Implementarea Si Simularea Unui Sistem Optic de Transmisiuni In Configuratie Msp 1+1

Cuprins

1. Introducere

1.1. Definirea problemei și motivarea alegerii temei

1.2. Prezentarea pe scurt a capitolelor prezente în lucrare

2. Noțiuni teoretice generale

2.1. SDH

2.1.1. Introducere în sisteme sincrone

2.1.2. Structura de multiplexare

2.1.2. Cadrul SDH

2.1.2. Interpretarea alarmelor și a erorilor

2.2. Tipuri de protecție în SDH

2.2.1. Protecție de echipament: EPS

2.2.2. Protecție de rețea

3. Descrierea sistemului optic

3.1. Echipamentul

3.2. Tipuri de fibră

3.3. Tipuri de conectori

4. Implementarea sistemului optic

4.1. Partea HW

4.2. Partea SW

4.2.1. Setarea cardurilor

4.2.2. Setarea protecției

5. Simulări și măsurători

5.1. Simularea defectelor și testarea protecției

5.1.1. Defect pe fibră

5.1.2. Defect pe echipament

5.2. Izolarea unui defect

5.2.1. Utilizarea power metrului

5.2.2. Utilizarea buclei

5.3. Măsurarea timpului de comutare

6. Concluzii

7. Bibliografie

1. Introducere

1.1. Definirea problemei și motivarea alegerii temei

Prezenta lucrare reprezintă un model experimental al unui sistem de transmisie în configurație de protecție MSP (Multiplex Section Protection), pe fibră optică între două două puncte. Sistemul este realizat în cadrul laboratorului “Alcatel-Lucent University, Timișoara”, fiind implementat cu ajutorul echipamentelor Alcatel 1660 SM (“Synchronous Multiplexer”).

Acest proiect are ca scop simularea și testarea atât a transmisiei pe fibră optică între două orașe cât și a protecției în cazul unor defecte.

Am ales această temă deoarece transmisiunile pe fibră optică stau la baza transmiterii volumui mare de date din prezent. Transmisiunile pe fibră optică sunt larg răspândite în prezent și reprezintă viitorul în domeniul transmiterii informației. Două din cele mai importante tehnologii DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing) și SDH (Synchronous Digital Hierarchy) pot transporta diferite tipuri de servicii cum ar fi celule ATM (Asynchronous Transfer Mode), pachete IP (Internet Protocol), sau cadre „Ethernet”.

Comunicațiile prin fibră optică reprezintă o metodă de transmitere a informației dintr-un loc în altul cu ajutorul trimiterii impulsurilor de lumină printr-o fibră optică. Lumina constituie o undă electromagnetică purtătoare care este modulată pentru a transmite informația. Primul sistem de comunicații prin fibră optică, realizat în 1970 a revoluționat industria telecomunicațiilor și a jucat un rol important în apariția erei informației. Datorită avantajelor față de transmisiunile în mediu electric, fibrele optice au înlocuit la nivel înalt cumunicațiile prin cablu electric in rețelele de tip „core”. Fibrele optice sunt folosite de un număr mare de companii de telecomunicații care oferă cliențiilor servicii de telefonie, internet și televiziune. Cercetătorii din laboratoarele Bell au realizat un sistem care poate ajunge la o viteză de 100 de petabiți folosind fibră optică. Datorită faptului că atenuarea și interferența au valori mult mai mici față de cazul transmisiunilor pe fire de cupru, transmisiunile pe fibră optică au un mare avantaj în aplicațiile de tip „long-distance” și „high-demand” [1].

1.2. Prezentarea pe scurt a capitolelor prezente în lucrare

În continuare voi face o scurtă prezentare a capitolelor ce urmează.

Capitolul 2 este structurat în două părți. În prima parte a acestuia voi face introducerea în partea teoretică. Voi descrie noțiuni generale de SDH, acestea fiind necesare implementării sistemului. În pareta a două voi vorbi despre protecțiile SDH și voi pune accent pe protecția de tip MSP.

În capitolul 3 voi vorbi despre elementele sistemului. Acesta sete structurat în trei părți: tipul de echipament, fibra și conectorii folosiți în realizarea sistemului de transmisiuni.

Capitolul 4 prezintă implementarea propriu-zisă a sistemului atât din punct de vedere hardware cât și software.

În capitolul 5 sunt prezentate simulările și măsuratorile efectuate pe echipament.

În ultimul capitol sunt evidențiate concluzile bazate pe măsurătorile și simulările efectuate în capitolul 5.

2. Noțiuni teoretice generale

2.1. SDH

2.1.1. Introducere în sisteme sincrone

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) și SONET (Synchronous Optical Networking) reprezintă protocoale standardizate care transferă fluxuri multiple de biți pe fibră optică utilizând diode laser. Pentru transmiterea datelor la rate de transmisie joase se poate folosi mediu electric. Tehnologia SDH a fost dezvoltată pentru a înlocui PDH (Plesiochronus Digital Hierarchy), un sistem ce transporta un număr mare de apeluri telefonice și trafic de date pe o singură fibră fără probleme de sincronizare[1].

Fig. 2.1.1. Model de rețea de transmisiuni.

PDH nu a fost proiectată pentru rate de trafic mari și nu oferă conexiuni optice între pentru interfețele optice provenite de la diferiți vendori. De asemenea PDH are un cost mare și este foarte inflexibil în structura de multiplexare. Acestea sunt doar câteva dezavantaje ale tehnologiei PDH în comparație cu SDH[1].

SDH a rezultat din conceptul SONET, propus în Statele Unite ale Americii. Primul standard SDH a fost aprobat de către ITU-T în anul 1988. Acesta definea rata, cadrul și procesul de multiplexare. SDH este definit ca fiind un ansamblu de structuri de transport digitale. SDH oferă rețea de management centralizată.

