POLITECHNIKA OPOLSKA

P R A C A SEMINARYJNA

PRZEDMIOT: Podstawy telekomunikacji

Kierunek studiów:	Elektronika i telekomunikacjia			Rok stud.: II
Specjalność:
Rok akad.: 2004			Semestr: IV

TEMAT PRACY SEMINARYJNEJ

Synchroniczna Hierarchia Cyfrowa SDH

P r a c ę seminaryjną w y k o n a ł
nazwisko	imię
Mikliss	Dariusz

	ocena	data
1.		22.05.2004
2.

Wstęp

Synchroniczny system transportowy, stosowany w sieciach telekomunikacyjnych o zasięgu światowym. Podstawową cechą SDH jest synchroniczność przekazu oparta na stałej ramce transmisyjnej o czasie trwania 125 ?s, generowanej współbieżnie z pierwotnym zegarem odniesienia PRC. Zasadniczą cechą systemu jest możliwość bezpośredniego wydzielania lub łączenia w sygnał zbiorczy strumieni składowych na różnych poziomach zwielokrotnienia, co nie jest możliwe w systemach PDH. W hierarchii cyfrowej SDH zdefiniowano pięć poziomów zwielokrotnienia, współbieżnych ze zwielokrotnieniem sygnałów transmisji optycznej SONET. Jako podstawową przyjęto przepływność binarną 155 Mb/s (dokładnie 155 520 kb/s) dla modułu transportowego STM-1, umożliwiającą łatwą współpracę z siecią plezjochroniczną PDH o przepływności 140 Mb/s. Przepływności wyższych poziomów są wielokrotnością poziomu podstawowego, uzupełnioną o nagłówek, i wynoszą odpowiednio: STM-4 (622 Mb/s), STM-16 (2,5 Gb/s), STM-32 (5 Gb/s) i STM-64 (10 Gb/s).

Budowa modułu transportowego STM-1

Moduł STM-1 składa się z 9 linii po 270 bajtów. W tym zawiera się nagłówek SOH 9*9bajtów. Czas trwania pojedynczej ramki to 125ms. Oznacza to, że częstość powtarzania się ramki to 8kHz-ów. Przepustowość pojedynczego bajtu ramki to 64kb/s.

Ramka STM-1 składa się z pola danych Payload, nagłówka SOH (utrzymaniowy) i blok wskaźników PTR.

Pole Payload zawiera 9*261 bajtów (2349 bajtów). Służy ono do przenoszenia właściwych danych użytecznych. Według zalecenia CCiTT zgodnie ze standardem G.703 w polu Payload można uzyskiwać przepustowość od 1,5Mb/s (poziom 1 w USA) do 140Mb/s (poziom 4 w Europie).

Nagłówek SOH przenosi dane utrzymaniowe, w postaci np. wzoru fazowania ramki, bajtów nadzoru, administracji siecią i sterowania nią. Nagłówek SOH dzieli się na dwie części: część RSOH, która stanowi zbiór danych sterujących i informacyjnych dla sekcji regeneratora i część MSOH, która stanowi nagłówek dla multiplekserów.

Blok wskaźników (PTR) służy do określenia położenia kontenera wirtualnego względem ramki STM. Umożliwia to dotarcie do strumieni składowych kontenera wirtualnego, bez demultipleksacji całego sygnału, określenie przesunięcia fazowego kontenera w przypadku współpracy z systemem plezjochronicznym, tj. dopełnienia dodatniego/zerowego/ujemnego. Wskaźnik PTR składa się z trzech wskaźników po 3 bajty każdy. Są one umieszczone w linii 4. Określają one rodzaj dopełnienia i jego wartość.

Budowa kontenera C,VC

Kontener C to zdefiniowana przepływność binarna, którą umieszcza się w ramce STM-1. Oznacza to tyle, że co 125µs jest przesyłana paczka informacji o powyższej pojemności. W jego skład wchodzi:

• Informacja użyteczna (np. system PDH),

• Stałe bity informujące o dopełnieniu i służące do zgrubnej synchronizacji,

• Bity służące do dokładnej synchronizacji,

• Bity kontrolne dopełnienia.

