2.5.3. Соединительные линии и мультиплексирование
Соединительные линии в телефонных сетях не только работают намного быстрее абонентских шлейфов, но и отличаются от последних еще двумя нюансами. В основной телефонной сети передается цифровая, а не аналоговая информация, то есть биты, а не голос. Из-за этого в оконечной станции нужна конвертация в цифровую форму для передачи по междугородним соединительным линиям. По соединительным линиям передаются тысячи, иногда миллионы звонков одновременно. Такое совместное использование позволяет значительно сэкономить, ведь проведение и обслуживание высокоскоростной и низкоскоростной линий стоят примерно одинаково. Совместное использование обеспечивается при помощи различных вариантов TDM и FDM.
Ниже мы кратко поговорим о преобразовании голосовых сигналов в цифровую форму для их передачи по телефонной сети. После этого мы рассмотрим применение TDM для отправки битов по соединительным линиям, включая систему TDM, используемую для оптоволокна (SONET). Затем мы обсудим применение FDM для оптоволокна: мультиплексирование по длинам волн.
Преобразование голосовых сигналов в цифровую форму
На начальном этапе существования телефонных сетей голосовые звонки передавались в виде аналоговой информации. В течение долгих лет для мультиплексирования голосовых каналов по 4000 Гц каждый (3100 Гц плюс защитные полосы) в большие блоки использовались методики FDM. Например, 12 звонков в полосе от 60 до 108 кГц называются группой, пять групп (всего 60 звонков) — супергруппой и т.д. Эти методы FDM до сих пор иногда применяются для медных проводов и микроволновых каналов. Впрочем, FDM требует аналоговых электрических схем и не подходит для компьютерной обработки. TDM, напротив, можно полностью отдать на откуп цифровой электронике, поэтому в последние годы эта система получила широкое распространение. TDM работает только с цифровыми данными, а абонентские шлейфы генерируют аналоговые сигналы. Поэтому на оконечной станции, где все отдельные шлейфы сходятся и формируют исходящие соединительные линии, аналоговые сигналы преобразуются в цифры.
Преобразование происходит с помощью специального устройства — так называемого кодека (сокращение от «кодировщик/декодировщик»), который применяет методику импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM). Эта методика — основа современной телефонной системы. Кодек создает 8000 сэмплов в секунду (по 125 мкс на сэмпл). Согласно теореме Найквиста этого достаточно для захвата всей информации от телефонного канала с полосой пропускания в 4 кГц. При меньшей частоте сэмплирования часть данных будет утрачена, при более высокой — дополнительных данных все равно получить нельзя. Практически все интервалы времени в любой телефонной системе кратны 125 мкс. Таким образом, стандартная скорость передачи несжатых данных для голосового телефонного звонка равна 8 битам каждые 125 мкс, то есть 64 Кбит/с.
Каждый сэмпл амплитуды сигнала квантуется до 8-битного целого. Чтобы снизить погрешность, шаги квантования выбираются неравномерно. При этом используется логарифмическая шкала, вследствие чего на малые амплитуды сигналов приходится относительно больше битов, а на большие амплитуды — относительно меньше. Таким образом, погрешность пропорциональна амплитуде сигнала. Широко применяются два варианта квантования: µ-закон в Северной Америке и Японии и A-закон в Европе и остальном мире. Оба варианта описаны в стандарте МСЭ G.711. Этот процесс можно представить так: динамический диапазон сигнала (отношение между минимальными и максимальными значениями) сжимается перед его квантованием (равномерным), а после восстановления аналогового сигнала — расширяется. По этой причине данный метод называют компандированием (companding). Можно также сжимать сэмплы после их оцифровки, так что для них потребуется куда меньшая скорость канала данных, чем 64 Кбит/с. Впрочем, мы отложим этот вопрос до обсуждения аудиоприложений, например передачи голоса по IP.
На другой стороне звонка аналоговый сигнал восстанавливается из цифровых сэмплов путем их воспроизведения (и сглаживания). В точности соответствовать исходному аналоговому сигналу он, конечно, не будет, хотя мы и производили сэмплы со скоростью, указанной теоремой Найквиста, поскольку они были преобразованы в цифровую форму.
Система связи T: мультиплексирование цифровых сигналов в телефонных сетях
Система связи T (T-Carrier) — спецификация передачи данных через несколько каналов TDM в одном физическом канале. TDM с PCM применяется для трансляции нескольких голосовых звонков по соединительным линиям посредством отправки сэмплов сигналов всех звонков каждые 125 мс. Когда цифровая передача данных стала реальностью, ССЭ МСЭ (тогда он носил название МККТТ) не смог согласовать международный стандарт PCM. В результате сейчас в различных странах используется множество разнообразных несовместимых между собой схем.
В Северной Америке и Японии используется система связи T1, показанная на илл. 2.32. (Строго говоря, формат называется DS1, а сама система связи — T1, но мы, следуя общепринятой в данной отрасли традиции, не станем вдаваться в подобные нюансы.) Система связи T1 состоит из 24 голосовых каналов, мультиплексированных в один. Каждый из этих 24 каналов, в свою очередь, выдает в исходящий поток сигналов 8 бит. Эта система связи возникла в 1962 году.
