Главная Статьи Протоколы, стандарты, интерфейсы Структура систем передачи Е1

СТРУКТУРА СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ Е1

Канал Е1

Канал Е1 - первичный канал иерархии PDH - является основным каналом, используемым во вторичных сетях телефонии, передачи данных и ISDN. По сравнению с остальными каналами иерархии PDH этот канал имеет несколько особенностей, связанных с его использованием, а именно сверхцикловую структуру и канал сигнализации, используемый во вторичных сетях цифровой телефонии и ISDN.

Остальные каналы иерархии PDH имеют только цикловую структуру. Такое отличие канала Е1 обусловлено его функцией в современной первичной сети - канал Е1 обычно является "пограничным" каналом между первичной и вторичными сетями. Структура систем передачи Е1 включают три уровня эталонной модели OSI: физический, канальный и сетевой. Физический уровень описывает электрический интерфейс потока Е1, а также параметры сигнала Е1.

Канальный уровень описывает процедуры мультиплексирования и демультиплексирования каналов более низкого уровня иерархии (ОЦК 64 кбит/с и каналов ТЧ) в поток Е1, цикловую и сверхцикловую структуру потока Е1, встроенные процедуры контроля ошибок и т.д. Наконец, сетевой уровень описывает процедуры управления каналами Е1 в первичной сети, а также контроль параметров ошибок на сетевом уровне. Этот уровень является относительно неполным и включает всего лишь несколько процедур. Основным же для рассмотрения систем передачи Е1 является структура канального уровня. Рассмотрим более подробно структуру каждого из трех уровней систем Е1.

Физический уровень Е1

Физический уровень Е1 включает в себя описание электрических параметров интерфейсов Е1 и параметров сигналов передачи, включая структуру линейного кода. Как видно из рис.1.3 эти параметры описаны в рек. ITU-T G.703 [13], G.823 [29]. Рассмотрим наиболее важные эксплуатационные параметры физического уровня Е1.

Основные характеристики интерфейса Е1. Тип линейного кодирования.

Согласно основные характеристики интерфейса следующие:Скорость передачи - 2048 кбит/с ± 50 ppm (1 ppm (point per million) = 10-6), таким образом, допускается отклонение частоты передаваемого сигнала (2048 кГц) ± 102,4 Гц Используемые типы кодирования: HDB3 (стандартизирован ), либо AMI. Использование кода AMI в настоящее время уже не рекомендуется, однако ряд старых цифровых систем передачи могут использовать этот код.

AMI

Это наиболее простой формат линейного кодирования. AMI расшифровывается как инверсия альтернативного бита. Этот формат использует инверсию каждой следующей 1 (смотрите рис). В большинстве случаев AMI не используется, поскольку этот формат линейного кодирования приводит к частым потерям синхронизации в случае длинных последовательностей нулей.

HDB3

Формат линейного кодирования HDB3 был специально разработан для решения проблем синхронизации, возникающих в случае использования AMI. В формате HDB3 за последовательностью из четырех последовательных нулей следует двухимпульсная вставка "плюс импульс-минус импульс". Оборудование на удаленном конце принимает поток Е1 и заменяет двухимпульсные вставки на последовательность нулей, восстанавливая исходную последовательность данных. Таким образом, код HDB3 обеспечивает большую плотность импульсов в потоке, что дает лучшие параметры синхронизации по принимаемому сигналу. На рис. в качестве примера приведено кодирование по HDB3 последовательности 1000 0000.

Существуют определенные правила таких вставок. Тип вставки определяется полярностью последнего инвертированного бита и количеством битов последовательности предыдущей вставки. Если это количество четное, вставляется 000V; при этом полярность V такая же, как и непосредственно предшествовавшего импульса. Если количество битов нечетно, то вставка имеет вид B00V, где полярность В - противоположная предыдущему импульсу, а полярность V такая же, как и В. На рис. 2.3. представлен алгоритм вставки импульса в последовательность 0 кода HDB3.

Уровни сигналов, электрические параметры интерфейса, форма импульса.

Помимо параметров частоты сигнала и типа линейного кодирования стандарт определяет следующие нормы на электрические параметры интерфейса (смотрите таблицу).

