Изучение структуры цифрового потока Е1

Цель работы – получение практических навыков измерений параметров цифрового потока уровня Е1, знакомство с особенностями структуры потока.

Основные понятия

Уровень Е1 относится к плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ, английская аббревиатура PDH – Plesiohronous Digital Hierarchy) и формирует с помощью цифровых сумматоров 30-канальный групповой поток. Реализация потока основана на методе временного разделения каналов. Структурная схема потока Е1 приведена на рис. 11.

Поток Е1 является основным каналом, используемым в сетях телефонии, передачи данных и ISDN. Он является базовым элементом в интерфейсе первичного уровня PRI (Primary Rate Interface). Он используется для организации межстанционной связи или для подключения абонентской системы большой производительности (например, учрежденческая АТС). Протоколы физического уровня для PRI определены в Рекомендациях I.431 G.703 ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication, отечественное обозначение – МСЭ-Т – Международный союз электросвязи (Секция Телекоммуникаций)). PRI имеет конфигурацию «от точки к точке». PRI можно представить в виде структуры 30В+D (Европейский стандарт Е1). Скорость передачи на PRI по каждому из 30 информационных В-каналов и сигнальному D-каналу составляет 64 кбит/с. В целом тридцать два временных интервала со скоростью передачи данных 64 кбит/с в каждом объединяются в один цикл [5]. Как видно из рис. 11, Е1 имеет свои особенности: наличие цикловой синхронизации (КИ0), сверхцикловой синхронизации и канала сигнализации (КИ16). Остальные уровни PDH имеют только цикловую структуру.

Структура потока Е1 включает три уровня эталонной модели OSI: физический, канальный и сетевой. Физический уровень отвечает за электрические параметры Е1, его интерфейс; канальный уровень реализует процедуры мультиплексирования и демультиплексирования основных цифровых каналов (ОЦК, 64 кбит/с), цикловую и сверхцикловую структуру Е1, контроль ошибок и т.д. Сетевой уровень описывает процедуру управления каналом Е1, осуществляет контроль параметров ошибок на сетевом уровне.

В линии связи присутствуют согласующие трансформаторы, усилители, которые искажают форму сигнала. Первичные и вторичные параметры линии связи также искажают импульсы, что выражается в затягивании

фронтов и спадов формы импульсов (рис. 12). Все это может привести к появлению межсимвольных помех, увеличению коэффициента ошибок и потере информации [6].

Рис. 12. Искажения импульсов в линии связи

Поэтому для передачи цифровой информации используются линейные коды, повышающие помехоустойчивость системы передачи. Одним из распространенных линейных кодов является код HDB3 (High Density Bipolar сode of order 3). Он рекомендуется документами ITU-T в качестве кода передачи для PRI со скоростью цифрового потока 2.048 Мбит/с. Отечественное название этого кода – код с высокой плотностью единиц (КВП-3). Особенностью кода является наличие защитного интервала. Использование защитного интервала в линейном коде позволяет значительно уменьшить появления межсимвольных помех и повысить помехоустойчивость системы передачи.

Известно, что энергетический спектр двоичного цифрового сигнала имеет в наличии непрерывные и дискретные составляющие. На рис. 13б показана форма спектра двоичного сигнала. Основная энергия передаваемого сигнала (примерно 95 %) содержится в первом лепестке, ширина которого зависит от длительности импульса τ двоичного цифрового сигнала.

Рис. 13. Осциллограмма двоичного цифрового сигнала (а) и его спектр (б)

Как видно из рисунка 13, с уменьшением длительности импульса увеличивается частота передаваемого сигнала. В связи с этим увеличивается затухание сигнала в линии связи, что ограничивает дальность передачи. Следовательно, спектр потока Е1 зависит от длительности импульса, которая, согласно структурной схеме рис. 11, определяется следующим образом. Вся информация размещена в одном цикле (Т_ц=125 мкс, это время определяется теоремой Котельникова). Так как в потоке Е1 передается 32 канальных интервала, то время, выделяемое на передачу одного канального интервала τ_ки = Т_ц /32 = 125 мкс/32 = 3,91 мкс. Канальный интервал состоит из 8 разрядов, поэтому время, выделяемое на передачу одного разряда τ_р = τ_ки/8 = 3,91 мкс/8 ≈ 488 нс. Так как для передачи потока Е1 используется линейный код HDB-3, содержащий защитный интервал, то реальная длительность импульса равна 244 нс и, следовательно, интересующая нас ширина спектра потока Е1 примерно равна 4 МГц.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Е1 — стандарт цифровой передачи данных, соответствующий первичному уровню европейского стандарта PDH. Является результатом развития американского T1, в отличие от которого имеет 32 канала — 30 каналов для голоса или данных и 2 канала для сигнализации (30B+D+H). Каналы разделяются по времени. Каждый из 32 каналов имеет пропускную способность 64 кбит/с; таким образом, общая пропускная способность E1 — 2048 кбит/с (2048000 бит/c).