Kontener np. C4 może zostać bezpośrednio dopasowany do kontenera wirtualnego VC-4, ponieważ jego przepływność jest taka sama. Sytuacja jest tak samo prosta dla kontenera C1, C2 i C3 itd. Należy pamiętać, że zawsze następuje dodanie nagłówka POH do kontenera C i utworzenie z niego kontenera VC. Kontener VC jest traktowany zawsze jako integralną część którą przeprowadza się w nie naruszonym stanie od nadawcy do odbiorcy.

Tak spreparowana informacja jest uzupełniana o przesunięcie. Nosi ona nazwę jednostki podrzędnej. Kilka jednostek podrzędnych TU zwielokrotnionych bajtowo stanowi jednostkę nadrzędną TUG.

Połączenie kilku jednostek TUG i np. kontenera C3 oraz nagłówka POH daje kontener wirtualny np. VC-4.

Zegary synchronizujące sieć SDH

Stosuje się następujące źródła sygnałów zegarowych:

1. PRC (Primary Reference Clock) - Pierwotny Zegar odniesienia.
   Jest to zegar, który wytwarza przebiegi wzorcowe dla całej sieci SDH. Wymaga się, aby zegar taki miał dużą stabilność częstotliwości, był pozbawiony znacznych fluktuacji fazy i był niezawodny. Norma CCiTT G.811 definiuje maksymalny błąd przedziału czasu takiego generatora - MTIE:

• 100*S dla 0.0005<S<5,

• (5*S + 500)ns dla 5<S<500

• 3ms dla S>500, gdzie
  S - czas obserwacji wyrażony w sekundach.
  
  Z doświadczenia wiadomo, że tylko generatory cezowe są w stanie wytworzyć przebieg o żądanej stałości. Zegar jest zbudowany z kilku generatorów cezowych, których żywotność waha się w granicach pięciu lat. Struktura taka nosi nazwę nadmiarowej. Oprócz 4 generatorów cezowych w układzie wytwarzania przebiegu jest jeszcze układ porównywania (komparacji) częstotliwości, głosowania większościowego. Układ pracuje z tzw. gorącą rezerwą, tj. jeden generator pracuje w warunkach zbliżonych do tego generatora, który jest aktualnie wykorzystywany. Układ porównywania zajmuje się przełączanie na tą właśnie rezerwę, w przypadku awarii lub wymiany generatorów.

Układ wyjściowy generuje strumień synchronizujący 2Mb/s lub2MHz.

2. SSU (Synchronization Supply Unit) - Zegary sieciowe SSU.
   Jest to urządzenie, które podejmuje decyzję z którego źródła należy synchronizować urządzenia całego systemu SDH w danym obiekcie (węzeł telekomunikacyjny). SSU może wybierać z pośród sygnałów wejściowych 2Mb/s, 2MHz, 5MHz lub innych dostępnych. Urządzenie DPLL to mała pętla fazowa, która odszumia przychodzący sygnał zegarowy - czyli stabilizuje go. SSU na wyjściu oferuje zegar o częstotliwości 2MHz.
   Urządzeń może być połączone kaskadowo i synchronizować do 20 krotnic na raz (zalecenie G.803).
   
   Wymaga się od SSU, aby miały wysoką dokładność odtwarzania zegara z sygnału wejściowego (niskie fluktuacje fazy - CCiTT G81s ), co najmniej taką jak centrale tranzytowe.

3 Układy zegarowe krotnicy SDH są ostatnią deską ratunku w przypadku zaniku synchronizacji centralnej systemu.

4 Synchronizacja sygnałem przychodzącym jest ostatnią możliwością synchronizacji. Jest ona wysoce niedokładna i podatna na zakłócenia.

Zwielokrotnienie sygnałów STM-1

Zwielokrotnienie w systemie SDH odbywa się na zasadzie zielokrotnienia synchronicznego poprzez zwykłe przeplatanie bajtów sygnału składowych . Na tej zasadzie tworzone są moduły:

• STM-4 o przepływności 622,08 Mbit/s - utworzone z czterech sygnałów STM-1

• STM-16 o przepływności 2488,32 Mbit/s , który może być utworzony z 16 sygnałów STM-1 lub z czterech sygnałów STM-4

