## Проектирование транспортных сетей

Основные характеристики транспортных сетей

Информационно-технические характеристики транспортной сети, которые определяют ее возможности по предоставлению гарантированного качества услуг для пользователей и всей сети в целом, обычно задаются на этапе планирования и уточняются в результате проектирования и оптимизации сети. К ним относятся следующие основные характеристики:

- пропускная способность транспортных магистралей или базовые скорости передачи;
- объем входящего и исходящего трафиков в сетевых узлах;
- суммарный трафик в сетевых трактах и транспортных магистралях сети;
- надежность или коэффициент готовности сети в целом;
- возможность интеграции различных видов трафика.
  Кроме перечисленных выше к основным относятся и те, которые по сути не только определяют свойства сети, но и являются существенными требованиями при планировании, проектировании и построении конкретных сетей. Рассмотрим их несколько подробнее.
  Чтобы оценить надежность таких сложных систем, какими являются современные ЦСС, применяют понятие готовности или коэффициента готовности.
  Коэффициент готовности– доля времени, в течение которого сеть можно использовать по назначению, или другими словами, это вероятность того, что сеть (объект сети) окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых она не используется по назначению. Коэффициент готовности можно повысить путем аппаратного резервирования сетевых элементов (узлов), резервированием трафика, сетевых трактов и каналов за счет соответствующей организации архитектуры и топологии всей сети. Для цифровых магистральных транспортных или больших корпоративных сетей на основе ВОЛС, как правило, значение коэффициента готовности лежит в пределах 0,995…0,9998.
  Управляемость сети – это возможность централизованно осуществлять конфигурацию, наблюдение, контроль и управление, как каждым сетевым элементом, так и всей сетью в целом, включая управление трафиком и планированием развития сети. Применение многоуровневой автоматизированной системы управления позволяет обеспечить управление сетевыми элементами, сетью, услугами и бизнесом.
  Интеграция различных видов трафика в сети достигается применением соответствующих аппаратных средств и использованием базовых сетевых технологий на аппаратном уровне.
  Резервирование в сети предполагает резервирование трафика, сетевых трактов и каналов с помощью организации соответствующих архитектуры и топологии сети, а так же аппаратное резервирование сетевых элементов для обеспечения заданного уровня ее надежности. Все это достигается с помощью интегрированной системы управления сетью и соответствующей организацией топологии сети.
  Требования к транспортным сетям

  Общие требования, которые обычно предъявляют ко всем видам сетей связи, включая транспортные и цифровые корпоративные, сводятся к выполнению сетью основной функции – предоставление пользователям доступа ко всем разделяемые ресурсам сети при гарантированном качестве услуг. Все остальные технические требования – производительность (скорость передачи) надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость – связаны с обеспечением гарантированного качества услуг для конечных пользователей сети и возможностью ее наращивания и расширения.
  При планировании ЦСС определяют или задают основные требования, обеспечивающие не только гарантированное качество услуг, но и возможность дальнейшего наращивания и развития сети. Общие требования к современной цифровой сети:

- необходимая полоса пропускания;
- расширяемость и масштабируемость сети;
- управляемость сети;
- интеграция различных видов трафика;
- совместимость аппаратуры ЦСП и коммутации;
- резервирование трафика, сетевых трактов и каналов;
- наивысшая надежность и готовность сети.
  Одним из наиболее существенных общих требований к цифровым первичным сетям является масштабируемость, которая необходима, чтобы без особых усилий можно было как менять число пользователей, подключенных к сети, так и осуществлять наращивание всей сети. Высокая производительность, определяемая скоростью передачи сети, требуется для удовлетворения постоянно меняющихся потребностей пользователей и обеспечения развития. Эти требования отражают новый этап в развитии сетевых технологий – этап создания современных надежных высокопроизводительных транспортных и корпоративных сетей.
  Архитектуры транспортных сетей и технологии защиты

  Для построения транспортных сетей используются следующие архитектуры решения (рисунок 17):

- соединение “точка-точка”;
- “линейная цепь”;
- “уплотненное кольцо”;
- кольцевые сети 2-х и 4-х волоконной конфигурации;
- ячеистые архитектуры.
  Применение каждой из архитектур диктуется конкретными условиями. Например, на магистральной транспортной сети предпочтение отдается защищенным соединениям “точка-точка” и ячеистым решениям. На местных и внутризоновых сетях применяются кольцевые структуры с полной или частичной защитой линии или трафика. В технологических транспортных сетях, где требуется частый доступ к каналам, реализуют линейные или уплощенные архитектуры.
  Рисунок 17. Архитектуры транспортных сетей.

