NGN - Kurzanleitung

Das Aufkommen der Hochgeschwindigkeits-Sprach- und Datenkommunikation hat die Notwendigkeit eines schnellen Mediums für den Informationstransport mit sich gebracht. Digitale Schaltungen oder Verbindungen haben sich aus der Notwendigkeit heraus entwickelt, Sprache oder Daten in digitaler Form zu übertragen.

Die Konvertierung von analoger in digitale Form erfolgt in vier Schritten ( siehe folgende Abbildung ) und wird in den folgenden Abschnitten detailliert beschrieben.

Probenahme

Sprachfrequenzen haben die Form eines analogen Signals, dh einer Sinuswelle ( siehe folgende Abbildung ). Dieses Signal muss in eine binäre Form umgewandelt werden, damit es über ein digitales Medium übertragen werden kann. Die erste Stufe dieser Umwandlung besteht darin, das Audiosignal in ein umzuwandelnPulse Amplitude Modulation(PAM)Signal. Dieser Prozess ist allgemein bekannt alssampling.

Der Abtastvorgang muss ausreichende Informationen von den eingehenden Sprachfrequenzen sammeln, damit eine Kopie des ursprünglichen Signals erstellt werden kann. Sprachfrequenzen liegen normalerweise im Bereich von300Hz to 3400Hz, typischerweise bekannt als die commercial speech band.

Um eine Probe zu erhalten, wird eine Abtastfrequenz auf die ursprüngliche Sprachfrequenz angewendet. Die Abtastfrequenz wird bestimmt durch dieNyquist Sampling Theorem, was das diktiert “the frequency of sampling should be at least twice the highest frequency component.”

Dies stellt sicher, dass eine Probe mindestens einmal in jedem Halbzyklus entnommen wird, wodurch die Möglichkeit der Probenahme an Nullpunkten des Zyklus, die keine Amplitude haben würden, ausgeschlossen ist. Dies führt dazu, dass die Abtastfrequenz mindestens 6,8 kHz beträgt.

Die europäische Norm tastet ein eingehendes Signal bei ab 8 KHZ, um eine Probe zu gewährleisten, wird jeder genommen 125micro secondsoder 1/8000 Sekunde ( siehe folgende Abbildung ).

Quantisierung

Der Amplitude jeder Probe würde idealerweise ein Binärcode (1 oder 0) zugewiesen, aber da es eine unendliche Anzahl von Amplituden geben kann; Daher muss eine unendliche Anzahl von Binärcodes verfügbar sein. Dies wäre unpraktisch, daher muss ein anderes Verfahren angewendet werden, das als bekannt istquantizing.

Die Quantisierung vergleicht das PAM-Signal mit einer Quantisierungsskala, die eine endliche Anzahl von diskreten Pegeln aufweist. Die Quantisierungsskala teilt sich in 256 Quantisierungsstufen auf, von denen 128 positive und 128 negative Stufen sind.

In der Quantisierungsstufe wird ein eindeutiger 8-Bit-Binärcode zugewiesen, der dem Quantisierungsintervall entspricht, in das die Amplitude des PAM-Signals fällt ( siehe folgende Abbildung ).

Dies umfasst 1 Polaritätsbit, wobei die verbleibenden 7 Bits zur Identifizierung des Quantisierungspegels verwendet werden ( wie in der obigen Abbildung gezeigt ).

Das erste Bit, wie zuvor gesehen, ist das Polaritätsbit, die nächsten drei Bits für den Segmentcode, die acht Segmentcodes ergeben, und die verbleibenden vier Bits für den Quantisierungspegel, was sechzehn Quantisierungspegel ergibt.

Companding

Der Quantisierungsprozess selbst führt zu einem Phänomen, das als bekannt ist quantization distortion. Dies tritt auf, wenn die abgetastete Signalamplitude zwischen die Quantisierungspegel fällt. Das Signal wird immer auf den nächsten ganzen Pegel aufgerundet. Dieser Unterschied zwischen dem Abtastpegel und dem Quantisierungspegel ist die Quantisierungsverzerrung.

Die Änderungsrate der Amplitude eines Signals variiert an verschiedenen Stellen des Zyklus. Dies geschieht am häufigsten bei hohen Frequenzen, da sich die Amplitude des Signals schneller ändert als bei niedrigen Frequenzen. Um dies zu überwinden, hat der erste Segmentcode die Quantisierungspegel nahe beieinander. Der nächste Segmentcode ist dann doppelt so hoch wie der vorherige und so weiter. Dieser Vorgang ist bekannt alscompanding, da es größere Signale komprimiert und kleinere Signale erweitert.

In Europa nutzen sie die A-law im Vergleich zu Nordamerika und Japan, die die μ law.

Da die Quantisierungsverzerrung dem Rauschen entspricht, verbessert das Kompandieren das Signal-Rausch-Verhältnis bei Signalen mit niedriger Amplitude und erzeugt ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis über den gesamten Amplitudenbereich.

Codierung

Damit die binären Informationen über einen digitalen Pfad übertragen werden können, müssen die Informationen in einen geeigneten Zeilencode geändert werden. Die in Europa verwendete Codierungstechnik ist bekannt alsHigh Density Bipolar 3 (HDB3).

HDB3 wird von einem Zeilencode namens AMI oder abgeleitet Alternate Mark Inversion. Innerhalb der AMI-Codierung werden 3 Werte verwendet: kein Signal zur Darstellung einer binären 0 und ein positives oder negatives Signal, das abwechselnd zur Darstellung einer binären 1 verwendet wird.

Ein mit der AMI-Codierung verbundenes Problem tritt auf, wenn eine lange Folge von Nullen übertragen wird. Dies kann zu Problemen mit der Phasenregelschleife am Empfänger am entfernten Ende führen.

HDB3funktioniert ähnlich wie AMI, enthält jedoch einen zusätzlichen Codierungsschritt, der eine beliebige Zeichenfolge mit vier Nullen durch drei Nullen ersetzt, gefolgt von einem "Verletzungsbit". Diese Verletzung hat die gleiche Polarität wie der vorherige Übergang ( siehe folgende Abbildung ).

Wie im Beispiel zu sehen ist, ersetzt 000V die erste Zeichenfolge von vier Nullen. Die Verwendung dieser Art der Codierung könnte jedoch dazu führen, dass ein mittlerer Gleichstrompegel in das Signal eingeführt wird, da eine lange Folge von Nullen vorhanden sein könnte, die alle auf die gleiche Weise codiert werden. Um dies zu vermeiden, wird die Codierung jeder aufeinanderfolgenden vier Nullen in B00V geändert, indem ein Bit "Bipolare Verletzung" verwendet wird, dessen Polarität wechselt.

Daraus kann angenommen werden, dass bei der HDB3-Codierung die maximale Anzahl von Nullen ohne Übergang drei beträgt. Diese Codierungstechnik wird oft als die bezeichnetmodulation format.

Multiplexing

Bisher haben wir uns nur auf einen Sprachkanal konzentriert. Jetzt müssen wir eine Anzahl dieser Kanäle in einem einzigen Übertragungsweg kombinieren, ein Prozess, der als bekannt istmultiplexing. Multiplexing ist ein Prozess, bei dem mehrere Kanäle kombiniert werden können, damit sie über einen einzigen Übertragungsweg übertragen werden können. Das in der Telefonie üblicherweise verwendete Verfahren ist bekannt alsTime Division Multiplexing (TDM).

Wie wir zuvor gesehen haben, findet jedes Mal ein Sampling für einen Kanal statt 125 micro seconds. Dies ermöglicht es, während dieser Zeit andere Kanäle abzutasten. In Europa ist die Zeitspanne unterteilt in32 Zeiträume, bekannt als timeslots. Diese 32 Zeitschlitze können dann zu einem zusammengefasst werdenframe( siehe folgende Abbildung ).

Folglich kann die Zeitdauer eines Rahmens als 125 Mikrosekunden betrachtet werden. Es kann nun auch angenommen werden, dass, da jeder Zeitschlitz aus 8 Datenbits besteht und 8000-mal wiederholt wird, eine Kanalrate von 64000 Bit pro Sekunde oder 64 KBit erreichbar ist. Mit diesen Informationen ist es nun möglich, die Gesamtzahl der über den einzelnen Pfad übertragenen Datenbits zu bestimmen, die alssystem bit rate. Dies wird nach folgender Formel berechnet:

Systembitrate = Abtastfrequenz x Anzahl der Zeitschlitze x Bits pro Zeitschlitz = 8000 x 32 x 8, = 2048000 Bit / s, = 2,048 Mbit

Von den 32 verfügbaren Kanälen werden 30 für die Sprachübertragung und die verbleibenden 2 Zeitschlitze für die Ausrichtung und Signalisierung verwendet. Im folgenden Abschnitt wird die Funktion aller Zeitschlitze erläutert.

