Poskytování různorodých služeb přes sítě SDH

Heterogeneous services over SDH network

Abstract

V dnešní době se propustnost páteřní i přístupové sítě zvýšila natolik, že dává poskytovatelům služeb příležitost zvětšit výnosy přenosem digitalizovaného videosignálu. Objevují se stále více aplikace video na přání (video on demand, či též pay-per-view), interaktivní televize, videokonference, dodatečné režijní zpracování pro filmaře, dálkové studium, telemedicína a vzdálené bezpečnostní sledování, jenž využívají přenosu digitalizovaného videosignálu.

Přenos digitalizovaného videosignálu je v souhlasu s obecným trendem na trhu  spotřební elektroniky, který se rychle posouvá od tradičních analogových zařízení k jejich digitálním ekvivalentům, např. digitální kamery, DVD přehrávače a 3G mobilní telefony. Videosignál má však jiné požadavky na přenosové vlastnosti kanálu oproti přenosu hovorového signálu a dat, a tak přenos všech tří typů signálu přes jednotnou přenosovou síť (označováno též pojmem triple-play) může být náročný. Přenos hovoru vyžaduje stálou přenosovou rychlost a je citlivý na zpoždění v síti. Datový provoz zase běží v proměnných rychlostech a má obecně dávkový charakter. Přenos digitalizovaného videosignálu vykazuje několik charakteristických rysů společných, jak s přenosem telefonního signálu, tak s přenosem dat, tj. při potřebě velké přenosové rychlosti i požadavek na zaručení dalších parametrů (citlivost na zpoždění a jeho kolísání). Navíc, digitální videosignál při distribuci k účastníkům prochází sítí jen v jednom směru (jednosměrně), zatímco hovory a datové aplikace vyžadují přenos v síti oběma směry (obousměrně).

Dřívější pokusy pro přenos obrazu přes metropolitní síť (MAN) požadovaly drahou překryvnou síť oddělenou od hovorových a datových sítí, jelikož žádný ze stávajících standardů pro rozhraní digitalizovaného videosignálu nebyl určen pro přenos dálkovou sítí (WAN). Následkem toho byly počáteční přenosy digitálního videa přes páteřní sítě SDH (Synchronous Digital Hierarchy) problematické, a to díky nevyhovujícímu způsobu, jakým byl videosignál mapován do standardních SDH kontejnerů v STM-0, 1, 4, atd. Původní řešení bylo založené na mapovaní videosignálu do ATM buněk, které se pak dále mapovaly do kontejnerů SDH. ATM využívá statistické multiplexování pro získání lepšího využití přenosových rychlostí, čímž se umožnilo přenášet více televizních signálů přes síť SDH. Nicméně, podstatné provozní ztráty byly způsobeny režií záhlaví ATM buněk, složitostí překryvné sítě, potřebou dalších investic a požadavky na specializované školení a vybavení techniků.

Rozvoj dalších generací SDH technologií vybavených funkcí virtuálního zřetězení (VCAT), protokolem pro přidělení přenosové kapacity (LCAS), a obecným protokolem druhé vrstvy (GFP) dává poskytovatelům služeb nové příležitosti pro přenos digitalizovaného videosignálu bez nahrazování stávajících SDH sítí. Platformy pro poskytování různorodých služeb (MSPPs – Multiservice Provisioning Platforms) využívají tyto technologie a dovolují tak poskytovateli služeb doručovat digitalizovaný videosignál, data, video na požádání (VoD), telefonní signály a další přes sloučenou síť.

Kompresní metody

Digitalizovaný videosignál vyžaduje enormní přenosovou rychlost. Nekomprimovaný videosignál vyžaduje přenosovou rychlost větší než 200 Mbit/s.  A to ještě není nic v porovnání s HDTV, jenž vyžaduje přenosovou rychlost větší než 1,5 Gbit/s. Jsou však k dispozici komprimační metody, které mohou komprimovat digitalizované videosignály a zredukovat tak požadavky na přenosovou rychlost při dodržení uspokojující kvality. Motion Picture Experts Group (MPEG) vyvinula standard MPEG-2, což je obecně nejvíce používaná kompresní metoda (ISO/IEC-13818-1), s jejíž pomocí lze běžný TV signál redukovat až na 4 Mbit/s a signál HDTV na cca 20 Mbit/s. Dnes již existují i další komprimační algoritmy, jež mohou dále redukovat potřebnou šířku pásma pro digitalizovaný videosignál a umožnit tak přenos obrazu přes systémy xDSL, nebo přes kabelové modemy s nižší přenosovou rychlostí. MPEG-4, nebo doporučení ITU-T H.264 umožní přenést video v uspokojující kvalitě pomocí přenosových rychlostí menších než 2 Mbit/s.

