передавать их волнам по различной длины. Волны одной длины
пропускает поток вниз ("сеть - пользователь" ) - D, а другая как поток
вверх ("пользователь - сеть") - U. Это может оптимизировать работу с
оптическим волокном на уровне доступа.
EFMF поддерживает симметричную связь при ширине полосы частот
до 100 Mбит/c и 1 Гбит/с, при связи точка-точка по оптоволоконной
линии связи расстояние минимум 10 км. EFMF допускает применение
более эффективных технологий "волконо к зданию" (FTTB – Fiber to the
Building), волокно до распределительной коробки (FTTC– Fiber to the
Curb), и волокно на дом (FTTH – Fiber to the Home). Эта часть стандарта
802.3ah определяет две цели для Локальной сети Ethernet скорость и
расстояние:
EFMF 100 Мбит/с SMF-Т использует Локальную сеть Ethernet в
одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним
волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с
Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на
расстоянии 10 км.
EFMF 1000 Мбит/с (1 Гбит/c) SMF - Локальная сеть Ethernet в
одномодовом режиме (SMF – Single Mode Fiber) либо с одним
волокном, либо с двумя волокнами. Использования 100 Мбит/с
Быстрой Локальной сети Ethernet осуществляется как минимум на
расстоянии 10 км.
Перечисленные выше устройства могут функционировать в пределах
температуры от -40 до +85 градусов Цельсия. Это позволяет
развертывать EFMF во внешней среде.
167

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Физический уровень EFMF (PHY) определяет в зависимости от среды
новые физические подуровни. Передачу и прием по отдельным
оптическим волокнам. Эти подуровени известны как 100BASE-LX10
для 100 Мбит/с и как 1000BASE-LX10 для 1Гбит/c. Для системы из
единственного волокона, PHY подуровень для Быстрой Локальной сети
Ethernet обозначается - 100BASE-BX10, и для Локальной гигабитовой
сети Ethernet - 1000BASE-BX10. Обе эти скорости поддерживаются в
одномодовом режиме (SMF) на расстоянии 5 км или в более чем 10 км.
таблица 6.3содержит информацию для некоторых EFMF стандарта
802.3ah.
Таблица 6.3. Информация для некоторых EFMF стандарта 802.3ah
Физический
Физический
уровень EFMF уровень EFMF
SMF (G Тип Подуровня Тип Подуровня
652)
для 100 Мбит/ для 1000 Мбит/с,
План Длины волны
Волокно
с, Быстрая
Локальная сеть
Локальная сеть гигабитная сеть
Ethernet (км)
Ethernet (км)
двойная длина волны,
поток "сеть 100BASEпользователь" (BX10-D)
Одиночное BX10-D, 10km,
-передача 1480 нм до 1580
волокно
100BASEнм; поток "пользователь
BX10-U, 10km
сеть" (BX10-U) передает
1260 нм до 1360 нм.
двойная длина волны,
поток "сеть 1000BASEпользователь" (BX10-D)
Одиночное
BX10-D,
передача 1480 нм до 1500
волокно
10km1000BASEнм; поток "пользователь
BX10-U, 10км
сеть" (BX10-U) передача
1260 нм к 1360 нм

Двойное

1000BASE-LX,
5km, и 1000
BASE-LX10,
168

передача длина волны,
1260 нм до 1360 нм,
совместим с

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

волокно

10км
устойчивость к
температуре

большинством
SONET/SDHOC-3/STM-1
приемопередатчиками

Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивным
Оптическим Сетям (EFMP)
Локальная сеть Ethernet Первой Мили по Пассивной Оптической Сети
(EFMP) определяет рекомендации реализации Локальной сети Ethernet
от точки -ко -многим точкам, по одномодовому волокну (SMF G 652) со
скоростью в 1 Гбит/c на расстояние до 20 км. EFMP предусматривает
использование пассивных оптических компонентов в сети доступа,
которая называется Пассивная Оптическая Сеть Ethernet (EPON).
Метод передачи от точки ко -многим точкам, иногда упоминаемый как
пассивный вариант 1:n, позволяет множество абонентских оптических
волокон мультиплексировать в поток "пользователь сеть" через
единственное волокно, часто называемое "волокно пучка каналов". Это
позволяет применять оптический кабель в жилых районах на большие
расстояния при боле низкой стоимости, чем в других случаях.
Спецификация ИИЭР 802.3ah для EPON определяет:
Многоточечный Протокол Управления (MCPC –Multipoint Control
Protocol),
имитация Точка-точка (P2PE – Point to Point Emulation),
два физических зависимых среды подуровня для 10-километровых
и 20-километровых расстояний, используя 1490 нм лазеры для
потока "сеть - пользователь" и 1310 нм лазеров для потока
"пользователь сеть".
Многоточечный MCPC необходим для того, чтобы создать назначенные
ширины полосы частот, опрос ширины полосы частот. EPON сети
содержат оптические линейные терминалы (OLT- optical line terminal),
который, обычно постоянно находятся у поставщика или в точке
привязки. OLT - типичный коммутатор Локальной сети Ethernet с
оптическими портами для волокна пучка каналов потока "сеть 169

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пользователь". Данные потока "сеть - пользователь" от волокна пучка
каналов к абонентам поступают в разделитель 1:n пассивного
оптического, который поставляет копии всех данных по n абонентским
оптическим блокам (ONU-Optical Network Unit).
Абонентское ONU идентифицировано уникально и только передаёт
поток "сеть - пользователь" только по их адресам системы управления
доступом к среде (MAC –Medium Access Control). Данные потока
"пользователь сеть" от абонентского ONU достигают комплекта
разделителя волокна пучка каналов. Там они распределяются с
помощью MCPC –Multipoint Control Protocol в слоты времени и поток
"пользователь сеть", который доставляют, используя многостанционный
доступ с временным разделением (TDMA - Time Division Multiple Access) к
оптическому линейному терминалу (OLT optical line terminal). Далее
используется для потока "пользователь сеть" доступ TDMA (TIME
Division Multiple Access) для передачи только одному абоненту в
топологии точки – ко многим точкам.
Эта часть стандарта 802.3ah определяет две характеристики для
Локальной сети на основе протокола CSMA-CD – скорость и
расстояние:
EFMP 1000 Mbps SMF 10 км - Используют Локальную сеть на
основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному
волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16.
Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на
основе протокола CSMA-CD ). Данные передаются по принципу
точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 10километров.
EFMF 1000 Mbps SMF, 20 км - Используют Локальную сеть на
основе протокола CSMA-CD по одномодовому единственному
волокну к пассивному оптическому разделителю (сплитеру) 1:16.
Используется скорость 1000 Мбит/с (Гигабитная Локальная сеть на
основе протокола CSMA-CD). Данные передаются по принципу
точка – ко - многим точкам, на расстоянии не менее 20километров.

Техническое обслуживание локальных сетей на на
170

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Первой Миле, (EFM -OAM).
Чтобы Локальная сеть была удобна для массового использования, она
должна быть оборудована хорошей системой технического
обслуживания, администрирования и эксплуатации OAM, т.е.
автоматизированными или полуавтоматическими средствами, которые
позволяют делать установку отдельных частей, контроль, и поиск
неисправностей сети. В этом случае, OAM должна быть применима ко
всем типам Ethernet (EFM EFMC, EFMF, и EFMP.).
Определения EFM OAM в пределах стандарта 802.3ah заимствуют часть
положений существующего Простого Протокола Управления Сети
(SNMP –Simple Network Management Protocol) - это основные положения
по передаче информации и сигналов управления, но расширяют и
приспосабливают их к управлению Локальной сетью на абонентской
сети местного доступа. Это помогает контролировать, получать
сообщения, производить дистанционный поиск неисправностей,
проводить с испытания и так далее. Главные особенности протокола
EFM OAM, которые обеспечивают надежное управление Локальной
сетью на абонентском участке:
контроль рабочих характеристик соединений
обнаружение ошибки и сигнализация об ошибках
испытания по петле (loopback testing)
EFM OAM спецификация протокола определяет множество блоков
данных, названных действиями, администрированием, и обслуживания
(OAM – operation, administration, maintenance), выполняющие процессы
OAM. Адреса медленного протокола OAM MAC (протокол
эксплуатации, управления и технического обслуживания управлением
доступа к среде) используется для управления протокольными блоками
данных между абонентской локальной сетью и устройствами любого
типа, используют ли они топологию сети EFMC, EFMF, или EFMP.
Скорость такого обмена не более, чем десять OAMPDUs в секунду.
Кадры OAMPDUs – абонентской Локальной сети имеют длину от 64 до
1518 байтов или октетов. OAM играет роль подслоя на уровне 2 между
типовым MAC (управлением доступом к среде) и управлением
логическим канальным уровнем (LLC – Logic link comtrol).
171

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Использование EFM OAM подслой является дополнительным, так что
поставщики имеют выбор, чтобы использовать существующие
инструменты управления сети или мигрировать к EFM OAM протоколы
управления на их специфическом графике времени. EFM OAM
спецификации это первый шаг в усовершенствовании управления
абонентской локальной сетью в сети местного доступа.

Кабельные абонентские сети.
Структура абонентской кабельной сети.
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются
кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или
оптических кабелей. Для распределения вещательного телевидения
абонентские
кабельные
сети
применялись
с
1950
года.
Широкополосные передача по кабелю данных и предложение сервисов
были следующими после телевидения приложениями кабельных сетей
на абонентском участке. В 90-ые годы прошлого столетия
промышленность и эксплуатация разработали стандарты и предложили
идеи, как использовать кабель для транспортировки услуг Интернет на
основе протоколов TCP/ IP.
Исторически кабельное телевидение есть сеть вещания, которая
распределяет программы по потребителям. Для введения Интернет
услуг требовалось только усовершенствовать передачу информации от
потребителя к станции (направление "вверх"). Кабельные операторы,
которых иногда называют мультисистемные операторы иногда (MSO Multiple systems operators), как правило, используют для предложения
гибридные широкополосные услуги, такие как телевидение с высокой
степенью разрешения и передачу данных на высокой скорости по
оптокабельным системам (HFC- Hybride Fibre-Coaxial). Для управления
информацией по кабелю и расширения диапазона на концах передачи и
приема систем устанавливают (рис. 6.1) кабельные модемы (CMTS
–Cable Termination CTMS). CMTS обеспечивает связь "вверх" от
абонента к окончанию кабеля к окончанию кабеля и "вниз" от окончания
кабеля к абоненту.
172

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 6.18. Абонентская кабельная сеть с применением CMTS
На рис.6.18 показана абонентская сеть с установкой системы кабельных
модемов. Она состоит:
из оборудования абонента – кабельный модем и оборудование для
приема речевых и видео сигналов;
соединительной уплотненной кабельной сети; кабельная сеть
также содержит усилители, пассивные элементы (аттенюаторы,
сплитеры, отвод, абонентские розетки).
кабельной головной станции, которая содержит: систему
кабельных модемов; маршрутизатор сети Интернет, шлюз для
выхода на телефонную сеть.
При соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная
сеть кабельного телевидения. Она доставляет программы телевидения
абонентам, где они фильтруются в соответствии с настройкой
домашним модемом. Кабельный модем также отделяет речевую
информацию от видео и доставляет её к оконечным устройствам. Эта
информация передается по кабелю, который с помощью системы
кабельных модемов уплотняется (по методу частотного разделения).
173

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

При частотном разделении предусматривается и выделение обратных
каналов (каналы "вверх"), которые переносят управляющую
информацию от абонента в сеть Интернет – поставщика услуги. Состав
кабельного модема показан на рис.6.19 .

Рис. 6.19. Система кабельных модемов
Система кабельных модемов содержит:
частотный преобразователь, в задачу, которого входит
преобразование цифрового сигнала в сигналы частотно
уплотненного тракта. Он также может включать в себя,
преобразование сигналов полученных от спутников, радиосистем
и видеокамер;
шейпер (формирователь трафика) – устройство, следящее за
трафиком, устанавливающая очередь пакетных потоков и
управление поступающими потоками с целью нормальной работы
в условиях перегрузки;
маршрутизатор – в данном случае позволяющий собирать CMTS в
абонентскую сеть типа Ethernet.

Характеристики кабельной сети
В настоящее время коаксиальный кабель имеет достаточно большую
ширину спектра - в сотни мегагерц. Каналы вещательного телевидения,
имеющие полосу 6 МГЦ, в США размешаются в пределах от 54 МГЦ до
216 МГЦ для каналов с номерами 2 – 13 (отдельные полосы 54-72, 7688, 174-216 МГЦ) и от470 МГЦ до 812 МГЦ для каналов с номерами 14
-70. Сегодня, в пределах ширины полосы частот 6 МГЦ, используя
систему MPEG со сжатием информации, абонентское телевидение,
может передать до 10 каналов цифрового видео. При полной
174

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

используемой ширины полосы частот приблизительно в полосе 550
МГЦ возможно разместить до 1000 каналов телевидения. Типичное
американское распределение частот в кабельной системе показано в
Таблице 6.4 .
Таблица 6.4. Распределение частот в кабельной системе
Частотный
Направление
Примеры использования
диапазон(МГц)
Обратный путь для передачи данных,
сигналов сетевого управления согласно
От 5 до 42
Вверх
стандарту передачи по телевизионному
кабелю (Data over Cable System Interface
Specification - DOCSIS)
Широкополосное аналоговое
телевидение и передача данных по
От 54 до 350 Вниз
стандарту DOCSIS (ширина полосы
регулируется под каждого оператора)
От 350 до 750 Вниз

От750 до 1000 Вверх

Широкополосное цифровое телевидение
и передача данных по стандарту DOCSIS
(ширина полосы регулируется под
каждого оператора)
В перспективе обратный путь для
передачи данных, сигналов сетевого
управления согласно стандарту DOCSIS

Недавно кабельная промышленность начала выпуск нового
коаксиального кабеля – кабеля, с четырехслойной оболочкой. Кабель,
соответствующий требованиям широкополосной связи – RG6. Содержит
проводник, диэлектрик, экран из фольги, внутренний экран-оплетку и
наружную оболочку. Он обеспечивает высокую пропускную
способность. Различные разновидности этого кабеля рассчитаны на
частотный диапазон 1 ГГц (1000 МГЦ), 2.2 ГГц (2200 МГЦ), и 3 ГГц
(3000 МГЦ). Такой кабель имеет небольшое затухание и уровень шумов.
Он также позволяет прокладку под водой.
Оптический кабель улучшает большую часть кабельной сети между
оператором и абонентом, увеличивая пропускную способность,
175

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

надежность, и множество сервисов. HFC системы - в значительной
степени улучшают условия организации распределения типа "точка –
многоточие". Оптическая сеть с использованием разделения на основе
длины волны (DWDM –Dense Wavelength Distribution Division Multiplexing)
позволяет операторам сегментировать HFC системы в более логичную
систему, что улучшает безопасность, и предлагать более высокую
ширину полосы частот каждому пользователю.
Обслуживание потока "вверх"
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для
уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в окно 2
МГц, в частотной полосе 5 - 42 МГц. Поскольку в направлении потока
"пользователь сеть" более узкая ширина полосы частот, то используется
для передачи технология TDM. Это разделение по времени хорошо
работает для очень коротких команд, запросов, и передачи адресов, что
составляет большую часть потока "пользователь сеть" для большинства
пользователей к CMTS при связи с Интернет.
CMTS обычно поддерживает зону до 1000 Интернет кабельных модемов
с шириной канала 6 МГЦ. Один канал на 6 МГЦ может обеспечить, в
зависимости от типа модуляции, пропускную способность
приблизительно 30 мгбит/с (QAM-64 модуляция) 40 мгбит/с (QAM-256
модуляция). Эта пропускная способность может быть разделена между
соседними абонентами и может изменять рабочие характеристики, в
зависимости от поведения других абонентов, работающих в режиме
"онлайн". Хорошее свойство кабельной системы, что поставщик кабеля
может образовать новый канал, разделяя старые каналы. Этим он может
решить возникающую конкретную проблему изменения рабочих
характеристик.
Большинство
поставщиков
кабеля
регулярно
контролирует рабочие характеристики и добавляет другой канал, когда
пользователь достигает некоторого порога нагрузки.

Кабельные стандарты.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов
определяется стандартом Спецификации Интерфейса Передачи Данных
176

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

по ТВ кабелю (DOCSIS -Data over Cable Service Interface Specification).
Этот стандарт предназначен для передачи и обслуживания, систем
кабельных операторов, таких как сеть, применяющая кабельные модемы,
в доме или офисе, чтобы поддержать двунаправленную передачу
данных через кабельную сеть. Стандарт DOCSIS был принят в 1999
году.
Сеть по стандарту DOCSIS - это широкополосная кабельная сеть,
предназначенная для передачи данных и речи. Кабельные операторы
могут применяющие DOCSIS, сопрягаются с опто - коаксиальными
сетями на основе стандартов HFC на основе центров кабельных
модемов, что понизить затраты на предоставление услуг передачи речи
(VoIP) или для комплексных услуг, связанных передачей голоса, данных,
и услуг кабельного телевидения абонентам. При этом мультиоператоры
могут отделить себя от поставщиков телесвязи, и могут эффективно
конкурировать с телефонными компаниями или поставщиками
спутникового телевидения. В настоящее время известны следующие
стандарты:
DOCSIS 1.0
DOCSIS 1.1
DOCSIS 2.0
DOCSIS 3.0
Euro DOCSIS
Характеристики, определяемые стандартами DOCSIS 1.x и DOCSIS 2.0
приведены в табл.6.5. Поскольку усовершенствования стандарта от
DOCSIS 1.x к DOCSIS 2.0 касались только направления вверх (upstream),
в таблице приведены характеристики этого направления.

Таблица 6.5. Основные характеристики стандартов DOCSIS 1.x и DOCSIS
"вверх")
DOCSIS 2.0
Свойства
DOCSIS 1.x
A-TDMA
Доступ с
частотным
разделением
Техника
(FDMA)/
177

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

мультиплексирования доступ с
временным
разделением
(TDMA)
Символьная
160, 32, 640,
160, 32, 640, 1280, 2560, 5120
скорость(ксим/сек)
1280, 2560

Тип модуляции

Квадратурнофазовая
манипуляция QPSK,8-QAM,16-QAM,32-QAM,64(QPSK) 16 QAM

Спектральная
эффективность (бит/ 2 или 4
сим)
Система
упреждающей
RС (R=1 до
коррекции ошибок
10)*
(FEC)
Эквалайзер

2 до 6

RС (R=1 до 16)*

8 полосный

24- полосный

Перемежение блоков Нет
Есть
Битовая скорость
0,32 до 10,24 0,32 до 10,24
(Мбит/c)
((

– код Рида –Соломона,

– число исправляемых битов)

Можно заметить, что в таблице 6.5 для DOCSIS 1x приводится один
вариант сети связи, а для DOCSIS 2.0 два варианта A - TDMA (Advanced
Time Division Multiplexing Access) и радио вариант S-CDMA (вариант
системы множественного доступа с кодовым разделением). A-TDMA
представляет собой обычный вариант временного разделения, когда
каждый канал от модема образуется путем выделения временного слота.
Усовершенствование по сравнению с DOCSIS 1x состоит в том, что в
нем предусмотрена скорость формирование канала вдвое большего
178

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

нем предусмотрена скорость формирование канала вдвое большего
канала шириной 6,4 МГц, и дополнительно разрешается применение
способов квадратурной модуляции (8-QAM, 32- QAM и 64 - QAM). При
этом 64- QAM является обязательной, а 8-QAM, 32- QAM применяются
для регулировки скоростей.
Для устранения ошибок используется код Рида – Соломона в DOCSIS 1x
с длиной контрольного блока 10 байт, а в DOCSIS 2.0 16 байт (см.
раздел 4.9). DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги:
(Безопасность - DOCSIS 1.1 обеспечивает основные механизмы
безопасности,
которые
позволяют
индивидуальному
пользователю сохранять информационную безопасность в рамках
общего кабельной сети. Меры безопасности предоставляют ключи
шифрования, которые защищают информацию между оконечным
оборудованием CMTS и абонентским кабельным модемом. Также
добавляются механизмы охраны и фильтрации, чтобы смягчить
риск атак при рассылке широковещательных сообщений на
абонентских
кабельных
модемах
и
опознавать
зарегистрированных пользователей кабельной системы.
Соглашения об Уровне обслуживания – Это механизмы, которые
часто требуются деловым пользователям. Соглашение о качестве
обслуживания фиксирует коэффициент качества обслуживания и
гарантируют пользователю необходимую ширину полосы частот, а
также применение различных приоритетов между данными,
видео, или речевым приложениями. Соглашение может также
поддержать мультимедийные игры и видео услуги, конференцсвязь при асимметричной доставке.
Качественная междугородняя голосовая связь VoIP - это
способность поставлять междугородние VoIP услуги при наличии
перегрузки и гарантии качества обслуживания.
Групповая рассылка IP - групповая рассылка IP обеспечивает
поддержку в реальном масштабе времени потока видео IP.
В DOCSIS 2.0 для уменьшения числа ошибок применяется перемежение
- "интерливинг".
Для борьбы с искажениями при распространении применяются
выравниватели - эквалайзеры. При этом в DOCSIS 1x применяется 8-ми
179

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Представленные в таблице данные показывают, что режиме
временного доступа TDMA предлагается максимальная скорость от 0, 32
до 10, 24 мбит / с. При использовании кодового доступа максимальная
скорость возрастает от 2,56 до 30,72 Мбит/с.
Как мы знаем, режим TDMA предоставляет пользователям доступ в
определенных временных слотах, а режим CDMA в определенных
кодовых расширениях. Режим FDMA дает возможность формирования
каналов в соответствии с частотным диапазоном.
Стандарты кабельного модема появились в Европе в виде стандарта
Euro-DOCSIS , по существу повторяющего DOCSIS 1.0 и ссылающегося
на этот стандарт. Главное различие стандартом между DOCSIS, 1.0 и
Euro-DOCSIS - это то, что Европа использует полосы пропускания в
канал 8 МГЦ в противоположность Североамериканскому стандарту,
использующему 6 МГц.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности и эффективно
применяет последние достижения цифровой модуляции для увеличения
ширины полосы частот потока "пользователь сеть". Он повышает
пропускную способность три раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в
шесть раз по сравнению DOCSIS 1.0. Это стандарт позволяет достичь
двусторонней скорости передачи более 30 Мбит/c в обоих
направлениях.
Увеличение пропускной способности потока "пользователь сеть
(направление "вверх") долго было мечтой о кабельных системных
операторов (MSO). Большая пропускная способность потока
"пользователь сеть" (направление "вверх") делает возможным,
предоставление дополнительных услуг предприятиям и рынку мелкого
бизнеса. Требования для большой двусторонней производительности
нужны
для
организации
таких
приложений,
как
VoIP,
видеоконференция, одно-ранговой децентрализованной сети (per-toper) организацией сети, и игры.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов в
один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут
рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При этом
скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c для
EuroDOCSIS).
180

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

EuroDOCSIS).
Стандарт также указывает на возможность применения современной
системы шифрования AES. [40].
В нем определена групповая рассылка информации, поддержка
назначенного качества связи и другие службы.

Packet Cable
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных модемов.
Они разработаны по инициативе Лаборатории CableLabs. Цель этих
соглашений развить архитектуру сети для доставки двухсторонних
мультимедийных услуг в реальном масштабе времени из "конца в
конец", основанных на протоколах IP. Packet Cable использует
механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет ряда протоколов,
используемых за пределами кабельной сети, например, в Интернете или
телефонной сети общего пользования. Реальный масштаб времени
предполагает услуги: VoIP, поток видео, и групповые рассылки IP. Эти
функции
включают
обслуживание
абонентских
устройств,
сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение
взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку
биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое
другое.
Особое внимание уделяется в PacketCable услугам VoIP . В этих
стандартах центральное место занимает обеспечение "тройной услуги"
(triple play) - видео, данных, и речевого обслуживания. Несмотря на то,
что спецификация PacketCable multimedia разработана на базе PacketCable
1.x, для организации мультимедийных сетей не обязательно повторять
всю архитектуру, необходимую для передачи VoIP. Операторы могут
внедрить только телефонию или только мультимедиа, или же в одной
сети могут сосуществовать оба режима. PacketCable базируется на
основе систем кабельной сети DOCSIS 1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет
спецификаций. PacketCable позволяет создать законченные решения для
передачи трафика, который отправляется из кабельной сети или
принимается в ней. Его использование упрощает задачу предоставления
мультимедийных услуг через инфраструктуру, в состав которой входят
181

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Составляющие сети PacketCable
Часть компонентов сети PacketCable входит в состав базовой сети
DOCSIS 1.1. Другую часть составляют дополнительные компоненты,
позволяющие сформировать целостную инфраструктуру установки
соединений. Когда возможно, в PacketCable применяются уже
существующие протоколы.

Рис. 6.20. СетьPacketCable
Сеть включает следующие компоненты (рис. 6.19):
Кабельный модем стандарта DOCSIS 1.1/2.0. Эти стандарты
поддерживают QoS динамических потоков DQOS, необходимую
для работы Packet Cable.
CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0
Оконечный мультимедийный адаптер MTA multimedia terminal
adapter) — абонентское устройство, подключаемое к телефону или
другому оконечному устройству сети PacketCable. Спецификация
определяет два типа MTA — интегрированный с кабельным
модемом или отдельный. Последний подключается к кабельной
сети с помощью кабельного модема DOCSIS 1.1(2.0).
Сервер администрирования соединений CMS (Call Management
Server) — головной сервер, обеспечивающий формирование
сигнализации, позволяющей абонентским MTA устанавливать
связь между собой. CMS использует протокол NCS (Network-based
call signalling), который обеспечивает идентификацию и
авторизацию MTA, маршрутизацию потока и поддерживает
некоторые особые функции типа трехстороннего соединения. В
182

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

call signalling), который обеспечивает идентификацию и
авторизацию MTA, маршрутизацию потока и поддерживает
некоторые особые функции типа трехстороннего соединения. В
зависимости от размера и сложности, сеть Packet Cable может
включать несколько CMS серверов.
Шлюзовой контролер (GC- Gate Controller) — центральный сервер,
управляющий работой входных шлюзов сети PacketCable. Он
проверяет, имеет ли абонентский адаптер право на использование
требуемых сетевых ресурсов, после чего отдает CMTS команду
сформировать шлюзы для прохождения услуги. GC ответствен
также за координацию работы двух комплектов шлюзов
формируемых для установки. Шлюзовой контроллер может быть
реализован на том же сервере, что и сервер администрирования
соединений. Cеть PacketCable может включать несколько GC, но
определенным соединением всегда управляет только один сервер.
Сервер фиксации соединений (RKS — Record keeping server) —
сервер, предназначенный для сбора информации о соединениях и
расположенный между сетью Packet Cable и серверами обработки
информации о соединениях, в первую очередь биллинговым
сервером. Для сбора необходимой информации у CMTS и других
серверов PacketCable RKS использует протокол RADIUS (Remote
Authentication Dial-Up User Service). Архитектурные особенности
PacketCable могут быть отражены следующими свойствами:
Такое же или лучшее качество речи, чем в коммутируемой
телефонной сети общего пользования (PSTN)- путем применения
соответствующего
кодирования
высокого
качества,
и
одновременно уменьшение задержки и фазовых дрожаний.
Модель DQoS, обеспечивает резервирование пропускной полосы
в магистрали и обеих конечных точках только на время
соединения. По его окончании ресурсы сразу освобождаются для
других услуг.
PacketCable позволяет кабельным операторам предоставлять не
только передачу данных и мультимедийные услуги в реальном
масштабе времени, согласуя их передачу по всей задействованной
инфраструктуре. Эти услуги могут охватывать базовые функции
телефонии, включать ее расширенные возможности или
предусматривать широкий спектр мультимедийных услуг.
183

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

таких как мультимедийная электронная почта, чаты в реальном
времени, потоковые медиауслуги (включая музыку и видео) и
видеоконференции. PacketCable позволяет кабельным операторам
реализовать сетевую архитектуру для быстрой и экономичной
доставки этих услуг, сильно расширив функциональные
возможности своей сети.
В дополнение качеству речи, другое ключевое требование
обеспечение
для
потребителя
всех
функциональных
возможностей Коммутируемой Телефонной Сети Общего
Пользования (PSTN). Это также требует предоставления
надежности и избыточности сетевых компонентов, чтобы
получить коэффициент готовности сети не менее 0,99999.
Система сигнализации Сигнализации процесса установления
вызова -Packet Cable – должна быть такая, чтобы поддержать
установление вызовов между кабельной сетью и Коммутируемой
Телефонной Сетью Общего Пользования (PSTN) при местных,
междугородних и международных вызовах, должна обеспечивать
и дополнительные виды обслуживания, такие как, например,
ждущий вызов и запрос номера, вызывающего абонента.
Распределенное Качество обслуживания - PacketCable включает
стандарты распределения Качества обслуживания при обращении
к сети, приоритетных абонентов, для которых можно будет
изменять качество обслуживания в процессе обслуживания
вызова, например, службы спасения, справочные службы. Одной
из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable
является динамическое обеспечение требуемого качества услуг
(DQoS). Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому
DOCSIS 1.1, с тем исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет
использовать DQOS для авторизации и прохождения услуги в
кабельной сети, но не резервирует ресурсы для ее передачи по
всей инфраструктуре. Расширение действия DQOS на все каналы
прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с
требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному
использованию другими лицами.
Системы наблюдения и обслуживания – при связи с
Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN)
функциональные возможности включают системы, способные к
184

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Системы наблюдения и обслуживания – при связи с
Коммутируемой Телефонной Сети Общего Пользования (PSTN)
функциональные возможности включают системы, способные к
наблюдению и управлению потенциально миллионами Серверов
Управления Вызовом вызова абонентов (CMS - Call Management
Server),
Мультимедийными
Оконечными
согласующими
устройствами (адаптерами – MTA- Multimedia Terminal Adapter),
Управляющими устройствами шлюзов (MGC – Media Gateway
Controller), и приемо-передающими управляющими устройствами
(Signaling Controller) для связи с Коммутируемой Телефонной Сетью
Общего Пользования (PSTN). Для эффективной работы
PacketCable требуются операционные системы и управление
сетью такие как, например, - также ключ, так что множество
управляющих систем и систем учета нагрузки оплаты.
Безопасность и регулирующее наблюдение - эти меры требуются
такие же или более серьезные меры, чем для сети общего
пользования. Архитектура PacketCable позволяет реализовать
требования акта CALEA (Сommunucations Assistance for Law Act) о
предоставлении телекоммуникационных транспортных структур
для помощи правоохранительным организациям в проведении
розыскных работ, санкционированных судом.
PacketCable позволяет предоставлять им информацию двух типов:
Идентификационные сведения: сеть может предоставить
идентификационые сведения о входящих и исходящих
соединениях интересующей точки.
Содержание: сеть может предоставить сведения о содержании
информации, переданной во время соединения, иначе говоря,
полную запись разговора.
Так как сеть PacketCable работает поверх DOCSIS 1.1, на нее
распространяются все механизмы безопасности, предусмотренные
DOCSIS 1.1. Кроме того, спецификации PacketCable регламентируют
использование современного протокола шифровки AES (Advanced
Encryption Standard), который в конце 2001-го года был принят в США
качестве стандарта для защиты коммерческих услуг, предоставляемых в
частных сетях. Степень защиты информации, предусмотренная
спецификацией PacketCable, аналогична реализуемой в телефонных
185

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Притом что DOCSIS в гибридной сети и сети PacketCable
предоставляют многофункциональные услуги. Операторы кабельной
сети могут предложить услуги IP по стоимости меньшей, по сравнению
с общедоступной сетью PSTN, с добавлением новых услуг.
Пример оборудования CMTS - System CISCO uBR10012. Это серия
маршрутизаторов CMTS, которая поддерживает спецификации DOCSIS
1.1, Евро DOCSIS 1.1, и PacketCable 1.0. Полностью нагруженный, блок
содержит 12 слотов. Он рассчитан на поддержку свыше 44 000
пользователей. Он использует 8 плат линейного комплекта, с
резервными процессорами через два слота и резервной
синхронизацией платы управления тактовыми генераторами. Есть
четыре быстродействующих WAN порта для к сети IP и внешние
сетевые
подключения,
а
также
поддержка
динамической
транспортировке пакетов OC 48 соединений потока "пользователь
сеть". Две из этих систем вписываются в Telco семифутовую стойку.
Основной офис концентратора мог бы иметь один или более CMTS в
зависимости от намерений оператора.
Packet Cable использует механизмы DOCSIS 1.1, но расширяет их за счет
ряда протоколов, используемых за пределами кабельной сети,
например, в Интернете или телефонной сети общего пользования.
[Спецификации Packet Cable и её задачи в сетях DOCSIS 1]
На сегодняшний день выпущено 4 комплекта спецификаций PacketCable
— 1.0, 1.1, 1.2 и PacketCable multimedia.
Спецификации PacketCable 1.х охватывают практически все аспекты
доставки услуг бытовой телефонии с использованием техники VoIP. Эти
функции
включают
обслуживание
абонентских
устройств,
сигнализацию, администрирование телефонных потоков, обеспечение
взаимодействия с телефонной сетью общего пользования, поддержку
биллинга, услуг передачи сообщений, безопасности, QoS и многое
другое.
Платформа PacketCable multimedia расширяет базовые возможности
PacketCable 1.X для предоставления более широкого спектра IP-услуг, от
видео по требованию и интерактивных игр до дистанционного
управления и телеметрии.
186

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

PacketCable 1.X для предоставления более широкого спектра IP-услуг, от
видео по требованию и интерактивных игр до дистанционного
управления и телеметрии.
Несмотря на то, что спецификация PacketCable multimedia разработана на
базе PacketCable 1.x, для организации мультимедийных сетей не
обязательно повторять всю архитектуру, необходимую для передачи
VoIP. Операторы могут внедрить только телефонию или только
мультимедиа, или же в одной сети могут сосуществовать оба режима.
Таким образом, пакет спецификаций PacketCable позволяет создать
законченные решения для передачи трафика, который отправляется из
кабельной сети или принимается в ней. Его использование упрощает
задачу предоставления мультимедийных услуг через инфраструктуру, в
состав которой входят разноплановые сети.
Динамическое обеспечение качества услуг
Одной из важнейших функциональных особенностей сети PacketCable
является динамическое обеспечение требуемого качества услуг (DQoS).
Эта функция аналогична DQoS, поддерживаемому DOCSIS 1.1, с тем
исключением, что DOCSIS 1.1 позволяет использовать DQOS для
авторизации и прохождения услуги в кабельной сети, но не резервирует
ресурсы для ее передачи по всей инфраструктуре.
Расширение действия DQoS на все каналы прохождения услуги
позволяет гарантировать доставку услуги с требуемым качеством и
препятствует ее несанкционированному использованию другими
лицами.
Резервирование ресурсов в рамках PacketCable 1.X может быть
реализовано только в сети с DOCSIS с версией не ниже 1.1. В качестве
опции для MTA, не интегрированных с модемами, может
использоваться протокол RSVP (Resource Reservation Protocol).
Двухэтапная процедура резервирования ресурсов
Модель

DQOS,

регламентируемая
187

PacketCable,

предусматривает

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

сторон.

Краткие итоги
Локальная сеть Ethernet — наиболее широко используемый
протокол локальной вычислительной сети.
Традиционная Локальная сеть Ethernet использует CSMA/CD
(множественный доступ с опросом несущей и разрешением
конфликтов) со скоростью данных 10 Mbps и доменом конфликта
2500 метров.
Каждая станция имеет равное право на среду (коллективный
доступ): если в среде нет данных, станция может начать передачу
данных; если две станции, следящие за средой, находят, что она не
занята, и начинают посылать данные, возникает конфликт,
называемый коллизией.
Уровень звена передачи данных Локальной сети Ethernet состоит
из подуровня LLC (управления логической связью) и подуровня
MAC (управления средой доступа).
Подуровень управления средой доступа несет ответственность за
работу CSMA/CD (множественного доступа с опросом несущей и
разрешением конфликтов).
Подключающие устройства могут соединять вместе сегменты
сети; они могут также соединять вместе сети, чтобы создать
Internet.
Есть пять типов подключающих устройств: ретрансляторы,
концентраторы, мосты, маршрутизаторы и коммутаторы.
Ретрансляторы восстанавливают сигнал на физическом уровне.
Концентратор — многовходовой ретранслятор.
Мосты имеют доступ к станционной адресации и могут
отправлять или фильтровать сетевые пакеты. Они работают на
физическом уровне и уровне линии звена передачи данных.
Маршрутизаторы определяют путь, который должен пройти пакет.
Они работают на физическом уровне и уровне линии звена
передачи данных.
Коммутатор уровня два — сложный мост; коммутатор уровня три
- сложный маршрутизатор.
Каждая станция на Ethernet имеет уникальный адрес на 48 битов,
закрепленный на её интерфейсной сетевой карте (NIC).
188

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Коммутатор уровня два — сложный мост; коммутатор уровня три
- сложный маршрутизатор.
Каждая станция на Ethernet имеет уникальный адрес на 48 битов,
закрепленный на её интерфейсной сетевой карте (NIC).
Обычная реализация 10-Mbps Ethernet — 10BASE5, 10BASE2,
10BASE-T и 10BASE-FL.
Быстрый Ethernet — CSMA/CD со скоростью передачи данных 100
Mbps и области разрешения конфликтов 250 метров.
Обычная реализация быстрой Локальной сети Ethernet —
100BASETX, 100BASE-FX и 100BASE-T4.
Локальная гигабитная сеть Ethernet имеет скорость передачи
данных 1000 Mbps. Обычная реализация — 1000BASE-SX,
1000BASE-LX, и 1000BASE-T.
Сеть Ethernet первой мили обеспечивает связь для абонентского
доступа по медным проводам (EFM-C) -на короткие и большие
расстояния, по оптическому волокну в режиме "точка – точка" и
"от точки ко многим точкам".
Для широкополосной связи на абонентском участке применяются
кабельные сети. Они строятся на основе коаксиальных и/или
оптических кабелей. Широкополосные передача по кабелю
данных и предложение сервисов были следующими после
телевидения приложениями кабельных сетей на абонентском
участке.
Кабельное телевидение есть сеть вещания, которая распределяет
программы по потребителям.
Для управления информацией по кабелю и расширения диапазона
на концах передачи и приема систем устанавливают (рис. 3.1)
кабельные модемы (CMTS –Cable Termination CTMS).
Абонентская сеть с установкой системы кабельных модемов при
соединении "вниз" такая сеть работает как обычная вещательная
сеть кабельного телевидения.
При частотном разделении предусматривается и выделение
обратных каналов (каналы "вверх"), которые переносят
управляющую информацию от абонента в сеть Интернет –
поставщика услуги.
Данные потока "пользователь-сеть" (вверх), в настоящее время для
уменьшенных требований ширины полосы частот, помещены в
окно 2 МГц, частотной полосе на 5 - 42 МГц.
Связь абонентов кабельной сети с системой кабельных модемов
189

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

кабельная сеть, предназначенная для передачи данных и речи.
Кабельные операторы могут применяющие DOCSIS, сопрягаются
с опто коаксиальными сетями на основе стандартов HFC на
основе центров. При этом мультиоператоры могут отделить себя
от поставщиков телесвязи, и могут эффективно конкурировать с
телефонными компаниями или поставщиками спутникового
телевидения.
DOCSIS 1.1 включает в себя следующие услуги: безопасность,
соглашения
об
Уровне
обслуживания,
качественная
междугородняя голосовая связь VoIP , групповая рассылка IP.
DOCSIS 2.0 основывается на DOCSIS, 1.1 способности,
эффективно применяет последние достижения цифровой
модуляции для увеличения ширины полосы частот потока
"пользователь сеть". Он повышает пропускную способность три
раза по сравнению с DOCSIS 1.1 и в шесть раз по сравнению
DOCSIS 1.0.
DOCSIS 3.0. позволяет "связывать" несколько физических каналов
в один логический. Пакеты, принадлежащие одной службе могут
рассылаться по всем объединенным физическим каналам.. При
этом скорость передачи возрастает до 120 Мбит/с (или 160 мбит/c
для EuroDOCSIS).
PacketCable – совокупность стандартов для сетей кабельных
модемов. Они разработаны по инициативе Лаборатории
CableLabs. Цель этих соглашений развить архитектуру сети для
доставки двухсторонних мультимедийных услуг в реальном
масштабе времени из "конца в конец", основанных на протоколах
IP.
PacketCable базируется на основе систем кабельной сети DOCSIS
1 .1-и для DOCSIS 2.0. пакет спецификаций. PacketCable
позволяет создать законченные решения для передачи трафика,
который отправляется из кабельной сети или принимается в ней.
Сеть включает следующие компоненты: кабельный модем
стандарта DOCSIS 1.1/2.0, CMTS стандарта DOCSIS 1.1/2.0,
оконечный мультимедийный адаптер, сервер администрирования
соединений, шлюзовой контролер, сервер фиксации соединений.
Одной из важнейших функциональных особенностей сети
PacketCable является динамическое обеспечение требуемого
качества услуг (DQoS). действия DQOS на все каналы
прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с
190

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Одной из важнейших функциональных особенностей сети
PacketCable является динамическое обеспечение требуемого
качества услуг (DQoS). действия DQOS на все каналы
прохождения услуги позволяет гарантировать доставку услуги с
требуемым качеством и препятствует ее несанкционированному
использованию другими лицами.

Задачи и упражнения
1. Что такое коллизия?
2. Предположим, что поступает большая нагрузка (трафик) на
локальную сеть, использующую множественный доступ с
контролем несущей и обнаружением коллизий, и кольцевую
локальную сеть (Token Ring). В какой системе будет большая
вероятность долгого времени передачи кадра? Почему?
3. Почему кадр в локальной сети Ethernet должен иметь
минимальный размер?
4. Предположим, что длина кабеля в системе 10BASE5 2500 м. Если
скорость распространения в тонком коаксиальном кабеле 200 000
км/с, какое время требуется для того, чтобы один бит переместился
от начала сети к концу? Любые задержки в оборудовании не
учитываются.
5. Используйте данные упражнения 4, чтобы найти максимальное
время для обнаружения коллизии (конфликта) в наихудшем случае.
Это случай, когда данные посылаются с одного конца кабеля, а
коллизия происходит на другом конце. Помните, что сигналу надо
пройти туда и обратно.
6. Скорость передачи данных 10BASE5 — 10 Мбит/с. Сколько
времени понадобится, чтобы передать наименьший кадр?
Подтвердите это расчетом.
7. Используйте данные упражнений 5 и 6, чтобы найти
минимальный размер кадра Ethernet для номинальной работы при
обнаружении коллизий.
8. Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает
42 байта от подуровня управления логическим каналом (LLC).
Сколько байт заполнения должно быть добавлено к данным?
9. Подуровень управления доступа к среде (MAC) Ethernet получает
1510 байт от подуровня логического управления линией (LLC).
191

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

1)

Принцип, используемый в настоящее время для многих
компонентов, когда программное обеспечение распознает вновь
подключаемое оборудование и само включает его в работу или дает
простые указания для подключения человеку
2)
инверсная технология через ATM технология передачи одного
логического канала по нескольким физическим ATM

192

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Многостанционный доступ с кодовым разделением и
сети CDMA
Лекция посвящена принципам построения и архитектуре мобильной
системы CDMA, использующей многостанционный доступ с кодовым
разделением.

Многостанционный доступ с кодовым разделением
Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA - Code
Division Multiple Access) - технология, отличающаяся от доступа с
частотным разделением и доступа с временным разделением [31], [46],
[76]. Она не использует для разделения каналов ни частоты, ни
времени. Хотя по многим признакам она напоминает частотный доступ
(см. рис. 7.1).

Рис. 7.1.
Упрощенная структурная схема системы с кодовым
разделением каналов.
Каждый входной цифровой сигнал складывается ("модулируется") с
отдельной "несущей", в качестве которой выступает псевдослучайная
последовательность (ПСП). ПСП передается со скоростью большей, чем
скорость исходного сигнала. После чего полученные сигналы
193

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

объединяются в единый поток. При этом полоса частот, используемая в
радиоканале гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс
получил название расширение спектра (Spreading Specter) [89]
псевдослучайные последовательности выбираются таким образом,
чтобы на приемном конце их можно было разделить (отфильтровать) и
отделить сигнал от своей псевдослучайной последовательности
("несущей"). Передача в единого объединенного потока осуществляется
в одной полосе частот, с помощью одного из видов фазовой
манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют
разделения полосы частот на отдельные каналы, что в свою очередь
облегчает процесс хэндовера (переход из одной соты в другую).
Псевдослучайные последовательности должны
корреляцию, т.е. быть взаимонезависимы.

иметь

нулевую

Существует два способа множественного (многостанционного) доступа
с кодовым разделением каналов (CDMA):
ортогональный многостанционный доступ;
не ортогональный многостанционный доступ или Асинхронный
много станционный доступ с кодовым разделением каналов.

Функции Уолша
Для первого способа разделения применяются ортогональные функции
Уолша [89], [91] и функции, получаемые на их базе. Это набор
ортогональных последовательностей длиной
, в которых
используются только два значения
и
.
Функции являются цифровыми "аналогами синусоид" при кодировании
обычно символ
заменяется , а
на .
Рассмотрим систему двоичных чисел от
), которые приведены в табл.7.1 .

до

(числа от

до

Она представляет собой функцию, содержащую четыре переменных (
).
Таблица 7.1.

194

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Таблица 7.1.
Двоичные числа
№
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
0 1 0 1 5
0 1 1 0 6
0 1 1 1 7
1 0 0 0 8
1 0 0 1 9
1 0 1 0 10
1 0 1 1 11
1 1 0 0 12
1
1
1

1
1
1

0
1
1

1
0
1

13
14
15

Если предположить, что каждый разряд этих чисел поступает согласно
десятичному номеру в таблице, то это можно изобразить следующими
диаграммами (рис. 7.2), которые представляют периодические функции
подобные синусу (инверсные переменные подобны косинусу).

195

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.2. Базисные периодические функции Уолша
На основе этих функций могут быть получены любые другие функции
Уолша на конечном отрезке от

до

Вторая трактовка функций Уолша – это диаграмма коэффициентов при
отображении двоичных чисел в двоичную систему. Известно, что для
перехода от двоичных чисел к их десятичным эквивалентам
применяются весовые коэффициенты, сумма которых дает
соответствующее число.

где
– число разрядов двоичного числа;
значение k-ого разряда двоичного числа.
196

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

В этом случае каждая диаграмма на рис.3.2 указывает моменты
появления чисел, в которые входит заданный числовой коэффициент.
Например,
весовой
коэффициент
входит
в
числа
. Этот ряд чисел отображается периодической
функцией Уолша, обозначенной на рис.2.2 как диаграмма переменной
.

Корреляция и ортогональные функции Уолша
Как было сказано выше для объединения нескольких каналов при
кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды
были, разделимы с помощью корреляционного фильтра. Для этого они
должны достаточно различаться. Степень подобия (похожести) функций
в математике отображается с помощью корреляции. Различаются
взаимная корреляция - сравнение двух функций, ортогональная
корреляция - при полной независимости двух функций и
автокорреляция - сравнение функции с собой при сдвиге во времени.
1. Взаимная корреляция (cross correlation) для двух периодических
функций с периодом
измеряет подобие двух сигналов
сдвинутых во времени и определяется формулой

2. Ортогональная корреляция – это частный случай взаимной
корреляции, когда эта функция равна нулю. Эти сигналы могут
передаваться одновременно, поскольку они не создают взаимных
помех.

3. Автокорреляция – периодического сигнала определяет подобие
данной функции с ее же версией сдвинутой во времени и
определяется следующей формулой
197

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Для дискретных функций интегрирование можно заменить
суммированием. В системах многостанционного доступа с кодовым
разделением каналов применяются ортогональные функции Уолша.
Одним из необходимых, (но не достаточных) свойств такого кода
является его сбалансированность, т.е. одинаковое число нулей и
единиц.
Ниже ( таблица 7.2)показаны ортогональные функции Уолша длины
[2], [20], [46].
Заметим, что при кодировании обычно символ
на
.

заменяется

,а

Таблица 7.2. Функции Уолша

В обозначении
– первая цифра, обозначает длину
последовательности, вторая равна
, где
– число интервалов
функции (изменений полярности). На рис. 7.3 приведены диаграммы
соответствующие этим последовательностям.

198

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.3. Диаграммы ортогональных функций Уолша.
Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы, с
использованием итерационного процесса построения матрицы
Адамара [20]. Начиная с

. Матрица Адамара сформирована:

Коды Уолша - Адамара длины 2 и 4 будут получены соответственно:

199

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Полученная матрица с точностью до порядка следования совпадает с
ортогональными функциями, приведенными в табл. 7.2. Для того чтобы
облегчить сравнение, справа от матрицы приведены номера функций
по табл. 7.2. и диаграмме рис. 7.3 .
Рассмотрим пример вычисления ортогональности полученных
функций, Посмотрим взаимную корреляцию (без сдвига) функций
и

.

Согласно полученному результату эти две функции ортогональны.
Однако ортогональные функции Уолша имеют недостатки. Система
должна быть синхронизирована. При сдвиге синхронизации функции
корреляция увеличивается.
Для сдвинутых по времени и не синхронизированных сигналов,
взаимная корреляция может быть, не равна нулю. Они могут
интерферировать друг с другом. Вот почему, кодирование с помощью
функций Уолша может только использоваться при синхронном CDMA.
200

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Неортогональные псевдослучайные функции
Неортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть
сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры (сложение
по модулю 2) и контуры обратной связи. рис. 7.4иллюстрирует такой
принцип.