Zeitfenster 1 bis 15 und 17 bis 31

Diese 30 Zeitschlitze stehen für die Übertragung des digitalisierten analogen Signals in 8-Bit-Form mit einer Bandbreite von 64 kbit / s (z. B. Kundendaten) zur Verfügung.

Zeitschlitz 0

Das von Europa empfohlene System definiert, dass der Zeitschlitz 0 jedes Frames für die Synchronisation verwendet wird, auch bekannt als frame alignment( siehe folgende Abbildung ). Dies stellt sicher, dass die Zeitschlitze in jedem Rahmen zwischen der Sendestation und der Empfangsstation ausgerichtet sind.

Das frame alignment word (FAW) wird in den Datenbits 2 bis 8 jedes geraden Rahmens übertragen, während die ungeraden Rahmen a tragen not frame alignment word(NFAW) in Datenbit 2 ( siehe folgende Abbildung ).

Eine Fehlerprüfung ist auch in Zeitschlitz 0 mit a verfügbar cyclic redundancy check (CRC), um die Rahmenausrichtung zu überprüfen, die in Datenbit 1 aller Rahmen übertragen wird. Es besteht auch die Möglichkeit der BerichterstattungFar End AlarmsDies wird dadurch angezeigt, dass eine binäre 1 in das Datenbit 3 aller ungeraden Rahmen eingefügt wird. Die verbleibenden Datenbits 4 bis 8 der ungeraden Rahmen können für nationale Alarme und Netzwerkverwaltung verwendet werden.

Zeitfenster 16

In Zeitschlitz 16 stehen 8 Datenbits zur Verfügung, und unter Verwendung eines variablen Codes von 4 Datenbits kann die Signalisierung für 2 Sprachkanäle in jedem Rahmen durchgeführt werden.

Daher ist ersichtlich, dass 15 Frames erforderlich sind, um die Signalisierung für alle Sprachkanäle abzuschließen ( siehe folgende Abbildung ).

Da jetzt mehrere Frames in einer logischen Reihenfolge übertragen werden, muss ein Gerät zum Ausrichten dieser vorhanden sein. Dies wird erreicht, indem der Rahmen vor den Rahmen verwendet wird, die Signalisierungsinformationen enthalten, die als Rahmen 0 bekannt sind.

Timeslot 16 in Frame 0 enthält ein multi-frame alignment word(MFAW) unter Verwendung der Datenbits 1 bis 4 und werden verwendet, um den Start eines Mehrfachrahmens anzuzeigen, die an der Empfangsstation überprüft werden ( siehe folgende Abbildung ).

Datenbit 6 kann zur Anzeige verwendet werden distant multi-frame alignment loss(DLMFA). Wie zu sehen ist, besteht ein Mehrfachrahmen aus allen Rahmen, die erforderlich sind, um alle Sprach- und Signalisierungsoperationen abzuschließen, dh 16 Rahmen, und ist als a bekanntmulti-frame( siehe folgende Abbildung ).

Die Dauer eines Multi-Frames kann wie folgt berechnet werden:

Dauer des Mehrfachrahmens = Anzahl der Bilder x Dauer des Rahmens

= 16 x 125 Mikrosekunden

= 2000 Mikrosekunden

= 2 Millisekunden

Die verbleibenden Kanäle können alle für die Sprach- oder Datenübertragung verwendet werden. Sie werden als Zeitschlitze 1 bis 15 und 17 bis 31 bezeichnet und entsprechen den Kanälen 1 bis 30.

FAW = Frame Alignment Word

MFAW = Multiframe Alignment Word

DATA = 8-Bit-Datenwörter

SIG = CAS-Signalisierungszeitschlitz

Die plesiochrone digitale Hierarchie (PDH) wurde schrittweise aus dem grundlegenden 30-Kanal-PCM-System (PCM-30) entwickelt.

Wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist, stehen drei verschiedene hierarchische Systeme zur Verfügung, die jeweils unterschiedliche Leitungsraten und Multiplexraten unterstützen. Die höheren Aggregatraten können daher erreicht werden, indem die niedrigeren Raten unter Verwendung von Multiplexern zusammengefasst werden.

Die Verbindungen mit höherer Bitrate erfordern auch zusätzliche Bits zum Einrahmen und Steuern. Beispielsweise umfasst ein 8,4-Mbit-Signal 4 × 2,048 Mbit = 8,192 Mbit, wobei die verbleibenden 256 Kbit zum Einrahmen und Steuern verwendet werden.

Die europäischen und nordamerikanischen Hierarchiesysteme werden häufig mit dem Buchstaben bezeichnet ‘E’ für europäische und ‘T’für Nordamerika, wobei die Hierarchieebenen fortlaufend nummeriert werden. Diese Hierarchieebenen können in der folgenden Abbildung verglichen werden:

Hierarchieebene Bitrate (Mbit) Sprachkanäle
Nordamerika T1 1,544 24
T2 6.312 96
T3 44.736 672
T4 274,176 4032
europäisch E1 2,048 30
E2 8.448 120
E3 34.368 480
E4 139,264 1920
Nicht definiert 565,148 7680

Diese Bitraten werden häufig mit 1,5 Meg, 3 Meg, 6 Meg, 44 Meg, 274 Meg und 2 Meg, 8 Meg, 34 Meg, 140 Meg bzw. 565 Meg abgekürzt.

Da das Erbe von PDH in der Telekommunikationsbranche so bedeutend ist, wurde es notwendig, diese Leitungsraten in jeder neu einzuführenden Technologie zu berücksichtigen. Daher werden viele der PDH-Leitungsraten von der Synchronous Digital Hierarchy (SDH) unterstützt. Die einzige Ausnahme ist das Weglassen des 8,4-Mbit-Levels, das keine praktische Bedeutung mehr hat und von SDH nicht unterstützt wird.

In dem grundlegenden 2-Mbit-System sind die Daten byteverschachtelt, wobei jeder 8-Bit-Zeitschlitz nacheinander gesendet wird. Bei den höheren Hierarchieebenen werden die Datenströme Bit für Bit miteinander gemultiplext. Ein Nachteil dieses Systems besteht darin, dass die Bitrate jedes Nebensignals vom Nennwert abweichen kann, da jeder Multiplexer seine eigenen unabhängigen Taktversorgungen hat. Diese Taktabweichungen hängen von der Leitungsrate ab und können durch Verwendung von Rechtfertigungstechniken innerhalb der nach der Multiplexstufe verbleibenden Bandbreite kompensiert werden. Die Leitungsrate bestimmt auch den für die Übertragung verwendeten Leitungscode, wie unten zu sehen ist -

Bitrate (Mbit) Anzahl der 64-Kbit-Kanäle Zulässige Taktabweichung (ppm) Schnittstellencode Bevorzugter Medium- / Zeilencode
Ausgewogen Koaxial Optische Faser
2,048 30 ± 50 AMI HDB3
8.448 120 ± 30 HDB3 HDB3 HDB3
34.368 480 ± 20 HDB3 HDB3

4B3T

2B1Q

5B6B
139,264 1920 ± 15 CMI 4B3T 5B6B

Eigenschaften von PDH

  • Plesiochron - "fast synchron"

  • Multiplexen von 2 Mbit / s-Signalen in Multiplexsignale höherer Ordnung.

  • Das Verlegen von Kabeln zwischen Switch-Standorten ist sehr teuer.

  • Erhöhen der Verkehrskapazität eines Kabels durch Erhöhen der Bitrate.

  • 4 Signale niedrigerer Ordnung werden auf jeder Ebene zu einem einzelnen Signal höherer Ordnung gemultiplext.

Die PDH-Technologie ermöglicht das sukzessive Multiplexen eines Signals von 2 M - 8 M, von 8 M - 34 M, von 34 M - 140 M und schließlich von 140 M - 565 M Systemen.

Es gab auch "Sprung" - oder "Sprung" -Muxe, die das Multiplexen von 16 2 M-Signalen in ein 34 M-Signal ohne den dazwischenliegenden 8 M-Pegel ermöglichen würden.

PDH-Einschränkungen

Synchronisation- Die Daten werden in regelmäßigen Abständen übertragen. Mit dem vom Oszillator des Senders abgeleiteten Timing werden die Daten mit der gleichen Rate abgetastet, mit der sie übertragen werden.

Die Daten werden in regelmäßigen Abständen übertragen. Mit dem vom Oszillator des Senders abgeleiteten Timing werden die Daten langsamer abgetastet als der Sender. Einer der Nachteile von PDH war, dass jedes Element unabhängig synchronisiert wurde. Damit Daten korrekt empfangen werden können, muss die Abtastrate auf der Empfängerseite mit der Übertragungsrate auf der Senderseite übereinstimmen.

Die Daten werden in regelmäßigen Abständen übertragen. Mit dem vom Oszillator des Senders abgeleiteten Timing werden die Daten schneller abgetastet als der Sender. Wenn der Oszillator auf der Empfängerseite langsamer als der auf der Senderseite läuft, würde der Empfänger einige der Bits des übertragenen Signals verfehlen.

