Měření na rozhraní 10 Gbit/s

Measurements on the 10 Gbps interface - abstract
This article describes various options 10 Gbps interface and compares error rates depending on the optical path attenuation for STM-64 and OTU-2. The article demonstrates the efficacy of error correction applied to OTU-2.

Laboratoř přenosových systémů na katedře telekomunikační techniky na FEL ČVUT v Praze byla vybavena měřicí technikou pro testování na rozhraní 10 Gbit/s v rámci projektu s podporou Fondu rozvoje vysokých škol.

Druhy rozhraní

Optická rozhraní s rychlostí 10 Gbit/s se dnes již celkem běžně používají v páteřních a metropolitních sítích. Mohou být přitom založená na různých standardech, typicky SDH (doporučení ITU-T G.707), OTH (doporučení ITU-T G.707), Ethernet (standard IEEE 802.3). Uvedené standardy disponují řadou hierarchicých rozhraní s různými přenosovými rychlostmi, jak uvádí následující přehled:

Rychlost 10 Gbit/s je přitom hierarchická úroveň, na které se uvedené standardy potkávají, i když jmenovitá rychlost bitového toku na fyzické vrstvě se u nich liší:

• SDH – STM-64 - 9,95328 Gbit/s
• OTH – OTU-2 – 10,709225 Gbit/s
• Ethernet LAN – 10,3125 Gbit/s
• Ethernet WAN - 9,95328 Gbit/s

Synchronní digitální hierarchie (SDH) je založena na řízeném prokládání po bytech. Synchronní přepravní modul STM (Synchronous Transport Module) začíná na stupni STM-1, který má přenosovou rychlost 155,52 Mbit/s. Přenosové rychlosti vyšších řádu jsou vždy 4 násobkem nižšího řádu.

Všechny rámce v SDH mají stejnou délku 125 μs. Přizpůsobování signálů do formátu SDH se nazývá mapování. Základním prvkem signálu STM je virtuální kontejner VC (Virtual Container). Je vybaven záhlavím POH (Path Overhead), které slouží k zabezpečení a kontrole přenosu skrze celou SDH síť.

Ke kontrole chybovosti slouží bajty záhlaví označované B, přenášející zabezpečovací kombinaci BIP (Bit Interleaved Parity). Vedle záhlaví cesty je zabezpečena tzv. opakovací sekce (RSOH) a multiplexní sekce (MSOH) STM rámce. Dle dané vrstvy a záhlaví se používá délka zabezpečovacího slova BIP-2, BIP-8, BIP-24.

Monitorování chybovosti ve zpětném směru se provádí pomocí signálu REI (Remote Error Indication). Sledováním blokové chybovosti po jedné sekundě vyhodnocujeme kvalitu přenosu dle standardu ITU-T G.826 v intervalech 15 min nebo 24 hod. Používané parametry pro sledování výkonnosti přenosu jsou:

• UAT / UAS (Unavailable Time / Second)
• AT / AS (Available Time / Second)
• ES (Error Second)
• SE (Several Error Second)
• BBE (Background Block Error)

Optické transportní sítě OTN (Optical Transport Network) jsou postaveny na principu OTH (Optical Transport Hiererchy). OTH vznikla za účelem vytvoření společné platformy pro přenos různých technologií (IP, SDH, ATM, Ethernet atd..) při velmi vysokých rychlostech a s vysokým nárokem na kvalitu přenosu. Používá vlastních mechanizmů pro monitoring výkonnosti přenosu, služební komunikaci a zálohování. OTH používá primárně husté vlnové multiplexování DWDM.

Základní signály optické hierarchie se nazývají optické transportní moduly OTM (Optical Transport Module). Obecně je složen ze skupiny optických nosných, kdy každý optický kanál nese separátní signál v podobě optické přenosové jednotky OTU (Optical Transport Unit). Ta vzniká postupným přidáváním záhlaví k uživatelskému datovému toku. Po přidání první části záhlaví vznikne jednotka OPU (Optical Payload Unit). Její záhlaví obsahuje informace o identifikaci signálu, způsobu mapování a vyrovnání přenosových rychlostí metodou kombinovaného stuffingu. Poté se přidá další část záhlaví a rámec je zapouzdřen do datové jednotky optického kanálu ODU (Optical Data Unit). Záhlaví je tvořeno 3x14 bajty a obsahuje podporu tandemového propojení TCM (6 vnořených úrovní), služební kanál pro management sítě, indikace chyb metodou BIP-8 a zpětnou indikací defektu protějšímu muldexu BDI (Backward Defect Indication) a indikaci chyb BEI (Backward Error Indication). Dále pak obsahuje informaci o přístupovém bodu sítě, kde byla daná ODU sestavena. K ODU je přidáno záhlaví o velikosti 14 bajtů a tím se vytvoří transportní jednotka optického kanálu OTU. Záhlaví zajišťuje rámcovou synchronizaci FAS, další úrovně indikace chyb BIP-8 s indikací BDI a BEI. Obsahuje také komunikaci protokolu APS (Automatic Protection Switching), které slouží pro ochranné přepínaní. Na konec rámce je přidáno zápatí o velikosti 256 bajtů na každý řádek, která zajišťuje korekci chyb FEC (Forward Error Correction) opravným kódem RS (Reed-Solomon). Kód je schopný teoreticky opravit 128 bajtů v každém řádku. Celková velikost rámce je rovna 16320 bajtů. Velikost informačního pole rámce je 4x3808=15232 bajtů.