Fig. 2.1.2.Rețea de transport SDH

O rețea de transport SDH poate transporta o varietate de semnale digitale:

Semnale PDH de diferite rate de transfer (1,5 Mb/s, 2 Mb/s, … 140 Mb/s)

Semnale ATM (Asynchronus Transfer Mode)

Transportul poate fi protejat sau neprotejat:

Bidirectional (cel mai des întâlnit)

Unidirectional

Broadcast

În continuare voi prezenta cadrul SDH. Componentele de bază ale cadrului SDH sunt containerul, containerul virtual, unitatea tributară, grupul de unități tributare, unitatea administrativă, grupul de unități administrative.

2.1.2. Structura de multiplexare

Containerul C-n are asignat un index n care poate fi 11, 12, 2, 3 sau 4. Rata containerului depinde de semnalul transportat. Maparea semnalelor în containerul corespunzător este specificată în G.707. În continuare voi explică structura de multiplexare a cadrului SDH.

Fig. 2.1.3.Container SDH

După ce semnalele sunt mapate în container, la container se adaugă un antet numit POH (Path OverHead) din care rezultă containerul virtual VC-n (Virtual Container).

(2.1)

Antetul POH este capacitate de transport adițională proiectată pentru container.

Containerele virtuale cu rata mică (n=11, 12, 2, 3) și pointerul PTR formează unitatea tributară TU (Tributary Unit). Pointerul este adăugat suplimentar la VC-n și este folosit pentru a localiza containerul virtual în cadrul unității tributare TU. Pointerul permite transportul VC-urilor defazat față de unitățile tributare corespunzătoare, care facilitează procesarea datelor în elementul de rețea[1].

Fig. 2.1.4.Structura de multiplexare ITU-T

Pentru containerele virtuale cu rata mare (VC-3, VC-4) voi vorbi la unitatea administrativă.

(2.2)

Grupul de unități tributare TUG-2/TUG-3 (Tributary Unit Group) sunt alcătuite din mai multe capacități de diferite mărimi.

(2.3)

În cazul unui TUG-2 acesta poate fi alcătuit din 4xTU-11, 3xTU-12 sau 1xTU-2. Un TUG-3 poate fi alcătuit din 7xTUG-2 sau 1xTU-3. TUG-ul este obținut prin muliplexarea intercalată a biților.

Unitățile administrative AU (Administrative Unit) sunt realizate dintr-un container virtual (VC-3/VC-4) și un pointer. Structura de multiplexare AU-3 este implementată pentru a fi compatibil cu cadrul SONET.

(2.4)

Grupul de unități administrative AUG (Administrative Unit Group) poate fi consitituit dintr-un AU-4 sau din 3xAU-3.

Un cadru STM (Synchronous Transport Module) se formează din mai multe AUG și din antetul de secțiune SOH (Section OverHead). SOH este format din secțiunea de multiplexare MSOH (Multiplexer Section OverHead) și din secțiunea de regenerare RSOH (Regenerator Section OverHead).

(2.5)

(2.6)

Procesarea semnalelor SDH se realizează în 3 faze:

Maparea semnalelor digitale în containere C-n

Multiplexarea containerelor de rate mici către containere de rate mari via TUG și în final via AU(AUG) în cadru de bază STM-1

Multiplexarea cadrului de bază STM-1

Tabelul 2.1. Ratele de transfer în SDH/SONET

2.1.2. Cadrul SDH

Cadrul STM-1 este formatul de bază în transmisiuni SDH – primul nivel în ierarhia sincronă digitală. Cadrul STM-1 este transmis în 125 µs, prin urmare se transmit 8000 de cadre pe secundă pe un circuit pe fibră optică de 155,52 Mbit/s. Cadrul STM-1 conține antetul, pointerul și informația utilă. Primele nouă coloane conțin antetul de secțiune și pointerii unităților administrative iar ultimele 261 de coloane conțin informația propriu-zisă. Pointerii (biții H1, H2, H3) identifică unitățile administrative din interiorul informației utile[1].

(2.7)

Antetul de secțiune SOH (Section OverHead) a unui cadru STM-1 este divizat în două părți: secțiunea de regenerare RSOH (Regenerator Section OverHead) și secțiunea de multiplexare MSOH (Multiplex Section OverHead). Antetul conține informație despre sistemul de transmisie care este folosită pentru o gamă largă de funcții de management cum ar fi: monitorizarea calității transmisiei, detectarea defectelor, administrarea alarmelor, canalele de comunicare a datelor, etc.

Fig. 2.1.5.Structura cadrului de bază SDH

Cadru de bază STM-1 are următoarele caracteristici:

Lungimea: 2430 de octeți

Durata: 125 µs (8000 cadre/s)

Rata: 155,520 Mbit/s

Informația: 149,760 Mbit/s

Antetul de secțiunii de regenerare are 27 de octeți care conțin informații despre structura cadrului necesară echipamentelor terminale. Antetul secțiunii de multiplexare are 45 de octeți iar aceștia conțin informații despre corectarea erorilor și mesaje despre comutarea automată a protecției. Pointerul este reprezentat de bitul J1, primul bit din containerul virtual. Antetul de cale POH (Path OverHead) este reprezentat de nouă octeți și este folosit pentru semnalizare și măsurarea erorilor[1].

Secțiunea este legătura dintre două elemente de rețea. Secțiunea de regenerare este legătura dintre două regeneratoare sau dintre un regenerator și un terminal. Secțiunea de multiplexare este legătura dintre două terminale. Calea (Path) conectează două puncte unde este generat un semnal plesiocron.

