Лекция № 6
Цель: Изучить структуру и этапы формирования первичного потока.
1.Структура цифрового потока на выходе первичной ЦТС.
2.Технические характеристики интерфейса E1.
3.Основной цифровой канал.
Первичными цифровыми телекоммуникационными системами называют системы, в которых осуществляется аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование сигнала и формируется первичный цифровой поток.
На выходе первичной ЦТС получается первичный цифровой поток со скоростью передачи 2048 кбит/с. Первичный цифровой поток в данном случае является структурированным, т.е. в нем можно выделить периодически повторяющиеся характерные структуры. Заметим, что в некоторых телекоммуникационных устройствах используются и неструктурированные первичные цифровые потоки. Структура цифрового потока на выходе первичной ЦТС показана на рисунке 1. Прежде всего, поток разделяется на сверхциклы передачи (СЦ), длительности которых равны двум миллисекундам. Сверхцикл объединяет 16 циклов передачи с нулевого (Ц0) по пятнадцатый (Ц15) длительность каждого цикла 125 мкс. Частота следования циклов составляет 1/125·10-6 = 8·103 = 8 кГц. Поскольку в цикле передается одна кодовая комбинация каждого канала, частота следования цикло совпадает с частотой дискретизации канальных сигналов, которая также равна 8 кГц. Цикл передачи содержит 32 канальных интервала с нулевого (КИО) по тридцать первый (КИ31).
Рисунок 1 - Структура первичного цифрового потока
Каждый канальный интервал занимает восьмиразрядное кодовое слово (разряды с Р1 по Р8). Частота следования разрядных интервалов и, следовательно, битов информации в первичном потоке составляет 8·103·32·8 = 2048·103 бит/с (2,048 Мбит/с). В точке стыка сетевого тракта единицы передаются прямоугольными импульсами, занимающими половину разрядного (тактового) интервала, а нули - пробелами (отсутствием импульса в разрядном интервале). Вариант РСМ30 является вариантом с канально-связанной (внутриканальной) сигнализацией. Именно такой вариант цикла используется в ЦТС. В канальном интервале КИО в четных циклах передается цикловой синхросигнал (ЦС). Шесть позиций ЦС в нечетных циклах свободны (обычно на свободных позициях передаются «1»), на одной передается извещение на дальний конец о потере ЦС. Позиция 0З — передача результата проверки остаточного затухания, использовалась в ЦСП прежних выпусков. В канальном интервале КИ16 в цикле Ц0 передается сверхцикловой синхросигнал. В последующих циклах сверхцикла поочередно передаются сигналы управления и взаимодействия (СУВ) всех тридцати каналов ТЧ, для чего для каждого канала ТЧ организуются по два сигнальных канала СК1 и СК2. В Ц1 передаются СУВ 1-го и 16-го каналов ТЧ, в Ц2 - 2-го и 17-го и так далее. В Ц1 5 передаются СУВ 15-го и 30- каналов ТЧ. Таким образом, в данном варианте канальные интервалы КИ0 и КИ16 являются служебными, а остальные 30 (КИ1 - КИ15 и КИ17 - КИ31) служат для организации информационных каналов (каналов ТЧ).
Технические характеристики интерфейса E1 соответствуют стандарту ITU-T G.703.
Основные рабочие характеристики интерфейса:Номинальная битовая скорость 2048 кбит/c. Схема кодирования HDB3 (двуполярная высокоплотная схема). Отдельные линии приема и передачи: По одному коаксиальному кабелю на прием и передачу (сопротивление = 75 Ом). По одной симметричной витой паре на прием и передачу (сопротивление = 120 Ом)
Линии E1 работают с номинальной скоростью 2048 кбит/с. Передаваемые по линии E1 данные организованы в кадры (frame). Формат кадра E1 показан на рисунке. Использование именно 16 тайм-слотов не обязательно, но рекомендовано для некоторых типов сигнализаций.
Рисунок 2 - Структура потока E1
Каждый кадр E1 содержит 256 бит, разделенных на 32 временных интервала (тайм-слота) по восемь бит в каждом и содержащих передаваемые данные. Скорость передачи составляет 8 000 кадров в секунду и, следовательно, для каждого канала данных (тайм-слота) обеспечивается полоса 64 кбит/с. Число доступных пользователю тайм-слотов составляет от 0 до 31, в зависимости от сигнализации, чаще всего 30 (временной интервал 0 зарезервирован для служебной информации, временной интервал 16 рекомендован, но не обязателен для служебной информации). Соответственно для передачи данных, голоса, могут использоваться слоты с 1 по 31.