Oder wenn der Empfängertakt schneller als der des Senders lief, würde der Empfänger einige der Bits zweimal abtasten.

Ausrichtungsbits werden zu Signalen niedrigerer Ordnung hinzugefügt, so dass sie mit einer einzigen Rate gemultiplext werden können. Der Geräteoszillator wird als Zeitquelle für den Bitratenanpassungsprozess in der niedrigeren Ordnung und auch im Multiplexverfahren verwendet. Ausrichtungsbits werden am empfangenen Ende verworfen, wenn die Signale demultiplext werden.

Aufgrund der verwendeten Synchronisationsmethoden war es unmöglich, in einem Gerät von einem Signal hoher Ordnung zu einem Nebensignal niedriger Ordnung zu demultiplexen. Es war notwendig, auf allen Ebenen zu entmultiplexen, um auf das Signal zuzugreifen, das an einem Standort gelöscht wurde, und dann alle anderen Kanäle wieder auf die höhere Rate zu multiplexen. Dies bedeutete, dass eine Menge Ausrüstung auf der Baustelle vorhanden sein musste, um dies zu erreichen. Dies ist als die bekanntPDH Mux Mountain. All diese Geräte nahmen viel Platz auf der Baustelle ein und erhöhten auch den Bedarf an Ersatzteilen auf der Baustelle.

Mangelnde Ausfallsicherheit in PDH-Netzwerken führte dazu, dass bei einem Glasfaserbruch der Datenverkehr verloren ging. Das PDH-Netzwerkmanagement meldet Alarme einfach an NOC-Betreiber. NOC-Mitarbeitern stehen keine Diagnose- oder Abhilfemaßnahmen zur Verfügung. Ein Wartungstechniker muss mit einem Mindestmaß an Informationen auf die Baustelle geschickt werden. Jedes Netzwerkelement erfordert eine Verbindung zum DCN-Netzwerk, da keine Einrichtungen zum Übertragen von Verwaltungsinformationen über das PDH-Netzwerk vorhanden sind.

Aufgrund fehlender Standards für die Zusammenschaltung war es nicht möglich, Geräte mehrerer Anbieter miteinander zu verbinden. Geräte können mit unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten, unterschiedliche Bitraten verwenden oder proprietäre optische Schnittstellen verwenden.

SDH Networks ersetzte PDH und hatte mehrere entscheidende Vorteile.

  • Die ITU-Empfehlungen von G.707, G.708 und G.709 bilden die Grundlage für die globale Vernetzung.

  • Netzwerke profitieren von der Ausfallsicherheit des Datenverkehrs, um den Verkehrsverlust im Falle eines Glasfaserausfalls zu minimieren.

  • Die integrierte Überwachungstechnologie ermöglicht die Remote-Konfiguration und Fehlerbehebung im Netzwerk.

  • Die flexible Technologie ermöglicht den Zugang zu Nebenflüssen auf jeder Ebene.

  • Die zukunftssichere Technologie ermöglicht schnellere Bitraten mit fortschreitender Technologie.

Während europäische PDH-Netze nicht mit US-Netzen verbunden werden konnten, können SDH-Netze beide Typen übertragen. Diese Folie zeigt, wie die verschiedenen PDH-Netzwerke verglichen werden und welche Signale über das SDH-Netzwerk übertragen werden können.

SDH - Netzwerktopologien

Leitungssystem

Ein einzelnes System ist ein System zur PDH-Netzwerktopologie. Datenverkehr wird nur an den Endpunkten des Netzwerks hinzugefügt und gelöscht. Endknoten werden am Ende des Netzwerks zum Hinzufügen und Löschen des Datenverkehrs verwendet.

In jedem SDH-Netzwerk kann ein Knoten verwendet werden, der als Regenerator bezeichnet wird. Dieser Knoten empfängt das SDH-Signal hoher Ordnung und sendet es erneut. Von einem Regenerator ist kein Verkehrszugang niedrigerer Ordnung möglich, und sie werden nur verwendet, um große Entfernungen zwischen Standorten zurückzulegen, bei denen die Entfernung bedeutet, dass die empfangene Leistung zu gering wäre, um Verkehr zu transportieren.

Ringsystem

Ein Ringsystem besteht aus mehreren Add / Drop-Muxes (ADMs), die in einer Ringkonfiguration verbunden sind. Auf den Datenverkehr kann an jedem ADM rund um den Ring zugegriffen werden, und es ist auch möglich, dass der Datenverkehr für Broadcast-Zwecke an mehreren Knoten unterbrochen wird.

Das Ringnetzwerk hat auch den Vorteil, dass es Verkehrssicherheit bietet, wenn ein Glasfaserbruchverkehr vorliegt, den ich nicht verloren habe. Die Ausfallsicherheit des Netzwerks wird später ausführlicher erläutert.

SDH-Netzwerksynchronisation

Während PDH-Netzwerke nicht zentral synchronisiert wurden, sind es SDH-Netzwerke (daher der Name synchrone digitale Hierarchie). Irgendwo im Betreibernetz wird eine primäre Referenzquelle sein. Diese Quelle wird im Netzwerk entweder über das SDH-Netzwerk oder über ein separates Synchronisationsnetzwerk verteilt.

Jeder Knoten kann zu Sicherungsquellen wechseln, wenn die Hauptquelle nicht mehr verfügbar ist. Es werden verschiedene Qualitätsstufen definiert und der Knoten wechselt die nächstbeste Qualitätsquelle, die er finden kann. In Fällen, in denen der Knoten das Timing der eingehenden Leitung verwendet, wird das S1-Byte im MS-Overhead verwendet, um die Qualität der Quelle zu kennzeichnen.

Die Quelle mit der niedrigsten Qualität, die einem Knoten zur Verfügung steht, ist im Allgemeinen sein interner Oszillator. In einem Fall, in dem ein Knoten auf seine eigene interne Taktquelle umschaltet, sollte dies so schnell wie möglich behoben werden, da der Knoten im Laufe der Zeit möglicherweise Fehler erzeugt.

Es ist wichtig, dass die Synchronisationsstrategie für ein Netzwerk sorgfältig geplant wird. Wenn alle Knoten in einem Netzwerk versuchen, ihren Nachbarn auf derselben Seite zu synchronisieren, erhalten Sie einen Effekt, der wie oben gezeigt als Zeitschleife bezeichnet wird. Dieses Netzwerk beginnt schnell, Fehler zu generieren, wenn jeder Knoten versucht, sich gegenseitig zu synchronisieren.

SDH-Hierarchie

Das folgende Diagramm zeigt, wie die Nutzlast aufgebaut ist, und sie ist nicht so beängstigend, wie es zunächst aussieht. In den nächsten Folien wird erläutert, wie das SDH-Signal aus den Nutzlasten der unteren Ebene aufgebaut wird.

STM-1 Rahmen

Der Frame besteht aus Zeilen mit 9 Overheads und 261 Nutzlastbytes.

Der Rahmen wird wie unten dargestellt zeilenweise übertragen. Die 9 Overhead-Bytes in einer Reihe werden übertragen, gefolgt von den 261 Bytes der Nutzlast. Die nächste Zeile wird dann auf ähnliche Weise übertragen, bis der gesamte Rahmen übertragen wurde. Der gesamte Frame wird in 125 Mikrosekunden übertragen.

STM-1 Gemeinkosten

Die ersten drei Zeilen des Overheads werden als Overheads des Repeater-Abschnitts bezeichnet. Die 4. Zeile bildet die AU-Zeiger, und die letzten 5 Zeilen enthalten die Overheads des Multiplexabschnitts.

Um die verschiedenen Arten von Overheads zu erklären, betrachten Sie ein System, bei dem die Nutzlast durch mehrere Zwischenregeneratoren geleitet wird, bevor sie den ADM erreicht, von dem sie hinzugefügt / gelöscht wird.

Die Overheads des Repeater-Abschnitts werden für die Kommunikation und Überwachung zwischen zwei benachbarten Knoten verwendet.

Die Multiplex-Abschnitts-Overheads werden für die Kommunikation und Überwachung zwischen zwei Knoten verwendet, die über Add / Drop-Funktionen wie ADMs verfügen.

Auf einer niedrigeren Ebene gibt es auch Pfad-Overheads, die auf einer Nebenfluss-Ebene hinzugefügt werden. Diese werden später ausführlicher erläutert.

Die Überwachung verschiedener Overhead-Alarme erleichtert das Auffinden von Problemen im Netzwerk. Ein RS-Alarm zeigt ein Problem auf der HO SDH-Seite zwischen zwei Knoten an. Wenn Sie einen MS-Alarm untersuchen, können Sie Probleme an den Regeneratorknoten ausschließen.

SDH-Pfadverfolgung

Die Pfadverfolgung kann sehr nützlich sein, um Verbindungsprobleme zwischen Knoten zu lokalisieren. Innerhalb optischer Rahmen zwischen zwei Knoten können verschiedene physikalische Verbindungen wie Spleiße und Flecken vorhanden sein. Jeder Knoten wird vom Netzbetreiber so konfiguriert, dass er eine eindeutige Zeichenfolge sendet, die ihn identifiziert.