Нормы на электрические параметры интерфейса Е1

Как видно из таблицы, существуют два стандарта на параметры физического интерфейса Е1: симметричный интерфейс на 120 Ом и коаксиальный (несимметричный) интерфейс 75 Ом. Им соответствую значения пикового напряжения в 3 В и 2,37В. Следует отметить, что оба типа интерфейсов могут реально встретиться в отечественной практике. Симметричный интерфейс 120 Ом получил наибольшее распространение в Европе и является официальным стандартом для России. Интерфейс 75 Ом получил широкое распространение на американо-канадском рынке. В России этот интерфейс не рекомендован к применению, тем не менее в практике эксплуатации оборудования цифровых систем передачи американских и канадских фирм-производителей он может встретиться.

Таким образом, типичный уровень сигнала импульсов потока Е1 с импедансом интерфейса 75 Ом или ± 2.37 В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0), а для симметричного интерфейса 120 Ом - ±3В (для сигнала бинарной 1) или 0 В (для 0). Реальный сигнал обычно находится в пределах ±10% от этой величины. В идеальном случае передаваемый импульс является совершенно симметричным. Однако в реальной практике импульс сильно трансформируется при его генерации и передаче по каналу Е1. На рисунке форма идеального импульса и реального импульса, который передается по каналу Е1.

Форма импульса должна соответствовать стандартной "маске", описанной в рекомендации ITU-T G.703 (смотрите рисунок).

Канальный уровень Е1

Параметры канального уровня потока Е1 включают в себя цикловую и сверхцикловую структуру потока, описание процедур контроля ошибок по цикловому избыточному коду (CRC), а также описание процедур мультиплексирования и демультиплексирования каналов ТЧ в поток Е1. Последние включают в себя процедуры дискретизации, квантования и компандирования аналогового сигнала, описанные во всех учебниках по современным средствам связи и ниже описываться не будут. Рассмотрим цикловую структуру потока Е1 и встроенные процедуры контроля ошибок.

Цикловая и сверхцикловая структура Е1

При передачи по первичной сети цифровой поток преобразуется в блоки стандартной логической структуры - циклы. Цикловая структура обеспечивает работу процедур мультиплексирования и демультиплексирования, передачу управляющей информации, а также встроенную диагностику по параметру ошибок в цифровой системе передачи. Существует три основных варианта цикловой структуры Е1: неструктурированный поток, с цикловой структурой и с цикловой и сверхцикловой структурой.

Неструктурированный поток Е1 используется в сетях передачи данных и не имеет цикловой структуры, т.е. разделения на каналы (обычно это мультиплексирование каналов ОЦК - 64 кбит/с).

Поток Е1 с цикловой структурой предусматривает разделение на 32 канала ОЦК по 64 кбит/с в форме разделения на канальные интервалы (Time Slot - TS) от 0 до 31. Цикловая структура описана в. Для каждого канального интервала в составе цикла отводится 8 битов, таким образом длина цикла равна 256 битов, что при заданной скорости передачи Е1 составляет 125 мкс (длительность одного цикла). Нулевой канальный интервал отводится под передачу сигнала цикловой синхронизации FAS (Frame Alignment Signal).

Структура цикла FAS представлена на рисунке ниже. Различаются четные и нечетные циклы. В TS0 нечетных циклов передается сигнал FAS (на рисунке - первая строчка), который включает в себя последовательность цикловой синхронизации 0011011 и один служебный бит, зарезервированный под задачи международного использования. В TS0 четных циклов передается сигнал NFAS, не содержащий кодовую последовательность цикловой синхронизации.

В составе сигнала NFAS передается бит Si, зарезервированный под задачи международного использования, бит А, используемый для передачи сигналов о неисправностях, а также пять служебных битов Sn4, Sn5, Sn6, Sn7, Sn8,используемые для передачи сигналов сетевого управления первичной сети Е1, диагностики и дополнительных процедур контроля ошибок.

В отечественной терминологии вариант потока Е1 с цикловой структурой получил название ИКМ-31. Он используется в ряде систем передачи данных, а также в некоторых приложения ОКС7, ISDN и B-ISDN. В ряде случаев аппаратура передачи/приема Е1 использует еще и шестнадцатый канальный интервал (TS-16) для передачи информации о сигнализации, связанной с разговорным каналом (сигнализации CAS).

