Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. Основные принципы и технические средства измерений параметров передачи для сетей PDH, SDH, IP, Ethernet и ATM

УДК 621.39 
ББК 32.88 
     Т38 
 
Р е ц е н з е н т :  доктор техн. наук, профессор  Э. Л. Портнов 

А в т о р ы :  И. И. Власов, Э. В. Новиков, М. М. Птичников, Д. В. Сладких 

Т38
Техническая диагностика современных цифровых сетей связи. 
Основные принципы и технические средства измерений параметров передачи для сетей PDH, SDH, IP, Ethernet и ATM / Под ред. 
М. М. Птичникова. – М.: Горячая линия–Телеком, 2012. – 480 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0195-7.  

Рассмотрены принципы построения цифровых систем передачи всех действующих иерархий, организации транспортных сетей на базе систем передачи PDH, SDH, АТМ и Ethernet, сетей широкополосного абонентского доступа, сетей нового поколения NGN, оптических транспортных сетей ОТN, 
обеспечение голосовых (VoIP) и видеосервисов в сетях с пакетной передачей, 
вопросы цифрового каналообразования на базе ИКМ и АДИКМ, организации синхронизации цифровых сетей и сигнализации в этих сетях. Анализируется функционирование линейных трактов на основе металлических и волоконно-оптических кабелей. Изложены принципы соединения (сварки) оптического волокна и использования разъёмных соединительных устройств. 
Рассмотрены вопросы теории и практики измерений в современных цифровых сетях связи, вопросы нормирования основных технических параметров, 
принципы, и технические средства их измерений, а также практика проведения 
измерений параметров передачи цифровых линий и сетей, цифровых стыков 
всех уровней, характеристик металлических и волоконно-оптических кабелей.  
Для специалистов, занимающимся разработкой, строительством и эксплуатацией цифровых систем передачи. Будет полезна для студентов и слушателей курсов повышения квалификации.  

ББК 32.88 

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru 

Справочное издание 

Власов Игорь Иоильевич, Новиков Эдуард Викторович,  
Птичников Марк Матвеевич, Сладких Денис Викторович

Техническая диагностика современных цифровых сетей связи.  
Основные принципы и технические средства измерений параметров  
передачи для сетей PDH, SDH, IP, Ethernet и ATM 

Редактор  Ю. Н. Чернышев 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать 26.01.12.  Формат 60×90/16. Печать офсетная.  Уч.-изд. л. 34,5.  Тираж 1000 (1-й завод 200 экз.) 

ISBN 978-5-9912-0195-7                                      ©  И. И.Власов,  Э. В. Новиков, 
                                                                     М. М.Птичников, Д. В. Сладких,2012 
    ©  Издательство «Горячая линия−Телеком», 2012 