Электрические характеристики стыков цифровых интерфейсов передачи голоса или данных через цифровые каналы типа T1, E1 или DS-1 описываются рекомендацией-стандартом G.703 (ITU-T Recommendation G.703.Physical/ElectricalCharacteristicsofHierarchicalDigitalInterfaces. 1972 lastamendedin 1991).В качестве физического канала передачи может использоваться симметричная витая пара (Z = 100 - 120 Ом) или коаксиальный кабель (R = 75 Ом), амплитуда импульса = 1 -3 В.Зарезервированный тайм-слот 0 используется для решения двух основных задач:Передача вспомогательной информации (housekeeping).В каждом кадре без FAS (нечетные кадры) нулевой тайм-слот содержит вспомогательную информацию, включающую:Бит 1 называется international (I) и служит главным образом для обнаружения ошибок с использованием функции CRC-4., Бит 2 всегда имеет значение 1 - этот факт используется алгоритмами выравнивания кадров.Бит 3 используется для индикации удаленной тревоги (remotealarmindication или RAI) и сообщает оборудованию на другом конце канала, что в локальном оборудовании потеряно выравнивание кадров или отсутствует входной сигнал.Остальные биты, обозначаемые Sa4 - Sa8, предназначены для использования в отдельных странах. Эти биты доступны для пользователей на основе соглашения о значении битов. Оборудование с агентами SNMP может использовать биты Sa4 -Sa8 для управления в пределах основной полосы (in-band). Общая полоса, выделяемая для этих битов (включая Sa4), составляет 4 кбит/с.
Мультикадр. Для расширения объёма полезной информации без расширения полосы кадры организуются в более крупные структуры, называемые мультикадрами (multiframes).
В общем случае используются мультикадры двух типов:256N содержит 2 кадра (один чётный и один нёчетный). Мультикадры 256N используются в основном там, где пользователям доступен тайм-слот 16. В этом режиме максимальное число временных интервалов для передачи полезной информации составляет 31 (максимальная полезная полоса - 1984 кбит/с). Для систем, использующих сигнализацию CCS (общая сигнализация или common-channelsignaling), в тайм-слоте 16 часто передается информация CCS.
256S содержит 16 кадров. Мультикадры 256S используются в основном там, где тайм-
слот 16 служит для сквозной передачи сигналов с использованием CAS (внутриканальная сигнализация или ChannelAssociatedSignaling). CAS обычно используется на соединениях, служащих для передачи голосовых каналов. В этом режиме максимальное число доступных тайм-слотов составляет 30 (максимальная скорость — 1920 кбит/с).
Мультикадры 256S требуют использования специальных последовательностей выравнивания (MultiframeAlignmentSequence или MAS), передаваемых в тайм-слоте 16 (см. рисунок), вместе с битом Y, который сообщает о потере выравнивания мультикадров. Как показано на рисунке, для каждого канала доступны четыре сигнальных бита (A, B, C и D), что обеспечивает возможность сквозной передачи четырёх состояний сигнала. Каждый кадр мультикадра передает сигнальную информацию двух каналов.Когда режим CRC-4 включён, кадры произвольным образом группируются по 16 (эти группы называются мультикадрами CRC-4 и никак не связаны с 16-кадровыми мультикадрами 256S, описанными выше). Мультикадр CRC-4 всегда начинается с кадра, содержащего сигнал выравнивания кадров (FAS). Структура мультикадра CRC-4 идентифицируется шестибитовым сигналом выравнивания мультикадра CRC-4 (multiframealignmentsignal), который мультиплексируется в бит 1 нулевого тайм-слота каждого нечетного (1, 3, 5 и т. д.) кадра в мультикадре (до 11 кадров мультикадра CRC-4). Каждый мультикадр CRC-4 делится на две части (submultiframe) по восемь кадров (2048 битов) в каждой.
Детектирование ошибок осуществляется за счет вычисления четырёхбитовой контрольной суммы каждого блока в 2048 битов (submultiframe). Четыре бита контрольной суммы данной части мультикадра побитно мультиплексируются в бит 1 нулевого тайм-слота каждого четного кадра следующей части (submultiframe).
На приемной стороне контрольная сумма рассчитывается заново для каждой части мультикадра и полученное значение сравнивается с переданной контрольной суммой (она содержится в следующей части мультикадра). Результат передается в двух битах, мультиплексируемых в бит 1 нулевого тайм-слота кадров 13 и 15 мультикадра CRC-4. Число ошибок суммируется и используется для подготовки статистики передачи.