  Оборудование транспортных сетей, выполняемые с учетом рекомендаций ITU-T, имеют встроенные средства резервирования секций мультиплексирования, трактов, каналов и отдельных блоков аппаратуры.
  В оборудовании гибких мультиплексоров PDH, мультиплексоров SDH, коммутаторах ATM, мультиплексорах WDM заложены возможности резервирования по схемам 1+1 и 1:1 с гарантированной 100% защитой сети трактов, подсети трактов, секций. Однако режимы 1+1 и 1:1 отличаются. В режиме 1:1 возможно использование под дополнительную нагрузку резервного пути. На рисунке 18 представлены схемы резервирования.

  Рисунок 18. Резервирование секций транспортных cетей.

  Кроме того, в секциях мультиплексирования возможна реализация защиты трафика по схеме 1: n, т.е. на n рабочих секций приходится одна секция защиты, которая может использоваться для передачи дополнительного трафика.
  Признаками активизации защитного переключения могут быть следующие показатели (сигналы):

- ухудшение сигнала (SD), когда значение коэффициента ошибок по битам (BER) находится в диапазоне 103…10-9;
- потеря сигнала (LOS);
- потеря цикла (LOF);
- избыточный коэффициент ошибок по битам для секции мультиплексирования (>=10-3).
  Учитывая, что передача может происходить по одной или двум параллельным схемам, возможны различные варианты переключений: синхронизированный и несинхронизированный.
  При двунаправленной передаче переключение на резерв осуществляется в двустороннем режиме. Оба направления передачи контролируются непрерывно и при необходимости переключаются синхронно между собой.
  При однонаправленной передаче переключение на резерв осуществляется в одностороннем режиме. Каждое направление передачи контролируется отдельно и при необходимости выполняется переключение. Это может привести к ситуации, когда по основной секции осуществляется передача только в одном направлении, а передача в другом направлении ведется по резервной секции. Защита секции мультиплексирования рассчитана на реализацию в обратимом и необратимом режиме.
  Обратимый режим – возврат на основную секцию как только на этой секции восстанавливается соответствующее качество передачи, и это состояние сохраняется в течение определенного периода времени (ожидание перед восстановлением).
  Необратимый режим – автоматический возврат на основную секцию не обеспечивается, однако возврат на основную секцию возможен, когда качество передачи по резервной секции становится ниже качества по основной секции.
  Защита секции мультиплексирования может быть реализована в ручном режиме.
  Важнейшей составной частью резервирования в транспортной сети является резервирование трактов. Резервирование трактов возможно в подсети.
  Тракт в транспортной сети представляет собой маршрут передачи, у которого на концах находятся точки окончания. Например, трактом может быть маршрут передачи между двумя оконечными мультиплексорами с интерфейсами PDH (рисунок 19).
  Рисунок 19. Тракт, подсеть, секция мультиплексирования.

  Между двумя сетевыми элементами, обеспечивающими точки окончания тракта (ТОТ), могут быть установлены другие сетевые элементы.
  Соединение подсети является частью тракта, завершаемое двумя точками окончания соединения, рассчитанными на функцию контроля соединения. В точках соединения производится мониторинг сигналов. На таком подмаршруте передачи могут быть установлены другие сетевые элементы.
  Принцип резервирования соединения подсети или тракта (SNCP - Subnetwork Connection Protection) основывается на дублировании передаваемых сигналов и выборе наилучшего сигнала из доступных на окончании соединения. Два сигнала одного источника пересылаются по двум соединениям подсети, одно из которых определено в качестве основного, а другое – в качестве резервного. Система переключается на резервное соединение только при отказе основного.
  Защита секций и трактов (соединений подсети) применяется в любых конфигурациях транспортных сетей. Однако особое положение в этом смысле имеют сети кольцевой архитектуры. В кольцевых сетях предусмотрены следующие варианты защиты:

- однонаправленное кольцо 2-х волоконное с защитой подсети или секции;
- двунаправленное кольцо 2-х волоконное с защитой подсети или секции;
- двунаправленное 4-х волоконное кольцо с защитой секции.
  Принципы однонаправленности и двунаправленности соединения в кольцевой сети демонстрируется на рисунке 20. Эти соединения могут быть выполнены в любой из транспортных сетей (SDH, ATM, WDM), однако различаются принципами реализации (электронные, оптические, протокольные). При этом в SDH и WDM сетях защита носит характер физического переключения, а в сети ATM протокольного изменения пути доставки данных.
  Рисунок 20. Принципы одно- и двунаправленного соединения в кольце.

  Резервирование сети в кольце SNCP состоит в следующем. Составляющие сигналы направляются по кольцу по часовой и против часовой стрелки. В принимающем узле сигналы сравниваются и выбирается сигнал с более высоким качеством. При разрыве линии передачи сигналы направляются по другому пути (рисунок 21).

  Рисунок 21. Защитное соединение SNCP

  На рисунке 22 представлена схема однонаправленного 2-х волоконного кольца с защитой секции мультиплексировании, которая гарантирует сохранение трафика любой поврежденной секции.

  Рисунок 22. Однонаправленные 2-х волоконные кольца с защитой секции

  На рисунках 23, 24 представлена схема резервирования 2-х волоконного двунаправленного самовосстанавливающегося кольца BLSR (Bi-directional line switched ring). При организации этого способа защиты емкость каждой секции загружается не более чем на половину. Например, в цикле SDH STM-N полезная нагрузка занимает не более N/2. В этом случае создается возможность обходить поврежденную секцию за счет перегрузки данных на свободную емкость внутри STM-N.

  Рисунок 23. Организация 2-х волоконного BLSR.
  Рисунок 24. Резервирование2-х волоконного BLSR.

  Защитные переключения в кольцевых сетях, направленные на резервирование секций получили общее обозначение: MS-SPRing, multiplexer section shared protection ring – кольцо разделяемой защиты секции мультиплексирования.
  Для защиты трафика (каналов) при переключениях установлен норматив на время переключения. Согласно рекомендаций ITU-T G.841/842:

- время переключения SNCP верхнего и нижнего порядка не более 30 мс;
- время переключения MSP 1+1; 1:1; 1: N не более 50 мс;
- время переключения MS- SPRing не более 50 мс.
  Резервирование блоков оборудования транспортной сети используется во избежание прерываний связи при отказе компонентов. Наиболее ответственные блоки оборудования, например, кроссовые коммутаторы SDH (LPC, HPC) или блоки тактового синхронизма (CLK или SETS), резервируются по схеме 1+1. Возможно резервирование компонентных блоков, например, блоки интерфейсов SDH LOI и HOI могут резервироваться по схемам 1+1; 1:3; 1:4; 1: N. Однако некоторые блоки оборудования транспортных сетей могут не резервироваться, например, в оборудовании SDH это блоки OHA, SEMF.
  При проектировании чаще всего для разработки архитектуры сети используют радиально-кольцевые, кольцевые, ячеистые и линейные топологии. Выбор архитектуры должен производиться на основе детального технико-экономического обоснования по согласованию с фирмами-поставщиками оборудования и кабеля.
  Разработка схемы синхронизации транспортной сети

  Синхронизация в транспортной сети необходима для устранения потерь информации из-за проскальзываний, которые возникают из-за колебаний тактовых частот генераторов цифрового оборудования (узлы электронной коммутации, цифровые системы передачи).
  Синхронизация транспортных сетей производится от первичного эталонного генератора со стабильностью частоты не хуже 10-11.
  Для устранения накопления фазовых дрожаний в транспортных сетях применяют вторичные задающие генераторы со стабильностью частот для транзитного не хуже 10-9 в сутки, для линейного не хуже 2*10-8 в сутки.
  В качестве синхронизирующих сигналов оборудования сетевых элементов возможно использование следующих источников тактовой синхронизации:

- компонентные сигналы 2048 кбит/с;
- любой из агрегатных сигналов STM-N;
- любой из компонентных сигналов STM-N;
- внешний источник синхросигнала 2048 кГц;
- внешний генератор с относительной стабильностью частоты не хуже 4,6*10-6.
  Указанные синхросигналы, кроме последнего, работающего в режиме автоколебания, должны быть синхронизированы от первичного или вторичного источников эталонных сигналов.
  Выбор источника сигнала в аппаратуре программируется и осуществляется автоматически. При этом возможен автоматический выбор наилучшего по качеству источника синхронизации среди нескольких (как правило, не менее трех). Если источники синхронизации имеют одинаковое качество, то должен быть запрограммирован приоритет использования. Информация о качестве синхросигнала, как правило, передается в структуре цикла информационного сигнала, например, в STM-N, и ее изменение обусловлено состоянием сети синхронизации.

  Рекомендации по проектированию сети синхронизации:

  1. Для синхронизации всего оборудования узла или станции должен использоваться один источник сигналов синхронизации. Схема соединения должна иметь “Звезды” с расходящимися лучами.
  2. Схема синхронизации сети должна предусматривать возможность автоматического самовосстановления и исключать при этом появление петель синхронизации.
  3. Сообщение о статусе синхронизации отмечается в заголовке цикла передачи (агрегатного сигнала), передаваемого по линии. В таблице 5 приведено обозначение уровня качества и соответствие его источникам синхронизации

     Таблица 5. Уровни качества синхронизации.
     Уровень качества | Содержание байта S1 (в STM-N) | Стабильность частоты | Вид источника синхронизации
     Q1 | …0010 | <=1*10-11 | PRC ПЭГ (G.811)
     Q2 | 0100 | <=1*10-9 в сутки | SSU-T ВЗГ- T (G.812)
     Q3 | 1000 | <=4,6*10-6 в сутки | SSU-L ВЗГ- L (G.812-1)
     Q4 | 1011 | - | Удержанные или свободные колебания (SEC)
     Q5 | 0000 | - | Качество не определено
     Q6 | 1111 | - | Для синхронизации не использовать (DNU)
     QF | - | - | Сообщение «Сигнал не обнаруживается»

  4. Приоритеты назначаются в каждом узле и в процессе ручной или автоматической реконфигурации сети синхронизации остаются неизменными. Число возможных приоритетов может быть от 1 до 15.
  Разработка схемы управления транспортной сетью

  Общие принципы построения сети управления.
  Одним из немаловажных факторов обеспечения надежности сетей связи является эффективное управление их ресурсами. Для этого должны организовываться сети управления электросвязью (TMN, Telecommunications Management Network).
  Сеть управления состоит из:

- “агентов управления” – контроллеров, помещаемых в сетевые элементы;
- каналов передачи данных;
- систем управления с их операционными системами и рабочими станциями.
  Современная аппаратура транспортных сетей и сетей доступа всех типов контролируется и управляется встроенными микропроцессорами со специализированным программным обеспечением. Они имеют стандартные интерфейсы к системе сетевого контроля и управления, местному терминалу управления (компьютеру), к станционной сигнализации, к служенной связи и каналам пользователя.
  Местный терминал подключается к аппаратуре через F-интерфейс протокол V.24 (RS232) и обеспечивает конфигурирование и контроль аппаратуры. С его помощью осуществляется загрузка программного обеспечения во встроенные многопроцессорные устройства аппаратуры соответственно конкретным условиям ее использования, контроль состояния, регенерация повреждений и т.д.
  Система сетевого управления и контроля размещается в выделенном узле, обеспечивает контроль и управление транспортной сетью и каждым оборудованием сетевых элементов (мультиплексором, оборудованием каналообразования, источниками электропитания, пожарной безопасностью и другими).
  Управляющее устройство системы управления подключается к одному из узлов транспортной сети, называемому шлюзовым, и с остальными узлами связывается, как правило, по встроенным каналам передачи данных. Например, в SDH это каналы DCCr и DCCm.
  В шлюзовом узле управления используется для подключения интерфейс Q3.
  Для подключения к сети управления оборудования (аппаратуры), не оборудованной интерфейсом Q3, применяется специальный интерфейс Q2. Он соединяет, например, внешнее плезиохронное оборудование с сетью управления для сбора аварийных сигналов этого оборудования.
  Применение системы сетевого управления и контроля должно рассматриваться в обязательном порядке, если сеть имеет сложную или протяженную архитектуру, и число сетевых элементов составляет несколько десятков или сотни.
  В транспортных сетях простой конфигурации (“точка-точка”, “кольцо”) с числом элементов не превышающим десяти можно обойтись обслуживанием с местного терминала.
  Несмотря на то, что во всех современных транспортных системах (технологий PDH, SDH, ATM) подсистема технического обслуживания организуется на единой принципиальной основе (рекомендациях МСЭ-Т серии М.3000), конкретные реализации управляющих устройств и программ существенно различаются между собой, вследствие чего в настоящее время невозможно организовать управление аппаратурой разных производителей из одной управляющей станции. Это объясняется недостаточной стандартизацией интерфейсов.
  Для стыковки различных сетей управления разрабатываются специализированные интерфейсы X.
  Выбор типа кабелей