Рис. 7.4. Генератор последовательности максимальной длины (m последовательности)
Максимальная длина последовательности определяется длиной
регистра и конфигурацией цепи обратной связи (на рис. 7.4 цепи
обратной связи обозначены
). Регистр длиной
битов может
порождать свыше
различных комбинации нулей и единиц. Так как
цепь обратной связи выполняет линейные операции, то если все
201

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

регистры будут иметь нулевое значение, то выход цепи обратной связи
также будет нулевой. Поэтому, если установить все разряды на нуль то
цепь обратной связи будет всегда давать нулевой выход для всех
последующих тактовых циклов, так что необходимо исключить эту
комбинацию из возможных последовательностей. Таким образом,
максимальная длина любой последовательности равна
.
Генерируемые последовательности называются последовательностями
максимальной длины или m - последовательностями. Основное
свойство таких последовательностей та, что автокорреляционная
функция m - п оследовательности имеет пик при нулевом сдвиге и
малый уровень боковых выбросов в остальных случаях. Это позволяет
более четко выделять каналы. Конфигурации обратной связи для mпоследовательности сведены в таблицу в [21].
Последовательности, порождаемые регистрами сдвига, имеют еще
много вариантов. В частности известны последовательности Голда,
порождаемые совокупностью двух регистров. Последовательности
Касами, порождаемые тремя регистрами и т.д. [21].

Ортогональное расширение с использованием функций
Уолша
Рассмотрим систему трех каналов, которая использует три
ортогональных расширяющих последовательности, использующие
ортогональные функции Уолша:

Предположим, что нам надо передать следующую информацию:

202

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Комбинация расширяющей последовательности с информацией канала
получается умножением всех разрядов последовательности на значение
информационного бита. На рис. 7.5 показано получение такой
последовательности для каждого из каналов. Это является аналогом
частотной модуляции каналов.

Рис. 7.5. Преобразование исходной информации для трех каналов с
помощью ортогональных последовательностей Уолша
Теперь результаты расширения спектров каждого из каналов
объединяются (суммируются), как это показано на рис. 7.6 и в табл. 7.3

203

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.6. Пример ортогонального кодирования для каналообразования
Таблица 7.3. Пример ортогонального кодирования для
каналообразования
Последовательности
Исходная
Каналы
расширенного
информация
спектра
Канал
1
Канал
2
Канал3
На рис.7.7 и в табл.7.4 показан пример восстановления
первоначального сигнала с использованием ортогональных функций
для канала 2.
204

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.7.
Пример восстановления первоначального сигнала с
использованием ортогональных функций.
Таблица 7.4. Пример восстановления первоначального сигнала с
использованием ортогональных функций
Суммарный сигнал
Последовательность
канала 2
Выход коррелятора
Выход интегратора
Двоичный выход
Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного
сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей
последовательности канала 2. После чего полученные результаты
суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый
205

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

интегральный сигнал дает максимальное значение равное либо
,
либо
. В зависимости от этого исходный символ будет
соответственно
или
. Аналогично могут быть получены
значения исходной последовательности в канале1 и 3. Если попытаться
восстановить
сигнал
с
использованием
ортогональной
последовательности не входящей в суммарный сигнал, то получается
ноль для каждого периода интеграции.
Таблица 7.5. Пример восстановления первоначального сигнала с
использованием ортогональных функций для последовательности (
)
Суммарный сигнал
Последовательность
канала 3
Выход коррелятора
Выход интегратора
Двоичный выход
В заключение этого раздела приведем некоторые определения, которые
применяются в системах CDMA
Длительность тактового интервала одного бита расширяющего сигнала
называются чипами. Интервал
представляет период одного
информационного разряда, и
представляет период одного чипа (см.
рис.7.6). Чиповая скорость(chip rate)
, часто используется,
чтобы характеризовать систему передачи с широким спектром и обычно
измеряется в Мчип/c.
База сигнала (processing gain-PG) или иногда называемая коэффициент
расширения спектра (spreading factor- SF)определяется как отношение
чиповой скорости (

) к скорости передачи информации (

).

Это равенство представляет число чипов, содержащихся в одном
206

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

информационном разряде. Чем выше значение базы сигнала (
), тем
больше расширение. Высокий
также означает что, больше кодов
может быть распределено на том же самом частотном канале.

Сети на основе CDMA
Общие положения
Сети и устройства, основанные на применении многостанционного
доступа с кодовым разделением каналов, построены на основе
стандартов разработанных Ассоциацией производителей средств связи
(TIA -Telecommunication Industry Association). В основном – это стандарты
[71], [72], [73], [74]:
IS-95 CDMA-радиоинтерфейс
IS-96 CDMA-речевые службы
IS-97 CDMA-подвижная станция
IS-98 CDMA-базовая станция
IS-99 CDMA-службы передачи данных
На базе серии стандартов реализована станция 2-ого поколения cdma
One. В дальнейшем эти идеи получили развитие в стандарте
широкополосной системы 3-его поколения CDMA2000 [50], [58], [59].

Основные услуги
передача данных и речи со скоростями 9,6 кбит/с, 4,8 кбит/с, 2,4
кбит/с
междугородний вызов.
роуминг (национальный и международный).
ждущий вызов.
переадресация вызова (при отсутствии ответа, в случае занятости)
конференц-связь.
индикатор сообщений о ждущих вызовах.
речевая почта.
текстовая передача и прием сообщений.
207

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Архитектура сети
На рис. 7.8 приведена обобщенная структурная схема сети сотовой
подвижной радиосвязи CDMA IS-95.

Рис. 7.8. Архитектура сети CDMA
BSC – Base Station Controller
Контроллер базовой станции
BTS – Base Telephone Station
Базовая приемопередающая станция
DB – Date Base
База данных
ISDN – Integrated Service Digital
Цифровая сеть с интеграцией служб
Network
MS – Mobile Station
Мобильная станция
MSC – Mobile Switching Center Центр коммутации мобильной связи
OMC- Operation and
Центр эксплуатации и технического
Maintenance Center
обслуживания
PDN – Packet Data Networks
Сеть пакетной коммутации
PSTN –Public Switched Telephone
общедоступная телефонная сеть
Network
208

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

SU – Selector Unit
TCE- Transcoder Equipment

Устройство оценки качества и выбора
блоков
Преобразователь - транскодер

Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу
совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным
разделением каналов . Основное отличие заключается в том, что в
состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и
выбора блоков (SU – Selector Unit). Кроме того, для реализации
процедуры мягкого переключения между базовыми станциями,
управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии
передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover). В центре
коммутации подвижных объектов (MSC) добавлен преобразователь –
транскодер (TCE - Transcoder Equipment), который преобразует выборки
речевого сигнала, формат данных из одного цифрового формата в
другой.

Каналы трафика и управления.
В CDMA каналы для передачи от мобильной станции к базовой
станции называются прямыми (Forward). Каналы для приема базовой
станцией информации от мобильной называются обратными (Reverse)
[13], [23], [41]. Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от
824 до 849 МГц. Для прямого канала —869–894 МГц. Прямой и
обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские
данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью
1,2288 Мчип/с. Нагрузочная способность прямого канала — 128
телефонных соединений со скоростью трафика 9,6 кбит/c. Состав
каналов в CDMA в стандарте IS-95 показан на рис. 7.9. В IS-95
используются различные типы модуляции для прямого и обратного
каналов. В прямом канале базовая станция передаёт одновременно
данные для всех пользователей, находящихся в соте, используя для
разделения каналов различные коды для каждого пользователя. Также
передается пилотный сигнал, он имеет больший уровень мощности,
обеспечивая пользователям возможность синхронизировать частоты. В
обратном направлении подвижные станции отвечают асинхронно (без
использования пилотного сигнала), при этом уровень мощности,
209

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

приходящий к базовой станции от каждой подвижной станции,
одинаков. Такой режим возможен благодаря контролю мощности и
управлению мощностью подвижных станций по служебному каналу.
Прямые каналы
Данные в прямом канале трафика группируются в кадр длительностью
20 мс. Пользовательские данные после предварительного кодирования
и форматирования перемежаются с целью регулирования текущей
скорости передачи данных, которая может изменяться. Затем спектр
сигнала расширяется перемножением с одной из 64 псевдослучайных
последовательностей (на основе функций Уолша) до значения 1,2288
Мбит/с. Каждому мобильному абоненту назначается фрагмент ПСП, с
помощью которого его данные будут отделены от данных других
абонентов. Ортогональность фрагментов ПСП обеспечивается
одновременной синхронной кодировкой всех каналов в соте (т.е.
используемые в каждый момент времени фрагменты являются
ортогональными). Как уже упоминалось, в системе передается
пилотный сигнал (код) для того, чтобы мобильный терминал мог
управлять характеристиками канала, принимать временные метки,
обеспечивая фазовую синхронизацию для когерентного детектирования.
Для глобальной синхронизации сети в системе используются ещё р
адио метки от GPS(Global Position Satellite)-спутников.
Состав прямых каналов
Пилотный Канал (Pilot Channel)– предназначен для установления
начальной синхронизации, контроля уровня сигнала базовой станции,
по времени, частоте и фазе, идентификации базовой станции.
Канал синхронизации (SCH -Synchronizing Channel) обеспечивает,
поддержание уровня излучения пилотного сигнала, а также фазу
псевдослучайной последовательности базовой станции. Канал
синхронизации передаёт синхросигналы мобильным терминалам со
скоростью 1200 бод.
Широковещательный канал коротких сообщений, канал вызова (Paging
210

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Channel) - используется для вызова подвижной станции. Количество
каналов: до 7 на соту. После приема сигнала вызова мобильная станция
передает сигнал подтверждения на базовую станцию. После приема
сигнала вызова мобильная станция передает сигнал подтверждения на
базовую станцию. После этого по каналу широковещательного вызова
на подвижную станцию передается информация об установлении
соединения и назначении канала связи. Работает со скоростью 9600,
4800, 2400 бод.

Рис. 7.9. Каналы трафика и управления системы CDMA
211

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Канал прямого трафика (FTCH -Forward Traffic Channel) - предназначен
для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей
информации с базовой станции на мобильную, передаёт любые
пользовательские данные.
Для предоставления разных услуг связи в CDMA используются два типа
каналов. Первый из них называется основным, а второй дополнительным. Услуги, предоставляемые через эту пару каналов,
зависят от схемы организации связи. Каналы могут быть адаптированы
для определенного вида обслуживания, и работать с разными
размерами кадра, используя любое значение скорости из двух
скоростных рядов: RS-1 (1200, 2400, 4800 и 9600 бит/с) или RS-2 (1800,
3600, 7200 и 14400 бит/с). Определение и выбор скорости приема
осуществляется автоматически.

Рис. 7.10. Структура прямых каналов
Каждому логическому каналу назначается свой код Уолша, как это
указано на рис.7.10 . Всего в одном физическом канале может быть 64
логических каналов, т.к. последовательностей Уолша, которым в
соответствие ставятся логические каналы, всего 64, каждая из которых
имеет длину по 64 бита. Из всех 64 каналов:
212

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

на 1-й канал назначается первый код Уолша (
) которому
соответствует пилотный канал;
на следующий канал назначается тридцать второй код Уолша (
), следующим семи каналам так же назначаются свои
последовательности Уолша (
),
которым соответствуют каналы вызова,
55 каналов предназначены для передачи данных по каналу
прямого трафика.
Состав обратных каналов
Канал доступа (ACH-Access Channel) - обеспечивает связь
подвижной станции с базовой станцией, когда подвижная
станция еще не использует канал трафика. Канал доступа
используется для установления вызовов и ответов на сообщения,
передаваемые по каналу вызова (Paging Channel), команды и
запросы на регистрацию в сети. Каналы доступа совмещаются
(объединяются) с каналами вызова.
Канал обратного трафика (RTCH-Reverse Traffic Channel)обеспечивает передачу речевых сообщений и управляющей
информации с мобильной станции на базовую станцию.

Кодирование
Кодирование в прямом канале
Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с
помощью кодов Уолша [13], [91]. Это повышает скорость
информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

213

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.11. Структурная схема формирования сигнала передатчиком
базовой станции
Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком
базовой станции формирования сигнала передатчиком базовой станции
(рис. 7.11).
В прямом и
обратном канале эта схема повторяется.
Последовательность функционирования соответствует цифрам на
рисунке.
1. Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по
каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным
предсказанием и кодовым возбуждением (CELP –Code Excited
Linear Prediction) [51]. Базовая скорость передачи данных в канале
214

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением
дополнительных корректирующих двоичных символов к
цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого
типа вокодеров от 4 до 16 кбит/с).
2. Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для
реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без
повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется
(convolution encoding) сверточное кодирование/. На передающей
стороне используется кодирование с характеристиками - длина
кодового ограничения
, скорость кодирования
.Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты
длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его
выходе число битов удваивается (
) и при входной
скорости 9,6 кбит/с выходная скорость равна 19,6 кбит/с (384 бита
в 20мс).
3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала,
предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки
ошибок - искажение нескольких бит информации подряд. Данные
перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20
мс, это делается для того, чтобы равномерно распределить в
потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно,
что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В
то же время, схема прямой коррекции ошибок работает
наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во
времени. Это происходит после осуществления на приемной
стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.
Принцип перемежения в данном случае следующий. Процесс
перемежения битов осуществляется в пределах каждого блока
длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2
кбит/c 384 бита. Поток данных записывается в матрицу (24 строки
16) по строкам. Как только матрица заполнена, начинается
передача информации по столбцам со скоростью записи. Сл
едовательно, когда в эфире искажаются, подряд несколько битов
информации, при приеме пачка ошибок, пройдя через обратную
матрицу, преобразуется в одиночные ошибки.
4. Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания),
на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность)
длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При
215

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно
декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора
всевозможных значений не эффективен т.к. при генерации этой
маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать
8,7 триллиона масок длиной 42 бита. Для шифрования
применяется скремблирование информационной цифровой
последовательности. Для этого производится суммирование по
модулю 2 с другой цифровой последовательностью, формируемой
с помощью длинного кода с периодом
символов при
скорости 1,2288 Мчипа /с. (длительность чипа 813,8 нс). Маска
формируется генератором псевдослучайной последовательности.
5. После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью
длинного кода и логической операции "исключающее ИЛИ"
(сложение по модулю два). Как говорилось, длинными кодами
(кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть
получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки
заданной
длины.
Максимальная
длина
двоичной
последовательности, которая может быть получена с помощью
генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна
двоичных символов, где
— число разрядов регистра
сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в
результате нескольких последовательных логических операций с
псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой
в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига
применяется во всех базовых станциях этого стандарта для
обеспечения режима синхронизации всей сети. Так как
информационный поток имеет скорость 19,2 Кбит/с, то в прямом
канале с тактовой частотой 1,2288 Мчип/с используется только
каждый 64-й символ длинного кода. Поскольку все пользователи
получают объединенный сигнал, то для выделения информации
необходимо передавать опорный сигнал (по пилотному каналу). В
этом канале передается нулевой информационный сигнал. Код
Уолша для пилотного канала формируется из нулевого ряда
матрицы Уолша. В пилотном канале передается мощный сигнал,
который содержит только короткий код. Обычно на нем излучается
около 20%, общей мощности. Опорный сигнал необходим для
последующей фазовой демодуляции. Короткий код позволяет
многократно использовать в каждой ячейке один и тот же набор
216

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

кодов Уолша. Каждая базовая станция имеет свой временной
сдвиг при формировании кода и поэтому может быть однозначно
определена в сети. Основано это на свойстве псевдослучайных
двоичных кодов: значение автокорреляционного момента
приближается к нулю для всех временных смещений более одной
битовой длины.
6. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение
спектра частот, т.е. каждый бит информации кодируется
последовательностью, построенной по функции Уолша,
генерируемых со скоростью 1,2288 М чип/с. Канальная скорость
потока данных (19,2 кбит/с) увеличивается в 64 раза.
Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции
сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот.
Принцип преобразования сообщения — кодирование с помощью
кодов Уолша уже рассматривался выше. Один ряд матрицы Уолша
ставится в соответствие каналу связи между абонентом и базовой
станцией. Если на входе кодера "0", то посылается
соответствующий ряд матрицы (кода Уолша), если "1" —
посылается
последовательность,
сформированная
путем
логического отрицания соответствующего ряда матрицы (кода
Уолша). Соответственно расширяется и спектр сигнала. Так же
функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от
других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту
назначается частота, на которой он будет работать и один (из 64
возможных) логический канал, который определяет функция
Уолша.
7. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между
синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами), для
последующей передачи с использованием квадратурной фазовой
манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов
преобразуется с помощью короткого кода и логической операции
"исключающее ИЛИ". Короткий код представляет собой
псевдослучайную
двоичную
последовательность
длиной
двоичных символов, генерируемую со скоростью
1,2288 Мчип/с. Эта последовательность является общей для всех
базовых и подвижных станций в сети. Короткий код формируется
в 15-разрядном регистре сдвига с линейной обратной связью. Он
формируется на базе двух порождающих полиномов
217

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Блок перемножения сигнала на две функции их называют ПСП 1
– ПСП2, предназначен для перемешивания сигнала блока
модуляции. Скорость следования символов 1,2288 Мчип/с. Период
последовательности
из
32
768
чипов
составляет
.
Все
абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару
псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для
различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом
относительно последовательности с пeременным сдвигом
относительно нулевой последовательности. Всего на длине 32 768
чипов приняты 511 сдвигов на 64 чипа каждый относительно
последовательности с нулевым сдвигом. Это позволяет
идентифицировать 512 сот (секторов). Заметим, что
использование псевдопоследовательностей при модуляции
позволило развить новые технологии на основе CDMA [22]. Это многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой
частоты (FH – CDMA -Frequency Hopping – CDMA) и
многостанционный и псевдослучайной перестройкой по времени
(TH – CDMA - Time Hopping CDMA). Принципы работы этих
технологий изложены в [21].
8. Блок модуляции сигнала - в стандарте CDMA используется
квадратурная
фазовая
манипуляция
ФМ4,
ОФМ4.
Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через
цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой, что
позволяет ограничить полосу излучаемого сигнала. Частота среза
фильтра составляет около 615 кГц. Полученные аналоговые
сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора.
Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора
устанавливают фильтр, который формирует специальный вид
сигнала "приподнятый косинус".
Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции
показана на рис. 7.12 . Она содержит устройства осуществляющие
действия обратные по отношению схеме формирования сигнала
218

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

передатчиком базовой станции

Кодирование в обратном канале
В обратном канале использован другой алгоритм формирования
спектра, поскольку сигналы от удалённых терминалов достигают
базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также
сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

Рис. 7.12. Структурная схема приема прямого канала на мобильной
станции
Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от
219

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

мобильной станции к базовой) аналогична, показанной на рис. 7.12 .
Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется
сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость
передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с и перемежение
в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения
выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом.
Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64
кодов Уолша, порядковый номер этого кода соответствует двоичному
числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый
абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции
скорость потока данных повышается до 307,2 Кбит/с ((28,8/6)\times
64=307,2) .
Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного
коду, используемому базовой станцией. На этом этапе происходит
разделение пользователей.
Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее
увеличения применяется регулирование мощности в обратном канале,
методы пространственного разнесения приема на базовой станции и
др.
Окончательное формирование потоков данных происходит таким же
образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного
элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для
реализации смещенной QPSK.
Структурная схема приемника обратного канала аналогична схеме,
приведенной на рис.7.12. Однако, в приемнике принимается
объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином
частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских
сигналов в соответствии с кодом Уолша.
Все базовые станции используют для кодирования каналов, один и тот
же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом,
возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

Некоторые примеры работы сети CDMA
220

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Работа сети CDMA по порядку выполнения этапов и сигналам похожа
на другие сети подвижной связи и в частности, рассмотренную ранее
сеть GSM. Однако она имеет свои особенности, связанные с
кодированием сигналов, шифрованием. Наиболее заметными
отличиями являются – возможность проведения "мягкого хэндовера" и
принципы управления мощностью, которые будут рассмотрены далее.

Регистрация в сети
После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет
сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и
подвижных станций короткий код). Вероятно, что MS обнаружит
несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить
по временному сдвигу псевдопоследовательности. Подвижная станция
выбирает сигнал с большим уровнем и, таким образом, получает
когерентную опору для осуществления последующей демодуляции
сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й
код Уолша (
). В нем передается информация о будущем
содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для
формирования длинного кода. Эта информация посылается с
опережением относительно информационного канала на 320 мс.
Поэтому подвижная станция имеет достаточно времени для
декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким
образом, достигается синхронизация с сетевым временем. После этого
подвижная станция начинает мониторинг одного из каналов вызова.
Есл и абонент пытается войти в сеть, то его станция будет пытаться
осуществить соединение с базовой по одному из каналов доступа. В
этом случае для формирования длинного кода используется двоичная
маска, параметры которой индивидуальны для каждой базовой станции
сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются
осуществить соединение, то возникает конфликт. Если базовая станция
не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская
выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

Обмен сигналами между мобильной
приемопередающей станциями.
221

и

базовой

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS
(входящее сообщение) показан на рис.7.13 [13], [49].

Рис. 7.13. Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего
соединения CDMA
Ниже даются некоторые комментарии к рисункам.
1. Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на
соединение).
2. Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал "запрос
назначения"), сообщая свой международный идентификационный
222

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

3.

4.

5.
6.

7.

8.

9.

10.

номер (MIN- Mobile Identification, IMSI), электронный номер
оборудования (ESN Electronic Serial Number).
Базовая станция принимает "запрос назначения" выбирает и
назначает канал трафика, выбирая длинный код общий для всех
каналов данной базовой станции. После чего посылает сообщение
о назначении прямого канала.
Мобильная
станция
выполняет
процедуру
назначения
конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу,
которая содержит наряду со стандартными данными (код
отправителя, код назначения) еще данные для настройки на
конкретно выбранный канал, для того чтобы базовая станция
могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.
Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает
для MS по прямому каналу запрос на аутентификацию.
Мобильная станция проводит процедуру аутентификации
абонента (рассматривается здесь далее) и передает ответ на
аутентификацию.
Базовая станция передает на исходную станцию сигнал о
включение зуммера посылки вызова и передает мобильной
станции сигнал готовности к обмену, содержащий информацию о
номер вызывающего абонента (CIN - Calling Identification Number).
Мобильная станция передает сигнал на посылку вызов входящему
абоненту и выводит на табло информацию CIN. Далее мобильная
станция ждет сигнала ответа абонента. После получения этого
сигнала, он передает сигнал на снятие сигнала посылка вызова. И
передает сигнал на базовую станцию сигнал подтверждения
готовности к обмену (окончание соединения)
Базовая станция включает приборы разговорного тракта в
положение "обмен" и передает подтверждение соединения на
базовую станцию.
Далее проходит обмен речевой информацией или данными.

Порядок обмена сигналами от BTS к MS
1. Мобильная станция при поступлении вызова абонента передает
сигнал запроса о назначении канала. Это сигнал, как и в
предыдущем случае (п.2) , содержит идентификационный номер
(MIN- Mobile Identification, IMSI), электронный номер
223

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

оборудования (ESN - Electronic Serial Number).
2. После принятия этого сигнала соединение обмен сигналами
повторяет предыдущий алгоритм.

Аутентификация и шифрование
Безопасность связи обеспечивается также применением процедур
аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих
процедур показан на рис.7.14 (для мобильной станции). В CDMA
используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования
речи в сотовой связи (CAVE – Cellular Authentication Voice Encryption)
[40], [92], для генерации ключа на 128 битов называемый " общие
секретные данные" (SSD - Shared Secret Date). Эти данные генерируются
на основе A- ключа, который хранится в мобильной станции и
полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE
генерирует общие секретные данные (SSD). Они разделяются на две
части: SSD-A (64 бита), для того, чтобы создавать цифровую подпись
(authentication signature) и SSD-B (64 бита), для генерации ключей, для
шифрования речи и передавая сигнал сообщения. SSD может быть
использован при роуминге поставщиками услуг, для местной
аутентификации. Н овые общие секретные данные (SSD) могут быть
сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети
или возвращается к домашней сети.
Цифровая подпись генерируется длиной 18 бит и посылается базовой
станции, чтобы проверить принадлежность абонента к данной системе,
установить его права и полномочия. При этом используется один из
двух алгоритмов:
глобальное квитирование (Global Challenge), когда всем мобильным
станциям передается в данный момент одно и то же
псевдослучайное число;
уникальное
квитирование
(Unique
Challenge)
,
когда
псевдослучайное число назначается при каждом запросе
соединения.
Мобильная станция и сеть ведут учет истории вызовов. Это
обеспечивает возможность обнаружить незаконное производство
224

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

мобильных телефонов или SIM –карт.
A-ключ может быть перепрограммируем, для этого должны быть
изменены данные на мобильной станции и сетевом центре
аутентификации
A-ключи могут быть перепрограммированы одним из следующего:
на фирме - производителе;
на месте продажи
абонентом по телефону
с помощью процедуры перепрограммирования по эфиру с
использованием сервиса беспроводных услуг –OTASP (over the air
reprogramming), путем передачи информации по радиоканалу в
зашифрованном виде.
Замена A-ключа на мобильной станции через OTASP, обеспечивает
простой способ быстро отключать обслуживание нелегальному
пользователю мобильной станицей или инициировать ввод новых
услуг легальному абоненту.
Мобильные станции используют общие секретные данные типа B (SSDB) и алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи
(CAVE), чтобы генерировать маску частного длинного кода (Private Long
Code Mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера
связи
Он содержит Сотовый ключ алгоритма шифрования сообщения -64 бита
(CMEA - Cellular Message Encryption Algorithm), и ключ данных -32 бита
(Data Key). Маска частного длинного кода используется и в мобильной
станции и сеть, для изменения характеристик длинного кода.
Измененный длинный код используется для скремблирования речи,
которое добавляет дополнительный уровень секретности по радио
интерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для
шифрования информации. Она просто заменяет известное значение,
используемое при кодировании CDMA сигнала частным значением,
известным только в мобильной станции и сети. Поэтому при таком
кодировании чрезвычайно трудно подслушивать сеансы связи, не зная
маску частного длинного кода.
225

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 7.14. Принцип аутентификации и шифрования информации в
системе CDMA на мобильной станции
Дополнительно, мобильная станция и сеть используют ключ CMEA
вместе с усовершенствованным алгоритмом CMEA (ECMEA Enhanced
CMEA) для того, чтобы зашифровать сообщения передачи служебных
сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных, и
алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью,
чтобы зашифровать и расшифровывать данные на каналах CDMA.

Краткие итоги к лекции 7
Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA - Code
Division Multiple Access), технология, отличающаяся, тем, что
использует
для
разделения
каналов
псевдослучайную
последовательность. Передача единого объединенного потока
осуществляется в одной полосе частот, с помощью одного из
видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на
CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные
каналы
226

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

При кодовом разделении полоса частот, используемая в
радиоканале гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот
процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).
Есть два способа разделить пользователей при множественном
доступе с кодовым разделением каналов (CDMA): ортогональный
многостанционный
доступ,
?
не
ортогональный
многостанционный доступ или Асинхронный многостанционный
доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)
Для первого типа разделения применяются ортогональные
функции Уолша и функции, получаемые на их базе. Это набор
ортогональных последовательностей длиной
, в которых
используются только два значения
и
. Функции являются
цифровыми "аналогами" синусоид при кодировании обычно
символ
заменяется , а
на .
Для объединения нескольких каналов при кодовом разделении
каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были,
разделимы с помощью корреляционного фильтра.
Различаются взаимная корреляция - сравнение двух функций,
ортогональная корреляция - при полной независимости двух
функций и автокорреляция - сравнение функции с собой при
сдвиге во времени.
Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы, с
использованием итерационного процесса построения матрицы
Адамара.
Не ортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут
быть сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры
(сложение по модулю 2) и контуры обратной связи.
Последовательности для каждого из каналов получаются путем
умножения всех разрядов расширяющей последовательности на
значение информационного бита
Для восстановления исходного сигнала каждый разряд
суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд
расширяющей последовательности данного канала. После чего
полученные результаты суммируются в пределах одного периода
последовательности. Каждый интегральный сигнал имеет
максимальное значение равное. В зависимости от этого
вычисляется значение исходного символа.
Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу
227

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с
временным разделением каналов
В состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества
и выбора блоков (SU – Selector Unit). Кроме того, для реализации
процедуры мягкого переключения между базовыми станциями,
управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии
передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover).
В CDMA каналы для передачи информации в направлении от
мобильной к базовой станции называются прямыми (Forward),
для приема базовой станцией от мобильной - обратными
(Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от
824 до849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и
обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц.
Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с
пропускной способностью 1,2288 Мбит/с.
В состав прямых каналов входят: (PICH) пилотный канал, канал
синхронизации, канал (SCH), широковещательного вызова, (PCH),
прямой канал трафика (FTCH). В состав обратных каналов входят:
канал доступа (ACH), канал обратного трафика (RTCH).
Для передачи речи по каналам системы CDMA используются
вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением
(CELP –Code Excited Linear Prediction).
Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с,
в прямом канале используется (convolution encoding) сверточное
кодирование длина кодового ограничения
, скорость
кодирования
(обратном канале применяется сверточное
кодирование со скоростью 1/3).
Процесс перемежения бит осуществляется в пределах каждого
блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи
19,2 кбит/c 384 бита с помощью матрицы.
Для шифрования - на информацию накладывается маска
(псевдопоследовательность) длиной 42 бита.
После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и
ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для
всех базовых и подвижных станций короткий код). Подвижная
станция выбирает сигнал с большим уровнем и, таким образом,
получает когерентную опору для осуществления последующей
демодуляции сигнала синхронизации.
228

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур
аутентификации и шифрования сообщений. В CDMA используется
стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в
сотовой связи (CAVE – Cellular Authentication Voice Encryption)

229

А.Н. Берлин

Высокоскоростные сети связи

Основы ортогонального доступа
разделением каналов (OFDMA).

с

частотным

Рассмотрена широко применяемая в последнее время технология
доступа к широкополосным мобильным сетям OFDMA, применяемые
методы модуляции и стратегии использования каналов.

Принципы системы OFDMA
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением
каналов (OFDMA) базируется на системе мультиплексирования OFDM.
Мультиплексирование с Ортогональным Частотным разделением
каналов (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing) - методика
мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на
множество поднесущих частот [2], как показано на рис.8.1.
В системе OFDM, входной поток данных разделен на несколько
параллельных подпотоков с уменьшенной скоростью передачи данных
(с увеличением продолжительности каждого передаваемого на этой
частоте знака). Каждый подпоток модулируется и передается на
отдельной ортогональной1)поднесущей частоте. Протокольная единица,
передаваемая с помощью одной несущей, называется символом.
Увеличенная продолжительность символа улучшает устойчивость
OFDM, уменьшая их максимальный разброс между символами,
предаваемыми с помощью разных несущих.
Основные устройства, обеспечивающие модуляцию с несколькими
несущими, по принципу OFDM показаны на рис.8.1 . Каждый подканал
работает на своей несущей частоте. Если обозначить частоту первой
несущей , то, вторая несущая будет иметь частоту
и т.д. для n-ого
канала эта частота будет равна
.
Если для каждого из
подпотоков применить квадратурную
модуляцию, то получим
квадратурных (ортогональных) функций
типа
. Если функции всех подканалов
просуммировать, то получим функцию аналогичную функции
называемой рядом Фурье.
230

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(8.1)

Функция, полученная в результате модуляции, отличается от ряда Фурье
тем, что она конечна. Для увеличения точности обработки и
исключения взаимного влияния каналов реальная функция дополняется
"префиксом",
содержащим
несколько
значений
ряда
Фурье
(псевдоканалов). Он устанавливается перед последовательностью
квадратурных сигналов. Это увеличивает точность получения функции
и позволяет более четко отделять подканалы друг от друга.

Рис. 8.1. Модуляция с несколькими несущими
Сумма функций полученных в результате модуляции "свертывается" с
помощью обратного преобразования Фурье в одну функцию
которая преобразуется в цифровую форму и передается в линию.

,

На приемном конце происходит переход из цифровой в аналоговую
форму, происходит прямое преобразование Фурье, квадратурные
функции каждого канала демодулируются и собираются в одну
последовательность, Как уже было сказано, для устранения
межсимвольной интерференции, вводится циклический префикс (CP).
Циклический префикс добавляется в начало каждого OFDM-символа
(рис. 8.2) и представляет собой циклическое повторение окончания
символа. Наличие циклического префикса создает временные паузы
между отдельными символами, и если длительность защитного
интервала превышает максимальное время задержки сигнала в
231

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

результате многолучевого распространения,
интерференции не возникает.

то

межсимвольной

Рис. 8.2. Защита от межсимвольной интерференции с помощью
циклического префикса
Циклический префикс является избыточной информацией и в этом
смысле снижает полезную (информационную) скорость передачи, но
именно он служит защитой от возникновения межсимвольной
интерференции. Указанная избыточная информация добавляется к
передаваемому символу в передатчике и отбрасывается при приеме
символа в приемнике.

Структура и формирование OFDM подканалов.
Структура подканала OFDM [43,44]содержит три типа поднесущих
частот как показано на рис.8.3:
поднесущие информационные частоты для передачи данных
поднесущие частоты для передачи пилот сигналов (для измерений
и целей синхронизации)
нулевые поднесущие частоты, используемые для защитных
232

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

интервалов частот

Рис. 8.3. Распределение поднесущих частот
Активные поднесущие частоты (информационные и пилот – сигнал)
сгруппированы в поднаборы поднесущих частот, называемые
подканалами. Поднесущие частоты, формирующие один подканал, могут
быть, но не должны быть, смежными. Основная нагрузка и сигналы
управления предаются в подканалах.
Пилот – сигналы распределяются в зависимости
распределения поднесущих и направления потока.

от

способа

При формировании подканалов в направлении "вниз"2) применяются
следующие способы:
каналообразование с полным использованием поднесущих частот
(FUSC - Fully Usage Subcanalization),
каналообразование с частичным использованием поднесущих
частот (PUSC - Partial Usage Subcanalization),
смежные перестановки c адаптивной модуляцией и кодированием
AMC (Adoption modulation and Coding).
Частичное использование поднесущих частот означает, что из всего
набора поднесущих частот выбирается только часть. Устройства
(например, подвижные станции) работают, занимая только часть
полосы. Поскольку в этом случае вся излучаемая мощность
233

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

концентрируется только в используемой полосе, это приводит к
увеличению излучаемой мощности на каждую поднесущую. Для
передачи информации в направлении "вверх" в городских условиях это
дает дополнительный запас на замирания.
При направлении "вверх" применяется только два способа с полным
использованием поднесущих частот (UL PUSC) и дополнительные
перестановки. Подканалы в направлении "вниз" могут работать с
различным приемниками, подканалы в направлении "вверх" могут
работать с различными передатчиками. Существует два типа
формирования подканалов из поднесущих частот:
смежные.
с разнесением.
В первом случае для подканала выбираются поднесущие, которые
находятся рядом в диапазоне частот.
Формирование подканала с разнесением выбирает номиналы
поднесущих частот для каждого канала в соответствии псевдослучайной
последовательностью. Это обеспечивает разнесение по частоте и
усредняет межсотовую интерференцию.

Наращиваемый OFDM
Режим передачи согласно стандарту IEEE 802.16e-2005 основан на
концепции наращиваемого (масштабируемого) OFDM (S-OFDM Scalable -OFDM) [80], [90]. Он поддерживает широкий диапазон
пропускной способности и гибко приспосабливается к потребностям в
различных диапазонах спектра и к потребностям в различных
диапазонах спектра.
Наращивание пропускной способности поддерживается, регулировкой
числа шагов быстрого преобразования Фурье (БПФ – FFT- Fast Fourier
Transform). Параметры S-OFDM приведены в табл. 8.1 Техническая
рабочая группа WiMAX Forum в начале запланировала разработку
документов (профилей) для значений ширины каналов 5 и 10 МГц
(выделены в табл. 8.1 жирным шрифтом).
234

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Таблица 8.1. Параметры SOFDM
Параметры
Значение
Ширина канала (МГц)
1,25 5 10 20
Частота опроса (

1,4 5,6 11,2 22,4

в МГц)

Размер преобразования Фурье (
Число подканалов
Интервал между несущими

2 8 16
10,94 кГц

Длительность полезного символа (
Защитный интервал (

128 512 1024 2048

)

)

32

91,4 мкс
11,4 мкс

)

) 102,9 мкс
48

Длительность OFDMA символа (
Число символов (кадр 5 мс)

Формирование подканала с полным использованием
поднесущих частот в направлении "вниз".
Минимальной частотно-временной единицей формирования канала
является один слот, который содержит 48 поднесущих. Эта единица
поддерживается физическим уровнем в обоих направлениях.
В табл. 8.2 приводится пример [80] распределения поднесущих частот
при полном использовании поднесущих частот для формирования
подканала в направлении "вниз".
Таблица 8.2. Распределение поднесущих с полным
использованием в направлении "вниз" (DL FUCS)
Параметры
Значение
Ширина полосы частот МГц
1,25 5 10 20
Размер преобразования Фурье
128 512 1024 2048
Число защитных поднесущих частот
22 86 173 345
Число используемых поднесущих частот 106 426 851 1703
Число поднесущих частот данных
96 384 768 1536
235

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Число поднесущих частот пилот сигнала 9
Число подканалов
2

42 83
8 16

166
32

Для каждой полосы частот каналов выбирается количество частот
используемых в преобразовании Фурье.
Число защитных поднесущих определяется величиной максимальной
задержки сигнала (см. рис.8.2, рис.8.3). Распределение поднесущих
частот с помощью циклического префикса. Для таблицы это время
принято около 17% от числа указанного в строке " размер
преобразования Фурье". Эти поднесущие распределяются на два
примерно равных поднабора – один в начале другой в конце. Например,
для размера преобразования Фурье 2048 в табл. 8.2 выбрано число
защитных поднесущих 345.
Число используемых поднесущих частот получается вычетом числа
защитных поднесущих из их общего числа. В данном примере остается
поднесущих.
Для подканалов поднесущих с полным использованием поднесущих
частот и направлением "вниз", сначала распределяются пилот –
сигналы, а затем оставшиеся сигналы распределяются на подканалы
данных. Число пилот сигналов указывается в стандарте. В данном
случае это число равно 166. Число поднесущих частот данных
определяется кратным 48. Число подканалов определяется числом
поднесущих частот данных и длиной слота 48 поднесущих. В данном
примере оно равно 32 (1536/48=32).

Формирование
поднесущих
с
частичным
использованием и направлении "вниз" (DL).
При использовании DL PUSC, для каждой пары OFDM символов,
доступных или используемых поднесущие частоты сгруппированы в
кластеры, содержащие 14 непрерывных поднесущих частот на один
период символа, пилот – сигналы и данные распределены в каждом
кластере с учетом четных и нечетных символов как показано на рис.8.4.
236

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 8.4. Структура кластеров для четных и нечетных символов OFDM
Результат распределения поднесущих частот показан в табл. 8.3.
Таблица 8.3. Распределение поднесущих с частичным
использованием и направлении "вниз" (DL)
Параметры
Значение
Ширина полосы частот МГц
1,25 5
10 20
Размер преобразования Фурье
128 512 1024 2048
Число защитных поднесущих частот
Число используемых поднесущих частот
Число кластеров /подканалов

43 91 183 367
85 421 841 1681
6/3 30/15 60/30 120/60

Число информационных поднесущих частот 72 360 720 1440
Число поднесущих частот пилот сигнала
12 60 120 240
В таблице выделены поднесущие защитного интервала. Зная число
несущих в каждом кластере, можно определить максимальное число
кластеров (минимальное число показано через черту). По величине
поднесущих кластера определяется число поднесущих для передачи
данных и пилот – сигналов.

Формирование
поднесущих
с
частичным
использованием в направлении "вверх" (UL).
В данном случае для организации подканалов используется элемент,
называемый "фрагмент" (tile3)). Фрагмент компонуется из 4-х
237

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поднесущих. Для передачи 3-х символов OFDM.используются
приведенные ниже компоновки (рис. 8.5). Каждый символ
отображается фрагментом, состоящим из четырех несущих.

Рис. 8.5. Компоновка символов с помощью несущих: а) 3-х символов с
помощью 4 –х поднесущих б) 3-х символов с помощью 3 –х поднесущих
Каждый подканал содержит 6 фрагментов по 4 поднесущих в каждом и
используемых в соответствии с рис. 8.5, таким образом, для одного
подканала используется 24 поднесущих. Для 3 –х символов используется
. Из этих поднесущих образуется слот, содержащий 48
поднесущих для передачи данных и 24 поднесущих пилот сигнала.
Результат разнесения поднесущих частот приведен в таблица 8.4.
Таблица 8.4. Распределение поднесущих в направлении
"вверх" (UL)
Параметры
Значение
Ширина полосы частот МГц
1,25 5 10 20
238

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Размер преобразования Фурье
128
Число защитных поднесущих частот
31
Число используемых поднесущих частот 97
Число фрагментов
24
Число подканалов
4

512 1024 2048
103 183 367
409 841 1681
102 210 420
17 35 70

При распределении поднесущих "вверх" возможно использования
фрагментов, показанных на рис.8.5б, которые содержат 3 поднесущих на
фрагмент, что немного увеличивает число подканалов.

Распределение поднесущих с помощью смежных
перестановок
Смежная перестановка группирует блок смежных поднесущих частот,
чтобы сформировать подканал. Они представляют наборы кодовых
комбинаций AMC (Adaptive Modulation and Coding) для обоих
направлений "вниз" (DL) и "вверх"(UL), которые имеют одну и ту же
структуру. Они содержат контейнеры, включающие в себя предаваемые
символы. Контейнер состоит из 9 смежных поднесущих частот в
символе. Из этих символов - 8 предназначеныmдля передачи данных и
один для передачи пилота – сигнала.
Слот в AMC определен как совокупность контейнеров типа (
), где
- число смежных контейнеров и
– число
смежных символов. Таким образом, возможны следующие комбинации:
6 контейнеров, 1 символ; 3 контейнера, 2 символа; 2 контейнера, 3
символа; 1 контейнер, 6 символов.
Вообще, частичное или полное распределение поднесущей частоты
дают хорошие результаты в мобильных приложениях. В то время как
смежные перестановки поднесущей частоты хорошо удовлетворяют
приложения с фиксированным местоположением или с низкой
подвижностью.
Подводя итоги рассмотрению вопроса о разделении поднесущих,
заметим, что после их распределения проводится их нумерация [43],
239

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

[44], [80]. Нумерация позволяет разместить логические поднесущие по
физическим, при этом проводится перемежение. Поскольку
современные мобильные станции, например, Мобильный WiMAX
предусматривают работу с несколькими антеннами, (этот метод будет
рассмотрен ниже), нумерация позволяет распределение поднесущих
антеннам с применением пространственного кодирования.

Зоны переключения.
Гибкость использования мобильных станций
сегментированием и созданием зон переключения.

обеспечивается

Сегмент – это объединение части доступных OFDM подканалов (в
крайнем случае, один сегмент может содержать все подканалы). Один
сегмент используется для установления единственного экземпляра4)
процесса управления доступом к среде (MAC).
Зона переключения - множество смежных OFDM символов в "вниз"
(DL) или "вверх" (UL) в каждой из которых использованы одни и те же
методы разделения каналов. Физический уровень OFDM обеспечивает
в пределах одного и того же кадра работу с зонами, которые используют
различные разделения поднесущих, предоставляя возможность работы с
терминалами различных станций.
рис. 8.6 иллюстрирует структуру зоны памяти, которая обеспечивает
набор поднесущих, используемых в сотах. Соты идентифицируются с
помощью идентификатора соты (ID Cell X, ID Cell Y, ID Cell Z).
Идентификаторы этих сот размещаются в преамбуле. Идентификатор, ID
Cell 0 закреплен за широковещательными соединениями. В данном
случае вначале области каждой соты размещены адреса поднесущих,
соответствующих принципу частичного использования (PUSC), а потом
адреса
поднесущих,
соответствующих
принципу
полного
использования. Эти области памяти могут быть использованы в
зависимости от разработанной программы.

240

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 8.6. Структура мультизонового кадра OFDMA:PUSC (Part Sub
Carrier) – подсистема с частичным использованием поднесущих; FUSC
(Full Sub Carrier) – подсистема с полным использованием поднесущих

Структура Кадра TDD.
Документы рассматриваемого стандарта для физического уровня
802.16e PHY предусматривают дуплексную работу по принципу
дуплексная передача с временным разделением (TDD – Time Division
Duplex)и полудуплексная передача по принципу "полудуплекс с
частотным разделением" (HDFDD - Half – Duplex– Frequency Division
Duplex).
Однако в первую очередь разработан профиль, относящийся к TDD.
Профили для принципа FDD будут предназначены только для тех стран,
где считается, что частотные методы работы предпочтительны для
данной местности.
Для того чтобы обеспечить устойчивую работу, TDD требует широко
развитой системы синхронизации. Однако TDD предпочтителен по
следующим соображениям:
241

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

предоставляет возможность регулировки отношения скоростей
"вверх" и "вниз" и тем самым эффективного обслуживания
асимметричного трафика; принцип FDD обеспечивает передачу в
каждом направлении с фиксированной скоростью и в общем
случае скорость по направлению "вниз" равна скорости по
направлению "вверх".
обеспечивает взаимодействие с системой антенн MIMO (MultiInput
MultiOutput) и другими прогрессивными технологиями антенн в
отличие от FDD, который требует парных каналов, принцип TDD
требует только одного канала по направления "вверх" и "вниз". Это
обеспечивает лучшую адаптацию в выделяемом спектре.
реализация приемопередатчиков для TDD менее сложна, поэтому
устройства, реализующие этот принцип дешевле.
рис. 8.7 отображает структуру кадра для дуплекса c временным
разделением (TDD). Каждый кадр разделен на два подкадра – "вниз" и
"вверх" разделенных промежутком передача/прием и прием / передача
(TRG – Transmit/Receive Guard period и RTG - Receive/ Transmit Guard
period) для предупреждения конфликтов. Для нормальной работы в
кадре содержится следующая информация.

242

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 8.7. Структура кадра OFDM Wi MAX по принципу TDD
Преамбула: используется для синхронизации, является первым OFDM
символом кадра. Преамбула содержит адреса отправителя и получателя
и данные необходимые для синхронизации.
Заголовок Управления Кадром (FCH - Frame Control Header): FCH
следует за преамбулой. Он обеспечивает информацию подсистемы
мобильной связи о конфигурации кадра такую, как длину сообщения и
схему кодирования, и используемые подканалы.
Карты распределения информации для направлений DL-MAP and ULMAP информацией о закреплении каналов и другой управляющей
информацией для направления "вниз" (DL) и "вверх" (UL).
Порядок расположения информации UL (Ranging): данные, о подканале
передаваемые по направлению "вверх" - время распространения по
замкнутой петле, информация для настройки частоты, управлении
мощностью и запросы на дополнительное расширение полосы
пропускания.
243

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

UL Индикатор качества канала (CQICH – Channel Quality Indicator) –
предназначен для передачи информации обратной связи о состоянии
канала.
Подтверждение UL ACK информация подтверждения сообщений,
которые поступили по направлению "вниз".

Доступ FDMA
Методика модуляции OFDM, которая создает много независимых
потоков данных. Эти потоки могут использоваться различными
пользователями. Предыдущие системы OFDM, таких как цифровая
абонентская линия, 802.11a/g, и более ранние версии 802.16/WiMAX
использует единственный пользовательский OFDM, - все поднесущие
частоты одновременно используются единственным пользователем.
Например, в 802.11a/g, пользователи совместно используют ширину
полосы частот 20 МГЦ, получая для использования канала разное
время.
WiMAX (802.16e-2005) применяет другой подход, известный как
Ортогональный Многостанционный доступ с частотным разделением
каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division Multiple Access). В
OFDMA, пользователи совместно используют поднесущие частоты и
слоты времени. Такой подход увеличивает мультипользовательское
разнесение5), увеличивает свободу в планировании закрепления
каналов за пользователями, и нескольких других тонких, но важных
преимуществ реализации. Реализация OFDMA требует некоторых
дополнительных затрат, таких как передача заголовка в обоих
направлениях, поскольку и приемник должен знать, какие поднесущие
частоты это были закреплены за пользователем.

Преимущества OFDMA
OFDMA - по существу представляет гибрид FDMA и TDMA.
Пользователям - динамически назначаются поднесущие частоты
(FDMA) в различных слотах времени (TDMA). Преимущества OFDMA
начинаются с преимуществ даже единственного пользовательского
244

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

OFDM, благодаря устойчивому
разнесения по частоте.

подавлению

многолучевости

и

Кроме того, OFDMA - гибкая методика многостанционного доступа,
которая, может согласовать работу многих пользователей с большим
набором меняющихся приложений, скоростями передачи данных, и
требованиями Качества обслуживания.
Поскольку многостанционный доступ выполнен в цифровом виде (до
быстрого преобразования Фурье - IFFT) возможно динамическое и
эффективное распределение ширины полосы частот. Это позволяет
объединить алгоритмы выбора слотов времени и частоты, чтобы лучше
обслужить пользователей. Некоторые из этих алгоритмов будут
обсуждены в этой секции.
Одно существенное преимущество OFDMA относительно OFDM - его
потенциальные возможности уменьшения мощности передачи, а также
возможность снизить требования к отношению пика мощности – к –
математическому - ожиданию (PAPR – Peak-to-Average Power Ratio).
Проблема PAPR особенно остро стоит при передаче в направлении
"вверх", где эффективность мощности и стоимость ампер часов
мощности представляют большой интерес. При разбиении полной
ширины полосы частот среди многих мобильных станций (MS) в одной
ячейке, каждая MS использует только небольшой поднабор поднесущих
частот. Поэтому, каждая MS передает с более низким отношением PAPR,
и также с намного более низкой полной мощностью, чем, если бы это
передавалось по полной ширине полосы частот. Более низкие скорости
передачи данных и взрывные данные намного более эффективно
обрабатываются в OFDMA чем OFDM, или с TDMA или CDMA. При
пике высокой мощности по всей ширине полосы OFDMA позволяет
передавать на той же скорости длительное время, используя одну и ту
же мощность.