Jeder Knoten ist auch mit der Zeichenfolge konfiguriert, die er von seinem Nachbarknoten empfangen soll.

Wenn die vom Knoten empfangene Pfadverfolgung mit der erwarteten übereinstimmt, ist alles in Ordnung.

Wenn die empfangene Pfadverfolgung nicht mit der vom Knoten erwarteten Ablaufverfolgung übereinstimmt, weist dies auf ein Problem mit der Verbindung zwischen den Knoten hin.

SDH-Management

Die in den Abschnitts-Overheads enthaltenen DCC-Kanäle ermöglichen eine einfache Verwaltung des SDH-Netzwerks. Ein Netzwerkverwaltungssystem, das mit einem Knoten im Netzwerk verbunden ist, kann über die DCC-Kanäle mit anderen Knoten im Netzwerk kommunizieren. Der Knoten, der mit dem DCN-Netzwerk verbunden ist, wird als Gateway-Knoten bezeichnet. Aus Gründen der Ausfallsicherheit befinden sich normalerweise mehr als ein Gateway-Knoten im Netzwerk.

SDH Network Resilience

In einer Ringkonfiguration wird Datenverkehr vom ursprünglichen ADM (Add / Drop Multiplexer) über beide Routen um den Ring gesendet. Bei jedem ADM, bei dem das Signal nicht fallen gelassen wird, wird es einfach durchlaufen. Obwohl der Verkehr über beide Routen um den Ring verläuft, aber nur eine Route verwendet wird, um den Verkehr vom empfangenden ADM zu extrahieren, ist diese Route dieactive routeoder Pfad. Die andere Route ist als bekanntstandby route oder Pfad.

Wenn auf dem aktiven Pfad ein Faserbruch vorliegt, schaltet der empfangende ADM unter Verwendung des alternativen Signals als aktiven Pfad. Dies ermöglicht eine schnelle und automatische Wiederherstellung des Verkehrsflusses zu den Kunden. Wenn der Glasfaserbruch repariert ist, schaltet der Ring nicht automatisch zurück, da dies einen weiteren Verkehrstreffer verursachen würde, sondern verwendet diesen als Standby-Pfad für den Fall eines zukünftigen Ausfalls auf dem neuen aktiven Pfad. Der MUX, der Datenverkehr verliert, verwendet die K Bytes, um den Schutzschalter zurück zum ursprünglichen MUX zu signalisieren.

Manuelle Ringschalter können auch entweder vom Netzwerkverwaltungszentrum oder von lokalen Terminals ausgeführt werden, die von Ingenieuren betrieben werden.

WDM ist eine Technologie, mit der verschiedene optische Signale von einer einzelnen Faser übertragen werden können. Sein Prinzip ist im Wesentlichen dasselbe wie beim Frequenzmultiplex (FDM). Das heißt, mehrere Signale werden unter Verwendung verschiedener Träger übertragen, die nicht überlappende Teile eines Frequenzspektrums belegen. Im Fall von WDM liegt das verwendete Spektralband im Bereich von 1300 oder 1550 nm, was zwei Wellenlängenfenster sind, bei denen optische Fasern einen sehr geringen Signalverlust aufweisen.

Anfangs wurde jedes Fenster verwendet, um ein einzelnes digitales Signal zu übertragen. Mit dem Fortschritt optischer Komponenten wie DFB-Laser (Distributed Feedback), Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) und Fotodetektoren wurde schnell klar, dass jedes Sendefenster tatsächlich von mehreren optischen Signalen verwendet werden kann, die jeweils a belegen kleine Traktion des gesamten verfügbaren Wellenlängenfensters.

Tatsächlich ist die Anzahl der innerhalb eines Fensters gemultiplexten optischen Signale nur durch die Genauigkeit dieser Komponenten begrenzt. Mit der aktuellen Technologie können über 100 optische Kanäle zu einer einzigen Faser gemultiplext werden. Die Technologie wurde dann benanntdense WDM (DWDM).

Der Hauptvorteil von DWDM ist das Potenzial, die Glasfaserbandbreite um ein Vielfaches kostengünstig zu erhöhen. Das große Netzwerk von Fasern, das auf der ganzen Welt existiert, kann plötzlich seine Kapazität um ein Vielfaches vervielfachen, ohne dass lange neue Fasern benötigt werden - ein teurer Prozess. Offensichtlich müssen neue DWDM-Geräte an diese Fasern angeschlossen werden. Möglicherweise werden auch optische Regeneratoren benötigt.

Die Anzahl und Frequenz der zu verwendenden Wellenlängen wird von der ITU (T) standardisiert. Der verwendete Wellenlängensatz ist nicht nur für die Interoperabilität wichtig, sondern auch, um destruktive Interferenzen zwischen optischen Signalen zu vermeiden.

Die folgende Tabelle gibt die nominalen Mittenfrequenzen basierend auf dem minimalen Kanalabstand von 50 GHz an, der an der Referenz von 193,10 THz verankert ist. Es ist zu beachten, dass der Wert von C (Lichtgeschwindigkeit) gleich 2,99792458 x 108 m / s angenommen wird. zum Umwandeln zwischen Frequenz und Wellenlänge.

Das ITU-T-Gitter (innerhalb des C-Bandes), ITU (T) Rec. G.692

Nominale Mittenfrequenzen (THz) für einen Abstand von 50 GHz Nominale Mittenfrequenzen (THz) für einen Abstand von 100 GHz Nominale zentrale Wellenlängen (Nm)
196.10 196.10 1528,77
196.05 1529.16
196,00 196,00 1529,55
195,95 1529,94
195,90 195,90 1530.33
195,85 1530.72
195,80 195,80 1531.12
195,75 1531.51
195,70 195,70 1531,90
195,65 1532.29
195,60 195,60 1532.68
195,55 1533.07
195,50 195,50 1533.47
195,45 1533.86
195,40 195,40 1534.25
195,35 1534.64
195,30 195,30 1535.04
195,25 1535.43
195,20 195,20 1535.82
195,15 1536.22
195.10 195.10 1536,61
195.05 1537.00
195,00 195,00 1537,40
194,95 1537,79
194,90 194,90 1538.19
194,85 1538,58
194,80 194,80 1538,98
194,75 1539,37
194,70 194,70 1539,77
194,65 1540.16
194,60 194,60 1540,56
194,55 1540,95
194,50 194,50 1541.35
194,45 1541,75
194,40 194,40 1542.14
194,35 1542.54
194.30 194.30 1542.94
194,25 1543.33
194,20 194,20 1543.73
194,15 1544.13
194.10 194.10 1544.53
194.05 1544.92
194,00 194,00 1545.32
193,95 1545.72
193,90 193,90 1546.12
193,85 1546.52
193,80 193,80 1546.92
193,75 1547.32
193,70 193,70 1547.72
193,65 1548.11
193,60 193,60 1548.51
193,55 1548,91
193,50 193,50 1549.32
193,45 1549.72
193,40 193,40 1550.12
193,35 1550,52
193,30 193,30 1550,92
193,25 1551,32
193,20 193,20 1551,72
193,15 1552.12
193.10 193.10 1552,52
193.05 1552,93
193,00 193,00 1533.33
192,95 1553,73
192,90 192,90 1554.13
192,85 1554,54
192,80 192,80 1554,94
192,75 1555.34
192,70 192,70 1555,75
192,65 1556.15
192,60 192,60 1556,55
192,55 1556,96
192,50 192,50 1557,36
192,45 1557,77
192,40 192,40 1558,17
192,35 1558,58
192.30 192.30 1558,98
192,25 1559,39
192,20 192,20 1559,79
192.15 1560,20
192.10 192.10 1560,61

DWDM im Netzwerk

Ein typisches SDH-Netzwerk hat zwei Fasern auf jeder Seite jedes Knotens, eine zum Senden an seinen neighbor on und eine von seiner zu erhalten neighbor on.

Während es nicht schlecht klingt, zwei Fasern zwischen einem Standort zu haben, werden in der Praxis wahrscheinlich viele Systeme zwischen Standorten ausgeführt, obwohl sie nicht Teil desselben Netzwerks sind.

Mit nur den beiden oben gezeigten Netzwerken sind jetzt vier Fasern zwischen den Standorten C und D erforderlich, und das Verlegen zwischen den Standorten ist extrem teuer. Hier kommen DWDM-Netzwerke ins Spiel.

Bei Verwendung eines DWDM-Systems wird die zwischen den Standorten C und D erforderliche Fasermenge auf eine einzelne Faser reduziert. Moderne DWDM-Geräte können bis zu 160 Kanäle multiplexen, was eine massive Einsparung an Glasfaserinvestitionen darstellt. Da DWDM-Geräte nur mit dem physischen Signal arbeiten, wirkt sich dies überhaupt nicht auf die SDH-Schicht des Netzwerks aus. Das SDH-Signal wird für das SDH-Netzwerk nicht beendet oder unterbrochen. Es besteht weiterhin eine direkte Verbindung zwischen den Standorten.

