Публикации в СМИ

Современный мультиплексор для телекоммуникационных сетей. ГМ-2, Ваш выход!

Современные системы передачи данных напоминают детский конструктор: несколько типов кубиков и деталей, из которых можно собрать и очень простые, и чрезвычайно сложные конструкции - все зависит от фантазии. При построении систем связи выбор элементов определяется назначением системы, рабочей средой, финансовыми возможностями - но принцип модульности остается неизменным. Модемы, мультиплексоры, коммутаторы, вокодеры, формирователи интерфейсов, каналообразующее оборудование и т.п. - это те кубики, комбинируя которые, можно решать самые разные задачи связи для самых разных категорий пользователей. Принцип модульного построения систем связи давно взяли на вооружение ведущие мировые производители телекоммуникационного оборудования - RAD Data Communications, Zixel, Cisco Systems, Lucent Technologies и многие, многие другие. В их числе и российские фирмы, среди которых одна из наиболее интересных - московская компания "Зелакс" (www.zelax.ru). За пятнадцатилетнюю историю она стала известной как производитель модемов для физических линий различных типов (IDSL, HDSL, ADSL и др.), цифровых и аналоговых. В последние годы компания значительно разнообразила ассортимент продукции, выпустив маршрутизаторы и устройства доступа к шине E1 с конверторами интерфейсов. Следующим логичным шагом стал выпуск гибкого мультиплексора ГМ-2 - универсальной платформы для создания разнообразных коммуникационных систем. Поскольку ГМ-2 в своем классе приборов обладает достаточно уникальными показателями, рассмотрим этот мультиплексор подробнее.

ГИБКИЙ МУЛЬТИПЛЕКСОР ГМ-2

ГМ-2 в базовой конфигурации - это мультиплексор/коммутатор, оснащенный линейным аналоговым портом Е1 (порт А) и двумя цифровыми портами - с синхронным (V.35, до 3968 Кбит/с - порт 1, УПИ-2) и асинхронным (RS-232, до 230,4 Кбит/с - порт 2) интерфейсами. Кроме того, предусмотрены два посадочных места, на одно из которых можно установить дополнительный линейный порт В (Е1 или SHDSL-модем), а на другое - модуль дополнительного цифрового порта: бридж Ethernet 10Base-T (одно- или двухканальный) или порт еще один порт с последовательным синхронным интерфейсом УПИ-2 (рис.1).



Рис.1. Структура мультиплексора ГМ-2
 

Отметим, что порты с последовательным интерфейсом выполнены по специальному внутрифирменному стандарту УПИ-2 (универсальный последовательный интерфейс), позволяющему в зависимости от конфигурации кабеля реализовывать не только синхронные, но и асинхронные интерфейсы (RS-232/V.24, V.35, RS-422, X.21, RS-449, RS-530). Причем распознавание типа интерфейса происходит автоматически, при подключении соответствующего кабеля.

Разнообразие типов внешних интерфейсов позволяет подключать ГМ-2 практически ко всем стандартным средам передачи данных - телефонным сетям (порт Е1), локальным сетям (Ethernet), радио- и спутниковым модемам, радиорелейным линиям (синхронный порт), персональным компьютерам и т.д. Следующие в линейке гибких мультиплексоров устройства позволят подключать больше, чем ГМ-2, дополнительных модулей (рис.2). В ближайшей перспективе ожидается появление интерфейсных модулей с поддержкой оптоволоконного канала (8 Мбит/с), аналоговых интерфейсов телефонных каналов (FXS/FXO), а также модулей для сжатия голосовых телефонных каналов. Все это существенно расширит области применения гибких мультиплексоров компании "Зелакс".



Рис.2. Перспективы линейки гибких мультиплексоров компании "Зелакс"

Гибким мультиплексор ГМ-2 называется потому, что коммутация каналов происходит не по жестко заданной схеме - пользователь может программно назначать и изменять схему маршрутизации каждого тайм-слота (канала) потоков Е1 и SHDSL. Это возможно благодаря программно управляемому модулю мультиплексора, обеспечивающему коммутацию, преобразование и формирование потоков данных через линейные порты А и В и цифровые интерфейсы. Мультиплексор способен извлечь/вставить любые заданные тайм-слоты из потоков Е1 и SHDSL линейных портов, а также сформировать синхронные или асинхронные потоки данных для цифровых портов. Для согласования скоростей передачи и сохранения синхронизации при мультиплексировании/коммутации предусмотрена буферизация данных.

