Галуев Г.А. Принципы построения и основы функционирования систем и сетей связи

Подождите немного. Документ загружается.

101

Показатель преломления n(r) для ступенчатого волокна

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

≤≤

)(

bran

arn

показатель преломления градиентного волокна

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

≤≤

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

Δ−

)(

)()(21

)(

bran

где

)(

−

=Δ

Коэффициент α для различных волокон с различными добавками равен

α≈2

Одномодовое волокно обычно имеет радиус сердцевины а порядка од-

ной длины волны λ=1,2÷1,6 мкм.

Многомодовое волокно – это волокно, радиус сердцевины а которого

значительно превышает одну длину волны λ и обычно составляет 25÷50 мкм.

В многомодовом волокне могут распространяться сотни

и тысячи мод.

При этом каждая мода обладает своей собственной групповой скоростью, что в

итоге может приводить к расширению короткого светового импульса переда-

ваемого по оптическому волокну и, следовательно снижает количество переда-

ваемой информации, т.е. снижает пропускную способность. Это явление назы-

вают дисперсией мод. Для снижения дисперсии мод вводят волокно

с градиент-

ным показателем преломления (градиентное волокно), в котором разница в

групповых скоростях компенсируется и все моды имеют приблизительно оди-

наковую групповую скорость.

Повысить пропускную способность ВОСС можно также используя од-

номодовое ступенчатое волокно, но их, из-за малых размеров сердцевины

0≈λ≈1,2 мкм, трудно сращивать.

Распространение света по оптическому волокну

можно схематично

представить как показано на рисунке 2.32.

102

Mθ

′

центральная

ось

Рис. 2.32.

Пусть θ

- максимальный угол ввода световых лучей в оптическое во-

локно. Тогда θ′

- это критический угол, выходя за который лучи света не будут

собираться в пучок. На основе законов преломления световых лучей на грани-

цах воздух-волокно и сердцевина-оболчка получим

McM

θθ

′

cos

sinsin

решая совместно эти уравнения имеем

NAnn

=−=

sin

где NA –числовая апертура волокна. Поскольку разница между показа-

телем преломления сердцевины n

и оболочки n

обычно очень мала, можно

записать

Δ≈ 2NA

где

−

=Δ

Если допустить, что

θθ

≈sin

, то видно, что величина (числовая

апертура) NA представляет собой максимально допустимый угол, в пределах

которого все лучи будут введены в волокно. Например, для NA=0,2 максималь-

но допустимый угол равен 11° градусов. Все лучи, образующие с центральной

осью углы больше максимально допустимого, соответствуют модам высших

порядков и распространяются по более длинным путям, чем

те лучи, которые

распространяются вдоль центральной оси. В градиентном волокне, за счет вве-

дения специальных добавок к стеклу, скорость лучей, распространяющихся не

вдоль центральной оси, увеличивается и в результате разница во времени про-

хождения лучей будет незначительна т.е. проходит выравнивание скоростей

103

различных мод и снижение дисперсии мод.

В процессе прохождения световых лучей по оптическому волокну могут

возникать различные эффекты, влияющие на пропускную способность на во-

локна:

1. Расширение светового импульса за счет дисперсии мод в многомодовом

оптическом волокне. Это межмодовое расширение импульса. Об этом мы с ва-

ми уже говорили.

В многомодальном оптическом волокне из-за его нерегулярности имеет

место случайная связь различных мод, что оказывает существенное влияние на

форму светового импульса, проходящего по этому волокну, поскольку в случае

связей между модами происходит частичная передача энергии между ними и

общая энергия импульса снижается. При этом за счет снижения мощности про-

исходит

сужение светового импульса.

3. Расширение светового импульса за счет дисперсии материала (стекла), из

которого сделано оптическое волокно или за счет неоднородности его структу-

ры. Это внутримодовое расширение импульса.

4. Рассеяние и поглощение энергии в оптическом волокне. Это явление при-

суще всем видам стекол, т.е. все оптические материалы имеют дефекты, кото-

рые рассеивают или поглощают свет по мере его распространения на большие

расстояния.

Методы модуляции светового потока

В волоконно-оптических системах связи для модуляции оптической не-

сущей частоты используются как цифровые так и аналоговые методы модуля-

ции. В качестве цифровых методов модуляции используются различные вари-

анты импульсно-кодовой модуляции.

При прохождении

модулированного сигнала U(t) (двоичной последова-

тельности) по оптическому волокну, вследствие шумов передатчика и приемни-

ка, дисперсионных явлений в волокне (дисперсия мод, дисперсия стекла и т.д.),

могут возникать искажения этих сигналов, как показано на рисунке 2.33.

104

U(t)

1111 111000

00001111 111

1111 1110000

111

Идеальный двоичный

сигнал

Сигнал с колебаниями

длительности и

импульсов

Искажение формы

сигналов

Блуждание нулевой

линии развёртки

Рис. 2.33.