Один из каналов сигнализации служит для синхронизации оконечного оборудования, другой — для передачи данных об устанавливаемых соединениях.

На физическом уровне характеристики интерфейса E1 соответствуют стандарту ITU-TG.703.

Передаваемые по линии E1 данные организованы в кадры (англ.frame). Формат кадра E1 показан на рисунке, где кадры называются циклами. Использование именно 16 кадров не обязательно, но рекомендовано для некоторых типов сигнализаций.

Каждый кадр E1 содержит 256 бит, разделённых на 32 временных интервала (тайм-слота, на рисунке — канальные интервалы, КИ) по 8 бит в каждом и содержащих передаваемые данные одного канала. Скорость передачи составляет 8 000 кадров в секунду и, следовательно, для каждого канала данных обеспечивается полоса 64 кбит/с. Число доступных пользователю тайм-слотов составляет от 0 до 31, в зависимости от сигнализации, чаще всего 30 (слот 0 зарезервирован для служебной информации, слот 16 рекомендован, но не обязателен для служебной информации). Соответственно для передачи данных и голоса могут использоваться слоты с 1 по 31.

Чтобы корректно демультиплексировать принимаемые данные, приёмник должен знать, где начинается каждый кадр. Для этого служит специальный синхросигнал (FAS, англ.frame alignment signal). Он представляет собой фиксированную комбинацию из семи битов (0011011), передаваемых в первом временном интервале чётных кадров.

В каждом кадре без FAS (нечётные кадры) нулевой тайм-слот содержит вспомогательную информацию:

Для расширения объёма полезной информации без расширения полосы кадры организуются в более крупные структуры — мультикадры (англ.multiframes).

Мультикадры 256S требуют использования специальных последовательностей выравнивания MAS (англ.Multiframe Alignment Sequence), передаваемых в тайм-слоте 16, 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 синхросигнал (FAS). Структура мультикадра CRC-4 идентифицируется шестибитовым сигналом выравнивания мультикадра CRC-4 (англ.multiframe alignment signal), 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 (англ.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 приёмной стороне контрольная сумма рассчитывается заново для каждой части мультикадра и полученное значение сравнивается с переданной контрольной суммой (она содержится в следующей части мультикадра). Результат передаётся 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 (англ.High-Density Bipolar order 3 encoding).

Структура потока Е1. Скорость потока Е1

Формат модуляции HDB3 является развитием метода AMI (англ.Alternate Mark Inversion, поочерёдное 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 трёх импульсов). В более длинные последовательности на передающей стороне вставляются ненулевые импульсы. Чтобы обеспечить на приёмной стороне детектирование и удаление лишних импульсов, для восстановления исходного сигнала используются специальные нарушения биполярности (bipolar violations) в последовательности данных. Приёмная сторона воспринимает такие нарушения 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 путём установки бита A (см. рисунок).

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 (Alarm Indication Signal) 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.

Цикл передачи имеет длительность 125мкс и состоит из 1056 позиций.Цикл разделен на 4 субцикла, одинаковых по длительности.Первые восемь позиций первого субцикла заняты комбинацией 111001100, представляющей собой цифровой синхросигнал объединенного потока.Остальные 256 позицией первого субцикла(с 9-й по 264-ю вклю)заняты информацией посимвольно объединенных потоков.

Потоки Е3,Е4

Поток Е3, 34 Мбит/с

На рисунке показан один кадр потока Е3. Его длительность составляет 125 мкс. Кадр содержит 9 строк по 59 байт в каждом и 6 дополнительных байт для передачи сигналов синхронизации и служебной информации.

Структура цифрового потока уровня Е1

Скорость потока составляет 34.368 Мбит/с. Емкость по переносу ячеек составляет 33.92 Мбит/с.

Что такое поток Е1?

Канал Е1 как средство высокоскоростной передачи данных в несколько потоков

В IP-телефонии для передачи сигнала используется поток Е1 – поток цифрового канала данных, общая пропускная способность которого достигает 2048 кбит/секунду. Любой поток Е1 можно передать по оптической или меддной линии с помощью оптического мультиплексора или модема.

Что такое поток Е1?