Базовый сигнал линии E1 кодируется с использованием модуляции HDB3 (High-DensityBipolarorder 3 encoding). Формат модуляции HDB3 является развитием метода AMI (AlternateMarkInversion или поочередное инвертирование).В формате AMI «единицы» передаются как положительные или отрицательные импульсы, а «нули» - как нулевое напряжение. Формат AMI не может передавать длинные последовательности нулей, поскольку такие последовательности не позволяют передать сигналы синхронизации.Правила модуляции HDB3 снимают ограничение на длину максимальной последовательности нулей (протяженность трех импульсов). В более длинные последовательности на передающей стороне вставляются ненулевые импульсы. Чтобы обеспечить на приемной стороне детектирование и удаление лишних импульсов для восстановления исходного сигнала используются специальные нарушения биполярности (bipolarviolations) в последовательности данных. Приемная сторона определяет такие нарушения и воспринимает их как часть строки «нулей», удаляя лишнее из сигнала.
Нарушения биполярности, которые не являются частью строки подавления нулей HDB3, рассматриваются как ошибки в линии и считаются отдельно для получения информации о качестве связи в тех случаях, когда функция CRC-4 не используется.
Чрезмерная частота ошибок. Частота возникновения ошибок определяется по сигналам выравнивания кадров. При числе ошибок более 10−3, которое сохраняется от 4 до 5 секунд, подается сигнал тревоги, снимаемый после удержания числа ошибок не более 10−4 в течение 4 - 5 секунд.Потеря выравнивания кадров (или потеря синхронизации). Этот сигнал подается при наличии слишком большого числа ошибок в сигнале FAS (например, 3 или 4 ошибки FAS в последних 5 кадрах). Сигнал потери выравнивания сбрасывается при отсутствии ошибок FAS в двух последовательных кадрах. Сигнал потери выравнивания передается путем установки бита A.Потеря выравнивания мультикадра (используется для мультикадров 256S). Этот сигнал передается при обнаружении слишком большого числа ошибок в сигнале MAS. Сигнал передается за счет установки бита Y (см. рисунок). Сигнал тревоги (AIS). Сигнал AIS (AlarmIndicationSignal) представляет собой некадрированный сигнал «все единицы», используемый для поддержки синхронизации при потере входного сигнала (например, условие тревоги в оборудовании, поддерживающем сигнал в линии). Отметим, что оборудование, получившее сигнал AIS, теряет синхронизацию кадров.
Поток E1 позволяет передавать услугу "определитель номера" на цифровые АТС клиента. Внедрение систем цифровой телефонии вызвало необходимость представления аналогового сигнала в цифровой форме. Для этого используется импульсно-кодовая модуляция, получившая в англоязычной литературе название PCM - PulsCodeModulation При аналого-цифровом преобразовании стандартного телефонного сигнала, спектр которого ограничен частотой в 3,4 кГц, частота дискретизации равна 8 кГц, а численное значение преобразованного сигнала представляют в виде 8-бит двоичного кода. Поэтому для передачи стандартного ТЧ-сигнала организуется цифровой канал со скоростью обмена данными 8 кГц х 8 бит = 64 кбит/с. Этот канал называется основным цифровым каналом или DS0 (DigitalSignallevelzero). В цифровой связи для передачи нескольких цифровых потоков по одной линии связи используется метод, называемый мультиплексированием с временным разделением каналов. В англоязычной литературе эквивалентный термин - TimeDivisionMultiplexing (TDM). Процедура TDM выглядит так: из входных цифровых потоков мультиплексор поочередно отбирает определенную последовательность бит, добавляет служебную информацию и формирует выходную последовательность. Непрерывную последовательность бит в выходном потоке, принадлежащую определенному входному каналу, называют канальным интервалом, или тайм-слотом. На практике наиболее употребительными являются схемы мультиплексирования с байт-интерливингом (чередованием), когда канальный интервал состоит из 8 бит, либо с бит-чередованием, когда на выход последовательно коммутируется по одному биту из каждого канала. Одной только тактовой синхронизации недостаточно для демультиплексирования битовой последовательности, так как в получаемом потоке бит необходимо еще привязаться к началу первого канального интервала на принимающем конце линии. С этой целью при формировании уплотненного потока в него с определенной периодичностью вставляют фиксированную битовую последовательность, которая вместе с группой канальных интервалов, следующих за ней и содержащих равное количество интервалов из каждого входного потока, образует кадр или фрейм (цикл).С помощью этой битовой последовательности, выделяя ее как маркер, принимающая аппаратура может привязаться к началу каждого кадра в цифровом потоке. Этот вид синхронизации называют кадровой или цикловой синхронизацией. В цифровых системах несколько кадров объединяют в структуру, называемую сверхкадром (или сверхциклом, по-английски super-frame). Для правильного приема таких структур, кроме тактовой и кадровой синхронизаций, необходима еще и сверхкадровая синхронизация.Первую систему передачи голоса, использующую ИКМ и мультиплексирование с временным разделением каналов, установила в 1957 г. компания BellSystem. В одном канале объединялось 24 цифровых потока по 64 кбит/с, что с учетом бита кадровой синхронизации и частоты следования кадров 8 кГц давало цифровой поток 24х64+8=1544 кбит/с. В дальнейшем технология BellSystem была стандартизована и теперь известна как канал DS1 (DigitalSignallevelone) или Т1.