Иными словами, с точки зрения маршрутизации потоков данных, мультиплексор ГМ-2 позволяет (рис.3):


  • извлекать любые тайм-слоты из приемника одного линейного порта и распределять их между другим линейным портом (в произвольном порядке), синхронным/асинхронным интерфейсными портами и портом Ethernet (до двух каналов);
  • вставлять данные из цифровых каналов в потоки любых линейных каналов;
  • передавать данные через линейные порты как в режиме кадровой синхронизации (т.е. с сохранением формата кадров потока Е1 в соответствии со стандартом ITU-T G.704), так и без кадровой синхронизации (т.е. в виде сплошного битового потока).



Рис.3. Возможные схемы мультиплицирования потоков

В ГМ-2 использована самая современная элементная база, в том числе - сигнальный процессор ADSP-2185m компании Analog Devices и ПЛИС Spartan-II фирмы Xilinx. Гибкая внутренняя организация мультиплексора позволяет модернизировать его простой сменой встроенного программного обеспечения (включая реконфигурацию ПЛИС) через порт RS-232, сами файлы обновленного ПО регулярно выкладываются на сайте компании.

Очень важно, что все входные цепи интерфейса Е1 в мультиплексоре ГМ-2 в соответствии с рекомендациями ETS 300 046-3 и ITU K17-K20 содержат элементы защиты, гарантирующие безопасную и надежную работу оборудования при возникновении перенапряжения в линейном кабеле из-за короткого замыкания с сетевым кабелем или в результате воздействия ударов молнии. В ГМ-2 применена трехуровневая защита. Первый уровень - самовосстанавливающиеся полимерные предохранители PolySwitch фирмы Raychem, обеспечивающие защиту от попадания на входные цепи Е1 сетевого напряжения. Второй уровень защиты - быстродействующий газоразрядный предохранитель (напряжение пробоя - 70-90 В), способный защитить от электрического пробоя, связанного с разрядом молнии. И третий уровень защиты - защитные диоды TVS фирмы Semtech с напряжением пробоя 6 В.

Для удобства пользователей предусмотрена возможность питания ГМ-2 как от сети переменного тока 220 В, так и от источников постоянного тока 18-72 В (в частности - от батарей моста питания АТС).

Рассмотрим основные схемы работы мультиплексора ГМ-2 и их практическое применение.

ГДЕ ПРИМЕНЯТЬ ГМ-2?



Рис.4. Применение ГМ-2 в случае работы портов А и В  по единой карте распределения тайм-слотов

Типична ситуация, когда офис какой-либо организации и провайдер телекоммуникационных услуг (телефония, ведомственная сеть передачи данных, доступ в Интернет) связаны стандартным каналом Е1 (рис.4). Причем общий объем трафика не превышает 2 Мбит/с. В этом случае два мультиплексора ГМ-2 подключаются на противоположных сторонах шины Е1 посредством портов А. К порту В мультиплексора в офисе подсоединена офисная мини-АТС (поддерживающая формат Е1), на другой стороне - узловая АТС. Порты Ethernet обоих мультиплексоров связывают локальную сеть офиса с внешней сетью передачи данных. В этом случае оба линейных порта мультиплексоров работают с кадровой синхронизацией, по общей карте распределения тайм-слотов. То есть каждый задействованный для телефонии тайм-слот порта А однозначно соответствует тайм-слоту порта В. Незадействованные для передачи телефонных каналов тайм-слоты портов В используются для доставки пакетов Ethernet или любых других потоков цифровых данных, например - через порт V.35. Причем мультиплексоры могут быть связаны не непосредственно, а через структурированную сеть передачи данных, например - сеть с синхронной цифровой иерархией SDH (рис.5).