Многостанционный доступ с частотным разделением
каналов (OFDMA)
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов
(OFDMA) может быть успешно реализован в системах OFDM, путем
245

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

закрепления за различными пользователями их собственных наборов
поднесущих частот (рис. 8.8). Есть множество способов, которыми
может быть выполнено это распределение. Самый простой метод статическое распределение поднесущих частот каждому пользователю,
как показано на рис. 8.9. Например, из 64 поднесущих частот системы,
пользователь 1 может выбрать поднесущие частоты 1-16, пользователи
2, 3, и 4 могут использовать поднесущие частотами 17-32, 33-48, и 4964, соответственно. Распределения сообщаются мультиплексору для
различных пользователей на длительное время и используются перед
работой быстрого преобразователя Фурье (FFT). Естественно,
допускаются также неравные распределения, например, для
пользователей,
передающих данных с
высокой
скоростью
распределяется больше поднесущих частот, чем для пользователей с
более низкой скоростью.

Рис. 8.8. В OFDMA базовая станция назначает каждому пользователю
часть поднесущих предпочтительно в диапазоне, который дает
наилучшие параметры каналов
246

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Усовершенствование статического распределения - динамическое
распределение поднесущей частоты, основанное на периодическом
анализе состояния канала.
Например, из-за частотной обстановки и при наличии замираний
пользователя 1 может иметь относительно хорошие каналы на
поднесущих частотах 33-48, в то время как пользователь 3 мог бы иметь
хорошие каналы на поднесущих частотах 1-16. Очевидно, что такое
изменение распределений на основе статистики было бы взаимно
выгодно для этих пользователей. Есть хорошо разработанные теории
для выполнения динамического распределения поднесущих частот.

Рис. 8.9. OFDMA

Многостанционный доступ. Комбинация частотного
разделения
каналов
(OFDMA)
с
временным
разделением (TDMA) - "Циклический доступ"
Одновременно совокупность пользователей OFDMA может быть также
снабжена доступом TDMA. Это позволяет, больше передавать
информации с помощью единственного символа OFDM. Кроме того,
247

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пользователи часто не имеют данных для передачи, так что
динамическое распределение поднесущих частот является необходимым
для увеличения эффективности, чтобы избежать лишней затраты
ресурсов. Статический TDMA показан на рис. 8.9.Такая статическая
методология распределения TDMA соответствует соответствующей
постоянному потоку данных (обычно при коммутации каналов) в
приложениях типа передачи речи или подвижного видео. Вообще, a
система, основанная на передаче пакетов может использовать более
сложные алгоритмы планирования, основанные на учете длины
очередей, состоянии каналов, ограничения на задержку, чтобы
достигнуть намного лучших рабочих характеристик, чем статический
TDMA. Статический TDMA на основе передачи пакетов часто
называется циклическим (Round Robin): каждый пользователь просто
ждет своего момента в цикле, а затем передает свою информацию.

Многостанционный доступ. Комбинация частотного
разделения каналов (OFDMA) с кодовым разделением
каналов (CDMA)
CDMA - доминирующая технология для многостанционного доступа в
существующих сотовых системах, но она не особенно соответствует
скоростной передаче данных. Хотя бы потому что, в CDMA для того,
чтобы подавить интерференцию используется большая намного ширина
полосы, чем это требуется для желаемой скорости данных.
В беспроводных широкополосных сетях скорости данных, настолько
большие, что получить необходимое для CDMA расширение, спектра не
реально. Даже номинально CDMA широкополосные стандарты такие
как HSDPA и 1xEV-DO имеют очень маленькие коэффициенты
расширения. Кроме того, надо конкурировать с системами TDMA, а динамические системы TDMA, используют тактику, основанную на
планировании целей, таких как состояние канала и время задержки, что
требует еще большой полосы частот.
OFDM и CDMA могут быть объединены (рис. 8.10), чтобы создать
систему многостанционного доступа с кодовым разделением и многими
несущими ( MC -CDMA (Multicarrier -CODE DIVISION MULTIPLE
248

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ACCESS ) [15]. Для этого можно использовать передачу сигналов
широкого спектра и разделить пользователей кодами в OFDM, расширяя
их либо во временные либо в частотные области. Расширение
временной области состоит в том, что каждую поднесущую частоту
разделяют по времени. Далее передают один и тот же самый символ
данных в виде нескольких последовательных символов OFDM, то есть
символ данных умножается на символ кодовой последовательности
,
а затем посылается на заданной поднесущей частоте за следующим
символом OFDM.

Рис. 8.10. Комбинация FDMA и TDMA
Расширение частотной области, которое вообще имеет немного лучшие
рабочие характеристики, чем расширение временной области [47], и
состоит в том, что каждый символ данных, посылается одновременно
на
различных поднесущих частотах. MC-CDMA -, но этот доступ
можно было бы считать в будущем соответствующим, для передачи
"вверх", например в стандарте WiMAX.

249

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 8.11. Комбинация FDMA и CDMA

Мультипользовательское Разнесение и Адаптивная
Модуляция
Мультипользовательское разнесение состоит в предоставлении каждому
новому соединению набора поднесущих частот. Преимущества, которые
дает этот метод, по сравнению с долговременным закреплением частот
за станцией (многостанционный доступ) - это выбор для каждого
соединения, поднабора из доступных поднесущих, таких которые в
данный момент могут обеспечить "хорошие" условия.
Адаптивная модуляция – это средство, для эксплуатации хороших
каналов так, чтобы достичь наиболее высоких скоростей передачи
данных. В OFDMA, чтобы максимизировать производительность,
выбор поднесущих частот и распределение мощности должны быть
основаны на состоянии каналов. Ниже, мы обсуждаем необходимое два
ключевых принципа, которые обеспечивают высокую эффективность в
OFDMA: - мультипользовательское разнесение и адаптивная модуляция.

Мультипользовательское Разнесение
250

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Хотя OFDMA системы имеют множество поднесущих частот, не каждый
набор обеспечивает оптимальные условия для заявки пользователя. Для
иллюстрации проблемы рассмотрим систему из
пользователей, где
поднесущие частота выбираются последовательно для каждого
пользователем. При этом лучевое замирание, то есть усиление канала
каждого пользователя – не зависит от других пользователей. Первый
пользователь имеет возможность выбрать набор поднесущих, которое
обеспечить наибольшую пропускную способность канала. Для второго
пользователя вероятность получения канала с максимальной
производительностью в общем случае может быть меньше, это зависит
от многих факторов – место нахождения абонента, уровня шумов и
других причин.
В большинстве теоретических исследований принимается, что с
появлением каждого абонента такая вероятность падает. Тем не менее,
существует некоторая величина числа абонентов, когда общая
производительность достигает максимума, а потом начинает падать.
Подробнее исследование этого вопроса можно посмотреть в [47].
В практических системах, выигрыш от мультипользовательского
разнесения значительный. Хотя в этой главе мы сосредоточимся на
выигрыше в производительности (пропускной способности), но можно
отметить, что, в некоторых случаях наибольший положительный эффект
от мультипользовательского разнесения достигается благодаря
повышению надежности линии связи и зоны покрытия.

Адаптивная Модуляция и Кодирование (ADAPTIVE
MODULATION AND CODING)
Беспроводные системы связи используют такие современные решения
адаптивную модуляцию и кодирование. Гибридный Автоматический
Повторный Запрос (HARQ -Hybrid Automatic Repeat Request) и
Индикатор Качества Канала (CQI -Channel Quality Indicator) чтобы
учитывать изменения в канале и приспосабливать его к текущему
состоянию.
Адаптивная Модуляция в OFDMA. В системе OFDMA, каждому
пользователю распределен блок поднесущих частот, каждая из которых
251

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

имеет различный набор SNR (Signal to Noise Ratio - отношение сигналшум). Поэтому, надо обратить внимание, чтобы набор совокупности
модуляции/ и скорости кодирования были выбраны с учетом
изменяющихся SNR поднесущих частот.
Основная идея весьма проста: применять методы модуляции и
кодирования, рассчитанные на передачу данных как можно на более
высокой скорости, когда канал в хорошем состоянии, и передавать на
более низкой скорости, когда канал плохой, чтобы избежать чрезмерного
числа забракованных пакетов. Более низкие скорости передачи данных
получаются, в случае применения совокупности средств – "созвездий"
(constellation)с малой исправляющей способностью.
Мобильный широкополосные системы связи поддерживают различные
виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной является
поддержка QPSK(Quadrature Shift Keying – Квадратурно-фазовая
манипуляция), 16QAM и 64QAM (Quadrature Amplitude Modulation
Квадратурно амплитудная модуляция).
В направлении "вверх"(UL) может
кодирования могут применяться:

применяться

64QAM.

Для

сверточное кодирование (CC- Convolution Coding);
сверточное турбо - кодирование (CTC Convolution Turbo Coding) с
переменной скоростью кода и повторным кодированием;
блочное турбо - кодирование (BTC- Block Turbo Code)
кодирование низкой плотности с проверкой на четность (LDPC –
Low Density Parity Check Coding);
В целом, в настоящее время можно применить свыше пятидесяти
различных конфигураций типа модуляции и кодирующих и скоростей, из
множества реализаций будут применяться в широкополосных системах
только часть из них. Эти конфигурации называются профили пакета, и
перечислены в табл. 8.5 (принципы модуляции см. главу 4).
таблица 8.5.
Таблица 8.5. Применяемые коды и модуляции
Вниз
Вверх
252

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

QPSK, 16QAM,
64QAM
Сверточное 1/2, 2/3, 3/4, 5/6
Кодирование Турбокод
1/2, 2/3, 3/4, 5/6
Повторение x2, x4, x6
Модуляция

QPSK, 16QAM,
64QAM
1/2, 2/3, 5/6
1/2, 2/3, 5/6
x2, x4, x6

Блок-схема системы AMC приведены на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Блок – схема адаптивной модуляции и кодирования
Для простоты, мы сначала рассмотрим только единственную
пользовательскую систему, пытающуюся передать информацию
насколько возможно быстро через канал с переменным отношением
SNR - Signal to Noise Ratio, например из-за замираний. Цель передатчика
состоит в том, чтобы передать данные так, чтобы они были надежно
253

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

демодулированы и декодированы в приемнике.

Рис. 8.13. В результате сравнения производительности и текущего SNR
предполагается лучшая система средств и конфигурация кодирования
выбранная для каждого значения SNR. На этом рисунке показаны
только 6 конфигураций и турбо декодеров с максимальным 8 –ми
кратным повторением передачи информации
рис. 8.13 показывает, что, используя шесть из типов модуляции и
кодирования из возможных профилей можно достигнуть большого
диапазона спектра. Это позволяет увеличить производительность при
увеличении SNR согласно формуле Шеннона:

— eмкость канала; бит/с
— полоса пропускания канала, Гц
— полная мощность сигнала над полосой пропускания, Вт
— полная шумовая мощность над полосой пропускания, Вт
—отношение сигнала к шуму (SNR), выраженное как
отношение мощностей

254

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

В этом случае, самая низкая предлагаемая скорость данных использует
модуляцию - QPSK и скорость кодирования 1/2 Турбо кодом, в то время
как самая высокая скорость данных использует - 64QAM и скорость
кодирования 3/4 Турбо кодом. Достигнутая производительность,
нормализованная к ширине полосы частот определятся [Jeffrey Andrew]
(8.2)
где
- коэффициент ошибок блока,
- скорость кодирования,
- число точек в системе модуляции совокупности.
Например,
) со скоростью кодирования
,
достигает максимальной производительности 4,5 битов в сек/Гц (при
BLER= 0), в то время как
со скоростью кодирования
1/2, достигает максимальной производительности 1 бит в сек/Гц.
Настройка Адаптивной Модуляции и управления кодированием.
Ключевая проблема, что AMC должна эффективно управлять тремя
различными величинами сразу: мощность передачи, скорость передачи
(совокупность), и скорость кодирования. Это соответствует развитию
соответствующей стратегии для контроллера AMC, показанного на рис.
8.12.
На рисунке управление модуляцией происходит путем выбора:
кодов:
выбора формы преобразования символов
выбора мощности передачи.
Эти процессы происходят в зависимости от данных поступающих по
каналу индикатора качества. Хотя разумные рекомендации могут быть
разработаны, исходя из теоретического изучения адаптивной
модуляции. На практике системный инженер должен разработать
255

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

алгоритм точной настройки, основанный на большом числе опытов
моделирования, потому что рабочие характеристики зависят от многих
факторов. Ниже мы перечислим и рассмотрим несколько из них,
которые ни в коем случае не исчерпывают все случаи.
Индикатора Качества Канала (CQI)
Информация обратной связи является очень важной для модуляции и
кодирования: передатчик должен знать "отношение входного сигнала к
шуму" -SNR для данного канала,
- который определяется как
полученный
разделенный на мощность передачи
(которая
является обычно функцией ). Полученный
- таким образом,
равен

Индикатора Качества Канала (CQI) используется для того, чтобы
обеспечить передачу информации о состоянии канала от
пользовательских терминалов к программе - планировщику базовой
станции. Информация о состоянии, передаваемая по каналу CQICH
может включать в себя: оценку интерференции и коэффициента сигнал/
шум, выбор частоты и способа работы антенн (MIMO) для отдельного
канала. При дуплексном режиме с временным разделением для
адаптации каналов может использоваться процедура более точного
измерения состояния каналов (периодическое зондирование состояния
каналов.).
BLER(Block Error Rate – коэффициент ошибок по блокам) и
полученный SNR. В адаптивной теории модуляции, передатчик
должен только знать статистику и мгновенный шум канала SNR.
Зная отношение сигнал - шум канала - SNR, передатчик может
определить оптимальную стратегию кодирования/модуляции и
мощность передачи. Однако на практике, BLER должен тщательно
проверяться на устойчивость, прежде чем решить, должна ли
быть увеличена или уменьшена скорость передачи данных (если
BLER низкий).
Автоматический Повторный Запрос (ARQ - Automatic Request
Repeat). Для улучшения пропускной способности системы
256

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

применяется Гибридный Автоматический Повторный Запрос
(HARQ> -Hybrid Automatic Repeat Request). Он позволяет
использовать
каналов в старт-стопном режиме с поблочным
повторением. ARQ позволяет быстрые повторение передачи в
случае, и ARQ вообще улучшает идеальный BLER (отношение
блоков принятых с ошибками к общему числу переданных блоков)
в к, использующий точку примерно в 10 раз.
При использовании этого старт стопного метода, после отправки кадра
передатчик делает паузу, в течение которой ожидается прием
подтверждения. В зависимости от типа подтверждения (положительное
- ACK или отрицательное - NAK) источник передает следующий кадр
или повторяет предыдущий. Многоканальный стартстопный режим с
небольшим числом каналов - эффективный, простой протокол, который
минимизирует память.
Иногда применяется сигнализация, позволяющую работу в
асинхронном режиме, что обеспечивает устойчивость работы в
условиях переменной задержки. При ретрансляции сигналов это дает
больше гибкости программе - планировщику, но требует размещения
лишней информации в заголовке при каждой ретрансляции.
Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ) вместе с
Каналом Индикатора Качества Канала (CQICH) и адаптивной
модуляцией и кодированием обеспечивает (AMC – Adaptive Modulation
and Coding) обеспечивает помехоустойчивую линию связи. Эта линия с
большим энергетическим запасом, обеспечивающая мобильную связь в
различной окружающей среде при скорости передвижения свыше 120
км/час.

Регулирование мощности
В теории, лучшая стратегия регулирования мощности с точки зрения
пропускной способности - так называемая стратегия "заполнения
водой" (Waterfilling)., в которой больше мощности распределяется
сильным каналам, и меньше количеству мощности, распределяется
слабым каналам [95]. Хотя на практике в некоторых случаях истина
может быть противоположна. Например, рассматривая к рис. 8.13
257

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

можно установить, что нет никакой разницы в производительности при
отношении входной сигнал – шум 11 и 13 децибел в обоих случаях
производительность - 3 бита в сек/Гц. Поэтому, если SNR улучшился с
11 децибелов до 13 децибелов, хорошо бы сообщить передатчику, чтобы
он понизил мощность передачи, чтобы сохранить мощность и создавать
меньше помех соседним ячейкам [81].
таблица 8.6показывает скорости передачи данных при различных видах
модуляции и кодирования для каналов на 5 и 10 МГЦ с PUSC
подканалами. Продолжительность кадра - 5 миллисекунд. Каждый кадр
имеет 48 OFDM символов. Из них 44 OFDM символа, предназначены
для передачи данных. Выделенные значения - это скорости данных для
необязательного способа модуляции 64QAM в направлении вверх (UL).
таблица 8.6.
Таблица 8.6. Параметры подканала с частичным использованием
поднесущих (физический уровень) и скорости передачи данных по этим
подканалам
Направление
Параметр
Вниз
Вверх
Вниз
Вверх
Полоса системы
5МГц
10МГЦ
Защитные поднесущие
512
1024
512
1024
Поднесущие пилот
сигналов

92

104

184

184

Поднесущие данных
Поднесущие данных

60
360

136
272

120
720

280
560

Подканалы

15

17

30

35

Период символа,

102,9 микросекунд

Длительность кадра
ЧислоOFDM символов в
кадре
Число символов данных

5 миллисекунд
48

44
Канал 5 МГЦ
Канал 10 МГЦ
Кодовая
Модуляции скорость, число Скорость Скорость Скорость Скорость
258

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Модуляции повторений

QPSK

16 QAM

64 QAM

1/2 CTC, 6x
1/2 CTC 4x

Скорость
"вниз",
Мбит/c
0,53
0,79

Скорость
"Вверх",
Мбит/c
0,38
0,57

Скорость
"вниз",
Мбит/c
1,06
1,58

Скорость
"Вверх",
Мбит/c
0,78
1,18

1/2 CTC2x
1/2 CTC1x
3/4 CTC
1/2 CTC
3/4 CTC
1/2 CTC
2/3 CTC
3/46 CTC
5/6 CTC

1,58
3,17
4,75
6,34
9,50
9,50
12,67
14,26
15,84

1,14
2,28
3,43
4,57
6,85
6,85
9,14
10,28
11,42

3,17
6,34
9,50
12,67
19,01
19,01
25,34
28,51
31,68

2,35
4,70
7,06
9,41
14,11
14,11
18,82
21.17
23,52

CTC –Convolution Turbo Code - Сверточный Турбокод

Методы распределения ресурсов для OFDMA
Есть множество различных способов использовать в своих интересах
мультипользовательское разнесение и адаптивную модуляцию в
системах OFDMA. Алгоритмы, которые обеспечивают такие
преимущества, не определены стандартами, и каждый разработчик
имеет право применить собственные инновационные процедуры.
Идея разработки таких алгоритмов состоит в том, чтобы определить на
время соединения (сеанса) порядок, назначения пользователям
поднесущих частот, и для каждого пользователя на каждой поднесущей
частоте определить соответствующую мощность. Ниже, мы дадим
краткий обзор некоторых возможных подходов к распределению
ресурса.
Распределение ресурса обычно решается, как одна из двух возможных
проблем:

259

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

процедура минимизации полной мощности передачи с
ограничением на пользовательскую скорость передачи данных
[68], [94] или
2. Проблема максимизации скорости передачи данных с
ограничением на полную мощность передачи [67], [71], [72], [95].
Первая цель соответствует приложениям с фиксированной скоростью
(например, речь), в то время как вторая больше соответствует
приложениям, имеющим пики, таким как данные или другим IP
приложениям.
Таблица 8.7. Система обозначений
число пользователей
число поднесущих частот
коэффициент передачи канала для k ого пользователя на
поднесущей частоте l
мощность передачи, распределенная для пользователя k в
поднесущей частоте l
Спектральная плотность мощности белого шума (AWGN ADDITIVE WHITE GAUSSIAN NOISE)
полная мощность передачи, доступная в базовой станции
полная ширина полосы частот передачи
Мощность белого шума в полосе частот передачи

Алгоритм максимальной суммы скоростей.
Цель алгоритма максимальной суммы скоростей (MSR - maximum sum
rate), как указывает название, максимизировать сумму скоростей всех
пользователей, с учетом ограничения полной мощности передачи [95].
Этот алгоритм оптимален, его цель состоит в том, чтобы передать через
систему получить насколько возможно большее количество данных в
заданный промежуток времени. Недостаток MSR - это то, что при таком
алгоритме весьма вероятно, что нескольким пользователям, которые
находятся близко к базовой станции (и, следовательно, имеют
260

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

находятся близко к базовой станции (и, следовательно, имеют
превосходные каналы), будут распределены все системные ресурсы.
Теперь кратко охарактеризуем
, скорость данных, мощность, и
распределение поднесущих частот, который можно получить, используя
алгоритм. Пусть
обозначает мощность передачи
пользователя
на поднесущей частоте
. Отношение "входного
сигнала к шуму" для пользователя
на поднесущей частоте
,
обозначим

. Эта величина может быть выражена как:

(8.3)

Используя формулу пропускной способности Шеннона 6)для измерения
производительности, MSR алгоритм максимизирует следующую
величину:

(8.4)

с ограничением полной мощности

(8.5)

Пропускная способность суммы максимальна, если полная
производительность в каждой поднесущей частоте максимальна.
Следовательно, проблема оптимизации пропускной способности
максимальной суммы может быть разделена на
более простых
проблем. Максимальности каждой поднесущей для каждой частоты.
Далее, пропускная способность суммы в поднесущей частоте
,
обозначенная как
, может быть записан как
261

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(8.6)

где

пользователю

обозначает интерференцию других пользователей к
с поднесущей частотой ,
- мощность внешних щумов.

, максимимальна, когда вся доступная мощность
отдается
только единственному пользователю с наибольшим усилением канала
на поднесущей частоте Этот результат согласуется с интуицией: если
каждый канал отдать пользователю с лучшим усилением в этом канале,
то общая сумма мощностей будет максимизирована. Этот метод
называют иногда - "жадная" оптимизация. Сумма полной пропускной
способности может быть определена, сложением скоростей на каждой
поднесущей частоте.

Алгоритм Максимальной Справедливости
Хотя при использовании алгоритма MSR полная производительность
получается максимальной, однако в сотовой системе, где потери на
затухание изменяются в соответствии с последовательностью
обслуживания пользователей, при применении алгоритма MSR
некоторые пользователи будут чрезвычайно плохо обслужены.
Альтернативная замена алгоритму MSR, алгоритм максимальной
справедливости (FA - fairness algorithm) [47], [82], [93] распределяет
поднесущие частоты и мощность так, чтобы скорость данных
передаваемая минимальным пользователем была максимальна. Это, по
существу, соответствует выравниванию скоростей данных всех
пользователей.
Алгоритм максимальной справедливости может иногда называться как
проблема МиниМакса (Max-Min), так как цель состоит в том, чтобы
максимизировать минимальную скорость данных.
262

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Оптимизация условий для поднесущей частоты при методе мини макса и распределение мощности значительно более трудно определить
чем в случае MSR, потому что невозможно построить объективная
функцию "минимальности пользователя". Найти одновременно
оптимальную поднесущую частоту и распределение мощности - это
проблема особой трудности – неразрешимая проблема (NP - проблема)
Поэтому, ставится задача более низкой сложности, найти почти
оптимальные алгоритмы, в которые оптимизируют поднесущие частоты
и распределение мощности отдельно.
Общий подход состоит в том, чтобы принять первоначально равную
мощность для каждой распределенной поднесущей частоты, и затем
многократно назначать каждую доступную поднесущую частоту для
пользователя низкой скорости и с лучшим каналом для этой скорости.
Таким образом каждый новый пользователь выбирает поднесущие,
наилучшие для него на данный момент. Такой алгоритм иногда
называют "жадным алгоритмом"

Пропорциональный Алгоритм Ограничений Скорости
Слабость алгоритма максимальной справедливости это то, что
распределение скорости среди пользователей не гибкое. Полная
производительность в значительной степени ограничена пользователем
с худшим SNR так, как большинство ресурсов будет распределено в
среднем, т.е. для пользователей с лучшими условиями качество будет
искусственно занижено, а с худшими условиями это качество все равно
может быть недостаточно.
В беспроводной широкополосной сети, весьма вероятно, что различные
пользователи, требуют, чтобы можно было существенно менять
скорости передачи в зависимости от прикладных задач.
Обобщение Максимального алгоритма Справедливости - алгоритм
Пропорционального Ограничения Скорости (PRC Proportional Rate
Constraints) [87]. Цель алгоритма состоит в том, чтобы максимизировать
производительность суммы, с дополнительным ограничением, что,
скорость данных каждого пользователя пропорциональна набору
заранее заданных системных параметров (весовых коэффициентов)
263

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

. Математически, пропорциональное ограничение скорости
передачи данных может быть выражено как:
(8.7)
где

достигнутая скорость передачи данных каждого пользователя

(8.8)

и
может принимать значение либо
либо
, указывая,
используется ли поднесущая частота пользователем или нет.
При алгоритме Максимальной Справедливости все
равны.
Преимущества рассматриваемого метода это то, что любые
произвольные скорости передачи данных можно получить, изменяя
значения
.
Задачу оптимизации с применением алгоритма Пропорционального
Ограничения Скорости (PRC) очень трудно решить непосредственно,
так как это включает одновременное рассмотрение непрерывных
переменные
и двоичных переменных
. Такая функция не
обладает свойством выпуклости и плохо оптимизируется формальными
методами. Что касается случая Максимального Справедливости,
благоразумный подход состоит в том, чтобы отделить поднесущую
частоту и распределение мощности, и соглашаться на почти
оптимальную поднесущую частоту, и распределение мощности который
может быть достигнуто с управляемой сложностью. Почти
оптимальный подход был получен в [83], [88].

Пропорциональное Справедливое Планирование
До сих пор мы обсудили три алгоритма, при которых делается попытка
264

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

попытку мгновенно достигнуть целей - таких как полная сумма,
производительность (MSR алгоритм), максимальная справедливость
(равные скорости данных для всех пользователей), или задать
пропорциональные скорости для каждого пользователя.
Альтернативой этому может быть попытка достигнуть таких целей
через какое-то время, что обеспечивает существенную дополнительную
гибкость к алгоритмам планирования. В этом случае, в дополнение к
показателям - производительность и справедливость, вводится третий
параметр - время задержки. Эта величина показывает, какое время
можно ждать до предоставления оптимального канала пользователю.
Если время задержки приемлемо то, планировщик может просто
подождать, когда параметры его канала были оптимальны. Фактически,
MSR алгоритм достигает и справедливости и максимальной
производительности, если можно предположить, что нет ограничений
на время задержки. Тогда пользователи в долгосрочной перспективе
(порядка минут, часов, или больше) будут иметь в среднем нужные по
качеству каналы. В этом случае можно найти алгоритмы, которые
соблюдают
равновесие
между
временем
задержки
и
производительностью. Заметим, что это и может быть справедливо для
времен порядка секунд. Наиболее популяр ный алгоритм Пропорционального Справедливого Планирования (PF - Proportional
Fairness). Этот PF планировщик разработан так, чтобы использовать в
своих интересах мультипользовательское разнесение, с поддержанием
долгосрочной производительности для всех пользователей.
Пусть

, обозначает мгновенную скорость данных, которую

пользователь
может достигнуть за время , а
-средняя
производительность для пользователя
и
- слот времени.
Пропорциональный планировщик справедливости выбирает для
передачи пользователя, обозначенного как
, с самым высоким
. Это эквивалентно тому, что пользователь выбирает,
через некоторое время (задержка) несущие с самой высокой мгновенной
скоростью
относительно
средней
скорости.
Средняя
производительность
согласно:

для всех пользователей тогда получается

265

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(8.9)

Так как пропорциональный планировщик справедливости выбирает
пользователя с наибольшей мгновенной скоростью передачи данных
относительно средней производительности, то вряд ли может быть
выбран "плохой" канал для каждого пользователя.
С другой стороны, пользователи который были обслужены с
недостаточным качеством последовательно, получают приоритет при
планировании, который и способствует справедливости. Параметр
управляет временем задержки системы. Если
большое, то время
задержки увеличивается для нахождения более высокой суммы
производительности. Если
маленькое, время задержки уменьшается,
так как математическое ожидание производительности изменяется
более быстро, за счет самой производительности.
Пропорциональный планировщик справедливости был широко принят
в пакетных системах передачи данных, таких как HSDPA и 1xEV-DO,
где
обычно устанавливается между 10 и 20.
Одно интересное свойство PF планирования эта то, что при
,
сумма логарифмов пользовательских скоростей данных стремится к
максимуму. То есть PF планирование приводит к максимуму

(8.10)

Хотя пропорциональный
планировщик справедливости
был
первоначально разработан только для систем с временными слотами, он
может быть приспособлен к OFDMA системе.
В системе OFDMA, из-за множества параллельных поднесущих частот в
частотной области, пользователи могут работать на различных
поднесущих частотах одновременно. Первоначальный PF алгоритм
может быть расширен на OFDMA, если обрабатывать каждую
266

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поднесущую частоту независимо.
Пусть
, приемлемая скорость данных для пользователя
на
поднесущей частоте n во временном слоте
. Тогда для каждой
поднесущей частоты, будет выбран для передачи пользователь с
наибольшим
. Пусть
, обозначает набор
поднесущих частот, которые намечен для пользователя
при работе в
слоте времени , тогда средняя пользовательская производительность
получается как:

Конечно возможны и другая взвешивающие функции планирования PF
OFDMA.

Сравнение Рабочих характеристик
В этой секции, мы кратко сравним рабочие характеристики различных
алгоритмов планирования для OFDMA, которые, мы обсуждали, чтобы
определить их преимущества и достоинства.
Алгоритм максимальной производительности. Сначала, мы рассмотрим
выигрыш от много пользовательского разнесения для различных типов
алгоритмов. рис. 8.14 показывает пропускную способность
(нормализованную к полной ширине полосы частот) для статического
(циклического)
TDMA,
для
алгоритмов
пропорциональной
справедливости, и максимальной суммы скоростей (MSR). Как и
ожидалось,
алгоритм
MSR
достигает
лучшей
полной
производительности, и увеличения усиления по мере увеличения числа
пользователей (пропорционально
). Статический TDMA не
дает никакого мультипользовательского усиления, так как пользователи
передают информацию независимо от реализации канала. Может быть
замечено,
что
пропорциональный
алгоритм
справедливости
приближается к производительности алгоритма MSR, с потерями на
ожидание для не полностью обслуженных пользователей.
267

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 8.14. Суммарная произоводительность в зависимости от числа
абонентов, для системы из одной несущей частоты (планирование
только в одной временной области)
Алгоритм справедливости. Алгоритм Максимальный Справедливости
добивается лучших рабочих характеристик для пользователей
находящихся в плохих условиях, с небольшим выигрышем в среднем по
мощности. Для малого числа абонентов (предельный случай 1)
распределение мощности оптимально. Дальнейшее увеличение
абонентов приводит к уменьшению средней производительности,
поскольку идет достижение относительно равного распределения
мощности.
Алгоритм MSR с ожиданием в худшем случае сказывается на нескольких
пользователях, которые не получают никаких ресурсов в течение
существенного периода времени (потери по времени).
Рассмотрим однородную сеть с 8 пользователями. Первый пользователь
имеет средний SNR - 20 децибелов, второй пользователь имеет средний
SNR -10 децибелов, и пользователи 3-8 имеют средние SNR 0
децибелов. Это – типовой сценарий, в котором пользователь 1
находится близко к базовой станции, пользователи 3-8 – возле границы
соты, и пользователь 2 – между ними. Ясно, большая часть ресурсов
будет распределена MSR алгоритмом пользователям 1 и 2.
Плохая сторона этого подхода, конечно, та, что пользователи 3-8
получают производительность приблизительно около нуля. Более
268

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

сбалансированный подход состоял бы в том, чтобы использовать
пропорциональный алгоритм ограничений скорости (PRC - Proportional
Rate Constraint) и принять пропорциональные ограничения скоростей, в
соответствии с SNR, то есть
.
Это позволяет не полностью обслуживаемым пользователям получать
по крайней мере некоторую производительность, при сохранении
большой части мультипользовательских выигрышей от разнесения.
Естественно, более равное назначение
-ым пользователям увеличит
справедливость, в крайним случаем при равенстве всех коэффициентов
можно уравнять скорости данных для всех пользователей.
Итоги Сравнения. таблица 8.8 сравнивает четыре алгоритма
распределения ресурса, которые рассматривались в этой главе для
OFDMA систем. В итоге, Максимальное распределение Скорости
Суммы - лучшее в части полной производительности, имеет низкую
вычислительную сложность, но дает очень несправедливое
распределение скоростей.
Таблица 8.8. Cравнение алгоритмов распределения ресурсов
Суммарная
Алгоритм
Справделивость Сложность
производительность
Максимальная сума
Достаточная и
лучшая
Низкая
скоростей
неизменяемая
Максимальная
Лучшая , но
Достаточная
Средняя
справедливость
неизменяемая
Пропорциональное
Во многом
ограничение
Хорошая
Высокая
гибкая
скорости
Пропорциональная
Хорошая
Гибкая
Низкая
справедливость

OFDMA в WiMAX: Протоколы и Проблемы
В предыдущей секции, обсуждались несколько алгоритмов
распределения системных ресурсов различным пользователям. В
системе OFDMA, такие ресурсы – такие как поднесущие частоты OFDM
269

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

и мощность, выделяемая каждому пользователю. Ниже, дан краткий
обзор важных деталей практической реализации OFDMA. Мы
рассмотрим одну из систем, где применяется OFDMA, это система
мобильной связи –WiMAX. Она использует доступ OFDMA, в сотовых
сетхя, и закончим предостерегающим обсуждением эксплуатации
разнесения в OFDMA вместе с другими типами разнесения.

OFDMA Протоколы.
Хотя алгоритмы планирования не определены стандартами - есть
несколько ключевых признаков OFDMA, которые, действительно
должны быть стандартизированы. Они включают следующие три темы
- формирование подканалов, сообщения отображения, и ранжирование.
Формирование подканалов. Например, в мобильной системе WiMAX,
пользователи распределены по "блокам" поднесущих частот, а не по
индивидуальным поднесущим частотам.
Это диктуется попыткой снизить сложность алгоритма распределения
поднесущих частот и упрощение сообщений отображения такого
распределения.
Предположим, что пользователь
распределен в блоке
.
Поднесущие частоты, эти Lk поднесущих частот могут находиться по
всей ширине полосы частот. Такое распределение известно, как
распределенная перестановклй поднесущей частоты. Они могут все
быть в том же самом частотном диапазоне, такое распределение
известно как смежная перестановка поднесущих частот. Первое
преимущество распределенной перестановки - это улучшенное
разнесение по частоте и устойчивость, в то время как преимущество
смежной
перестановки
увеличение
мультипользовательского
разнесения.
Сообщения отображения. Для того, чтобы каждая подвижная станция
(MS) могла обладать информацией о том, какие поднесущие частоты за
ней закреплены, базовая станция (BS - Base Station) должна передать
эту информацию широковещательно в сообщениях DL-MAP. (рис. 8.7)
BS сообщает в сообщении DL-MAP каждой MS, какие поднесущие
270

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

частоты предназначены для передачи. В дополнение к сообщению DL и
UL распределений для MS поднесущей частоты, MS должна также быть
информирована относительно профиля пакета, используемого в DL и
UL. Профиль пакета, который был представлен в таблица 8.5, основан
на измеренном SNR и BLER в обеих линиях связи, и это
идентифицирует соответствующий уровень модуляции и кодирования.
Эти профили пакета, для реализованной в WiMAX системе адапти вной
модуляции и кодирования.
Порядок расположения поднесущих. Так как каждая MS имеет
уникальное расстояние от базовой станции, это является основным для
сообщений в "вверх", чтобы синхронизировать символы и выровнять
уровни мощности среди различных активных MS, этот процесс
известен, как ранжирование. Ранжирование требует, чтобы BS оценила
интенсивность канала и время прибытия сообщений для данной MS.
Синхронизация по направлению "вниз" не нужна, так как эта линия
связи уже синхронна, но в направлении "вверх", различные активные
пользователи должны быть синхронизированы, к по крайней мере, в
пределах циклического защитного промежутка времени отделяющего их
друг от друга. Если этого не будет, то это приведет к существенным
взаимным влияниям между поднесущими частотами и межсимвольной
интерференции между сотами, но это только допустимо и строго не
требуется.
Регулирование мощности в направлении в "вверх" необходимо по
нескольким причинам, в том числе
1. увеличения срока службы аккумулятора,
2. уменьшения влияния на другую соту,
3. исключение эффекта "подавления" далеких пользователей в той же
самой соте, которые совместно используют символы OFDM.
Эффект подавления происходит из-за ухудшенной ортогональности
поднесущих частот между соседними пользователями передающими
информацию "вверх" ячейки. Ухудшение вызывается проблемами,
возникающими в реальных сетях. Например, различный динамический
диапазон при аналого-цифровом преобразовании (A/D), смещение
несущей частоты (от доплеровского эффекта - Doppler и несоответствия
генераторов, которое не скорректировано при ранжировании), и
271

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

несовершенства синхронизации. Проблема регулирования мощности
вверх в WiMAX подобна проблеме "ближний – дальний" при CDMA,
хотя значительно менее строгая (при регулировании "вверх" при CDMA,
регулирование мощности должно быть чрезвычайно точным).
В WiMAX существуют:, четыре типа процедур, располагающих
поднесущие:
начальная процедура расположения,
периодическая процедура расположения,
запрос ширины полосы частот,
порядок расположения для соединений
Процедура выполняется передачей двух или четырех последовательных
символов, что базовой станции (BS), определить качество связи с MS.
Если процедура расположения поднесущих прошла успешна, то BS
передает команду (RNG-RES), т.е. сообщение которое позволяет MS на
соответствующие поднесущие частоты, синхронизировать передачу и
прием, и установить мощность. Если расположения поднесущих было
неудачным, MS увеличивает, свою мощность, и передает новое
сообщение запрос на запуск процедуры расположения поднесущих.
Процедура продолжается до достижения успеха.

Сотовый OFDMA
Рассмотренные выше алгоритмы планирования, все очень зависят от
отношения сигнал/шум (SNR) для каждого пользователя. Выбор набора
поднесущих затрагивают пользователей каждой базовой станции в
смежных ячейках.
Например, MS возможно с низким SNR на границе соты в системе
GSM, выберет для передачи "вверх" высокую мощности, это понизит
эффективные SNR всех пользователей в соседней соте, возможно
изменяя идеальное распределение поднесущих частот и пакет
профилей. Поэтому, применение OFDMA в сотовой системе имеет
преимущества перед другими технологиями при подавлении или
устранении возможностей интерференции от смежных ячеек.
272

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Простой подход состоит в том, чтобы использовать уникальный план
скачков частоты для каждой базовой станции, чтобы рандомизировать
(сделать случайными) к интерференции другой – соты [88], [74]. Этот
подход, который популяризирует фирма Flarion7) (теперь Qualcomm) в
технологии, называемой FLASH-OFDM. Хотя эта схема уменьшает
вероятность интерференции для худшего случая, в случае высокой
нагрузки. Но уровень интерференции, может нарастать быстрее, чем
интервал между скачками частоты, и вероятность конфликта может
стать большой [85].
Естественно, лучшие рабочие характеристики могут быть получены,
если есть взаимодействие между базовыми станциями. Например,
можно установить главный планировщик для всех базовых станций,
который, знал бы состояние каналов каждой базовой станции и
создавал списки распределения ресурса для многих сот соответственно.
Это предельно сложно из-за:
1. необходимости передавать большие количества информации в
реальном масштабе времени к и от этого централизованного
планировщика,
2. вычислительные трудности, это большой объем обработки этого
количества информации, чтобы определить оптимальное или
почти оптимальное глобальное распределение ресурса.
Более простые подходы возможны: если осуществлять согласование
только между соседними базовыми станциями. Это нужно, чтобы
удостовериться, что они не назначают те же самые поднесущие частоты
для пользователей находящихся рядом в различных сотах.
В заключении отметим, что использование пространственного
разнесения каналов по многим антеннам, усложняет планирование
размещения поднесуших, поскольку сама такая технология
подразумевает распределение поднесущих по антеннам.

Инициализация вызова и запрос полосы.
Физический уровень позволяет разместить поступающие вызовы в
273

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

частотной радио полосе, предоставленной данной базовой станции.
Процесс инициализации вызова используется не только на
первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной
станции, для регулировки параметров, например, при временных
сдвигах или изменениях уровня мощности.
В случае инициативы абонентской станции к базовой передается
специальный запрос на инициализацию. (При входящей связи сигнал
запроса на инициализацию не требуется). Приняв сигнал запроса,
базовая станция начинает процесс инициализации. В начале
формируется
псевдослучайная
последовательность.
Эта
последовательность формируется генератором псевдослучайного кода с
помощью циклического полинома. Всего для запроса предусмотрен
набор из 256 кодов. Код – это последовательность бинарных символов с
длиной - 144 бита. Символы модулированы методом двоичной фазовой
манипуляции (BPSK – Binary Phase Shift Keying). Для передачи это
последовательности используется 6 смежных подканалов с 24–мя
поднесущими каждый. В качестве исходных данных для формирования
псевдослучайного кода используется идентификатор соты U-ID –Cell.
Значение самого кода зависит от момента обращения к генератору
псевдослучайных
чисел
и
числу
тактов
формирования
последовательности.
Базовая станция формирует три последовательности кодов:
1.
2.
3.

– код процесса инициализации;
– процесса периодической подстройки;
– код запроса полосы.

При начальной инициализации необходимы все три процесса.
Получив наборы кодов в соответствии с номером (идентификатором)
базовой станции и картой распределения информации (UL MAP),
абонентская станция определяет местоположение наборов в
сообщении. Абонентская станция случайным образом выбирает один
код из предложенного множества кодов и передает его назад к базовой
станции.
Различные абонентские станции могут конкурировать за пропускную
274

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

полосу и их запросы могут прийти на базовую станцию одновременно.
Базовая станция выбирает одну из них и посылает ей обратную
информацию. В ответном сообщении размещается информация:
полученный псевдокод, подканал и номер OFDDM символа, в котором
был передан этот код. Абонентская станция, приняв это подтверждение,
подготавливается к принятию информации о выделяемом ресурсе. В
следующем широковещательном сообщении передается информация:
идентификатор соединения (CID- Connection ID), идентификатор
сервиса (SID – Service ID), необходимые для контроля параметры. Далее
абонентская станция начинает процедуру аутентификации и
регистрации.
С учетом возможности поступления одновременных вызовов, код,
выбранный
абонентской
станцией,
транслируется,
в
двух
последовательных символах. Это обеспечивает интервал времени
достаточный для разрешения конфликта. В случае большой вероятности
многих вызовов указанный интервал увеличивают с помощью посылки
четырех последовательных сообщений. Если передается сообщение
периодической подстройки параметров, то оно передается в одном
символе. Сообщение запроса полосы указывает либо номер полосы,
либо специальный код.

Краткие итоги к лекции 8
(Ортогональный многостанционный доступ с частотным
разделением каналов (FDMA) базируется на системе
мультиплексирования OFDM.
( Ортогональное Частотное разделение каналов (OFDM –
Orthogonal Frequency Division Multiplexing) методика
мультиплексирования, которая подразделяет полосу канала на
множество поднесущих частот.
(Ортогональное Частотное разделение каналов (OFDM) методика мультиплексирования, которая подразделяет полосу
канала на множество поднесущих частот. Входной поток данных
разделен на несколько параллельных подпотоков с уменьшенной
скоростью передачи данных (с увеличением продолжительности
каждого передаваемого на этой частоте знака). Каждый подпоток
модулируется и передается на отдельной ортогональной
275

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поднесущей частоте.
(Для устранения межсимвольной интерференции, вводится
циклический префикс (CP). Наличие циклического префикса
создает временные паузы между отдельными символами, и если
длительность охранного интервала превышает максимальное
время задержки
сигнала
в
результате
многолучевого
распространения.
(Структура подканала OFDM содержит три типа поднесущих
частот:
поднесущие информационные частоты для передачи данных,
поднесущие частоты для передачи пилот сигналов (для измерений
и целей синхронизации), нулевые поднесущие частоты,
используемые для защитных интервалов частот.
(При формировании подканалов в направлении "вниз"
применяются
способы:
каналообразование
с
полным
использованием поднесущих частот (FUSC), каналообразование с
частичным использованием поднесущих частот (PUSC), смежные
перестановки c адаптивной модуляцией и кодированием AMC
(Adoption modulation and Coding).
(Есть два типа формирования подканалов из поднесущих частот:
смежные и с разнесением. В первом случае для подканала
выбираются поднесущие, которые находятся рядом в диапазоне
частот.
(Режим OFDMA, применяемый в Мобильных сетях основан на
концепции наращиваемого OFDMA (S-OFDMA). Наращивание
поддерживается,
регулировкой
числа
шагов
быстрого
преобразования Фурье (БПФ – FFT).
(Распределение поднесущих частот для формирования подканала
зависит от способа использования поднесущих частот и
направления передачи информации.
(Гибкость
использования
OFDM
обеспечивается
сегментированием и созданием зон переключения. Сегмент – это
объединение части доступных OFDM подканалов (в крайнем
случае, один сегмент может содержать все подканалы),
используемых для обслуживания единственного экземпляра
процесса управления доступом к среде (MAC). Зона
переключения - множество смежных OFDMA символов в вниз
(DL) или "вверх" (UL) в каждой из которых использованы одни и
те же методы разделения каналов.
276

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(Стандарты предусматривают для физического уровня дуплексную
работу по принципу дуплексная передача с временным
разделением (TDD) и полудуплексная передача по принципу
"полудуплекс в частотным разделением" (HD FDD).
(Принцип TDD имеет следующие преимущества: возможность
регулировки отношения скоростей "вверх" и "вниз", обеспечивает
взаимодействие с адаптивной антенной системой, не требует
парных каналов.
(Кадр для принципа дуплекса c временным разделением (TDD)
содержит поля: преамбула, заголовок управления кадром, карты
распределения информации
для направлений, порядок
расположения информации, индикатор качества канала,
подтверждение.
(При Ортогональном Многостанционном доступе с частотным
разделением каналов (OFDMA - Orthogonal Frequency Division
Multiple Access), пользователи совместно используют поднесущие
частоты.
(OFDMA - гибкая методика многостанционного доступа, которая,
может согласовать работу многих пользователей с большим
набором меняющихся приложений, скоростями передачи данных,
и требованиями Качества обслуживания.
(Два ключевых принципа обеспечивают высокую эффективность
в OFDMA: - мультипользовательское разнесение и адаптивная
модуляция.
(Управление адаптивной модуляцией поддерживает различные
виды модуляции. Для направления "вниз" (DL) обязательной
является поддержка QPSK(Квадратурно-фазовая манипуляция),
16QAM и 64QAM (Квадратурно фазовая модуляция).
(Cовокупность пользователей OFDMA может быть также
снабжена доступом TDMA и CDMA
(Программа – быстрый планировщик базовой станции определяет
соответствующую скорость данных (или параметры пакета).
Ключевая проблема, что AMC должна эффективно управлять
тремя различными величинами сразу: мощность передачи,
скорость передачи (совокупность), и скорость кодирования.
(Канал Индикатора Качества Канала (CQI) используется для того,
чтобы обеспечить передачу информации о состоянии канала от
пользовательских терминалов к программе - планировщику
базовой станции.
277

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(Беспроводные системы связи используют такие современные
решения адаптивную модуляцию и кодирование.
(Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ -Hybrid
Automatic Repeat Request) позволяет использовать N каналов в
старт-стопном режиме с поблочным повторением. При
использовании этого метода, после отправки кадра передатчик
делает паузу, в течение которой ожидается прием подтверждения.
В зависимости от типа подтверждения (положительное - ACK)
(OFDMA использует множество алгоритмов распределения
ресурсов Идея разработки таких алгоритмов состоит в том, чтобы
определить на время соединения (сеанса) порядок, назначения
пользователям поднесущих частот, и для каждого пользователя на
каждой поднесущей частоте определить соответствующую
мощность.
(Цель алгоритма максимальной суммы скорости (MSR - maximum
sum rate), как указывает название, максимизировать сумму
скоростей всех пользователей, с учетом ограничения полной
мощности передачи.
(Алгоритм максимальной справедливости (fairness algorithm)
распределяет поднесущие частоты и мощность так, чтобы скорость
данных передаваемая минимальным пользователем была
максимальна.
(Цель алгоритма Пропорционального Ограничения Скорости
состоит в том, чтобы максимизировать производительность
суммы, с дополнительным ограничением, что, скорость с
дополнительным ограничением, что, скорость данных каждого
пользователя пропорциональна набору заранее заданных
системных параметров (весовых коэффициентов).
(Процесс инициализации вызова используется не только на
первоначальном этапе, но и периодически при работе подвижной
станции, для регулировки параметров, например, при временных
сдвигах или изменениях уровня мощности.
1)

Название ортогональные связано с тем, что поднесущие обладают
свойством ортогональности, т.е коэффициент взаимной корреляции
между ними равен нулю
2)
Направление "вниз" (DL – Down Link) – линия в направлении от
центрального узла к периферийному, в данном случае – от базовой
станции к мобильной. Направление "вверх" (UL – Up Link) - линия в
278

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

напралении от периферийного узла к центральному в данном случае от мобильной станции к базовой
3) Буквальный перевод tile – одна черепица, элемент мозаичного панно
4)
Экземпляр процесса представляет собой одну конкретную
реализацию процесса, который использует соббственные данные
экземпляра процесса. Например, телефонная станция устанавливает
несколько исходящих соединение. Порождается несколько экземпляров
процесса установления соединений, отличающихся данными
(исходными и полученными в процессе обработки).
5) Разнесение (diversity)- метод улучшения качества приема и передачи
информации, основанный на организации нескольких каналов для
приема и передачи одной и той же информации по нескольким каналам
6)
В этой секции, мы будем использовать формулу пропускной
способности Шеннона как меру производительности. Практически, есть
промежуток между достигнутой скоростью данных и максимумом
(согласно Шеннона) скорости, которая может быть просто
охарактеризована с промежутком SNR нескольких децибелов. Поэтому
этот подход к распределению ресурса правилен, но точные числа, здесь
являются оптимистическими
7) Компания Qualcomm объявила о покупке фирмы Flarion Technologies,
которая является держателем лицензии на технологию FLASH-OFDM
(flash Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)

279

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Технологии SDH
Дается описание высокоскоростной технологии передачи —синхронной
цифровой иерархии (SDH). Приводится описание элементов этой
системы и образование групповых трактов. Показана архитектура
различных
сетей
SDH.
Изложены
методы
передачи
мультиплексированных потоков с большим объемом информации и без
полного демультиплексирования при выделении каналов на
транзитных участках. Рассмотрены методы повышения надежности и
устойчивости сетей SDH.

