بصفتنا مهندسي شبكات، فإننا نتنقل يوميًا في طوفان رقمي يتألف من عدد لا يحصى من إطارات تعديل الشفرة النبضية (PCM). بدءًا من شبكات العمود الفقري SDH/SONET إلى عمليات الإرسال عبر الإيثرنت في مراكز البيانات، تظل بنية إطار PCM الإطار الأساسي لأنظمة الاتصالات الرقمية. يقدم هذا المقال تحليلاً متعمقًا للمبادئ التقنية لتضمين شفرة PCM، ويستكشف تطبيق اختبار معدل الخطأ في البت في العمليات العملية للشبكة، ويكشف عن تأثيرها العميق على تطور أنظمة الاتصالات الحديثة.
الهيكلية التقنية لهيكل إطار PCM
تخصيص الفترات الزمنية وآليات مزامنة الإطارات
يعتمد إطار PCM القياسي على مدة ثابتة تبلغ 125 ميكرو ثانية، وهو ما يتوافق مع تردد أخذ العينات 8 كيلو هرتز. في أنظمة T1، يحتوي كل إطار على 24 فتحة زمنية (DS0)، حيث تحمل كل فتحة 8 بتات من البيانات المشفرة، مما يشكل جسم إطار مكون من 192 بت بالإضافة إلى بت مزامنة إطار مكون من بت واحد. وتستخدم أنظمة E1 بنية مكونة من 32 فتحة زمنية، حيث يتم تخصيص الفتحة الزمنية 0 لإشارة محاذاة الإطار (FAS) والتحقق من CRC-4، وتستخدم الفتحة الزمنية 16 لإرسال الإشارات.
تعد مزامنة الإطار شرطاً أساسياً للتشغيل العادي لنظام PCM. تنشئ معدات الشبكة مزامنة حدود الفواصل الزمنية وتحافظ عليها من خلال الكشف المستمر عن إشارة محاذاة الإطار. في الممارسة الهندسية، غالباً ما نستخدم طريقة مزامنة من ثلاث خطوات: “البحث والتحقق والانتظار خطوة بخطوة”. يقوم جهاز الاستقبال بتحريك نافذة الكشف بتة بتة. عند اكتشاف نمط FAS الصحيح على التوالي، يدخل في مرحلة التحقق. بعد التأكد من الظهور الدوري لنمط المزامنة، ينتقل إلى حالة الانتظار. على الرغم من أن هذه الآلية قد تقدم نظرياً تأخيراً أقصى لتأسيس المزامنة يبلغ 2 مللي ثانية، فقد تم التحقق من موثوقيتها بالكامل في عمليات النشر في العالم الحقيقي.
تنسيقات الترميز وخصائص التشفير الكمي
تُعد خوارزميات التكميم μ-قانون (أمريكا الشمالية/اليابان) وخوارزميات التكميم A-قانون (أوروبا/الدولية) المحددة في معيار G.711 جوهر ترميز PCM. ومن خلال تقريب منحنى لوغاريتمي بدالة خطية متعددة الأجزاء مكونة من 13 جزءًا، يحقق هذا التكميم غير الخطي نطاقًا ديناميكيًا مكافئًا يتراوح بين 12 و13 بت تقريبًا. يمكن التعبير عن معادلة ضوضاء التكميم على النحو التالي:
SQNR= 6.02 ن + 4.77-20 لوغ + 6.02 ن + 4.77-20 لوغ10(Vص/2σx) [ديسيبل]
حيث N هو عدد بتات الترميز الخطي, Vص هو الجهد الأقصى للمُكمِّل الكمي، و σx هو جذر متوسط القيمة المربعة لإشارة الإدخال. في نشر الشبكة، نلاحظ أن ترميز A-law يوفر خصائص تكميم فائقة عند مستويات الإشارة المنخفضة، وهو السبب الرئيسي لتفضيله في الروابط الدولية.
معدل الخطأ في البت: المقياس الأساسي لأداء الشبكة
التعريف الهندسي لـ BER وقياسه
يُعرّف معدل الخطأ في البت (BER) بأنه نسبة البتات المستقبلة بشكل خاطئ إلى إجمالي عدد البتات المرسلة، ويتم التعبير عنها رياضيًا على النحو التالي
BER = الحد الأدنىN→∞ Ne/N
في المراقبة العملية للشبكة، نستخدم عادةً نسبة الثواني المخطئة (ESR) ونسبة الثواني المخطئة بشدة (SESR) التي حددها ITU-T G.826 كمقاييس أكثر عملية. بالنسبة لوصلة E1 بسرعة 2 ميجابت في الثانية، فإن نسبة الخطأ في الثانية 10-6 يعني وجود خطأين بت في الثانية تقريبًا. عندما ينخفض معدل BER إلى 10-3, وجودة الصوت تتدهور بشكل كبير، وقد تتعرض خدمات البيانات لانقطاعات في الاتصال.