Fig. 2.1.6.Secțiunea de regenerare, multiplexare și de cale

Antetul de secțiune este divizat în două:

antetul secțiunii de regenerare RSOH

antetul secțiunii de multiplexare MSOH

În continuare voi prezenta biții din cele două secțiuni. În secțiunea de regenerare sunt prezenți următorii biți:

A1, A2 – sunt folosiți pentru recunoașterea începutului unui cadru

J0 – este folosit de către receptor pentru a verifica dacă informația recepționată este corectă

B1 – sunt folosiți pentru monitorizarea erorilor transmisiei

E1 – pot fi folosiți pentru a transmite mesaje de-a lungul unei secțiuni de regenerare pentru operare și mentenanță

F1 – poate fi folosit pentru a transmite date și voce pentru mentenanță

D1-D3 – aceste canale sunt folosite pentru a transmite informații de management prin cadrul STM

Fig. 2.1.7. Antetul de secțiune

În secțiunea de multiplexare sunt prezenți următorii biți:

B2 – sunt folosiți pentru monitorizarea erorilor

K1, K2 – comutarea automată pe protecție APS

D4-D12 – aceste canale sunt folosite pentru a transmite informații de management prin cadrul STM

S1 – calitatea sincronizării

E2 – pot fi folosiți pentru a transmite mesaje de-a lungul unei secțiuni de regenerare pentru operare și mentenanță

M1 – numărul de biți intercalați care au fost detectați eronați în biții recepționați B2

Z1, Z2 – biți de rezervă

2.1.2. Interpretarea alarmelor și a erorilor

Alarmele1 – sunt folosiți pentru monitorizarea erorilor transmisiei

E1 – pot fi folosiți pentru a transmite mesaje de-a lungul unei secțiuni de regenerare pentru operare și mentenanță

F1 – poate fi folosit pentru a transmite date și voce pentru mentenanță

D1-D3 – aceste canale sunt folosite pentru a transmite informații de management prin cadrul STM

Fig. 2.1.7. Antetul de secțiune

În secțiunea de multiplexare sunt prezenți următorii biți:

B2 – sunt folosiți pentru monitorizarea erorilor

K1, K2 – comutarea automată pe protecție APS

D4-D12 – aceste canale sunt folosite pentru a transmite informații de management prin cadrul STM

S1 – calitatea sincronizării

E2 – pot fi folosiți pentru a transmite mesaje de-a lungul unei secțiuni de regenerare pentru operare și mentenanță

M1 – numărul de biți intercalați care au fost detectați eronați în biții recepționați B2

Z1, Z2 – biți de rezervă

2.1.2. Interpretarea alarmelor și a erorilor

Alarmele de comunicare pot fi divizate în alarme primare, secundare și alarme care trebuie transmise în sens invers[1].

Fig. 2.1.8. Exemplu de rețea SDH

Cele mai întâlnite alarme primare sunt:

LOS – Loss of Signal, alarma este declanșată în momnetul cănd receptorul nu detectează semnal optic.

LOF – Loss of Frame, biții A1 și A2 asigură alinierea cadrelor. Când sunt detectate erori în alinierea cadrelor atunci alarma LOF este declanșată.

Cele mai întâlnite alarme secundare care sunt transmise pe direcția de propagare sunt:

AIS – Alarm Indication Signal, este generată să înlocuiască semnalul normal SDH care conține un defect. Alarma AIS este transmisă următorului nod pe direcția de propagare. AIS poate apărea la următoarele nivele: MS, secțiunea de multiplexare, este generată de o alarmă LOS sau LOF, AU, unitate administrativă, toți biții din unitatea administrativă au valoarea “1” și TU, unitate tributară, toți biții din unitatea tributară au valoarea “1”.

SSF – Server Signal Failure, alarmă detectată la nivel de client care indică la nivel de server că o altă alarmă a fost detectată înainte. Această alarmă arată că o alarmă din dispozitiv afectează traficul într-o terminație VC-12. De exemplu, o alarmă LOS pe un port STM-n la celălalt capăt al cross-conexiunii.

Cea mai întâlnită alarmă secundară care este transmisă pe direcția inversă propagării este:

RDI – Remote Defect Indication, semnalul care este returnat nodului transmițător după detectarea unei alarme LOS, LOF sau AIS. RDI poate apărea la următoarele nivele: MS, secțiunea de multiplexare, transmisă prin bitul K2, HP, rată mare, transmisă prin bitul G1 și LP, rată mică, transmisă prin bitul V5.

Fig. 2.1.9. Propagarea alarmelor într-o rețea SDH

Cel mai simplu exemplu de defect într-o rețea SDH generează următoarele alarme: LOS, AIS și RDI.

2.2. Tipuri de protecție în SDH

SDH/SONET are un număr limitat de arhitecturi definite. Aceste arhitecturi permit folosirea eficientă a lățimii de bandă în configurație de protecție (posibilitatea de a transmite trafic chiar dacă o parte din rețea s-a defectat), fiind fundamentale pentru implementarea la nivel mondial de SDH/SONET pentru comutarea traficului digital. Fiecare conexiune SDH/SONET optic folosește două fibre optice la nivel fizic, indiferent de viteza de transmisie[1].

Tipurile de protecții în SDH sunt împărțite în două categorii: protecții de echipament și protecții de rețea. Un exemplu de protecție de echipament este EPS („Equipment Protection Switching”) iar un exemplu de protecție de rețea îl reprezintă MSP („Multiplex Section Protection”). Diferența dintre cele două protecții îl reprezintă faptul că protecția MSP pe lângă faptul că protejează echipamentul împotriva defecțiunilor, protejează și linia împotriva defecțiunilor.

Fig. 2.2.1.a). Protecție de echipament b). Protecție de rețea.