Рис.5. Применение ГМ-2 для передачи телефонного трафика и потока V.35

Существенно, что для линейных портов можно выбрать тип линейного кода (AMI или HDB3), поскольку в строю еще немало старого телекоммуникационного оборудования, поддерживающего только устаревший AMI. Чтобы компенсировать основной недостаток кода AMI - потерю синхронизации при детектировании длинной последовательности нулей, в мультиплексоре предусмотрена опция скремблирования, исключающая последовательность из более чем четырех нулей.

Шина Е1 предназначена для передачи данных на расстояния, не превышающие 1,5-2,5 км (при использовании проводов стандартного сечения) посредством двух витых пар (см. врезку "Интерфейс Е1"). Для тех случаев, когда соединяемые точки расположены на расстоянии порядка 4-5 км, предназначен интерфейс SHDSL (ITU-T G991.2, см. врезку "Интерфейс SHDSL"). Он позволяет по одной витой паре (что очень важно при дефиците ресурса кабельной сети) организовать обмен данными скоростью 2304 кбит/с (до 2312 кбит/с) на расстояние до 6 км (табл.1). Фактически SHDSL и разрабатывался как транспортный протокол для удлинения каналов Е1 по одной витой паре.



Таблица 1. Максимальная скорость передачи по интерфейсу SHDSL
в зависимости от скорости и типа кабеля *

 

Канал SHDSL на уровне данных можно представить как поток с той же частотой кадров, что и в случае Е1 (8 тыс. кадров/с ), только в кадре не 32, а 36 тайм-слотов (разумеется, реальная кадровая структура потока SHDSL иная - см. врезку "Интерфейс SHDSL"). Поэтому если в качестве порта В использовать специальный SHDSL-модуль, увеличится не только дальность передачи, но и возрастет возможный трафик. Кроме телефонных каналов (кадр Е1), через канал SHDSL можно транслировать потоки данных из портов Ethernet, синхронных и асинхронных интерфейсов (рис.6). В простейших случаях ГМ-2 с SHDSL-модулем можно рассматривать как удлинитель интерфейсов E1, V.35, RS-232 и Ethernet.



Рис.6. Применение ГМ-2 с SHDSL-модулем

Порты А и B могут работать и независимо, каждый по своей карте распределения тайм-слотов. Например, через порт А передается телефонный трафик и асинхронный поток данных, а через порт В - пакеты Ethernet (рис.7).



Рис.7. Независимая работа линейных портов ГМ-2

Для обеспечения кадровой синхронизации потоков Е1 по крайней мере 1/32 часть трафика расходуется на передачу служебной информации (нулевых тайм-слотов каждого кадра). Поэтому для приложений, когда шина Е1 используется исключительно как транспортный канал для потока цифровых данных, полезен режим работы линейного порта без кадровой синхронизации - просто битовый поток со скоростью 2048 кбит/с. Характерный пример - передача синхронного потока V.35 от одного радиомодема до другого (рис.8), если по каким-то причинам это удобнее сделать через Е1.



Рис.8. Пример использования ГМ-2 для передачи неструктурированного синхронного потока данных

ГМ-2 позволяет работать и в так называемом режиме инверсного мультиплексора (рис.9), когда порты А и В работают параллельно, образуя единый канал передачи данных по двум интерфейсам Е1. Тогда полезная пропускная способность интегрального канала с кадровой синхронизацией составит 2 х 31 х 64 кбит/с = 3968 кбит/с. Входными каналами для мультиплексора в этом случае служат порты Ethernet, а также синхронные/асинхронные интерфейсы. Если при работе в режиме инверсного мультиплексора по какой-либо причине произошла авария (обрыв связи) в одном из каналов Е1, то мультиплексор фиксирует этот факт и автоматически перенастраивает порт исправного канала так, что передача данных продолжается, но с вдвое меньшей скоростью.