DWDM-Netzwerke sind protokollunabhängig. Sie transportieren Lichtwellenlängen und arbeiten nicht auf der Protokollschicht.

DWDM-Systeme können den Netzbetreibern beim Verlegen von Glasfasern viel Geld sparen, noch mehr über große Entfernungen. Mit optischen Verstärkern ist es möglich, ein DWDM-Signal über große Entfernungen zu übertragen.

Ein Verstärker empfängt ein DWDM-Signal mit mehreren Wellenlängen und verstärkt es einfach, um den nächsten Ort zu erreichen.

Ein Operationsverstärker verstärkt entweder die roten oder blauen Lambdas. Wenn er die roten Lambdas verstärkt, fallen die empfangenen blauen Kanäle aus und umgekehrt. Um in beide Richtungen zu verstärken, ist einer der beiden Verstärkertypen erforderlich.

Damit das DWDM-System zufriedenstellend arbeitet, sollten die ankommenden Wellenlängen zum optischen Verstärker ausgeglichen werden.

Dies beinhaltet das Einstellen aller eingehenden optischen Quellen in das DWDM-System auf ähnliche optische Leistungspegel. Wellenlängen, die nicht ausgeglichen wurden, können Fehler beim Transportieren von Verkehr anzeigen.

Einige Hersteller von DWDM-Geräten unterstützen Außendiensttechniker, indem sie die optischen Leistungen der eingehenden Kanäle messen und empfehlen, für welche Kanäle eine Leistungsanpassung erforderlich ist.

Das Ausgleichen der Wellenlängen kann auf verschiedene Arten erfolgen; Ein variabler optischer Abschwächer kann zwischen dem Faserverwaltungsrahmen und dem DWDM-Koppler angebracht werden - ein Techniker kann das Signal auf der Seite des DWDM-Kopplers einstellen.

Alternativ kann das Quellgerät optische Sender mit variablem Ausgang aufweisen, wodurch ein Ingenieur die optische Leistung durch Software am Quellgerät einstellen kann.

Einige DWDM-Koppler verfügen über integrierte Dämpfungsglieder für jeden empfangenen Kanal. Ein Techniker kann jeden Kanal am DWDM-Zugangspunkt anpassen.

Wenn sich mehrere Lichtfrequenzen durch eine Faser bewegen, kann ein Zustand auftreten, der als Vierwellenmischung bekannt ist. Neue Wellenlängen des Lichts werden innerhalb der Faser bei Wellenlängen / Frequenzen erzeugt, die durch die Frequenz der ursprünglichen Wellenlängen bestimmt werden. Die Frequenz der neuen Wellenlängen ist gegeben durch f123 = f1 + f2 - f3.

Das Vorhandensein der Wellenlängen kann das optische Signal-Rausch-Verhältnis innerhalb der Faser nachteilig beeinflussen und die BER des Verkehrs innerhalb einer Wellenlänge beeinflussen.

WDM-KOMPONENTEN

WDM-Komponenten basieren auf verschiedenen optischen Prinzipien. Die folgende Abbildung zeigt eine einzelne WDM-Verbindung. DFB-Laser werden als Sender verwendet, einer für jede Wellenlänge. Ein optischer Multiplexer kombiniert diese Signale in der Übertragungsfaser. Optische Verstärker werden verwendet, um die optische Signalleistung hochzupumpen und Systemverluste auszugleichen.

Auf der Empfängerseite trennen optische Demultiplexer jede Wellenlänge, um an optische Empfänger am Ende der optischen Verbindung geliefert zu werden. Optische Signale werden dem System von den optischen ADMs (OADMs) hinzugefügt.

Diese optischen Geräte entsprechen den digitalen ADMs, die optische Signale entlang des Übertragungswegs pflegen und aufteilen. OADMs bestehen normalerweise aus Arrayed-Waveguide-Gittern (AWG), obwohl auch andere optische Technologien wie Faser-Bragg-Gitter verwendet wurden.

Eine wichtige WDM-Komponente ist der optische Schalter. Dieses Gerät kann optische Signale von einem bestimmten Eingangsport zu einem bestimmten Ausgangsport umschalten. Es ist das Äquivalent einer elektronischen Querstange. Optische Schalter ermöglichen den Aufbau optischer Netzwerke, so dass ein bestimmtes optisches Signal zu seinem geeigneten Ziel geleitet werden kann.

Eine weitere wichtige optische Komponente ist der Wellenlängenkonverter. Ein Wellenlängenkonverter ist eine Vorrichtung, die ein optisches Signal, das bei einer bestimmten Wellenlänge kommt, in ein anderes Signal bei einer anderen Wellenlänge umwandelt, wobei der gleiche digitale Inhalt beibehalten wird. Diese Funktion ist für WDM-Netzwerke wichtig, da sie mehr Flexibilität beim Weiterleiten optischer Signale über das Netzwerk bietet.

OPTISCHE TRANSPORTNETZWERKE

WDM-Netzwerke werden durch Verbinden von WXC-Knoten (Wavelength Cross Connect) in einer bestimmten Topologie der Wahl aufgebaut. WXCs werden durch Wellenlängenmultiplexer und -demultiplexer, Schalter und Wellenlängenkonverter realisiert.

Die folgende Abbildung zeigt eine generische WXC-Knotenarchitektur.

Optische Signale, die in derselben Faser gemultiplext sind, gelangen zu einem optischen Demultiplexer. Das Signal wird in seine mehreren Wellenlängenträger zerlegt und an eine Bank von optischen Schaltern gesendet. Die optischen Schalter leiten die verschiedenen Wellenlängensignale in eine Ausgangsbank.

Multiplexer, bei denen die Signale gemultiplext und zur Übertragung in die ausgehenden Fasern injiziert werden. Wellenlängenkonverter können zwischen dem optischen Schalter und den Ausgangsmultiplexern verwendet werden, um mehr Routingflexibilität bereitzustellen. WXCs werden seit einigen Jahren erforscht. Die Schwierigkeiten mit WXCs sind Übersprechen und Extinktionsverhältnis.

Ein Wellenlängen-Cross-Connect-Knoten

Optische Transportnetze (OTNs) sind WDM-Netze, die Transportdienste über Lichtwege bereitstellen. Ein Lichtweg ist eine Leitung mit hoher Bandbreite, die Daten mit bis zu mehreren Gigabit pro Sekunde überträgt. Die Geschwindigkeit des Lichtweges wird durch die Technologie der optischen Komponenten (Laser, optische Verstärker usw.) bestimmt. Geschwindigkeiten in der Größenordnung von STM-16 (2488,32 Mbit / s) und STM-64 (9953,28 Mbit / s) sind derzeit erreichbar.

Ein OTN besteht aus WXC-Knoten und einem Managementsystem, das das Einrichten und Herunterfahren von Lichtwegen durch Überwachungsfunktionen wie Überwachung optischer Geräte (Verstärker, Empfänger), Fehlerbehebung usw. steuert. Das Ein- und Ausschalten von Lichtwegen muss über einen großen Zeitraum wie Stunden oder sogar Tage erfolgen, da jeder von ihnen eine Backbone-Bandbreitenkapazität bietet.

Abhängig von den zu erbringenden Transportdiensten ist die Bereitstellung von OTNs sehr flexibel. Einer der Gründe für diese Flexibilität ist, dass die meisten optischen Komponenten für die Signalcodierung transparent sind. Nur an der Grenze der optischen Schicht, wo das optische Signal zurück in die elektronische Domäne umgewandelt werden muss, spielt die Codierung eine Rolle.

Daher sind transparente optische Dienste zur Unterstützung verschiedener älterer elektronischer Netzwerktechnologien wie SDH, ATM, IP und Frame Relay, die auf der optischen Schicht ausgeführt werden, ein wahrscheinliches Szenario für die Zukunft.

Die optische Schicht ist weiter in drei Unterschichten unterteilt -

  • Das Netzwerk der optischen Kanalschicht, das mit OTN-Clients verbunden ist und optische Kanäle (OChs) bereitstellt.

  • Das optische Multiplex-Schichtnetzwerk, das verschiedene Kanäle zu einem einzigen optischen Signal multiplext.

  • Das optische Übertragungsabschnittsschichtnetzwerk, das die Übertragung des optischen Signals über die Faser bereitstellt.

OTN RAHMENFORMAT

Ähnlich wie bei der Verwendung eines SDH-Frames wird erwartet, dass der Zugriff auf das OCh über einen OC-Frame erfolgt, der derzeit definiert ist. Die Grundrahmengröße entspricht der STM-16-Geschwindigkeit oder 2488,32 Mbit / s, was das grundlegende OCh-Signal darstellt. Die folgende Abbildung zeigt ein mögliches OCh-Frame-Format.