أثناء الاختبار الميداني، نستخدم أجهزة تحليل SDH/PDH لإرسال تسلسلات اختبار PRBS (عادةً 223-1 أو 231-1 أنماط) وقياس معدل التكرار BER من خلال مقارنة التسلسلات المرسلة والمستلمة. وفقًا لبحث في IEEE Transactions on Communications، يجب أن تغطي مدة الاختبار المعقولة ما لا يقل عن 10000 حدث خطأ أو 24 ساعة لضمان الدلالة الإحصائية [1-IEEE Transactions on Communications-2019].
آليات توليد الأخطاء البتية وتحليل تأثيرها
تنشأ أخطاء البت في أنظمة الإرسال في المقام الأول من الضوضاء الحرارية، وارتعاش الساعة، والتأثيرات اللاخطية للألياف، والتداخل في الحديث المتبادل. في أنظمة الألياف الضوئية، تصف معادلة شرودنجر غير الخطية عملية تشويه الإشارة:
∂A/∂z+Aα/2-ـ2/2*∂2أ-دورة تدريبية2= γγAQL80012A
حيث A هو غلاف النبض, α هو معامل التوهين, β₂ هو تشتُّت سرعة المجموعة، و γ هو المعامل غير الخطي. تشير خبرتنا التشغيلية إلى أن عدم التطابق في وحدات تعويض التشتت (DCM) هو السبب الرئيسي لارتفاع معدل التشتت الترددي BER في الأنظمة التي تعمل بسرعة 40 جيجابت في الثانية وما فوق.
يُظهر تأثير أخطاء البت على الخدمات تأثيراً تراكمياً كبيراً. ووفقًا للبيانات المقاسة في مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية، فإن معدل تكرار الاستجابة البسيط في الخلفية عند 10-9 مستوى يمكن أن يقلل من إنتاجية TCP بمقدار 30%-40%. ويحدث هذا لأن بروتوكول TCP يسيء تفسير فقدان الحزمة الناجم عن أخطاء البت على أنه ازدحام في الشبكة، وبالتالي يقلل بشكل استباقي من نافذة الإرسال [2-مجلة تكنولوجيا الموجات الضوئية-2021].
التطبيقات العملية لاختبار أخطاء البت في عمليات الشبكة
منهجية الاختبار متعدد الطبقات
في قبول الشبكة وصيانتها، نستخدم استراتيجية اختبار متعددة الطبقات: تستخدم الطبقة المادية اختبار معدل الخطأ في البت (BERT) للتحقق من جودة القناة الأساسية؛ وتراقب طبقة ارتباط البيانات سلامة الإطار من خلال حساب أخطاء CRC؛ وتستخدم طبقة الخدمة معايير RFC 2544 و Y.1564 لتقييم مدى توافق اتفاقية مستوى الخدمة (SLA).
بالنسبة لأنظمة PCM، نولي اهتمامًا خاصًا لحساسية الخطأ في كلمة مزامنة الإطار. إشارة محاذاة الإطار (FAS) في أنظمة E1 هي النمط الثابت “0011011”. يؤدي فقدان المزامنة لثلاثة إطارات متتالية إلى إطلاق حالة إنذار. تُظهر بياناتنا المقاسة أن تحمل الخطأ لبتات FAS أقل بحوالي 2 ديسيبل من تلك الخاصة بالبيانات الصوتية العادية، مما يستلزم تخصيص ميزانية طاقة إضافية أثناء تصميم النظام.
تطور تقنيات التشخيص الحديثة
مع تطور الشبكات المعرَّفة بالبرمجيات (SDN)، تطورت تقنية مراقبة أخطاء البت أثناء الخدمة من “الاختبار الدوري” إلى “الاستشعار المستمر”. من خلال نشر وكلاء القياس عن بُعد للشبكة داخل النطاق (INT) في كل عقدة شبكية، يمكننا الحصول على إحصائيات أخطاء البت في الوقت الفعلي لكل رابط والتنبؤ باتجاهات تدهور الأداء باستخدام خوارزميات التعلم الآلي. تؤكد الأبحاث الحديثة في Optics Express أن نماذج التنبؤ بأخطاء البتات المستندة إلى التعلم العميق يمكن أن توفر تحذيرات مسبقة لمدة 15 دقيقة بدقة 87% [3 -Optics Express-2022].