Образование групповых трактов высокого порядка.
Плезиохронная цифровая иерархия
Известно,
что
широко
распространенная
технология
мультиплексирования ИКМ-30 (ИКМ — импульсно-кодовая модуляция)
использует принципы образования группового тракта, который
позволяет в течение 125 мкс передать информацию 32 каналов (30
пользовательских и 2 служебных). Однако по мере роста потребностей
набор типов аппаратуры расширялся, и увеличивались скорости,
достигаемые при передаче по физическим каналам. Появились
устройства, способные за то же время 125 мкс передавать информацию
для 120 каналов (ИКМ —120), 480 (ИКМ — 480), 1920 (ИКМ-1920) и
7680 каналов (ИКМ —7680). В международных документах они имеют
следующие обозначения: ИКМ-30 — E1, ИКМ —120 -E2, ИКМ — 480
—E3, ИКМ-1920- E4, ИКМ —7680-E4. Для Северной Америки и
Канады принята другая иерархия: 24 канала — DS-1, 96 каналов — DS2, 672 канала — DS-3, 4032 канала — DS-4. Для Японии принята
следующая иерархия: 24 канала — DS-1, 96т каналов — DS-2, 480
канала — DSJ-3, 1440 каналов — DSJ-4.
Эти ряды, перечисляющие возможные иерархии цифровой аппаратуры
передачи информации, называются плезиохронной цифровой
иерархией ПЦИ (PDH — Plesiochronous Digital Hierarchy).
Ниже в таблице 9.1. приведены основные характеристики
систем,входящих в плезиохронную иерархию.Показанные в таблице 9.1
уровни цифровой иерархии имеют следующие названия:
280

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

0-й уровень — основной цифровой канал (ОЦК);
1-й уровень — первичный цифровой канал (ПЦК);
2-й уровень — вторичный цифровой канал (ВЦК);
3-й уровень — третичный цифровой канал (ТЦК);
4-й уровень — четвертичный цифровой канал (ЧЦК).

Таблица 9.1. Основные характеристики систем, входя
Характеристики систем
Уровень Американские системы
Японские системы
иерархии Скорость Коэффициент
Число
Коэффициент
Скорость
Кбит\сек мультиплексирования каналов
мультиплексиро
0
64
1
64
1
1544
24
24
1544
24
2
6312
4
96
6312
4
3
44736
7
672
32064
5
4
274116 6
4032
97728
3

Рассматриваемые системы передачи имели следующие недостатки.
Первый недостаток — многообразие систем передач с различными
скоростями требовало согласования систем передач, что в большинстве
случаев решалось только переходом к аналоговой форме сигнала и
переходу от одной системы передачи к другой. На магистральных
международных системах передачи при этом ухудшалось качество
передаваемого сигнала. Такое изменение существенно сказывалось на
сбыте продукции, поскольку установка различных систем не могла быть
поддержана единой телекоммуникационной транспортной сетью.
Другой способ согласования различающихся скоростей — добавление
при передаче выравнивающих бит; при приеме эти биты изымаются.
Добавления и изъятия усложняют промежуточный вывод отдельных
каналов на транзитных участках. В результате проявляется второй
недостаток.
Второй недостаток. После того как цифровые системы начали широко
развиваться не только на магистральных направлениях (междугородних
281

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

и международных), они стали применяться на межстанционных связях,
а также для выделения в аренду различным предприятиям, где требуется
относительно малое число каналов. Таким образом, выявилось
противоречие между выпуском экономически выгодных систем,
рассчитанных на большое число каналов, и массовыми потребностями
в аренде малого числа каналов.
Третий недостаток плезиохронных систем — небольшое количество
служебной информации. Из-за этого становится невозможной
маршрутизация транспортных потоков, что существенно снижает
способность транспортной сети к поддержанию связи во время отказов
отдельных участков.
Для устранения этих недостатков в США разработана и принята
система стандартов Синхронной оптической сети — Synchronous Optical
Network —(SONET). Эта система была принята в 1985 году комитетом
T1/ X1 ANSI [13-19], а в 1988 году она была адаптирована ITU-T
(International Telecommunication Union — Telecommunication) к Европейским
стандартам. Также была разработана единая версия синхронной
цифровой иерархии — SONET/SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
[63]Вначале эта версия предназначалась для применения в оптических
сетях, теперь она применяется и при наличии другой широкополосной
физической сети.

Основные участки системы SONET/SDH
В системе SONET/SDH определяется три
соответственно, три вида оборудования (рис. 9.1):
секционное (регенераторное) оборудование;
линейное (мультиплексное) оборудование;
маршрутное оборудование.

282

участка

передачи,

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.1. Структура системы SONET/SDH
Термины на рис.9.1 определяются следующим образом:
Секция (регенерационная секция) — это участок кабельной или
волоконно-оптической линии связи между двумя активными
элементами, называемыми регенераторами.
Линия связи (мультиплексорная секция) — это несколько секций,
расположенных между промежуточными мультиплексорами ввода/
вывода МВВ (ADM — Add Drop Multiplexer). Они допускают работу в
транзитном режиме и в режиме ввода/вывода дополнительных каналов
в "проходящий" транзитом сигнал или из него, осуществляемую без
демультиплексирования всего сигнала до уровня вводимого или
выводимого сигнала.
Маршрут — в данном случае это совокупность линий между
оконечными мультиплексорами (TM — Terminal Multiplexer). Этот
мультиплексор преобразует вводимые стандартные каналы в сигналы
системы SONET/SDH и обратно. В терминологии ANSI оконечные
мультиплексоры называют также оконечными точками маршрута (PTE
— Path Terminating Element).

Иерархия модулей
Модули разделяются по уровням. В системе SDH известны следующие
283

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

уровни иерархии модулей [26]
STM-1 — синхронный транспортный модуль первого
уровня,имеет скорость 155,52 Мбит/с. Этот модуль является
основой системы SDH. Путем мультиплексирования нескольких
модулей STM-1 получаются модули более высоких уровней.
STM- 4 — синхронный транспортный модуль четвертого
уровня,имеет скорость 622,08 Мбит/с.
В рекомендациях ITU [11] определен модуль STM-N —
синхронный транспортный модуль уровня N, где N = 1, 4, 16,
256,с соответствующим этим коэффициентам увеличением
скорости.
В России на радиорелейных линиях применяется STM-0
синхронный транспортный модуль нулевого уровня. Он имеет
скорость 51,84 Мбит/с> и не входит в иерархию SDH.
В рамках системы SONET основная единица иерархии — синхронный
транспортный сигнал STS1 (Synchronous Transport Signal) уровня 1.
Остальные синхронные транспортные сигналы более высоких уровней
получаются мультиплексированием и увеличением скорости в n раз. Это
число может принимать 14 значений:

Сигналы выше уровня 3 принято обозначать [27] как OC (Optical
Carrier) — оптическая несущая иерархии SONET. При этом сигналы
выше 9-го уровня считаются гипотетическими электрическими
синхронными транспортными сигналами. Это название указывает на
проблемы с реализацией таких сигналов в электрической форме.

Принципы
мультиплексирования
SDH/SONET

в

иерархии

Принцип передачи сигналов заключается в том, что каждые 125 мс
передается стандартный синхронный модуль (рис. 9.2), который
называется "синхронный транспортный модуль" (STM — Synchronous
Transport
284

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Module). Рассмотрим детальнее модуль STM1 [[79] При передаче в канал
он содержит 9 временных положений [2]в каждом, из которых
содержатся 270 байтов (8 битовые единицы). Таким образом, требуемая
скорость равна

Рис. 9.2. Формат кадра синхронного транспортного модуля STM-1
Из нескольких циклов, составляющих формат модуля STM-1 (в данном
случае это цикл нижнего уровня), может быть составлен мультицикл
(сверхцикл), содержащий несколько циклов нижнего уровня. Для
объединения нескольких модулей
используется конкатенация
(сцепление).Каждый из модулей нижнего уровня, входящий в модуль
высокого уровня, имеет байты для определения его места как
компонента более высокоскоростного канала. Эти указатели
местоположения начала модулейнижнего уровня включаются в
служебную информацию модуля верхнего уровня. При этом содержание
бит каждого временного положения увеличивается. На рис.9.3 показан
модуль STM-4, который объединяет четыре модуля STM-1.

285

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.3. Формат кадра синхронного транспортного модуля STM-4
При этом содержание каждого из временных положений увеличивается
в 4 раза и составляет по
, из них:
— транспортный заголовок;
— маршрутный заголовок;
— полезная нагрузка.
Линейная скорость увеличивается тоже в 4 раза:

При STM-16 указанные поля формата увеличиваются в 16 раз, и
соответственно увеличивается скорость. Сигнал STM-N создается
путем чередования байтов STM-1, которые взаимно синхронизированы
(рис. 9.4).
Временное (частотное) выравнивание скоростей производится при
генерации каждого STM-1. Если имеются сигналы от другого узла SDH,
с другой скоростью или частотой, то для выравнивания их скоростей
вставляются выравнивающие байты, чтобы синхронизировать тактовые
импульсы местного узла. Поэтому независимо от происхождения
трафика перед мультиплексированием все модули STM-1, вставляемые в
STM-N имеют одинаковую скорость передачи, а также один и тот
286

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

формат.

Рис. 9.4.
Чередование байтов в формате кадра синхронного
транспортного модуля STM-4
Заметим, что чередование байтов достаточно просто осуществляется
только тогда, когда все STM-1 имеют одинаковую структуру полезной
нагрузки, например, несущую только одинаковые данные потока
. Особые правила (правила бесконфликтной
взаимосвязи) применяются в том случае, если используется каскадное
мультиплексирование. Например, четыре STM-1 загружаются в один
модуль STM-4 и далее полученные модули загружаются как 4STM-4 в
модуль STM-16. В этом случае первый каскад использует
мультиплексирование по байтам, а второй — по группам, состоящим из
четырех байт. Подробные требования к правилам бесконфликтной
взаимосвязи можно прочесть в [27]

Содержание служебных заголовков
В качестве примера содержания заголовков рассмотрим значения
транспортного заголовка модуля STM-1. Как видно на рис.9.2 ,
транспортный заголовок передается в каждом из 9 временных
положений. Для большей наглядности изложения содержание
служебных заголовков принято изображать в виде прямоугольных
таблиц Каждая клеточка такой таблицы обозначает один байт. Байты
передаются слева направо сверху вниз. Чтобы указать связь между рис.
9.2 и таблицей9.2 , в ней приведены номера временных положений, в
которых передается эта информация. Транспортный заголовок (Section
287

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Over Head — SOH), показанный в таблице 9.2 , разделяется [1] на:
заголовок регенераторной секции (Regeneration SOH — RSOH);
заголовок мультиплексной секции (Multiplexer SOH — MSOH).

Информация секционного заголовка

1
2
3
4
5
6
7
8
9

Таблица 9.2. Содержание транспортного заголовка модуля STM-1
Номер
Номер
Транспортный заголовок
строки
положения
0
А1 А1 А1 А2 А2 А2 С1 * *
1
В1 д д E1 д
F1
X X
2
D1 д д D2 д
D3
Указатели административного блока Н
3
1,Н2,Н3
4
B2 B2 B2 K1
K2
5
D4
D5
D6
6
7
8

D7
D8
D9
D10
D11
D12
Z1
Z1 Z1 Z2 Z2 Z2 E2
X

В таблице 9.2 приняты следующие обозначения:
- Байты,зарегестрированные для локального (национального )
использования
- Нешифруемые байты.Они не должны содержать
конфедициальную информацию
- байты зависящие от системы передачи
— байты кадровой синхронизации, предаются в 0-вом
временном положении так же, как и в системе ИКМ. При этом
,а
;
— применяется для обозначения порядкового номера модуля
STM-1 в последовательности высокого порядка и равен
. В данном случае, когда применяется единственный
288

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

модуль
, он также указывает на место байта,
соответствующего каждому модулю STM-1 во временных
последовательностях модулей более высокого порядка;
— байт, позволяющий проводить проверку на четность с
целью обнаружения ошибок в предыдущем цикле (по методу BIP8 1);
— служебный голосовой канал ИКМ секционного уровня со
скоростью 64 Кбит/с;
— внешний канал со скоростью 64 Кбит/с для нужд
пользователя;
— образуют один канал передачи данных со скоростью
192 Кбит/с, используемый при устранении аварии, для контроля и
управления между секциями.
Большое число служебных каналов расширяет
эксплуатации и устранения неисправностей.

возможности

Информация линейного заголовка
— байт, позволяющий проводить проверку на четность с целью
обнаружения ошибок в чередовании битов на линии (по методу BIP-8).
— два байта для передачи сигналов при управлении
автоматическим переключением.
образуют один канал передачи данных со скоростью 576
Кбит/с, используемый при устранении аварии, для контроля и
администрирования на уровне линии.
— резервные байты, за исключением бит 5-8 байтов
используемых для сообщений о статусе синхронизации [56]

,

— служебный голосовой канал со скоростью 64 Кбит/c на уровне
линии.
Информация маршрутного заголовка и административные указатели
будут рассмотрены далее.
289

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Отображение полезной нагрузки
Синхронная иерархия SDH, как уже было сказано, использует для
передачи информации транспортные модули, передаваемые каждые 125
мкс. Эти модули строятся по принципу виртуальных контейнеров.
"Упаковка" этих контейнеров может быть разнообразной и подчиняется
рекомендациям (ITU, ETSI, ANSI). На рис. 9.5 показан пример упаковки
контейнеров согласно Европейской версии рекомендаций ITU для
иерархии SDH [9].
На рис.9.5 видна иерархия вложения контейнеров.
C-n — контейнеры нижнего уровня. В эти контейнеры загружаются
lанные первичных потоков PDH (см. таблицу 9.1 ). В дальнейшем
формируются контейнеры следующего уровня.
V-n — виртуальные контейнеры, которые позволяют разместить данные
потоков нижнего уровня в структуре мультиплексирования SDH. Для
этого к данным контейнера C-n добавляется маршрутный заголовок
(рис. 9.2, рис. 9.3, рис. 9.4), позволяющий обработку данных на
транзитных участках. Самый крупный виртуальный контейнер
позволяет разместить не только контейнеры в модуле STM-N
(европейская интерпретация ITU [21]) нижнего уровня, но также блоки
более высоких уровней TUG-3, о которых сказано ниже. Например,
указанный на рис. 9.5 TUG-3. Как видно на рис.9.5 , каждый контейнер
нижнего уровня обязательно преобразуется в виртуальный контейнер.
Например, C-1 в VC-1, C-2 в VC-2, C-3 в VC-3 и C-4 в VC-4.

290

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.5. Структура упаковки контейнеров
Для дальнейшего изложения нам понадобится термин "триб", поэтому
приведем определение этого термина [73]
Триб — цифровой поток или сигнал (набор данных), используемый в
схеме мультиплексирования PDH или SDH или SONET иерархий для
формирования более высокого уровня иерархии. В [27] приведены
также определения трибов PDH и SDH.
Трибные блоки (TU —Tributary Unit) — виртуальные контейнеры VC-n
(один или несколько) могут инкапсулироваться в состав трибных блоков
(TU — Tributary Unit). Для перехода к трибному блоку TU необходимо к
информации виртуального контейнера добавить — указатель трибного
блока PTR (Pointer). Каждый из трибных блоков соответствует своему
типу виртуального контейнера на рис.9.5 , VC-1 в T-1, VC-2 в T-2, VC-3
в T-3 [84]. Если виртуальный контейнер большого размера (на рис. 9.5
VC-4), он может сам инкапсулировать1) другие трибные блоки.
Группа трибных блоков (Tributary Unite Group) получается путем
мультиплексирования трибных блоков. Трибные блоки (рис. 9.5) TU-1 и
TU-2 мультиплексируются в TUG-2, TUG-2 — в TUG-3, который, как
сказано выше, может инкапсулироваться в виртуальный контейнер VC4.
Следует
обратить
внимание
на
различие
процесса
мультиплексирования
(в
данном
случае
побайтного)
и
инкапсулирования, которые уже были рассмотрены выше.
Еще раз напомним, что на рис. 9.5 приводится один из возможных
вариантов упаковки информации в модуле STM-1. Для других
возможных вариантов можно рекомендовать Административный блок
(AU — Administration Unit) получается путем объединения виртуального
контейнера VC-4 и указателя административного блока (AU-PTR).
Группа административных блоков (AUG — Administration Unit Group)
содержит в Европейском варианте схемы мультиплексирования
технологии SDH только один административный блок (в вариантах
схемы мультиплексирования технологии SONET он состоит из двух
административных блоков).
Порядок размещения информации в контейнерах и блоках структуры
291

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

SDH Размещение информации в перечисленных контейнерах и блоках
структуры SDH подчиняется схемам, которые предложены
международными организациями ITU, ETSI и ANSI. Они подробно
рассмотрены в [27]. Ниже приводится европейская интерпретация ITU
упаковки контейнеров в модуле STM-N, принятая ETSI в 1992 году. Она
показана на рис.9.6.

Рис. 9.6. Схема мультиплексирования PDH-трибов в технологии SDH
(редакция ETSI 1992 г.)
В дальнейшем нас будет интересовать путь формирования модуля STM1 из триба E1.. В настоящее время имеется только один путь такого
формирования.
Контейнеры C-n. Типы контейнеров определяются уровнями PDH
иерархии (см. рис. 9.1). Состав контейнерных блоков и их
характеристики приведены в табл.9.3.
Таблица 9.3. Состав контейнерных блоков и их характеристики
Номера
Возможное
Скорости из ряда иерархий АС
контейнерных
разбиение блоков
и ЕС (Мбит/с)
блоков
С-1

С-2

С-11
С-12

1544
2 048

С21

6312
8 448 ( в старой схеме
мультиплексирования SDH)

С-22
292

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

С-3
С-4

С-31
С-32
Подуровней не
имеет

44736
34 368
139 64

— контейнеры, соответствующие
первичному, вторичному, третичному и четвертичному уровням. При
этом они могут быть двух типов:
1.

—
контейнеры,
позволяющие
инкапсулировать цифровые каналы американской иерархии PDH.
2.
— контейнеры, позволяющие
инкапсулировать цифровые каналы европейской иерархии PDH.
Емкость каждого контейнера позволяет периодически загружать
информацию указанных выше потоков. Например, емкость контейнера
C-12 предназначена для переноса последовательности первичных
каналов европейской PDH-иерархии в 32 байта, повторяющегося
каждые
(интервал такой же, как и всего модуля STM-1). При
загрузке этой информации в контейнер добавляются служебные и при
необходимости выравнивающие биты, что увеличивает емкость этого
контейнера до 34 байт.
Контейнеры V-n Каждому из контейнеров C-n соответствует
виртуальный контейнер VC-n (см. рис. 9.5). Он состоит из полезной
нагрузки (PL — PayLoad) и маршрутного заголовка (POH — Path
Overhead). Полезная нагрузка формируется из контейнеров либо из
других компонентов системы SDH (например, виртуальные контейнеры
большой емкости могут содержать трибные блоки, которые будут
рассмотрены далее). Например, на рис.9.7 показано отображение
одного контейнера C-12 в виртуальный контейнер VC-12 модуля STM1. Он содержит маршрутный заголовок и 4 столбца полезной нагрузки,
каждый по 9 байтов (36 байтов). Таким образом, скорость передачи
полезной информации равна

293

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Таким способом каждый из 9 временных промежутков, показанных на
рис.9.2 , переносит информацию одного потока PDH — E1 занимает 4
бита. Назначение байтов маршрутного заголовка следующее:
— канал передачи данных со скоростью 64 Кбит/c;
используется для передачи информации терминалу на стороне
приема, обеспечивающей проверку целостности всего маршрута;
его содержание программируется пользователем;
— байт, позволяющий проводить проверку на четность с
целью обнаружения ошибок на линии (по методу BIP-8);
— указатель на уровне маршрутного сигнала, показывающий
структуру полезной нагрузки для ее интерпретации на стороне
приема;
— байт состояния, посылаемый от приемного оборудования
к передающему, несущий информацию о состоянии оконечного
оборудования и о наличии ошибок или сбоев на удаленном конце;
— канал 64 Кбит/c для пользователя данного маршрута;
— обобщенный индикатор полезной нагрузки, используется
при инкапсуляции низкоскоростных каналов в высокоскоростные;
— зарезервированные байты.
Как видно на рис. 9.2, поле полезной нагрузки состоит из 260 байт,
поэтому полезная нагрузка модуля может быть больше, чем сигнал
одного потока PDH-E1. Для этого может быть образован трибный блок
(Tributary Unit TU), который включает в себя несколько виртуальных
контейнеров.
Трибный блок (TU) Преобразование последовательности виртуальных
контейнеров (VC) в трибный блок TU может проводиться в двух
режимах — фиксированном и плавающем.
Преобразование в плавающем режиме При организации трибного блока
в плавающем режиме применяется указатель трибного блока — TUPTR. Рассмотрим такое преобразование на примере формирования TU12— этот пример показан на рис.9.8 . Как видно из рис.9.6 , четыре
последовательных виртуальных контейнера VC-12 содержат 144 байта.
Эти байты показаны на рис. 9.8 в виде четырех столбцов, каждый из
которых содержит по 36 бай (4 раза по 9 строк). Столбцы образуют
294

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

суперкадр длительностью 500 мкс. Из них четыре — это служебные
байты:
. Служебные байты имеют фиксированное
положение и их адреса определяются последними битами обобщенного
индикатора полезной нагрузки
в маршрутном заголовке.
Оставшиеся 140 байт образуют полезную нагрузку виртуального
контейнера
. Полезная нагрузка разделена заголовками
,
отделяющими
виртуальные
контейнеры
. Эти заголовки расположены на
одних и тех же относительных позициях поля полезной нагрузки.

Рис. 9.7. Структура трибного блока TU-12
Указатели
и
рассматриваются как единое 16-битовое поле,
которое содержит служебные биты и биты выравнивания и указателя
(рис. 9.9).

295

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.8. Формат 16-разрядного поля, составленного из указателей V1 и
V2
1-4 биты — флаг новых данных. Указывает на то, что изменилась
величина содержимого трибного блока. Его значение равно 0110,
а при изменении размеров трибного блока это значение
инвертируется— 1001.
5-6 биты указывают тип трибного блока для TU-12 и имеют
двоичное значение 10.
7-16 содержат указатель, который может принимать значения от
0- 139.
Поля
и
используются для выравнивания (justification)
информации для подстройки в случае изменения из-за расхождения
296

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

частот генераторов. Это делается путем добавления или удаления
специальных подстраивающих битов . При этом
используется для
положительного выравнивания (добавления битов), а
— для
отрицательного (вычитания битов). Байты
виртуального
контейнера зарезервированы формально и служат только для отметки
границы между виртуальными контейнерами. На рис.9.10 показана
структура поля полезной нагрузки одного виртуального контейнера при
передаче сигналов поток
в терминальном блоке TU-12.

Рис. 9.9. Структура поля полезной нагрузки одного виртуального
контейнера при передаче сигналов поток E1 в терминальном блоке TU12 в плавающем режиме
Как показано на рис.9.10, полезная нагрузка одного виртуального
контейнера трибного блока TU12 содержит:
одно поле 2 байта (заголовок
и 1 байт служебного поля);
три поля по 35 байт (поле каналов — 32 байта и 3 байта
служебного поля);
одно поле 33 байта (поле каналов — 32 байта и 1 байт служебного
поля).
Общий объем — 140 би.
Преобразование в фиксированном режиме Фиксированный режим
(иногда его называют асинхронным) использует механизм вставки
битов. Поток битов контейнера
непосредственно вставляется в
информационные поля. Если потоки виртуальных контейнеров имеют
различные скорости, то они мультиплексируются с помощью концепции
согласование скоростей. Эта концепция разъясняется с помощью
рис.9.11.

297

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.10. Упрощенный пример согласования скоростей
Для упрощения понимания концепции выравнивания на рис. 9.11
показан случай потоков с чередованием бит. Формат кадра выходного
потока на этом рисунке имеет 10 бит>, включая служебные биты. На
вход поступают два входных потока. Канал 1 состоит из бит
; канал 2 — из бит
. Они объединяются в
один поток по принципу чередования битов (см. обозначения каналов
над выходным потоком). Для обеспечения выравнивания скоростей весь
поток в этом примере разбивается на группы по 6 бит, по 3 от каждого
входного потока. За этими битами (конец кадра) располагаются:
и
биты, которые могут содержать следующие информационные
298

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

биты потоков или биты выравнивания;
и
— биты для управления выравниванием, указывающие
тип данных в битах
и
Например, если
то
— бит выравнивания, если
,
то
—бит потока. Аналогичная логическая связь между указателем
и битом
. Предположим, что из-за неточности генераторов
входной поток канала
начинает опережать входной поток канала .
Например, время поступления пятого бита первого канала ( )
начинает совпадать со временем поступления четвертого бита второго
канала ( ). После того как в
будет записан информационный бит
первого канала (значение
), в
записывается бит
заполнения (
). Далее идет бит
первого канала, (чередование
бит каналов нарушается — это называют проскальзыванием). После
чего мультиплексирование каналов идет в обычном режиме. Вставка
одного бита из общего числа 7 позволяет скорректировать отклонения
. Накопление существенного ра схождения между потоками в
реальных системах не такое обширное, поэтому вставка может
производиться при большем числе переданных бит. При
демультиплексировании на приемном конце биты выравнивания
удаляются. Заметим один из недостатков систем с выравниванием. При
одиночной ошибке в интерпретации бита вставки (например,
интерпретация его как информационного бита) происходит потеря
кадровой синхронизации.
Для борьбы с этим явлением применяются различные методы
(оптимизация длины потока между признаками выравнивания
,
эластичная память), которые подробно рассмотрены в [2]. Структура
поля полезной нагрузки одного виртуального контейнера при передаче
сигналов потока
в терминальном блоке TU-12 в фиксированном
режиме показана на рис.9.12.
Число битов с фиксированной информацией 4(256)-1=1023.
Группы трибных
блоков формируются с помощью трибных блоков нижнего уровня TU-2.
Блоки TUG-2 путем мультиплексирования трех блоков TU-12
переводятся в группу TUG-2, и далее группы блоков TUG-2 — в группу
299

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

блоков TUG-3. На рис.9.13 показана процедура мультиплексирования
блоков TUG-2 и TUG-3. В результате мультиплексирования трех блоков
TU-2 объемом 36 байт (4 столбца, 9 строк) получается одна группа
блоков TUG-2 объемом 108 байт.

Рис. 9.11. Структура поля полезной нагрузки одного виртуального
контейнера при передаче сигналов потока E1 в терминальном блоке TU12 в фиксированном режиме
Дальнейшее мультиплексирование семи групп TUG-2 в группу TUG-3
дает группу блоков объемом 774 байта (4x3x7 + 2 служебных столбца=
86 столбцов по 9 строк каждый) согласно схеме мультиплексирования
PDH-трибов в технологии SDH по рис.9.13. Перед переносом в
контейнер VC-4 полученная информация в TUG- 3 мультиплексируется
(3:1) и образуется блок информации
. Далее
группа трибных блоков отображается в виртуальный контейнер
. Это отображение проводится, как это было показано ранее
(рис. 9.7), в виртуальный контейнер переносится полезная нагрузка
нижнего уровня (TUG-3) и вставляется обычный для виртуального
контейнера заголовок. Таким образом, объем нагрузки виртуального
контейнера
составляет:
2322 — нагрузка трех TUG —3;
9 байтов — маршрутный заголовок.
Итого 2331, что составляет 259 столбцов. Для получения полного поля,
составляющего STM-1, добавляются 2 столбца по 9 байтовкаждый.

300

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.12. Процедура мультиплексирования TUG-2 и TUG-3
Поэтому полный объем информации виртуального контейнера
равен 261 столбцу или
. Для
получения
модуля
STM-1
следует
добавить
указатели
административного блока (для получения блока AU-4) и транспортный
заголовок (см. таблицу 6.2 ) — для получения AUG. Таким образом,
получен модуль STM-1 в виде кадра
, что, как
было показано, при частоте 8000 байт в секунду составляет скорость
передачи 155,52 Мбит/c>.
Административный указатель
301

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Синхронизация кадра полезной нагрузки
Маршрутный
заголовок
виртуального
контейнера
рассматривается как начало — первый столбец поля полезной нагрузки.
Он не обязательно начинается сразу после поля транспортного
заголовка, приведенного в таблице 9.2.
Даже если он при загрузке был выровнен так, чтобы он начинался на
исходящем узле административного блока AU-4 после транспортного
заголовка, по мере продвижения по сети, когда полезная нагрузка
передается в транзитном канале отдельно от транспортного заголовка,
он теряет свое местоположение. Для сохранения такого выравнивания
надо было бы при транзите сохранять полный кадр (транспортный
заголовок и полезную нагрузку), что вызвало бы дополнительную
задержку и затруднило бы промежуточную модификацию (выделение и
вставку полезной нагрузки). Положение поля полезной нагрузки
определяется значениями указателей административного блока — AUPTR. Это
; они вместе содержат 2 байта и позволяют указать на
любой байт полезной нагрузки (значения от 0 до 2348 —
). На рис.9.14 показан принцип использования
указателя AU-PTR. Поле полезной нагрузки с маршрутным заголовком
находится в произвольном месте контейнера. Штриховой линией
показана граница 125 мкс интервала между модулями (начало
транспортного заголовка). При этом биты
и
показывают
номер бита, с которого начинается поле полезной нагрузки.
В этих условиях большое значение приобретает синхронизация
моментов
возникновения
транспортных заголовков,
которое
определяется точностью генератора тактовой частоты. В системе SDH
предусмотрена процедура подстройки частоты. Она заключается в
выравнивании указателей поля полезной нагрузки. Этот процесс
совпадает с уже рассмотренным выше процессом согласования
скоростей и заключается в дополнении или изъятии бит перед началом
маршрутного заголовка виртуального контейнера
.

302

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.13. Принцип использования указателей AU-PTR

SDH-Сети
Одно из уже упомянутых раньше преимуществ сети SDH заключается в
том, что она может передавать мультиплексированные потоки с
большим объемом информации и при этом не требует полного
демультиплексирования при выделении каналов на транзитных
участках [57]. Плезиохронные системы использовали выравнивающие
биты для выравнивания скоростей. При этом терялась информация,
которая указывала на начало каждого трибного блока низшего порядка.
Поэтому для выделения одного трибного блока требовалось полное
демультиплексирование всего потока, как это показано на рис.9.14 .
После выделения трибного блока оставшаяся информация и
добавляемая на этом узле, предназначавшаяся для передачи на
следующем участке, мультиплексировались снова. Это требовало
установки на транзитных станциях пары "мультиплексор—
демультиплексор", работающих в непосредственной связи (на жаргоне
303

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

— "спина к спине", back-to-back).

Рис. 9.14. Установка SDH мультиплексора ввода/вывода
Они были предназначены только для выделения и вставки трибных
блоков. Такое решение очень удорожало стоимость аппаратуры,
особенно в случаях, когда нужно было обслужить поток с
преимущественно транзитной нагрузкой и небольшим количеством
информации, которая принимается или замещается на данном узле. SDH
обеспечивает значительное уменьшение стоимости аппаратуры
благодаря установке мультиплексора ввода/ вывода каналов МВВ (ADM
–Add Drop Multiplexer), который может "распаковывать" или замещать
информацию в потоке без демультиплексирования потока. Работа такого
устройства в транзитном режиме показана на рис.9.15 . Уменьшение
стоимости
связано
с
исключением
пары
"мультиплексордемультиплексор", работающей back-to-back.
Транспортные сети с использованием SDH МВВ могут быть
линейными или кольцевыми. На рис.9.15 а показано использование
SDH МВВ в линейной сети для связи между различными SDHтерминалами (на рисунке они обозначены цифрами 1, 2, 3, 4). Эти
терминалы могут быть частями другого оборудования. Например, они
304

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

могут быть оборудованием интерфейса маршрутизаторов другой сети.
На рис. 9.15 каждый терминал имеет SDH-тракт с другими узлами по
принципу "каждый с каждым", как это условно изображено на рис.9.2 .
При этом используются возможности мультиплексора ввода/вывода. На
рис.9.15 не показаны потоки информации, идущие в обратном
направлении. Предполагается, что они образуются так же, как и
прямые, — через обратно направленный SDH-тракт с использованием
на транзите SDH МВВ. На рисунке предполагается, что поставленный в
каждом узле SDH МВВ выделяет информацию, предназнач енную
данному узлу, и вставляет другую по направлению к соседнему узлу.
Таким образом, мультиплексоры ввода/ вывода в (ADM –Add Drop
Multiplexer) позволяют создавать виртуальные топологии сетей. Защита
(Automatic Protection Switching — APS) осуществляется на уровне линии
(см. определение участков SDH в лекции 16). На рис.9.16 показано
применение резервной линии защиты (резервирование
- один
плюс один").
Напомним, что линия связи (мультиплексорная секция) — это несколько
секций, расположенных между промежуточными мультиплексорами
выделения/ добавления (ADM — Add Drop Multiplexer). На рис.9.16
используются две таких линии связи — основная и резервная.
Исходящий поток электрически разделяется на два потока мостом —
устройством, прозрачным к протоколам верхнего уровня. Эти потоки
идут через основную и резервную линии и на приеме проверяются,
чтобы определить потерю сигнала, потерю кадра, наличие ошибок,
наличие аварийного сигнала в заголовке. Селектор входящего узла
отбирает качественный сигнал, основываясь на результатах такой
проверки, и не координирует свою работу с исходящим узлом.

305

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.15. Использование SDH МВВ в линейной сети

306

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.16. Принцип резервирования 1+1
Исправление последствия ошибок в этом режиме проходит
быстро,поскольку контроль и селекция выполняется аппаратурой.
Однако защита
имеет низкую эффективность, поскольку
использует двойную полосу для одного и того же сигнала.
На рис. 9.17 показано резервирование
("один для одного"). При
таком методе при нормальном функционировании сигнал передается
только по основной линии. На этой линии проводится постоянный
контроль, выявляющий нарушение информации. При обнаружении
такого нарушения происходит переключение на резервную линию.
Такой

метод

требует

большего
307

времени

для

устранения

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

повреждения,чем при резервирование
, поскольку необходима
передача сигналов для переключения. Однако резервирование
может обладать лучшей эффективностью, чем
, потому что
резервная линия при отсутствии повреждений может использоваться
при появлении избыточной нагрузки. Для передачи сигналов
переключения используются байты
и
в линейном заголовке
(см. раздел "Информация линейного заголовка").
На рис. 9.18 показано, что схема защиты может быть обобщена на
случай резервирования
. В такой схеме одна линия защиты
(резервная линия) используется для n основных линий. Такая схема
предполагает, что выход из строя более одной основной линии в один и
тот же момент времени маловероятен. В схеме
обычно
предполагается, что после восстановления основной линии происходит
"обратное переключение" нагрузки на основную линию.

Рис. 9.17. Принцип резервирования 1:1

308

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.18. Принцип резервирования 1:n
Обычно время переключения на резерв задается требованиями
(например, 50 мс) для всех приведенных выше схем.

Кольцевые сети
SDH МВВ могут также обеспечить построение сетей с кольцевой
Топологией (кольцевые сети). На рис. 9.19 показаны три узла a, b, c. Два
из них содержат терминальные мультиплексоры (ТМ), а один
мультиплексор ввода/вывода (МВВ). Они связаны однонаправленным
кольцом, поддерживающим несколько STM-1.
На рис. 9.19 показаны два типа мультиплексоров. Терминальный
мультиплексор — ТМ, который является мультиплексором и
одновременно оконечным устройством SDH-сети. Мультиплексор
ввода/вывода — МВВ — пропускает транзитные сигналы, но может
вводить и выводить информацию на транзитном пункте. Физически
узлы на рис. 9.19 связаны в кольцевую структуру; логически они
связаны в структуру, которая позволяет достигнуть любого узлапо
любому из направлений и с помощью МВВ создает резервный
путь.Например, сигналы, передаваемые от узла a в узел b, могут его
достигнуть по обходному пути через узел c.

309

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.19. Элементарная кольцевая структура

Методы защиты синхронных потоков
SDH кольца могут выполняться с возможностью самовосстановления
selfhearing — самолечение) при возникновении ошибок или
повреждений. Самовосстановление кольца можно обеспечить на
уровне линейной секции (см. рис. 9.1), и она может также осуществлять
защиту на уровне маршрута. Заметим, что уровень маршрута может быть
от конца к концу, от исходного терминала до пункта назначения.

Однонаправленное коммутируемое кольцо
Рассмотрим сначала маршрут однонаправленного кольца с
переключением маршрута (Unidirectional Path Switched Ring — UPSR),
который обеспечивает защиту на уровне маршрута. На рис. 9.20
310

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

показаны два кольца, по которым распространяются данные в первом
кольце в одном направлении, а во втором — в обратном направлении.
Для определенности предположим, что основная нагрузка проходит по
часовой стрелке, а резервное кольцо передает нагрузку против часовой
стрелки.
На рис. рис. 9.20 указаны потоки информации, идущие от МВВ 4 к МВВ
2 в нормальном режиме, при отсутствии повреждения линий. На узле 4
передаваемая информация разделяется на два потока, идущие в двух
направлениях — один по основному пути (по часовой стрелке), а
второй — по резервному (против часовой стрелки).

Рис. 9.20. Однонаправленное коммутируемое кольцо с переключением
маршрута а) Кольцевая сеть б) Передача информации от МВВ4 к МВВ2
при нормально функционирующей сети в) Передача информации от
МВВ4 к МВВ2 при повреждении
Этот путь между парой узлов обеспечен защитой
("один плюс
один") на уровне маршрута, т.е. зарезервировано прохождение
информации на всей сети. При методе однонаправленного
коммутируемого кольца (Unidirectional Path Switched Ring —UPSR)
311

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

каждый узел следит за сигналами, приходящими по двум маршрутам, и
выбирает лучший из них.
Например, как показано на рис 9.20в, один из участков поврежден.
Тогда узел 1 не получает сигналов и посылает в направлении по
часовой стрелке сигнал аварии в заголовке (см. маршрутный заголовок
байт
, рис. 9.20). При получении сигнала аварии каждый узел
определяет, с какой стороны пришел сигнал от соседнего узла, и
переключается на резервный путь, идущий в другом направлении. На
рис.9.20 в узел 2 должен придти сигнал "авария" от узла 1
(передаваемый по часовой стрелке), и переключиться на резервный
путь, где информация передается против часовой стрелки. Таким
образом, связь с узлом 4 не прерывается. Метод однонаправленного
коммутируемого кольца (Unidirectional Path Switched Ring —UPSR)
обеспечивает быструю защиту, но неэффективен в смысле
использования пропускной способности каналов, поскольку задействует
для одного и того же сигнала два пути. Если путь использует один STMN, то точно такой же сигнал будет идти в обратном направлении. Такой
метод применяется в относительно низкоскоростных сетях-кольцах,
которые нужны для доступа от удаленных терминалов к центральной
сети и для концентрации нагрузки для передачи ее другим сетям.

Двунаправленное коммутируемое кольцо
SDH-кольца могут обеспечить защиту на уровне линейной секции. На
рис.9.22 показано двунаправленное кольцо с защитным переключением
линейных сегментов (Bidirectional Line Switched Ring — BLSR). Оно
содержит четыре кольца. Смежные МВВ в кольце связаны двумя
рабочими линиями (сплошная линия) и двумя линиями защиты.
Предположим, что повреждена рабочая линия между узлами 2 и 3, как
показано на рис. 9.22 . Двунаправленное кольцо с защитным
переключением линейных сегментов переключает основные и рабочие
линии на линии защиты между узлами 2 и 3. Этот тип восстановления
назван переключением по участкам (span switching).
Теперь предположим, что одновременно повреждены и рабочая линия,
и линия защиты, как это показано на рис. 9.23. В этом случае
двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных
312

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

сегментов использует для передачи участок линии защиты,
направленный в другую сторону от поврежденного узла. Информация
между узлами 2 и 3 проходит несколько участков, удаленных от смежных
узлов (это участки 3-4, 4-1, 1-2), по резервной линии. Такой способ
называется переключением по кольцу.

Рис. 9.21. Двунаправленное кольцо с защитным переключением
линейных сегментов

313

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.22. Двунаправленное кольцо с защитным переключением
линейных сегментов. Восстановление связи переключением по
участкам

Рис. 9.23.

Двунаправленное кольцо с защитным переключением
314

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

линейных сегментов. Восстановление связи переключением по кольцу
Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных
сегментов более эффективно, чем однонаправленное кольцо с
переключением маршрута, поскольку трафик может быть переключен по
самому короткому пути, так, чтобы не загружать кольцо, которое может в
этом случае поддерживать передачу большой нагрузки. Кроме того,
двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных
сегментов может использоваться для пропускания дополнительной
нагрузки при появлении всплеска заявок на обслуживание. По этой
причине двунаправленное кольцо с защитным переключением
линейных сегментов лучше использовать в высокоскоростных сетях,
которые включают в себя очень дорогие высокоскоростные линии
длиной тысячи километров. С другой стороны, двунаправленное кольцо
с защитным переключением линейных сегментов требует сложного
комплекса сигнализации для того, чтобы определить, когда нужна
коммутация пролета и когда — коммутация кольца; когда перегрузка
возникает от всплеска нагрузки, а когда — от наличия повреждений.
Способность управл ять пропускной способностью и гибко реагировать
на изменение топологии междугородних и городских сетей из-за
повреждений присуща современным сетям SDH. На рис. 9.24
изображен пример построения городской сети. Пользовательская
нагрузка собирается с помощью сетей доступа и направляется к узлам
кольцевой сети, таким, например, как телефонная станция. Эти узлы
(станции) связаны в кольцо первой ступени, работающей на высокой
скорости. Для пользователей, которым требуется гарантия надежности,
возможно включение в два узла (как это показано на рис. 9.23).

315

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.24. SDH-кольца в учрежденческой, городской и региональной
сетях
Чтобы обеспечить защиту при повреждении, кольца могут быть связаны
с
использованием
межкольцевых
шлюзов
между
межофисными,городскими и региональными кольцами. Нагрузка
передается одновременно вдоль всех колец. Автоматическая защита
осуществляется внутри каждого кольца. Кольцо городской сети работает
как транзитное между офисными кольцами и региональным кольцом.

SDH-кроссы и узловые сети
SDH-кольцевые сети получили широкое развитие из-за их способности
обеспечить постоянное обслуживание даже при наличии повреждений.
Однако кольцевые сети весьма трудно модернизируются при росте сети.
При росте нагрузки отдельные участки кольца начинают испытывать
перегрузку. К сожалению, модернизация одного участка кольца требует
модернизации всех МВВ. Такое усовершенствование влечет большие
расходы Альтернативным методом при увеличении нагрузки является
создание параллельных кольцевых сетей. Этот метод совместим с
системами передачи WDM, которые обеспечивают создание требуемых
параллельных каналов в одиночном оптическом волокне. Однако и в
316

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

этом случае не избежать больших расходов. Для создания параллельных
колец для пропускания дополнительной нагрузки на каждом узле
кольцевой сети, которая переносит уплотненный сигнал для каждой
длины волны, должен быть предусмотрен отдельный МВВ. Для
передачи нагрузки между МВВ на узле нагрузка должна быть выведена,
подключена к коммутатору и затем добавлена в МВВ для пер едачи к
пункту назначения. По указанной выше причине большое внимание
уделяется SDH-системам кроссовой коммутации (SDH — Cross Connect
Systems). Системы кроссовой коммутации на входе принимают
оптические сигналы, комплектуют их в зависимости от портов, в
которые они направлены, и комбинируют их в SDH-трибы (OC-n).
Системы кроссовой коммутации совместно с оптическими линиями
образуют узловую сеть, предназначенную для передачи SDH-сигналов
(смрис. 9.25).

Рис. 9.25. Узловая сеть, использующая системы кроссовой коммутации.
Штриховые линии представляют собой пути защиты для путей,
показанных исходящими из данного узла сплошными линиями
Узловая сеть имеет преимущества перед кольцевой сетью в случае
возрастания нагрузки. В этом случае наращивается только
перегруженный сегмент сети. Узловая сеть занимает меньше ресурсов
сети для защиты, чем кольцевая, но требует более сложных схем и
317

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

программ защиты для восстановления сети при повреждениях.
Например, показанные на рис. 9.25штриховые линии представляют
собой пути защиты для путей, показанных исходящими из данного узла
сплошными линиями.

Оптические транспортные сети
Оптическая
транспортная
сеть
обеспечивает
связь
между
подключенными пользователями, используя разделения по длине
волны. Существует множество похожих путей переноса SDH-сигналов с
помощью оптического кабеля. Разделение по длине волны — это один
из них. Оптический мультиплексор ввода/вывода (ОМВВ) применяется
для WDM-систем.ОМВВ принимает многоволновой сигнал на входе
оптического кабеля, выбирает один или несколько сигналов на заранее
согласованных длинах волн и добавляет один или несколько сигналов
на заданных длинах волн в многоволновый сигнал, после чего передает
его на выход в оптический кабель. Волны, на которых переносится
транзитная нагрузка, "проходят насквозь" МВВ. При идеальной
обработке сигналов в ОМВВ стараются избежать оптико-электрического
преобразования. ОМВК может применяться в линейной и кольцевой
топологиях. Предполагаемый маршрут с использованием разделения по
длине волны может применяться для создания сетей с различными
виртуальными топологиями. При этой топологии маршрут пор
ождается между двумя терминалами путем добавления информации
источника на назначенной длине волны. Далее он "проходит насквозь"
промежуточные ОМВВ узлов, и информация выделяется на терминале
узла назначения. На рис. 9.26 показана условная цепь оптических
мультиплексоров ввода/вывода, которые соединены одномодовым
оптическим кабелем. Каждый оптический кабель содержит группу из
четырех волн, в которые вставляется информация, чтобы обеспечить
однонаправленную связь.
На рис. 9.26 мы видим, что благодаря такой конфигурации можно
установить соединения: от узла a к узлам b, c, d, от узла b к узлам c, d и
от узла c к узлу d.
На рис. 9.27 показано, как с помощью оптических мультиплексоров
ввода/вывода создается конфигурация из трех узлов, эквивалентная
318

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

топологии "каждый-с-каждым". В этом примере используется три
длины волны, на каждом узле с помощью оптического мультиплексора
ввода/вывода выводится информация из двух и на освободившееся
место вводится информация от данного узла. Очевидно, что, используя
различное распределение информации по длинам волн, можно
получить различные логические конфигурации сетей. Разделение по
длинам волн и оптические мультиплексоры ввода/вывода в сети
добавляют абстрактный логический уровень между оптическим кабелем
и логической топологией, который может учитывать нагрузку,
проходящую через сеть.

Рис. 9.26.
волны

Конфигурация сети, использующая разделение по длине

Физическая топология, содержащая некоторое количество ОМВВ и
оптических кабелей, может управлять потоком нагрузки, создавая
различные топологии с освобождением загруженных участков.

319

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.27. Конфигурация из трех узлов, использующая разделение по
длине волны, эквивалентная топологии "каждый с каждым"

Оптический коммутатор и кросс
Оптические узловые сети базируются на применении оптических
кроссов и оптических коммутационных системах и нашли широкое
применение в транспортных сетях. Цель оптических коммутаторов —
доставить многоволновой сигнал от входного порта к выходному без
демультиплексирования. рис. 9.28показывает принцип взаимодействия
между оптическим коммутатором и кроссом. Оптический сигнал,
который переносится по принципу разделения по длине волны,
достигает входа узла. Оптические сигналы, которые предназначены для
этого узла, коммутируются к местному кроссу; оптические сигналы,
которые проходят только транзитом, коммутируются дальше через узел.
Оптические сигналы, которые поступают на вход кросса,
демультиплексируются до необходимых компонентов. Сигналы,
предназначенные для данного узла, выводятся. После этого
генерируются в волновую форму сигналы, которые предназначены для
ввода и передачи на другую станцию. Выход оптического кросса
передает их на вход мультиплексора и далее на вход оптического комму
татора, коммутирующего его к исходящему оптическому кабелю.
Заметим: система кроссовой коммутации должна гарантировать, что
сигналы, входящие в мультиплексор, имеют соответствующую длину
волны. Для этого могут понадобиться специальные средства (например,
лазеры с настройкой).

320

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 9.28. Оптический коммутатор и кросс
Оптические сети упрощают сохранение нормальной работы сети при
увеличении объема нагрузки. Они позволяют производить коммутацию
без демультиплексирования. Стоимость мультиплексирования WDMсигналов объемом сотни гигабит и обработка их компонентов в
электронном виде чрезвычайно высока. С экономической точки зрения
WDM-сигнал при транзитах лучше сохранять в оптическом виде.
Комбинация магистральной оптической передачи с оптическим
коммутатором, который позволяет проключение "насквозь" транзитных
сигналов, позволяет свести к минимуму преобразование "оптика—
электроника" и обратно.