Для борьбы например с блужданием при ИКМ может быть использован

биполярный двоичный код. Здесь входные импульсы попеременно преобразу-

ются в положительные и отрицательные.

Основным требованием для систем с ИКМ является необходимость

строгой синхронизации передаваемых сигналов. Это обычно делается путем

передачи синхронизирующей информации среди передаваемых информацион-

ных сигналов. Однако

такую информацию можно легко потерять если переда-

ваемый сигнал содержит длинную серию нулей. В этом случае можно приме-

нить в ИКМ троичный линейный код вместо двоичного. Наиболее простым ко-

дам, из которого легко выделить синхроимпульс является код «с инверсией пе-

ременных символов». В этом коде уровень мощности Р представляют нулем, в

то время как 2Р и 0 представляют соответственно +1 и –1, как показано на ри-

сунке 2.34.

-1

U(t)

Рис. 2.34.

Для такого способа кодирования требуется высокая стабильность пере-

даваемой мощности. Более эффективным является код, в котором каждый бит

представляется двумя битами. Примерами таких кодов являются код «с инвер-

сией групп символов» и код с «биполярной фазой». С этими кодами можно

подробно ознакомиться в книге Чео П.К. Волоконная оптика:

Приборы и систе-

мы Пер. с англ. – М.: Электроатомиздат, 1988. – 280 с.

105

Наиболее простой формой аналоговой модуляции является метод пря-

мой модуляции интенсивности. В этом случае аналоговый входной сигнал m(t)

модулирует источник света с выходной мощностью.

[

]

)(1)(

tmPtP

– средняя выходная мощность источника

γ - глубина модуляции.

Наиболее простой способ реализации этого метода заключается в пря-

мой коммутации источника света. Более дорогой, но и более точный способ

реализации метода прямой модуляции это использование внешнего модулятора.

Скорость прямого модулирования зависит от инерционности источника

света. При использовании лазерных источников частота модуляции достигает

1000 МГц ÷ 1 ГГц.

Лазеры и оптическое волокно

Основными элементами источников светового излучения в оптических

системах связи являются светоизлучающие диоды (СИД) и полупроводниковые

инжекционные лазеры. Эти устройства излучают свет в диапазоне от 0,75 до 1,6

мкм. Для осуществления дальней связи с высокой скоростью передачи данных

применяют лазерные диоды (ЛД) – разновидность полупроводниковых лазеров.

В настоящее время получили практическое применение следующие типы полу-

проводниковых лазеров:

1. лазер полосковой геометрии

2. лазер с распределенной обратной связью.

Одной из последних разработок является С

-лазер, представляющий со-

бой электронно-перестраиваемый одночастотный источник. Этот тип лазера

позволяет значительно увеличить скорость и длину передачи данных благодаря

спектральной чистоте и сверхширокополосному перестраиваемому выходу. При

использовании такого лазера нормальная рабочая частота может достигать 2

Гбит/сек с вероятностью ошибки менее 10

-10

. Более подробное описание этих

типов лазеров можно найти в указанной выше книге П.К. Чео.

Структура ВОСС

В общем виде структуру ВОСС можно представить как показано на ри-

сунке 2.36.

106

ЗУ

СИД

или

ЛД

УВВ

Передатчик

оптическо

е волокно

Ввод данных

УВВ

Фото

диод

ПроцессорУ

Приёмник

Вывод данных

Рис. 2.35.

УВД- устройство ввода данных,

ЗУ – запоминающее устройство.

Основная функция передатчика это преобразование входного электри-

ческого сигнала в высокочастотный световой сигнал с высокой точностью. Для

этой цели используются рассмотренные выше методы аналоговой или цифровой

модуляции оптической несущей частоты генерируемой СИД и ЛД.

Основным назначением приемника является преобразование оптиче-

ского

сигнала в электрический. При этом этот электрический сигнал должен с

максимальной точностью воспроизводить исходно переданный электрический

сигнал. В качестве преобразователя оптического сигнала в электрический

обычно используется фотодиод. Поскольку выходная мощность фотодиода

обычно невелика, поэтому на выходе фотодиода ставится усилитель.