Рис.9. Применение ГМ-2 в режиме инверсного мультиплексора

Возможность гибкой перестановки тайм-слотов мультиплексора ГМ-2 жизненно необходима в таких случаях, когда клиент арендует у оператора несколько (например, четыре) цифровых телефонных каналов (тайм-слотов Е1) и хочет доставить данный трафик через сеть передачи данных с полосой пропускания, скажем, 512 Кбит/с (рис.10а). Проблемы начнутся, если в сети оператора телефонной связи используется сигнализация по выделенным каналам - а таких сетей достаточно много. В этом случае необходимо сохранить 16-й тайм-слот кадра Е1 - т.е. в потоке от АТС в кадре Е1 используются четыре тайм-слота под телефонные каналы (с 1-го по 4-й) и еще один (16-й) - для сигнализации (рис.10б). Однако трансляция 16 тайм-слотов Е1 потребует полосы пропускания в 1 Мбит/с. Но ГМ-2 позволяет извлекать из входного потока 16-й тайм-слот и переставлять его так, чтобы используемые тайм-слоты следовали друг за другом, без "дырок", - т.е. в нашем случае 16-й тайм-слот становится пятым. И полосы в 512 Кбит/с хватает уже не только для передачи телефонного трафика, но и иной информации. На приемном конце с помощью другого ГМ-2 происходит восстановление структуры исходного потока Е1. Учитывая зависимость цены каналов передачи данных от их пропускной способности, экономия средств может получиться весьма осязаемой.



Рис.10. Перестановка 16-го тайм-слота

Канал Е1 стандартен для цифрового телефонного коммуникационного оборудования. Однако для многих аналоговых систем передачи данных (радиорелейные линии, радиомодемы, спутниковые модемы и т.п.) стандартным интерфейсом является синхронный канал V.35. Мультиплексор ГМ-2 позволяет выделить произвольное число тайм-слотов из канала Е1 или SHDSL, добавить к ним кадровую метку (overhead) и направить в синхронный порт. Далее этот поток может быть передан через какую-либо систему передачи и восстановлен на приемном конце.

Данный режим оказался очень удобным при работе с аналоговыми сетями передачи (рассчитанными на частотное уплотнение) типа К-60 и др. (первичные групповые тракты). Канал К-60 предназначен для частотного уплотнения 12 телефонных каналов с шириной полосы 4 кГц (всего 48 кГц) в композитный аналоговый сигнал с рабочей полосой в диапазоне 60-108 кГц. Для работы с такими каналами компания "Зелакс" разработала модем М-АСП-ПГ, позволяющий в синхронном режиме передавать данные со скоростью до 320 кбит/с. С помощью мультиплексора ГМ-2 можно сформировать структурированный синхронный поток (до четырех тайм-слотов из портов А и В плюс кадровая метка) и по каналу V.35 направить его в модем М-АСП-ПГ и далее - в аналоговую систему передачи данных (рис.11).



Рис.11. Применение ГМ-2 совместно с модемом М-АСП-ПГ для трансляции структурированного потока через аналоговую систему передачи.

СИНХРОНИЗАЦИЯ КАНАЛОВ

В мультплексоре ГМ-2 предусмотрена возможность выбора источника синхронизации, что позволяет в зависимости от решаемой задачи применить оптимальную схему синхронизации. В качестве источника синхронизации можно использовать:


  • восстановленный сигнал тактирования данных в линейных портах (А и В);
  • тактовый сигнал CLK синхронного канала V.35;
  • сигнал внутреннего генератора мультиплексора;
  • сигнал центрального (внешнего) генератора сверхстабильной частоты.

Например, если с помощью двух мультиплексоров ГМ-2 по каналу Е-1 связаны две АТС (рис.12), то для предотвращения потерь данных в потоке от АТС1 к АТС2, в MUX1 задают синхронизацию передатчика порта А от приемника порта В, а в MUX2 - синхронизацию передатчика порта В от приемника порта А. Для встречного потока (от АТС2 к АТС1) - настройки симметричные (в MUX2 передатчик порта А - от приемника порта В, в MUX2 - передатчик порта В от приемника порта А).