При этом используется стандартное качество речевого сигнала 64 кбит/секунду, так что общий поток может разделяться на 30 таких каналов. Кроме того, Е1 имеет два канала для сигнализации, один из которых используется для синхронизации оборудования. Для работы потока применяется двухполярная высокоплотная схема кодирования HDB3. Сверхцикловая структура работы и каналы сигнализации можно назвать одним из главных преимуществ E1-потока по сравнению с обычными схемами передачи данных.

Передача сигнала осуществляется по отдельной линии, в качестве которой можно использовать как симметричную витую пару, так и коаксиальный кабель. Это оборудование является необходимым для любого интернет-подключения, поэтому все пользователи компьютеров с выходом в сеть могут пользоваться услугами IP-телефонии через этот канал. Корпоративные и городские системы связи также можно организовать подобным образом, для чего используются специально сконструированные для работы с цифровыми данными коммутаторы потоков. Это снижает затраты, например, на организацию корпоративной внутренней сети, данные по которой распространяются с большей скоростью, а работа может идти сразу в несколько потоков. При этом позволяется даже использование внутренней нумерации: каждый IP локальной сети или Интернет, подключенный к такому коммутатору, привязывается к определенному номеру в рамках группы. 

По сравнению с потоками данных обычной телефонии E1 имеет большую пропускную способность, но качество при этом сильно зависит от нагрузки на сети. Протоколы шифрования и кодирования речевого сигнала в цифровой устроены таким образом, чтобы передавать большие объемы данных порционно либо использовать восстановление информации в процессе передачи. Для каждого отдельного потока Е1 можно назначить свой протокол сигнализации, защищая связь от потерь, вторжения либо утечки данных по подключенным каналам. Разделение на 30 потоков также позволяет осуществлять связь одновременно с несколькими абонентами, что дает широкие возможности для организации конференций с использованием IP-сетей либо поддерживать разные линии внутренней связи. По структуре канал E1 организован гораздо удобней стандартных европейских сетей, так как он поддерживает сверхцикличность против обычной цикличности.

Новые технологии телекоммуникаций стали развиваться в сетях связи, как известно, с переходом от аналоговых к цифровым методам передачи данных, основанным на мультиплексировании с временным разделением каналов и технологии представления сигнала с помощью ИКМ.

При использовании цифровых методов мультиплексор формирует, как известно, из n входных цифровых последовательностей одну выходную, состоящую из повторяющихся групп — по n одноименных блоков (состоящих из бит, байт или полей длиной в несколько байтов), сформированных за n временных интервалов (именуемых "тайм-слотами"). Мультиплексор тео­ретически должен при этом обеспечить скорость передачи данных порядка nхv, где v — скорость передачи данных одного входного канала, предполагаемая одинаковой для всех каналов.

Если в качестве входного используется сигнал основного цифрового канала ОЦК, имеющего скорость передачи 64 кбит/с (для речевого сообщения), то с помощью одного мультиплексора можно теоретически формировать цифровые потоки данных со скоростями nх64 кбит/с. К этой повторяющейся группе добавляются группы бит, необ­ходимых для осуществления синхронизации, сигнализации, контроля ошибок.

В резуль­тате чего группа приобретает структуру фрейма. Если считать этот уровень мультиплексирования первичным в схеме последовательного, каскадного, мультиплексирования вторичного, третичного и т.д. уровней, использующих муль­типлексоры типа m:1, l:1, к:1…, то можно сформировать различные иерархические наборы циф­ровых скоростей передачи, или цифровые иерархии. Они позволяют довести процесс мультип­лексирования, или уплотнения каналов, до необходимого уровня, дающего требуемое число кана­лов ОЦК на выходе.

Такие цифровые иерархии получили общее название: плезиохронные цифровые иерархии — ПЦИ (или PDH).

В первой из них, принятой в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК, порожденного первым уровнем мультиплексирования, была при­нята скорость Т1 = 1544 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования n = 24) и два­дцать четыре ОЦК по 64 кбит/с можно было использовать для передачи голоса или данных.

Во второй, принятой в Японии, в качестве скорости ПЦК использовалась та же скорость 1544 кбит/с.

В третьей, принятой в Европе и Южной Америке, в качестве скорости ПЦК была приня­та скорость 2048 кбит/с (т.е. коэффициент первичного мультиплексирования n = 30) и тридцать ОЦК по 64 кбит/с (основной формат) использовались для передачи голоса и данных. Два допол­нительных тайм-слота (0 и 16) предназначались для организации каналов по 64 кбит/с для синхронизации (0 тайм-слот) и сигнализации или управле­ния (16 тайм-слот).