Sposób tworzenia modułu transportowego STM-4 z modułów STM-1

Zwielokrotnienie rozpoczyna się od STM-1. Jest to najniższa jednostka zwielokrotnienia o przepływności 155Mb/s (155 520kb/s). Może ona bezpośrednio być nośnikiem strumienia PDH o przepływności 140Mb/s. Tylko trzy pierwsze zwielokrotnienia STM posiadają certyfikat CCiTT (ITU-T). Proces zwielokrotnienia przebiega dwuetapowo. Na początku przebiega multipleksacja kontenerów VC niższego do wyższego rzędu. Następnie odbywa się włączanie odpowiednich informacji o kontenerach do nagłówka SOH (Section Overhead). Tak powstały moduł STM jest wysyłany w trasę. Przetwarzanie zawartości nagłówka SOH daje możliwość wglądu w zawartość modułu STM na trasie i wyodrębnienia z niego pojedynczej przepływności lub włączenie innej. Sumaryczna przepływność może być dużo mniejsza od maksymalnej możliwej do osiągnięcia w danym STM'ie.

Poziomy zwielokrotnienia w systemie SDH

Nośnik optyczny	Interfejs elektryczny	Moduły transportowe - STM	System (Mb/s) synchroniczny SDH/SONET	Zwielokrotnienie	Liczba kanałów telefonicznych
OC-1	STS-1	-	51,84	1	672
OC-2	-	-	103,68	2	1344
OC-3	STS-3	STM-1	155,52	3	2016
OC-4	-	STM-3	207,36	4	2688
OC-9	STS-9	STM-3	466,56	9	6048
OC-12	STS-12	STM-4	622,08	12	8064
OC-18	STS-18	STM-6	933,12	18	12 096
OC-24	STS-24	STM-8	1244,16	24	16 128
OC-36	STS-36	STM-12	1866,24	36	24 192
OC-48	STS-48	STM-16	2488,32	48	32 256
OC-96	STS-96	STM-32	4976,64	96	64 512
OC-192	STS-192	STM-64	9953,28	192	129 024

Podstawowe struktury sieci

Struktura liniowa

Struktura liniowa (łańcuchowa) sieci SDH zakłada istnienie dwóch skrajnych węzłów W1 oraz Wn występujących w postaci synchronicznych krotnic końcowych TMX (Terminal Multiplexer) lub zakończeń liniowych, jak również węzłów pośrednich W2 ... Wn-1 reprezentowanych najczęściej przez krotnice transferowe ADM (Add and Drop Multiplexer).

Struktura pierścieniowa

Charakterystyczną cechą struktury pierścieniowej jest to, iż każdy z węzłów połączony jest z dokładnie dwoma węzłami sąsiednimi. Nie ma tu więc żadnych węzłów końcowych tak jak to było w przypadku struktur łańcuchowych. W tak powstałej pętli istnieją zawsze dwie i tylko dwie drogi łączące poszczególne węzły. Z węzła B do E można dostać się zarówno poprzez A jak i węzły C oraz D. Niesie to ze sobą dużo większą odporność na awarie albowiem oprócz drogi podstawowej do danego miejsca w sieci istnieje zawsze droga alternatywna. Załóżmy, że podstawową drogą łączącą węzły B i E jest ta prowadząca przez węzeł A. Jeżeli połączenie pomiędzy A i B ulegnie uszkodzeniu cały ruch zostanie skierowany trasą przez węzły C i D.

Struktura kratowa

W tej strukturze pomiędzy każdą parą węzłów WT (warstwy transportowej) może istnieć więcej dróg, na których tworzone są ścieżki danej warstwy. Dzięki temu mamy możliwość różnorodnych konfiguracji sieci i wielu metod zabezpieczania jej zasobów. Projektowanie sieci kratowych sprawia duże problemy optymalizacyjne, a wprowadzenie wyrafinowanych metod rekonfiguracji i mechanizmów kontrolnych prowadzi do zastosowania drogich przełącznic DXC. Między kolejnymi węzłami może istnieć różna liczba łączy. Najczęściej graf jest niepełny - nie wszystkie węzły są połączone każdy z każdym.

Struktura mieszana

W przypadku dużych sieci stosuje się często struktury mieszane , w których niższe hierarchicznie sieci pierścieniowe połączone są strukturą kratową. Zadaniem sieci kratowej jest tu tranzytowanie ruchu pomiędzy różnymi pierścieniami. Dzięki takiej budowie powstaje sieć pierścieniowa o małej ilości węzłów, co zmniejsza problemy związane ze sterowaniem tej sieci.