В этом случае поток Е1 имеет дополнительно к цикловой структуре еще и сверхцикловую структуру (MFAS - Multi Frame Alignment Signal). В отечественной терминологии такой вариант цикловой структуры Е1 получил название ИКМ-30. При этом 16 циклов объединяются в сверхцикл размера 4096 битов и длительностью 2 мс. Когда идет передача/прием информации в виде сверхциклов MFAS, индивидуальная информация FAS каждого цикла теряет значимость. Необходимо рассматривать всю информацию FAS - 16 циклов.

Первый цикл содержит информацию MFAS о сверхцикле в шестнадцатом канальном интервале, а остальные 15 интервалов используются для передачи сигнальной информации. Структура MFAS показана на рисунке.

Процедуры контроля ошибок передачи. Использование избыточного кода CRC-4

Передача потока Е1 с цикловой структурой ИКМ-30 имеет важный механизм - процедуру встроенной диагностики параметров ошибки. Для этой цели используется биты Si в составе циклового заголовка FAS и NFAS.

Процедура использует сверхцикловую структуру 16 циклов, как показано на рис. 2.8 и механизм расчета параметра ошибки по контрольному избыточному коду CRC-4 (полином X(4)+X+1).

Принцип CRC-4 базируется на простом математическом расчете, производимом в каждом сверхцикле данных. Оборудование передачи Е1 производит расчет суммы CRC-4 и включает результаты суммы в сигнал следующего сверхцикла. Оборудование приемника принимает сигнал и производит аналогичный расчет и сравнение полученной суммы и переданной в следующем сверхцикле. Если в двух полученных суммах имеется расхождение, генерируется сигнал ошибки CRC-4. В настоящее время в линейное оборудование и системы самодиагностики цифровых каналов ИКМ встраивается функция анализа по CRC-4. Часто возникает вопрос о целесообразности проведения анализа по BER, если система и так анализирует параметр ошибки по CRC-4.

Отвечая на этот вопрос, необходимо учесть два основных принципа использования CRC-4. Во-первых, каждая ошибка CRC-4 не обязательно связана с ошибкой одного бита информации. Несколько битовых ошибок в одном сверхцикле дадут только одну ошибку CRC-4 для блока. Во-вторых, несколько битовых ошибок могут компенсировать друг друга в смысле значения суммы CRC-4. CRC-4 является удобным методом контроля ошибок в процессе сервисного мониторинга при работающем канале, когда практически невозможно измерить реальные параметры ошибок по битам, поскольку невозможно добиться синхронизации тестовой последовательности. Тем не менее в режиме с отключением канала необходимо проводить измерения ошибок по битам, поскольку результаты таких измерений более точны.

Рассмотрим механизм передачи информации о CRC-4. Для передачи этой информации используется сверхцикловая структура. Однако, сверхцикл CRC-4 не обязательно связан со сверхциклом MFAS. Каждый сверхцикл может быть разбит на 2 подцикла (SMF). На рисунке ниже они отмечены как SMF#1 и SMF#2 и содержат по 8 циклов каждый. Соответственно отмечены по 4 бита, используемые для передачи CRC-4 каждого сверхцикла (биты С). Биты CRC-4 вычисляются методом деления двоичной суммы содержания 8 последовательных циклов на тестовый полином, остаток от деления в виде 4-битового сообщения вставляется в следующий сверхцикл для передачи в потоке Е1.

Структура сверхцикла CRC-4 включает несколько сообщений сверхцикловой структуры CRC-4. В четных циклах NFAS битами Si передается сообщение сверхцикловой синхронизации CRC-4 - комбинация 001011, которая используется на приемной стороне для синхронизации по CRC. Кроме этого в составе сверхцикла SMF, передается его главная информация - сообщение C1C2C3C4. В качестве дополнительного сообщения, передаваемого в направлении передачи при обнаружении ошибки по CRC-4, используется 2-битовое сообщение Е1Е2. Каждый бит Е связан с одним из принятых сверхциклов SMF (в составе сверхцикла MFAS используется два сверхцикла SMF, поэтому сообщение использует два бита Е). Когда оборудование приемника получает информацию об ошибке CRC-4, оно генерирует бит Е для сообщения передатчику о принятой ошибке.