Рис.12. Выбор источников синхронизации портов ГМ-2

 

При мультиплексировании потоков данных из разных источников возникает проблема, связанная с необходимостью использовать в канале передачи два источника синхронизации. Потерь данных в таком случае не избежать. Но ущерб можно свести к минимуму, если сделать этот процесс контролируемым, согласовывая скорости потоков посредством фиксированного буфера данных (эластичная память). Когда из-за рассогласования скоростей потоков буфер окажется заполненным, происходит так называемый slip - потеря данных одно кадра. После чего синхронность фаз потоков вновь восстанавливается, а пропадание одного кадра при голосовом обмене принципиального значения не имеет. При трансляции потоков цифровых данных потерянные кадры должны быть переданы вновь, что снижает объем полезного трафика.

УПРАВЛЕНИЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

Управление и конфигурирование ГМ-2 возможно непосредственно с пульта мультиплексора, через порт RS-232 в режиме терминала (с помощью терминальной программы любого компьютера) и в режиме удаленного доступа. Чтобы управлять удаленным устройством (например, в необслуживаемом пункте), необходимо организовать специальный служебный канал. ГМ-2 позволяет выделить для этого определенный тайм-слот в кадре Е1. Если же лишних тайм-слотов нет, для служебного канала можно использовать до пяти так называемых Sa-бит (национальные биты) в нулевом тайм-слоте каждого нечетного кадра Е1 (см. врезку "Интерфейс Е1").

Для контроля технического состояния в мультиплексоре предусмотрен тестовый режим, позволяющий в каждом из портов включать тестовые шлейфы, "закольцовывающие" потоки данных. Управлять включением шлейфов можно и на удаленном мультиплексоре, что позволяет проверить работоспособность как самих устройств, так и отдельных сегментов сети (рис.13). В качестве основного инструмента контроля используется встроенный BER-тестер с генератором псевдослучайной последовательности (ПСП) длиной 215-1. Для тестирования одного мультиплексора ГМ-2 предусмотрены специальные проверочные шлейфы. В режиме тестирования линейных портов можно выбирать тайм-слоты, в которые будут вставлены данные из потока ПСП (эти же тайм-слоты будут направлены и в приемник BER-тестера). Для проверки детектора ошибок в тестовую последовательность можно вставлять биты одиночных ошибок (инвертируя отдельные биты ПСП).



Рис.13. Тестирование ГМ-2: локального мультиплексора (а) и удалённого устройства (б)

Важная особенность мультиплексора ГМ-2 - сбор и хранение статистической информации о работе каждого из его линейных интерфейсов. Фиксируется время работы портов, а также показатели производительности - время работы без ошибок в секундах (AS), число секунд неготовности (UAS), число секунд с ошибками (ES и SES), число секунд с ошибками контрольной суммы CRC (BES), число минут низкого качества (DM) - в соответствии с рекомендацией ITU-T G.821. Кроме того, фиксируются такие непредусмотренные в G.821 показатели, как число секунд с ошибками вследствие проскальзывания буфера эластичной памяти (Slip), а также время, свободное от ошибок (EFS) и его отношение к общему времени работы мультиплексора.

Пользователю доступна статистика за все время работы портов (от момента последнего сброса счетчика времени), данные за последние 24 часа и текущая статистика за последние 15 минут. Все данные собираются с дискретностью 15 минут. Кроме журнала статистики предусмотрен и журнал регистрации аварийных ситуаций.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Мы рассмотрели лишь некоторые возможности мультиплексора ГМ-2. Однако даже их поверхностный анализ показывает, что этот прибор эффективен и удобен во множестве приложений. Из сравнения ГМ-2 с однотипными устройствами зарубежных и отечественных производителей видно, что разработанный компанией "Зелакс" мультиплексор не только не уступает, но по ряду показателей и превосходит оборудование ведущих производителей (табл.2). Компания выпускает несколько модификаций ГМ-2 с различными функциональными возможностями. Это вкупе с дополнительными интерфейсными модулями позволяет подобрать оптимальное по цене решение для конкретного применения. Причем в дальнейшем можно расширить функциональность приобретенного устройства. А регулярное обновление встроенного ПО (бесплатное) гарантирует пользователям, что их оборудование не устареет в течение длительного срока.