Ein optischer Kanalrahmen

Der Bereich ganz links des Rahmens (in der folgenden Abbildung dargestellt) ist für Overhead-Bytes reserviert. Diese Bytes sollen für OAM & P-Funktionen verwendet werden, ähnlich den oben diskutierten Overhead-Bytes des SDH-Rahmens.

Es ist jedoch wahrscheinlich, dass zusätzliche Funktionen unterstützt werden, wie beispielsweise die Bereitstellung dunkler Fasern (Reservierung einer Wellenlänge zwischen zwei Endpunkten für einen einzelnen Benutzer) und wellenlängenbasiertes APS. Der Bereich ganz rechts des Rahmens ist für ein Vorwärtsfehlerkorrekturschema (FEC) reserviert, das für alle Nutzlastdaten ausgeübt werden soll. Eine FEC über einer optischen Übertragungsschicht erhöht die maximale Spannweite und verringert die Anzahl der Repeater. Ein Reed-Solomon-Code kann verwendet werden.

Im optischen Bereich sollen mehrere OChs zusammen gemultiplext werden, um das optische Multiplexersignal (OMS) zu bilden. Dies entspricht dem Multiplexen mehrerer STM-1-Frames in ein STM-N-SDH-Frame-Format. Mehrere OChs können zu OMS gemultiplext werden.

Das optische Client-Signal wird innerhalb des OCh-Nutzlastsignals platziert. Das Client-Signal wird nicht durch das OCh-Frame-Format eingeschränkt. Stattdessen muss das Client-Signal nur ein digitales Signal mit konstanter Bitrate sein. Sein Format ist auch für die optische Schicht irrelevant.

WDM-RINGE

Konzeptionell unterscheidet sich ein WDM-Ring nicht wesentlich von einem SDH-Ring. WXCs sind in einer Ringtopologie miteinander verbunden, ähnlich wie SDH-ADMs in einem SDH-Ring. Der wesentliche architektonische Unterschied zwischen einem SDH-Ring und einem WDM-Ring beruht auf den WXC-Funktionen zum Umschalten und Konvertieren von Wellenlängen.

Diese Funktionen können beispielsweise verwendet werden, um Schutzniveaus ohne Parallele in der SDH-Technologie bereitzustellen. Mit anderen Worten kann zusätzlich zum Pfad- und Leitungsschutz ein Wellenlängen- oder Lichtwegschutz bereitgestellt werden.

Optische APS-Protokolle sind so komplex wie SDH-APS. Der Schutz kann entweder auf der OCh-Ebene oder auf der Ebene des optischen Multiplexabschnitts / des optischen Übertragungsabschnitts bereitgestellt werden. Einige zusätzliche Schutzfunktionen können ohne Parallele in SDH-Ringen implementiert werden. Zum Beispiel kann ein ausgefallener Lichtweg (z. B. ein Laserausfall) behoben werden, indem ein optisches Signal von einer bestimmten Wellenlänge in eine andere umgewandelt wird, wodurch das Umleiten des Signals vermieden wird.

Dies entspricht einer Bereichsumschaltung in SDH, mit dem Unterschied, dass sogar zwei Faser-WDM-Ringe eine solche Fähigkeit zum OCh-Schutz bieten können. In der OMS-Schicht erfordert der Spannenschutz jedoch vier Faserringe, wie in SDH. Diese zusätzlichen Funktionen führen zweifellos zu einer zusätzlichen Komplexität der APS-Protokolle der optischen Schicht.

Sobald der WDM-Ring aktiv ist, müssen Lichtwege gemäß dem zu unterstützenden Verkehrsmuster eingerichtet werden.

MESH WDM NETZWERKE

Mesh-WDM-Netzwerke bestehen aus denselben optischen Komponenten wie WDM-Ringe. Die in Maschennetzwerken verwendeten Protokolle unterscheiden sich jedoch von denen, die in Ringen verwendet werden. Beispielsweise ist der Schutz in Mesh-Netzwerken eine komplexere Angelegenheit, ebenso wie das Problem des Routings und der Wellenlängenzuweisung in WDM-Mesh-Netzwerken.

Mesh-Netzwerke sind wahrscheinlich Backbone-Infrastrukturen, die WDM-Ringe verbinden. Es wird erwartet, dass einige dieser Verbindungen optisch sind, optische / elektronische Engpässe vermeiden und Transparenz bieten. Andere erfordern die Umwandlung des optischen Signals in die elektronische Domäne zur Überwachung der Verwaltung und möglicherweise zu Abrechnungszwecken. Die folgende Abbildung zeigt ein WDM-Netzwerk.

Infrastructure - In dieser Abbildung sind drei folgende Topologieebenen dargestellt:

  • Zugriff auf das Netzwerk
  • Regionales Netzwerk
  • Backbone-Netzwerk

WDM-Netzwerkinfrastruktur

Sowohl SDH-Ringe als auch passive optische Netzwerke (PONs) als Zugangsnetzwerke sind enthalten. Sie basieren im Allgemeinen auf einer Bus- oder Sterntopologie, und das MAC-Protokoll (Medium Access Control) wird verwendet, um die Übertragungen zwischen den Benutzern zu koordinieren. In solchen Netzwerken wird keine Routing-Funktionalität bereitgestellt.

Diese Architekturen sind praktisch für Netzwerke, die höchstens einige hundert Benutzer über kurze Entfernungen unterstützen. Obwohl PONs kostengünstigere Netzwerke als WDM-Ringe sind, machen die an den PON-Quellen erforderlichen Laser die erste Generation solcher Geräte aufgrund des Fehlens aktiver Komponenten und Merkmale wie Wellenlängen-Routing immer noch teurer als SDH-Ringe. Dies begünstigt die SDH-Lösung zumindest in naher Zukunft auf der Ebene des Zugangsnetzwerks.

Backbone-Netzwerke enthalten aktive optische Komponenten und bieten somit Funktionen wie Wellenlängenkonvertierung und Routing. Die Backbone-Netzwerke müssen irgendwie mit älteren Transporttechnologien wie ATM, IP, PSTN und SDH verbunden sein.

Das Gesamtszenario ist in der folgenden Abbildung dargestellt. In der Abbildung sind verschiedene Arten von Schnittstellen enthalten.

Überlagern eines WDM-Transportnetzwerks mit ATM / IP-Verkehr.

SDH-Rahmenkapselung

Der OCh-Frame muss definiert werden, damit die SDH-Frame-Kapselung problemlos durchgeführt werden kann. Der gesamte STM-16xc muss beispielsweise als OCh-Nutzlast befördert werden. Wenn ein grundlegender optischer STM-16-Kanal verwendet wird, ist es aufgrund der OCh-Overhead-Bytes möglicherweise nicht möglich, SDH-16xc in einen optischen STM-16-Kanal zu kapseln.

Das OCh-Frame-Format wird derzeit definiert. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die SDH-Rahmenkapselung in einen OCh-Rahmen.

SDH-Schnittstellen zu WDM

WDM-Geräte mit physischen SDH-Schnittstellen liefern optische Signale an SDH-Geräte. Diese Schnittstellen müssen abwärtskompatibel mit der SDH-Technologie sein. Daher muss das SDH-Gerät nicht über die WDM-Technologie informiert sein, die zum Transport seines Signals verwendet wird (z. B. kann das Gerät zu einem BLSR / 4-Ring gehören).

In diesem Fall fällt der WXC ab und addiert die ursprünglich im SDH-Ring verwendete Wellenlänge in das optische Medium. Auf diese Weise werden WDM- und SDH-Schichten vollständig entkoppelt, was für die WDM-Interoperabilität mit SDH-Legacy-Geräten erforderlich ist.

Dies stellt zusätzliche Einschränkungen für die Auswahl der Wellenlängen in der optischen Schicht dar, da die Wellenlänge des letzten Hops, die mit der SDH-Vorrichtung verbunden ist, dieselbe sein muss, die von der SDH-Vorrichtung zum Beenden des optischen Pfades verwendet wird, wenn keine Wellenlängenumwandlung bereitgestellt wird innerhalb des SDH-Geräts.

Ein WDM-Link

Technologie Erkennung Wiederherstellung Einzelheiten
WDM WDM-OMS / OCH 1-10ms 10-30ms Ring / PP
SDH SDH 0,1 ms 50ms Ring
APS 1 + 1 0,1 ms 50ms PP
Geldautomat FDDI 0,1 ms 10ms Ring
STM 0,1 ms 100ms
Geldautomat PV-C / P 1 + 1 0,1 ms 10 msxN Standby N = # Hopfen
ATM PNNI SPV-C / P, SV-C / P. 40er Jahre 1-10s
IP Border Gateway Protokoll 180ms 10-100s
Interior Gateway Routing Protocol und E-OSPF 40er Jahre 1-10s
Zwischensystem 40er Jahre 1-10s
Routing Internet Protocol 180er Jahre 100s

Gemäß der obigen Tabelle ist die Fehlererkennung in WDM langsamer, obwohl die Wiederherstellung in WDM schneller ist als in der SDH-Technologie. Eine sicherere Überlagerung von WDM / SDH-Schutzmechanismen erfordert ein schnelleres WDM-Schutzschema. Alternativ könnten SDH-APS künstlich verlangsamt werden, wenn sich SDH-Clients den durch solche Verfahren verursachten Leistungsabfall leisten können.