Мониторинг по CRC производится в режиме реального времени непосредственно после установления циклового синхронизма. В этом случае возникает цикловая синхронизация по CRC-4 и сверхциклам SMF по кодовой последовательности 001011. Эта синхронизация достаточно устойчивая, потеря цикловой синхронизации по CRC-4 отображается только после того, как более чем 914 сообщений CRC в секунду не соответствует ожидаемым значениям.

Сетевой уровень Е1

Стандартизация систем передачи Е1 охватывает также третий, сетевой уровень, где осуществляются процедуры управления первичной сетью. При работе процедур управления, они широко используют сигналы о неисправностях, генерируемые в современных цифровых системах передачи, а также сигналы о возникновении ошибок, фиксируемые встроенными средствами диагностики. Эта информация собирается в узлах системы управления и обрабатывается. Таким образом, сетевой уровень Е1 включает в себя набор определенных служебных сигналов и сообщений, используемых системой управления первичной сетью. Такие сообщения делятся на три категории:

• сообщения о возникновении ошибок в системе передачи;
• сообщения о неисправностях, возникающих в системе передачи;
• сообщения, используемые для реконфигурации первичной сети и восстановлении плана синхронизации.

Последняя категория сообщений сетевого уровня Е1, получивших название сообщений SSM (System Synchronization Messages - сообщения в системах синхронизации), будет отдельно рассматриваться в главе, посвященной проблемам построения и эксплуатации современных систем синхронизации. Здесь же мы рассмотрим первые две категории сообщений.

Сообщения о возникновении ошибок в системе передачи Е1 использует сообщения E1E2. Действительно, сообщения, передаваемые битами Е, служат подтверждением возникновения блоковой ошибки CRC и могут служить критерием качества цифровой системы передачи. Система управления анализирует значения битов Е и собирает информацию о возникающих в системе передачи Е1 ошибках.

Сообщения о неисправностях в системе передачи передаются в циклах NFAS, а также битами MFAS в случае, если поток Е1 имеет сверхцикловую структуру. Как было описано в предыдущем разделе, в состав четных циклов NFAS входят биты, зарезервированные под задачи национального использования - бит А и биты Sn4, Sn5, Sn6, Sn7, Sn8. Именно эти биты используются для передачи различных сообщений о неисправностях в цифровой систем передачи. Биты Sn образуют своего рода канал управления, ресурсы которого используются сетевым уровнем Е1. Помимо битов Sn для передачи сообщений о неисправностях могут использоваться биты XXYX MFAS.

Эти биты используются главным образом для передачи сигналов о неисправностях в сверхцикловой структуре Е1 (так бит Y непосредственно и определяется как индикатор неисправности MFAS на удаленном конце). Бит А (иногда он называется также Sn3) представляет собой бит оперативного сигнала о неисправности. В случае возникновения существенной неисправности, требующей оперативного вмешательства, бит А становится равным единице. Такую существенную неисправность называют RDI (Remote Defect Indication - Индикация дефекта на удаленном конце).

В случае возникновения так называемого "не оперативного" сигнала неисправности, система передачи генерирует NFAS с инверсией бита Sn4 с 0 на 1. Рекомендации ITU-T устанавливают следующие возможные причины генерации такого сигнала:

• В случае, если параметр ошибки BER в FAS становится хуже, чем 10(-3)
• В случае неисправности в цепи питания кодека
• В случае, если потерян входной сигнал или имеет место сбой цикловой синхронизации

Неоперативный сигнал о неисправности дает возможность получения информации о значительном увеличении параметра ошибки на стороне передатчика. Оборудования приемника обычно имеет установленные пороговые значения для генерации сигнала Sn4. В случае увеличения параметра ошибки более порога приемник генерирует сигнал "неоперативной" неисправности в направлении передатчика. При получении этого сигнала система управления может перевести передачу на резервный канал Е1, за счет чего достигается высокое качество связи.

