CC BY
640
Расчет и сравнение сред передачи современных магистральных сетей связи по критерию латентности (задержки)
Ключевые слова:
временная задержка, распространение сигналов, сети связи, сетевые протоколы, латентность сигнала, оптоволокно
Салифов ИИ,
аспирант, УрГУПС, кафедра Связь, г. Екатеринбург
Рассмотрена краткая классификация времени задержки информации при прохождении по сети связи. Проанализирован результат перехода на оптические линии связи с точки зрения временных задержек. Показано, возросла ли задержка распространения сигнала? Проведены упрощенные расчеты временной задержки в средах распространения различных сигналов (задержка распространения).
Процесс передачи информации по сети состоит из ряда действий на определенных этапах движения. Весь процесс сведен в базовую эталонную модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) — абстрактная сетевая модель для коммуникаций и разработки сетевых протоколов. Которая представляет уров-невый подход к сети. Каждый уровень обслуживает свою часть процесса передачи информации. Благодаря такой структуре совместная работа сетевого оборудования и программного обеспечения становится гораздо проще и прозрачнее.
Если разложить путь прохождения информации с момента ее генерирования каким-либо приложением до момента, когда она попадет в точку назначения, и соотнести его с эталонной моделью OSI, то можно увидеть, что
задержка сигнала соотносится с физическим уровнем и средой передачи сигналов, а латентность сигнала — со всеми вышестоящими уровнями (канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представительный и прикладной).
Таким образом, латентность информации можно разделить на четыре категории:
— задержка распространения;
— задержка физического слоя;
— аппаратная латентность;
— программная латентность.
Задержкой сигнала (Delay) называется
время, затраченное сигналом для физического прохождения через элемент без какой-либо обработки, то есть затрачивается на передачу информации по каналу связи. Характеризуется физикой процессов в элементе.
Латентность сигнала (latency) — это задержка сигнала, которая превышает время
Рис. 1. Декомпозиции латентности информации
физического прохождения через элемент из-за его попутной обработки, то есть затрачивается программным обеспечением и устройствами сети на подготовку к передаче информации по каналу сязи. Характеризуется алгоритмами обработки информации.
Латентность информации — это общее время, затрачиваемое сетью связи на процесс передачи информации (передача информации из точки возникновения в точку назначения). Является суммой задержки сигнала и удвоенной латентности сигнала (на приеме и передаче).
После генерации сигнала, несущего информацию о передаваемом бите, этот сигнал распространяется по линии связи, от одного узла сети к другому. Время, необходимое для передачи сигнала по линии связи, называется задержкой распространения и определяется длиной линии и физическими свойствами передающей среды (оптоволокна, меди в симметричном или коаксиальном кабелях и т. п.). Скорость распространения сигнала конечна и лежит в пределах от 2Ч08 до 3Ч08 м/с, т.е. сравнима со скоростью света. Чтобы определить задержку распространения для конкретной линии связи, необходимо разделить ее длину на скорость распространения сигнала.
Значение задержки распространения может широко варьироваться. Так, значение может быть ничтожно малым (несколько микросекунд) для коротких медных линий в пределах одного здания, и в то же время значительным (несколько миллисекунд) для протяженных оптических магистральных линий связи. А для спутниковой линии связи значение задержки распространения составляет порядка десятых долей секунды и значительно превышает все остальные виды задержек.
На современных магистральных сетях уже практически не осталось линий построенных без применения оптоволокна. А между тем, оптоволокно существенно повлияло на величину задержки распространения сигналов.
Таблица 1
Тип магистрального кабеля є yfe V„-/0\ км/с Т. [мс/100км.]
Симметричные:
МКС (изоляция - кордельно-стирофлексная) 1,25 1,118 2,6815 0,3729
МКБ (изоляция - кордельно-бумажная) 1,35 1,162 2,58 0,3876
МКПВ - зоновый (изоляция - полиэтиленовая сплошная) 2,0 1.414 2,1202 0,4716
Коаксиальные:
КМ4 (2,6/9,5; изоляция - полиэтиленовая шайба) 1,13 1,063 2,8203 0,3546
МКТ4 (1,2/4,6) изоляция - балонно-полиэтиленовая 1,22 1,104 2,7156 0,3682
Во-первых, повышая эффективность оптоволоконных кабельных линий с помощью WDM, значительно увеличилась задержка за счет "узловой задержки" в элементах сети WDM — как новой, дополнительной надстройки.
Во-вторых, с возросшими скоростями на TDM (слой SDH), слой WDM вынужден уделять большое внимание своим дисперсионным характеристикам. А это вынудило использовать компенсаторы дисперсии, которые, в своем нынешнем развитии, вносят еще одну, существенную величину задержки.
В-третьих, вопреки утвердившемуся мнению, "скорость распространения" оптического сигнала в оптоволокне существенно ниже скорости распространения электрических сигналов в медных линиях связи и радиосигналов в атмосфере. Это доказано расчетами, приведенными ниже.