Caracteristici:

a). „Equipment Protection Switching” (EPS):

• matricea, „clock-ul”, partea de control a sistemului si de conversie a puterii sunt protejate via EPS (1+1)

• toate intrările și ieșirile electrice de pe plăci sunt protejate opțional via EPS (1:N)

b). „Multiplex Section Protection – Linear Trail” (MSP)

• Conține două tipuri de protecție

— protecție de echipament în interiorul elementului de rețea

— protecție de linie între două elemente de multiplexare adiacente

• toate intrările și ieșirile electrice de pe plăci din interiorul elementului de rețea sunt protejate opțional via MSP (1+1)

În cele ce urmează voi vorbi despre fiecare tip de protecție SDH în parte.

2.2.1. Protecție de echipament: EPS

2.2.1.1. EPS 1+1

Definiția protecției de echipament EPS 1+1 („Equipment Protection Switching 1+1”) este aceea că un echipament care funcționează este protejat de un echipament redundant echivalent. Mecanismul de protecție EPS 1+1 asigură o transmisie continuă iar echipamentul defect poate fi înlocuit în cazul unei defecțiuni. Modul protecției EPS 1+1 este unul nereversiv.

Fig. 2.2.2. Protecție de echipament: EPS 1+1.

2.2.1.2. EPS 1:N

Definiția protecției EPS 1:N este aceea că N echipamente care lucreză sunt protejate de un singur echipament echivalent. În timpul operării normale fară apariția unui defect, echipamentul de protecție este inactiv. Modul de operare al protecției EPS 1:N este unul reversiv.

Fig. 2.2.3. Protecție de echipament: EPS 1:N.

2.2.2. Protecție de rețea

2.2.2.1. Mecanisme de protecție împotriva defecțiunilor de rețea

În tabelul de mai jos este prezentată o clasificare a protecțiilor de rețea:

Tabelul 2.2. Tipuri de protecții de rețea

MSP ↔ Multiplex Section Protection (linear)

MS-SPRING ↔ Multiplex Section Shared Protection in a Ring

SNCP/N ↔ Sub Network Connection Protection with non intrusive monitoring

SNCP/I ↔ Sub Network Connection Protection with inherent monitoring

Mecanismele de protecție sunt definite de ETSI (European Telecommunications Standards Institute) și ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector) la nivel de secțiune și la nivel de cale.

Mecanismele de protecție la nivel de secțiune sunt:

MSP liniar cu redundanță la nivel de secțiune între două noduri într-o rețea liniară

MS-SPRING care buclează (izolează) secțiunea declarată defectă

Mecanismele de protecție la nivel de cale:

SNCP/N și SNCP/I care tranportă semnalele selectând calea fără defect

2.2.2.2. Sub Network Connection Protection: SNCP

Fig. 2.2.4. Schema de protecție SNCP.

Protecția de tip SNCP se realizează la nivel de cale (VC-n). Mecanismul de protecție este dedicat, 1+1. Semnalul este transmis atât pe calea activă cât și pe calea de protecție iar apoi este selectată la recepție. SNCP se mai numește de asemenea și PPS (Path Protection Switching) [1].

SNCP are două moduri de operare:

reversiv – traficul este comutat înapoi pe canalul activ după ce defecțiunea s-a reparat, după trecerea timpului de restaurare (wait-to-restore time)

nereversiv – fără comutarea traficului înapoi pe canalul activ

În funcție de criteriul de comutare SNCP se împarte în două categorii:

SNCP/I – Sub Network Connection Protection cu monitorizare inerentă

SNCP/N – Sub Network Connection Protection cu monitorizare neintruzivă

Diferența între cele două este aceea că SNCP/N comută și în cazul în care semnalul este degradat.

Criteriul de comutare – automat:

SNCP-I: LOS, LOF, LOP, AU-/TU-AIS

SNCP-N: LOS, LOF, LOP, AU-/TU-AIS, HP-/LP-UNEQ, HP-/LP-E-BER, HP-/LP-DEG, HP-/LP-TIM, B3-/BIP-2-SD

Criteriul de comutare – comenzi externe:

mecanismul de blocare al protecției

comutarea forțată a protecției

comutarea manuală a protecției

comutarea forțată pe canalul normal

comutarea manuală pe canalul normal

Fig. 2.2.5. Criteriul de comutare al protecției SNCP.

2.2.2.3. Multiplex Section Protection: MSP

Schema de protecție MSP liniară mai este numită de asemena și APS (Automatic Protection Switching).

Tipuri de protecție MSP:

1+1 – 1 plus 1, dedicată pentru a proteja toată capacitatea folosită, nerevertivă

1:N – 1 pentru N, protecție cu prioritate scăzută care este anulată în cazul unui eveniment, revertivă

Configurația de protecție 1:1 este folosită în cazul:

APS, Automatic Protection Switching

EPS, Equipment Protection Switching

Comutarea se face în cazul următoarelor alarme: MS-AIS, LOS, LOF.

Fig. 2.2.6. Tipuri de protecții MSP: a). 1+1, b). 1:1, c). 1:N.

În imaginea de mai sus este prezentat modul de funționare al protecțiilor MSP.

În continuare voi prezenta în detaliu principiul de funcționare al schemelor de protecție MSP 1+1 și 1:1.

În cazul protecției MSP 1+1, transmițătorul trimite semnal simultan pe cele două linii (broadcast). La recepție semnalul este selectat în funcție de calea activă, cu ajutorul unui comutator. Un dezavantaj este acela că rata maximă de utilzare este rata unei singure linii de trafic[1].

MSP 1+1 poate fi construită în următoarele două moduri:

Single ended – dacă o singură direcție este afectată, comutarea se face doar pe direcția afectată. În acest caz nu este necesară folosirea protocolului biților K1/K2.

Dual ended – dacă o singură direcție este afectată, comutarea se face pe ambele direcții. În acest caz trebuie folosit protocolul biților K1/K2.

În schema de mai jos linia A este calea activă iar calea B este calea de protecție.