Биты Sn5, Sn6, Sn7, Sn8 образуют служебный канал передачи данных емкостью 2 кбит/с, который может использоваться для передачи сигналов о неисправностях. В последнее время в связи с развитием систем управления (в частности платформы TMN) возможности этого канала используется довольно широко. Речь здесь идет именно о канале, поскольку в этом случае важно не абсолютное значение битов Sn, а последовательность сигналов, генерируемых в этих битах. Каждый бит образует так называемый "вертикальный протокол", т. е. сообщение о неисправности передается не одним, а несколькими последовательными битами Sn.

Тип передаваемых сообщений и алгоритм их генерации устанавливается национальными стандартами, производителями оборудования или специальными требованиями (например, операторов ведомственных сетей). Наибольшее распространение получил стандарт ETS 300-233, определяющий использование битов Sn в мультиплексорах PRI ISDN. Генерируемые и принимаемые оборудованием сообщения могут успешно использоваться системами управления, которые работают на принципах анализа именно этих сообщений. Таким образом, сообщения о неисправностях представляют собой базу для создаваемых систем управления, их количество непосредственно определяет максимальный уровень интеллектуальности системы управления и перечень параметров, доступных для контроля сети.

Использование битов Sn дает возможность разграничить степень ответственности различных операторов. В качестве иллюстрации рассмотрим несколько примеров (рис.2.9), где представлены два варианта использования битов Sn, позволяющих определить сторону, ответственную за ухудшение качества передачи.

Пример:

Это пример представлен на рисунке (а). При подключении по системе передачи Е1 учрежденческой АТС (УПАТС) к сети общего пользования (узел 3), был обнаружен "плавающий дефект" нарушения связи, т.е. нерегулярное временное нарушение связи между узлом 1 и УПАТС из-за плохого контакта (поскольку на представленной схеме речь идет о подключении УПАТС по PRI ISDN, имеют место несколько устройств в составе системы передачи: узел 1 - устройство NT, узел 2 - устройство LTE, узел 3 - сеть общего пользования (ГАТС), в соответствии с правилами подключения PRI ISDN УПАТС подключается через мультиплексор NT - узел 1).

В этом случае происходит следующее взаимодействие:

• Узел 1 посылает сигнал Sn6 = 1000 в направлении сети общего пользования
• Узел 2 передает сигнал без изменений
• Если узел 3 принимает сигнал Sn6 = 1000, это означает сбой в интерфейсе между узлом 1 и УПАТС, а также невозможность синхронизации УПАТС

В случае сбоя в цепи питания NT (узел 1), это устройство переходит на резервное питание и также генерирует в направлении узла 3 сигнал Sn6 = 1000

Пример:

Теперь предположим сбой в ГАТС (узел 3), представленный на рисунке (b). В случае пропадания сигнала на входе системы передачи, последняя генерирует сигнал неисправности AIS, соответствующий длинной последовательности единиц. В результате возникает следующий обмен:

• Сигнал AIS передается на узел 1, что приводит к световой индикации на мультиплексоре
• Узел 1 передает AIS к УПАТС
• Узел 1 генериурет в направлении ГАТС сигнал Sn6 = 1111, активируя системы резервирования

В рекомендациях ETSI содержится перечень различных значений битов Sn в зависимости от схемы системы передачи. Этот перечень для схемы рис. представлен в таблице.

Направление	Бит	Битовая последовательность	Назначение
От сети к пользователю	A	0	Нормальная работа
		1	Неготовность канала
	Sn4	1	Нормальная работа
		0	Неисправность между УПАТС и NT (узел 1)
	Sn5	0 (фиксированное)	Индикатор направления передачи
	Sn6	0000	Нормальная работа
		1010	Команда шлейфа на NT (узел 1)
		1111	Команда шлейфа на LTE (узел 2)
	Sn7/ Sn8	1 (фиксированное)	Не используется
От пользователя к сети	A	0	Нормальная работа
		1	Неготовность канала
	Sn4	1 (фиксированное)	Не используется
	Sn5	1 (фиксированное)	Индикатор направления передачи
	Sn6	0000	Нормальная работа
		1000	Сбой в цепи питания NT (узел 1)
		1010	NT принимает сигнал AIS
		1111	Нет цикловой синхронизации по FAS (на стороне пользователя)
	Sn7/ Sn8	1 (фиксированное)	не используется

Для систем передачи Е1 первичной сети существует набор сигналов о неисправностях, представленный в таблице ниже. Приведенные сообщения о неисправностях в различной степени реализованы разными фирмами-производителями и используются системами управления первичной сети для диагностики систем передачи.