Краткие итоги
В плезиохронную цифровую иерархию входит аппаратура
цифровой передачи, имеющая три ряда скоростей: европейская,
содержащая ИКМ-30 — E1, ИКМ-120 — E2, ИКМ-480 —E3,
ИКМ-1920 — E4, ИКМ-7680 — E4, Североамериканская, которая
включает в себя 24 канала DS-1, 96 каналов, DS-2, 672 канала DS3, 4032 канала DS-4, и Японская, содержащая 24 канала DS-1, 96
каналов, DS-2, 480 канала DSJ-3, 1440 каналов DSJ-4.
Системы передачи, входящие в плезиохронную цифровую
иерархию, имеют следующие недостатки: многообразие систем
передач с различными скоростями; противоречие между выпуском
321

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

экономически выгодных систем, рассчитанных на большое число
каналов, и массовыми потребностями на аренду малого числа
каналов; небольшой объем передаваемой служебной информации.
Для устранения этих недостатков была разработана единая версия
синхронной цифровой иерархии — SONET/SDH (Synchronous
Digital Hierarchy).
В системе SONET/SDH определяется три участка передачи и
соответственно им — три вида оборудования: секционное
(регенераторное) оборудование; линейное (мультиплексное)
оборудование; маршрутное оборудование.
Модули разделаются по уровням, в системе SDH известны
следующие уровни: STM-1 (Synchronous Transport Module) —
синхронный транспортный модуль первого уровня; STM-4 —
синхронный транспортный модуль четвертого уровня; STM-N —
синхронный
транспортный
модуль
уровня
,
где
.
Принцип передачи сигналов заключается в том, что каждые 125
мкс передается стандартный транспортный синхронный модуль
STM (Synchronous Transport Module).
Из нескольких циклов, составляющих формат модуля STM-1 (в
данном случае это цикл нижнего уровня), может быть составлен
мультицикл (сверхцикл), содержащий несколько циклов нижнего
уровня. Для объединения нескольких модулей используется
конкатенация (сцепление). Каждый из модулей нижнего уровня,
входящий в модуль высокого уровня, имеет байты для
определения его места как компонента более высокоскоростного
канала. 2 заголовка: транспортный и маршрутный. Транспортный
заголовок (Section Over Head — SOH) разделяется на секционный
заголовок (Regeneration SOH — RSOH), линейный заголовок
(заголовок мультиплексной секции, Multiplexer SOH — MSOH).
Размещение информации в контейнерах и блоках структуры SDH
подчиняется схемам, которые предложены международными
организациями. В настоящее время имеется только один путь
формирования модуля STM-1 из триба
.
—
контейнеры,
позволяющие
инкапсулировать цифровые каналы американской иерархии PDH.
—контейнеры, позволяющие
инкапсулировать цифровые каналы европейской иерархии PDH.
322

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Каждому из контейнеров
соответствует виртуальный
контейнер
. Он состоит из полезной нагрузки (PL —
Payload) и маршрутного заголовка (POH — Path Overhead).
Трибный блок (Tributary Unit — TU) включает в себя несколько
виртуальных контейнеров.
Преобразование последовательности виртуальных контейнеров
(VC) в трибный блок TU может проводиться в двух режимах:
фиксированном и плавающем.
При организации трибного блока в плавающем режиме
применяется указатель трибного блока — TU-PTR.
Фиксированный режим (иногда его называют асинхронным)
использует механизм вставки битов. Поток битов контейнера
непосредственно вставляется в информационные поля.
Если потоки виртуальных контейнеров имеют различные
скорости, то они мультиплексируются с помощью концепции
согласование скоростей.
Группы трибных блоков формируются с помощью трибных блоков
нижнего уровня TU-2. Блоки TUG-2 путем мультиплексирования
трех блоков TU-12 преобразуются в группу TUG-2, и далее группы
блоков TUG-2 — в группу блоков TUG-3.
Положение поля полезной нагрузки определяется значениями
указателей административного блока AU-PTR. Маршрутный
заголовок виртуального контейнера VC-4 рассматривается как
начало — первый столбец поля полезной нагрузки. Это
,
;
они вместе содержат 2 байта и позволяют указать на любой байт
полезной нагрузки.
Одно из преимуществ сети SDH заключается в том, что она может
передавать мультиплексированные потоки с большим объемом
информации без полного демультиплексирования при выделении
каналов на транзитных участках.
Плезиохронные системы использовали выравнивающие биты для
выравнивания скоростей. При этом терялась информация, которая
указывала на начало каждого трибутарного блока низшего
порядка. Поэтому для выделения одного трибутарного блока
требовалось полное демультиплексирование всего потока.
SDH обеспечивает значительное уменьшение стоимости
аппаратуры благодаря установке мультиплексора ввода/вывода —
МВВ ( Add Drop Multiplexer — ADM), который может
323

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

"распаковывать" или замещать информацию в потоке без
демультиплексирования потока.
Транспортные сети с использованием SDH МВВ могут быть
линейными или кольцевыми. Мультиплексоры ввода/вывода
позволяют создавать виртуальные топологии сетей.
SDH-стандарты определяют схемы автоматической защитной
коммутации — АЗК. Защита осуществляется на уровне линии
связи (мультиплексорная секция) или на уровне маршрута.
Терминальный мультиплексор (ТМ) является мультиплексором и
одновременно оконечным устройством SDH-сети.
SDH-кольца
могут
выполняться
с
возможностью
самовосстановления
(self-hearing
—
самолечение)
при
возникновении ошибок или повреждений. Самовосстановление
кольца можно обеспечить на уровне линейной секции, а также
осуществлять защиту на уровне маршрута.
При методе однонаправленного коммутируемого кольца
(Unidirectional Path Switched Ring — UPSR) каждый узел следит за
сигналами, приходящими по двум маршрутам, и выбирает лучший
из них.
Метод однонаправленного коммутируемого кольца (Unidirectional
Path Switched Ring — UPSR) обеспечивает быструю защиту, но
неэффективен в смысле использования пропускной способности
каналов, поскольку задействует для одного и того же сигнала два
пути.
Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных
сегментов восстанавливает связь, переключая основные и
рабочие линии на линии защиты между узлами. Этот тип
восстановления назван переключением по участкам (span
switching).
Если двунаправленное кольцо с защитным переключением
линейных сегментов использует для передачи участок линии
защиты, направленный в другую сторону от поврежденного узла,
и информация между узлами проходит несколько участков,
удаленных от смежных узлов по резервной линии, то такой
способ называется переключением по кольцу.
Двунаправленное кольцо с защитным переключением линейных
сегментов более эффективно, чем однонаправленное кольцо с
переключением маршрута, поскольку трафик может быть
переключен по самому короткому пути, чтобы не загружать
324

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

кольцо, которое может в этом случае поддерживать передачу
большой нагрузки.
Кольцевые сети весьма трудно модернизируются при росте сети.
Модернизация одного участка кольца требует модернизации всех
МВВ. Такое обновление влечет за собой большие расходы.
SDH-система кроссовой коммутации (SDH — Cross Connect
Systems) с оптическими линиями образуют узловую сеть,
предназначенную для передачи SDH-сигналов. Узловая сеть имеет
преимущества перед кольцевой сетью в случае возрастания
нагрузки. В этом случае наращивается только перегруженный
сегмент сети.
ОМВВ принимает многоволновой сигнал на входе оптического
кабеля, выбирает один или несколько сигналов на заранее
согласованных длинах волн и добавляет один или несколько
сигналов на заданных длинах волн в многоволновый сигнал,
после чего передает его на выход в оптический кабель. Волны, на
которых переносится транзитная нагрузка, "проходят насквозь"
МВВ.
• Разделение по длинам волн и оптические мультиплексоры
ввода/вывода в сети добавляют абстрактный логический уровень
между оптическим кабелем и логической топологией, который
может учитывать нагрузку, проходящую через сеть.
Комбинация магистральной оптической передачи с оптическим
коммутатором, который позволяет проключение "насквозь"
транзитных сигналов, позволяет свести
к минимуму
преобразование "оптика—электроника" и обратно.

Задачи и упражнения
1. Сколько речевых каналов может разместиться в модулях STM-1,
STM-4 и STM-16?
2. Для согласования скоростей используется положительная или
отрицательная вставка бита в блок полезной нагрузки один бит на
16 кадров. Рассчитайте минимальную и максимальную скорости
полезной нагрузки с учетом включения (исключения) в полезную
нагрузку этого бита.
3. Определите процент полезной нагрузки в кадре STM -1.
325

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

1)

Инкапсуляция (Encapsulation) — включение информации в состав
пакета большего размера, возможно, с добавлением к нему заголовка и
вспомогательной информации

326

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Cети ATM
Рассмотрены основные принципы сети и технологии передачи при
Асинхронном режиме передачи (ATM). Приводится эталонная модель
протоколов
широкополосной
цифровой
сети
интегрального
обслуживания, определяется назначение всех уровней этой модели.
Показан принцип создания виртуального соединения и коммутации
через коммутатор ATM.

Основные принципы построения сети ATM
Исторически разработка принципов ATM — асинхронного режима
передачи [18], [20], [27], [73] (Asynchronous Transfer Mode) была связана с
развитием ISDN. Такое развитие было обусловлено развитием
прикладных задач, например высокоскоростных местных сетей (LAN) и
высококачественного телевидения, которые требовали более высоких
скоростей, чем те, что предоставляли службы ISDN.
Однако разработка широкополосной цифровой сети интегрального
обслуживания (Broadband ISDN — BISDN) привела к созданию метода
передачи, который резко отличался от узкополосной ISDN (Narrow ISDN
— NISDN), известной как асинхронный режим передачи (Asynchronous
Transfer Mode).
ATM объединяет возможности двух технологий — коммутации пакетов
и коммутации каналов. ATM преобразует все виды нагрузки в поток
ячеек (cell) длиной 53 байта. Как показано на рис. 10.1 , ячейка состоит
из 48 байтов полезной нагрузки и 5 байтов заголовка, который
позволяет передавать эту ячейку по сети.
Метод ATM ориентирован на соединение с пакетным способом
коммутации, который обеспечивает заданное качество обслуживания
(QoS - Quality of Service). ATM рассчитана на высокие скорости
передачи, а также на различные виды нагрузки: равномерный поток
нагрузки, пульсирующая (пачечная) нагрузка и другие промежуточные
типы.

327

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.1. ATM-ячейка

Эталонная модель протоколов BISDN
Эталонная модель протоколов BISDN показана на рис. 10.2 . Модель
содержит три плоскости: плоскость пользователя (Uplane), плоскость
управления (C-plane) и плоскость менеджмента — административного
управления (M-plane). Плоскость пользователя (U-plane), включает в себя
передачу и прием всех видов данных, обеспечение управления потоком
и защиту от ошибок. Она имеет уровневую структуру.
Плоскость
управления
(C-plane)
содержит
совокупность
протоколов,используемых для сигнализации при установлении,
контроле и разъеди- нении соединения. Она имеет уровневую
структуру.
Плоскость менеджмента (M-plane) включает в себя две плоскости:
административное управление уровнями плоскостей и управление
плоскостями.
Функции управления уровнями содержат совокупность протоколов,
координирующих:
работу C-U плоскостей;
распределения сетевых ресурсов;

328

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.2. Эталонная модель протоколов BISDN
согласования их с параметрами поступающей нагрузки;
координации работ по обработке эксплуатационной информации
и технического обслуживания.
Рассмотрим более подробно уровни плоскости пользователя и
управления.
Плоскость пользователя имеет три основных уровня для поддержки
пользовательских приложений: физический, адаптации ATM, уровень
ATM. Уровень адаптации ATM (ATM Adaptation Layer — AAL) имеет
несколько типов, функции которых определяются различными классами
нагрузки пользователя. Уровень адаптации преобразует блоки данных
пользователя (SDU — Service Data Unite) в 48-байтовые блоки, которые
переносятся ATM-ячейками. На рис.10.3 показана информация,
генерируемая различными приложениями: передача речи, передача
данных, передача видео .

329

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.3. Преобразование различной информации на уровне AAL На
рисунке показаны источники, порождающие различные типы нагрузки:
регулярный поток, который поступает от преобразователя
аналоговой информации в цифровые отсчеты(A/D);
кадры изображения, которые после сжатия представляют собой
пакеты различной длины;
поток данных, который представляет собой поток пакетов с
пульсирующей длиной.
Задача устройства уровня AAL: преобразовать информацию, разбить на
блоки и предоставить для передачи через уровень ATM, который
позволяет системе передать все характерные особенности данного
приложения (например, тактовые последовательности). Можно
отметить, что функции AAL могут размещаться в оконечном
оборудовании, а другие функции — выполняться сетью, как это
показано на рис. 10.4.

330

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.4. Размещение уровней на плоскости пользователя
ATM-уровень занимается только последовательной передачей ATMячеек, полученных от уровня AAL, в установленном по сети соединении
(установлением соединения занимается плоскость управления). ATMуровень принимает 48-байтовые блоки информации от AAL и
дополняет их 5-байтовым заголовком, формируя ячейку (ATM).
Заголовок
содержит
метку,
которая
определяет
свойства
устанавливаемого соединения и используется коммутатором для
определения следующего участка пути, а также типа приоритета.
ATM может обеспечить различное качество обслуживания разным
соединениям. Это оговаривается до предоставления услуги
специальным соглашением между пользователем и поставщиком услуг,
которое называется контрактом на услуги (service contract). Пользователь
вырабатывает требования, которые определяются предоставляемой им
нагрузкой и коэффициентом качества (QoS) при установлении связи.
Если сеть может предоставить требуемое качество, то контракт
устанавливает гарантированный QoS, пока пользователь выполняет все
характеристики установленного трафика. Механизм ведения очереди и
расписания в ATM-коммутаторах обеспечивает возможность поставки
информации с заданным QoS. Для того чтобы доставить информацию с
предписанным QoS, ATM-сети используют механизм наблюдения. Он
будет рассмотрен далее.
331

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

В соответствии с числом подключаемых пользователей режим ATM
поддерживает два типа соединений: "точка-точка" и "точка — много точек". Связь "точка-точка" может быть однонаправленной или двунаправленной. В последнем случае для каждого направления может быть
установлено свое QoS. Связь " точка — много точек" всегда
однонаправ-ленная и устанавливается от одного пользователя ко
многим. По времени удержания соединения ATM обеспечивает
постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection —
PVC) и коммутируемые виртуальные соединения (Switch Virtual
Connection — SVC). PVC работает как постоянная, арендованная между
сторонами пользователей линия. Точки соединения устанавливаются
сетевым менеджером.При SVC оконечные точки задаются в момент
инициализации вызова по запросу пользователей.
SVC устанавливается посредством процедур обмена сигналами.
Исходящий пользователь должен взаимодействовать с сетью с помощью
интерфейса "пользователь-сеть" (User-Network Interface — UNI), как это
показано на рис. 10.7.
Запрос на установление соединения распространяется по сети и в
конечном итоге включает в себя обмен по протоколу UNI между сетью и
терминалом пункта назначения.
В пределах одной сети станции взаимодействуют согласно интерфейсу
"сеть-сеть" (network-network interface NNI). Станции, которые
принадлежат разным сетям, взаимодействуют по интерфейсу
широкополосной межсетевой связи (Broad Band Intercarrier Interface — BICI). Исходящий терминал и терминал оконечного пункта, так же как
станции, участвующие в соединении по сети, обеспечивают своими
ресурсами качество обслуживания соединения (QoS).Плоскость
управления поддерживает функции сигнализации и управления
сетевыми приложениями. Сигнализацию можно рассматривать как
одну из прикладных задач, в которой оконечное оборудование и
станции обмениваются сообщениями верхнего уровня, необходимыми
для установления соединения. Плоскость управления, так же как и
плоскость пользователя, имеет три базовых уровня. Уровень адаптации
сигнализации для плоскости управления предназначен для того, чтобы
обеспечить достоверный обмен сообщениями между ATM-системами
.Протоколы высокого уровня для этой плоскости предназначены для
332

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поддержки интерфейсов "пользователь-пользователь" (UNI), "сеть-сеть"
(NNI), широкополосной межсетевой связи (B-ICI).

Рис. 10.5. Применение ATM-интерфейсов
Физический уровень (рис. 10.6) для обеих рассматриваемых плоскостей
разделяется на два подуровня.
Подуровень, зависящий от физической среды (PMD — Physical
MediumDependent), нижний из двух подуровней, относится к описанию
деталей передачи бит через конкретную среду, таким как линейное
кодирование, синхронизация, восстановление формы сигнала, а также к
разъемам, и механическим соединениям и т. д.
Подуровень согласования с системой передачи (TCS — Transmission
Convergence Sublayer) устанавливает границы ATM-ячеек в потоке бит;
генерирует и контролирует контрольную сумму; вставляет и удаляет
"свободные" ATM-ячейки в формат, предназначенный для передачи по
333

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

задан- ной физической среде. Имеется большое число физических
уровней, предназначенных для обеспечения различных сетевых
сценариев: например, локальных или региональных сетей,
учрежденческих сетей. ATM адаптируется для применения в уже
существующих стандартах физического уровня, таких как SDH (155,2
Мбит/с), E1 (2,048 Мбит/с) E3(34,4 Мбит/с) E4 (139 Мбит/с) . Для
распространения сигнала чаще всего используется волоконнооптическая линия.

Рис. 10.6. Физический уровень ATM

Уровень ATM
Уровень ATM связан с последовательной передачей ячеек информации
по установленному по сети соединению. Рассмотрим этот уровень.
Заголовок ATM-ячейки. Различные заголовки ATM-ячеек предна значены для использования в интерфейсах "пользователь-пользователь"
(UNI), "сеть-сеть" (NNI). Интерфейс "пользователь-пользователь" (UNI)
используется при обмене между оконечным оборудованием
пользователей сети ATM или для обмена пользователей сети ATM со
станциями ATM-сети организации, или между станциями ATM
организаций и общедоступной ATM-сетью, переносящей информацию,
как это показано на рис. 10.5 .Интерфейс "сеть-сеть" (NNI) используется
при связи между узлами (станциями) одной и той же сети. На рис. 10.7
показан 5-байтовый заголовок для интерфейса "пользователь334

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пользователь (UNI). Сначала дадим краткое описание функций полей
этого заголовка, а потом рассмотрим более детально их роль при
функционировании сети ATM.
Общее поле управления потоком (Generic Flow Control — GFC) — имеет
в длину 4 бита и предназначено для управления нагрузкой и
обеспечения доступа к среде при нескольких терминалах. Оно
используется для защиты от перегрузок как в двухточечных, так и
многоточечных конфигурациях доступа. Поле управления потоком
применяется только для регулирования потока пользователя и не
передается по сети. Поэтому при интерфейсе "сеть-сеть" оно не
задействовано, а освободившиеся биты включаются в индикатор
виртуального канала.

Рис. 10.7. Формат заголовка ячейки ATM
Идентификатор виртуального пути (IVP — Identifier Virtual Path ) — поле
длиной 8 бит в интерфейсе "пользователь-пользователь" и 12 бит в
интерфейсе "сеть-сеть" (используются биты, освободившиеся от поля
"управление нагрузкой"). Это поле позволяет отобразить
виртуальных путей в заданном UNI-соединении. Виртуальный путь
содержит пучок виртуальных каналов, которые последовательно
335

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

подключаются пр иустановлении соединения по сети.
Идентификатор виртуального канала (IVC — Identifier Virtual Channel) —
поле из 16 бит, что позволяет отобразить
виртуальных
каналов. Идентификаторы виртуального пути и канала совместно
показывают положение данного соединения в данном маршруте.
Поскольку во многих случаях используется не все указанное количество
каналов, соответственно не задействуется полный объем полей
идентификатора. Поэтому для такого случая установлены следующие
правила :
биты, используемые для идентификаторов пути и канала, должны
быть смежными ;
биты, не используемые ни пользователем, ни сетью, должны
устанавливаться в ноль;
битовая комбинация всегда должна начинаться с младшего
разряда.
Тип полезной нагрузки - поле длиной 3 бита; позволяет определить 8
типов полезной нагрузки (рис. 10.1).
Таблица 10.1. Типы полезной нагрузки ATM
Значение
индификатора типа
содержание
нагрузки

000
001
010
011
100

Ячейка пользователя.Перегрузки нет.Блок данных
типа 0 (пользователь-сеть)
Ячейка пользователя.Перегрузки нет.Блок данных
типа1 (пользователь-пользователю)
Ячейка пользователя, Имеет место перегрузка.
Блок данных типа 0 (пользователь-сеть)
Ячейка пользователя, Имеет место перегрузка.
Блок данных типа 1 (пользователь пользователь)
Ячейка системы эксплуатации и тех.
обслуживания
336

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Ячейка системы эксплуатации и
тех.обслуживания
Ячейка управления ресурсами
Резерв

101
110
111

Значения бит в комбинациях следующие.

Старший бит
указывает, что комбинация принадлежит ячейке, переносящей
пользовательские данные;
указывает, что комбинация принадлежит ячейке системы
эксплуатации и технического обслуживания. При значении
второй бит ( ) служит указателем явной перегрузки, посылаемым в
направлении передачи (Explicit Forward Congestion Indication —EFCI) и
информирует приложения о возможной задержке ячейки, последующей
за данной ячейкой. Он используется для включения механизма
управления перегрузкой при классе обслуживания "доступная скорость
передачи данных", о котором будет сказано далее. При значении
,
последний бит ( ) переносится по всей сети и, как будет показано
далее, используется на уровне адаптации AAL 5. При
он служит
указателем конца сервисного блока данных (SDU — Service Data Unit).
Поле полезной нагрузки
предназначено для регулировки трафика.
Поле приоритета потери ячейки (
— Cell Loss Priority)
устанавливает два уровня приоритета для ячеек ATM. Ячейка, имеющая
в поле приоритета
, в период перегрузки обрабатывается с
более высоким приоритетом, чем ячейка с
. В частности,
ячейка должна быть отброшена прежде, чем ячейка с меткой
. Бит
может устанавливаться для индикации степени
важности трафика или может быть установлен сетью для указания более
низкого приоритета по QoS потока или ячейки, которая нарушает
условия контракта.
Приоритет

потери

ячейки

устанавливается
337

пользователем

или

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поставщиком услуг. Ячейки, принадлежащие источникам с постоянной
скоростью передачи, всегда должны иметь приоритет по сравнению с
источниками с изменяющейся скоростью. В свою очередь, при передаче
ячеек источника с изменяющейся скоростью передача части ячеек может
присваиваться
, а части
. Это позволяет
разделить поток ячеек на два потока: один, потеря которого мало влияет
на качество обслуживания, и второй, потеря ячеек которого
существенно сказывается на качестве обслуживания.
На узлах доступа может осуществляться проверка параметров потока
пользователя, а на транзитных узлах — параметров сетевой нагрузки.
Если параметры потока превышают установленные соглашением, то у
части ячеек значение поля приоритета потери ячейки может меняться с
на
. При перегрузках на других узлах эти ячейки могут
сбрасываться.

Контроль ошибок заголовка
Восьмибитовая комбинация циклической проверочной суммы. CRC
(Cyclic Redundancy Check) использует механизм проверки, показанный в
главе 4 (Контроль ошибок с помощью циклического избыточного кода).
Проверяется первые четыре байта, а результат проверки заносится в
пятый байт. Этот код может исправить однобитовую ошибку и выявить
до 89% многобитовых ошибок в заголовке. Обе возможности
реализуются оборудованием приема ячеек ATM с помощью адаптивного
механизма.
После запуска приемник находится в режиме коррекции. Если
обнаружена однобитовая ошибка, то она исправляется. Если
обнаружена многобитовая ошибка, то ячейка стирается. В обоих случаях
приемник переключается в режим детектирования. В этом состоянии
приемника каждая ячейка стирается. Если ошибок в заголовке не
обнаружено, то механизм переходит в состояние коррекции. Такой
режим коррекции предпочтительнее для среды, где одиночные ошибки
более вероятны, чем для среды со многими ошибками.

Виртуальное соединение
338

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ATM ориентировано на установление соединения, которое в данном
случае является виртуальным. Виртуальное соединение — это
логическое соединение, организуемое между отправителем и
получателем. Принадлежность ячейки к виртуальному соединению
(Virtual Channel Connection — VCC) распознается по номеру виртуального
соединения, состоящему из номера виртуального канала (Virtual Channel
— VC) и виртуального пути (Virtual Path — VP) (рис. 10.8). После
установления виртуального канала для передачи ячеек не требуется
номер выделения и обработка адресов конечных точек. Виртуальный
путь — это группа, объединяющая однонаправленные виртуальные
каналы.
Еще одним важным понятием является виртуальное звено (Virtual Link).
Идентификаторы виртуального канала (ИВК) и идентификаторы
виртуального пути (ИВП) назначаются только между определенными
станциями сети. Их часто называют коммутаторами сети ATM, но это
приводит к путанице с коммутаторами внутри станции. Поэтому мы в
дальнейшем будем использовать название "станции". При прохождении
станций эти значения идентификаторов меняются и не обязательно
одновременно на одной и той же станции. Поэтому участок сети, на
котором ИВК не меняется, называется звеном виртуального канала
(Virtual Channel Link). А участок сети, на котором не меняется ИВП,
называется звеном виртуального пути (Virtual Channel Path).

Рис. 10.8. Соотношение между виртуальными путями и виртуальными
каналами
При коммутации можно выделить коммутаторы каналов и коммутаторы
339

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

путей, которые в соответствии со значением соответствующих
идентификаторов коммутируют информацию и меняют ее в
соответствии с маршрутом. НА рис. 10.9 приведена сеть, которая
помогает рассмотреть использование идентификаторов путей и
каналов.

Рис. 10.9. Использование идентификаторов путей и каналов
На рис. 10.9 изображены пять виртуальных соединений, начальная и
конечная точки которых отмечены одинаковыми буквами (a, b, c, d, e).
На рисунке также изображены виртуальные пути, которым присвоены
соответствующие идентификаторы виртуальных путей (
). При
этом
содержит 3 виртуальных канала (они на рисунке обведены
эллипсом),
— 2 виртуальных канала,
— 3 виртуальных
канала,
— 2 виртуальных канала,
— 2 виртуальных
канала. Виртуальные соединения a, b, c проходят через коммутатор один
виртуальный путь (c одинаковым идентификатором
), а также
один и тот же виртуальный путь через коммутатор 2 (идентификатор
). Коммутатор 3 разделяет каналы, входившие в
.
Информация одного виртуального канала направляется к оконечному
оборудованию виртуального соединения a, другие два канала образуют
виртуальный путь с идентификатором
.Соединения d, e
проходят через 1-й коммутатор по виртуальному пути с
идентификатором
. При этом один канал (изображенный
сплошной линией, проходящей через коммутатор) — полупостоянный,
340

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

т. е. канал, установленный на достаточно большое время и не
переустанавливаемый при каждом соединении. Второй коммутатор
направляет этот поток по пути с идентификатором
, и далее он
поступает на оконечное оборудование.
В ходе рассмотрения этого рисунка легко установить точки, где
изменяется виртуальный идентификатор пути и где происходит
коммутация с использованием идентификатора канала.
Заметим, что сеть ATM обеспечивает два основных типа соединений.
Постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection —
PVC) — это долговременное соединение (несколько дней и даже
месяцев), которое обычно устанавливается между конечным
оборудованием сети ATM и используется при работе операторов. Для
каждого такого соединения жестко заданы маршрут, скорость и класс
обслуживания (QoS).
Коммутируемое виртуальное соединение (Switched Virtual Connection —
SVC) устанавливается по запросу со стороны вызывающего абонента.
Соединение создается только в том случае, если имеются
соответствующие ресурсы сети, и только на время, необходимое для
обмена информацией. После окончания передачи пакетов или
ретрансляции кадров соединение сразу разрывается.
Принцип замены идентификаторов при установлении соединения через
коммутатор показан на рис. 10.10. Номера, стоящие в заголовках
сообщений, условно отображают идентификаторы виртуальных путей;
номера портов соответствуют номерам каналов внутри виртуального
пути, указанного в заголовке.

341

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.10. ATM-коммутатор
Заметим, что рис. 10.10показывает один из вариантов коммутатора с
пространственно- временным разделением потока. Это наиболее
распространенный случай.
На рис. 10.10 показана таблица соответствия для двух входных портов
ATM-коммутатора. Во входной порт 5 поступает поток ячеек,
переносящий речевую информацию и имеющий в заголовке
идентификатор 12, а также поток, переносящий видеоинформацию,
который имеет в заголовке идентификатор 21. Когда ячейка с
идентификатором 12 поступает на входной порт 5, отыскивается
входное значение 12 в таблице коммутатора, которая показывает (см.
значения по строке), что эта ячейка должна быть перенесена в выходной
порт 1 с изменением значения идентификатора в заголовке на 17. Таким
же образом ячейка, пребывающая в порт со значением идентификатора
21, передается в порт N с изменением значения идентификатора на
70.При постоянных виртуальных соединениях таблица соответствия
сохраняется на долгое время, при коммутируемом виртуальном
соединении таблица заполняется на время обмена информацией. При
рассмотрении работы этого коммутатора можно заметить, что при
коммутации поток разделяется во входном порту на отдельные пакеты и
далее заново собирается во входном порту. В данном случае большую
роль играет основная особенность ATM — использование относительно
коротких пакетов. Это намного упрощает выполнение коммутации и
увеличивает скорость работы. Есть возможность создавать коммутаторы
со скоростью несколько сотен мегабит в секунду. Использование
342

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

коротких пакетов позволяет с высокой точностью управлять
расписанием передачи пакетов, поскольку короткие пакеты уменьшают
время ожидания в очереди, пока передающая линия получит доступ к
следующему передатчику.
Как уже было сказано выше, ATM-коммутаторы используют принцип
пакетной коммутации, ориентируемый на соединение. Этот принцип
заключается в том, что коммутация проводится с буферизацией.
Входящий пакет записывает в буфер, анализируется заголовок и на
основании этой информации сообщение передается далее. Имеется
несколько способов такой передачи (быстрый способ без проверки
ошибок, с проверкой ошибок). На рис. 10.11 показан принцип работы
ATM-мультиплексора
для
иллюстрации
различия
между
мультиплексированием с разделением по времени и ATMмультиплексированием.
На входы мультиплексора поступает различная информация. При методе
ВРК
(рис.
10.11)
информационный
поток
периодически
последовательно опрашивается по порядок номеров портов. Если
имеется информация, то она передается в канал в виде блока
информации, занимающего определенную временную позицию. Если
информация отсутствует, то этот блок уходит в канал "пусто" либо в
канал, заполненный служебной информацией. Система с опросом
ориентирована на постоянное соединение с каналом, поскольку
передает непосредственно информацию от источника. В этом случае
при небольшой плотности передаваемой информации большие ресурсы
сети загружены непроизводительно. Достоинством такой системы
является минимальная задержка информации, которая определяется
циклом опроса.

343

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.11. Принцип ATM-мультиплексирования а) структура; б) поток
при временном разделении; в) поток при ATM-мультиплексировании
При пакетной коммутации мультиплексор размещает полученную
информацию в одну или несколько очередей (промежуточный буфер) и
обслуживает эту очередь в соответствии с заданной стратегией, которая
определяет порядок считывания поступивших ячеек. При передаче
формируется пакет (в ATM ограниченной длины — 53 байта), в котором
передается все сообщение или часть его. Если далее очередь (буфер)
пустая, то соединение разъединяется и свободно для другого
соединения. Таким образом, этот метод обеспечивает меньшую нагрузку
на сеть. Стратегия ведения очереди предоставляет возможность
обеспечивать различное качество обслуживания для различных
344

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

потоков. Система передачи называется асинхронной потому, что при
передаче ячеек она не связана ни с какой синхронизацией кадров,
сверхкадров и т. п., как это происходит в системах с ВРК.
Недостатком такой системы является задержка информации при
большой нагрузке, связанная с пребыванием в очереди. Этот недостаток
уменьшается принятыми стратегиями ведения очередей и структурой
коммутаторов ATM. Применение методов, ориентированных на
соединение, позволяет уменьшить объем служебной информации,
связанной с адресацией, а фиксированная сравнительно короткая
величина пакета уменьшает время пребывания в очереди.

Структура ATM-коммутаторов
Пакетный коммутатор выполняет две главных функции: маршрутизация
и установление соединения. Функция маршрутизации использует
алгоритмы для выбора пути к каждому пункту назначения и хранит
необходимую для этого информацию в таблицах маршрутизации.
Функция установления соединения обрабатывает каждый входящий
пакет от входного порта и передает его к соответствующему порту
вывода на основе информации, хранящейся в таблице маршрутизации.
Рассмотрим основную структуру пакетного коммутатора и принцип
выполнения пакетным коммутатором основных функций [1], [6]. рис.
10.12 показывает универсальный пакетный коммутатор, состоящий из
входных портов, портов вывода, коммутационной системы и
управляющего устройства коммутатора. В линейный комплект часто
включаются несколько портов ввода/вывода так, чтобы полностью
использовать высокую скорость потока внутри коммутационной
системы.
Линейный
комплект
занимается
посимвольной
синхронизацией, линейным кодированием, цикловой синхронизацией,
физической адресацией и проверкой ошибок. Линейный комплект
может также поддерживать протоколы управления доступом к среде.

345

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.12. Пакетный коммутатор а) основные компоненты пакетного
коммутатора; б) организация линейного комплекта
Обычно он реализуется набором микросхем специального назначения.
Во многих случаях в линейном комплекте могут также находиться
таблицы маршрутизации сетевого уровня и микросхемы специального
назначения, необходимые, чтобы выполнить в таблице быстрый поиск
для определения порта вывода, а также алгоритмы планирования
очереди, которые будут рассмотрены в дальнейшем. Как правило,
линейный комплект состоит из различных наборов микросхем,
показанных на рис. 10.12. На этом рисунке программируемый сетевой
процессор выполняет задачи, связанные с передачей пакета, такие как
поиск в таблице и планирование маршрута прохождения пакета.
Контроллер в пакетном коммутаторе выполнен на многоцелевом
процессоре. Он занимается управлением в зависимости от типа
пакетной коммутации. Например, контроллер в пакетном коммутаторе,
работающий в режиме без установления соединения, обычно
выполняет некоторые протоколы маршрутизации, в то время как
контроллер в пакетном коммутаторе, работающем в режиме,
ориентированном на соединение, может также выполнять функции
346

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

передачи служебных сигналов. Он также может определять дисциплину
обслуживания очереди пакетов (дисциплины обслуживания очереди
будут рассмотрены далее).
Контроллер также связан с каждым линейным комплектом и
коммутационной системой так, чтобы принять, обработать и передать
необходимые служебные сигналы, которые определяются протоколами
взаимодействия. Функция коммутационной системы — передать
пакеты между линейными комплектами. рис. 10.12 не показывает
детальную схему коммутатора. В основном он выполнен на элементах
памяти, которые накапливают входные потоки и считывают на
адресуемые выходы. Детальный анализ возможных вариантов
построения ATM-коммутаторов сделан в [18]. В дальнейшем будет
рассмотрен принцип коммутации ATM и принципы цифровой
коммутации, которые дают представление о построении таких схем.
На рис. 10.12 входы и выходы коммутатора с одними и теми же
номерами показаны раздельно. Однако в большинстве случаев они
включаются в одно и то же устройство и обеспечивают передачу
(выход) и прием (вход) информации (двусторонняя связь). Анализируя
этот рисунок, можно предположить, что коммутационная система
может стать узким местом, если в нее включено много
высокоскоростных линейных комплектов. Поскольку нагрузка от всех
портов проходит через контроллер и коммутационную систему, то
внутренняя скорость работы при коммутации должна как минимум быть
в N раз выше. Поэтому так много внимания в ATM коммутационной
технике уделяется созданию коммутаторов с параллельной передачей
информации и другими возможностями, позво ляющими уменьшить
опасность отказов. На рис. 10.13 показана коммутационная система,
использующая буферные накопители. Она представляет собой
координатный коммутатор, который способен подключить любой из N
выходов буферного накопителя к любому из N выходов. Если выход
свободен, то пакет передается, а оставшиеся пакеты остаются в буфере.
Поскольку коммутатор обеспечивает передачу только одного пакета к
одному выходу, то на время передачи можно подключить буфер другого
входа к другому выходу. Таким образом, координатный (матричный)
коммутатор с памятью на входе уменьшает требования к скорости
работы коммутатора. Однако буферизация на входе порождает другую
проблему. Рассмотрим ситуацию, когда имеются два пакета в буфере 2,
347

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

как это показано на рис. 10.13 . Первый пакет адресован на выход 3, а
второй — на выход 8. Предположим, что пакет от входного буфера 1
адресован тоже на выход 3. Теперь предположим, что управление
коммутационной системой соединяет для передачи входной буфер 1 с
выходом 3. Тогда первый пакет в буфере 2 вынужден ждать, пока выход
3 не окончит передачу пакета. Все это время второй пакет входного
буфера 2, находясь после первого пакета в очереди, должен ждать, хотя
выход 8 свободен. Эта ситуация может привести к серьезным
ухудшениям характеристик в матричном коммутаторе с буферизацией
на входе.

Рис. 10.13. Матричные коммутаторы с буферизацией
Ситуация, при которой первый пакет сдерживает другие последующие
пакеты сзади него, называется блокировкой заголовком очереди (HOL
— Head Of Line Blocking).
Выходом из такого положения является применение буферного
устройства на базе памяти с произвольным доступом (RAM — Random
Access Memory). Тогда, если первая ячейка заблокирована, выбирается
следующая, у которой требуемый выходной порт свободен. Однако такой
режим усложняет управление буферной памятью и процессом
коммутации в целом.
Известно из цифровой коммутации, что матричная структура имеет
348

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

большую сложность. Для построения коммутатора с N входами и N
выходами требуется N входов
коммутационных элементов, что
препятствует построению больших коммутационных систем. Поэтому
на практике применяют многокаскадные коммутационные системы.
Одна из таких структур называется коммутационная система баньянного
типа (рис. 10.4). Баньянный коммутатор обычно составлен из
коммутационных элементов 2x2, связанных таким способом, что
существует единственный путь от каждого входа до каждого выхода.
Маршрутизация проводится децентрализованно методом самопоиска с
использованием
двоичных
адресов.
Каждый
двоичный
коммутационный 1 Баньян — порода дерева, у которого вершины веток
снова уходят в землю, образуя обратную петлю. Элемент может
находиться в одном из двух состояний: 0 — связь сквозная или 1 —
перекрестная. Процедура выбора пути не зависит от номера входа, а
зависит от адреса выхода.

349

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.14. Баньянная коммутационная система а) коммутационная
система; б) правила коммутации согласно адресу
Например, если выходной адрес равен 001, то от входа 1
на первом каскаде он проходит насквозь (входной адрес — 0
верхнем входе);
на втором каскаде он проходит насквозь (входной адрес — 0
верхнем входе);
на третьем каскаде он проходит накрест (входной адрес — 1
верхнем входе).
на первом каскаде он проходит насквозь (входной адрес — 0
верхнем входе);
?на втором каскаде он проходит насквозь (входной адрес — 0
верхнем входе);
350

на
на
на
на
на

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

?на третьем каскаде он проходит насквозь (входной адрес — 1 на
нижнем входе).
Таким образом, независимо от входных адресов 1 и 2 пакет
направляется на выход, имеющий адрес 001. Основным достоинством
такого поиска является самомаршрутизация без использования таблиц.
Основной недостаток такой структуры заключается в наличии
внутренних блокировок. Например, если одновременно установить
соединение входа 5 с выходом 1 и входа 7 с выходом 0, то они будут
конкурировать за нижний вход в коммутаторе 1. Наличие внутренних
блокировок снижает пропускную способность такого коммутатора.
Основной способ преодоления влияния внутренних блокировок — это
размещение буферов в баньянных структурах. Разновидности баньянных
структур приведены и проанализированы в [22]. Баньянный коммутатор
— только один из многих возможных способов строить большие
коммутационные системы.

Параметры качества обслуживания
Одним из основных показателей ATM является обеспечение
гарантированного качества обслуживания (QoS) при передаче потока
информации по сети. В ATM сети QoS обеспечивается сетью, в
соответствии с заранее согласованными параметрами. Эти параметры
определяют величины, относящиеся к последовательной передаче
ячеек. Всего таких параметров 6.Три параметра, определенные ATMстандартами, не связаны со временем передачи ячеек и показывают
важные параметры сети. Эти параметры не могут быть предметом
соглашения с пользователем.
Коэффициент ошибок по ячейкам (Cell Error Ratio — CER). Коэффицент
ошибок по ячейкам — это отношение числа принятых в течение
передачи ячеек, с одной и более ошибками, к общему числу переданных
ячеек. Коэффициент ошибок по ячейкам зависит от лежащей в основе
физической среды. Коэффициент ошибок по ячейкам подсчитывается с
исключением блоков серьезных ошибок (см. определение этого понятия
выше).
Коэффициент ложной вставки (Cell Misinsertion Rate — CMR).
Коэффициент ложной вставки — это среднее число ячеек в секунду,
351

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

которые ошибочно доставлены к данному пункту назначения (от
несоединенного с ним источника). Коэффициент ложной вставки в
первую очередь зависит от ошибок в заголовке неправильно
доставленной ячейки. Как и в предыдущем случае, рассматриваемый
коэффициент подсчитывается с исключением блоков серьезных ошибок
(см. определение этого понятия выше).
Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками (Severely Errored
Block Ratio - SEBR). Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками
подсчитывается в случае наступления события, когда в данном блоке из
N ячеек более чем M ячеек теряется, приходит с ошибками или
относbтся к ложной доставке. Величины M и N задаются поставщиком
услуги. Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками — это
отношение числа последовательно нарушенных блоков ячеек к общему
числу поступивших блоков ячеек. Он возникает в результате сбоев
механизма передачи в основной среде. Например, переполнение
буферной памяти, резкое переключение на резерв и другие
непредусмотренные события. Следующие три параметра могут быть
согласованы между пользователем и сетью перед установлением связи.
Коэффициент потерь ячеек. (Cell Loss Ratio — CLR). Коэффициент
потерянных ячеек - это отношение числа потерянных ячеек к общему
числу переданных ячеек. При расчете этого коэффициента исключаются
ячейки, потерянные в результате серьезных ошибок. Общее количество
потерянных ячеек определяется как разность между количеством
переданных ячеек из исходящего пункта и принятых пунктом
назначения. Если количество переданных ячеек меньше количества
принятых, то имеет место прием ячеек, поступивших не по адресу, и
потерянных ячеек нет. Это значение может служить предметом
соглашения между пользователем и поставщиком услуг на время
установления соединения. Оно задается для данного соединения. Это
задание лежит в пределах
. Этот коэффициент может
быть не согласован. Он может быть заявлен любым значением от 0 до 1.
Величина, которая может быть принята поставщиком, зависит от
стратегии распределения буферной памяти, которая возможна в данной
сети.
Задержка передачи ячейки (Cell Transfer Delay — CTD). Это время,
которое проходит от момента, когда ячейка введена в сеть от источника
352

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

в интерфейс "пользователь-сеть", до момента, когда он появляется на
интерфейсе "пользователь-сеть" в пункте назначения. Задержка
передачи ячейки включает в себя время распространения, время на
обработку, время нахождения в очереди в мультиплексорах и
коммутаторах. В общем случае значение задержки может быть задано
плотностью вероятности, которая характеризует распределение
вероятности появления заданной величины задержки передачи ячеек
[9].
На рис. 10.15 приведена одна из возможных функций, называемая
функцией нормального распределения. На рисунке показана функция
плотности распределения ?(x) и некоторые условные величины. Здесь
имеется разброс величин от 0 до 3 и 0 до -3. Площадь, ограниченная
этой кривой, характеризует вероятность появления величины в этом
диапазоне. Например, вероятность того, что величина, показанная на
рисунке, примет величину в диапазоне
, равна 0,5 (50%).
Полная площадь кривой в диапазоне
равна единице.
На рисунке изображены проценты, которые занимает площадь,
покрываемая этой кривой в зависимости от диапазона величин,
которые нас интересуют. Реальные функции отличаются от нее
положением максимума и распределением значений плотности, но
характер остается прежним. Функция задержки задается либо
максимальным диапазоном времени задержки , либо вероятностью
отклонения от этого диапазона вероятности, которая обозначается
. Механизм управления величиной задержки передачи ячейки
должен использовать эту величину для управления очередями и
коммутацией.

353

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 10.15. Плотность вероятности нормального распределения
Среднее квадратическое отклонение задержки ячеек (Cell Delay Variation
—CDV). Эта величина определяется исходя из дисперсии
(математическое
ожидание
квадрата
разности
случайной
математической величины и ее математического ожидания [39].
Положительное значение квадратного корня из этого числа называется
средним квадратическим отклонением случайной величины. При
заключении договора на обслуживание эта величина задается как
максимальное (положительное или отрицательное) отклонение
времени задержки передачи. Таким способом фиксируется диапазон
возможных отклонений.
Описание трафикаСпособность сети обеспечить заданный уровень
качества обслуживания зависит от того, какой поток генерирует
источник. Это может быть равномерно распределенная по времени
нагрузка либо нагрузка, поступающая "пачками". От этого зависят
требуемые ресурсы сети — полоса пропускания, количество буферной
памяти. Поэтому в соглашении между пользователем и поставщиком
354

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

услуги должен быть оговорен характер трафика. Для этой цели в
описании (дескрипторе) трафика предназначены следующие oсновные
параметры трафика, за которыми осуществляется контроль.
Пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate — PCR). Пиковая скорость ячеек
измеряется в единицах "ячейка в секунду":

где
— интервал между поступлением двух ячеек. Поддерживаемая
скорость (SCR — Sustainable Cell Rate). Это средняя скорость передачи
ячеек в ячейке/секунде, поддерживаемая источником в течение долгого
времени. Она всегда должна быть меньше или равна пиковой скорости.
Максимальный размер пачки (Maximum Burst Size — MBS) определяется
количеством ячеек, генерируемых источником на пиковой скорости.
Минимальная скорость ячейки (Minimum Cell Rate — MSR) — это
минимальная скорость, которая разрешается для передачи источником.
Допустимый разброс времени задержки (Cell Delay Variation Tolerance —
CDVT) Даже если источник точно поддерживает пиковую скорость,
последующее мультиплексирование и обработка можгут внести разброс
в значение этой скорости. Этот параметр может быть измерен в сети.
Надо отметить, что не все перечисленные параметры обязательно
используются по соглашению.