  Как правило, для соединения узлов транспортной сети используются одномодовые волоконно-оптические кабели (ВОК). Многомодовые ВОК используются реже, в основном, для организации связи на короткие расстояния при уровне мультиплексоров STM-1.
  Число волокон в кабеле должно быть не менее 4-х. Общее число волокон определяется исходя из емкости цифровых линейных трактов, необходимости их резервирования, а также иными соображениями (ответвления для зоновой и местной связи, аренда, технические нужды и т.д.).
  Тип кабеля определяется заданной длиной волны, допустимыми потерями и дисперсией, а также условиями прокладки (категориями грунта, наличием переходов через водные преграды и т.д.). Учитывая, что оптическое волокно чувствительно к сильным электромагнитным полям, рекомендуется ОК прокладывать в некотором отдалении от линий электропередач (ЛЭП). Если условия позволяют, желательно выбирать кабель не содержащий металлических элементов (медных проводов для дистанционного питания, центрального силового элемента, выполненного из стали, брони из стальных проволок и т.д.). Выбор типа кабеля можно произвести исходя из расстояний между узлами. Так, при организации местной связи (например, в пределах города), расстояние между узлами не превышает 40 км. Поэтому, можно выбирать одномодовый ОК, работающий на длине волны λ=1,3 мкм. Достоинством такого выбора являются малые дисперсионные искажения (бg = 3 пс/нм.км) импульсов в линейном тракте. В других случаях (внутризоновая и магистральная связь) следует выбирать рабочую длину волны λ= 1,55 мкм; потери в оптическом волокне при этом малы (αк = 0,22 дБ/км), что позволяет организовывать связь на значительные расстояния (порядка 100км). Применяя оптические усилители, можно увеличить дальность связи до 150 км и более; однако, при этом уже сказываются (особенно при скоростях передачи 2,5 Гбит/с и более) дисперсионные искажения. Последние особенно нежелательны при спектральном уплотнении оптического волокна. В перечисленных случаях все чаще применяют оптический кабель со смещенной дисперсией. Оптическое волокно этого кабеля характеризуется потерями (0,22 - 0,3) дБ/км и дисперсией порядка (1 - 3) пс/нм.км при λ= 1,55 мкм.
  Чем больше потери, тем дешевле кабель. Но при организации не очень длинных магистралей, возможно, имеет смысл выбирать недорогой кабель с повышенными потерями. Разумеется, в каждом случае такой выбор должен быть подтвержден расчетом длины регенерационного участка.
  Соображения, изложенные выше, справедливы и при выборе подвесного ОК. Следует лишь иметь в виду, что потери в ОВ этих кабелей на длине волны 1,55 мкм несколько выше, чем у обычных ОК.
  При выборе ОК следует учитывать его стоимость, т.к. примерно 80% всех капитальных затрат на организацию сети связи необходимы для приобретения кабеля и строительство кабельных магистралей. Тем не менее, чем дороже кабель, тем он надежнее при прокладке и эксплуатации. Многие фирмы (например, "Siemens", "Alcatel" и др.) выпускают кабели, согласованные с изготавливаемой этими фирмами аппаратурой ВОСП- SDH, что позволяет, в частности, минимизировать потери при вводе излучения лазера в ОВ.