Výsledky měření

Při měření bylo porovnáno chování rozhraní STM-64 a OTU-2 při zvyšujícím se útlumu trasy, tj. při klesajícím odstupu signálu od šumu. Pro měření byl použit měřící přístroj schopný generovat provoz pro SDH, OTH a Ethernet s označením VeEX UX 400 vybavený modulem s rychlostí 10 Gbit/s. Tento přístroj je schopný analyzovat veškeré poplachové události na všech vrstvách daného modelu. Při měření byl použit útlumový článek EXFO FVA-600 pro definované nastavování útlumu na optické trase.

V režimu STM-64 byl postupně zvyšován útlum optické trasy mezi vysílačem a přijímačem analyzátoru tak, aby se začaly objevovat jednotlivé chyby. Od tohoto bodu se postupovalo s krokem 0,5 dB. Byla zaznamenávána hodnota bitové chybovosti BER a hodnoty blokové chybovosti pomocí metody BIP v záhlaví RS, MS a POH.

Stejný postup byl zopakován i pro zapouzdření STM-64 do struktury OTU-2. Cílem bylo demonstrovat vliv chybové korekce a ověřit hodnotu kódového zisku.

Při měření na rozhraní STM-64 byly chyby indikovány pomocí bajtů B1-B3 v záhlavích. Detekce byla registrována na hodnotě útlumu 13,2 dB. S rostoucím útlumem rostl i počet chyb a při hodnotě útlumu 14,4 dB již byl indikován poplach REI ve vrstvě cest vyššího řádu HP. Se zvyšujícím se útlumem byly ihned poté detekovány poplachy FAS, PLM, RDI, UNEQ a REI ve vrstvě multiplexní sekce. Při útlumu 17 dB docházelo již ke značné chybovosti a poplachu ztráta rámce LOF. Měření bylo ukončeno na hodnotě 18 dB, protože zde již docházelo ke 100% ztrátě rámců.

Při zapouzdření toku STM-64 do OTU-2 se rovněž začaly objevovat chyby u hodnoty útlumu 13,2 dB. Chyby se však neindikovali pomocí bajtů B, a to z toho důvodu, že OTH hierarchie má zabudovaný mechanismus korekce chyb FEC s kódem RS (Reed-Solomon). Proto se objevila signalizace opravených chyb cFEC (corrected Forward Error Check). S rostoucím útlumem se zvyšoval počet opravených chyb, až do hodnoty 16,2 dB. Na této hodnotě již mechanismus FEC nebyl schopen některé chyby opravit a začala se objevovat signalizace detekce chyb v bajtech B1-B3 u zapouzdřeného rámce, tak i signalizace BIP u rámce OTH. Při útlumu 16,8 dB již začalo docházet k signalizaci poruch identických jako při prvním měření přímo na SDH vrstvě.

Závislost četnosti blokových chyb (bajty B) a bitové chybovosti na útlumu trasy pro oba režimy přenosu (SDH, OTH)

Závěr

Ze zobrazených průběhů je zřejmé, že pro přenos klientských dat je výhodnější zapouzdření do OTU, a to z důvodu, že může být provozována při dané přípustné chybovosti na trase s větším útlumem. Při měření bylo zjištěno, že značnou část chyb dokáže opravit implementovaný mechanismus FEC a díky tomu lze provozovat bezchybný přenos dat na trase s větším útlumem. Pro hodnoty chybovosti řádově 10^-11 vychází kódový zisk téměř 3 dB. Rovněž je patrné, že četnost bitových chyb (BER) velice dobře kopíruje indikace blokových chyb v záhlaví multiplexní sekce MS (bajt B2, metoda BIP-24). Indikace v záhlaví RS a POH (bajt B1, B3, metoda BIP-8) nedokáže vyšší bitové chybovosti dostečně věrně indikovat.

Použité vybavení posloužilo k vybudování měřicího pracoviště a laboratorních úloh na katedře telekomunikační techniky na FEL ČVUT v Praze. Je použito též k řešení projektů a studentských kvalifikačních prací.

Článek vznikl v rámci projektu Fondu rozvoje vysokých škol A 1980/2012.

Odkazy

[1] Vodrážka, J.: Optická hierarchie OTH. Access server. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2005062901. Praha 2009.
[2] Doporučení ITU-T G.709. Interfaces for the Optical Transport Network (OTN). 3/2003.
[3] Vodrážka, J.: Vývoj optické hierarchie OTH k plné podpoře Ethernetu. Access server. http://access.fel.cvut.cz/view.php?cisloclanku=2010050002. Praha 2010.