Введение. Стратегия и тактика контроля
цифровых сетей

Характерной приметой нашего времени является чрезвычайно быстрое
развитие и совершенствование техники. При этом связь оказалась одним из
наиболее динамично развивающихся направлений научно-технического прогресса. На наших глазах произошёл переход от аналоговых систем передачи
и коммутации сообщений к цифровым. B свою очередь, цифровая техника
стремительно совершенствуется. Внедряется новая элементная база, новые
технологии производства, новые технологии передачи информации, а также
и новые носители информации. Радикально меняется и структура трафика,
в котором всё больший объём начинает занимать передача данных. При этом
стираются различия между телефонными сетями и сетями передачи дискретной информации. Абонентские сети, в недалёком прошлом полностью аналоговые, превращаются в широкополосные сети цифрового доступа.
Стремительное развитие техники связи требует от специалистов отрасли
постоянного обновления и расширения своих знаний. Немаловажную их часть
составляет информация о технике и технологии контроля систем передачи
и коммутации сообщений.
Внедрение новой техники неразрывно связано с
использованием новых методик измерения её качественных показателей и,
соответственно, новых типов контрольно-измерительных приборов. Меняется
и совершенствуется также нормативно-техническая документация.
Вот и приходится инженерам-связистам не только изучать теорию цифровой передачи и коммутации и осваивать соответствующую технику, но и
работать с большим объёмом нормативно-технической документации, включающей не только привычные Приказы МС РФ, ГОСТы, ОСТы и руководства
по эксплуатации, но и многочисленные рекомендации Международного союза
электросвязи, а также всевозможные международные стандарты.
При этом мало просто освоить новую технику. В процессе внедрения новой техники приходится оперативно осмысливать полученные результаты, отбрасывать ненужную и правильно интерпретировать полезную информацию.
Специалист отрасли должен не только хорошо знать своё дело, но и владеть
иностранными языками и свободно обращаться с компьютерной техникой.
Предлагаемая вниманию читателей книга содержит обзор принципов
построения транспортных сетей и сетей широкополосного цифрового доступа, цифровых линейных трактов на основе металлических и волоконнооптических кабелей. Рассматриваются принципы цифрового каналообразования на базе ИКМ и АДИКМ, плезиохронная и синхронная иерархии цифровых систем передачи и соответствующие цифровые стыки (интерфейсы), информационные структуры, функциональные узлы и топология сетей, в том
числе волоконно-оптические транспортные сети и сети доступа FTTx, а так

Стратегия и тактика контроля цифровых сетей

же волоконно-оптические системы передачи со спектральным уплотнением
(DWDM).
Освещены принципы построения широкополосных сетей ATM, принципы
построения, классификация технологий и динамика развития сетей Ethernet.
Нашли отражение вопросы создания сети нового поколения (ССП, или NGN),
принципы работы и области применения технологий xDSL, технология Triple
Play.
Разработчики и производители аппаратуры связи в обстановке стремительного количественного и качественного роста сетей сталкиваются с вопросами, требующими немедленного решения. Растёт число абонентов, меняется
структура услуг, усложняется топология сетей, и используются различные
среды передачи. В этой обстановке первоочередными задачами можно считать следующие:
1. Обеспечение взаимодействия аппаратуры различных производителей
и годов выпуска. Приходится также учитывать различие в подходе к организации контроля и управления сетями разных фирм-производителей. Требование обеспечения качественной совместной работы комплекса, включающего
в себя разнотипное оборудование, должно сочетаться с требованием унификации процедур контроля.
2. Оптимизация процессов мультиплексирования передаваемых сигналов, включая передачу данных, телефонных каналов и изображения, и последующей передачи групповых сигналов по различным средам распространения. Одним из путей решения этой задачи является внедрение новых технологий, таких, например, как xDSL. При этом необходимо обеспечить защиту передаваемой информации от опасных и мешающих влияний, защиту
от несанкционированного доступа, обеспечение нормированных качественных
показателей каналов и трактов.
Растущие требования к качественным показателям обусловили необходимость выбора и реализации как соответствующих процедур измерения параметров передачи, так и необходимой для этого приборной базы.
Многообразие параметров, подлежащих контролю, разнообразие типов
выпускаемых промышленностью контрольно-измерительных приборов и выполняемых ими функций зачастую делает их правильный выбор нелёгкой
задачей. Выбор прибора можно отнести к стратегии проведения измерений,
правила работы с ним — к тактике измерений.
Различные этапы производства, установки и дальнейшей эксплуатации
аппаратуры, которым сопутствуют соответствующие измерения, можно разделить на следующие категории:
• разработка: лабораторные испытания оборудования, отработка и проверка программного обеспечения;
• производство: испытания функциональных узлов, контроль комплектующих изделий, прогон аппаратуры, приёмо-сдаточные и типовые испытания оборудования;
• монтаж на местах эксплуатации: линейные испытания, прогон и анализ
полученных результатов;