Категории обслуживания ATM
В общем случае ATM — соединение четко определенных классов,
имеющих четко выраженные параметры. ATM-форумы определили 5
классов категорий обслуживания, как это показано в таблице 10.2.
Первые две категории (Constant Bit Rate — постоянная скорость
передачи, Variable Bit Rate — переменная скорость передачи)
используются для установления соединений в реальном масштабе
времени и чувствительны к существенным задержкам.
Таблица 10.2. Характеристики категорий ATM обслуживания
355

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Уровни АТМ-обслуживания
Переменная скорость
Неопределенная
Характеристики Постоянная передачи
скорость
Реальный Нереальный скорость
передачи
передачи
масштаб
масштаб
времени
времени
Параметры
трафика Пиковая
скорость и
Задается
Задается
Задается
Задается
разброс времени
задержки
Поддерживаемая
скорость,
Отсутствует Задается
Задается
Отсутствует
максимальный
размер пачки
Минимальная
Отсутствует Отсутствует Отсутствует Отсутствует
скорость
Параметры
качества
обслуживания Задается
Задается
Не задается Не задается
Разброс по
времени
Максимальная
задержка

Задается

Задается

Задается

Не задается

Коэффициент
ошибок

Задается

Задается

Задается

Не задается

Другие
характеристики
Не задается Не задается Не задается Не задается
Обратная связь

рия обслуживания применяется в случае жестких требований к
временным параметрам передачи. Это речь, обычные типы видео с
постоянной скоростью передачи информации, передача речи с
постоянной скоростью или транспортирование по сети ATM цифровых
356

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

каналов
или
. Такую услугу называют эмуляцией каналов (circuit
emulation). Все эти службы требуют постоянной скорости передачи в
течение времени всего соединения. При этом для трафика задается
пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate — PCR). Качество обслуживание
задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay — CTD),
коэффициента потери ячеек (Cell Loss Ratio — CLR).
Real Time Variable Bit Rate (VBRrt) — переменная скорость передачи в
реальном масштабе времени. Эта категория обслуживания применяется
в случае трафика с переменной битовой скоростью и со строгими
требованиями к временным параметрам передачи, таким, как
подвижное телевиение. Рассматриваемый вид трафика требует задания
пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate — PCR), поддерживаемой
скорости (Sustainable Cell Rate — SCR). Качество обслуживания задается
с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay — CTD),
коэффициента потери ячеек (Cell Loss Ratio — CLR).
Nonreal Time Variable Bit Rate (VBRnt) — переменная скорость,
предназначенная для обслуживания трафика с переменной битовой
скоростью, такого как высокоточное телевидение, со строгими
требованиями к временным параметрам передачи. Этот вид трафика
требует задания пиковой скорости ячеек (Peak Cell Rate — PCR),
поддерживаемой скорости (Sustainable Cell Rate — SCR). Качество
обслуживание задается с помощью указания задержки (Cell Transfer Delay
— CTD), коэффициента потери ячеек (Cell loss ratio — CLR).
Available Bit Rate (ABR) — доступная скорость передачи; применяется
для обслуживания трафика от источников, которые адаптируют
своскорость передачи в ответ на требования сети, передаваемые по
цепям обратной связи. Этот тип обслуживания позволяет источнику
регулировать
свою
производительность
в
соответствии
с
возможностями сети. При возникновении перегрузки на сети
предусматривается механизм, позволяющий плавно снижать скорости
передачи в канале в зависимости от доступных сетевых ресурсов, что
гарантирует завершение всех остав-шихся приоритетных соединений.
Этот вид трафика требует задания пиковой скорости ячеек (Peak Cell
Rate — PCR), минимальной скорости ячеек (Minimum Cell Rate — MCR).
Эта скорость может быть равна 0. Источники регулируют скорость, с
которой они работают с сетью, с помощью алгоритма управления
357

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

перегрузкой, который диктует им способ работы в зависимости от
ресурсов сети. Соединения, которые адаптируют их трафик, используют
каналы обратной связи и могут исключать ячейки с низким
приоритетом. Качество обслуживания задается с помощью указания
задержки (Cell Transfer Delay — CTD), коэффициента потери ячеек (Cell
Loss Ratio — CLR).
Unspecified Bit Rate — неопределенная скорость передачи. Этот вид
обслуживания не гарантирует никакого качества обслуживания. Пиковая
скорость ячеек и параметры доставки не устанавливаются. Сетевые
ресурсы для передачи такого трафика выделяются "по возможности", т.
е. только те, которые свободны в данный момент.
В системах передачи ATM качество обслуживания гарантируется на
основе соединений; при любом соединении ожидается, что его
требования будут обеспечены. Однако ATM-сети выполняют
одновременно много соединений и обрабатывают много потоков с
различными требованиями, поэтому следует рассмотреть возможности
соблюдения этих гарантий и стратегии использования ресурсов для
различных категорий обслуживания ATM.
Для источников с постоянной битовой скоростью устанавливается
свободное использование ресурсов для передачи с согласованной
пиковой скоростью передачи ячеек в любое время и любой
длительности. Из этого следует, что сеть должна иметь достаточную
пропускную способность, чтобы позволить источнику постоянно
передавать информацию с заданной пиковой скоростью. Дисциплина
расписания/приоритета в мультиплексорах и коммутаторах должна
гарантировать, что любому соединению будет доступна такая
производительность, которая удовлетворит согласованные требования
среднего квадратического отклонения задержки ячеек (CDV). Поток,
генерируемый источником с постоянной битовой скоростью,
предполагает очень ограниченное взаимодействие между различными
потоками. В сущности, индивидуальный поток с постоянной битовой
скоростью работает как отдельный изолированный канал передачи.
Для источников потока реального времени с переменной скоростью
передачи в реальном масштабе времени (RTVBR – Real – time Variable Bit
Rate) скорость передачи динамически изменяется в соответствии с
358

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

поддерживаемой средней скоростью (SCR), которая ниже пиковой
скорости. Поэтому операторы сетей получают возможность
использовать статистическое мультиплексирование для увеличения
пропускной способности сети. Однако смешивание потоков реального
времени с переменной скоростью уменьшает изолированное
обслуживание таких потоков. В особенности это сказывается на
показателях задержки и коэффициенте потери ячеек (CLR).
Для потоков с переменной скоростью в нереальном масштабе времени
изменение аналогично только что рассмотренному потоку. Опять
возможна
попытка
операторов
применить
статистическое
мультиплексирование что ограничено взаимным влиянием потоков на
согласованные между пользователем и поставщиком услуг показатели.
При обслуживании потоков с неопределенной скоростью передачи
(UBR) отсутствуют любые гарантии качества обслуживания — это
представляет интересный контраст с предыдущими категориями
обслуживания. Когда на сети низкий уровень трафика, такой вид
обслуживания может предоставить такие характеристики, как и в других
категориях с гарантированным качеством обслуживания. Только при
увеличении нагрузки преимущества гарантированного качества
становятся заметными. С точки зрения сетевого оператора для
заполнения сетевых ресурсов при низкой нагрузке могут использоваться
низкие тарифы, чтобы стимулировать нагрузку. Этот метод весьма
полезен для широкого диапазона пользователей, когда нагрузка
небольшая. И этот метод менее и менее полезен при увеличении
нагрузки и при снижении полезных характеристик сети из-за
перегрузки. Обслуживание потоков с доступной скоростью передачи
(ABR) считается более удобным методом, чем предыдущий, поскольку
он обеспечивает низкий уровень коэффициента потери ячеек, пока
имеется низкий трафик. При увеличении трафика можно
воспользоваться соглашением о минимальной скорости передачи
(MCR). Это является некоторой гарантией обеспечения желательного
качества обслуживания.

Соглашение по трафику, управление соединением и
административное управление трафиком
359

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Все указанные в заголовке характеристики представляют группу
функций управления, которые вместе гарантируют, что соединение
получит соответствующий уровень обслуживания. Для того чтобы
обеспечить гарантированное качество обслуживания [64] для каждого
соединения, сеть должна найти ресурсы для каждого нового
соединения. В частности, сеть должна гарантировать, что новые
соединения виртуальных каналов или путей будут подключены к
портам, имеющим достаточную производительность и достаточную
буферную память, чтобы обработать поступившее соединение. При этом
должны быть использованы алгоритмы, гарантирующие выполнение
заданных показателей в части задержек по времени и потерь ячеек.
Управление соединением (Connection Admission Control — CAC) — эта
функция сети, которая определяет, должен ли запрос о новом
соединении быть принят или быть отклонен.
Если запрос принят, пользователь и сеть, как говорят, вступают в
соглашение по трафику. Соглашение для каждого соединения содержит
категорию обслуживания ATM, описание трафика и параметры качества
обслуживания. Процедура управления соединением обращается к
описанию предложенного для данного запроса трафика и параметрам
качества обслуживания и определяет,
имеются ли достаточные ресурсы по всему маршруту от
источника до пункта назначения, чтобы обеспечить требуемые
показатели для нового соединения,
не ухудшаются ли характеристики для уже установленных
соединений.
Алгоритмы CAC не определены стандартами и выбираются каждым
сетевым оператором самостоятельно. Гарантии качества обслуживания
действительны, только если пользовательский трафик соответствует
соглашению по трафику для данного соединения. Управление
использованием параметров (Usage Parameter Control —UPC) — процесс
управления приоритетом трафика, он предотвращает поступление
избыточного трафика, если все ресурсы сети исчерпаны. Этот процесс
выполняет соглашение по трафику для данного пользовательского
интерфейса (UNI). В соответствии с этим соглашением определяется,
какая ячейка может обрабатываться, соответствует ли она соглашению
360

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(конформна) или не соответствует соглашению (неконформна) для этого
соединения. Алгоритм базовой скорости ячеек (GCRA – Generic Cell Rate
Algorithm) следит за выполнением характеристик трафика. Он
эквивалентен алгоритму "дырявого ведра", рассмотренному далее в
разделе "Стратегия безопасности", и может использоваться для
определения, соответствует ли ячейка указанным в соглашении пиковой
скорости и допустимому разбросу времени задержки (CDVT– Cell Delay
Variation Tolerance). Ячейки, которые не соответствуют соглашению по
трафику, мар- кируются в заголовке значением бита приоритета потери
ячейки (Cell Loss Priority) —
. Когда сеть перегружена, ячейки
с установленным значением
отбрасываются первыми.
Таким образом, неконформные ячейки могут быть потеряны с большей
вероятностью. Заметим, что общий поток ячеек обозначается
.
Алгоритм "дырявого ведра" может быть модифицирован, чтобы
проверять не только пиковую скорость и допустимый разброс времени
задержки (CDVT), но и поддерживаемую скорость (SCR) и
максимальный размер пачки (MBS).
Говорят, что соединение подчиняется соглашению, если процент не
конформных ячеек не превышает порога, указанного сетевым
оператором. Пока соединение подчиняется соглашению, сеть будет
обеспечивать заданное в соглашении качество обслуживания. Если
соединение не подчиняется соглашению, сеть может не выполнять
качество обслуживания, указанное в соглашении.
Формирование трафика (traffic shaping) — механизм, который позволяет
источникам гарантировать, что их трафик соответствует соглашению на
соединение. При формировании трафика алгоритм "дырявое ведро"
используется, чтобы выделить неконформные ячейки, которые затем
записываются в буфер и передаются позже; таким образом, все ячейки,
вводимые в сеть, будут конформны. Механизм "маркированного ведра",
используемый для формирования трафика, будет показан далее в разделе
"Стратегия безопасности". Перегрузка может возникнуть в сети, даже
если все ячейки, которые вводят в сеть, не соответствуют соглашению
на соединение. Такая перегрузка возникает, когда в один момент
времени поступает много ячеек от различных соединений. Цель
контроля перегрузок состоит в том, чтобы обнаружить начало
361

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

перегрузки
и
активизировать
механизмы
для
уменьшения
отрицательного воздействия и продолжительности перегрузки. Сети
ATM используют два типа контроля перегрузок.
Система с потерями (open-loop control) ячеек включает в себя удаление
ячеек со значением бита приоритета потери ячейки
во
время периодов перегрузки. Начало перегрузки может быть
зафиксировано по факту достижения порога объема буферной памяти
буферов в коммутаторах и мультиплексорах. Сброс низкоприоритетных
ячеек помогает поддерживать качество обслуживания, которое было
записано для ячеек с высоким приоритетом.
Второй класс управления перегрузками — система с возвратом данных
(closed loop control) — использует явную обратную связь от сети до
источников. Этот тип управления соответствует соединениям с
доступной битовой скоростью (ABR), которые по определению
содержат передатчики, чью входную скорость можно адаптировать к
возможностям сети.

Краткие итоги
ATM объединяет возможности двух технологий — коммутации
пакетов и коммутации каналов. ATM преобразует все виды
нагрузки в поток ячеек (cell) длиной 53 байта.
Эталонная модель протоколов BISDN содержит три плоскости:
плоскость пользователя (U-plane), плоскость управления (C-plane)
и плоскость менеджмента — административного управления (Mplane), и четыре уровня: верхний (прикладной) уровень, уровень
адаптации, ATM-уровень.
Уровень адаптации ATM преобразует блоки данных пользователя
(SDU — Service Data Unite) в 48-байтовые блоки, которые
переносятся
ATM-ячейками.
Задача
устройства
AAL:
преобразовать информацию, разбить на блоки и предоставить для
передачи через уровень ATM, который позволяет системе передать
все характерные особенности данного приложения (например,
тактовые последовательности).
ATM-уровень занимается только последовательной передачей
ATM-ячеек, полученных от уровня AAL, в установленном по сети
соединении (установлением соединения занимается плоскость
362

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

управления). ATM-уровень принимает 48-байтовые блоки
информации от AAL и дополняет их 5-байтовым заголовком,
формируя ячейку (ATM).
ATM обеспечивает постоянное виртуальное соединение
(Permanent Virtual Connection — PVC) и коммутируемые
виртуальные соединения (Switch Virtual Connection — SVC). PVC
работает как постоянная арендованная между сторонами
пользователей линия.
Исходящий пользователь должен взаимодействовать с сетью с
помощью интерфейса "пользователь-сеть" (user-network interface —
UNI). В пределах одной сети станции взаимодействуют согласно
интерфейсу "сеть-сеть" (network-network interface — NNI). Станции,
которые принадлежат разным сетям, взаимодействуют по
интерфейсу широкополосной межсетевой связи (Broad Band
Intercarrier Interface — B-ICI).
Физический уровень для обеих рассматриваемых плоскостей
разделяется на два подуровня.
Подуровень, зависящий от физической среды (PMD —
Physical Medium Dependent), нижний из двух подуровней,
относится к описанию деталей передачи бит через
конкретную среду.
Подуровень согласования с системой передачи (TCS —
Transmission Convergence Sublayer) устанавливает границы
ATM-ячеек в потоке бит; генерирует и контролирует
контрольную сумму; вставляет и удаляет "свободные" ATMячейки в формат, предназначенный для передачи по
заданной физической среде.
Различные
заголовки
ATM-ячеек
предназначены
для
использования в интерфейсах "пользователь-пользователь" (UNI),
"сеть-сеть" (NNI). Поля этого заголовка: общее поле управления
потоком (Generic Flow Control — GFC), идентификатор
виртуального пути (IVP — Identifier Virtual Path), идентификатор
виртуального канала (IVC — Identifier Virtual Channel), полезная
нагрузка.
Виртуальное соединение — это логическое соединение,
организуемое
между
отправителем
и
получателем.
Принадлежность ячейки к виртуальному соединению (Virtual
Channel Connection — VCC) распознается по номеру виртуального
соединения, состоящему из номера виртуального канала (Virtual
363

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Channel — VC) и виртуального пути (Virtual Path — VP).
Пакетный коммутатор выполняет две главных функции:
маршрутизация
и
установление
соединения.
Функция
маршрутизации использует алгоритмы для выбора пути к каждому
пункту назначения и хранит необходимую для этого информацию
в таблицах маршрутизации. Функция установления соединения
обрабатывает каждый входящий пакет от входного порта и
передает его к соответствующему порту вывода на основе
информации, хранящейся в таблице маршрутизации.
Коммутационная система, использующая буферные накопители,
представляет собой координатный коммутатор, способный
подключить любой из N выходов буферного накопителя к любому
из N выходов. Если выход свободен, то пакет передается, а
оставшиеся пакеты остаются в буфере. Таким образом,
координатный (матричный) коммутатор с памятью на входе
уменьшает требования к скорости работы коммутатора.
Буферизация на входе порождает проблему, называемую
блокировкой заголовком очереди (HOL — Head of Line blocking),
при которой первый пакет сдерживает другие последующие
пакеты сзади него.
Баньянный коммутатор обычно составлен из коммутационных
элементов 2x2, связанных таким способом, что существует
единственный путь от каждого входа до каждого выхода.
Маршрутизация
проводится
децентрализованно
методом
самопоиска с использованием двоичных адресов.
Гарантированное качество обслуживания обеспечивается сетью, в
соответствии с заранее согласованными параметрами. Три
параметра не могут быть предметом соглашения с пользователем:
коэффициент ошибок по ячейкам (Cell Error Ratio — CER),
коэффициент ложной вставки (Cell Misinsertion Rate — CMR),
коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками (Severely
Errored Block Ratio — SEBR).
Три параметра могут быть согласованы между пользователем и
сетью перед установлением связи: коэффициент потерь ячеек (Cell
Loss Ratio — CLR), задержка передачи ячейки (Cell Transfer Delay —
CTD), среднее квадратическое отклонение задержки ячеек (Cell
Delay Variation — CDV).
В соглашении между пользователем и поставщиком услуги должен
быть оговорен характер трафика. Для этой цели в описании
364

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(дескрипторе) трафика предназначены следующие основные
параметры трафика, за которыми осуществляется контроль:
пиковая скорость ячеек (Peak Cell Rate — PCR),
поддерживаемая скорость (SCR — Sustainable Cell Rate),
максимальный размер пачки (Maximum Burst Size — MBS),
минимальная скорость ячейки (Minimum Cell Rate — MSR),
допустимый разброс времени задержки (Cell Delay Variation
Tolerance — CDVT).
ATM-форумы определили 5 классов категорий обслуживания:
постоянная скорость передачи — Constant Bit Rate (CBR),
переменная скорость передачи в реальном масштабе
времени — Real Time Variable Bit Rate (VBRrt),
переменная скорость передачи — Nonreal Time Variable Bit
Rate (VBRnt),
доступная скорость передачи — Available Bit Rate (ABR),
неопределенная скорость передачи — Unspecified Bit Rate.
Процедура управления соединением (CAC) обращается к
описанию предложенного для данного запроса трафика и
параметрам качества обслуживания и определяет:
имеются ли достаточные ресурсы по всему маршруту от
источника до пункта назначения, чтобы обеспечить
требуемые показатели для нового соединения;
не ухудшаются ли характеристики для уже установленных
соединений.
Управление использованием параметров (Usage Parameter Control
— UPC) — процесс управления приоритетом трафика,
предотвращает поступление избыточного трафика, если все
ресурсы сети исчерпаны.
Система с потерями (open-loop control) ячеек включает в себя
удаление ячеек со значением бита приоритета потери ячейки
во время периодов перегрузки. Система с возвратом
данных (closedloop control) использует явную обратную связь от
сети до источников.

Задачи и упражнения
1. Предположим, что вместо ATM для BISDN был бы принят режим
передачи, который обеспечивал бы соединение на постоянной
365

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

битовой скорости, и эта скорость была бы кратна 64 Кбит/с. Какие
процедуры нужны были бы для мультиплексирования и
коммутации? Почему BISDN не принял этот режим передачи?
2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Сравните возможности управления производительностью
виртуальных путей ATM и SDH .
Могут ли виртуальные пути ATM быть приспособлены для
того, чтобы обеспечить устойчивость к отказам, так же как
кольца SDH?
Если использовать ATM в сети доступа, будет ли зависеть работа
от задержек в этой среде? Если да, объясните, как. Если нет,
объясните, почему. Относится ли то же самое заключение к любой
местной сети доступа?
Зависит ли работа сети ATM от задержек в сети? Рассмотрите
работу сети ATM в условиях перегрузок с большой задержкой. Как
это влияет на размер буферов в ATM-коммутаторах? Оцените
количество требуемых буферов в коммутаторах.
Сравните характеристики аренды линий с временной
коммутацией и ATM с постоянным соединением каналов (с точки
зрения пользователя и с точки зрения оператора).
Предположим, имеется обратный мультиплексор, который
получает на входе высокоскоростной цифровой поток и разделяет
его на ряд низкоскоростных потоков, которые передаются
параллельно по линии к одному и тому же пункту назначения.
Объясните, что требуется от обратного демультиплексора, чтобы
получить исходный ATM-поток.
Предположим, что ATM-коммутатор имеет 32 входных порта и 32
выходных порта.
Сколько соединений может обеспечить (теоретически) такой
коммутатор?
Какие требования должны быть к таблице поиска для
поддержки большого числа соединений?
(дополнительный вопрос) Выполните поиск с помощью
ассоциативной памяти и объясните, как это может помочь
при адресации в таблице поиска.
Объясните, может ли контрольная сумма заголовка быть
использована для того, чтобы определить границу ячейки в
непрерывной последовательности. Какова вероятность, что
пятиоктетные блоки будут достаточны для обнаружения ошибок в
366

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

заголовке? Предположим, что биты с равной вероятностью
принимают значения 0 и 1. Какова вероятность, что два
случайных блока имеют по 5 октетов, которым соответствуют два
последовательных заголовка?
9. В заголовке ATM при стыке "пользователь-сеть" (UNI) имеется
поле управления потоком (GFC) . Предположим, что несколько
терминалов имеют доступ к одной и той же ATM-сети.
Объясните,
почему
управление
потоком
требует
регулировать трафик от терминалов сети. Объясните как
поле управления потоком (GFC) используется в этой задаче.
Объясните как поле управления потоком (GFC) может быть
использовано в качестве подадреса для обеспечения доступа
точки ко многим точкам. Порождает ли такое использование
конфликт с требованием управления потоком?
10. Цель контроля ошибок заголовка (HEC) — защитить заголовок от
ошибок, которые могут привести в результате к неправильной
адресации и неправильной доставке ячеек. Циклический
остаточный код используется для коррекции одиночных ошибок и
обнаружения (но не коррекции) всех двойных ошибок, которые
произойдут в заголовке.
Предположим, что битовые ошибки случайны и что
вероятность ошибки
Найдите вероятность того, что заголовок: не содержит
ошибок; содержит одиночную ошибку; содержит двойную
ошибку; содержит более двух ошибок. Определите эту
11.

12.

13.

14.

вероятность для
.
Какая разница между коэффициентом ошибок по ячейкам (CER) и
коэффициентом потерь ячеек (CLR)? Почему один из них может
быть согласован для установления соединения, а другой нет?
Почему при подсчете коэффициента ошибок по ячейкам (CER) и
коэффициента потерь ячеек (CLR) отбрасываются блоки с
серьезными ошибками (SEBR)?
Объясните, как организация очереди влияет на показатели
коэффициента потерь ячеек (CLR) и на задержку при передаче
ячеек (CTD).
Поясните, что происходит при потере одиночной ячейки в
длинном пакете в ситуации, в которой используется протокол
передачи с автоматическим запросом на повтор передачи. Что
367

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

15.

16.

17.

18.

происходит при такой потере? Насколько повышает такой повтор
характеристики передачи?
Рассмотрите последовательность ячеек потока ATM, переносящих
речь в виде информации ИКМ от одиночного источника.
Какие особенности имеет описание такой нагрузки? И какие
характеристики "дырявого ведра" нужны для формального
описания этого потока?
Предположите теперь, что соединение ATM переносит
поток ячеек от
источников речи. Какие особенности
имеет описание для результирующего составного потока?
Как можно измерить такой поток?
Рассмотрите последовательность ячеек потока ATM, переносящих
речь в виде информации ИКМ от одиночного источника в
предположении. (используется метод исключения пауз).
Какие особенности имеет описание такой нагрузки? И какие
характеристики "дырявого ведра" нужны для формального
описания этого потока?
Предположите теперь, что соединение ATM переносит
поток ячеек от
источников речи. Какие особенности
имеет описание для результирующего составного потока? И
как можно измерить такой поток?
Предположим, что пакеты постоянной длины (размер равен
ячейкам) приходят от источника, который работает по ATMсоединению и что такие пакеты разделяются показательными
случайными временами
. Каково соответствующе описание
трафика для этой последовательности ячеек и каковые
характеристики "дырявого ведра"? Какая ситуация ведет к
неконформным ячейкам?
Объясните, почему выбран набор описаний трафика и параметров
качества обслуживания (QoS) для каждой из категорий
обслуживания ATM.

368

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Уровни адаптации ATM
Рассмотрена классификация приложений, которые использует сеть
ATM, пять категорий обслуживания соединения ATM и уровень
адаптации сигнализации.
Приложение, которое использует сеть ATM, может выбрать одну из пяти
категорий обслуживания соединения ATM, показанных в таблице 10.2 .
Каждое приложение включает передачу одного или более блоков или
потока информации через сеть. Категории обслуживания ATM
обеспечивают последовательную передачу ячеек по сети с некоторой
задержкой или потерями. Это требует, по крайней мере, преобразования
блоков данных в источнике, идущих от приложения в ячейки ATM, и
преобразования в пункте назначения назад к прикладным блокам. Одна
из целей уровня адаптации ATM состоит в том, чтобы обеспечить
отображение блоков данных приложения в блоки данных ячеек ATM.
Приложения, естественно, определяют свои требования к качеству
обслуживания с точки зрения передачи своих блоков данных, а не с
точки зрения передачи ячеек ATM. Возможно, что обслуживание,
выполняемое уровнем ATM, не выполняет требования приложения.
Например, уровень ATM не обеспечивает достоверного обслуживания
отдельного потока из-за потери некоторых ячеек, которые могут быть
существенны для прикладного уровня. Другая цель уровня адаптации
ATM состоит в том, чтобы гарантировать соответствие уровня
обслуживания, обеспечиваемое уровнем ATM, уровню, требуемому
приложением.
Заметим, что многие прикладные задачи сами содержат множественные
преобразования. Например, прикладная задача HTTP может
использовать для передачи протокол TCP/IP, информационный поток, в
свою очередь, поступает на вход AAL. При этом функция AAL
заключается в поддержке уровня непосредственно выше данного. Таким
образом, если уровень, который находится выше AAL, — TCP, то AAL не
должен выполнять задачу обеспечения достоверного обслуживания
потока, поскольку она в TCP не выполняется.
С другой стороны, AAL можно использовать, чтобы обеспечить
достоверное обслуживание потока, когда это недоступно в более
высоких уровнях, как, например, в передаче сигналов управления в
369

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

некоторых приложениях.
Различные приложения требуют комбинации различных функций в
AAL. Например, передача цифрового потока
(эмуляция каналов circuit emulation) требует преобразования информации таким образом,
чтобы ATM-соединение соответствовало всем требованиям цифровой
передачи. Системы передачи в реальном масштабе времени (например,
речь и некоторые системы передачи изображения) выдвигают
аналогичные требования для имитации нужных прикладных задач. С
другой стороны, приложение Frame Relay требует не реального
масштаба времени, передачи, ориентированной на соединение для
последовательной передачи кадров между двумя концами системы. В
еще одном примере IP-маршрутизаторы требуют передачи пакетов без
установления соединения к другому маршрутизатору, использующему
ATM-сеть как "линию для передачи данных".
В некоторых случаях IP переносит полезную нагрузку, которая
управляется TCP c другого конца системы. Каждое из этих приложений
имеет свои требования к AAL. AAL разделяется на два подуровня, как
показано на рис. 11.1

Рис. 11.1. Подуровни AAL
Подуровень сегментации и сборки (SAR — Segmentation And Reassembly)
предназначен для сегментации блоков данных прикладного уровня (или
блоков пакетов) на 48-байтные блоки для последующей передачи в виде
ATM-ячеек, сборки для восстановления исходного формата данных
(блоков пакетов) на другом конце и передачи прикладному уровню.
Подуровень конвергенции (CS — Convergence Sublayer) состоит из двух
частей:
370

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

общей части, которая не изменяется в зависимости от типа
сервиса (Common Part — CP CS);
части, зависящей от типа сервиса (Service Specific Part —SS CS).
Этот подуровень выполняет задачи транспортирования
информации источников с различными службами, например
восстановление тактовой частоты, исправление ошибок в поле
полезной нагрузки.

Уровень адаптации ATM 1-го типа
Уровень адаптации ATM 1-го типа предназначен для служб с
постоянной скоростью передачи информации. Примером такого типа
службы является одиночный цифровой ИКМ-канал 64 Кбит/с, поток
и другие потоки, входящие в плезиохронную цифровую иерархию.
В структуре AAL блоки данных содержат поля, которые допускают и
восстановление тактовой частоты, и нумерацию последовательности
кадров. Они также содержат часть для передачи структуры кадра в
непрерывном потоке бит. Общий вид процесса AAL1 показан на рис.
11.2.

Рис. 11.2. Структурная схема процесса адаптации
Функция подуровня конвергенции принимает пользовательский поток
данных, вставляет 1-байтовый указатель (AAL1 pointer), чтобы создать
47-байтовый формат блока конвергенции, который тогда передается на
371

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

уровень сегментации и сборки. Структура протокольного блока
показана на рис. 11.3 .

Рис. 11.3.
сегментации

Структура

48-байтового

блока

данных подуровня

Заголовок подуровня сегментации и сборки содержит 1 байт,
включающий в себя:
индикатор подуровня конвергенции (Convergence Sublayer Indicator
— CSI) длиной 1 бит;
порядковый номер блока данных (Sequence Number — SN) длиной
3 бита;
защиту порядкового
номера
блока
данных (Sequence
NumberProtection —SNP) длиной 4 бита.
Блок данных содержит 47-байтное поле полезной нагрузки, которое не
обязательно заполняется информацией полностью. Биты заголовка
используются следующим образом. Индикатор подуровня конвергенции
(Convergence Sublayer Indicator CSI) позволяет на приемном конце
опознать уровень конвергециии, чтобы направить информацию на
обработку этим уровнем. Порядковый номер блока данных (Sequence
Number — SN) позволяет на приемном конце восстановить исходный
порядок следования блоков данных.
Поле защиты порядкового номера обеспечивает обнаружение и
исправление (коррекции) ошибок в заголовке блока подуровня
сегментации и сборки. Для защиты применяется 3-битовый
циклический полином и проверочный бит четности, который
используется для защиты всего 7-битового заголовка [6].
372

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рассмотрим пример использования AAL1 для передачи информации
потока, который содержит кадры соединения, передающего кадры
.
Напомним, что поток
содержит кадры, состоящие из 32 байт,
которые повторяются с частотой 8 КГц. Биты потока
группируются
подуровнем конвергенции AAL1 в блоки по 47 байт и передаются на
подуровень сегментации и сборки. Можно отметить, что байты на
уровне конвергенции не совпадают с байтами потока
, а имеют
различное содержание, которое диктуется порядком разбиения по 47
байт. Байты потока
преобразуются непосредственно в байты
блоков данных уровня конвергенции. Согласно предыдущему
соглашению ( рис. 11.3) к ним добавляется заголовок для определения
начала следующего блока данных уровня конвергенции. По соглашению
между источником и пунктом назначения в единицы информации
подуровня AAL1 может быть вставлен указатель начала кадра
.
Поскольку этот указатель вставляется в блоки уровня AAL1, он может
оказаться в любом месте полезной нагрузки или даже в другом блоке.
Периодическая вставка указателя начала кадра
обеспечивает защиту
от потери синхронизации, которая может возникнуть при потере ячейки
ATM.
Подуровень конвергенции в пункте назначения обеспечивает
множество услуг, которые полезны для приложений, требующих
постоянной скорости передачи. Например, поток бит индикатора
уровня конвергенции CSI, передаваемый в каждом блоке данных, может
использоваться, чтобы передать временную отметку расхождения
(Residual Time Stamp — RTS) для определения разности частот между
общим и локальным генераторами. Метод, основанный на применении
остаточной метки расхождения, будет рассмотрен в разделе,
посвященном синхронизации. Там же будут рассмотрены и другие
методы синхронизации, не использующие бит индикатора уровня
конвергенции CSI.
Чтобы поставлять информацию пользователю по фиксированной цене,
уровень конвергенции приемника может полностью восстанавливать
тактовую последовательность и затем применять ее для коррекции
полученной информации с целью получения необходимого значения
среднего квадратического отклонения задержки ячеек [62]. Подуровень
конвергенции может также использовать порядковые номера, чтобы
обнаружить потерянные или доставленные не по адресу ячейки. Однако
373

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

он не обеспечивает перезапрос неправильно принятой информации.
Подуровень конвергенции может только известить, что произошла
потеря или ложная доставка.
Подуровень конвергенции может также осуществить любой из двух
методов исправлений ошибок и потерь ячеек. В обеих методах
используется метод "Прямая коррекция ошибок (Forward Error Correction
— FEC)", при котором применяется класс кодов с автоматическим
исправлением ошибок благодаря введению избыточных символов, без
использования обратного канала.
В приложениях, которые требуют низкой задержки, при использовании
метода прямой коррекции ошибок (FEC) группа из 15 ячеек и добавляет
к ней необходимое число бит, формируя 16-разрядную группу. Такой
метод может исправить потерю одной ячейки в группе из 16-ти.
Дополнительная вносимая задержка применения FEC тогда равна 15
ячейкам. Второй метод использует перемежение бит (interleaving
technique) [14]. При этом все ячейки образуют матрицу, в которой
информация ячеек образует колонки, а передача идет по строкам
матрицы, которые защищаются обычными методами.
Такой метод позволяет обеспечить независимость влияния на одни и те
же блоки в случае пачечных ошибок. В данном случае ячейки уровня
конвергенции образуют массив из 124 колонок. К ним добавляются
четы- ре колонки, что позволяет корректировать потерю 4 ячеек. Такой
метод вызывает задержку 124 ячеек и применяется только для трафика,
нечувствительного к задержке информации по времени.

Уровень адаптации ATM 2-го типа
Уровень адаптации 2-ого типа AAL2 предназначен для того, чтобы
обеспечить поддержку приложениям, которые генерируют информацию
на переменной битовой скорости передачи. Она динамически
изменяется со временем и также имеет ограничение по времени на
доставку из "конца в конец". Главный пример такого приложения —
телевидение, которое, применяя сжатие, производит сравнительно
небольшой поток информации, битовая скорость которого изменяется в
больших пределах в зависимости от ракурса съемки, деталей
изображения и характеристик движения предметов в данной сцене.
374

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Развитие AAL для этого типа трафика никогда не прекращалось. ITU
впоследствии начал работу над развитием AAL, также названного "тип
2", отличающимся классом приложений. Об этом уровне мы поговорим
в конце этого раздела. Уровень AAL2 предназначен для обеспечения
эффективной пропускной способностью передачи трафика коротких
пакетов с низкой битовой скоростью, требующих малой временной
задержки.
В
действительности
AAL2
добавляет
третий
уровень
мультиплексирования к виртуальному пути и виртуальному каналу
(VP/VC) иерархии ATM так, чтобы два или больше пользователя низкой
разрядной скорости могли совместно использовать то же самое
соединение ATM. Пример, где эти функциональные возможности
требуется применить в передаче жатой речевой информации, —
цифровая сотовой система при связи ее с базовой телефонной
станцией, как это показано на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Сценарий для приложения AAL2
Низкая побитовая скорость цифрового потока для индивидуальной
речевой информации вызывает потребность передать современным
способом информацию на центр коммутации подвижных станций, где
происходит телефонная коммутация. Если каждый, кто вызывает, имеет
свой собственный виртуальный канал, то небольшой размер пакета и
низкая разрядная скорость порождают низкую полезную нагрузку ячеек,
которые только частично заполнены. AAL2 мультиплексирует потоки
отдельных вызовов к поставщику услуги с низкой задержкой и высоким
375

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

уровнем,использования полезной нагрузки ячеек. рис. 11.5показывает
функционирование AAL2. Уровень AAL2 разделен на общую часть (CP
CS) и подуровень, зависящий от службы (SSCS).

Рис. 11.5. Процесс AAL2
На рис. 11.5 пользовательские блоки данных передаются на уровень
конвергенции. В части, зависящей от службы, изменение формата не
происходит. Далее они поступают в общую часть уровня конвергенции,
где добавляется 3 байта заголовка. Как показано на рис. 11.6 , первый
байт— это идентификатор канала (Channel IDentifier — CID), который
указывает номер пользователя. Эти AAL-каналы — двунаправленные и
используют один и тоже номер при передаче информации в оба конца.
В следующем байте 6 бит старших разрядов занимает индикатор длины,
который имеет значение на единицу меньше, чем байт в полезной
нагрузке уровня конвергенции. Оставшиеся два бита второго байта
определяют в заголовке тип полезной нагрузки пакета (Packet Payload
Type — PPT). Значение
указывает, что полезная нагрузка
касается технической эксплуатации и администрирования. Когда эта
метка не равна 3, пакет принадлежит к некоторому сервису, например, к
передаче телевидения. Три старших бита третьего байта заголовка
376

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

указывают на принадлежность (или не принадлежность) информации к
передаче между пользователями (User-User Indication — UUI).

Рис. 11.6. Структура пакета блока конвергенции AAL2
Если указатель полезной нагрузки (PPT) не равен 3, указатель UUI
переносится между объектами уровня AAL, а именно — между
подуровнями сегментации и сборки.
Если
, то UUI переносится между объектами уровня AAL,
относящимися к административному управлению. Последние 5 бит
заголовка используются для обнаружения ошибок. Для проверки
применяется полином 5-й степени:

.

Далее пакеты прикладного уровня передаются прямо на уровень
сегментации и сборки. Эти пакеты могут быть различной величины и
различного типа. Имеется ограничение на максимальный размер
пользовательского пакета — 64 байта. На уровне сегментации и сборки
к каждому добавляется заголовок 1 байт. Полезная нагрузка может
содержать поле информации или поле заполнителя, при этом на уровне
сегментации вводится один начальный байт, который устанавливается в
начало поля информации и указывает длину этого поля (не более
). Один пакет подуровня конвергенции может
распределяться в одной или двух ячейках ATM (как, например, это
показано для второй ячейки на рис. 11.5 ).

Уровень адаптации ATM 3/4-го типа
377

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Этот уровень был предложен как уровень для обслуживания трафика со
службами, ориентированными на соединение (в начале это был
уровень AAL3, который был впоследствии объединен с уровнем 4).
Рассматриваемый уровень обслуживает трафик, требующий строгого
выполнения временных характеристик доставки из конца в конец. Он
работает в двух режимах: режим "сообщение" и режим "поток". В
режиме "сообщение" AAL принимает одиночное сообщение для
сегментации в полезную нагрузку уровня ATM и доставки на пункт
назначения. В режиме "поток" один или более информационных
пакетов пользователя принимаются последовательно от пользователя и
последовательно доставляются в нескольких последовательных ячейках.
Оба режима позволяют работать в режиме гарантированной или
негарантированной доставки. При гарантированном режиме доставки
протоколы доставки из конца в конец передают информационные блоки
между подуровнями, зависящими от сервиса, который исправляет
ошибки. При негарантированной передаче информация может быть
доставлена с ошибками или не вся. Процесс работы AAL3/4 при
передаче сообщений показан на рис. 11.7 . Пользовательская
информация поступает сначала на уровень конвергенции, в часть,
зависящую от службы. Там информация обрабатывается с точки зрения
защиты от ошибок. На этом уровне не происходит изменение формата. В
общей части уровня конвергенции дополняются байты, так, чтобы
образовать 4 байта заголовка (header) полезной нагрузки и 4 байта в ее
конце формата (хвостовой заголовок — trailer). Далее сформированный
формат передается на уровень сегментации и сборки, где формируется
поле полезной нагрузки этого уровня и два байта в начале и конце. Если
необходимо, в конце полезной нагрузки формируется поле заполнения
(PAD), которое не несет информации.

378

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 11.7. Процесс работы AAL3/4
Форматы блоков данных на уровне AAL3/4 показаны на рис. 11.8.

Рис. 11.8. Форматы подуровня конвергенции, и подуровня сегментации
и сборки ALL3/4
Формат общей части подуровня конвергенции (рис. 11.8а) содержит
полезную нагрузку, при необходимости заполнение, не несущее
информации, и "хвостовой" заголовок. Полезная нагрузка может иметь
длину от 1 до 65 535 байт. Заголовок содержит один байт индикатора
379

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

общей части (Common Part Indicator - CPI), который используется для
интерпретации последующих полей заголовка. При
указывается, что должны быть проанализированы поля "Размер буфера"
(BASize) и "Длина сообщений" LI). В других случаях заголовок указывает
на то, что надо выдать значения этих полей. Один байт в начале
содержит метку начала, а в конце метку (тег) конца; в конце один байт
содержит метку окончания; они имеют одинаковое значение, которое
изменяется при каждом успешном вставление блока данных в формат
уровня конвергенции. Это позволяет выявлять ошибки при
несовпадении этих данных в начале и конце. Поле "Размер буфера"
(BASize) длиной 2 байта информирует приемное устройство о
необходимом размере буфера для приема текущего блока данных общей
части подуровня конвергенции. Поле заполнения (PAD) содержит от 0
до 3 байт, и оно должно быть кратно 4 байтам (32 битам).
Это гарантирует, что заголовок "в хвосте" будет выровнен к границе,
кратной 32 битам, упрощая процесс анализа концевого заголовка. Байты
поля заполнения информации не несут. Выравнивание (ALignment —
AL) заполняется нулями и так же, как предыдущее поле, обеспечивает
выравнивание местоположения заголовка "в хвосте". Два байта
указателя длины указывают длину полезной нагрузки.
рис. 11.8 показывает формат уровня сегментации, который содержит 2байтный заголовок, 44-байтовое поле полезной нагрузки и 2-байтный
заголовок в "хвосте" (концевой заголовок). Первые два бита заголовка это тип сегмента. Его двоичные значения:
10 — указывает, что блок данных содержит начальное сообщение
(Beginning Of a Message — BOM);
00 - означает продолжающее сообщение (Continuation Of a Message
- COM);
01 - указывает на конечное сообщение (End Of a Message - EOM);
11 - указывает на сегмент, содержащий одиночное сообщение
(Single-Segment Message - SSM).
Следующие 4 бита заголовка обеспечивают порядковый номер
(Sequence Number - SN). Порядковый номер используется для
обеспечения правильного следования ячеек и восстановления их с
помощью программ в пункте назначения. Оставшиеся 10 бит в
380

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

заголовке содержат идентификатор мультиплексирования (Multiplexing
IDentifier - MID) или идентификатор сообщения (Message IDentifier MID). С помощью этого идентификатора можно указать место
пользовательских соединений, передаваемых по одному
соединению ATM. Все блоки данных одной и той же общей части
одного подуровня конвергенции имеют один и тот же MID.
Шесть бит конечного заголовка (LI) указывают на размер поля полезной
нагрузки. Как видно на рис. 11.8 , полное поле полезной нагрузки
подуровня сегментации и сборки составляет 44 байта. Последняя ячейка
может содержать от 4 до 44 байт без учета заполнителя.
10 последних бит конечного заголовка обеспечивают защиту от ошибок
методом избыточного циклического кодирования. На рис. 11.9
рассматривается, как проходит мультиплексирование на уровне AAL3/4.
Когда большое число пользователей используют один и тот же канал,
сообщения от каждого пользователя посылаются к различным
пользователям. Каждый такой AAL производит блоки данных на уровне
сегментации и сборки, чтобы они потом могли быть смешаны и
установлены с произвольным по отношению к другим пользователям
чередованием на уровне ATM. Преобразованные таким образом, они
прибывают на конечный пункт. MID позволяет восстановить
сегментацию для каждого пользователя. MID можно рассматривать как
указатель очень короткого соединения по виртуальному каналу. Каждое
такое соединение длится в течение передачи одного пакета и
ограничено начальной и конечной метками.
Проблема протоколов уровня адаптации — в их избыточности: каждому
сообщению на уровне сегментации добавляются 4 служебных байта.
Второй недостаток заключается в том, что 10-битовое поле защиты от
ошибок и 4 бита порядкового номера не обеспечивают достаточного
уровня защиты от ошибок. Эти факторы привели к созданию
протоколов уровня 5 (AAK5).

381

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 11.9. Мультиплексирование в AAL3/411.4.

Уровень адаптации ATM 5-го типа
Протоколы уровня AAL5 обеспечивают более эффективную работу, чем
протоколы уровней 3/4. Основная задача, которая решалась на уровне
AAL5, — это предоставление услуг высокоскоростной передачи данных
с меньшей служебной избыточностью. Он поддерживает режимы
передачи
сообщений
и
передачи
потока,
обеспечивает
гарантированную и негарантированную доставку. На рис. 11.10
показана работа протоколов уровня AAL5.
Пользовательские блоки данных принимаются уровнем AAL и
обрабатываются частью подуровня конвергенции, зависимым от
сервиса. Потом они передаются на общую часть уровня, который
закрепляет за блоком данных поле заполнения (длиной от 0 до 47 байт)
и 8 байт конечного заголовка (на рис. 11.10 он обозначен ), образуя
блок данных общей части уровня конвергенции, который
мультиплексирует 48 байтов. Все блоки данных на уровне сегментации
можно подразделить на начальные, продолжающие и конечные. На рис.
11.10 они помечены в скобках (0 и 1). Чтобы отличить их друг от друга,
на уровне ATM вводится индикатор типа полезной нагрузки PT (Payload
382

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Type).Он принимает значение
продолжающего блока данных и
Максимальная нагрузка блока данных
конвергенции составляет 65 535 байт.

для начального и
для конечного блока.
общей части уровня

Рис. 11.10. Процесс работы AAL5
На рис. 11.11 конечный заголовок содержит:
oдин байт "пользователь-пользователь" (UU — User-User),
который проходит насквозь из конца в конец между установками
пользователей и используется в их алгоритме;
один байт индикатора общей части (CPI — Common Part Indicator),
который выравнивает конечный заголовок к 8 байтам.
два байта указателя длины, который показывает длину полезной
нагрузки;
четыре байта циклического кода.
На уровне сегментации и сборки эта информация преобразуется в 48383

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

байтовую полезную нагрузку, которая передается на уровень ATM.
Уровень сегментации устанавливает на уровне ATM значение
индикатора полезной нагрузки. Это действие нарушает автономность
двух уровней и является нарушением правил эталонной модели
ШЦСИО. Но протоколы AAL5 становятся от этого более
эффективными, поэтому эти нарушения разрешены.

Рис. 11.11. Формат блока данных подуровня общей части конвергенции
AAL5

Сигнализация на уровне AAL
Сигнализация на уровне AAL (Signaling AAL — SAAL) обеспечивает
надежную транспортировку сигнальных сообщений, которыми
обмениваются системы и коммутаторы при установлении соединения
ATM [18].
Как это показано на рис. 11.12 , SAAL разделяется на общую часть и
зависящую от сервиса. Часть, зависящая от сервиса, разделяется [65]на
ориентированную на соединение (Service — Specific Connection-Oriented
Protocol —SSCOP) и на часть координирующих функций (ServiceSpecific Coordination Function — SSCF). SSCF поддерживает прикладную
сигнализацию.

384

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 11.12. Работа процесса SAAL
Протоколы части, зависящей от сервиса и ориентированной на
соединение (Service-Specific Connection-Oriented Protocol — SSCOP)
протоколы, обеспечивающие обмен информацией между объектами
сигнализации с протоколами того же уровня (peer-to-peer). Они
обеспечивают установление соединения и разъединения и надежный
обмен сигнальной информацией и могут работать в режимах
гарантированной и негарантированной доставки. В режиме
гарантированной доставки протокол использует для исправления
ошибок форму выборочного ответа на автоматический запрос
повторной передачи (Selective Automatic Repeat Request). При защите с
помощью Автоматического запроса передачи передача данных
происходит по блокам. На приемной стороне обеспечивается контроль
ошибок и генерация запроса о необходимости повторения той части
информации, где обнаружены ошибки. Выборочный ответ
подразумевает запрос поврежденной информации по определенному
правилу, а не в порядке поступления, что позволяет снизить затраты
пропускной способности канала связи. Такого типа протокол особенно
эффективен в тех случаях, когда имеется большая вероятность задержки,
например, для спутниковых каналов и линий связи ATM. Этот протокол
применяет накопление большого числа пакетов. Чтобы достигать
эффективности пропускной способности, выборочная повторная
передача использует обслуживание, обеспечиваемое подслоем
конвергенции и другими подслоями AAL5, как показано на рис.11.12. В
385

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пункте назначения уровень AAL5 передает блоки данных на более
высокий уровень, только если их контрольная сумма правильна.
Протокол части, зависящей от сервиса и ориентированной на
соединение (Service-Specific Connection-Oriented Protocol — SSCOP),
буферизует все такие блоки данных и ищет пропуски в
последовательности этих блоков. Поскольку ATM ориентирован на
соединение, то понятно, что блоки, переданные с такими пропусками,
содержат ошибки или ячейки были потеряны. Передатчик периодически
опрашивает приемник, чтобы сравнить переданный и полученный
размер сообщения пользователя. Базируясь на ответе приемника,
передатчик выборочно повторно передает соответствующие блоки
данных. Этот подход позволяет SSCOP гарантировать, что блоки
данных повторно переданы и что сообщения доставлены в правильном
порядке и без ошибок. рис. 11.13показывает структуру блока данных
подуровня SSCOP.
К информации добавляется конечный заголовок, содержащий:

Рис. 11.13. Структура блока данных части, зависящей от сервиса
и ориентированной на соединение (Service — Specific Connection
Oriented Protocol — SSCOP).
от нуля до трех байт поля заполнения;
два бита индикатора длины поля заполнения;
два бита резервного поля;
четыре бита поля типа блока данных для определения типа
сообщения в поле полезной нагрузки;
24 бита порядкового номера блоков данных для уровня
конвергенции;
32 бита циклического остаточного кода (CRC). Следует обратить
внимание на то, что он отличается от рассмотренного ранее кода
на уровне AAL5.
то, что он отличается от рассмотренного ранее кода на уровне AAL5.
386

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

В данном случае и на уровне AAL5 применяется код длины 32 бита.

Приложения, категории обслуживания AAL и ATM
Как уже было сказано, уровни AAL могут поддерживать широкий
диапазон служб от транспортирования по сети ATM цифровых каналов
до передачи потока различного типа пакетов. рис. 11.1перечисляет
характеристики, которые требуются различным типам приложений. По
строкам указаны свойства, которые могут комбинироваться в различных
приложениях.
Таблица 11.1. Свойства, которые характеризуют требования различных
приложений
Свойство
Требование приложений
Разделение
Поток
Сообщение
информации
Побитовая скорость
Надежность передачи

Постоянная
Гарантированная

Переменная
Негарантированная
Неустойчивая к
Достоверная
Устойчивая к ошибкам
ошибкам
Чувствительность к
Чувствительность к
Нечувствительность к
задержкам
задержкам
задержкам (дрожанию
(дрожанию)
Одиночный
Мультиплексированные
Мультиплексирование
пользователь
пользователи
Использование
производительности
Небольшая
Большая
системы
рис. 11.12показывает
рассмотренных выше.

возможности

различных

типов

AAL,

ATM-сигнализация
Сигнализация обеспечивает автоматическое установление соединения
387

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

и реализует переключение виртуальных соединений на сети ATM.
Установление соединения включает в себя обмен сигнальными
сообщениями через несколько типов интерфейсов. Например,
интерфейс "пользователь-пользователь" (User-User Interface — UUI),
интерфейс "сеть сеть" (Network-Network Interface —NNI), интерфейс
широкополосной межсетевой связи (Broad Itercarrier Interface — B-ICI).
Эти интерфейсы будут рассмотрены ниже.