Первая иерархия

Она была порождена скоростью ОЦК, давала последовательность каналов вида: ПЦК – ВЦК (вторичный цифровой канал) – ТЦК – ЧЦК или последовательность скоростей с номинальными значениями в виде ряда: 1544-6312-44736- 274176 кбит/с. С учетом скорости ОЦК (одинаковой для всех трех иерархий), указанный ряд скоростей
соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования n=24, m=4, l=7, к=6. Эта иерархия по­зволяет передавать соответственно: 24, 96, 672 и 4032 канала ОЦК. Это
американская система (АС) иерархии.

Вторая иерархия

Она была порождена скоростью ОЦК, давала последовательность каналов вида: ПЦК – ВЦК–ТЦК–ЧЦК — 5ЦК или последовательность скоростей: 1544 — 6312 — 32064 – 97728 – 397200 кбит/с. Что с учетом скоро­сти ОЦК, соответствует ряду коэффициентов мультиплексирования: n=24, m=4, 1=5, k=3, i=4. Указанная иерархия позволяет передавать соответственно: 24, 96, 480, 1440 и 5760 каналов ОЦК. Это
японская система (ЯС) иерархии.

Третья иерархия

Она была порождена также скоростью ОЦК, давала последовательность каналов вида: Е1 -Е2 — ЕЗ — Е4 — Е5 или последовательность скоростей: 2048 — 8448 — 34368 — 139264 — 564992 — кбит/с, что соответствует ряду коэф­фициентов: n=30 (31), m=4, 1=4, k=4, i=4, (т.е. после nкоэффициент мультиплексирования в этой иерархии выбирался постоянным и равным 4). Указанная иерархия позволяет передавать соответ­ственно 30, 120, 480, 1920 и 7680 каналов ОЦК, что отражается и в названии ИКМ систем: ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д. Это европейская система (ЕС) иерархии.

При формировании первичного уровня иерархии использовалась схема мультиплексиро­вания с байт-интерливингом (чередованием байтов/октетов).

При использовании каскадного мультиплексирования даже при достаточно жесткой, но локальной, синхронизации входных последовательностей, подаваемых на мультип­лексор от разных абонентов при приеме/передаче, приходится для целей общей синхронизации цифровых потоков выравнивать (синхронизировать) цифровые последовательно­сти перед мультиплексированием, добавляя выравнивающие биты (т.е. осуществляя так называе­мую процедуру стаффинга) к входным цифровым последовательностям. Все это приводит к то­му, что, начиная с формирования вторичных цифровых каналов (и далее), приходится использо­вать схему мультиплексирования с бит-интерливингом (чередованием бит, а не байтов), что, с учетом процедуры стаффинга, делает невозможным идентификацию байтов каждого канала в об­щем потоке уже после второго уровня мультиплексирования.

Т.е. на верхних уровнях иерархии используется внутренняя побитовая синхронизация, при которой мультиплексор сам выравнивает скорости входных потоков, например, путем добав­ления нужного числа выравнивающих бит в каналы с относительно меньшими скоростями пере­дачи.

Это наиболее простой вариант, характерный для международных процедур стаффинга, на­зывается положительным согласованием скоростей, хотя могут использоваться и другие варианты, когда выравнивание скоростей осуществляется путем изъятия бит из каналов с большими скоростями (этот вариант называется отрицательным согласованием скоростей), или сочетаются оба процесса добав­ления/изъятия, что используется в российских вариантах процедур стаффинга. Благодаря этому на выходе мультиплексора формируется синхронизированная цифровая последовательность.

Информация о вставленных/изъятых битах передается по каналам управления, формируе­мым отдельными битами в структуре фрейма в рамках общего потока управления. На каждом последующем уровне мультиплексирования эта схема повторяется, добавляя новые вы­равнивающие биты. Эти биты затем удаляются/добавляются при демультиплексировании на приемной стороне для восстановления исходной цифровой последовательности. Такой процесс передачи получил название плезиохрониого (т.е. почти синхронного), а цифровые иерархии АС, ЕС и ЯС получили соответственно название плезиохроиных цифровых иерархий ПЦИ (PDH).

Недостатком систем передачи плезиохронной цифровой иерархии является то, что при нарушении синхрони­зации группового сигнала восстановление синхронизации пер­вичных цифровых потоков происходит многоступенчатым пу­тем, а это занимает довольно много времени.

Что такое цифровой поток Е1?

Но самое главное – это почти полное отсутствие возможностей автоматически контролировать состояние сети связи и управ­лять ею. А без этого создать надежную сеть с высоким качеством обслуживания практически невозможно. Все эти факторы и побудили разработать еще одну цифровую иерар­хию.