Стратегия и тактика контроля цифровых сетей
5

• эксплуатация: обнаружение повреждений, локализация и определение их
характера, реконфигурация сети, оптимизация работы сети, измерение
качественных показателей.
В книге уделяется внимание как вопросам проведения приёмо-сдаточных
и типовых испытаний оборудования, линейных испытаний, так и измерениям
в процессе ремонта и профилактики, мониторингу телекоммуникационных
сетей и входящих в них линий и комплексов оборудования.
Этап эксплуатации характеризуется наиболее широкой номенклатурой
типов измерений. К ним, в первую очередь, относятся:
• обнаружение и локализация дефектов и аномалий как отдельных участков сети, так и работающих на них носителей и устройств обработки
сигналов, определение времени готовности и времени неготовности соответствующих элементов сети;
• измерения параметров стыковых и линейных цифровых сигналов с остановкой и без остановки связи;
• мониторинг оборудования мультиплексирования, а также линейных трактов на каждом фрагменте сети;
• определение запаса помехозащищённости регенераторов цифровых сигналов;
• проверка систем дистанционного контроля цифровых трактов и линий,
например, при помощи ввода в групповой сигнал калиброванных ошибок;
• контроль качества цифровых и аналоговых каналов как на сетях доступа,
так и на транспортных сетях;
• контроль процессов формирования, передачи и приёма сигналов аварии.
Перечисленные виды измерений принято делить на две основные категории: измерения с остановкой и без остановки связи.
Измерения без остановки связи (мониторинг) включают в себя контроль
ошибок, контроль правильности структурирования группового сигнала, контроль первичных параметров цифровых сигналов. Измерения проводятся в
условиях штатных режимов работы систем передачи. При этом не предъявляются повышенные требования к точности измерений. Результаты измерений
могут несколько варьироваться при многократных повторениях процедур измерения.
Измерения с остановкой связи, которые производятся с использованием стандартных испытательных сигналов, обеспечивают достаточно высокую
точность и повторяемость результатов, позволяют моделировать различные
производственные ситуации. В этом случае можно производить точное побитное сравнение передаваемого и принимаемого сигналов и, тем самым, наиболее эффективно обнаруживать и подсчитывать ошибки.
Определение термина «ошибка» требует уточнения.
Иногда говорят
«сбой», хотя это не вполне корректно: понятие «сбой» шире, чем «ошибка»
и включает в себя, например, нарушения работы синхронизации. Исходя из
методов определения наличия ошибки в транслируемом сигнале, можно разделить обнаруживаемые в цифровом потоке ошибки на такие категории, как

Стратегия и тактика контроля цифровых сетей

битовые (или бинарные), цикловые или кодовые ошибки.
Более подробно
характер упомянутых ошибок и методы их обнаружения рассматриваются в
соответствующих разделах.
Несомненно, самым предпочтительным вариантом организации контроля качества передачи является вариант, базирующийся на обнаружении и подсчёте битовых ошибок. Его реализация возможна только в режиме измерений с остановкой связи. Однако в этом случае передача группового цифрового сигнала по контролируемому тракту или линии делается невозможной.
Необходимо тем или иным способом имитировать этот сигнал.
Для этого
в состав измерительных комплексов включаются генераторы испытательных
сигналов. Испытательный сигнал должен обладать теми же первичными параметрами, т. е. скоростью передачи (тактовой частотой), амплитудой и формой импульсов, алгоритмом формирования, что и групповой сигнал данной
системы передачи. Должны быть сохранены и статистические характеристики сигнала, т. е. соотношение количества символов «1» и «0». Этот вопрос
также подробно рассматривается в следующих разделах.
Кроме того, в существующей практике широко применяются методы контроля, использующие свойства циклической структуры группового сигнала
(CRC), а также методы, использующие специальные контрольные биты или
целые комбинации символов цифрового сигнала.
При организации контроля ЦСП, как правило, используются все упомянутые выше методы обнаружения ошибок. Конкретные решения диктуются
категорией сети, типом аппаратуры и её местом в цифровой иерархии.
Для реализации процедур контроля и измерений, в зависимости от конкретных условий, требуются как простые портативные контрольно-измерительные приборы с минимальным временем подготовки к работе, так и сложные дорогостоящие универсальные измерительные комплексы.
Вместе с тем, следует помнить, что перечисленные выше процедуры позволяют ответить только на один вопрос: соответствуют или не соответствуют
параметры передаваемых сигналов установленным нормам и правильно или
неправильно функционируют сервисные подсистемы. Однако необходимо не
только установить факт падения качественных показателей передачи, но и
выявить его причины.
Данная задача решается использованием ещё двух
категорий процедур измерения:
• измерения показателей качества сред передачи: металлических и оптических кабелей и радиолиний, производимые как на этапе строительства,
так и в процессе проведения ремонтно-профилактических работ на действующих линиях;
• стендовая проверка аппаратуры, позволяющая обнаружить дефекты аппаратуры, в том числе комплектующих изделий, функциональных узлов
и межузлового монтажа.
Стендовая проверка является неотъемлемой
частью процесса калибровки и регулировки оборудования на стадиях её
производства и ремонта.
На этапе стендовых испытаний необходимо организовать проверку параметров аппаратуры на соответствие нормативной документации и техничес