Sposoby reakcji struktury sieci SDH na awarię

Działanie struktury pierścień jednokierunkowy 2-włóknowy

Pierścień jednokierunkowy 2-włóknowy
W celu zrozumienia istoty działania tej konfiguracji trzeba zapamiętać, że dwa włókna kabla światłowodowego łączącego poszczególne węzły nie są wykorzystywane jako kanał nadawczy i kanał zwrotny. W obu przesyłane są zawsze te same dane ale w przeciwnych kierunkach. Taka nadmiarowość z jednej strony zmniejsza przepustowość w strukturze ale z drugiej strony wpływa na znaczny wzrost jej niezawodności.

Jedno z włókien stanowi tor podstawowy albo inaczej roboczy natomiast drugie, zabezpieczający. Gdy z węzła B zostaje wysłana informacja do węzła E po torze podstawowym (poprzez C i D) to równocześnie zostaje ona przesłana poprzez tor zabezpieczający (trasą alternatywną poprzez A). Węzeł E po odebraniu obu sygnałów porówna je i wybierze ten o lepszej jakości. Mówienie więc o torze roboczym i zabezpieczającym jest tu więc pewną umową gdyż oba tory są równoważne. Gdy E wysyła odpowiedź do B to sygnał zostanie przesłany znowu obydwoma włóknami: torem podstawowym (przez A) i zabezpieczającym - przez D i C. Jak widać komunikacja pomiędzy dwoma węzłami zawsze angażuje wszystkie pozostałe węzły a sygnały nadawcze i odbiorcze krążą w tym samym kierunku. Na tym właśnie polega jednokierunkowość transmisji dla tej konfiguracji.

Działanie struktury pierścień jednokierunkowy 2- włóknowy podczas awarii jednego włókna w kablu

Gdy uszkodzeniu ulegnie jedno z włókien kabla, węzeł odbiorczy będzie nadal odbierał sygnał z włókna nieuszkodzonego. Dzieje się tak dlatego, że w obu włóknach przesyłany jest ten sam sygnał (tylko w przeciwnych kierunkach).

W podobny sposób zadziała protekcja gdy uszkodzeniu ulegnie całe przęsło lub jeden z węzłów. Omówiona protekcja, gdzie sygnał jest przesyłany równocześnie dwoma różnymi drogami zalicza się do zabezpieczeń typu 1+1. Zabezpieczenie tego typu nie wymaga rekonfiguracji pierścienia po uszkodzeniu ani też sygnalizacji stanów awaryjnych pomiędzy węzłami w celu wykonania przełączeń zabezpieczających.

Działanie struktury pierścień jednokierunkowy 2- włóknowy podczas awarii całego kabla

Innym podejściem jest zabezpieczenie sekcji (SP - Section Protection). Kiedy uszkodzeniu ulegnie cały kabel, np. na odcinku CD po krótkiej chwili tworzy się nowy, mniejszy pierścień jednokierunkowy, w którym transmisja odbywa się już bez zabezpieczeń (brak toru alternatywnego).

Podsumowanie systemu SDH

1.Uniwersalność systemu SDH umożliwia kompatybilność z technikami PDH i ATM.

2.Systemy synchroniczne umożliwiają osiągnięcie ogromnych przepływności rzędu kilku 10Gb/s (STM - 64) z zastosowaniem światłowodów (np. na 80 nośnych we włóknie).

3.Uniwersalna konstrukcja umożliwiająca szerokie wykorzystanie kanału administracyjnego np. do zarządzania siecią.

4.Metoda wytwarzania uprzypadkowienia została pomyślana tak, aby jak najmniej obciążać układ nadawczy, a zarazem nie wprowadzać nadmiernych opóźnień.

5.Kompatybilność SDH z różnymi standardami transmisji w różnych krajach.

6.Możliwość działania według struktury punkt-punkt (2; 4 włókna), ring (samonaprawialność) i gwiazdy. Struktura punkt-punkt może działać na 2 włóknach - ta sama informacja idzie różnymi drogami lub na jednym włóknie tj. przełączana na inne o ruchu na niższym priorytecie w czasie awarii.

Źródła wiedzy:

www.acn.waw.pl

www.mops.uci.agh.edu.pl

www.networld.pl

www.ciapek.uci.agh.edu.p

www.helios.et.put.poznan.pl

www.lodz.tpsa.pl

Urządzenia teletransmisyjne (Tadeusz Zagrobelny)

14

---