  Выбор типа аппаратуры
  Конфигурация узлов мультиплексора

  Мультиплексор в полной комплектации даже первого уровня SDH – весьма сложное и дорогое устройство, состоящее из нескольких составляющих его узлов. Однако, в ряде случаев полной комплектации мультиплексора не требуется, что уменьшает капитальные затраты на его приобретение, установку и эксплуатацию.
  Термин «конфигурация узлов мультиплексора» означает, что проектировщик подбирает только те узлы, установка которых необходима с точки зрения данного технического задания. Мультиплексор содержит основные узлы, которые устанавливаются обязательно, и сменные, установка которых зависит от функций, выполняемых мультиплексором. Число сменных узлов и их типов может быть различным для аппаратуры разных фирм. К основным узлам можно отнести блоки источников питания, опорного синхрогенератора, контроллера оборудования, управляемой матрицы, ввода-вывода заголовков, линейных сигналов (агрегатные блоки) и т.д. К сменным можно отнести компонентные блоки (21*2М, 34 М, 140 М), блоки управления, кросс-коннекторов и т.д.
  Основой выбора тех или иных узлов мультиплексора являются следующие данные:

- рассчитанное число вводимых/выводимых компонентных потоков;
- расстояние между соседними узлами транспортной сети;
- выбранная топология сети (“точка-точка”, кольцевая и т.д.);
- выбранные системы защиты мультиплексорной секции, компонентных блоков, блоков опорного генератора, питания и т.д.
  Определение количества однотипных блоков

  Число компонентных блоков определяется данными технического задания. Например, если по заданию необходимо между п. А и п. Б организовать 50 двухмегабитных потоков, то для этого потребуется 3 компонентных блока, т.к. на карте каждого блока размещаются 21 цифровой поток (блоки типа 21*2 М).
  Число резервных блоков зависит от типа блока. Например, для блоков 21*2 М предусматривается защита 1:3, для блоков 1*34 М – 1:3 и т.д.
  Число агрегатных блоков:

- в ОМ – 1, с защитой 1:1 – 2;
- в МВВ – 2, с защитой 1:1 – 4.
  Типы агрегатных блоков рекомендуется выбирать в зависимости от расстояния между сетевыми узлами. Агрегатные блоки кодируют. При этом символом S обозначаются блоки, работающие на короткие расстояния, символом L – на средние и большие, символом IE – содержащие лазер повышенной мощности и (или) оптические усилители в трактах передачи и приема. Параметры блоков соответствуют рекомендациям МСЭ-Т G.707, G.708, G.709, G.957, G.958 и приводятся в технических данных мультиплексоров, поставляемых фирмами.
  Правильный выбор типа агрегатного блока, соответствующего расстояниям между сетевыми узлами, заметно удешевляет стоимость оборудования.
  При необходимости могут быть использованы оптические интерфейсы некоторых цифровых потоков. Так, фирма "Alcatel" предусматривает оптический интерфейс в MBB STM-1 для потока 155 Мбит/с, фирма "EZAN" оптические интерфейсы в MBB STM-16 для цифровых потоков 155 Мбит/с, 622 Мбит/с и т.д.
  Использование блоков кроссовых коммутаторов (кросс-коммутаторов)

  Кроссовые коммутаторы используются в следующих случаях:

- кольцевой, ячеистой и радиально-кольцевой топологиях цепи;
- в режиме связи “точка-мультиточка”, когда, например, осуществляется трансляция информации от одной точки сразу к нескольким узлам сети (радио- и телевизионное вещание);
- в режиме, когда мультиплексор работает как концентратор, осуществляя объединение нескольких виртуальных контейнеров (VC) и т.д.
  Кроссовые коммутаторы осуществляют коммутацию цифровых потоков на уровнях VC-12 и VC-4.