Стратегия и тактика контроля цифровых сетей
7

ким условиям. Для решения этой задачи необходимо использовать специализированные комплексы оборудования, в состав которых помимо типовых
контрольно-измерительных приборов должно входить оборудование, имитирующее реальные условия эксплуатации проверяемого узла (тип и затухание
соединительной линии, вид и уровни действующих на вход узла помех, параметры электропитания, климатические и механические факторы).
В процессе организации контроля приходится совмещать противоречивые требования высоких качественных показателей контрольно-измерительной аппаратуры и, в то же время, её низкой себестоимости, выбором оптимальной методики и соответствующих технических средств контроля.
Следует также учитывать, что стоимость современных процедур контроля и моделирования основных параметров сети включает в себя как стоимость
контрольно-измерительного оборудования и затраты на его эксплуатацию, так
и немалые расходы на разработку программного обеспечения.
Для различных категорий сетей, ступеней иерархии и абонентов существуют различные нормы качественных показателей. Соответственно, как процедуры контроля, так и необходимые для этого контрольно-измерительные
приборы выбираются в соответствии с местом, занимаемым линией, узлом
или абонентским оборудованием в сети связи.
Системы управления сетями реагируют на неисправности только после
того, когда они произошли. Однако для обеспечения эффективного функционирования сети и предупреждения возможных нарушений работы входящих
в её состав линий, каналов и трактов необходимо обеспечить такие процедуры измерений, которые позволили бы определить тенденции изменения их
состояния. Другими словами, необходимо уметь прогнозировать возможные
неисправности. В этом случае даже значительные затраты на организацию
контроля можно считать оправданными.
Достаточно эффективным является постоянный мониторинг системных
параметров при помощи встроенных в аппаратуру устройств, особенно если
сеть имеет большое количество соединений. Процедуры измерений отдельными приборами могут быть эффективными только для одного или двух интерфейсов одновременно. Такие измерения являются более гибкими, но не
позволяют оценить общее состояние системы. Преимущественно они необходимы на этапе пуско-наладочных работ, устранения повреждений при возникновении каких-либо нештатных ситуаций, а также при контроле цифровых
абонентских окончаний.
Использовать упомянутые процедуры измерения необходимо также потому, что фирмы-производители не могут предусмотреть все возможные неисправности аппаратуры, особенно выходы из строя отдельных комплектующих элементов.
Мониторинг сети чаще всего не может выявить подобные
ситуации, указывая только на общий характер неисправности и локализуя
крупные функциональные узлы сети. Аргументом использования автономно действующих контрольно-измерительных приборов является то, что при
выходе из строя аппаратуры выходят из строя и встроенные устройства контроля, в результате чего локализация повреждений делается невозможной.