Fig. 2.2.7. Schema de protecție MSP 1+1

Avantajul protecției MSP 1:1 este acela că în timpul funcționării normale (traficul este transportat pe calea activă), calea de protecție poate transporta extra trafic cu prioritate mai mică. De aici rezultă o utilizare totală a resurselor (rata de utilizare egală cu suma celor două linii). În cazul unei defectări se produce comutarea traficului principal de pe calea activă pe calea de protecție iar traficul extra nu mai poate fi transportat pană la remedierea defecțiunii.

Fig. 2.2.8. Schema de protecție MSP 1:1

2.2.2.4. Multiplex Section Shared Protection in a Ring Network: MS-SPRING (2fiber)

Acest tip de protecție este realizată pe o structură de tip inel fiind capabilă să proceseseze un volum mare de trafic. Conceptul de protecție comună (“shared protection”) este bazat pe faptul că există un număr de m protecții care sunt împărtășite de un număr de n căi de protecții (m:n). Ca și în cazul MSP, căile de protecție pot fi folosite pentru a transporta trafic adițional (cu prioritate mai joasă).

Protocolul de comutare pe protecție este realizat de biții K1 și K2 în canalele de protecție MSOH. Protocolul de comunicare este capabil să administreze pană la maxim 16 noduri într-un inel.

Fig. 2.2.9. Vedere de ansamblu a inelului pe două fibre

Canalele de trafic și cele de protecție sunt transportate atât pe direcția de transmisie cât și pe direcția de recepție.

Fig. 2.2.10. Vedere detaliată a inelului

Principiul de funcționare a inelului în cazul unui defect este următorul: secțiunea afectată este izolată cu ajutorul unor bucle locale iar tot traficul care în mod normal era transportat de secțiunea defectă va fi comutat pe inel, pe secțiunile neafectate. Scopul acestei cpnfigurații este de a împărtășii aceeași protecție printre diferite resurse[1].

În funcție de numărul de fibre folosite există două tipuri de MS-SPRING: pe 2 respectiv 4 fibre.

În cazul unui inel pe 2 fibre de capacitate STM16, fiecare fibră transportă simultan 8 canale care transportă traficul efectiv (AU4#1-8) și 8 canale care protejează traficul efectiv (AU4#9-16). Când se realizează comutarea, containerele virtuale (VC) care transportă traficul efectiv sunt comutate pe containerele de protecție.

Voi explica funcționarea unui MS-SPRING pe 2 fibre în starea normală cât și atunci când este afectat de un defect, bazat pe schema de mai jos.

În funcționarea lui normala traficul dintre nodurile 1 și 4 va fi transportat de nodurile 1, 2, 3 și 4.

Fig. 2.2.11. Funcționarea inelului pe două fibre în cazul unui defect în rețea

Presupunem un defect în rețea între nodurile 2 și 3. Defectul din rețea este depistat și izolat după cum urmează:

Bridge – trimite traficul de pe canalele active spre porturile opuse adică pe canalele de protecție

Switch – folosit pentru a recepționa traficul pe canalele de protecție de pe porturile opuse (funcție de selecție)

Din cauza defectului traficul va urma nodurile: 1, 2, 1, 6, 5, 4, 3, 4.

2.2.2.5. Multiplex Section Shared Protection in a Ring Network: MS-SPRING (4 fiber)

În cazul acestui tip de protecție sunt necesare 4 fibre pentru fiecare latură a inelului (“span”). Atât pentru canalele de trafic cât și cele de protecție sunt dedicate câte două fibre.

Față de inelul pe două fibre, inelul pe patru fibre poate să comute în plus pe secțiune (“span switch”), pe lângă comutarea pe inel (“ring switch”). Aceste comutări nu pot funcționa în același timp. În imaginea de mai jos avem prezentată o vedere de ansamblu a unui inel pe patru fibre, cu linie punctată s-au evidențiat fibrele de protecție[1].

Fig. 2.2.12. Vedere de ansamblu a inelului pe patru fibre

Canalele de trafic și cele de protecție sunt transportate atât pe direcția de transmisie cât și pe direcția de recepție, separate, fiecare pe câte o singură fibră.

Fig. 2.2.13. Vedere detaliată a inelului

În cazul unui defect doar pe secțiunea activă de trafic, acesta va determina o comutare de secțiune (“span switch”) a canalelor de trafic. Traficul se va muta pe protecție pe aceeași secțiune.

În cazul unui defect atât pe partea activă cât și pe protecție de pe aceeași secțiune, acesta va determina o cumatare a traficul pe inel (“ring switch”).

Criteriul de comutare: MS-AIS, LOS, LOF.

Când canalele de trafic sunt transportate de calea activă, canalele de protecție pot transporta extra trafic.

Fig. 2.2.14. Funcționarea inelului pe patru fibre în cazul unui defect în rețea

Presupunem un defect în rețea între nodurile 2 și 3. Defectul din rețea este depistat iar canalele de trafic vor fi comutate pe protecția din aceeași secțiune.

3. Descrierea sistemului optic

3.1. Echipamentul

Acest proiect are ca scop simularea și testarea atât a transmisiei pe fibră optică între două orașe cât și a protecției în cazul unor defecte. Pentru aceasta am folosit două echipamente Alcatel-Lucent 1660 SM (Synchronous Multiplexer).

Echipamentul 1660 SM este un nod de rețea optic multi-serviciu OMSN (Optical Multi-Service Node) care include următoarea generație de echipamente SDH STM-16/64 și integrează funția de comutare de pachete într-un sistem SDH. Acesta poate fi configurat ca un multiplexor “add-drop” sau ca un “cross-connect” de mici dimensiuni. Oferă porturi până la STM64[2].

