Синхронная цифровая иерархия (SDH)

Новая цифровая иерархия была задумана как скоростная информационная среда передачи для транспортирования цифровых потоков с разными скоростями. В этой иерархии объединяются и разъединяются потоки со скоростями 155,520 Мбит/с и выше. Поскольку способ объединения был выбран синхронный, то данная иерархия получила название синхронной цифровой иерархии (Synchronous Digital Hierarchy – SDH).

Перечислим следующие предпосылки создания SDH:

1. Активное внедрение цифровых систем передачи.

2. Недостатки системы плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ = PDH), а именно:

a) сложность объединения и разделения цифровых потоков; необходимо согласование скоростей, т.к. у каждого потока различные тактовая частота f_т и скорость;

b) при выделении первичного потока ИКМ-30 нужно последовательно демультиплексировать группы ИКМ-120, ИКМ-480 и т.д., выделить что нужно, а потом снова провести объединение;

c) средства ПЦИ разных изготовителей зачастую не стыкуются друг с другом;

d) наличие разных европейской и американской систем ПЦИ.

3. Внедрение линий связи с большой пропускной способностью (ВОЛС, ЦРРЛ).

Основные принципы СЦИ:

1. Временное разделение каналов (ВРК).

2. СЦИ работает с гораздо большими скоростями передачи информации: 155,52 Мбит/с, 622,08 Мбит/с и т.д.

3. Синхронная цифровая иерархия включает в себя все предыдущие транспортные протоколы – это PDH, ISDN, ATM.

4. Контейнерный способ упаковки данных.

Для передачи цифрового потока создается синхронный транспортный модуль (Synchronous Transport Module) STM-1 (таблица 4.5):. Чтобы создать более мощные цифровые потоки, в SDH-системах формируется следующая цифровая иерархия: четыре модуля STM-1 объединяются путем побайтового мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем четыре модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; четыре модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мбит/с).

Таблица 4.5 Состав СТМ-1

В сети SDH применены принципы контейнерных перевозок. Подлежащие транспортировке сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах (Container - C). Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем и достигается прозрачность сети SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы, в частности сигналы PDH.

На рисунке 4.64 показана структура модуля STM.

Рисунок 4.64 Синхронный транспортный модуль

Он разбивается на субблоки (TU-Тributary Unit). А те в свою очередь разбиваются на контейнеры по 2 Мбит/с, 34 Мбит/с, 144 Мбит/с.

При передаче у каждого STM, TU и контейнера существует своей номер, называемый заголовком.

Как размещается информация в этих контейнерах? Контейнеры вкладываются в STM. STM перемещается во времени независимо от объема поступаемой информации и времени ее поступления. Поэтому контейнеры помещаются в тело (объем) модуля случайно, асинхронно. Чтобы идентифицировать положение контейнера в вагоне, вводят указатель (Pointer). Поскольку при такой схеме заполнения STM его использование не рационально, в дальнейшем производится переупаковка. При этом указатели контейнеров и блоков меняются в соответствии с новым положением.

Рисунок 4.65 – Упрощенная схема преобразования в SDH

(для европейской иерархии):

VC – виртуальный контейнер;

TUG – группа субблоков;

AU – административный блок;

AUG – административная группа;

Этапы формирования STM-1:

1. Поступающий цифровой сигнал упаковывают в контейнер С.

2. Добавлением маршрутного или трактового заголовка (Path Over Head – POH) контейнер преобразуется в виртуальный контейнер VC

VC = C + POH.

Виртуальный контейнер формируется и расформировывается в точках окончания и начала тракта. Заголовок POH, кроме адреса, позволяет осуществить контроль качества передачи по тракту, передачу аварийной и эксплуатационной информации.

3. Виртуальный контейнер снабжают указателем PTR и образуют тем самым транспортный блок TU (Tributary Unit)

TU = VC + PTR­­_TU.

PTR – указатель начала VC внутри субблока. PTR осуществляет дополнительно выравнивание скоростей.

4. Затем несколько транспортных блоков путем мультиплексирования объединяют в группу транспортных блоков TUG (Тributary Unit Group).

5. Затем TUG путем мультиплексирования преобразовывается в виртуальный контейнер VC-4.

6. VC-4 снабжают секционным заголовком SOH, образуя таким способом административный блок AU-4.

7. Последний помещают непосредственно в модуль STM-1 вместе с секционным заголовком SOH (Section Over Head)

STM-1 = AUG + SOH,

где SOH – секционный заголовок

SOH = RSOH + MSOH;

RSOH – заголовок регенераторной секции;

MSOH – заголовок мультиплексорной секции.