Стратегия и тактика контроля цифровых сетей

Проблему обеспечения эффективного контроля сети нельзя решить простым сбором информации об авариях и коэффициенте ошибок на центральном
пункте, пренебрегая другими факторами качества. Поэтому при разработке
комплекса оборудования цифровых сетей желательно обеспечить оптимальное сочетание интегрированных с сетевым оборудованием устройств мониторинга и автономно работающих контрольно-измерительных приборов.
Многочисленные задачи и вытекающее из этого разнообразие методик
измерений реализуются широкой номенклатурой контрольно-измерительных
приборов.
Конечно, если иметь универсальный многофункциональный прибор, способный контролировать сигналы всех ступеней ПЦИ и СЦИ, то одним прибором можно осуществлять весь требуемый для контроля работы большого
узла комплекс процедур измерений. Однако этому препятствует высокая стоимость подобных приборов. И, разумеется, нет никакой возможности контролировать таким прибором качество пуско-наладочных и ремонтных работ
непосредственно на НРП или на других линейных сооружениях.
Для оперативной проверки работы станционного каналообразующего
оборудования или линейного регенератора выгоднее использовать простой и
недорогой прибор. Поэтому стабильным и, скорее всего, постоянно возрастающим спросом будут пользоваться приборы контроля первичных цифровых
потоков.
Различными фирмами в России и за рубежом выпускаются многочисленные приборы для контроля аппаратуры цифрового каналообразования первичного цифрового потока Е1, а также соответствующих линейных
трактов.
И ещё одна проблема, мимо которой, наверное, не следует проходить.
Это — термины и определения, с которыми нам придётся сталкиваться в
дальнейшей нашей работе. Тем более что зачастую неумеренное увлечение
англоязычными оборотами и просто небрежность переводчиков зарубежной
литературы, проспектов и технической документации резко увеличило число
терминов, дублирующих друг друга, а иногда и необоснованно заменяющих
уже устоявшиеся в нашей практике.
Книга во многом базируется на ранее изданных книгах: Власов И.И.,
Птичников М.М. Измерения в цифровых сетях связи. 2-е издание, исправленное и дополненное. М.: Постмаркет, 2005; Власов И.И., Новиков Э.В., Птичников М.М., Сторожук Н.Л. Цифровые сети связи. Кабельные и волоконнооптические линии. М.: Фазис 2008; ряде публикаций авторов в отраслевых
технических журналах, а также на их собственном многолетнем опыте работы в отрасли связи.
Авторы и редакция выражают благодарность организациям и специалистам отрасли, оказавшим помощь в написании книги, в первую очередь компании «Вилком Холдинг», а также Technical Trainer компании Avaya University
М.Е. Липкину и директору Санкт-Петербургского филиала компании «Бинарком» Н.Л. Сторожуку.