Îndeplinind cerințele ambelor tipuri de rețele, regionale respectiv metropolitane, echipamentul 1660 SM este ideal pentru transportul mai multor tipuri de servicii după cum urmează: SDH, ATM (Asynchronous Transfer Mode) și MPLS (MultiProtocol Label Switching), bazat pe capabilitățile de comutare dar și Ethernet, Fast Ethernet și Gigabit Ethernet prin interfețele LAN. Modulele ISA (Integrated Service Adapter) sunt proiectate pentru ATM, comutarea pachetelor sau Ethernet[2].

Fig. 3.1.1. Alcatel-Lucent 1660 SM

Echipamentul 1660 SM suportă GMPLS (Generalized MultiProtocol Label Switching) pentru o reziliență sporită a serviciilor care sunt interconectate cu rețele optice inteligente.

Aplicațiile principale ale echipamentului 1660 SM sunt: transport SDH în rețele cu arhitectură de tip inel sau plasă ( “mesh”), “backhaul” pentru rețelele mobile 3G și DSL și nu în ultimul rând metro Ethernet în rețelele MAN ( “Metropolitan Area Network”) și WAN ( “Wide Area Network”).

Acest tip de echipament este foarte eficient pentru traficul de voce și pentru traficul de date, optimizând costul. Au o fiabilitate garantată pentru clienți prin metodele de protecție. De asemenea se repară foarte ușor și necesită cerințe reduse de training prin faptul că acesta face parte din familia OMSN (“Optical Multi-Service Nodes”). Are o operare simplificată a rețelei prin faptul că are un sistem de management unic, care oferă aceleași funcții de management pentru toate echipamentele de transmisiuni[3].

Echipamentul 1660 SM suportă interfețe de la 2 Mb/s până la 10 Gb/s. Poate fi echipat cu module până la 4 concentratoare TDM care pot multiplexa până la 4 semnale de client diferite (“Fiber Channel”, “ESCON”, “FICON”, etc). Mai poate avea intefețe pentru interconectarea directă cu un echipament DWDM. Echipamentul prezintă reziliență la multiplele defecte dintr-o rețea și are o conectivitate îmbunătățită cu rețelele “core” inteligente optice.

Acesta mai suportă următoarele scheme de protecție:

SNCP/I și SNCP/P

MSP Linear

MS-SPRING

Drop and Continue pentru SNCP și MS-SPRING

Pentru realizarea sistemului am utilizat două echipamente 1660 SM , fiind o transmisiune punct la punct.

3.2. Tipuri de fibră

O fibră optică este o fibră flexibilă și transparentă, realizată din sticlă extrudată de înaltă calitate sau plastic. Fibrele optice sunt larg folosite în telecomunicații deoarece permit transmisia datelor pe distanțe mai lungi și la rate de transfer mai mari față de firele de cupru. Fibrele sunt folosite în locul firelor de metal deoarece semnalul parcurge fibra având o pierdere mai mică a semnalului și de asemenea sunt imune la interferențe electro-magnetice[4].

Lumina este transmisă prin fibra optică datorită fenomenului de reflexie totală internă. Acesta face fibra optică să funcționeze ca un ghid de undă (“waveguide”).

Fibrele optice se împart în două categorii:

Fibre monomod SMF – suportă un singur mod de propagare

Fibre multimod MMF– suportă mai multe căi de propagare

Fig. 3.1.2. Propagarea luminii prin fibră a). multimod b). monomod

Fibrele multimod au un diametru mai mare al miezului în comparație cu fibrele monomod, fiind utilizate pe distanțe scurte și în aplicații unde este necesar un transfer mare de putere. Fibrele monomod sunt folosite pentru comunicații pe distanșe mai mari de 1000 m.

O fibră monomod este structurată astfel: miezul, nucleul prin care se propagă lumina, teaca, care înconjoară miezul și care este realizată dintr-un material de sticlă cu un indice de refracție diferit de cel al miezului (acest lucru este necesar pentru ca lumina să se propage în interiorul miezului), tamponul, realizat din plastic având rol de protecție pentru fibra optică și învelișul, acesta fiind ultimul element al fibrei oferind protecție acesteia[4]. Aceste elemente sunt prezentate în figura 3.1.3.

Fig. 3.1.3. Structura unei fibre monomod:1-miez, 2-teacă, 3-tampon, 4-înveliș

3.3. Tipuri de conectori

Conectorii sunt elemente care termină fibra optică și realizează o conectare/deconectare mult mai rapidă decât lipirea fibrei. Conectorii aliniază și cuplează mecanic miezul fibrelor astfel încât lumina să treacă dintr-un miez în celălalt. Cei mai buni conectori pierd foarte puțină lumină datorită reflexiei și a nealinierii fibrelor. Conectorul este de fapt un ansamblu de elemente: adaptorul și două mufe de conectare. Conctorii de fibră optică sunt folosiți în rețele de telefonie, la sediul clienților și la instalația de afară pentru a conecta cabluri și echipamente ori pentru a conecta cabluri[5].

Cei mai mulți conectori de fibre optice sunt cu arc, astfel încât fibrele sunt presate împreună atunci când conectorii sunt împerecheați. De aici rezultă un contact care elimină pierderile de semnal care ar putea fi cauzate de un spațiu de aer între fibrele conectate[5].

În imaginea de mai jos sunt prezentați tipurile de conectori cei mai utilizați:

Fig. 3.1.4. Tipuri de conectori de fibră optică

Un conector cu un design bun trebuie să aibe următoarele caracteristici:

Pierdere de inserție mică

Pierdere de întoarcere mare (reflexie mică la interfața optică)

Ușor de instalat

Cost mic

Fiabil

Senzitivitate mică la mediul înconjurător

Ușor de folosit

4. Implementarea sistemului optic

4.1. Partea HW

Acest proiect are ca scop simularea și testarea transmisiei pe fibră optică între două orașe (Timișoara și Lugoj) și a protecției acestei linii în cazul unor defecte. Pentru aceasta am folosit două echipamente Alcatel-Lucent 1660 SM (Synchronous Multiplexer). Pe fiecare dintre cele două echipamente au montat căte două carduri STM-16 TR (Transmit/Receive). Între cele două echipamente am realizat două linii de capacitate STM-16 pe care le-am declarat mai târziu în protecție MSP. Am folosit o fibră de tip monomod și conectori de tip FC.