Следует отметить, что перечисленные выше сигналы о неисправностях передаются различными фиксированными комбинациями битов Sn и битов TS16 MFAS. Для каждого из перечисленных сигналов имеются свои правила использования, генерации и обработки сигнала мультиплексорным оборудованием, передачи сигнала по системе Е1 и адаптации системами управления TMN.

Поскольку сигналы о неисправностях используются системами управления и диагностики, эти сигналы оказываются важными при эксплуатации цифровых систем передачи. Поскольку современные системы управления TMN основаны на принципах фиксирования и обработки сигналов о неисправностях, правильность реализации процедур генерации и анализа последних является единственным объективным критерием оценки потенциальной функциональности системы TMN в первичной сети.

Название	Обозначение	Назначение
AIS	Alarm Indication Signal	Сигнал индикации неисправности
CAS-LOM	Channel Associated Signalling - Loss of Multiframe	Потеря сверхцикловой синхронизации. Генерируется в случае приема двух последовательных MFAS с ошибкой
CRC-LOM	Cyclic Redundancy Check - Loss of Multiframe	Потеря сверхцикла CRC. Сигнал о неисправности, генерируемый в случае приема трех последовательных циклов с некорректным FAS или более чем 915 ошибок CRC в секунду. Также генерируется в случае трех последовательных некорректных NFAS
EXBER	Excessive BER	Увеличение параметра ошибки
LOF	Loss Of Frame	Потеря цикловой синхронизации
LOS	Loss Of Signal	Потеря линейного сигнала Е1
LSYNC	Loss Of Synchronization	Потеря тактовой синхронизации
MAIS	Multiframe Alarm Indication Signal	Сигнал индикации неисправности в сверхцикле. Сигнал о неисправности, генерируемый в случае приема двух последовательных сверхциклов с количеством 0 менее 4
MRAI (RMAI)	Multiframe Remote Alarm Indication	Сигнал индикации неисправности в сверхцикле на удаленном конце. Бит 6 в составе MFAS равен 1 в двух последовательных сверхциклах
RAI	Remote Alarm Indication	Сигнал индикации неисправности на удаленном конце.
RDI	Remote Defect Indication	Сигнал индикации дефекта на удаленном конце
RFI	Remote Fault Indication	Сигнал индикации неисправности на удаленном конце
REBE	Remote End Block Error	Индикация блоковой ошибки на удаленном конце

Следует однако отметить, что сама технология TMN только начинает внедряться в практику эксплуатации, поэтому набор сигналов о неисправностях в цифровых системах передачи постоянно изменяется и расширяется. Стандартизация сигналов о неисправностях заметно отстает от реальной практики их применения, поэтому большая часть сигналов табл.2.3 не могут быть строго описаны со ссылкой на стандарты. Вместе с тем ниже мы постараемся в виде нескольких примеров показать методы использования тех или иных сигналов.

Здесь также имеется некоторая проблема, связанная со стандартизацией сигналов о неисправностях. Нас эти сигналы интересуют как элемент сетевого уровня технологии Е1. В то же время в существующих стандартах сигналы о неисправностях описываются в двух приложениях, не связанных с нашей задачей: либо сигналы о неисправностях рассматриваются в контексте работы мультиплексорного оборудования, либо в контексте описания процедур управления.

В первом случае довольно сложно выделить ту информацию, которая непосредственно связана с сигналами и процедурами их использования, во втором случае сложно разделить процедуры управления первичной сетью в контексте поддержки TMN от непосредственных процедур использования сигналов. Ниже автор постарался проделать эту работу для нескольких сигналов. Все это носит характер примеров и может быть несвободным от неточностей, но подобная первая попытка является вполне оправданной, поскольку ждать в ближайшее время системного описания всех реализованных в современных системах передачи сигналов о неисправностях вряд ли возможно, по крайней мере до последнего времени такого описания не было.