ATM-адресация
ATM применяет два типа адресации:
1. по типу телефонной сети, используемую в общедоступной сети
ATM
2. систему адреса конечной системы ATM (ATM End System Address AESA).
Телефонная нумерация будет рассмотрена позднее при изучении
телефонной сети. Адреса AESA основываются на использовании
формата адресации точки доступа сетевого сервиса (Network Service
Access Point), который содержит 20 байт адреса [6]. Структура такого
формата показана на рис. 11.14. Каждый адрес имеет две части.
Начальная часть домена (Initial Domain Part — IDP) определяет
административную принадлежность, которая содержит информацию об
адресах в специфической части домена.
Специфическая часть домена (Domain-Specific Part — DSP), содержит
адрес, принятый для данной административной области.
Начальная часть домена (IDP) сама состоит из двух частей однобайтного
поля идентификатора полномочий и формата (Authority and Format
Identification — AFI), описывающего структуру формата и
идентификатора начальной части домена (Initial Domain Identifier — IDI) ,
который задает полномочия, размещающиеся в специфической части
домена (Domain Specific Part — DSP).
рис. 11.14 показывает форматы трех типов систем адресации (AESA):

388

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

идентификатор полномочий и формата. Для этого формата
применяется код
;
ATM-формат указателя международного кода данных (International
Code Designator — ICD), идентификатор полномочий и формата.
Для этого формата применяется код
;
ATM-формат телефонной адресации (E.164), идентификатор
полномочий и формата. Для этого формата применяется код

Рис. 11.14. ATM-формат

Таблица 11.2. Сигнальные
сообщения, передаваемые при уста
389

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Таблица 11.2. Сигнальные сообщения, передаваемые при уста
Подуровень
Свойства
AAL1
AAL2
Упреждающий
Необязательно Необязательно Необяза
Часть уровня контроль ошибок
конвергенции Обнаружение ошибок Нет
Нет
Необяза
зависящая от Восстановление
сервиса
временных
Необязательно необязательно Нет
параметров
Иденти
Идентификатор
Мультиплексирование
Нет
мультип
Общая часть
канала 8 бит
10 бит
подуровня
Структура кадра
Есть
Нет
нет
Ограничение на
сообщение

Нет

Да

Да

Расширение буфера
Индикатор
"пользовательпользователь"

нет

Нет

Да

Нет

3 бита

Нет

Заголовок
Выравнивание

0
0

3 байта
0

8 байт
4 байта

Нет
Нет
46-47 байт

Нет
Нет
47 байт

Нет
Нет
44 байт

1-2 байта
Нет
3 бита

1 байт
Нет
Нет

4
10 байт
нет

Подуровень
конвергенции Контрольная сумма
сегментации
Порядковый номер
и сборки
Полезная нагрузка
Заголовок
Контрольная сумма
Порядковый номер

На рис. 11.14 можно увидеть, что начальная часть домена в ATMформате национального кода данных имеет 2 байта длины, далее
следуют 10 байт верхнего уровня специфической части домена (High
Order Domain Specific Part — HO-DSP).
Для типа DCC (рис. 11.14а) идентификатор начальной части домена
390

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

занимает два байта и указывает страну в соответствии с таблицей ISO3166-1 [19]Это сокращенное буквенное сокращение названия
страны,выраженное в соответствующих кодах ANSI.
Для типа ICD (рис. 11.14) идентификатор начальной части домена,так
же как и в предыдущем случае, занимает два байта и указывает
организацию, которая получила этот международный код. Для этих
целей используются следующие 10 байт.Для типа ATM-формата
телефонной адресации идентификатор начальной части домена состоит
из 8 байт и указывает номер по Рекомендации ITU-T E-164 [62]Он
может содержать до 15 десятичных цифр международной нумерации
ATM. Перечень кодов стран в соответствии с рекомендацией ITU —
E.164 приведен в [19]Формат телефонной адресации показан на рис.
11.14в . Для всех форматов поле идентификатора конечного заголовка
(End Station Identifier — ESI) указывает на окончание формата, а иногда
содержит адрес для подтверждения правильности сообщения (Message
Authentication Code — MAC).
Однобитовый селектор точки доступа (SEL) к сервису используется в
конченом заголовке системы, чтобы идентифицировать протокол
высокого уровня, по которому работает объект, получающий
информацию.

Сигнализация "пользователь-сеть"
Стандарты сигнализации ATM основаны на стандартах, разработанных
для телефонных сетей. Системы сигнализации для ATM разработаны
для интерфейса "сеть-пользователь" (User-Network Interface — UNI),
"сеть-сеть" (Network-NetworkInterface — NNI) и интерфейса
широкополосной межсетевой связи (Broadband Intercarrier Interface — BICI). Сначала рассмотрим интерфейс "пользователь-сеть" (UNI).
Этот
интерфейс
Q.2931
создан
на
основе
протоколов
Q.931,разработанных для B-ISDN. На этом стандарте базируется
сигнализация,принятая ATM-форумом как UNI 4.0 [10]. Большое число
сигналов установления и разъединения соединений ATM включают в
себя значительное число сигналов узкополосной ISDN.
таблица 11.3 показывает услуги, обеспечиваемые UNI 4.0 [45]
391

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Эти услуги распределены между терминальным оборудованием и
оборудованием коммутационной системы, в таблице они отмечены как
"обязательно" и "возможно". Поясним только некоторые из них [19]].
Услуга 5 — "ATM-соединение с одним из…" (ATM any cast) организует
услугу, подобную серийному номеру в телефонной сети. При этом
вызывающему пользователю предоставляется адрес, по которому он
может соединиться с одним из объектов заданной группы сетевых
элементов (иногда доступной только закрытой группе абонентов).
Услуга 9 — "сигнализация, имитирующая протоколы" (Proxy Signaling) —
программа-посредник, позволяющая преобразование протоколов.
Таблица 11.3. Основные услуги UNI 4.0
Терминальное Коммуникационная
№
Услуги
оборудование
система
1 Вызовы "точка-точка"
обязательно обязательно
2 Вызовы "точка-много точек возможно
обязательно
Совместное соединение
3
возможно
обязательно
обьектов
АТМ-соединение с одним
4
обязательно обязательно
из..
Вызов на доступной
5 скорости для вызовов
возможно
возможно
"точка-точка"
Виртуальное соединение
6
возможно
возможно
UNI
Обслуживание
7 виртуального
возможно
возможно
коммутируемого пути
8

Сигнализация
имитирующая протоколы

возможно

возможно

9

Удаление кадров

возможно

10

Соглашение по параметрам
возможно
трафика

возможно
Возможно( на
транспортном уровне
обязательно)

392

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Дополнительные виды
обслуживания
Прямой набор абонента
12
частной сети
Множественный номер
13
абонента
Предоставление номера
13,1
вызывающей стороны
Множественный номер
13,2
абонента
Предоставление номера
13,3
вызывающей стороны
Запрет на возможность
13,4 определения вызывающей
стороны
Определение номера
13,5
предоставляемой линии
Запрет на номера
13,6
предоставляемой линии
Адресация терминалов
13,7
одного и того же номера
Сигнализация
13,8
пользователь-пользователь
11

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

возможно

рис. 11.4 показывает некоторые сигнальные сообщения UNI 4.0 и
Q.2931 и их значение при обмене с конечным узлом отправителя или
сетью. Более подробно состав этих сигналов был рассмотрен в таблице
4.7 лекции 4, которая посвящена ISDN.
Каждое сигнальное сообщение содержит:
исходную точку вызова (call reference), которая служит
идентификатором местоположения для UNI;
номер информационного элемента (Information Elements — IF),
включающий такие параметры, как номера вызывающего и
вызываемого абонентов, параметры AAL, написание трафика
393

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ATM, параметры качества обслуживания и идентификатор
соединения.
Таблица 11.4. Сигнальные сообщения, передаваемые при установлении
соединения
Значение при посылке Значение при посылке
Название сообщения
пункта отправителя
сеть
Запрос на
Вызов, занятие
Сигнал о входящем
установленное
(SETUР)
вызове
соединение
Сигнал о том что
Связь устанавливается Подтверждение
соединение
(CALL PROCEEDING) входящего вызова
устанавливается
Указывает что
Указывает что
Подключено (ответ)
оконечное устройство оконечное устройство
(CONNECT)
свободно и доступно свободно и доступно
Соединение
установлено
(CONNECT
ACKNOWLEDGE)

Подтверждает о том,
что соединение
установлено

Освободить ресурсы
(RELEASE)

Заявка на терминал об
освобождения
Окончание соединения
соединения

Ресурсы освобождены
Подтверждение
(RELEASE
разъединения
COMPLETE)

Подтверждает о том
что соединение
установлено

Подтверждение
разъединения

"пользователь-пользователь" согласно рекомендациям Q.2931.
1. Источник информации А посылает сигнальное сообщение
ВЫЗОВ (SETUP) с адресацией пункту назначения Б с другими
параметрами, указанными в разделе
2. Первый коммутатор сети анализирует содержание сообщения
ВЫЗОВ (SETUP), чтобы определить, может ли он обработать это
сообщение. Если это возможно, то он выбирает виртуальный путь
и канал и посылает сигнальное сообщение СВЯЗЬ
394

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

УСТАНАВЛИВАЕТСЯ
(CALL_PROCEEDING), после чего
посылает сигнал ЗАНЯТИЕ (SETUP) на следующий узел сети для
установления соединения с пунктом назначения.

Рис. 11.15.
соединения

Пример сигнализации UNI при установлении

3. После того как сигнал ЗАНЯТИЕ (SETUP) поступает в пункт
назначения, первый коммутатор отвечает сигналом СВЯЗЬ
УСТАНАВЛИВАЕТСЯ (CALL_PROCEEDING).
4. Если пункт назначения свободен и доступен, он отвечает
сигналом ПРОКЛЮЧЕНО
(CONNECT).
После
приема
источником
этого
сигнала
установление
соединения
подтверждается сигналом СОЕДИНЕНИЕ УСТАНОВЛЕНО
(CONNECT_ACKNOWLEDGE). Этот же сигнал получает от сети
входящий пользователь.
395

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

5. Когда соединение установлено, источник и пункт назначения
могут обмениваться ячейками в обоих направлениях.
6. Когда одна из сторон хочет разъединить соединение, она
посылает сигнал ОСВОБОДИТЬ РЕСУРСЫ (RELEASE). После
освобождения ресурсов исходящая сторона посылает сигнал
РЕСУРСЫ ОСВОБОЖДЕНЫ (RELEASE_ COMPLETE).
Соединение "точка-многоточие" устанавливается следующим образом.
Источник начинает устанавливать соединение с первым пунктом
назначения (листом графа "дерево") с использованием рассмотренной
выше процедуры. Затем вырабатывается пользователем сигнал
"добавить
входящего
пользователя",
который
устанавливает
дополнительное соединение. Заметим, что соединение этого типа —
однонаправленное: ячейки поступают от корня к деревьям.

Интерфейс между частными сетями (PNNI)
Интерфейс между частными сетями (Private Network-to-Network Interface
— PNNI) [10] разработан форумом ATM для установления соединений
между частными коммутаторами (сетевыми узлами private network node
interface) и между группами частных сетей (Private Network - to- Network
Interface), как это показано на рис.11.16.

Рис. 11.16. Применение PNNI
Определение PNNI включает в себя два протокола:
1. Протокол маршрутизации, который обеспечивает выбор
маршрута,
обеспечивающего
требования
по
качеству
обслуживания.
2. Сигнальный протокол для обмена сообщениями между станциями
и между частными сетями.
396

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 11.17. Пример сигнализации PNNI
Сигнальный протокол обеспечивает установление и разъединение
соединения "точка-точка" и "точка-многоточие". Протокол основан на
UNI 4.0 с некоторыми расширениями для обеспечения поддержки
маршрутизации от источника, для проверки работы собственного
передатчика по линии (crank back) и для поиска обходных путей в
случае сбоя установления соединения. На рис. 11.17 источник передал
397

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

запрос первой станции на соединение с получателем Б, при этом он
передает сигнальное сообщение ВЫЗОВ (SETUP), затем, используя
сигнализацию UNI, устанавливает соединения с контролем качества
QoS (функция Connection Admission Ccontrol — CAC) и отвечает
сигналом СВЯЗЬ УСТАНАВЛИВАЕТСЯ (CALL_PROCEEDING), если
обработка вызова возможна. Первая станция имеет записанную базу
данных по топологии сети, которая позволяет вычислить маршрут так,
чтобы были выполнены требования, записанные в контракте.
Сообщение ВЫЗОВ (SETUP) распространяется далее по сети, используя
маршрут, заданный станцией источника. Каждая станция анализирует
маршрут для выполнения качества обслуживания и в случае успеха
передает далее сигнал ВЫЗОВ (SETUP). Источник также вырабатывает
сигнал СВЯЗЬ УСТАНАВЛИВАЕТСЯ (CALL_PROCEEDING) в сторону
предыдущей станции. Если станция назначения может обслужить
вызов, то она отвечает сигналом ПРОКЛЮЧЕНО (CONNECT), который
также передается по сети к источнику. При разъединении обмен
сигналами проводится так, как это показано на рис. 11.17 .

Маршрутизация между частными сетями (PNNI)
Маршрутизация сетей ATM разработана не так хорошо, как другие
вопросы ATM, такие как управление при перегрузках и коммутация.
Наиболее ощутимый результат — это стандарт PNNI. Согласно PNNI в
каждом узле накапливаются сведения о топологии сети, при этом в
этом интерфейсе возможно изменение этих сведений при изменении
сети от самых малых размеров до больших сетей, содержащих много
узлов. Это достигается с помощью иерархии маршрутизации,
показанной на рис. 11.18. Как показано на рис. 11.18, группа одного
ранга (peer group) собирает узлы (физические или логические), которые
эксплуатируются и административно управляются на одном уровне.
Например, группа одного ранга A1 содержит узлы A1.1, A1.2, A1.3.
Группы одного ранга представлены на более высоком уровне иерархии
узлом логической группы (Logical Group Node — LGN). Например, узел
логической группы B представляет на высшем уровне группу одного
ранга B. На нижнем уровне иерархии группа одного ранга соединяет
узлы с помощью физических каналов. На высшем уровне — узел
логической группы соединяется с помощью логического канала. Каждая
группа одного ранга содержит один главный узел одноранговой группы,
398

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

который выполняет функции узла логической группы для одноранговой
группы.

Рис. 11.18. Пример иерархии PNNI
Главный узел суммирует топологическую информацию в пределах
одноранговой группы и вводит ее в группу более высокого порядка.
Преимущество использования иерархической структуры в том, что
каждая станция обслуживает только часть всей сети, при этом
уменьшается объем информации маршрутизации, которая сохраняется в
каждой станции. Например, для рассмотрения топологии сети со
станции A1.1 применяется порядок сбора информации, показанный на
рис. 11.19 . Он гораздо проще, чем рассмотрение всей топологии сети.

399

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Рис. 11.19. Определение топологии сети из узла A1.1
PNNI использует маршрутизацию от источника. Этот метод заключается
в том, что маршрут определяется не отправителем, а фактически
первым маршрутизатором на пути следования сообщения. В
отправляемом пакете указан точный маршрут его следования. Задача
промежуточных маршрутизаторов состоит только в выполнении
записанного маршрута,что ускоряет прохождение информации по сети.
В начале узел источника определяет путь внутри группы одного ранга,
которая отображается с помощью списка путей, предназначенных для
транзита (Designed Transit List — DTL). Предположим, что запрос на
установление соединения пришел на станцию A1.1 для установления
соединения с другой станцией — B.3.
После получения запроса на установление соединения станция A1.1
выбирает назначенный путь (A1.1, A1.2, A2, B), где A1.1 и A1.2 —
обозначение станций, A2, B — обозначение станций либо групп. В этом
случае используются совместно три списка DTL:
DTL: [A1.1, A1.2] указатель 2
DTL: [A1, A2] указатель 1
DTL: [A, B] указатель 1.
Текущее значение указателя может изменяться на каждом узле и
показывает, какой узел, записанный в списке, надо посетить следующим
(значение указателя 2). Первыми указаны исходящие узлы. Так, первая
строка указывает, что от узла A1.1 надо установить соединение A1.2
(указатель 2). Все остальные строки указывают возможные дальнейшие
400

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

пути. Когда A1.2 получает сообщение ЗАНЯТИЕ (SETUP), она удаляет
первую строку списка и действует согласно второй строке принятого
списка маршрутизации, которой присваивает значения указателя 2. Она
ищет путь к одноранговой группе PG (A2). Маршрутная таблица
выглядит следующим образом
DTL: [A1, A2] указатель 2
DTL: [A, B] указатель 1.
По этой таблице станция A1.2 ищет путь к одноранговой группе PG
(A2). С этой группой имеется непосредственная связь станции A1.2 с
A2.1.
Когда станция A2.1 получит сообщение ЗАНЯТИЕ (SETUP), она начнет
поиск согласно таблице в группе 2. Она находит маршрут к оконечной
группе B через станции A2.3 и A2.4 и создает новый список.
DTL: [A2.1, A2.3, A2.4] указатель 2
DTL: [A1,A2] указатель 2
DTL: [A,B] указатель 1.
Второй указатель 2 показывает, что соединение идет через две группы.
Когда станция A2.3 получает сигнал ЗАНЯТИЕ (SETUP), она
устанавливает соединение со станцией A2.4, определяет, что имеет
непосредственную связь с группой PG (B), удаляет две верхних строки
таблицы и изменяет указатель.
Тогда таблица имеет вид
DTL: [A, B] указатель 2.
Когда станция B1 группы PG (B) получает сигнал ЗАНЯТИЕ (SETUP),
она находит список внутри данной группы:
DTL: [ B1, B3 ] указатель 2
DTL: [A, B] указатель 2.
Когда сообщение достигает станции B3, там определяется, что эта
401

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

станция есть пункт назначения.Бывает случай, когда по сигналу
ЗАНЯТИЕ (SETUP) выясняется, что отсутствуют ресурсы; тогда
возможно нахождение обходных путей.

Краткие итоги
Одна из главных целей уровня адаптации ATM (AAL) состоит в
том, чтобы обеспечить отображение блоков данных приложения в
блоки данных ячеек ATM.
AAL разделяется на два подуровня:
подуровень сегментации и сборки (Segmentation And
Reassembly)
подуровень конвергенции (Convergence Sublayer CS)
Подуровень конвергенции (Convergence Sublayer CS) состоит из
двух частей:
общей части, которая не изменяется в зависимости от типа
сервиса (Common Part — CP CS);
части, зависящей от типа сервиса(Service Specific Part — SS
CS).
Уровень адаптации ATM 1-го типа предназначен для служб с
постоянной скоростью передачи информации.
Уровень AAL2 предназначен для того, чтобы обеспечить
поддержку приложениям, которые генерируют информацию на
битовой скорости передачи. Она динамически изменяется со
временем и также имеет ограничение по времени на доставку "из
конца в конец".
Уровень AAL3/4 обслуживает трафик, требующий строгого
выполнения временных характеристик доставки из конца в конец.
AAL3/4 работает в двух режимах: режим "сообщение" и режим
"поток".
Уровень AAL5 предоставляет услуги высокоскоростной передачи
данных с меньшей служебной избыточностью. Он поддерживает
режимы передачи сообщений и передачи потока, обеспечивает
гарантированную и негарантированную доставку.
Сигнализации на уровне AAL (Signaling AAL — SAAL)
обеспечивает надежную транспортировку сигнальных сообщений,
которыми обмениваются системы и коммутаторы при
установлении соединения ATM.
402

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ATM-сигнализация обеспечивает автоматическое установление
соединения и реализует переключение виртуальных соединений
на сети ATM. Установление соединения включает в себя обмен
сигнальными сообщениями через несколько типов интерфейсов.
ATM использует два типа адресации: по типу телефонной сети,
используемую в общедоступной сети ATM, и систему адреса
конечной системы ATM (ATM End System Address — AESA).
Системы сигнализации для ATM разработаны для интерфейса
"сеть-пользователь" (User-Network Interface — UNI), "сеть-сеть"
(Network-Network Interface — NNI) и интерфейса широкополосной
межсетевой связи (Broadband InterCarrier Interface — B-ICI)
Каждое сигнальное сообщение (UNI) содержит: исходную точку
вызова (call reference), которая служит идентификатором
местоположения для UNI, номер информационного элемента
(Information Elements — IF),включающий такие параметры, как
номера вызывающего и вызываемого абонентов, параметры AAL,
написание трафика ATM, параметры качества обслуживания и
идентификатор соединения.
Протокол PNNI включает в себя два протокола: протокол
маршрутизации, который обеспечивает выбор маршрута,
обеспечивающего требования по качеству обслуживания;
сигнальный протокол для обмена сообщениями между станциями
и между частными сетями.

Задачи и упражнения
1. Предположим, что пакеты IP используют AAL5 до передачи
информации по ATM-соединению. Объясните, какие будут
задержки передачи пакетов IP, если ATM-соединение имеет
следующий тип:
постоянная скорость передачи в битах в реальном масштабе
времени,
постоянная скорость передачи в битах в нереальном
масштабе времени,
передача данных с доступной скоростью,
негарантируемая скорость передачи.
2. Сторонники ATM утверждают, что соединение с переменной
скоростью (VBR) соединения обеспечивают средства для
403

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

достижения мультиплексирования с высоким качеством
обслуживания.
Сторонники
IP
утверждают,
что
не
ориентированная на соединение маршрутизация IP может
обеспечить лучшие характеристики. Можете вы придумать
аргументы, чтобы поддержать каждое заявление? Эти заявления
находятся в противоречии, или они могут оба быть правильны?
3.
Рассмотрите линию связи, которая переносит речевую
информацию с использованием ИКМ. Какая требуется
информация для выполнения управления доступом в сеть
по этой линии связи?
Теперь предположим, что линия связи, которая переносит
речевую информацию с использованием ИКМ, имеет
средства для исключения пауз. Какая требуется информация
для выполнения управления доступом в сеть по этой линии
связи?
4. Предположим, что поток ATM содержит ячейки двух приоритетов,
а именно с приоритетом потери элемента данных
(высший приоритет) и с приоритетом потери элемента данных
(низший приоритет).
Предположим, что мы желаем длительно поддерживать
пиковую скорость передачи ячеек для потока ячеек с для
с вероятностью
, а пиковую скорость
объединенного потока с
и
.
Выразите эти требования в терминах двух "дырявых ведер".
Сравнить следующие стратегии:
стратегия достижения максимума скорости с
приоритетом
с вероятностью
;
стратегию для потока с
с вероятностью
стратегию для объединенного потока
и
с вероятностью
, Какой подход
более гибок?
Повторить часть (a), если
ячеек для
неконформных ячеек с вероятностью
, изменяет бит CLP
на 1. Ячейки, которые неконформны с вероятностью
, отбрасываются.
5. Предположим, что поток ATM содержит ячейки двух приоритетов,
404

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

то есть с высоким приоритетом
и низкоприоритетных
.
Предположим, желательна стратегия устойчивой скорости
(Sustained Cell Rate) объединенного потока
и
с вероятностью
.
Неконформные ячейки отбрасываются.
Повторить часть (a), если ячейки, которые не соответствуют
, изменяют CLP> на 1. Ячейки, которые не
соответствуют
, отбрасываются.
6. Предположим, что поток ATM содержит ячейки двух приоритетов,
то есть с высоким приоритетом
и низкоприоритетных
. Предположим, желательна стратегия устойчивой
скорости SCR (Sustained Cell Rate) объединенного потока
и
. Выразите эти требования в терминах
двух "дырявых ведер". Неконформные ячейки отбрасываются.
7. Объясните, как взвешенная равнодоступная организация очереди
могла бы использоваться, чтобы объединить пять категорий ATM
по одной линии связи передачи ATM. Как на различные категории
обслуживания влияет перегрузка на линии связи?
8.
Объясните, что учитывается при расчете "из конца в конец"
следующих показателей: коэффициента потерь ячеек (CLR),
задержки при передаче ячейки (CTD), и вариации задержки
ячеек (CDV).
Сравните следующие два подхода с распределением из
конца в конец. Качество обслуживания по линии связи:
одинаковое для всех линий и неодинаковое для различных
линий. Какой из них более гибкий? Какой из них более
сложен?
9. Предположим, что приложение использует обслуживание
достоверного потока TCP, который, в свою очередь, использует
IP-уровень AAL5 ATM.
Сравните метод, рассмотренный при описании AAL5 —
использующий постоянную битовую скорость (CBR) ,
переменную битовую скорость в не реальном масштабе
времени (VBR), доступную скорость передачи (ABR),
неопределенную скорость передачи (UBR).
Рассмотрите эффект от применения этого приложения, если
405

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

в соединении ATM где-нибудь возникает перегрузка.
10. Предположим, что соединение ATM доставляет речь, используя
уровень AAL1. Предположим, что задержка пакетов должна быть
менее 10 мс.
Подсчитайте процент информации, занимаемой заголовком,
если для кодирования речи используется ИКМ.
Подсчитайте
процент
информации,
занимаемой
заголовком,если для кодирования речи используется
скорость кодирования 12 Кбит/с.
11. Объясните, как трехбитовый порядковый номер в заголовке AAL1
может быть использован при потере или неправильной доставке
ячеек.
12. Какая по величине задержка получается при применении двух
методов чередования в AAL1?
13.
Сколько одиночных низкоскоростных вызовов может
поддержать AAL2 при одиночном ATM-соединении?
Оцените, какова битовая скорость соединения, если AAL2
обслуживает речь на скорости 12 Кбит/с.
Какой процент от общей информации составляет заголовок
в части б).
Сравните заголовки AAL3/4 с AAL5 при доставке 64килобайтового пакета. Рассмотрите цель проверки ошибок,
проводимой в конце системы и в сети для ATM-соединения,
которое переносит ячейки, создаваемые AAL3/4, Повторите
рассуждения для AAL5.
14. Предположим, что на рис. 11.9 пакеты от A и B прибывают
одновременно и каждый производит 10 ячеек. Используя рис. 11.8
, покажите последовательность блоков данных, включая тип
сегмента,
порядковый
номер
и
идентификатор
мультиплексирования.
15. Рассмотрите протокол подуровня SSCOP, AAL протокол
сигнализации. Рассмотрите работу процедуры выборочного
запроса повторной передачи (ARQ), чтобы исправить потерю
ячейки.
16. Сравнить размер адресных пространств, обеспечиваемых
телефонной адресацией (E-164) и адресацией конечной системы
406

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

(AESA). Опишите последовательность, в которой используются
списки, предназначенные для транзита при соединении от A.1.3 к
A.2.2 на рис. 11.18 . Повторите задачу для соединения от B.4 к
A1.2.
17. Объясните, может ли быть модифицирован PNNI для того, чтобы
обеспечить качество обслуживания в Internet.
18. Какие аспекты архитектуры сети ATM зависят от фиксированной
длины ячеек ATM? Что изменится, если допустить наличие ячеек
ATM, изменяющих свою длину?

407

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Список русских сокращений
АИМ
АКД
АЛ
АМТС
АОН
АПД
АТС
АЦП
БТА
ВЦК
ГТС
ДВО
ДИКМ
ИАЛ

Амплитудно – импульсная модуляция
аппаратура коммутации данных
Абонентская линия
Автоматические междугородние телефонные станции
Аппаратура Опознования Номера
аппаратура передачи данных
Автоматическая Телефонная Станция
Аналого-цифровой Преобразователь
Бесшнуровые телефонные аппараты
вторичный цифровой канал
Городская Телефонная Сеть
дополнительных видов обслуживания
Дифференциальная ИКМ
Искусственная абонентская линия

ИКМ Импульсно-кодовая модуляция
ИСЛ Искусственная соединительная линия
ИР Искровой разрядник
КАМ Квадратурно-амплитудная модуляция
КМ монетный контакт
КЯ
МК

кабельный ящик
микрофон капсульный
Международный Косультационный Комитет по Телеграфии и
МККТТ
Телефонии
МКЭ микрофон электретный
МСЭ-Т Международный Союз Электросвязи Телефония
НН номеронабиратель
Н
нормальные (микрофоны)
П
Переключатель
ПВ

Плавкая вставка
408

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ОС
ОСШ
ОКС
ООД
ОЦК

Оконечная станция
отношения сигнал шум
Общий Канал Сигнализации
Оконечное (терминальное) оборудование данных
основной цифровой канал

ОЧРК
ПЦИ
ПЦК
РК
РП
РАТС
РШ
СКУТ

Ортогональное частотное разделение каналов
Плезиохронная цифровая иерархия
первичный цифровой канал
Распределительная коробка
рычажный переключатель
Районная Телефонная станция
Распределительный шкаф
Системы Контроля и Управления Таксофонами

СЛ
ТА
ТК

Соединительные линии
телефонный аппарат
телефонный капсуль

ТКС

терморезистор с положительным температурным
коэффициентом сопротивления

ТЦК третичный цифровой канал
Тлф Телефон
ТФОП Телефонная сеть Общего пользования
УВС Узел Входящего Сообщения
УИС Узел Исходящего Сообщения
УСМ Узел связи междугородний
УР
УС
УОД
УТЭК
ФМ
ФНЧ
ФД

Угольный разрядник
узловые станции
Устройство Ограничения Длительности (разговора)
Устройства Электронных Телефонных Карт
Фазовая манипуляция
фильтр низкой частоты
фазовый детектор
409

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ЦПР
ЧНН
ЧЦК
ЭДС
ЭАТС

центральный процессор
Час Наибольшой Нагрузки
четвертичный цифровой канал
Электро Движущая Сила
электронная система коммутации

ЦАП цифро-аналоговый преобразователь
ЦБ центральная батарея
ЦСИО цифровая система интегрального обслуживания

410

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Список иностранных сокращений
Развитие только передачи
данных
уровень адаптации ATM

1xEV-DO Evolution-Date Only
AAL ATM ATM Adaptation Layer
ABR
AC
ACH
ADM
ADSL
AES
AESA

Available Bit Rate
Access Control
Access Channel
Add Drop Multiplexer
Asymmetric Digital Subscriber
Line

доступная скорость передачи
управление доступом
Канал доступа
мультиплексор ввода - вывода
асимметричная цифровая
абонентская линия
Усовершенствованный
Advanced Encryption Standard
стандарт шифрования
система адреса конечной
ATM End System Address
установки ATM
Authority and Format
Identification

идентификатор полномочий и
формата

AMC

Adoption modulation and
Coding

адаптивная модуляция и
кодирование

ANSI

American National Standards
Institute

Американский Национальный
Институт Стандартов.

APS

Automatic Protection Switching

Автоматическое защитное
переключение

ARQ

Automatic Request Repeat

Автоматический Повторный
Запрос

ARP

Address Resolution Protocol
American Standard Code for
Information Interchange

AFI

ASC

A- TDMA

Advanced Time Division
Multiplexing Access

411

Протокол нахождения адреса
Американский стнадартный код
для обмена информацией
Усовершенствованный
множественный доступ с
временным разделением
каналов

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

ADSL Transceiver UnitRemote
Administration Unit

Удаленный модуль
Приемопередатчика ADSL+
AU
Административный блок
группа административных
AUG Administration Unit Group
блоков
коэффициент
BDF
Bandwidth – Distance Factor
широкополосности
интерфейс широкополосной
B-ICI Broadband intercarrier interface
межсетевой связи
Broadband Integrated Service широкополосная цифровая сеть
BISDN
Digital Network
интегрального обслуживания
BIP-N Bit Interleaved Parity –N
четность чередующихся бит
BLER - Block Error Rate
коэффициент ошибок по блокам
биполярный код с заменой N
BNZS Binary N-Zero Substation
нулей
метод двоичной фазовой
BPSK Binary Phase Shift Keying
манипуляции
устройство обслуживания
BRAS Broad Remote Access Service удаленного широкополосного
доступа
BRI
Basic Rate Interface
базовое включение
BS
Base Station
базовая станция
ATU-R

BSC
BTC

Base Station Controller
Block Turbo Code

Контроллер базовой станции
блочный турбо - кодирование

BTS

Base Transceiver Station

Базовая приемопередающая
станция

CAC

Connection Admission Control управление соединением
амплитудно-фазовая модуляция
Carrierless Amplitude/Phase
без несущей
Алгоритм аутентификации и
Cellular Authentication Voice
шифрования речи в сотовой
Encryption
связи
Constant Bit Rate
постоянная скорость передачи

CAP
CAVE
CBR

412

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

CC

сверточныйе код
Множественный доступ с
CDMA Code Division Multiple Access
кодовым разделением каналов
среднее квадратическое
CDV Cell Delay Variation
отклонение задержки ячеек
CDVT
CELP
CER
CLR
CMEA

Convolution Code

допустимый разброс времени
задержки
линейное предсказание с
Code Excited Linear Prediction
кодовым возбуждением
коэффициент ошибок по
Cell error ratio
ячейкам
Cell loss ratio
коэффициент потерь ячеек
Cellular Message Encryption Алгоритма шифрования
Algorithm
сообщения в сотовой системе
Cell delay variation tolerance

CMR

Cell misinsertion rate

коэффициент ложной вставки
Сервер администрирования
соединений

CMS

Call Management Server

CMTS
CQI

Cable Termination CTMS)
Channel Quality Indicator

кабельные модемы
Индикатора Качества Канала

CQICH

Channel Quality Indicator of
Channel

Канал Индикатора качества
канала

CRC
CS

Cyclical Redundancy Check
Convergence Sublayer

циклический избыточный код
подуровень конвергенции
многостанционный доступ с
Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CA
контролем несущей и
with Collision Avoidance
устранением конфликта
многостанционный доступ с
Carrier Sense Multiple Access
CSMA/CD
контролем несущей и
with Collision Detection
обнаружением конфликта
CTD Cell transfer delay
задержка передачи ячейки
CTC
Convolution Turbo Code
сверточное турбо - код
CVoDSL Chanelized Voice over DSL
Речь Канализированная по DSL
DA
Destination Address
адрес получателя
413

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

DCE
DECT
DQoS
DOCSIS
xDSL
DSLAM
DSP
DTE
DTM
DTMF
DWDM
EFM
EIA/TIA
ET
ETSI
ESN
FA
FAS

Data Communication
Equipment
Digital Enhanced Cordless
Telecommunication

аппаратура передачи данных

усовершенствованная цифровая
беспроводная электросвязь
динамическое обеспечение
Dynamic Quality of Service
качества услуг
Спецификации Интерфейса
Data over Cable Service
Передачи Данных по ТВ
Interface Specification
кабелю
Digital Subscriber Line
цифровая абонентская линия
мультиплексором доступа
DSL –Access Multiplecsor
цифровой абонентской линии.
цифровой сигнальный
Digital Signal Processor
процессор
Data Terminal Equipment
терминал передачи данных
Discrete Multi Tone
многотональная модуляция
Dual Tone Multi-Frequency
двухтональный
dialing
многочастотный набор
Спектральное уплотнение с
Dense Wavelength Distribution
разделением на основе длины
Division Multiplexing
волны
Ethernet in the First Mile
Ethernet на Первой Миле
Electronic
ассоциация электронной
(Telecommunication)
промышленности
Industries Association
Exchange Termination
станционное окончание
European Telecommunications Европейский Институт
Standards Institute
Стандартов
Электронный серийный номер
Electronic Serial Number
оборудования
алгоритм максимальной
fairness algorithm
справедливости
Frame Alignment Signal
сигнал выравнивания кадра
414

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

FC
FCH

Frame Control
Frame Control Header

FCS

Frame Check Sequence

FDM

Frequency Division
Multiplexing

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

FEC

Forward Error Correction

FEXT

Far End Cornstalk

FL

fiber link

FCS

Frame Check Sequence

FS
FTCH

Frame Status
Forward Traffic Channel

FTTC

Fiber to the curb

FTTN

Fiber to the neighborhood

FUSC

Fully Usage Subcanalization

управление кадром
Заголовок Управления Кадром
последовательность контроля
кадра
частотное
мультиплексирование
Множественный доступ с
частотным разделением
каналов
прямая коррекция ошибок
переходное затухание на
ближнем конце
оптический кабель
последовательность контроля
кадра
состояние Кадра
Прямой канал трафика
волокно до распределительной
коробки

GC

оптоволокно по соседству
Каналообразование с полным
использованием поднесущих
частот

Gate Controller
Шлюзовой контролер
High Density Bipolar of Order биполярный код высокой
HDB N
N
плотности порядка N
Полудуплексная передача по
Half – Duplex– Frequency
HDFDD
принципу "полудуплекс с
Division Duplex
частотным разделением"
High data rate Digital
высокоскоростная цифровая
HDSL
Subscriber Line
абонентская линия
HFC
Hybride Fibre-Coaxial.
опто–кабельные системы
High-Speed Downlink Packet Высокоскоростной нисходящий
415

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Access
IDSL
IMA
IMSI
ISDN

ITU-T
LAN
LDPC
LPC
LLC
T

пакетный доступ
цифровая абонентская линия
ISDN Digital Subscriber Line
ISDN
обратное мультиплексирование
Inverse Multiplexing over ATM
поверх ATM
Международный
International Mobile Subscriber
идентификационный номер
Identity
мобильного абонента
Integrated Service Digital
цифровая сеть интегрального
Network
обслуживания
International
Telecommunication Union –
Сектор стандартизации
Telecommunication
электросвязи (МСЭ-Т)
Standardization Sector
Local Area Network
локальная сеть
Low Density Parity Check
Кодирование низкой плотности
Code
с проверкой на четность
кодирование с линейным
Linear Predictive Coding
предскасказанием
управление логическим
Logical Link Control
каналом связи
Line Termination
линейное окончание

MAC

Medium Access Control

MAU

Multi Access Unit

MCPC

Multipoint Control Protocol

MGC

Media Gateway Controller

MIMO

Multi Input Multi Output

MIN

Mobile Identification Number
416

управление доступом к среде
многостанционный модуль
доступа
Протокол управления многими
точками
Управляющие устройства
шлюзов
Система антенн со многими
входами и многими выходами
Мобильный
идентификационный номер

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

MS

Mobile Station

Мобильная станция

MSC
MSR

Mobile Switching Center
maximum sum rate

Центр мобильной связи
Максимальная сумма скоростей
Мультискоростная
MSDSL Multirate Symmetric DSL.
Симметричная цифровая
абонентская линия
MSO Multiple systems operators
мультисистемные операторы
заголовок мультиплексной
MSOH Multiplexer Section Over Head
секции
MSR Minimum cell rate
минимальная скорость ячейки
Мультимедийное Оконечное
MTA Multimedia Terminal Adapter
устройство (адаптер)
переходное затухание на
NEXT Near End Cornstalk
ближнем конце
NIC
NNI
NRZ

Network Interface card
сетевая карта интерфейса
Network – Network Interface интерфейс сеть- сеть
non return to zero
без возвращения к нулю

NSAP
NT

Network Service Access Point точки доступа сетевого сервиса
Network Termination
сетевое оконечное устройство

OAM

operation, administration,
maintenance data unit

OFDM
OLT
OMC
ONU
OSI.

эксплуатация,
администрированием, и
техническое обслуживания
Orthogonal Frequency Division ортогональное частотное
Multiplexing
разделение каналов
Оптический линейный
optical line terminal
терминал (окончание)
Operation and Maintenance
Центр эксплуатации и
Center
технического обслуживания
системы распределения с
Optical Network Unit)
оптическими узлами
Open System Interconnection
417

(модель) взаимодействия
открытых систем

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

OSHA

Administration

OTASP

Over The Air Service
Reprogramming

PAPR
PCM
PCR
PCH
PDH
PDN
PDU
PICH

и гигиене труда США

Перепрограммирование по
эфиру
отношение пика мощности – к
Peak-to-Average Power Ratio
математическому - ожиданию
Pulse Code Modulation
импульсно-кодовая модуляция
Peak Cell Rate
пиковая скорость ячеек
Широковещательный канал
Paging Channel
коротких сообщений (канал
вызова)
Plesiochronous Digital
плезиохронная цифровая
Hierarchy
иерархия
Packet Data Network
Сеть пакетной коммутации
Protocol Data Unit
Протокольный блок данных

PRC

Proportional Rate Constraint

PRI

Primary Rate Interface

Пилотный канал
интерфейс между частными
сетями
Пропорциональное
Ограничение Скорости
первичное включение

Public Switched Telephone
Network

коммутируемая телефонная сеть
общего пользования

PNNI

PSTN
PUSC
PVC
QAM
QoS
QPSK

Pilot Channel
Private Network –to network
Interface

Каналообразование с
Partial Usage Subcanalization частичным использованием
поднесущих частот
постоянное виртуальное
Permanent Virtual Connection
соединение
Quadrature Amplitude
Квадратурно-амплитудная
Modulation
модуляция модуляция
Quality of Service
качество обслуживания
Квадратурная фазовая
Quadrature Phase Shift Keying
манипуляция
418

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

RAM

память с произвольным
доступом

Random Access Memory

цифровая абонентская линия с
адаптацией скорости
соединения
Удаленное обслуживание
Remote Authentication Dial-Up
RADIUS
опознавание абонента с
User Service
номеронабирателем
RKS
Record keeping server
Сервер фиксации соединений
Regeneration Section Over
заголовок регенераторной
RSOH
Head
секции
RTCH Reverse Traffic Channel
Канал обратного трафика
временная отметка
RTS
Residual Time Stamp
расхождения
SA
Source Address
исходный адрес
SAAL Signaling AAL
сигнализации на уровне AAL
Rate Adaptive Digital
RADSL
Subscriber Line

SAPI

Serves Access Point Identifier

определитель протокола
применения службы

SAR

Segmentation And Reassembly

подуровень сегментации и
сборки

SARR
SDH

Selective Automatic Repeat
автоматический запрос
Request
повторной передачи
Synchronous Digital Hierarchy синхронная цифровая иерархия

Synchronizing Channel

Синхронный множественный
доступ с кодовым разделением
каналов
Канал синхронизации

Synchronous Digital Subscriber
Line
Symmetric Line Digital
Subscriber Line
Start of Frame Delimiter

Синхронная цифровая
иерархия
симметричная цифровая
абонентская линия
начало кадра

Synchronous Code Division
SCDMA
Multiple Access
SCH
SDH
SDSL
SFD

симметричная
419

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

SHDSL Line
SDU

Service Data Unite

SIM

Subscriber Identify Module

SMF
SNR
SOH

Single Mode Fiber
Signal Noise Rate
Section Over Head

SSD

Shared Secret Date

высокоскоростная цифровая
абонентская линия
блоки данных пользователя
Модуль идентификации
абонента

одномодовый режим
отношение сигнал-шум
секционный заголовок
Наращиваемый
S-OFDM Scalable -OFDM
(масштабируемый) OFDM
SONET Synchronous Optical Network синхронная оптическая сеть
часть сигнализации,
Service – specific coordination
SSCF
обеспечивающая
function
координирующие функций
сигнализация,
Service – specific connectionSSCOP
ориентированная на
oriented protocol
соединение

SU

Общие секретные данные
синхронный транспортный
Synchronous Transport Module
модуль
коммутируемые виртуальные
Switch Virtual Connection
соединения
Selector Units
Устройство выбора блоков

TAd
TCE
TE

Terminal Adapter
Transcoder Equipment
Terminal Equipment

терминальный адаптер
Преобразователь-транскодер
оконечное оборудование

TEI

Terminal Equipment
Identification

номер-идентификатор
оконечногооборудования

STM
SVC

TCM

TCP/IP

модуляция с решетчатым
кодированием
протокол управления
Transmission Control Protocol/ передачей/межсетевой
Internet Protocol
протокол
Trellis Coded Modulation

420

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

WAN

протокол
многостанционный доступ с
Time Division Multiple Access
временным разделением
Tributary Unit.
трибные блоки
Tributary Unite Group
группа трибных блоков
неопределенная скорость
Unspecified Bit Rate
передачи
User-network interface
интерфейс пользователь- сеть
Unidirectional path switched
однонаправленное кольцо с
ring
переключением маршрута
Variable Bit Rate
переменная скорость передачи
Virtual Channel
виртуальный канал
Virtual Channel Connection
виртуальное соединение
Virtual Channel Link
звено виртуального канала
Virtual Channel Path
звено виртуального пути
сверх высокоскоростная
Very High Digital Subscriber
цифровая абонентская линия
Virtual Path
виртуальный путь
идентификатор виртуальных
Virtual Path Identifier
путей
Wide Area Network
Глобальная сеть

WAL
WDM
WLAN

Walsh
Функция Уолша
Wave Division Multiplexing
волновое мультиплексирование
Wireless Local Area Network беспроводная локальная сеть

Wi MAX

Word Wide Interoperability for Глобальное взаимодействие для
Microwave Accesses
доступа к микроволновой сети

TDMA
TU
TUG
UBR
UNI
UPSR
VBR
VC
VCC
VCL
VCP
VDSL
VP
VPI

421

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Глоссарий
10 BASE – xy, 100 BASE –xy, 1000BASE –xy – серия спецификаций
физического уровня сети Ethernet, где первые цифры указывают скорость
передачи в Мбит/с, а два последних символа среду передачи
(коаксиального кабеля, витой пары и т.п).
ALOHA – протокол случайного много станционного доступа при работе
всех станций по одному каналу связи, при возникновении конфликта
осуществляется повторная передача пакетов через случайный интервал
времени.
ALOHа с настойчивой стратегией (persistent strategy) протокол
случайного много станционного доступа ALOHA, при котором станция
передает запросы, пока не будет получено подтверждение приема. Если
в течение установленного времени подтверждение не получено, то
станция повторяет попытку через случайно выбранный интервал
времени.
ALOHа с ненастойчивой стратегией (non-persistent strategy) протокол
случайного много станционного доступа ALOHA, при котором станция
опрашивает передающую среду через случайные интервалы времени.
После каждой неудачной попытки интервал опроса обычно
удваивается, что существенно уменьшает вероятность возникновения
конфликта, но приводит к увеличению задержки при передаче
информации.
ALOHA Чистая (Pure ALOHA) - протокол случайного много
станционного доступа ALOHA, при котором повторная передача
информации осуществляется через случайное время
, которое
определяется по экспоненциальному закону.
ALOHа Синхронная – протокол случайного много станционного
доступа ALOHA, при котором передача информации начинается только
в начале определенного отрезка времени.
Ethernet – базовая технология локальной вычислительной сети с
пропускной способностью каналов свыше 10 Мбит/с
PacketCable

—

набор

совместимых с
422

DOCSIS

спецификаций,

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

определяющих систему сетевого менеджмента, порядок предоставления
и
оплаты
услуг,
телефонной
сигнализации,
организации
санкционированного доступа к услугам, а также QoS. Спецификация,
определяющая QoS, основана на использовании расширенного
варианта протокола RSVP (Resource Reservation Protocol).
Token Ring - технология локальной сети с топологией в виде кольца и
маркерным доступом
Абонентская высокочастотная установка (АВУ) — аналоговая
аппаратура, которая позволяла по одной абонентской линии путем
высокочастотного уплотнения создать второй канал.
Абонентская проводка (subscriber last feet) — от розетки телефонного
аппарата до телефонной распределительной коробки (РК), которая
находится на ближайшем расстоянии от места установки оконечного
терминала.
Административный блок (AU -Administrative Unit) - блок данных
фиксированного размера и большой емкости, используемый для обмена
информацией на верхних уровнях иерархии в цифровых сетях SDH.
Алгоритм Витерби (Viterbi algorithm) – Алгоритм, использующий
сравнение по принципу максимального правдоподобия, для решетчатых
кодов, минимизирующий пути поиска в каждом состоянии за счет
отбрасывания маловероятных путей.
Алгоритм максимальной справедливости (fairness algorithm) - алгоритм ,
который распределяет поднесущие частоты и мощность так, чтобы
скорость данных передаваемая минимальным пользователем была
максимальна.
Алгоритм максимальной суммы скорости (MSR - maximum sum rate) –
алгоритм , который пытается максимизировать сумму скоростей всех
пользователей, с учетом ограничения полной мощности передачи
Амплитудно фазовая модуляция с подавлением несущей (Carrierless
Amplitude and Phase Modulation – CAP). Метод реализации квадратурноамплитудной модуляции, использующей прямую генерацию (с помощью
DSP ) отфильтрованных квадратурных первичных сигналов и
423

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

последующего их суммирования в DSP для получения составного
сигнала.
Асинхронный режим передачи (ATM — Asynchronous Transfer Mode) —
стандарт передачи информации, который объединяет возможности двух
технологий — коммутации пакетов и каналов. Основная идея ATM
состоит в передаче любого вида трафика пакетами фиксированной
длины (53 байта), называемых ячейками, что создает универсальную
среду передачи для любого вида информации.
Аттенюатор (attenuator) – устройство, выходной сигнал функционально
связан с входным и всегда меньше последнего.
Аутентификация (authentication) — проверка прав и полномочий
вызывающего абонента
Базовое включение (BRI — Basic Rate Interface) — включение
абонентских линий в цифровой сети интегрального обслуживания,
которое предоставляет абонентам 2 канала по 64 Кбит/с (2 канала B) и
один канал сигнализации 16 Кбит (D).
Базовая приемо-передающая станция (BTS — Base Transceiver Station) —
стационарная станция, обеспечивающая передачу и прием
радиосигналов, управление мощностью мобильных станций.
Базовая сеть (CN — Core Network) — подсистема мобильной связи,
объединяющая коммутационное и сетевое оборудование.
Баньянный коммутатор — это коммутатор, который составлен из
коммутационных элементов 2x2, связанных таким способом, что
существует единственный путь от каждого входа до каждого выхода.
Бит эхо — часть формата команды, которая предназначена для
использования специальной процедурой, которая решает задачу выбора
канала при поступлении одновременно нескольких требований на
информационный (D) канал.
Бод (Baud) - Единица измерения скорости передачи N – мерных
сигналов. На практике понятие "бод" обычно понимают как синоним
скорости в битах. Однако, строго говоря, скорость передачи в битах
424

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

равна скорости передачи в бодах только в случае двоичной передачи
(один бит за один интервал сигнала).
Варисторы (varistor) нелинейные резисторы, сопротивление которых
зависит от приложенного напряжения. Отличительной чертой
варистора является двухсторонняя симметричная и резко выраженная
нелинейная вольтамперная характеристика.
Взаимодействие открытых систем (OSU — Open System Interconnection)
— принцип, определяющий характеристики и свойства стандартов,
разработанных ISO на базе семиуровневой эталонной модели.
Виртуальный канал (Virtual Channel — VC) — логическое соединение в
сети с коммутацией пакетов, организуемое между отправителем и
получателем на время одного сеанса связи.
Виртуальный путь (Virtual Path — VP) — маршрут, объединяющий
группу однонаправленных каналов, которые имеют общий
идентификатор виртуального пути.
Вокодер (voice coder) — устройство преобразования речевого сигнала в
цифровой поток, основаный на анализе характерных особенностей
человеческой речи.
Волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing - WDM) –
технология передачи в системе в оптических системах, где различные
источник используют разную длину волны. При этом два и более
оптических сигналов объединяются и передаются по одному общему
оптическому пути.
Волокна со ступенчатым показателем преломления (step wave refractor
fiber) - волокна, у которых на границе "оболочка-сердцевина"
происходит скачок коэффициента преломления.
Вокодер — устройство, предназначенное для преобразования речевого
сигнала в цифровой поток. Работа вокодера основана на анализе
особенностей человеческой речи.
Выгрыш от кодирования (Coding gain). Показатель, определяющий
улучшение свойств сигнала благодаря кодированию. Численно
425