В Европе (в том числе и в России) в качестве стандартной была принята иная схема объединения каналов DS0, отличная от DS1, известная как первичный цифровой канал Е1. Этот стандарт в последнее время широко используется для подключения к сетям операторов связи корпоративных телефонных систем и систем передачи данных.
Канал Е1 объединяет 32 канала DS0, из которых один DS0 используется для кадровой синхронизации, другой - для сигнализации. Кадр этого потока состоит из 32 канальных интервалов по 8 бит каждый. Частота следования кадров 8 кГц, что дает скорость потока 32х8х8=2048 Кбит/с. Кадры потока Е1 объединяются в сверхкадр. Количество кадров в сверхкадре зависит от типа сигнализации, используемой в Е1. Под сигнализацией понимают информацию, необходимую коммуникационным устройствам для выполнения их функций, например установление и разрыв телефонных соединений.
Обычноприменяютсядватипасигнализации: CAS (Channel Associated Signalling) и CCS (Common Channel Signalling).В первом случае сверхкадр состоит из 16 кадров (с 0 по 15) и передается 2 мс. Тайм-слот 0 (TS0) содержит биты покадровой синхронизации и другую служебную информацию. Тайм-слот 16 (TS16) начиная с первого кадра используется для передачи сигнализации, связанной с каждым из каналов (отсюда название ChannelAssociatedSignalling). Остальные тайм-слоты передают собственно информацию. Тайм-слоты с 1 по 15 соответствуют каналам с 1 по 15, а таймслоты с 17 по 31 – каналам с 16 по 30. Распределение сигнализации TS16 по каналам происходит следующим образом: старшие 4 бита TS16 кадра 1 в сверхкадре соответствуют сигнализации первого канала, младшие 4 бита - сигнализации 16-го канала; старшие 4 бита TS16 кадра 2 соответствуют сигнализации второго канала, младшие - сигнализации 17-го канала и т. д. В нулевом кадре тайм-слот 16 используется для организации сверхкадровой синхронизации.В случае общеканальной (ССS) сигнализации сверхкадр состоит из двух кадров. Тайм-слот 0 служит для организации кадровой синхронизации, как и в CAS, а тайм-слот 16 образует общий для всего потока канал сигнализации. В случае передачи через Е1 только данных, когда сигнальная информация передается в заголовках пакетов данных и отдельный тайм-слот для этого не нужен, TS16 можно задействовать для передачи данных и он будет соответствовать каналу 31.Первичный цифровой поток - это цифровой поток передачи данных, соответствующий первичному уровню европейского стандарта плезиохронной цифровой иерархии (PDH).
Плезиохронная цифровая иерархия - цифровой метод передачи данных и голоса, основанный на временном разделении канала и технологии представления сигнала с помощью импульсно-кодовой модуляции.Канальный или временной интервал (КИ, ВИ) - это промежуток времени в структуре временного цикла за который передается 8 разрядов.
Цикл потока Е1 состоит из 32 канальных интервалов, нумеруемых от 0 до 31,30 - разговорных каналов, 2 - служебных канала.,0КИ - для синхронизации; 1КИ - 15КИ- разговорные каналы; 16КИ - сигналы управления и взаимодействия (СУВ); 17КИ - 31КИ- разговорные каналы.Параметры первичного цифрового потока (Е1):частота дискретизации (Fд=8кГц); период дискретизации (Тд=125 мкс);длительность канального интервала (Тки=125/32=3,9 мкс);количество каналов (N=32);количество уровней квантования (256);количество бит для передачи речевого сигнала (8);пропускная способность 1 канала (64 кбит/сек); скорость потока Е1 равна 2,048 Мбит/с = 2048 Кбит/c = 2048000 бит/с.
Контрольные вопросы.
1. Что такое цикл передачи?
2. Что такое канальный интервал?
3. Что такое тактовый интервал?
4. Как рассчитать тактовую частоту ЦСП?
5. Спектр частот двоичного цифрового сигнала.