Скорость или частота Найквиста
Н.Н. Слепов
Современные цифровые технологии
Глобальных сетей связи
Москва
УДК 321.395.34 681.324
С47
Слепов Н.Н.
С47 Современные цифровыетехнологии глобальных сетей связи. - М.: Астра Полиграфия, 2011.-298с.
ISBN 978-5-88161-323-5
В книге рассмотрены практически все основные цифровые технологии современных гло-. бальных сетей фиксированной связи: Х.25, FR, ATM, PPP, ISDN, PDH, SDH, WDM, а также IP и MPLS. Описаны основные особенности и многоуровневые модели указанных технологий, логические структуры пакетов, кадров и фреймов, функциональные элементы, архитектура и характеристики промышленных систем. Кратко рассмотрены также вопросы синхронизации и проектирования таких сетей.
Описаны основные особенности оборудования, сетевых устройств и функциональных элементов, используемых этими технологиями в сетях с коммутацией цепей и пакетов, включая: коммутаторы, мультиплексоры, шлюзы, модемы, кодеки, интерфейсы, устройства управления и конвертирования асинхронных потоков в синхронные (РАО'ы и FRAD'bi), а также оптические усилители.
Книга может служить учебным пособием по курсам: "Технологии глобальных сетей связи", "Системы и технологии передачи данных" или других подобных курсов, освещающих сети и технологии фиксированной связи. Она может служить также в качестве общего вводного курса для специалистов в области связи и глобальных сетевых технологий, желающих понять общность, различие, взаимопроникновение и сближение локальных, корпоративных и глобальных сетей, а также желающих расширить свои знания в области глобальных сетевых технологий. Эта книга, вне всякого сомнения, м.б. адресована студентам ВУЗов, изучающих сети связи, как базовое учебное и справочное пособие при изучении сетей связи и сетевых технологий.
ББК 32.881
Ни одна часть этой публикации не может быть репродуцирована или преобразована любыми средствами в любую форму (включая электронную) и размещена на любых носителях и в любых средах (включая размещение в Интернете) без письменного разрешения автора.
Автор сделал все от него зависящее, чтобы представить надежную информацию о технологиях связи, однако он не несет ответственности за достоверность материалов, взятых из многочисленных источников, как и за последствия от их использования.
Все замечания и предложения просьба
направлять по электронному адресу автора,
Слепова Николая Николаевича:
nnslepov@yandex.ai
ISBN 978-5-88161-323-5 ©Слепов Н.Н., 2011
Предисловие
Материал, изложенный в этой книге, представляет собой расширенный курс: "Технологии глобальных сетей" или, кратко, "Глобальные сети", который автор в течении многих лет (с 1997 г.) читает студентам старших курсов кафедры "Инженерной кибернетики" Московского института стали и сплавов (МИСиС). Этот курс (с некоторыми изменениями и дополнениями) входит в группу курсов: "Системы передачи данных (Data Networking)", "Основы SDH (SDH Basics)", "Основы сетей SDH и технологии оптоволоконной оптической связи (SDH Basics and fiber optics technology)", Сетевое планирование трафика SDH и WDM (SDH & WDM Traffic Network Planning)", которые автор читал сотрудникам СП компании "Ericsson" и слушателям учебных центров этой компании в Москве (РФ), Алма-Ате (Казахстан) и Киеве (Украина). Аналогичные курсы автор также читал (по приглашению) в ряде компаний в Москве и в других городах РФ.
Упомянутый базовый курс "Глобальные сети" состоял из 11 Глав и вошел в расширенном виде в эту книгу. 12-я Глава (Технология пакетной коммутации на основе протокола IP) была включена недавно. Курс может быть рассчитан на 48-64 учебных часа.
Курс начал формироваться после выхода в 1997 г. первого издания книги автора "Синхронные сети SDH" ("Эко-Трендз"), где рассматривались технологии: ИКМ, PDH и SDH. Эта книга вышла четырьмя изданиями (1997-1999) в издательстве "Эко-Трендз" и получила признание у читателей, будучи фактически первым русскоязычным изданием на эту тему.