Technologie VCAT a LCAS

Virtuální zřetězení VCAT (Virtual Concatenation) poskytne pro mapováním jemnější granuitu přenosové rychlosti v sítích SDH pro přenos různorodých signálů na rozhraních STM-N (Synchronous Transport Modul).

Pozn.:
VC-4-Xc , kde X je 4, 16, 64 nebo 256, označuje souvislé zřetězení virtuálních kontejnerů VC
VC-n-Xv označuje virtuální zřetězení VCAT virtuálních kontejnerů VC

Virtuální zřetězení VCAT umožní inverzním multiplexováním svázat velké množství X kontejnerů nižšího či vyššího řádu SDH do jedné virtuální zřetězené skupiny (VC-n-Xv). Jen zdrojové a cílové uzly musí být způsobilé zpracovávat VCAT, protože virtuální zřetězení je transparentní k průchozím uzlům. Tudíž, když chtějí poskytovatelé služeb zařazovat VCAT podporu do jejich sítě, stačí zdokonalit pouze ty přípojné, či oddělující uzly, které mají tuto funkci poskytnout. VCAT umožní poskytovatelům uvedení služby, která nemapuje uspořádaně do pevných časových poloh, čímž se odstraní plýtvání přenosovou rychlostí. To je zvláště důležité pro propojování místních počítačových sítí (Ethernet) a poskytování videoslužby, jak je zřejmé z tabulky 1.

Další z nových technologií - LCAS (Link Capacity Adjusting Scheme) poskytne přenosovou rychlost v násobcích VC-n na požádání pomocí mechanismu pro změnu jejich počtu ve virtuálním zřetězení bez přerušení provozu – viz. obr. 1. To také umožňuje automatické vynechání a znovu obnovení porušených přenosových cest. LCAS poskytne ovládací mechanizmus a protokol, který může dynamicky zvýšit nebo snížit počet multiplexních jednotek SDH ve zřetězení. Signalizační zprávy se vyměňují mezi síťovými prvky ve služebních bajtech záhlaví cesty. LCAS umožní účinné aktualizace provozu a dokáže tak reagovat na poruchy sítě, čímž vyloučí potřebu ručního zásahu. Tato schopnost umožňuje poskytovateli služeb redukovat počet VC, zlepšit služby zákazníkům a zároveň snížit provozní náklady.

Obr. 1 Použití LCAS

Protokol GFP

GFP (Generic Framing Procedure) umožňuje mapovat různé typy datových zpráv do kontejnerů SDH, nebo virtuálně zřetězených propojení pro přepravu přes SDH sítě podle doporučení ITU-T G.7041/Y.1303. V porovnání s jinými rámcovacími procedurami jako např. PPP (point-to-point) protokol a ITU- T X.86, které používají HDLC (high-level data-link control) má GFP nižší a deterministickou režii a také nižší pracovní nároky.

Obr. 2 Rámec rámcově mapovaného GFP

Existují dva typy formátů GFP mapování: rámcově mapovaný GFP (GFP-F) a transparentní GFP (GFP-T). GFP-F je běžně užívaný protokoly založený na zapouzdření paketu či rámce, jako např. rámec Ethernet či IP paket – viz obr. 2. GFP-T je optimalizovaný pro protokoly, které užívají blokové kódování 8B/10B, včetně DVB-ASI, gigabitového Ethernetu a systémů pro ukládání a zálohování dat  – viz obr. 3. Rámec GFP vždy obsahuje na začátku identifikátor délky se zabezpečením, záhlaví, informační pole a na konci zabezpečení informačního pole.