Comutarea de pe linia activă pe cea de protecție poate fi cauzată de un defect de linie sau de un defect hardware sau orice alt defect într-un alt sistem conectat între cele două echipamente.

Criteriul de comutare:

LOS

LOF

MS-AIS

Excessive BER

Signal Degrade

Echipamentul 1660 SM permite o protecție de tipul 1+1, unde o cale este protejată de o altă cale dedicată care transportă același semnal. Protecția poate fi setată în mod individual sau dual (valabil doar în cazul unui defect unidirecțional).

În modul individual, comutarea pe protecție se realizează doar prin comutarea semnalului afectat de defect.

În modul dual, comutarea pe portecție se realizează prin comutarea atât a semnalului afectat cât și a celui neafectat. Acest lucru este evidențiat în figura de mai jos.

În cazul unui defect bidirecțional ambele semnale se vor comuta pe protecție.

Semnalizarea comutării este transportată de către canalele APS (Automatic Protection Switching), folosind protocolul biților K.

Fig. 4.1.1. MSP 1+1, modul individual

Fig. 4.1.2. MSP 1+1, modul dual

În figura de mai jos este imaginea reală a echipamentului 1660 SM cu cele două carduri STM-16.

Fig. 4.1.3. Echipamentul 1660 SM

Pentru o funcționare corectă a echipamentului acesta trebuie să aibă în componență următoarele carduri:

CONGI – asigură alimentarea echipamentului

SERGI – asigură alimentarea echipamentului

EQUICO – asigură managementul echipamentului

2 x MATRIX – responsabil de crossconexiuni

Carduri de trafic (STM16, STM4, 63x2Mb, etc.)

Fig. 4.1.4. Shelf View1660 SM

Fig. 4.1.5.Cardurile din echipamentul 1660 SM

4.2. Partea SW

4.2.1. Setarea cardurilor

Pentru o funcționare corectă cardurile: 2xSTM16 din echipament au fost declarate și configurate.

Equipment -> Create/Modify Equipment -> S-161ND -> Set in Service

S-161ND reprezintă acrdul STM16 Short

Fig. 4.2.1. Setarea cardurilor

4.2.2. Setarea protecției

Cele două carduri 2xSTM16 trebuie declarate în configurație de protecție.

MSP -> Create MSP ->

Single Ended

Dual Ended

Se poate selecta doar opțiunea Not Revertive.

Fig. 4.2.2. Setarea protecției MSP 1+1

În imaginea de mai jos sunt comenzile ce pot fi folosite pe protecția MSP.

Fig. 4.2.3. Comenzile MSP

Fig. 4.2.4. Protecția MSP

Au fost create ambele tipuri de protecții MSP 1+1: single ended și dual ended.

5. Simulări și măsurători

5.1. Simularea defectelor și testarea protecției

Cele mai întâlnite defecte într-o rețea SDH au loc pe fibra dintre acestea sau în echipament. Când are loc un astfel de eveniment inginerii dintr-un NOC (Network Operations Center) trebuie să remedieze defectul cât mai repede pentru ca întreruperea serviciilor să fie cât mai scurtă.

5.1.1. Defect pe fibră

Defectele pe fibră sunt foarte des întălnite datorită faptului că fibrele sunt mai expuse riscurilor față de echipamente care se află în clădiri securizate. Un “fibercut” poate fi produs de o construcție de drumuri.

Pentru a simula un astfel de defect am tăiat pur și simplu fibra dintre echipamente.

Pot exista două cazuri:

Fibercut unidirecțional – o singură direcție este afectată. În cazul acesta alarmele care vor apărea în rețea sunt LOS pe receptorul echipamentul care nu mai primește semnal din cauza defectului și RDI pe receptorul echipamentului care încă primește semnal (această alarmă indicând că cea de-a două fibră nu este afectată).

Fibercut bidirecțional – ambele direcții sunt afectate. În acest caz alarma LOS va apărea pe ambele receptoare.

5.1.2. Defect pe echipament

Defectele de echipament, în majoritatea cazurilor, apar atunci când se defectează cardurile, echipamentele nefiind expuse la mediu înconjurător. Echipamentele sunt situate pe “site-uri”, acestea fiind securizate. Aceste “site-uri” sunt prevăzute cu sisteme de alimentare cu energie electrică și de climatizare pentru o bună funcționare a echipamentelor.

Pentru a simula un astfel de defect am înlocuit cardul STM-16 (care transportă traficul) cu un card de acelați tip dar defect. În momentul în care am scos cardul care transportă traficul, s-a produs comutarea pe protecție. Alarmele ce apar în rețea sunt: RUP (Replaceable Unit Problem) care ne arată defecțiunea cardului și RDI pe receptorul direcției neafectate.

5.2. Izolarea unui defect

Pentru a izola un defect în rețea un inginer trebuie trimis pe teren. Acesta trebuie sa aibe cu el un “power metru” cu care să măsoare puterea. De asemenea trebe să aibe bucle cu diferite atenuări (-5dB, -10dB).

5.2.1. Utilizarea power metrului

În laborator am dispus de power metrul optic OLP-55. Cu ajutorul lui putem izola defectul. Am conectat două fibre mai scurte (”patchcords”) între power metru și pe rând cardul STM-16 funcțional și cel defect. Se poate observa în imagini cum cardul funcțional transmite -1,39 dBm. Power metrul este setat pe lungimea de undă 1310 nm.