في شبكات الجيل الخامس للربط الأمامي، تتطلب واجهات eCPRI معدل تكرار الاستجابة للطوارئ البينية أقل من 10-12, التي لم تعد طرق الاختبار التقليدية قادرة على تلبيتها. نستخدم طرق التحليل القائمة على راسم الذبذبات مع الكشف المترابط، وحساب معدل التكرار العكسي BER المنخفض للغاية بشكل غير مباشر من خلال تقييم المقاييس المشتقة مثل فتح مخطط العين وعامل Q-factor. العلاقة التحويلية بين عامل Q و BER هي:
BER=1/2إرفك(Q/√2)≈e-Q²/2/Q√2π
التطور والآفاق المستقبلية لهيكل إطار PCM
الانتقال من نظام TDM إلى نظام الحزم
وتعتمد أنظمة PCM التقليدية على بنية صارمة لمضاعفة الإرسال بالتقسيم الزمني (TDM)، بينما تتطور شبكات الاتصالات الحديثة نحو أنظمة قائمة على بروتوكول الإنترنت (IP) بالكامل. في النظام الفرعي للوسائط المتعددة عبر بروتوكول الإنترنت (IMS)، يتم تغليف الإشارات الصوتية في حزم RTP/UDP/IP، مع تطور مفهوم الإطار إلى فاصل زمني للحزم (عادةً 20 مللي ثانية). ويوفر هذا التحول مرونة ولكنه يجلب أيضاً تحديات جديدة مثل فقدان الحزمة وتذبذب التأخير.
وتجدر الإشارة إلى أن المفهوم الأساسي لمعيار PCM لا يزال قائماً حتى في شبكات بروتوكول الإنترنت بالكامل. يقوم معيار G.711 عبر معيار RTP بشكل أساسي بتغليف إطارات PCM كحمولة داخل حزم IP، مع تحول آلية المزامنة من محاذاة الفترات الزمنية القائمة على الأجهزة إلى المزامنة القائمة على البرامج باستخدام الطوابع الزمنية. يُظهر اختبارنا أنه في ظل ظروف الشبكة الجيدة (معدل فقدان الحزمة <0.1%، والارتعاش <20 مللي ثانية)، يمكن لهذه البنية أن توفر جودة مكالمات مماثلة لجودة الاتصالات التقليدية TDM.
التكامل مع التقنيات الناشئة
في سيناريوهات الربط البيني لمركز البيانات (DCI)، يتم دمج مبادئ PCM مع تقنيات التشكيل عالي الترتيب. تقترب تقنية تشكيل الكوكبة الاحتمالية (PCM) - لاحظ أن PCM هنا تعني تشكيل الكوكبة الاحتمالية، وهي مرادف لتعديل الكود النبضي ولكنها مختلفة من الناحية المفاهيمية - من حد شانون من خلال تعديل التوزيع الاحتمالي لنقاط الكوكبة. ووفقًا لتقرير نُشر في مجلة Nature Communications، حققت الأنظمة التجريبية التي تستخدم هذه التقنية معدل تكرار الترددات BER أقل من 10-15 بمعدلات 200 جيجابت في الثانية [4-اتصالات الطبيعة - 2023].
وبالنظر إلى أبحاث الجيل السادس، تستلهم أنظمة توزيع المفاتيح الكمية المتغيرة المستمرة (CV-QKD) في الاتصالات الكمية من مفهوم التوزيع الكمي في PCM، حيث تقوم بترميز نتائج قياس الحالة الكمية في إشارات رقمية. يؤكد هذا الترحيل التكنولوجي عبر النطاقات على الطبيعة التأسيسية والقابلة للتوسيع لإطار عمل PCM.
الخاتمة
لقد تطورت بنية إطار PCM، باعتبارها حجر الزاوية في الاتصالات الرقمية، من مجرد ترميز صوتي بسيط إلى دعم قدرات الحامل متعدد الخدمات. من من منظور مهندس الشبكة، لا يعد معدل خطأ البت مقياساً لقياس أداء النظام فحسب، بل هو أيضاً أداة حاسمة لتشخيص أمراض الشبكة وتحسين التصميم المعماري. مع تقدم تكنولوجيا الاتصالات نحو سرعات أعلى وذكاء أكبر، سيستمر نموذج “أخذ العينات والترميز والترميز وتعدد الإرسال” الذي أنشأه PCM في التأثير على مسار تطور الشبكات المستقبلية.
كممارسين، يجب أن نفهم بعمق هذه المبادئ الأساسية مع إتقان أدوات ومنهجيات الاختبار الحديثة. عندها فقط يمكننا ضمان جودة الخدمة في بيئات الشبكات المعقدة ودفع أنظمة الاتصالات نحو مزيد من الموثوقية والكفاءة.
TFN هي شركة مصنعة وموردة لمحلل الإرسال الرقمي. إذا كنت مهتمًا بـ أجهزة تحليل الإرسال الرقمي أو أجهزة تحليل الشبكات الأخرى، نرحب بزيارتنا. إذا كان لديك أي أسئلة، فلا تتردد في اتصل بفريق الدعم لدينا.
معلومات من فريق دعم TFN:
واتساب: +86-18765219251
البريد الإلكتروني: info@tfngj.com