Таблица 2. Сравнительные характеристики однотипных мультиплексоров ГМ-2 (Зелакс), E1XL (Cronyx, Москва) и FCD-E1 (RAD Data Communications, Израиль

Интерфейс Е1

В современных телефонных сетях информация между АТС передается в уплотненном виде, группами по 30 каналов. Каждый аналоговый телефонный канал оцифровывают - преобразуют в цифровой поток 64 кбит/с. 30 таких каналов уплотняют в один кадр Е1 методом временного разделения (TDM - Time Division Multiplexing), так что каждому каналу отводится один тайм-слот длиной 8 бит. Кроме того, в Е1-кадр входят еще два тайм-слота - нулевой, используемый для кадровой синхронизации, и 16-й - предназначенный для передачи сигнализации по телефонным каналам (служебная информация, необходимая для работы телефонных сетей). Таким образом, в один поток Е1 мультиплицируется 32 канала со скоростью 64 кбит/с каждый, в результате общая скорость потока даных в канале Е1 - 2048 кбит/с.

Нулевой тайм-слот каждого кадра используется для синхронизации и передачи служебной информации. Причем синхропоследовательность - 0011011 - передается в младших семи разрядах нулевого тайм-слота каждого четного кадра (0-й, 2-й, 4-й и т.д.). В нулевых тайм-слотах нечетных (1-й, 3-й и т.д.) кадров младшие пять разрядов (Sа-биты) отведены для служебной информации (их называют "национальными битами", поскольку они предназначены для служебной информации в рамках национальных сетей связи и при пересечении национальных границ устанавливаются в положение 1). Шестой бит предназначен для передачи на дальний конец тракта информации о потере кадровой синхронизации. Седьмой бит нулевого тайм-слота - признак нечетного (1) кадра. Старший бит используется в системе мультикадровой синхронизации CRC-4 для передачи контрольной суммы предыдущего мультикадра.

Мультикадр - это последовательность из 16 кадров Е1. Он необходим для передачи сигнализации в выделенном сигнальном канале (CAS) - в каждом 16-м тайм-слоте кадра Е1 передается сигнализация для пары телефонных каналов (по четыре бита на канал). Для обозначения начала в 16-м тайм-слоте первого кадра мультикадра содержится мультикадровый синхросигнал.

Физический интерфейс Е1 - две витые пары (см. рис.), тип линейного кода - AMI или HDB3.



Интерфейс SHDSL

Протокол передачи SHDSL (Single-pair high-speed digital subscriber line) приобрел статус международного стандарта сравнительно недавно - он окончательно утвержден ITU в феврале 2001 года. SHDSL явился преемником стандарта HDSL (G.991.1) и предназначался для передачи потоков Е1/Т1 по одной витой паре (вместо двух в HDSL) на расстояния, большие, чем при Е1/Т1 (1,5-2 км). Причем сигнал SHDSL должен оказывать минимальное воздействие на соседние линии, прежде всего - с асимметричным трафиком (ADSL, VDSL и т.п.). Для повышения спектральной эффективности была выбрана 16-уровневая импульсно-амплитудная модуляция (PAM-16) в сочетании с помехозащищающим решетчатым кодом (разновидность сверточного кодирования) - TC-PAM (Trellis coded PAM). В декодере использован алгоритм Витерби. Кроме того, предусмотрено измерение импульсной характеристики канала связи, на основании которого передатчик вносит в сигнал предыскажения (алгоритм Томлинсона). В результате в одном символе SHDSL передается 4 бита (3 информационных и 1 - контрольный, следствие кодовой избыточности) вместо 2 бит в символе HDSL.

На уровне звена данных протокол SDHSL имеет кадровую структуру. В каждом кадре содержится четыре блока данных и до 50 бит служебной информации (48 бит в синхронном режиме). Размер каждого блока k определяется формулой k = 12 (i + 8n) [бит], где n = 3...36, i = 0...7. Соответственно, скорость передачи данных - 64n + 8i [кбит/с]. При n = 36 i = 0 или 1. Предусмотренная стандартом максимально возможная скорость - 2312 кбит/с.

Статья в журнале "Электроника" №7 2003 г. (стр. 38)

Автор: А. Самарин

Нашли ошибку? Выделите её и нажмите CTR + ENTER
RSS-новости Zelax Zelax на Twitter Zelax на YouTube