Fig. 5.1.1. Verificarea cardului funcțional

În cazul cardului defect, acesta nu transmite nici o putere iar pe ecranul power metrului se va afișa valoarea “LOW”.

De asemenea se poate măsura cu power metrul și puterea transmisă de echipamentul din partea cealaltă. Această putere însă va fi mai mică, deoarece va include și atenuarea intrdusă de fibră.

Fig. 5.1.2. Verificarea cardului defect

5.2.2. Utilizarea buclei

Un alt element cu care putem izola defectul în rețea este bucla. Bucla poate fi o simplă fibră cu conectori (“pathcord”) însă pentru a bucla direct un card avem nevoie de un atenuator deoarece transmițătorul poate trimite o putere mult prea mare și acest lucru ar putea afecta receptorul. În imaginea de mai jos avem o buclă cu atenuare de -10 dB, lungimea de 1 m și lungimea de undă 1310 nm.

Fig. 5.2.1. Atenuator de -10dB

În imaginea de mai jos avem o buclă plasată direct pe cardul STM-16. Aici avem două situații: în cazul în care alarmele rămân active pe cardul unde avem bucla pusă înseamnă că acesta este defect, iar în cazul în care se dezactivează atunci demonstrăm că acel card nu este defect și funcționeză la parametrii normali.

Ca și în cazul power metrului și aici putem pune buclă către celălalt echipament, pentru a izola defectul. Din nou trebuie monitorizate alarmele pentru a vedea unde este defectul.

Fig. 5.2.2. Buclă pe cardul STM-16

5.3. Măsurarea timpului de comutare

Cu ajutorul testorului SDH ANT-5 am realizat măsurări ale timpilor de comutare.

Fig. 5.3.1. Testorul SDH ANT-5

Testorul SDH are 3 parametrii în cazul măsurării timpului de comutare:

Senzorul: voi alege Întreruperea Serviciului pentru a testa toate tipurile de defecte.

Limita timpului de comutare (Switch time limit): aceasta va fi setată 50 ms. Aceasta valoare reprezintă valoarea normală definită de ITU-T.

Pasul de timp (Gate Time): este folosit pentru a monitoriza comutprile multiple din rețea

Am analizat 4 cazuri:

Protecție MSP 1+1 Single ended – Defect unidirecțional:

Cardul defect pe primul echipament

Fibra defectă

Cardul defect pe cel de-al doilea echipament

Protecție MSP 1+1 Single ended – Defect bidirecțional

Ambele fibre defecte

Protecție MSP 1+1 Dual ended – Defect unidirecțional

Cardul defect pe primul echipament

Fibra defectă

Cardul defect pe cel de-al doilea echipament

Protecție MSP 1+1 Dual ended – Defect bidirecțional

Ambele fibre defecte

În cazul protecției MSP 1+1 single ended – defect unidirecțional s-au obținut următoarele rezultate:

Fig. 5.3.2. Timpul de comutare în cazul protecției MSP 1+1 single ended – defect unidirecțional

În tabelul de mai jos sunt prezentate rezultatele pentru toate cazurile.

Tabelul 5.1. Timpii de comutare măsurați

Toate rezultatele s-au încadrat în limita impusă de ITU-T (50 ms), confirmând astfel că schema de protecție implementată a fost construită cu succes funcționând în parametrii normali.

6. Concluzii

În această lucrare s-a urmărit implementarea și testarea unui sistem de transmisiuni SDH în configurație MSP 1+1. S-au folosit două echipamente Alcatel-Lucent 1660 SM (Synchronous Multiplexer).

Acest sistem s-a realizat în mai mulți pași: sistemul fizic (cuprinde provizionarea cardurilor în echipament, realizarea conexiunilor prin intermediul fibrei optice), sistemul software (cuprinde instalarea și configurarea cardurilor în echipament și a schemei de protecție MSP), simularea unor defecte (de card și de fibră), utilizarea power metrului și a buclelor pentru a izola un defect în rețea și testarea propriu-zisă a protecției.

De asemenea s-au măsurat timpii de comutare luân în calcul 4 cazuri distincte.

Rezultatele din cazul protecției MSP 1+1 single ended și dual ended – defect unidirecțional se explică astfel: cu cât defectul este mai aproape de cel de-al doilea echipament (cel de-al doilea echipament este cel care inițează comutarea) cu atât comutarea se produce mai repede. În cazul modului dual ended, comutarea durează mai mult deoarece trebuie inițiate două switch-uri, unul pe fiecare echipament.

În cazul protecției MSP 1+1 single ended și dual ended – defect bidirecțional lucrurile se inversează. Modul dual ended realizează indiferent de tipul defectului (unidirecțional sau bidirecțional), comutarea ambelor direcții.

În cazul modului single ended timpul de comutare este mai mare decât in cazul modului dual ended deoarece defectul este verificat de două ori (pe ambele direcții).

7. Bibliografie

[1] Synchronous Digital Hierarchy, Alcatel University (Lannion / Stuttgart) 8AS 90101 0009 WBZZA, Edition 02, 07 September 2002

[2] Alcatel 1660SM STM-64 Multiservice Metro Node, Technical Handbook, 8DG 15436 AAAA Edition 02, Release 5.4, 27 November 2007

[3]Alcatel-Lucent OMSN Product Family

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber_connector

Bibliografie

[1] Synchronous Digital Hierarchy, Alcatel University (Lannion / Stuttgart) 8AS 90101 0009 WBZZA, Edition 02, 07 September 2002

[2] Alcatel 1660SM STM-64 Multiservice Metro Node, Technical Handbook, 8DG 15436 AAAA Edition 02, Release 5.4, 27 November 2007

[3]Alcatel-Lucent OMSN Product Family

[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

[5]http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber_connector