Eine unnötige Fehlerbehebung auf höheren Ebenen kann zu Instabilität der Route und Verkehrsstaus führen. Daher sollte es um jeden Preis vermieden werden. Fehlerpersistenzprüfungen können in höheren Schichten verwendet werden, um eine frühzeitige Reaktion auf Fehler in niedrigeren Schichten zu vermeiden.

Eine Fehlerbehebung in der OMS-Unterschicht kann Wiederherstellungsverfahren für mehrere Instanzen der SDH-Signale ersetzen, die von der optischen Schicht bedient werden. Somit wird eine potenziell große Anzahl von SDH-Clients davon verschont, Fehlerbehebungsverfahren auf ihren Ebenen zu starten. Daher kann eine einzelne Fehlerbehebung in der optischen OMS-Unterschicht Hunderte ersparen.

Entwicklung hin zu einem rein optischen Transportnetz

Die Entwicklung hin zu einem rein optischen WDM-Netzwerk wird wahrscheinlich schrittweise erfolgen. Zunächst werden WXC-Geräte an vorhandene Fasern angeschlossen. In der optischen Verbindung sind möglicherweise einige zusätzliche Komponenten erforderlich, z. B. EDFAs, um ältere Glasfaserverbindungen für die WDM-Technologie geeignet zu machen. WXCs werden mit älteren Geräten wie SDH und Fibre Distributed Data Interface (FDDI) verbunden.

Ein Plus eines rein optischen transparenten Transportnetzwerks besteht darin, dass die Übertragung von SDH-Funktionen entweder in die Schicht über (IP / ATM) oder unter (WDM) SDH wahrscheinlich erfolgt, was Einsparungen in Bezug auf Netzwerkaufrüstbarkeit und -wartung bringt. Eine solche Neuorganisation der Schicht könnte sich auf Transportnetzwerke auswirken, vorausgesetzt, der Echtzeitverkehr, einschließlich Sprache, wird paketiert (IP / ATM). Dies könnte zum Erlöschen der SDH-Signale von VCs führen.

Ein zentrales Thema wäre dann, wie Pakete am effizientesten in SDH oder sogar direkt in OCh-Frames gepackt werden können. Unabhängig von der neuen Kapselungsmethode ist die Rückkompatibilität mit IP / PPP / HDLC- und ATM-Kapselung ein Muss.

DWDM verwendet einen Satz optischer Wellenlängen (oder Kanäle) um 1.553 nm mit einem Kanalabstand von 0,8 nm (100 GHz). Jede Wellenlänge kann Informationen mit bis zu 10 Gbit / s (STM 64) übertragen. Mehr als 100 solcher Kanäle können kombiniert und auf einer einzigen Faser übertragen werden. Es werden Anstrengungen unternommen, um die Kanäle weiter zu quetschen und die Datenbitrate auf jedem Kanal zu erhöhen.

Experimentell wurde die Übertragung von 80 Kanälen mit jeweils 40 Gbit / s (entsprechend 3,2 Tbit / s) auf einer einzelnen Faser über eine Länge von 300 km erfolgreich getestet. Die Bereitstellung eines optischen Punkt-zu-Punkt- und ringbasierten DWDM-Netzwerks erfordert einen neueren Typ von Netzwerkelementen, die Signale während des Laufs ohne kostspielige OEO-Konvertierung manipulieren können. Optische Verstärker, Filter, optische Add-Drop-Multiplexer, Demultiplexer und optische Querverbindungen sind einige der wesentlichen Netzwerkelemente. MEMS spielt eine wichtige Rolle beim Entwurf und der Entwicklung solcher Netzwerkelemente.

MEMS ist eine Abkürzung für Micro Electro Mechanical Systems. Es wird verwendet, um ultra-miniaturisierte Geräte mit Abmessungen von einigen Mikrometern bis zu einigen Zentimetern Durchmesser herzustellen. Diese sind einem IC ziemlich ähnlich, können jedoch bewegliche mechanische Teile auf demselben Substrat integrieren.

Die MEMS-Technologie hat ihre Wurzeln in der Halbleiterindustrie. Diese werden unter Verwendung eines Chargenherstellungsverfahrens ähnlich einem VLSI hergestellt. Ein typisches MEMS ist ein integriertes Mikrosystem auf einem Chip, das neben elektrischen, optischen, fluidischen, chemischen und biomedizinischen Elementen auch bewegliche mechanische Teile enthalten kann.

Funktionell umfasst MEMS eine Vielzahl von Transsudationsmechanismen, um Signale von einer Energieform in eine andere umzuwandeln.

Viele verschiedene Arten von Mikrosensoren und Mikroaktoren können in Signalverarbeitung, optische Subsysteme und Mikrocomputer integriert werden, um ein vollständiges Funktionssystem auf einem Chip zu bilden. Die charakteristische Fähigkeit von MEMS besteht darin, bewegliche mechanische Teile auf demselben Substrat einzuschließen.

Aufgrund der geringen Größe ist es möglich, MEMS an Orten einzusetzen, an denen mechanische Geräte praktisch nicht angebracht werden können. wie in einem Blutgefäß eines menschlichen Körpers. Die Schalt- und Reaktionszeit von MEMS-Geräten ist ebenfalls geringer als bei herkömmlichen Maschinen und sie verbrauchen weniger Strom.

Anwendung von MEMS

Heute finden MEMS in allen Bereichen Anwendung. Telekommunikation, Biowissenschaften und Sensoren sind die Hauptnutznießer. MEMS-basierte Bewegungs-, Beschleunigungs- und Spannungssensoren werden massiv in Flugzeugen und Raumfahrzeugen eingesetzt, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erhöhen. Pico-Satelliten (mit einem Gewicht von ca. 250 g) werden als Inspektions-, Kommunikations- und Überwachungsgeräte entwickelt. Diese verwenden MEMS-basierte Systeme als Nutzlast sowie für ihre Orbitalsteuerung. MEMS werden in Düsen von Tintenstrahldruckern und Lese- / Schreibköpfen von Festplatten verwendet. Die Automobilindustrie setzt MEMS in Kraftstoffeinspritzsystemen und Airbagsensoren ein.

Konstrukteure setzen MEMS in ihre neuen Designs ein, um die Leistung ihrer Produkte zu verbessern. Es reduziert Herstellungskosten und Zeit. Die Integration mehrerer Funktionen in MEMS bietet einen höheren Miniaturisierungsgrad, eine geringere Anzahl von Komponenten und eine höhere Zuverlässigkeit.

Design- und Herstellungstechniken

In den letzten Jahrzehnten ist die Halbleiterindustrie zu ihrer Reife gewachsen. Die MEMS-Entwicklung wird weitgehend von dieser Technologie profitiert. Ursprünglich wurden Techniken und Materialien, die für das Design und die Herstellung integrierter Schaltkreise (IC) verwendet wurden, direkt für die MEMS-Entwicklung ausgeliehen. Jetzt werden viele MEMS-spezifische Herstellungstechniken entwickelt. Oberflächenmikrobearbeitung, Massenmikrobearbeitung, tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) und Mikroformen sind einige der fortschrittlichen MEMS-Herstellungstechniken.

Verwendung der micromachining methodVerschiedene Schichten aus Polysilicium, typischerweise 1 bis 100 mm dick, werden abgeschieden, um eine dreidimensionale Struktur mit Metallleitern, Spiegeln und Isolationsschichten zu bilden. Ein präziser Ätzprozess entfernt selektiv einen Unterstreichungsfilm (Opferschicht), wobei ein Überzugsfilm zurückbleibt, der als Strukturschicht bezeichnet wird, die zur mechanischen Bewegung fähig ist.

Surface micromachiningwird verwendet, um eine Vielzahl von MEMS-Geräten in kommerziellen Mengen herzustellen. Vor und nach dem Ätzprozess sind Schichten aus Polysilicium und Metall zu sehen.

Bulk micromachiningist ein weiteres weit verbreitetes Verfahren zur Bildung funktionaler Komponenten für MEMS. Ein einzelner Siliziumkristall wird strukturiert und geformt, um hochpräzise dreidimensionale Teile wie Kanäle, Zahnräder, Membranen, Düsen usw. zu bilden. Diese Komponenten werden in andere Teile und Subsysteme integriert, um vollständig funktionsfähige MEMS zu erzeugen.

Einige standardisierte Bausteine ​​für die MEMS-Verarbeitung und MEMS-Komponenten sind Mehrbenutzer-MEMS-Prozesse (MUMPs). Dies sind die Grundlagen einer Plattform, die zu einem anwendungsspezifischen Ansatz für MEMS führt, der dem in der Branche für integrierte Schaltkreise so erfolgreichen anwendungsspezifischen Ansatz (ASIC) sehr ähnlich ist.