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

характеризуется коэффициентом снижения отношения сигнал/шум при
заданной верояятности ошибки в систем с кодированием по сравнению
с некодируемой передачей при той же скоросим передачи и
используемых методах модуляции и демодуляции; обчно выражается в
децибелах.
Гибридный Автоматический Повторный Запрос (HARQ -Hybrid
Automatic Repeat Request) - при использовании этого метода, после
отправки кадра передатчик делает паузу, в течение которой ожидается
прием подтверждения. В зависимости от типа подтверждения
(положительное - ACK или отрицательное - NAK) источник передает
следующий кадр или повторяет предыдущий.
Глобальная навигационная система (GPS — Global Position Satellite) —
система Министерства обороны США, предназначенная для
определения местоположения и точного времени.
Градиентное волокно (grade index fiber) – волокно с изменяющимся
показателем преломления по закону с плавным изменением показателя
преломления от максимального в центре к минимальному по краям.
Грозоразрядники (discharge tube) - устройства, которые при большом
напряжении меняют свое сопротивление и замыкают электрическую
цепь "на себя", защищая абонентскую линию и приборы
Группа трибных блоков (TUG - Tributary Unit Group) – структура
полученная в результате мултиплексирования трибных блоков, согласно
правилам формирования синхронного транспортного модуля.
дБм (dBm) - единица измерения затухания (децибел/милливатт),
отсчитываемая от 1 милливатта.
дБп (dBmp) (децибелы псофометрические) - единица измерения
псофометически взвешенного шума.
дБр (dBr) (децибел – разность) - единица измерения затухания, когда
уровень, в точке, измеряется относительно другой точки.
ДБэт (dBrn) (эталонная мощность) – уровень мощности относительно 1
пВт.
426

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Дифференциальная система (hybrid) — схема, включаемая в линию и
реализующая переход от двухпроводной линии к четырехпроводной.
Дифференциальная система (hybrid) - схема, включаемая в линию и
выполняющая переход, от двухпроводной линии к четырехпроводной
линии.
Длина волны нулевой дисперсии
(wavelength with zero dispersion) длина волны, при которой происходит взаимная компенсация
материальной

составляющей

дисперсии

составляющей дисперсии и

и

волновой

, а результирующая дисперсия

обращается в нуль.
Домен коллизии (collision domain) – сегмент сети, в котором станции
используют общую среду передачи и работают в одном и том же
диапазоне частот.
Доступ полнофункциональный (full mobile access). Обеспечивает
пользователю возможность перемещаться по всем сотам сети с высокой
скоростью. При этом гарантируется непрерывность для всего набора
услуг.
Доступ сеансовый (nomadic access) — один из видов организации
радиосвязи, при котором пользователь может устанавливать
беспроводную связь с различными базовыми станциями.
Доступная скорость передачи (Available Bit Rate (ABR) — тип
асинхронного трафика в сетях ATM (класс С).
Доступ упрощенный мобильный (simple mobile access) — один из видов
организации радиосвязи, при котором пользователь может
перемещаться по всем сотам сети с высокой скоростью, при этом
гарантируется непрерывность только для некоторого набора услуг,
Доступ фиксированный (fixed access) — один из видов организации
радиосвязи, при котором пользователь может устанавливать
беспроводную связь только из одной зоны с одной базовой станцией.
Задержка передачи информации (запаздывание) (information delay) 427

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

измеряется временем между поступлением сигнала на вход системы
передачи и появлением его на выходе.
Задержка передачи ячейки (Cell transfer delay) — время, которое проходит
от момента, когда ячейка введена в сеть от источника в интерфейс
"пользователь-сеть", до момента, когда она появляется на интерфейсе
"пользователь-сеть" в пункте назначения.
Замирание (fade) — явление, при котором в течение определенного
интервала времени происходит то постепенное усиление, то
ослабление сигнала.
Затухание (attenuation) Прямое затухание — показывает уменьшение мощности сигнала в
результате его прохождения через среду передачи.
Переходное затухание — величина, которая характеризует
относительное количество энергии, переходящей вследствие
электромагнитной связи из одной цепи в другую.
Затухание сигнала в оптическом волокне — потери на поглощение или
рассеяние излучения в оптическом волокне.
Звено виртуального пути (Virtual Channel Path) — участок сети, на
котором не меняется индикатор виртуального пути .
Инсталляция — установка начальных парметров перед началом
функционирования, предшествующих введению оборудования в
эксплуатацию.
Интегральное Обслуживание (ISDN — Integrated Services Digital Network
) — цифровая сеть основанная на использовании единого цифрового
канала с пропускной способностью 64 кбит/c и однотипных цифровых
коммутаторов для формирования цифровых трактов передачи
различных видов информации (речь, данные и др.).
Интерфейс "пользователь-сеть" (User-Network Interface — UNI) —
интерфейс, определяющий характеристики сопряжения абонентского и
сетевого оборудования на физическом и логическом уровне.
428

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Кабельная головная станция сети телевидения (Cable Headed Station ) –
станция, предназначенная для приема на входе и обработки
широкополосных сигналов с целью их дальнейшего распределения. На
выходе такой станции подключаются входы транспортной сети
(коаксиальной, оптической, радиорелейной).
Канал обратного трафика (RTCH-Reverse Traffic Channel)- обеспечивает
передачу речевых сообщений и управляющей информации с мобильной
станции на базовую станцию.
Канал предоставления доступа (AGCH — Access Grant Channel) —
исходящий канал только от сети к MS. BTS распределяет каналы трафика
TCH или SDCCH к мобильной станции, таким образом разрешая MS
доступ к сети.
Канал прямого трафика (FTCH -Forward Traffic Channel) - предназначен
для передачи речевых сообщений и данных, а также управляющей
информации с базовой станции на мобильную, передаёт любые
пользовательские данные.
Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel) — служебный
канал в системе CDMA, обеспечивает поддержание уровня излучения
пилотного сигнала, а также фазу псевдослучайной последовательности
базовой станции
Канал трафика (TCH — Traffic Channel) — канал связи, работающий
между мобильной и базовой станцией, несущий потребительскую
информацию (речь, данные, и т.п)
Канал широковещательного вызова (Paging Channel) используется для
вызова подвижной станции.
Каналообразование с полным использованием поднесущих частот
(FUSC - Fully Used Subcanalization) - способ организации связи, при
котором из всего набора поднесущих частот выбирается только часть.
Квадратурная амплитудная манипуляция (QAM — Quadrature Amplitude
Modulation) — вид модуляции, представляющий собой комбинацию
фазовой и амплитудной манипуляций. Использует квадратные каналы,
сдвинутые по фазе на 90 градусов, —косинусный и синусный.
429

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Качество обслуживания (QoS — Quality of Service) — комплексная
характеристика, определяющая класс обслуживания и качество услуг в
сети передачи данных.
Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK — Quadrature Phase-Shift
Keying) — метод манипуляции, при котором каждой группе из двух бит
(00,01,10,11) ставится в соответствие 4 значения фазы сигнала
одной и той же частоты.
Квадратурная манипуляция (QPSK — Quadrature Phase — Shift Keying)
метод фазовой манипуляции, при котором каждой группе из двух бит
(00,01,10,11) ставится в соответсвие 4 значения фазы одной и той
же частоты, отличающиеся друг от друга на 90 градусов.
Квадратурное представление сигнала (Quadrature Signal Image) —
представление синусоидального колебания как линейной комбинации
синусоидального и косинусоидального колебаний с нулевой начальной
фазой.
Качество обслуживания (QoS – Quality of Service) – это комплексная
характеристика при оценке класса и качества услуг и зависит от вида
трафика.
Квадратурно-амплитудная модуляция. (Quadrature amplitude modulation
(QAM)). Комбинация фазовой и амплитудной модуляции. Использует
две сдвинутые по фазе несущие, которые образуют косинусный
(синфазный) и синусный (квадратурный) каналы
Квадратурное представление сигнала (Quadrature Signal Image) —
представление синусоидального колебания как линейной комбинации
синусоидального и косинусоидального колебаний с нулевой начальной
фазой.
Когерентность (coherence) – когерентными называются источники, у
которых разность фаз остается постоянной.
Кодовое ограничение - длина кодового ограничения (constran length).
Основной параметр сверточного кодирования, который численно равен
длине регистра сдвига, с помощью которого формируется данный
информационный символ.
430

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Коллизия (collision) – одновременное поступление двух и более запросов
на вход устройства, которое в данный момент времени может
обработать только один из них.
Кольцевая сеть (ring network) – кольцевая сеть сеть передачи данных, в
которой все узлы последовательно соеденены друг с другом (кольцо).
Коммутируемые виртуальные соединения (Switch Virtual Connection —
SVC) — тип логического соединения, устанавливаемого по запросу со
стороны вызывающего абонента, на время, необходимое для обмена.
Контроль ошибок с помощью циклического избыточного кода — метод
обнаружения ошибок, основанный на разбиении исходного потока
битов на блоки и делении количества битов в блоке на опреленное
число (порождающий многочлен).
Концентратор (hub) – активное или пассивное и устройство, которому
может быть подключено большое число абонентских линий, станций
или других концентраторов. Он выполняет функции многопортового
регенератора.
Коэффициент блоков ячеек с серьезными ошибками (Severely Errored
Block Ratio — SEC BR) — коэффициент, который определяется в случае
наступления события, когда в данном блоке из N ячеек более чем M
ячеек теряется, приходит с ошибками или относятся к ложной доставке.
Величины M и N задаются поставщиком услуги.
Коэффициент импульсных помех (Pulse Error Factor)- служит для
цифровой оценки состояния линии, он указывает количество ошибок на
определенное число переданных битов.
Коэффициент затухания (attenuation factor)- относительное изменение
мощности передачи сигнала, при распространении его на единицу
расстояния, выраженное в км.
Коэффициент "пачечности" (burstness of errors), - показывает отношение
количества ошибок, полученных в данном интервале времени, к
ожидаемому среднему по всем интервалам.
Коэффициент потерь ячеек (Cell Loss Ratio — CLR) — это отношение
431

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

числа потерянных ячеек к общему числу переданных ячеек. При расчете
этого коэффициента исключаются ячейки, потерянные в результате
серьезных ошибок.
Коэффициент расширения спектра (SF — Spreading Factor) определяется
как отношение чиповой скорости к скорости передачи информации.
Кроссы (cross connecting) – устройства, предназначенные для ввода на
станцию кабелей абонентских, соединительных линий и аналоговых и
цифровых уплотненных линий. предоставляющие возможность
коммутации преимущественно с помощью проводов и перемычек.
Кэширование (caching) – ускоренная обработка данных и команд с
использованием сверхоперативной памяти (кэш –память), в которой
хранятся готовые и часто запрашиваемые данные.
Линейный кодер — устройство, преобразующее данные в код линии.
Линейный участок абонентской линии местной телефонной сети
(Subscriber line)- участок абонентской линии местной сети от контактов
кроссового оборудования станции до розетки телефонного аппарата.
Линейное окончание — устройство, обеспечивающее физическое и
электрическое подключение канала передачи ISDN к телефонной
станции.
Локальная сеть передачи данных (LAN – Local Area Network)- сеть,
которая обычно охватывает небольшую территорию – отдельных
офисов, зданий, и используемая на относительно короткие расстояния.
Магистральный участок абонентской линии местной телефонной сети
(main line part) — участок абонентской линии местной телефонной сети
от кроссового оборудования до распределительного кабельного шкафа.
Маршрутизатор (Router) – устройство или программа, выполняющая
выбор маршрута на основании собственной маршрутной таблицы или
данных, содержащихся в заголовке сообщения.
Маршрутизация (routing) — процедура выбора путей транспортировки
информации от отправителя к получателю с заданным качеством и
432

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

минимальными задержками.
Матрица Адамара (hadamar matrix) — семейство матриц, формируемых
при увеличении их размера в соответствии со специальным
алгоритмом, используемое для построения функций Уолша.
Методы случайного доступа методы, при котором время
предоставления станциям возможности передачи осуществляется по
случайному закону
Методы управления доступом к среде (Medium Access Control) методы,
которые определяют процедуры, которые. Используются для
исключения конфликтов при доступе к среде.
Мобильная наземная сеть общего пользования (PLMN — Public Land
Mobile Network ) — общее название сетей морской, воздушной и
наземной радиосвязи (кроме спутниковой).
Мобильная спутниковая служба (MSS — Mobile Satellite Service) —
служба радиосвязи для организации информационного обмена между
мобильными наземными станциями или между мобильными и
стационарными наземными станциями.
Мобильная станция (MS — Mobile Station) — общее название
радиостанций, предназначенных для использования абонентами во
время передвижения.
Маркер (Token) – маркер, синхропосылка в передаваемом сообщении,
определяющая его начало и конец.
Метод максимального правдоподобия (Likelihood method). Метод
оценивания неизвестного праметра путем масимизации функции
правдоподобия. В случае решетчатых кодов это делается путем
отбрасывания маловероятных путей.
Многомодовая дисперсия (multimode dispersion) - расширение
передаваемых импульсов из-за взаимного влияния различных лучей.
Многомодовый кабель(multimode cable) - оптический кабель волокна, в
котором допускают прохождение лучей к приемнику многочисленными
433

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

путями.
Многостанционный доступ с временным разделением (TDMA — Time
Division Multiple Access) — метод доступа, при котором все абоненты
передают информацию на одной несущей частоте, но в разных
временных положениях.
Многостанционный доступ с временным разделением типа ALOHA
(TDMA — Time Division Multiple Access ALOHA). Принцип доступа,
основанный на том, что все станции используют один канал связи,
контролируя его работу, а передача осуществляется в случайные
моменты времени, что уменьшает вероятность конфликтов.
Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA — Code
Division Multiple Access) — технология, основанная на применении
сигналов, сформированных на базе кодовых псевдослучайных
последовательностей.
Многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA
— Frequency Division Multiple Access ) — метод доступа, при котором весь
выделенный диапазон частот разделяется на неперекрывающиеся
полосы. При организации связи каждому абоненту выделяется
отдельный канал, сигналы по которому передаются на своей несущей
частоте.
Многостанционный модуль доступа (MAU — Multi Access Unit) – блок ,
который обеспечивает возможность одновременного обращения
большого числа станций к одному каналу доступа.
Многоуровневая система передачи сигналов (Multilevel Signaling).
Система передачи сигналов, при которой каждый сигнал может
принимать несколько уровней амплитуды в зависимости от значения
исходного символа.
Множественный доступ с контролем несущей и обнаружением
коллизий (Carrier Sense Multiply Access with Collision Detection —
CSMA/CD)- стратегия доступа, при которой станция, которая захватила
канал, продолжает его контролировать, сравнивая отправленный сигнал
с тем который присутствует в линии. Искажение трактуется как наличие
коллизии. Тогда передача прекращается и может быть возобновлена
434

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

через случайный интервал времени.
Мобильная наземная сеть общего пользования (PLMN — Public Land
Mobile Network ) — общее название сетей морской, воздушной и
наземной радиосвязи (кроме спутниковой).
Мобильная спутниковая служба (MSS — Mobile Satellite Service) —
служба радиосвязи для организации информационного обмена между
мобильными наземными станциями или между мобильными и
стационарными наземными станциями.
Мобильная станция (MS — Mobile Station) — общее название
радиостанций, предназначенных для использования абонентами во
время передвижения.
Модуляция — процесс изменения параметров u1085 несущей частоты
(амплитуды, частоты или фазы) по заданному закону, который
осуществляется с более низкой скоростью по сравнению с периодом
высокочастотного колебания.
Мост (Bridge) – устройство, объединяющее несколько однотипных
сегментов сети со сходными протоколами обмена, в сегменты более
крупного размера.
Модуляция с решетчатым кодированием (Trellis Coded Modulation - TCM).
Метод модуляции, представляющий собой комбинацию квадратурно амплитудной модуляции и сверточной модуляции с применением
решетчатых диаграмм.
Мост (Bridge) – устройство, объединяющее несколько однотипных
сегментов со сходными протоколами обмена в сетевые фрагменты более
крупного размера.
Мультиплексор ввода/ вывода каналов (ADM –Add Drop Multiplexer) –
мультиплексор способный добавлять и исключать отдельные каналы,
символы и биты в ретранслируемом сигнале без процедуры полного
демультиплексирования (или временного разделения) группового
сигнала.
Мультипользовательское

разнесение
435

(Multiple

diversity)

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Мультипользовательское разнесение состоит в предоставлении каждому
новому соединению набора поднесущих частот.
Наращиваемое ортогональное частотное разделение каналов OFDM (SOFDMA — Scalable — OFDMA) — увеличение или уменьшение числа
поднесущих, используемых для переноса информации с целью гибкого
использования частотного спектра.
Неопределенная скорость передачи (Unspecified Bit Rate) — тип трафика
в сети ATM (класс D), при передаче которого используется режим без
установления соединения.
Неортогональный многостанционный доступ с кодовым разделением
каналов (Non Orthogonal CDMA) — метод CDMA , основанный на
применении для разделения каналов и зон обслуживания генерируемых
по специальному закону псевдослучайных последовательностей.
Окно прозрачности (low loss transition window)– область частот, для
данной марки оптического кабеля, d которой обеспечиваются лучшие
условия для распространения радиоволн.
Ортогональный многостанционный доступ с кодовым разделением
каналов (Orthogonal CDMA) — метод CDMA , основанный на
применении ортогональных функций (например, функциях Уолша) для
разделения каналов и зон обслуживания.
Ортогональный многостанционный доступ с частотным разделением
каналов (FDMA) , доступ, который базируется на системе
мультиплексирования OFDM.
Ортогональное частотное разделение каналов (OFDM — Orthogonal
Frequency Division Multiple) — метод мультиплексирования, который
подразделяет полосу канала на множество поднесущих частот.
Ортогональные функции (orthogonal functions) — функции, у которых
взаимная корреляция (специальная математическая оценка взаимной
зависимости) равна нулю.
Отвод для подключения резервного оборудования (jumping-off) используется в качестве резервной линии для подключения телефонного
436

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

аппарата в другое место.
Отвод для перехвата информации (taping) - подразумевает включение
оборудования, которое само активно принимает информацию
Отвод "неиспользуемая пара" (bridged tap): дополнительная пара
проводов, проложенная рядом с основными парами кабеля.
Перемежение (перестановка) (interleaving) — Процесс перестановки
символов в кодированной последовательности до модуляции сигнала с
целью изменения позиций блоков информации относительно друг
друга, которое позволяет разнести стоящие рядом символы,
принадлежащие одному и тому же сообщению.
Первичное включение (PRI — Primary Rate Interface) — Цифровая Сеть
—включение абонентских линий в цифровой сети интегрального
обслуживания, которое имеет два варианта: Европейский вариант
предоставляет 30 цифровых каналов, каждый со скоростью 64 Кбит/с, и
одного канала сигнализации, работающего с такой же скоростью (30 B +
).
Перемежение (перестановка) (interleaving) — изменение позиций блоков
информации относительно друг друга, которое позволяет разнести
стоящие рядом символы, принадлежащие одному и тому же сообщению.
Переменная скорость передачи (Variable Bit Rate — VBR) — тип
неравномерного и критичного к задержкам трафика в сети ATM (класс
B), при котором необходима синхронизация между передатчиком и
приемником. Определены два вида обслуживания с переменной
скоростью: Real Time Variable Bit Rate (VBRrt) — в реальном масштабе
времени и Nonreal Time Variable Bit Rate (VBRnt)— переменная скорость в
нереальном времени .
Переходное затухание — величина, характеризующая относительное
количество энергии, переходящей вследствие электромагнитной связи
из одной цепи в другую, выраженная в децибелах.
Переходное затухание на ближнем конце (NEXT — Near End Cornstalk)
— переход мощности от одной пары к другой измеряемый на конце
ближнем к передатчику пары, подверженной влиянию линии.
437

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Переходное затухание на дальнем конце (FEXT — Far End Cornstalk) —
переход мощности от одной пары к другой измеряемый на конце,
дальнем от передатчика пары, подверженной влиянию линию.
Пилотный канал (PICH — Pilot Channel) — служебный канал системы
CDMA, предназначенный для установления начальной синхронизации,
контроля уровня сигнала базовой станции по времени, частоте и фазе,
идентификации базовой станции.
Пилотный сигнал (pilot signal) — сигнал, предназначенный для контроля
и сравнения условий распространения радиоволн от различных
мобильных станций.
Плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ (PDH — Plesiochronous Digital
Hierarchy) — концепция передачи данных, определяющая иерархию
скоростей цифровых систем передачи. Существует три системы
иерархии скоростей — Американская, Европейская и Японская.
Плоскость менеджмента (M management-plane) — совокупность
протоколов, используемых для координации операций между C- и Uплоскостями.
Плоскость пользователя (U-user plane ) — совокупность протоколов,
используемых для передачи пользовательской информацией.
Плоскость
управления
(C-control
plane)
протоколов,используемых для сигнализации
контроле и разъединении соединения.

—
при

совокупность
установлении,

Подуровень, зависящий от физической среды (PMD — Physical Medium
Dependent) — нижний из двух подуровней уровня ATM , который
относится к описанию деталей передачи бит через конкретную среду.
Подуровень согласования с системой передачи (TCS — Transmission
Convergence Sublayer) — предназначен для передачи информации по
заданной физической среде, устанавливает границы ATM-ячеек в потоке
бит; генерирует и контролирует контрольную сумму; вставляет и удаляет
"свободные" ATM-ячейки.
Позисторы (posistor) XE "позисторы" - полупроводниковые приборы с
438

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

отрицательной температурной характеристикой сопротивления. Они
увеличивают свое сопротивление при нагревании
Последовательность максимальной длины (m -последовательность) —
псевдослучайная последовательность максимальной длины, которая
генерируется с помощью m разрядного регистра сдвига с обратными
связями.
Постоянное виртуальное соединение (Permanent Virtual Connection —
PVC) — логическое соединение, которое устанавливается на сетевом
уровне на определенный период времени (от долей минут до
нескольких дней и даже месяцев).
Противоместная схема — устройство, которое устраняет переход
сигнала из собственного микрофона в телефон.
Протокол — набор формализованных правил, процедур
спецификаций, определяющих формат и способ передачи данных.

и

Прямое затухание — это интегральный показатель качества передающей
среды, который показывает уменьшение мощности сигнала в результате
его прохождения через среду передачи.
Пупиновские катушки — элементы для введения искусственной
индуктивности, которая ослабляет емкостный характер абонентской или
соединительной линии.
Постоянная скорость передачи (Constant Bit Rate — CBR) — тип трафика
в сети ATM (класс A), ориентированный на установление соединения в
реаль
Порождающий полином — простейший полином, т.е. полином, не
имеющий делителей при делении сигнала (определенного формата)
информационного потока; получается остаток меньшей степени, чем
сам порождающий полином.
Последовательность контроля кадра (FCS — Frame Check Sequence) –
последовательность битов, передаваемых как часть кадра и
предназначенных для проверки его целостности на приемной стороне.
439

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Преамбула (preamble) – последовательность бит в начале пакета или
сообщения, содержащая адреса отправителя и получателя или данные
необходимы для синхронизации.
Процедура повторной передачи — механизм улучшения достоверности.
заключается в запросе и выполнении повторной передачи информации
в случае определения ошибки в принятой информации. период
повторяемости одних и тех же символов и др.).
Потери (loss systems)- имеются потери двух типов — явные потери (Lost
Calls Cleared) и потери по ожиданию(Lloss Calls Held) .В первом случае
при отсутствии свободных путей или каналов заявка снимается с
обслуживания, во втором случае — ставится на ожидание. Она
снимается с обслуживания, если время ожидания превышает заранее
заданную величину.
Псевдослучайная последовательность (pseudorandom sequence) —
периодическая последовательность символов, которая генерируется
детерминированным образом, однако обладает свойствами, присущими
случайным сигналам (например, достаточно большой период
повторяемости одних и тех же символов и др.).
Пупиновская катушка (loading coils) - искусственная индуктивность,
которая ослабляет емкостный характер линии, улучшая параметры речи,
они препятствуют расширению частотного диапазона
Радиодоступ — способ реализации абонентского участка, при котором
рядом с местом концентрации абонентов (жилым домом или
пригородным массивом) устанавливается базовая радиостанция, для
связи с абонентами, а с другой стороны — радиостанция, подключенная
к стационарной проводной сети.
Разнесение (diversity)- метод улучшения качества приема и передачи
информации, основанный на организации нескольких каналов для
приема и передачи одной и той же информации по нескольким каналам.
Распределительный участок абонентской линии местной телефонной
сети — участок абонентской линии местной телефонной сети от
распределительного кабельного шкафа до абонентского пункта.
440

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Расширенный спектр (spread spectrum) — спектр передаваемого сигнала,
при котором занимаемая им полоса частот в радиоканале во много раз
шире, чем полоса исходного информационного сигнала.
Ретранслятор (retranslator) - устройство для переприема сигнала,
принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно
повторяет их на другом сегменте кабеля, увеличивая мощность и
улучшая форму импульсов.
Решетчатая диаграмма (trellis diagram). Ветвящаяся многоуровневая
диаграмма, используемая при кодировании и декодировании с помощью
сверточных кодов.
Роуминг (roaming) — услуга предоставления связи при перемещении в
зону обслуживания другого оператора.
Сверточное кодирование ( Convolution coding) - Сверточное кодирование
– метод непрерывного кодирования и декодирования. Каждый входной
символ, состоящий из
, битов преобразуется в n-битовый поток
данных.
Сетевая интерфейсная карта (NIC — Network Interface Card) – сетевой
адаптер, устанавливаемый в компьютер и позволяющий работать в
локальной сети.
Синхронная оптическая сеть (SONET – Synchronous Optical Network) синхронная цифровая иерархия, разработанная в США для передачи
данных по оптическому кабелю.
Синхронный транспортный модуль (STM – Synchronous Transport
Module) - единица информационной нагрузки в цифровой сети
синхронной иерархии SDH
Синхронная Цифровая иерархия (SDH – Synchronous Hierarchy) –
междунаролный стандарт выскокскоростной синхронный сети с
временным разделением каналов и волоконно – оптическими линиями
связями. Мультиплексирование цифровых сигналов осуществляется по
жесткой иерархической схеме, при которой место каждого блока данных
(контейнера) в кадре строго фиксирована и задаестя с помошью
указателей начала кадра. Контейнеры нижних уровней могут
441

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

объединятся в контейнеры более выскоких уровней.
Cкорость
кодирования(code
rate)
–
Отношение
исходной
информационной последовательности к длине кодированной
последовательности.
Скорость передачи в бодах (Baud rate). Единица скорости передачи
сигналов (символов в секунду). При двоичном кодировании то же, что
скорость передачи данных. При многоуровневой передаче скорость
данных. При многоуровневой передаче скорость передачи данных равна
скорости передачи в бодах, умноженной на
, где
– число
уровней.
Скрэмблирование — процедура перемешивания потока данных с целью
улучшения его синхронизирующих свойств.
Спецификации Интерфейса Передачи Данных по ТВ кабелю (DOCSIS Data over Cable Service Interface Specification). — спецификация на
передачу данных через сеть кабельного телевидения, разработанная
консорциумом MCNS. Разработана с первую очередь для передачи
Интернет и данных в североамериканских сетях с шириной канала 6
МГц прямого направления и полосой обратного канала 5-42 МГц.
Сплиттер — фильтр низких частот, который предназначен для
разделения низкочастотного сигнала обычной телефонной связи (спектр
речевых сигналов) и высокочастотного сигнала ADSL.
Станционное окончание — устройство, которое реализует логическое
подключение к местной телефонной станции.
Термические катушки XE "Термические катушки" (heat coil)—
предохранители XE "предохранители" многоразового действия.Они
включаются в случае нагревания до определенной температуры.
Технология Ethernet- базовая технология локальной сети, основанная на
методе множественного доступа с контролем несущей и обнаружением
конфликтов.
Технология Token Ring – технология локальной сети с маркерным
доступом, имеющая кольцевую структуру.
442

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Тиристоры (thyristor) — переключательные полупроводниковые
приборы с двумя устойчивыми состояниями, имеющими три или более
p-n переходов. Они переходят из закрытого состояния (с большим
сопротивлением) в открытое (с малым сопротивлением) при
определенном значении напряжения на электроде управления.
Точка c нулевым уровнем передачи (Zero Transmission Level point)назначенная заранее точки отсчета в цепи передачи, по которой
определяются значения уровней передачи во всех остальных точках.
Трибный блок (TU – Tributary Unit) – цифровой поток или блок данных
канала доступа в синхронной цифровой иерархии, содержащий
виртуальный контейнер вместе с указателем начала полезной нагрузки,
внутри контейнера следующего уровня ( в который инкапсулирован
данный блок).
Турбо кодирование (turbo coding). Метод помехозащищенного
кодирования, основанный на использовании двух сверточных кодов и
перемежителя.
доступом к среде (МАС - Medium Access Control) – уровень управления
передачей данных, который обеспечивает доступ к физическим каналам
Управление , оптимальное распределение ресурсов, сводя к минимуму
конфликты между обслуживаемыми объектами.
Управление логическим каналом связи (LLC — Logical Link Control) –
протокол канального уровня, обеспечивающий управление логическими
процедурами передачи кадров и поддерживающий связь с сетевым
уровнем.
Уровень эталонной модели OSI:
Сетевой протокол определяет смысл и содержание сигнальных
сообщений, и логическую последовательность событий
происходящих при установлении и разрушении соединений.
Управление звеном данных — протоколы этого уровня
определяют установление соединения для передачи потока
данных и разъединение на уровне звена данных (между
абонентом и сетевым узлом), управление потоком данных,
процедуры обнаружения и обработки ошибок.
443

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Физический уровень — уровень, который определяет
электрические, функциональные и механические характеристики
доступа.
Флаг — часть формата служебного сигнала, который применяется в
системах передачи для того, чтобы отметить начало и конец передачи
единицы информации — кадра.
Фазовая манипуляция. (Phase shift keying (PSK)). Форма цифровой
модуляции, которая использует
фазовых расстояний для
представления n бит информации в каждом сигнальном интервале.
Функция Уолша (Walsh functions) — набор из n ортогональных
последовательностей
( — целое число), в которых используются
только
и
. Являются дискретными аналогами синусоид
(косинусоид).
Хаб (hub) – устройство, которое служит для разветвления сигналов в
сегменте сети. Сигнал, полученный хаба в одном порту, усиливается и
передается на все выходы хаба.
Хроматическая дисперсия (chromatic dispersion) - возникает в том случае,
если световой сигнал состоит из волн разных длин, хотя большинство
оптических источников имеют одинаковый диапазон светового луча,
каждая волна с различной длиной прибывает за различное время, и
поэтому оказывается, что передаваемый импульс размывается.
Хэндовер (handover) или хэндофф (handoff) — переключение мобильной
станции с одной базовой станции на другую. Возможны жесткий
хэндовер — с ухудшением связи во время такого перехода и мягкий
хэндовер — без потери качества.
Циклический контроль четности (CRC — Cyclical Redundancy Check) –
метод обнаружения ошибок, основанный на разбиении исходного
потока на блоки и делении двоичного числа, представленного битами
блока на определенное число. При отсутствии искажений остаток
должен быть равен заданному числу.
Цифровая абонентская линия ( DSL — Digital Subscriber Line) — линия
связи, для которой в настояшее время передаются высокоскоростные
444

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

потоки цифровой информации при различной скорости передачи (от
0,768 Мбит/с до 52,0 Мбит/c).
Ассиметричная ( ADSL — Asymmetric Digital Subscriber Line) —
технология высокоскоростной передачи с различной скоростью
передачи в прямом (от станции) и обратном (от абонента)
направлении.
Сверхвысокоскоростная ( VDSL — Very high-rate Digital Subscriber
Line) — технология предназначенная для создания как
ассимитричных, так и симметричных линий связи с пропускной
способностью более 10 Мбит/c.
Цифровой многотональный сигнал (DMT –Digital Multi - Tone). Цифровой
сигнал, который состоит из 256 тональных сигналов в прямом канале и
16 – в обратном каждый, из которых занимает полосу 4 кГц
Центр коммутации мобильный связи (MSC — Mobile Switching Center) —
центр коммутации, который связан с несколькими базовыми станциями
и через них обеспечивает наземное обслуживание мобильных станций.
Центр управления сетью (NMC — Network Management Center)
позволяет обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью
GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на
уровне всей сети, поддерживаемой центрами эксплуатации и
технического обслуживания — ОМС.
Центр эксплуатации и технического обслуживания (ОМС — Operations
and Maintenance Center) — центр, который обеспечивает контроль и
управление компонентами сети и контроль качества ее работы.
Числовая апертура (numerical aperture) — максимальный угол, при
котором для вводимого в волокно светового излучения обеспечивается
полное внутреннее отражение
Эталонная точка S — четырехпроводный интерфейс между оконечным
оборудованием сети ISDN (TE1 или NT2) и оконечным сетевым
оборудованием (NT1).
Эталонная точка T — интерфейс в этой точке предназначен для
подключения (концентрации) нескольких устройств терминального
445

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

оборудования первого уровня к (TE1) к одному устройству NT 2.
Интерфейсы S и T унифицированы и иногда применяется обозначение
"эталонная точка S/T".
Эталонная точка U — интерфейс не стандартизован на международном
уровне. Он преобразует информацию, представленную в виде уровня S,
в форматы для передачи по телефонному каналу на большие расстояния.
При
этом
четырехпроводный
интерфейс
преобразуется
в
двухпроводный.
Эталонная точка V — интерфейс этой точки описывается группой
протоколов V.5.1, V.5.2. Эти протоколы определяют порядок работы с
линиями, которые обслуживают абонентский трафик или цифровые
соединительные линии и линии с ISDN-соединениями.
Эталонная точка R — нестандартный абонентский интерфейс,
предназначенный для подключения к адаптеру для преобразования в
интерфейс эталонной точки S.
Эхокомпенсатор (echo canceller) - схема, включаемая в линию и
компенсирующая поступающий в линию обратный сигнал. Задержка и
параметры компенсирующего сигнала выбираются таким образом,
чтобы при вычитании уничтожить сигналы, перешедшие из
собственной цепи передачи.
Эхоподавление (echo suppressor) - схема, включаемая в линию, которая
при передаче информации закрывает (ослабляет) цепь собственного
приема.

446

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Список литературы
1. Абрамова Ю.А, Применение варисторов для защиты от перенапряжения, URL:
http://www.amplepro.ru/monolit/inquiry/varistor.shtml
2. Беллами Дж, Цифровая телефония, М,: Эко –Трендз, 2004, 640с. Илл
3. Берлин А.Н, Основные протоколы Интернет, М.: Интернет-Университет
Информационных технологий, БИНОМ; Лаборатория знаний ,2008
4. Берлин А.Н, Сотовые системы связи, М.: Интернет-Университет Информационных
технологийБИНОМ;. Лаборатория знаний ,2009
5. Берлин А.Н, Терминалы и основные технологии обмена информацией, М.: ИнтернетУниверситете Информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний ,2007
6. Варисторы как средство защиты радиоэлектронной аппаратуры, URL:
http://www.radioradar.net/docs/varistor.php
7.
Гальперович
Д.,
На
пути
к
категории
6
,
URL:
www.publish.ru/lan/240740/text/131562/_p2.html , Журнал сетевых решений/LAN,
№01/2001, 16.01.2001
8. Б.З. Берлин, А.С. Брискер, Л.С. Васильева и др, Городская телефонная связь:
Справочник , М.: Радио и связь, 1987, 280 с
9. "Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). СКС. Локальные
10. Варианты строительства ВОЛС, URL: http://pscspb.ru /instr_maint.php
11. Гольдштейн Б.С, Протоколы сети доступа. Том 2, М.: Радио и связь, 1999, 317с.: илл
12. "ГОСТ 5238-81 «Схемы защиты от опасных напряжений и токов,
13. Громаков Ю.А, Подробнее о технологии , URL: http://vivacdma2000.narod.ru/technology.html
14. Иверсен В.Б, Разработка телетрафика и планирование сетей, М,: ИнтернетУниверситет Информационных технологий, БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007.11 с
15.
Информация
об
электронных
элементах,
URL:
http://www.chipinfo.ru/dsheets/thyristors
16. Источники и приемники оптического излучения. Телекомсервис, URL:
http://www.tls-group.ru/help/lights.html
17. Кожанов Ю.Ф, Протоколы и интерфейсы в цифровой сети с коммутацией
каналов, СПб. : 2002
18. Лифшиц Б.С., Фидлин Я.В., Харкевич А.Д, Теория телефонных и телеграфных
сообщений. Массовое обслуживание. Потоки. Теория очередей. Информационные
сети. Моделирование. Коммутация, М.: Связь, 1971
19. Мардер Н.С., Нумерация в сетях электросвязи общего пользования Российской
Федерации, М. ИРИАС,2004
20. НазаровА.Н, Симонов М.В. Симонов , ATM Технология высокоскоростных сетей. ,
ЭКО-ТРЕНДЗ М., 1998
21. Невдяев Л.М, Телекоммуникационные технологии. Англо-русский толковый
словарь-справочник, М.: МЦНТИ – Международный центр научной и технической
информации, ООО «Мобильные коммуникации», 2002, 592 с
22. Невдяев Л.М, CDMA: сигналы и их свойства, URL: www.osp.ru/nets/2000/11/141475/ ,
Сети. — № 11. — 2000
23. Невдяев Л.М, CDMA:технология
доступа,
URL: http://www.osp.ru/
nets/2000/06/026.htm , Сети. — № 6. — 2000
447

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

24.
Организация
каналов
в
стандарте
CDMA,
URL:
http://www.kunegin.narod.ru/ref3/mob/10.htm
25. Особенности оптических систем связи, URL: http://www.softgroup.com/nine/2242009-10-28-10-15-18
26. Семенов Ю.А., (ГНЦ ИТЭФ) Телекоммуникационные технологии, URL:
http://docs.luksian.com/networks/techs/intro/index/.php?f=3/…/
27.
(ГНЦ
ИТЭФ)
4.3.6
Синхронные
каналы
SDH/SONET
,
URL:
http://book.itep.ru/4/43/sdh_436.htm
28. Слепов Н.Н, Синхронные цифровые сети SDH., ЭКО - ТРЕНДЗ – М.1997.148 с.: илл
29.
Словарь
терминов
связиста-линейщика
,
URL:
http://www.pscspb.ru/instr_voc.php#1
30. Соколов Н.А, Сети абонентского доступа: (принципы построения.), Пермь: ТОО
«Типография «Книга», 1999
31. Соколов Н.А, Беседы о телекоммуникациях, URL: "http://nicksokolov.narod.ru
32. Сотовые сети стандарта CDMA, URL: http://www.kunegin.narod.ru/ref3/mob/8.htm
33. Справочник абонента ADSL -абонента.. ОАО «Красноярское КБ «Искра», URL:
www.adslnet.ru/pages/links/
34. СТАНДАРТ ОТРАСЛИ. Сеть первичная взаимоувязанной сети Российской
Федерации. Линии кабельные, воздушные и смешанные городских телефонных сетей.
Нормы электрические эксплуатационные.ОСТ 45.36-97, Москва, 1997
35. "СТАНДАРТ ОТРАСЛИ. Сеть первичная взаимоувязанной сети Российской
Федерации. Участки кабельные элементарные и секции кабельные линий передачи.
Нормы электрические. Методы испытаний.
36. Степанов С.Н, Основы телетрафика мультисервисных сетей, М,: Эко-Трендз, 2010,
392 с
37. Телекоммуникационные сети , URL: http://nicksokolov.narod.ru , Санкт-Петербург©
Н.А. Соколов 2004 год
38. "Тиристоры маломощные отечественные Техническая документация
39. "Устройства защиты линейного оборудования местных телефонных сетей от
опасных напряжений и токов. Основные параметры
40. Феллер В, Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Т.1 Издание второе.
, М.: Мир 1967
41. Фороузан Б.А, Криптография и безопасность сетей, М.; Интернет Университет
Информационных технологий: БИНОМ. Лаборатория Знаний. 2010
42. Функционирование CDMA, URL: http://www.pbxlib.com.ua/mobile/article_84.html
43.
Хроматическая
дисперсия,
URL:
http://www.fiberman.ru/articles/fiberoptical/chromatic-dispersion
44. Шахнович И, Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16–2004. Режим
OFDMA
и
адаптивные
антенные
системы,
URL:
http://www.electronics.ru/issue/2005/2/11/ , ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Техника, Бизнес. —
2005. — № 2.
45. Шахнович И, Стандарт широкополосного доступа IEEE 802.16 для диапазонов
ниже 11 ГГц , URL: http://www.electronics.ru/journal/article/830 , ЭЛЕКТРОНИКА: Наука,
Техника, Бизнес. — 2005. — № 1.
46. ATM Forum Technical Committee “ATM User network Interface (UNI) Signaling
448

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

Specification. Version 4” af-sig 0061.000, July 1996
47. Albert Leon- Garcia, Communication network fundamental concepts and key
architectures, Mc Graw Hill Higher Education 2004. 900 Pages
48. Andrews J.G., A Ghosh,,Muhamed R, Fundamentals of WiMAX: Understanding
Broadband Wireless Networking Prentice Hall PTR 2007
49. Ghosh, A, Zhang J., Andrews J.G ,Muhamed R , Fundamentals of LTE (Prentice Hall ,
Communications Engineering and Emerging Technologies Series), Prentice-Hall, June 2010
50.
CDMA
(IS-95).
Технические
характеристики,
URL:
http://www.pbxlib.com.ua/mobile/article¬¬_125.html/
51. Damnjanovic A., Vanghi V., Vojcic B, cdma2000 System for Mobile Communications,
The: 3G Wireless Evolution, Communication Engineering and Emerging Technologies Series
Published by Prentice Hall, 2004
52. Derek Q, Wang QCELP Vocoders in CDMA Systems Design, URL:
http://www.commsdesign.com/main/1999/04/9904feat3.htm
53. EIA/TIA/IS-95-A –Mobile Station- Base Station Compatibility Standard for DualMode Wideband Spread Spectrum Cellular System – May, 1995., URL:
www.3gpp2.org/public_html/specs/C.S0009-0.pdf
54. EIA/TIA/IS-96-B – Speech Option Standard for Wideband Spread Spectrum System –
июль1996 г, URL: http://homepages.cae.wisc.edu/~ece734/references/standards/is96b.pdf
55. EIA/TIA/IS-97-A Recommended Minimum Performance Standard for Base Stations
Supporting Dual-Mode Wideband Spread Spectrum Cellular Mobile Stations –июль1996
г, URL: www.superbank.ru/telecom/index.files/English/english.html
56. "EIA/TIA/IS-98-A-1 Addendum to IS -98-A/ Additional Tests for Mobile Stations
Supporting Wideband Spread Spectrum Cellular Systems – september1997
57. ETS 300 147 – ETCI Transmission and Multiplexing (TM) 1992 ( SDH, European
Version of the ITU Rec.G.708-709).
58. Garcia Albert Leon , Communication network fundamental concepts and key
architectures, Mc Graw Hill Higher Education 2004. 900 Pages
59. Grag V.K, Wireless Network Evolution: 2G to 3G. Prentice Hall Communication
Engineering and Emerging Technologies Series. , Published by Prentice Hall, 2002.
60. Grag V.K , IS-95 CDMA and cdma:2000: Cellular / PCS Systems Implementations
Prentice Hall Communication Engineering and Emerging Technologies Series, Published
by Prentice Hall, 2000
61. Forouzan Behrouz A, Local area networks, McGraw Hill, 2003, 618 p
62. Forouzan Behrouz A, TCP/IP protocol Suite –3 rd, McGraw Hill, 2006, 861 p
63. ITU-T Recommendation E.164.The international public telecommunication numbering
plan (5/97).
64. ITU-T Recommendation G.707 Network Node Interface for . Synchronous Digital
Hierarchy (SDH), Geneva, Switzerland, Mar, 1996
65. 10.ITU-T Recommendation I.350General Aspects of Quality of Service and Network
Performance in Digital Networks, including ISDNs (3.93)
66. ITU-T Recommendation Q.2110 ISDN ATM adoption layer –Service specific
connection oriented protocol (SSCOP) (7/94)
67. ITU-T Recommendation Q.2119 ATM adaptation layer- Convergence function for
SSCOP above the frame relay core service (7.96)
449

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

68. Jang J. and. Lee K, Transmit power adaptation for multiuser OFDM systems. IEEE
Journal on Sel. Areas in, Communications, 21(2):171–78, Feb. 2003
69. Kivanc D, Li G., and Liu H, "Computationally efficient bandwidth allocation and
power control for OFDMA.
70. Lee L.H. Charles, Convenolutional Coding; Fundamentalis and Application, Artech
House, Norwood, MA, 1997
71. Leon-Garcia Alberto, Communication networks.900 p
72. Li G. and Liu H, Downlink dynamic resource allocation for multi-cell OFDMA system.
In Proc., IEEE Veh, Technology Conf., pages 1698–1702, Oct. 2003
73. Li G. and Liu H, On the optimality of the OFDMA network. IEEE Communications
Letters, 9(5):438–440,May 2005.OFDM. IEEE, " Communications Letters, 9(8):685–687,
Aug. 2005
74. Newton Telecom Dictionary 20-th Edition. San Francisco, CMP Books 2004
75. Olofsson H., Naslund J., and Skold J, "Interference diversity gain in frequency hopping
GSM. In Proc., IEEE Veh
76. E.Panayirci and E.Y. Bar-Ness, A New Approach for Evaluating the Performance of
Symbol Timing Recovery System Employing a General Type of Non linearity , IEEE
transactions on Communications, Jan. 1996
77.
Pelletier
Beniot
CDMA
technology,
URL:
http://www.stevens.edu/wireless/reu/2005/final-reports/terrence-irving-final-report.pdf
78. D.C.Plummer, RFC 0826, Ethernet Address Resolution Protocol: Or converting network
protocol addresses to 48 bit Ethernet addresses for transmission on Ethernet hardware ,
November 01, 1982
79. RFC 1513 Token Ring Exestuations to the remote Network Monitoring MIB,
Waldbusser, September, 1993
80.
R-STM-1.Синхронный
цифровой
мультиплексор
STM-1,
URL:
http://www.uni.ru/products.php?action=show&id=690
81. "Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 WirelessMAN Yaghoobi Hassan.
Intel Communications Group, Intel Corporation
82. Shen Z,. Andrews J. G, and Evans B, Optimal power allocation for multiuser OFDM. In
Proc,
URL:
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?
doi=10.1.1.10.6385&rep=rep1&type=pdf , IEEE Globecom pages 337 – 341, San Francisco,
Dec. 2003
83. Sharifian A. , Djukic P. _, Yanikomeroglu H. _, Zhang J, Max-Min Fair Resource
Allocation for Multiuser Amplify-and-Forward Relay Networks Department of Systems
and Computer Engineering, Carleton University, Ottawa, Canada
84. Shen Z,. Andrews J. G, and Evans B , "Adaptive resource allocation for multiuser
OFDM with constrained fairness. IEEE Trans. on Wireless
85.
SONET
/
SDH
Technical
Summary,
URL:
http://www.techfest.com/networking/wan/sonet.htm
86. Stamatiou K. and Proakis J., A performance analysis of coded frequency-hopped
OFDMA
[cellular
system],
URL:
http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?
arnumber=1651459 , In Proc., IEEE Wireless Communications and Networking Conf., volume
2, pages 1132–7, mar 2005
87.
Technical
Report
DSL
Forum
TR-92
,
URL:
www.broadbandforum.org/technical/download/TR-092.pdf
450

Высокоскоростные сети связи

А.Н. Берлин

88. Tien-Dzung Nguyen; Youngnam Han, Sch. of Eng., Inf. & Commun. Univ., Daejeon A
Proportional Fairness Algorithm with QoS Provision in Downlink OFDMA Systems ,
Communication Letters IEEE Volume: 10 Issue 11 November 2006 p. 760 - 762
89. Tsumura S., Mino R., Hara S., and Hara Y, Performance comparison of OFDM-FH and
MC-CDMA in singleand multi-cell environments, In Proc., IEEE Veh Technology Conf.,
volume 3, pages 1730–4, may 2005
90. Viterbi A.J., CDMA: Principles of Spread Spectrum Communication Prentice Hall
Communications Engineering and Emerging Technologies Series, Published by Prentice
Hall, 1995
91. Yaghoobi Hassan, Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16, URL:
http://net.infocom.uniroma1.it/corsi/Network%20Infrastructures/materiale/WIMAX2.pdf ,
Intel Communications Group, Intel Corporation WirelessMAN Intel Technology Journal,
Volume 8, Issue 3, 2004 page 201 -212
92. Walsh function, URL: http://mathworld.wolfram.com/search/?query=Walsh&x=10&y=13
93. Wingert Christopher, Naidu Mullaguru. CDMA 1 X RTT Security, Overview.White
Paper Qualcomm, August, 2002
94. Wood R. Next Generation Network Services, Cisco System, Inc. Cisco press 2006
95. Wong C., Cheng R., Letaief K., and Murch R, Multiuser OFDM with adaptive
subcarrier, bit, and power allocation, IEEE Journal on Sel. Areas in Communications,
17(10):1747–58, Oct. 1999
96. Zhang Y. J. and Letaief K. B, Multiuser adaptive subcarrier-and-bit allocation with
adaptive cell selection for OFDM systems, IEEE Transactions on Wireless Communications,
3(4):1566–1575, Sep. 2004

451