В 2000 и 2003 г. в издательстве "Радио и связь" двумя изданиями вышла существенно расширенная и заново переработанная книга автора "Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи". В этой книге, кроме PDH и SDH, были рассмотрены также технологии ATM, SONET, WDM и разделы: Радиорелейные сети связи, Управление сетью связи, а также свойства и характеристики пассивных и активных элементов оптоволоконных сетей связи, включая оптические кабели. Эта книга фактически стала учебным пособием в ВУЗах связи РФ. В ней был аккумулирован опыт и знания автора, полученные им за годы работы (1992-2002) в таких связных компаниях, как Макомнет, ТелеРосс, Голден Телеком и Совинтел (РФ), а также GTS (Global Telesystems Group) и Andrew Corp. (США), в качестве менеджера пилотных проектов и сетевого планирования.
Сейчас автор готовит новое издание книги "Современные технологии...". Процесс этот, однако, долгий, трудоемкий и не ясно, будет ли он завершен. Поэтому автор решил выпустить краткую версию задуманного первого тома "Электрические технологии" в виде учебного пособия для студентов и слушателей учебных курсов: краткого, емкого, но не отягощенного излишними подробностями, множеством ссылок на источники и приложениями.
В работе над пособием автор опирался и на свой опыт чтения лекций, который он приобрел в российских ВУЗах (МИРЭА, МИСиС), учебных центрах компании "Ericsson" (в Москве, Алма-Ате и Киеве), а также в университетах Fullerton (California) и Morris (Minnesota) в США.
Автор надеется, что читатели оценят представленное пособие, хотя бы за то, что в нем (см. Оглавление) кратко представлены практически все глобальные технологии фиксированной связи: Х.25, FR, ATM, ИКМ, ISDN, PDH, SDH, WDM, а также IP и MPLS, описанные с единых позиций и в одном стилистическом ключе.
Опыт чтения подобных кратких, но насыщенных, курсов показывает, что слушателям часто требуется прочитать материал не один, а два-три раза, ответить на контрольные вопросы и разобраться с большим количеством сокращений, расшифровки которых даны внутри глав. Я надеюсь, что мои потенциальные читатели воспользуются словарем автора: "Англо-русский толковый словарь сокращений в области связи, компьютерных и информационных технологий" (М.: Радио и связь, 2005).
Николай Слепов, Март 2011 г.
Краткое содержание
Предисловие........................................................................,.......................................................3
Глава 1
Основные понятия и особенности систем связи.......................................................................5
Глава 2
Классификация и общие особенности сетей..........................................................................25
Глава 3
Введение в цифровые технологии глобальных сетей............................................................45
Глава 4
Технология пакетной коммутации стандарта Х.25.................................................................71
Глава 5
Технология пакетной коммутации Frame Relay......................................................................93
Глава 6
Основы технологии ATM.........................................................................................................117
Глава 7
Цифровые сети интегрированного обслуживания ISDN......................................................147
Глава8
Введение в технологию PDH..................................................................................................165
Глава9
Введение в синхронную цифровую иерархию (SDH)...........................................................181
Глава10
Введение в волоконно-оптическую технику и технологию WDM........................................ 201
Глава 11
Управление сетями связи.......................................................................................................225
Глава 12
Технология пакетной коммутации на основе протокола IP..................................................247
Оглавление……………………………………………………………………………………………289
Глава 1
Основные понятия и особенности систем связи
Основные понятия
Блок-схема системы связи
Системы связи, независимо от того на базе каких сетей (локальных или глобальных) они построены, используются для передачи непрерывного сигнала или последовательности дискретных сигналов, несущих элементы передаваемого сообщения.