Существуют рекомендации ITU-T по допустимым уровням задержки. В большинстве случаев она не должна превышать 150 мс в одну сторону. Задержки от 150 до 400 мс также могут быть приемлемыми, если принимаются к рассмотрению вопросы экономического характера (в первую очередь, стоимость разговора). В общем случае голосовые сети проектируются с задержкой распространения в одну сторону не более чем 200 мс.
а) Расчет задержки распространения электромагнитной энергии в мед ных магистральных линиях связи.
Электромагнитная энергия распространяется по кабельной линии с определенной скоростью Угр, которая зависит от параметров цепи и частоты тока и определяется следующей формулой, км/с:
Vrp = 4~е ’
где £ — диэлектрическая проницаемость, зависящая от конструкции кабеля (табл.1); с — скорость света, 2,998 • 105 км/с.
После расчета скорости легко можно найти время распространения сигнала в кабеле, с/км: 1
T = -
Рис. 2. Классификация латентности информации по "уровням модели OSI"
T-Comm #4-2009
V
где Т — время распространения сигнала на участке линии в 1 км, [с/км] ; I — длинна анализируемого участка медного магистрального кабеля с учетом коэффициента скрутки, [км] .
Результаты расчетов скорости и времени распространения электромагнитной энергии в магистральных кабелях различной конструкции сведены в табл. 1.
б) Расчет распространения света в оптоволокне.
Скорость течения энергии совпадает с фазовой скоростью волны (Уф). Равенство фазовой скорости и скорости энергии в изотропных средах нарушается лишь в случае наличия дисперсии, т.е. в случае зависимости фазовой скорости волны от ее длины. В дисперсионных средах скорость течения энергии равна не фазовой, а так называемой групповой скорости волны (V).
При распространении в дисперсионных оптических средах светового импульса, который содержит определенный спектр частот (реальный сигнал), вводится понятие эффективного группового показателя (коэффициента) преломления N отнесенного к одному нм, где А — длина волны [нм]; п — показатель преломления материала.
В итоге получаем:
N (А) = — = п-А —,
Ур ^А
43
2.9
2.7
2.5 2.3 2.1
1.9
1.7
1.5
2.8203
2,6815
2,58
2.1202
2.7156
МКС
МКБ МКПВ -
зоновый
КМ4
МКТ4
Рис. 3. Групповая скорость распространения в медных линиях связи
0.5
0.45
0.4
£ 0.35
"О
г
0.3
0,25
0.2
0.4716
0,3876
0.3729
0.3546
0,3682
МКС
МКБ
МКПВ-
зоновый
КМ4
МКТ4
Рйс. 4. Время распространения электрического сигнала на участке линии в100 км
2-п-с
в - X n(X)
где в — коэффициент фазы.
Тогда время прохождения f световым импульсом расстояния I будет равно:
Vp=-
n — X
dn
dX
N (X)
где I — оптическая длина прохождения световым импульсом.
в) Расчет времени распространения радиосигнала в атмосфере :
t = -
l
Ni
c
. dn n — X— dX
Существенной особенностью спутниковой и радиорелейной связи является задержка распространения сигналов, вызванная прохождением довольно больших расстояний. Эта задержка изменяется от минимальной величины, когда спутник находится в зените, до максимальной величины, когда спутник находится на линии горизонта.
Спутниковые орбиты разделены на три категории:
— низкоорбитальные: 700-1400 км;
— среднеорбитальные: 5000-15000 км;
— геостационарная: 36000 км.
Для упрощения расчетов посчитаем задержку распространения радиосигнала при минимальном угле возвышения (в зените), при этом расстояния распространения радиосигнала будет равна удвоенному значению высоты орбиты (т.е. без учета задержек обработки сигнала оборудованием спутника). Следовательно, формулы для расчета будут следующими:
V = -^-,
где пвозц — показатель преломления воздуха (1,0002926 — при нормальных условиях); Ус — скорость распространения радиосигнала в атмосфере.
=
1 = Ус ’
где Ь — высота орбиты спутника; 2Ь — общий путь прохождения сигнала в одну сторону.
Среди низкоорбитальных спутниковых систем возьмем для расчета систему спутниковой связи Globаlstаr с орбитами спутников на
Таблица 2
Тип магистрального оптического волокна N (Х=1550нм) VirW \ км/с /, [мс/100км.]
- волокно фирмы Fujikura 1,465 2,0464 0,4867
- волокно фирмы Coming SMF-28 (G.652) 1,4682 2,0419 0,4897
- волокно фирмы Lucent AllWave 1,467 2.0436 0.4893
- волокно фирмы Lucent TrueWave®RS (G.655) 1,470 2,0395 0,4903
Таблица 3
Тип атмосферной системы передачи h, км. Vc- 10s, км/с 1. [мс/100км.]