2.7. Сети интегрального обслуживания: принципы построения и проблемы

создания. Современные виды

информационного обслуживания: телекс,

электронная почта, видеотекс, телетекс, телетекст

Сети интегрального обслуживания. Принципы построения и проблемы

создания

За последние несколько десятков лет наблюдается стремительный рост

развития электронной вычислительной техники. В процессе этого развития не

только созданы уникальные образцы современных компьютеров, но также соз-

дана мощная технология и прежде всего интегральная технология

производства

цифровых электронных устройств. В этих условиях возникла идея унификации

в максимальной степени компонентов техники ЭВМ и электросвязи. Основные

процессы, протекающие в ЭВМ, осуществляются на уровне двоичных сигналов,

а элементарная база ЭВМ осуществляет обработку и хранение цифровых сигна-

лов. При этом, технология производства средств вычислительной техники зна-

чительно опережает технологию

средств электросвязи. Поэтому унификацию

наиболее целесообразно осуществлять на базе существующей мощной техноло-

107

гии производства цифровых средств обработки информации, на базе которых

создается вычислительная техника. Преимущества такой унификации очевид-

ны:

1. Единообразие проектирования и производства аппаратуры передачи,

коммутации и обработки информации.

2.. Носителем информации при ее передаче, распределении и обработке

является унифицированный импульсный цифровой сигнал, что обеспечивает

интеграцию методов передачи и распределения информации на

основе исполь-

зования унифицированных цифровых сигналов, таких же какие используются в

вычислительной технике.

Таким образом, унификация систем передачи и распределения (комму-

тации) на базе современных технологий производства цифровых средств обра-

ботки информации и создание цифровых систем передачи и коммутации ведет к

интеграции процессов передачи, распределения и обработки информации, и

является

в настоящее время основным принципом создания интегральных циф-

ровых сетей связи. Одной из первых таких сетей была создана цифровая сеть

телефонной связи. Опыт ее эксплуатации показывает, что такая сеть может быть

использована для передачи не только речевых сообщения, но и цифровых дан-

ных, факсимильных сообщений или видео. Это показало, что идея

интеграции

может быть реализована не только на уровне средств передачи, распределения и

обработки информации, но и на уровне служб. Последнее обстоятельство при-

вело к идее создания не просто интегральных цифровых сетей связи, а цифро-

вых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО), которые реализуются на уни-

фицированных цифровых элементах и объединяют в себе

сети электросвязи

различного назначения (телевизионные, телеграфные, телефонные, передача

данных и т.д.). В середине 80

-х

годов сформировались основные принципы по-

строения таких ЦСИО. Эти принципы нашли отражение в Рекомендациях

МККТТ серии I, принятых в 1984 г.

Интеграция сетей различного назначения в одну универсальную ЦСИО

наряду с очевидными преимуществами имеет и ряд недостатков. Это связано с

тем, что требования, предъявляемые различными службами связи к оборудова-

нию универсальной сети

довольно сильно отличаются друг от друга. Так, на-

пример, для передачи данных необходимы разные скорости, обычно в диапазо-

не от 50 до 9000 бит/сек; телефонные каналы требуют скорость 64 Кбит/сек, а

телевизионные 8 Мбит/сек. Количество вызовов в единицу времени, наблюдае-

мое у абонентов передачи данных, существенно выше, чем у телефонных або-

нентов

, а длительность сеансов связи напротив, существенно короче. Абоненты

передачи данных требуют более короткого времени на сеанс связи, предъявля-

ют более высокие требования к доступности абонентов и для них желательна

более высокая скорость передачи и меньший коэффициент ошибок по битам.

Наряду с этим следует иметь в виду многочисленные услуги, которые предос-

тавляются абонентам современных локальных и глобальных сетей передачи

данных (Internet и др.). Нет сомнения, что технически вполне возможно создать

108

универсальную ЦСИО, которая будет удовлетворять всем разнообразным тре-

бованиям различных служб связи. Однако в этом случае придется примириться

с тем, что отдельные системы связи будут реализованы не так экономично, как

в специализированных сетях связи.

Подходы к интеграции

При создании сетей интегрального обслуживания используются три ос-

новных метода коммутации:

1. коммутация

каналов,

2. коммутация пакетов,

3. гибридная коммутация каналов и пакетов.

Коммутация каналов

Полностью цифровая система коммутации каналов используемая в се-

тях интегрального обслуживания обеспечивает высококачественную передачу

как телефонных сообщений, так и цифровых данных и при более низких затра-

тах, чем аналогичные аналоговые системы. Вместе с тем такая система не обес-

печивает эффективное обслуживание многих видов трафика данных. Такие сети

проектируются в расчете на быстрое установление каналов связи и тем самым

исключают неэффективность, связанную с задержками времени на установле-

ние соединения. Однако быстрая коммутация каналов не устраняет неэффек-

тивное использование закрепленного канала при обмене данными в диалоговом

режиме. Кроме того, передача однопакетных

сообщений (дейтаграмм) обслужи-

вается более эффективно в режиме пакетной коммутации. Таким образом если

обслуживается большое число дейтаграмм или идет передача данных в диало-

говом режиме коммутация каналов оказывается неэффективным режимом рабо-

ты.