Obr. 3 Rámec transparentního GFP

Vysílání do více bodů

Multiservisní platforma MSPPs, která využívá VCAT, LCAS, a GFP poskytne efektivní způsob, jak sjednotit hovorové, datové, a video služby na stávající SDH základní síťové infrastruktuře. Sjednocuje přenosové schopnosti vícenásobného vydělovacího muldexu, přepínání a úpravy kapacity malých digitálních rozvaděčů, a dalších TDM, IP, video, a datových zařízení.

Pro jednosměrné digitální videovysílání MSPPs účinně podporuje přenos komprimovaných (DVB ASI) formátů videosignálu přímo přes SDH spoje mezi uzly. Vzhledem k tomu, že VoD (Video on Demand) a podobné aplikace požadují zpětnou přenosovou cestu, tak může být digitalizovaný videosignál přepravovaný přes síť Ethernet k rozhraní spolehlivé stávající SDH sítě,. Požadované digitalizované videosignály jsou přenášeny z videoserverů přes IP/Ethernet/SDH síť do vzdáleného distribučního uzlu a poté do domácností.

Kromě přenosu mezi dvěma body (PPP aplikace), jsou také podporované aplikace vysílání k více bodům přes SDH. Přicházející signály jsou ve vydělovacích muldexech a digitálních rozvaděčích rozbočené do více výstupních portů a poslané k několika distribučním uzlům. Vydělující funkce SDH se používají pro získání videosignálu z hlavního kruhu a případně k přeposlání dalším doplňkovým kruhům. Typicky se používají signály STM-4 (622 Mbit/s) a STM-16 (2,5 Gbit/s) pro kruhy vedlejších sítí a signály STM-16 nebo STM-64 (10 Gbit/s) pro hlavní kruh. Možné uspořádání sítě je zobrazeno na obrázku 4.

Obr. 4 Konvergentní síť pro VoD 

SDH zajišťuje navíc spolehlivost přenosu v kruhové síti tak, že posílá dva identické signály po obou stranách kruhu. Jestliže nějaký uzel na kruhu detekuje poruchu v hlavní přenosové cestě (pracovní cesta), tak se uvede do chodu ochranný mechanismus a přepne na alternativní přenosovou cestu (ochrana). Toto přepnutí nastane v intervalu do 50 ms. Zajištění spolehlivého přenosu může být řešeno také pomocí LCAS, kdy je část virtuálních kontejnerů zřetězení vedena po jedné a část po druhé straně kruhu (obecně jinou cestou v síti), ovšem za cenu poklesu propustnosti po dobu poruchy.

Závěr

Vývoj nových generací SDH technologií dává poskytovatelům služeb možnosti nabízet širokou paletu služeb, včetně videoslužeb, bez náhrady stávajících SDH sítí. Prvky multiservisní platformy MSPPs přidané k existujícím SDH infrastrukturám dovolí poskytovateli služeb vytvořit síť pro přenos digitalizovaného videosignálu, která je charakterizovaná takovou třídou spolehlivosti přenosu, jakou poskytovatelé potřebují.

Užitečnou výhodou zmiňovaných principů VCAT, LCAS, GFP je možnost snížení provozních nákladů provozovatelů sítí a využití existujících páteřních sítí SDH. Propojení zákaznických sítí LAN se provádí při vyžití koncepce Ethernet over SDH pomocí levných rozhraní Ethernet, oproti klasickému řešení s porty E1, E3. Zvýšení propustnosti je možné za provozu podle momentálního stavu sítě a požadavků na provoz.

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MSM6840770014.

Literatura a odkazy:

[1] Článek na http://lw.pennnet.com/ - Ready for primetime: MSPPs can deliver digital video over existing network
[2] Doporučení ITU-T  G.7041/Y.1303 (12-2003) - Generic framing procedure (GFP)
[3] Doporučení ITU-T  G.7042/Y.1305 (02-2004) - Link capacity adjustment scheme (LCAS) for virtual concatenated signal
[4] Doporučení ITU-T  X.85/Y.1321 (03-2001) - IP over SDH using LAPS
[5] Doporučení ITU-T  X.86/Y.1323 (02-2001) - Ethernet over LAPS