Это утверждение содержит, по меньшей мере, пять (выделенных нами) понятий:
· сообщение - сведения, подлежащие передаче; их количество д.б. измерено какой-то универсальной мерой:
· информация- универсальная мера, которой измеряют количество сведений, содержащихся в сообщении;
· непрерывныйили дискретный сигнал - эквивалентные формы представления сообщения; допускающие взаимное преобразование;
· связь - действие, позволяющее передать сообщение от отправителя (источника) к получателю (приемнику):
· система связи- совокупность технических средств, осуществляющая передачу сообщений (рис.1-1).
Система связи на рис.1-1, включает: передатчик сигнала, линию связи, приемник сигнала
и источник помех (отправитель и получатель не включены в ее состав). Объект передачи -сообщение, представленное сигналом - переносчиком сообщения. При этом над сигналом осуществляются три операции:
- преобразование- перевод сообщения в форму, удобную для последующей обработки;
- кодирование- изменение формы сообщения для повышения помехоустойчивости при прохождении по каналу связи;
- модуляция- изменение параметров несущей, являющейся переносчиком передаваемого сообщения.
Рис.1-1. Блок-схема система связи, как совокупность средств передачи сообщений
1.1.2. Сообщение: дискретная и непрерывная формы
Дискретное сообщение - сообщение, состоящее из отдельных букв или цифр, напр., телеграфное сообщение, передаваемое азбукой Морзе (1837). Отдельным элементом такого сообщения м.б. блок цифр, кодирующий буквы или их последовательность, т.е. кодовый блок, напр., 5-элементный код постоянной длины - код Боде (1875).
Скорость или частота Найквиста
Дискретные сообщения исследовал Найквист (1924-28), определивший, что по каналу с полосой fc можно передать максимально 2fc импульсов/отсчетов в секунду, а для исключения меж-символьной интерференции(МСИ) нужно использовать импульсы вида g*(t) = sin(2pfct)/(2pfct) . Вид этой функции (результат прохождения прямоугольного импульса
через идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза fc ) приведен на рис. 1-2. Ну-
ли функции g*(t)соответствуют точкам n/2fc, где n=1,2,3 ..., где достигается максимум функций последовательности, передаваемой со скоростью 2fc импульсов/с, что исключает МСИ.
Рис.1 -2. Вид импульса, идеального ФНЧ и функции g(t) - результата прохождения импульса через ФНЧ
Частоту 2fc называют частотой Найквиста, она фигурирует во всех процессах, связанных с дискретизацией аналоговой функции. Функция g*(t)известна также как функция sinc(2pfct). Она используется в теореме отсчетов.
Непрерывное сообщение
Непрерывное сообщение - сообщение, представленное непрерывной функцией времени g(t).
На практике принято считать g(t)функцией с ограниченным частотой wc (wc=2pfc) спектром. Если представить спектр S(w) этой функции на интервале (-wc, wc) рядом Фурье, а затем восстановить ее, используя обратное преобразование Фурье, то такая функция м.б. записана в виде суммы отсчетов функции в моменты tk=kΔt, называемой рядам Котельникова(1933):
. (1 -1)
Слагаемые (1-1) - это отклики 
идеального ФНЧ с частотой среза 
(рис. 1-3в) на импульс (выборку) (рис. 1-3б), плошадь которого равна значению g(t) в момент 
. Восстановление исходной функции (рис.1-3а) на приеме происходит путем пропускания таких импульсов, через ФНЧ (рис.1-3г).
Функция 
интересна тем, что при 
она равна 1, а при всех 
для 
равна 0.Поэтому, даже если выходные импульсы и перекрываются, в моменты, соответствующие взятию очередного отсчета значение функции определяется только одним из них.
Если g(t)рассматривается на конечном интервале T, она будет определяться числом выборок m пропорциональным удвоенной верхней частоте среза спектра функции fc: 
, т.к. 
. Итак, можно говорить о справедливости утверждения, известного в мире как теорема отсчетов Найквиста, а у нас как теорема Котельникова.