Примечание: если мы имеем цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с, образуемый на выходе аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-1920, то его сначала упаковывают в контейнер С-4, а затем добавлением маршрутного или транспортного заголовка POH преобразуют сразу в виртуальный контейнер VC-4. Т.е. в этом случае пропускается создание транспортных блоков и групп.

8. Образование синхронных транспортных модулей высшего порядка

STM-N = å STM-i + (RSOH + MSOH)_i + AUPTR_i,

где AUPTR_i – указатель положения STM внутри потока.

Рассмотрим структуру тракта (рисунок 4.66).

Из рисунка 4.66 можно определить некоторые функции заголовков RSOH и MSOH. Заголовок RSOH помимо основной функции идентификации STM_N должен обеспечивать цикловую синхронизацию, служебную связь, аварийную сигнализацию, контроль и исправление ошибок в соответствующей регенераторной секции.

Заголовок MSOH также обеспечивает функции контроля ошибок, технического обслуживания и управления мультиплексором, но уже в пределах всего тракта.

Рассмотрим структуру кадра модуля STM-1(рисунок 4.67).

Здесь все размеры приведены в байтах, поскольку в системе SDH используется побайтная организация. Всего в модуле STM-1 содержится 19440 бит (125 мкс*155.52 Мбит/с) или 2430 байт. Для удобства отображения эти байты расположены в виде прямоугольной таблицы, в которой 9 строк. Каждая строка содержит 270 байт. Поле этой таблицы разделено на две части: информационную и служебную – заголовок. Под заголовок отведены первые 9 байт каждой строки (всего 81 байт).

Первые 9 байт первой строки содержат сигнал кадровой синхронизации FAS(Frame Alignment Signal), остальные 261 байт – информационные(полезная нагрузка). Первые 9 байт второй и третьей строки представляют заголовок регенераторной секции RSOH, но во времени этот заголовок разделен. Между его первой и второй частями размещен 261 байт полезной нагрузки

Четвертая строка начинается с указателя PTR, а остальные 5 строк заголовка(45 байт) отведены под заголовок мультиплексорной секции MSOH. Указатель используется для обозначения начала полезной нагрузки кадра. Как видно из рисунка 4.67 она начинается не с первой строки кадра после сигнала FAS, а обязательно после указателя и с того места, которое он указывает. Поэтому нумерация емкости нагрузки начинается с десятого байта четвертой строки. Допустимые значения указателя в десятичной системе О-782, что позволяет полезной нагрузке смещаться(«плавать») в кадре. Эти смещения обусловлены случайными факторами(рассинхронизация, помехи и т.д.).

«Плавающий» режим нагрузки внутри контейнера позволяет сочетать эти нестабильности во времени с синхронностью работы всей системы в целом, позволяет выделять и вставлять любые отдельные контейнеры.

Размещение указателя начала нагрузки в средней части STM-1 не случайно. В этом случае для выполнения каких-то действий о перераспределении нагрузки(ввод или вывод компонентных сигналов и т.п.) есть время от момента окончания FAS до начала нагрузки. Если бы нагрузка начиналась с первой строки STM-1, информацию пришлось бы записывать в буфер, и потом выполнять все операции ввода-вывода.

Плавающий режим нагрузки позволяет решить вопросы согласования скоростей, не нарушая синхронного режима работы. Несмотря на высокую стабильность тактовых генераторов, принимаемый сигнал не полностью синхронизирован с местным генератором. Поэтому и в SDH необходимо как отрицательное согласование скоростей(ОСС), так и положительное(ПСС). При ОСС, как и в PDH, применяется понятие стаффинга. Для выравнивания используются 10-12 байты четвертой строки. При ОСС, когда частота принимаемого сигнала меньше частоты местного генератора и часть байтов не помещается в кадр, для их размещения используется поле указателя(7-9 байты четвертой строки).

Структура указателя приведена на рисунке 4.68. Здесь значение указателя содержат байты H1 и H2, причем для него отводится 10 бит (рисунок 4.68)

Это биты 7,8 H1 и 1-8 H2. Такое количество бит позволяет иметь максимальное значение указателя в десятичном системе 1023, однако допустимые значения указателя лежат в диапазоне 0-782. Содержание указателя разбито на две группы: нечетные I и четные D. Это сделано для обеспечения его помехоустойчивости. Чаще всего приращение указателя происходит на ±1. Поэтому при увеличении значения указателя инвертируются все нечетные биты(0→1, 1→0), а при уменьшении инвертируются все четные биты. Достаточно зафиксировать инверсию хотя бы трех бит относительно предыдущего кадра, чтобы сделать вывод об изменении значения указателя.