Илл. 2.32. Система связи T1 (1,544 Мбит/с)
Фрейм состоит из 24×8 = 192 бит плюс один дополнительный контрольный бит, то есть 193 бита каждые 125 мкс. Получается довольно приличная скорость передачи данных в 1,544 Мбит/с, из которых 8 Кбит/с отводится на вспомогательные цели. Этот 193-й бит используется для синхронизации фреймов и в сигнальных целях. В одном из вариантов он входит в состав группы из 24 фреймов, которая называется расширенным суперфреймом (extended superframe). Шесть битов, на 4-й, 8-й, 12-й, 16-й, 20-й и 24 позициях, соответствуют повторяющемуся паттерну 001011. . . Как правило, чтобы убедиться в должной синхронизации, приемник непрерывно проверяет наличие этого паттерна. Еще шесть битов используются для отправки кода проверки ошибок, чтобы приемник мог подтвердить синхронизацию. В случае рассинхронизации приемник ищет паттерн и подтверждает код проверки ошибок для восстановления синхронизации. Оставшиеся 12 бит отводятся на контрольную информацию, необходимую для функционирования и сопровождения сети, например данные о быстродействии с удаленной стороны.
Существует несколько вариантов формата T1. В более ранних версиях сигнальная информация посылалась внутриполосным образом (in-band), то есть по одному каналу с данными, используя некоторые биты. Эта архитектура представляет собой одну из форм передачи служебных сигналов по отдельному каналу (channel-associated signaling), поскольку у каждого канала есть свой собственный сигнальный подканал. В одной из схем в каждом шестом фрейме используется наименее значимый бит из 8 бит сэмпла каждого канала. Этот вариант получил красочное название передачи служебных сигналов с украденным битом (robbed-bit signaling). Основная его идея — несколько «украденных» битов не играют никакой роли для голосовых разговоров. Никто не услышит разницы.
Однако с данными все иначе. Отправка неправильных битов по меньшей мере бесполезна. При передаче данных с помощью более старых версий T1 в каждом из 24 каналов можно было задействовать лишь семь из восьми бит, то есть 56 Кбит/с. Более новые варианты T1 обеспечивают свободные каналы с использованием всех битов. Свободные каналы — это именно то, что нужно компаниям, арендующим линии T1 для отправки по телефонной сети данных вместо голоса. При этом передача служебных сигналов для всех голосовых звонков производится внеполосным образом (out-of-band), то есть по каналу, отделенному от данных. Зачастую передача служебных сигналов происходит по общему, то есть совместно используемому, каналу (common-channel signaling). Для этой цели можно задействовать один из 24 каналов.
За пределами Северной Америки и Японии вместо T1 распространена система связи E1 со скоростью 2048 Мбит/с. В ней используется 32 8-битных сэмпла, упакованных в стандартный 125-мкс фрейм. Тридцать каналов используются для информации и один-два — для передачи служебных сигналов. Каждая группа из четырех фреймов включает 64 бита для служебных сигналов, половина из которых используется для их передачи (по выделенному или общему каналу), а другая половина — для синхронизации фреймов (или же она резервируется — в каждой стране под разные нужды).
Мультиплексирование с разделением по времени позволяет объединять несколько T1 в системы более высокого порядка. На илл. 2.33 показано, как это происходит. Слева представлено четыре канала T1, мультиплексируемых в один канал T2. На уровне T2 и выше 24 голосовых канала, составляющие фрейм T1, мультиплексируются побитно, а не побайтно. Четыре потока T1 со скоростью 1,544 Мбит/с должны давать 6,176 Мбит/с, но на деле скорость T2 составляет 6,312 Мбит/с. Дополнительные биты используются для синхронизации фреймов и восстановления в случае сбоев системы связи.
Илл. 2.33. Мультиплексирование каналов T1 в системы связи более высокого порядка
На следующем уровне семь потоков T2 объединяются побитно в T3. Далее шесть потоков T3 соединяются в T4. На каждом шаге присутствуют небольшие накладные расходы на синхронизацию фреймов и восстановление (на случай рассинхронизации между отправителем и получателем). T1 и T3 широко используются абонентами, в то время как T2 и T4 применяются только внутри самой телефонной системы, поэтому они менее известны.
В США и остальном мире нет единого стандарта для базовой системы связи, так же как нет и согласия относительно ее мультиплексирования в систему с большей пропускной способностью. Принятую в США схему с шагами 4, 7 и 6 в остальном мире не сочли лучшим из возможных вариантов, поэтому стандарт МСЭ призывает мультиплексировать по четыре потока в один на каждом уровне. Кроме того, данные для синхронизации фреймов и восстановления также отличаются в стандартах США и МСЭ. В иерархии МСЭ используется 32, 128, 512, 2048 и 8192 канала, работающие на скоростях 2048, 8848, 34 304, 139 264 и 565 148 Мбит/с.