Принципы построения цифровых
телекоммуникационных систем и сетей

1.1. Современное состояние и тенденции развития
сетей связи

Не нуждается в доказательствах утверждение, что электросвязь в настоящее время переживает период бурного роста и радикальных качественных
изменений. Развитие телекоммуникационных сетей является фактором, определяющим общий уровень материальной культуры. В этой связи интересно
рассмотреть, какие основные этапы прошёл процесс развития техники связи.
На начальных этапах развития сетей передача информации — аналоговых (телефона) и телеграфных сигналов — всегда осуществлялась от одного отправителя к одному получателю, и поэтому можно было строить сеть по топологии
full mesh, т. е. «каждый с каждым». По мере возрастания количества пользователей сети, совершенно очевидным становилось, что топология «каждый с
каждым» очень дорога и в строительстве, и в эксплуатации. На смену таким
сетям пришли сети с коммутацией каналов, т. е. с выделенными центрами, в
которых производилось соединение частей каналов и выстраивание прямого
соединения между абонентами. Основной средой передачи в это время были
медные провода, в качестве коммутационного оборудования использовались
ручные (шнуровые) коммутаторы и электромеханические АТС.
Уже в середине прошлого века появились электронные вычислительные
устройства, которым потребовалось обмениваться данными между собой. Пока данных было немного, ТфОП могла предоставить для связи вычислительных машин друг с другом каналы тональной частоты. В последующие годы
парк вычислительных машин стал резко возрастать и, соответственно, рос
объём передачи данных. Настоящий бум передачи данных начался с появлением персональных компьютеров. Модемы и выделенные линии перегрузили традиционную телефонную сеть, которая все ещё была ориентирована на
пользователей-людей, а не на компьютеры, совершенно игнорирующие нормируемую среднюю продолжительность соединения, которая раньше определялась, в основном, длительностью обычного телефонного разговора. В этом
случае единица передачи информации представляет собой уже не только нормированный телефонный разговор, но и блок данных, размер которого измеряется в байтах, а сеть должна поддерживать разнородные типы передаваемой информации. Организация передачи данных по ТфОП затрудняется
также повсеместно принятой системой адресации посредством набора децимального номера абонента.
Конечно, можно строить отдельные сети для каждого из типов передаваемой информации, но это будет расточительно. Более рационально оцифро

Р а з д е л 1

вывать аналоговую информацию, нормализовать цифровую, мультиплексировать все эти сигналы, затем разделять передаваемую информацию на части
(пакеты) и эти пакеты передавать по высокоскоростным каналам, установленным между пользователями сети. Вот тогда сеть может эксплуатироваться
более эффективно. Сетевые центры, которые выполняли ранее функции коммутации каналов, должны при таком подходе выбирать из входящего канала
части информации, понимать их приоритетность и принимать решение о направлении их в тот или иной исходящий канал. Это означает, что передаваемая
информация должна включать в себя служебные сообщения, идентифицирующие пару пользователей и тип информации данного канала или тракта.
Цифровая передача аналоговой информации и передача данных имеют
очень много общего, особенно когда используется оцифровка речевых сообщений при помощи импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) или адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) [1].
Несмотря на
это, первоначально передача данных и передача телефонных сообщений пошли разными путями. Компьютеры стали передавать друг другу пакеты битов,
а телефонные сети продолжили коммутировать свои каналы. Пакетная коммутация и коммутация каналов — совершенно различные и несовместимые
технологии.
Постоянный количественный рост вычислительной техники и расширение сферы её применения, начиная с крупных научных, производственных и
административных комплексов и кончая так называемым квартирным сектором, привели, в конечном счёте, к объединению множества локальных вычислительных сетей в «сеть сетей» Интернет. Для дальнейшего развития телекоммуникационных сетей необходимо было найти новые, во многом непривычные для связистов старой школы, решения. Этому способствовало появление
оптических систем передачи, которые и привели, в конечном счёте, к значительному росту возможных скоростей передачи, уменьшению искажений и
увеличению длины участков переприёма. Появилась возможность предоставлять ожидаемые услуги (будь то хранение, обработка и распределение данных, обмен сообщениями или доступ к удаленному устройству) своевременно,
надежно, с надлежащей защитой в обстановке взрывного роста требований
как к объёмам и номенклатуре, так и к качеству передаваемой информации.
Однако надо учитывать также и то, что на сетях связи всех категорий
уже находятся в эксплуатации десятки тысяч километров металлических кабелей различных типов. Задача их замены на волоконно-оптические линии
связи (ВОЛС) требует достаточно длительного времени и огромных капиталовложений. Поэтому задачи обеспечения высокоэффективной передачи цифровых сигналов по металлическим кабелям остаются в числе первоочередных
задач, стоящих перед отраслью.
Значительно усложнилась топология сетей: кабельные сети и другие носители информации территориально располагаются где угодно, как угодно и
могут иметь практически любую конфигурацию. Указанные тенденции первоначально проявились на корпоративных сетях, телефонная сеть общего пользования вскоре также последовала за ними [4].