В указателе биты, обозначенные как N объявляют об изменении значения указателя. В нормальном состоянии NNNN=0110, при изменении данных указателя NNNN=1001. Биты SS определяют тип полезной нагрузки(контейнера) AU-3 или AU-4.

Наконец байты Н3 в указателе составляют тот резерв, который нужен для отрицательного согласования скоростей. Байты Y и 1* не несут какой-то информации и по сути являются резервными.

Рассмотрим теперь подробнее структуру заголовков RSOH и MSOH (рисунок 4.69).

Здесь байты A1 и A2, как уже говорилось, предназначены для кадровой синхронизации(FES) A1=11110110; A2=00101000. C1- идентификатор STM, показывает номер, присвоенный STM-1. Это необходимо, чтобы идентифицировать различные модули STM-1 в модулях более высокого порядка STM-4.

Байт B1 предназначен для контроля ошибок, при прохождении сигнала через регенератор. Для этого он подвергается кодированию по алгоритму BIP-8. Суть этого метода заключается в суммировании по модулю 2 всех одноименных битов каждого передаваемого байта в начале на передающем конце. Полученные значения сумм передаются одним байтом, который потом сравнивается побитно с аналогичным байтом, полученным на приемном конце. Ниже приведен пример действия такого алгоритма.

При помощи BIP-8 можно обнаружить 8 ошибок(по одной в каждом бите) в контейнере. Двойные ошибки не обнаруживаются.

Байты E1 и F1 служат для организации служебной связи и дополнительной передачи данных соответственно. Байты D1-D3 формируют встроенный канал управления(TMN).

Последние пять строк заголовка служат для взаимодействия с мультиплексорами. Байты B2, E2, D4-D12 определяют те же функции, что и аналогичные байты в RSOH. Байты K1 и K2 организуют канал автоматического переключения на резерв при авариях, а также служат для передачи сообщения об этих авариях. Байты Z1, Z2, Х предназначены для национального применения, а байты не отмеченные никак – для международного применения в будущем.

Отличия SDH от PDH:

1. Единый для всех высокостабильный тактовый генератор.

2. Большое количество служебной информации, т.е. заголовков и указателей.

3. Универсальный интерфейс (имеется в виду взаимодействие) для всех национальных систем: США, Япония, Европа.

Достоинства СЦИ:

1. Упрощенный процесс мультиплексирования и демультиплексирования. Здесь не надо распаковывать весь модуль, как в ПЦИ (см. Предпосылки создания SDH, пункт 2b), так как есть сквозная синхронизация и много заголовков разных уровней, контейнеров и субблоков.

2. Простота ввода компонентных сигналов – заголовки + плавающий режим.

3. Качественное управление сложными сетями:

· управление конфигурацией сетей (на уровне мультиплексоров);

· управление неисправностями: дистанционное выявление неисправности и ее исправление;

· управление качеством (выявление и ликвидация ошибок);

· управление безопасностью – регистрация несанкционированного доступа и т.п.

Недостатки SDH:

1. Система достаточно дорогая.

2. Необходима высочайшая стабильность тактовой частоты.

3. Большое время вхождения в синхронизм.

4. Система чрезвычайно избыточна, т.к. групповой сигнал содержит много заголовков и свободных мест для дальнейшего использования. Но это окупается высокой пропускной способностью.

Рассмотрим конфигурацию транспортной сети SDH (рисунок 4.74).

На рисунках 4.75 и 4.76 сеть управления телекоммуникациями (TMN) удаленно из узла управления задает конфигурацию сети (определяет, какие компоненты куда выделить или перенаправить).

Рисунок 4.75– Работа мультиплексора ввода-вывода

Функция мультиплексоров заключается в воде и выводе различных потоков (Е1, Е3, Е4, STM_i ) в синхронные транспортные модули высшего порядка, а также резервирование в сети. Число входных (выходных) потоков Е1 изменяется 63 до 272 ( рисунок 4.75).

Рисунок 4.76 – Работа кросс-коннектора

Кросс-коннекторы переключают потоки иерархий PDH и SDH , и используются для оперативной реконфигурации сети и управлению ее ресурсами. В настоящее время в сетевых элементах функции мультиплексирования и коммутации совмещают. Более того, для цифровых потоков высокого уровня STM-64, STM-256, WDM, DWDM эти процедуры реализуются непосредственно с помощью оптических сигналов, без преобразования их в электрические (рисунок 4.76).