Коммутация пакетов

Коммутация пакетов является эффективным средством обслуживания

большей части видов трафика данных. Исключение составляют длительные не-

прерывные пересылки файлов или факсимильных сообщений с высокой разре-

шающей способностью, которые более эффективно обслуживаются в режиме

коммутации каналов. Наряду с этим метод коммутации пакетов оказался доста-

точно эффективным и для передачи телефонных сообщений, что эксперимен-

тально подтверждено на сети ARPANET. Основная привлекательная сторона

передачи речи пакетами определяется тем, что речевой канал

в каждый момент

времени используется только в одном направлении и таким образом дуплекс-

ный речевой канал фактически используется только на 50 % длительности су-

ществования соединения. Тогда, используя способ статистического уплотнения

109

речевого канала (DSI), при котором только активные абоненты подключаются к

каналу связи, можно добиться того, чтобы число активных переговоров превы-

шало число каналов передачи, и тем самым увеличило эффективность передачи

речевых сигналов. Не менее важным обстоятельством, обеспечивающим воз-

можность эффективной передачи речи в системе с коммутацией пакетов, явля-

ется то, что

защита от ошибок при передаче речи необязательна и даже нежела-

тельна, т.к. абонентами являются люди, способные сами контролировать и ис-

правлять ошибки.

В целом ни коммутация каналов, ни коммутация пакетов не являются

оптимальными при построении универсальной сети интегрального обслужива-

ния, предназначенной для большого числа разнообразных услуг связи. Поэтому

рекомендуется

применять гибридные методы коммутации.

Гибридная коммутация каналов и пакетов

Этот метод коммутации по сути дела предполагает построение двух

подсетей: одну для коммутации каналов, другую для коммутации пакетов. При-

мером такой сети с гибридной коммутацией является известная сеть с сегмен-

тированной упаковкой SENET. В этой сети используется синхронный формат

основного цикла, в

который упаковываются данные, передаваемые с использо-

ванием как коммутации каналов так и коммутации пакетов. Каждому соедине-

нию, устанавливаемому в режиме коммутации каналов, выделяется некоторое

фиксированное число бит в каждом цикле (упаковке) т.е. фиксированная пропу-

скная способность в формате синхронной передачи с временным разделением.

Данные в режиме коммутации пакетов передаются

во второй половине каждого

цикла, как показано на рисунке 2.37.

1234А

Цикл

СВ

Каналы с

временным

разделением

Пакеты

Неиспользованная

часть пропускной

способности

Рис. 2.36.

С целью обеспечения динамического распределения пропускной спо-

собности тракта передачи всякий раз, когда происходит установление или разъ-

единение соединения, производится распределение цикла между синхронными

данными с ВРК в коммутируемых каналах и данными в режиме пакетной ком-

мутации. Если на каком-то узле создается большая очередь пакетов, то узел мо

жет задержать установление новых соединений до тех пор, пока очередь не рас-

сосется. При этом одно лишь увеличение пропускной способности при передаче

от перегруженного узла не может увеличить скорость передачи пакетов в такой

110

же степени. Если очереди пакетов в соседних узлах велики, то пакетам некуда

двигаться, несмотря на повышенную пропускную способность каналов. Поэто-

му вопросы управления потоками в таких сетях оказываются еще более слож-

ными и взаимосвязанными.

Описанный выше подход к построению сети SENET для совмещения

коммутации каналов и пакетов определяет режим работы по

единственной ли-

нии связи и предполагает, что такие сети строятся в виде взаимосвязанных уз-

лов с аналогично работающими линиями связи. Наряду с этим существует дру-

гой подход, обеспечивающий более высокую гибкость в управлении различны-

ми подсетями (коммутируемых каналов и коммутируемых пакетов). При таком

подходе эти подсети работают независимо друг от друга

и каждую подсеть в

чистом виде можно реализовать как частный случай работы сети в целом. Такие

гибридные сети интегрального обслуживания строятся по иерархическому

принципу и включают подсеть коммутации каналов и подсеть коммутации па-

кетов. Первый уровень иерархии это первичная цифровая сеть с коммутацией

каналов. Коммутация пакетов реализуется на втором уровне

иерархии и функ-

ционально не зависит от сети коммутации каналов. Такой принцип построения

сетей интегрального обслуживания получил название адаптивное формирова-

ние пучков каналов. Структура такой сети показана на рисунке 2.37.

ОС

УСО

ОС

ТУ

ОС

УСО

терминалы

вторичной

сети

многопунктовая

линия

терминал первичной

сети

местные линии связи

УСО

кольцевая

линия

Рис. 2.37.

Первичная сеть образована цифровыми оконечными станциями (ОС) и

цифровыми транзитными узлами (ТУ), соединенными цифровыми линиями пе-

редачи с ВРК (временное разделение каналов). Терминалы сети соединяются

между собой способом коммутации каналов. На основе первичной сети строит-

ся вторичная сеть с узлами специального обслуживания (УСО). Эти узлы со-