Спутниковая, низкоорбитальная 1000 2,9971 6,6731
Спутниковая, среднеорбитальная 10400 69,4004
Спутниковая, геостационарная 36000 240.2322
Радиорелейная 100 0,33365
высоте около 1000 км. Среди среднеорбитальных спутниковых систем возьмем спутниковую систему связи Odyssey с высотой орбиты около 10400 км. Среди геостационарных возьмем спутниковую систему Ямал с высотой орбиты около 36000 км.
Беря в расчет некоторую погрешность, примем, что для спутниковых систем передачи не имеет значения расстояние передачи (I) по земле, т.к. сигнал все равно пройдет расстояние равное удвоенной высоты орбиты (2h).
Радиорелейные линии связи передают сигнал вдоль поверхности земли, следовательно, у них расстояние передачи возьмем как 100 км.
Выводы
Скорость распространения в коаксиальных кабелях выше, чем в симметричных, а время распространения, естественно, ниже. Причем зоновые (в том числе внутриобъектовые) симметричные кабели показывают совсем низкие значения по скорости распространения в сравнении с магистральными (рис.1). Между тем, скорость распространения оптического сигнала в различных ОВ практически одинакова, с отклонением не более 0,4% друг от друга (рис.3). Но в целом значительно ниже скорости распространения электрических сигналов в медных линиях связи (~30%) и скорости распространения радиосигналов в атмосфере (~40%) (рис.5). Скорость распространения радиосигнала в атмосфере самая высокая по сравнению с аналогичными значениями в проводных средах передачи, но при этом необходимо учитывать, что спутниковые системы передачи вынуждены передавать радиосигнал не по оптимальной траектории. В следствии этого расстояние передачи и время распространения сигнала спутниковых систем связи в атмосфере очень значительны и
n
v
гр
Рис. 5. Групповая скорость распространения сигнала в оптических линиях связи на А =1550 нм
28 (С.652) АШауе TrueWave®RS
(С.655)
Рис. 6. Время распространения оптического сигнала на участке линии в 100 км (А = 1550 нм)
Спутниковая.
низкоорбитальная
Спутниковая,
среднеорбитальная
Спутниковая.
геостационарная
Радиорелейная
Рис. 7. Время распространения радиосигнала для объектов, находящихся на расстоянии в 100 км
Рис. 8. Сводное время распространения сигнала на участке линии в 100 км
являются существенным ограничением для передачи интерактивных данных и данных реального времени, чувствительных к величине задержки. Радиорелейные линии связи распространяют радиосигнал по оптимальной траектории и являются лидером по времени распространения сигнала, но при этом имеют ряд значительных минусов (ширина радиополосы, а значит и скорости передачи и множество внешних негативных факторов), не позволяющих широко их использовать в магистральных линиях связи.
Все это говорит о том, что большая протяженность современных оптических магистральных сетей создает условия к возникновению больших величин задержек. А это может негативно сказаться на приложениях реального времени, чувствительного к задержкам (телефонные разговоры, видео, некоторые типы сигналов управления, интерактивные услуги и т.д.). К примеру, реальная магистральная линия связи Кингисепп — Хабаровск имеет протяженность около 10 000 км. Следовательно, задержка распространения сигнала по опти-
ческому волокну в одну сторону составит примерно 49 мс (для сравнения, по меди — 37 мс, а по радиорелейному каналу — 33 мс). Как показывает практика, задержка распространения оптоволокна в оптических линиях связи составляет около 50-60% от всей задержки, вносимой магистральными системами передачи на основе SDH+WDM (куда также входят узловые задержки, такие как задержки на компенсаторах дисперсии, задержки обработки сигнала и т.п.). Пакетные технологии имеют гораздо большую временную задержку. При этом доля задержки распространения в таких сетях может составлять 30%. Следовательно, это уже создает критичные величины и нуждается в пристальном внимании со стороны лиц, занимающихся проектированием и строительством магистральных сетей. Учитывая, что для конкретной среды передачи определенной длины невозможно изменить время распространения, то существует необходимость знания этой существенной константы в общем значении латентности передачи информации по сети связи.
Литература
1. Иоргачёв Д.В., Бондаренко О.В. Волоконнооптические кабели и линии связи. — М: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2002.
2. Иванов А.Б. Волоконная оптика. — М: САЙРУС СИСТЕМС, 1999.
3. Калягин А.М. Волоконно-оптические системы передачи. Курс лекций — Новосибирск, 2006.
4. Савин Е.З. Волоконно-оптическая линия связи на участке железной дороги. Методические указания к курсовому проектированию для студентов.
— ДГУПС, Хабаровск, 2001.
5. Андреев Р.В., Прапорщиков Д.Е. Анализ зависимостей параметров хроматической дисперсии круглых слабонаправляющих оптических волокон от профиля показателя преломления//60-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Секция оптоэлектроника и волоконно-оптические устройства.
— СПб.: ЗАО АВТЭКС, 2005.
6. ITU-T Recommendation G.114.
7. http://www.exlusur.net/content.htm — Радиосвязь, радиовещание и телевидение.