Alle optischen DWDM-Netzwerke und MEMS

Die heutigen Telekommunikationsexperten stehen vor einer beispiellosen Herausforderung, immer mehr Dienste mit hoher Bandbreite in Telekommunikationsnetzen unterzubringen. Die Bandbreitennachfrage steigt aufgrund des Ausbaus des Internets und der internetfähigen Dienste exponentiell an. Die Einführung des DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) hat diese technologische Knappheit behoben und die Wirtschaftlichkeit des optischen Kernnetzwerks insgesamt verändert.

DWDM verwendet einen Satz optischer Wellenlängen (oder Kanäle) um 1553 nm mit einem Kanalabstand von 0,8 nm (100 GHz). Jede Wellenlänge kann Informationen mit bis zu 10 Gbit / s (STM 64) übertragen. Mehr als 100 solcher Kanäle können kombiniert und auf einer einzigen Faser übertragen werden. Es werden Anstrengungen unternommen, um die Kanäle weiter zu quetschen und die Datenbitrate auf jedem Kanal zu erhöhen.

Experimentell wurde die Übertragung von 80 Kanälen mit jeweils 40 Gbit / s (entsprechend 3,2 Tbit / s) auf einer einzelnen Faser über eine Länge von 300 km erfolgreich getestet. Die Bereitstellung eines optischen Punkt-zu-Punkt- und ringbasierten DWDM-Netzwerks erfordert einen neueren Typ von Netzwerkelementen, die Signale während des Laufs ohne kostspielige OEO-Konvertierung manipulieren können. Optische Verstärker, Filter, optische Add-Drop-Multiplexer, Demultiplexer und optische Querverbindungen sind einige der wesentlichen Netzwerkelemente. MEMS spielt eine wichtige Rolle beim Entwurf und der Entwicklung solcher Netzwerkelemente. Wir werden Optical Add Drop Mux (OADM) und Optical Cross Connect (OXC) im Detail diskutieren.

Durchbruch beim optischen Schalten

Ein praktischer optischer Schalter auf MEMS-Basis wurde von Wissenschaftlern der Bell Labs im Jahr 1999 demonstriert. Er funktioniert wie eine Wippe mit einem vergoldeten mikroskopischen Spiegel an einem Ende. Eine elektrostatische Kraft zieht das andere Ende der Stange nach unten und hebt den Spiegel an, der das Licht im rechten Winkel reflektiert. Das einfallende Licht bewegt sich somit von einer Faser zur anderen.

Der technologische Erfolg ist in der Tat ein Baustein für eine Vielzahl von Geräten und Systemen, wie Wellenlängen-Add / Drop-Multiplexer, optische Bereitstellungsschalter, optische Querverbindungen und WDM-Signalentzerrer.

Optischer Add Drop Multiplexer

Ähnlich wie bei den ringbasierten SDH / SONET-Netzwerken beginnen die rein optischen DWDM-basierten Netzwerke zu starten. Die Überlegenheit des ringbasierten Netzwerks gegenüber dem Mesh-Netzwerk wurde bereits von SDH-Netzwerkdesignern festgestellt. Im rein optischen Ring können Bandbreiten (ls) zu Schutzzwecken reserviert werden. Optische Add-Drop-Multiplexer (OADM) ähneln funktional den SDH / SONET-Add-Drop-Multiplexern (ADM). Eine Gruppe ausgewählter Wellenlängen (ls) kann zu einem Lichtsignal mit mehreren Wellenlängen hinzugefügt oder daraus entfernt werden. OADM eliminiert kostspielige OEO-Konvertierung (optisch zu elektrisch und zurück).

Eine zweidimensionale Matrix von optischen Schaltern, wie oben beschrieben, wird verwendet, um ein solches OADM herzustellen, das sehr wenig Flexibilität bietet. Rekonfigurierbare Add Drop Multiplexer (R-OADM) ermöglichen dagegen volle Flexibilität. Auf jeden der durchlaufenden Kanäle kann zugegriffen, sie gelöscht oder neue Kanäle hinzugefügt werden. Die Wellenlänge eines bestimmten Kanals kann geändert werden, um ein Blockieren zu vermeiden. Optische Schalter oder OADM dieser Art werden als 2D- oder N2-Schalter bezeichnet, da die Anzahl der erforderlichen Schaltelemente gleich dem Quadrat der Anzahl der Ports ist und das Licht nur in einer zweidimensionalen Ebene verbleibt.

Ein OADM mit acht Ports erfordert 64 einzelne Mikrospiegel mit ihrer Steuerung auf einem MEMS-Gerät. Es ist den in Telefonzentralen verwendeten Kreuzschienenschaltern ziemlich ähnlich.

Optische Schalter dieser Art wurden strengen mechanischen und optischen Tests unterzogen. Der durchschnittliche Einfügungsverlust beträgt weniger als 1,4 dB bei einer hervorragenden Wiederholbarkeit von ± 0,25 dB über 1 Million Zyklen. OADM vom Typ 2D / N2 mit einer Konfiguration größer als 32 × 32 (1024 Schaltspiegel) werden praktisch unüberschaubar und unwirtschaftlich. Mehrere Schichten kleinerer Switch-Fabrics werden verwendet, um größere Konfigurationen zu erstellen.

Optische Querverbindung

Die Einschränkung des optischen Schalters vom 2D-Typ wurde durch eine noch innovative optische Schalttechnologie von Bell Labs überwunden. Es ist im Volksmund bekannt als‘Free Space 3-D MEMS’ oder ‘Light Beam Steering’. Es verwendet eine Reihe von zweiachsigen Mikrospiegeln als optischen Schalter. Der Mikrospiegel ist über einen Satz Torsionsfedern auf einer der Achsen eines Satzes kreuzgekoppelter Kardanringe montiert. Diese Anordnung ermöglicht es dem Spiegel, sich entlang zweier senkrechter Achsen in jedem gewünschten Winkel zu bewegen. Der Spiegel wird durch elektrostatische Kraft betätigt, die an vier Quadranten unterhalb des Spiegels ausgeübt wird. Die gesamte Mikrospiegeleinheit wird mithilfe der MEMS-Technologie repliziert, um eine "Switch Fabric" aus 128 oder 256 Mikrospiegeln zu bilden.

Eine Anordnung kollimierter Eingangsfasern ist auf einen Satz von Spiegeln ausgerichtet, die das Licht umlenken können, indem der Spiegel in der X- und Y-Achse auf den zweiten Satz von Spiegeln gekippt wird, die auf kollimierte Ausgangsfasern ausgerichtet sind. Durch genaues Zielen eines Spiegelsatzes auf die Eingangs- und Ausgangsfasern kann eine gewünschte Lichtverbindung hergestellt werden. Dieser Vorgang wird als "Lichtstrahlsteuerung" bezeichnet.

Die Schaltzeit des 3D-MEMS-Schalters beträgt weniger als 10 ms und die Mikrospiegel sind äußerst stabil. Auf dieser Technologie basierende optische Querverbindungen bieten gegenüber den OEO-Querverbindungen verschiedene einzigartige Vorteile. OXC sind von hoher Kapazität, skalierbar, wirklich Datenbitrate und Datenformat unabhängig. Es leitet die optischen Kanäle intelligent ohne kostspielige OEO-Konvertierung weiter. Geringer Platzbedarf und geringer Stromverbrauch sind weitere Vorteile der rein optischen Schalttechnologie.

Frühe WDM-Systeme transportierten zwei oder vier Wellenlängen, die weit voneinander entfernt waren. WDM und die Folgetechnologien von CWDM und DWDM haben sich weit über diese frühe Einschränkung hinaus entwickelt.

WDM

Herkömmliche passive WDM-Systeme sind weit verbreitet, wobei 2, 4, 8, 12 und 16 Kanalzählungen die normalen Bereitstellungen sind. Diese Technik hat normalerweise eine Entfernungsbegrenzung von weniger als 100 km.

CWDM

Heutzutage verwendet grobes WDM (CWDM) typischerweise einen Abstand von 20 nm (3000 GHz) von bis zu 18 Kanälen. Die CWDM-Empfehlung ITU-T G.694.2 bietet ein Wellenlängenraster für Zielentfernungen bis zu etwa 50 km auf Einmodenfasern, wie in den ITU-T-Empfehlungen G.652, G.653 und G.655 angegeben. Das CWDM-Gitter besteht aus 18 Wellenlängen, die im Bereich von 1270 nm bis 1610 nm mit einem Abstand von 20 nm definiert sind.

DWDM

Der dichte gemeinsame WDM-Abstand kann 200, 100, 50 oder 25 GHz betragen, wobei die Kanalanzahl bis zu 128 oder mehr Kanäle in Entfernungen von mehreren tausend Kilometern mit Verstärkung und Regeneration entlang einer solchen Route erreicht.