Wstęp Wstęp do systemów SDH

Systemy SDH stopniowo wypierają systemy PDH z rynku telekomunikacyjnego, gdyż gwarantują wyższe przepływności (powyżej 1Gb/s) z zastosowaniem światłowodów. Gwarantują synchroniczną transmisję zgodnie z głównym zegarem systemu o dokładności 10^-11. Generują ramki co 125µs o stałej budowie nagłówka. Stałe lub zmienne poślizgi fazy w punkcie odbiorczym sygnału wynikające ze zmieniających się warunków światłowodów transmisyjnych poprawia się za pomocą znaczników AU przyporządkowanych do kontenera wirtualnego VC.

Znacznik AU w VC wskazuje początek przestrzeni adresowej kontenera lub przesunięcie go względem znacznika. Przesunięcie może być dodatnie i zerowe (możliwe w PDH) oraz ujemne (tylko w SDH). Stosowanie takiej samej metody tworzenia nagłówków i znaczników w kontenerze zarówno wyższego rzędu, jak i niższego pozwala swobodnie wydzielać z kontenera np. STM-1 dowolny strumień 2Mb/s lub nawet 64kb/s (np. rozmowa telefoniczna).

Zalety:

• Zgodność standardów w Europie, Japonii i USA,

• Dane przesyłane są synchroniczne,

• Przepływność podstawowa to 155Mb/s,

• Dla wielu systemów zwielokrotnienia ten sam nagłówek uzupełniany tylko za każdym razem o potrzebne informacje,

• Przepływności STM są kolejnymi całkowitymi mnożnikami wartości 155Mb/s, np. 1, 4, 6, 8 ... ,

• Zwielokrotnienie następuje bajtowo, a nie bitowo, · Możliwość transportowania danych plezjochronicznych,

• Zwielokrotnienie oparte na wskaźnikach, · Możliwość dopełniania bitowego dodatniego, ujemnego lub zerowego,

• Wskaźniki umożliwiają swobodne oddzielenie danych od nagłówka, co umożliwia wyseparowanie dowolnego zwielokrotnienia nawet na trasie.

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.

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

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 ramki STM N

Ramka STM-N jest podobna w budowie do ramki STM-1. Różnica polega głównie na przepływności obu z mnich. Ramka STM-1 ma przepływność 155Mb/s, zaś STM-N N razy większą niż tamta. Wynika stąd, że w ciągu 125ms jest transportowane N*9*270 bajtów danych. Przy takim zwielokrotnieniu ulega zmianie położenie poszczególnych sygnałów użytecznych w ramce STM-N, niż w STM-1. W związku z tym muszą być modyfikowane po wprowadzeniu każdego sygnału nagłówki STM-N. Polityka zwielokrotniania sygnału np. STM-4 w STM-16 polega na tym, że ramka STM-16 jest zaopatrywana w odpowiednie nagłówki wynikające z wprowadzania do jej wnętrza 4 strumieni i wstawianiu kolejno po 4 bajty każdego ze strumieni wg narzuconej kolejności. Gdyby liczbę 4 zastąpić jakąś uniwersalną liczbą N, będącą liczbą całkowitą dodatnią i liczbę 16 zamienić na m zgodnie z tą samą konwencją, to liczba N oznaczała by ilość bajtów, co jaki następuje przeplot, a liczba M/N oznaczałaby maksymalną ilość strumieni jakie jest w stanie przenieść strumień wyższego rzędu oraz zarazem liczbę, co którą dany strumień wysyła N bajtów danych.

Systemy PDH w celu zabezpieczenia danych przed błędami w czasie transmisji stosowały kody liniowe. Sprawa ma się identycznie dla systemów SDH wykorzystujących styki elektryczne zgodne z zaleceniem CCiTT G.703. Systemy SDH dla transmisji z udziałem włókna optycznego stosują Scrambling. Skramblowanie polega na przemnażaniu porcji danych przez sekwencję pseudolosową, w celu uprzypadkowienia danych i lepszego rozłożenia się mocy sygnału w paśmie transmisyjnym. Skrambler działa po stronie nadawczej urządzenia i ma postać rejestru przesuwnego połączonego logicznie z wejściem. Deskrambler działa po stronie odbiorczej i ma podobną budowę do Skramblera, zaś jego zadaniem jest jak nazwa sugeruje odtwarzanie danych przychodzących poddanych skramblowaniu.

Budowa kontenera C

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.

Budowa kontenera wirtualnego VC

Jest to kontener powstały z dodania nagłówka POH do kontenera np. C4. Kontenery dzieli się na wyższego i niższego rzędu. Kontenery niższego rzędu, to te, które są wewnątrz innych kontenerów np. VC-12, VC-3 itd. Kontenery wyższego rzędu to te, które są bezpośrednio transportowane w ramce STM-1.

Zegary synchronizujace 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.

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

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

Posumowanie

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

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

3. Łatwość wydzielania ze strumienia o wysokiej przepływności pojedynczego strumienia.

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

5. Technika przeplotowa umożliwia zminimalizowanie opóźnień wytwarzanych przez urządzenia pośredniczące w systemie SDH (multipleksery itd.).

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

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

8. 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.

Ważną zaletą systemów SDH jest to, że są one synchroniczne oznacza to synchronizację wszystkich elementów sieci z jednego źródła zegara (w sieciach PDH zegary w poszczególnych elementach sieci mogły być nieznacznie różne ponieważ były synchronizowane z różnych źródeł). Zaleta ta znacznie upraszcza multkipleksowanie i demultipleksowanie sygnałów ponieważ jest to jednostopniowe wyciągnięcie lub włożenie „bezpośrednio widzianego” kanału niezależnie od stopnia hierarchii. Format podstawowy sygnału SDH pozwala przenosić wiele różnych usług w tzw. Wirtualnym Kontenerze (VC-Virtual Container) ponieważ jego przepustowość jest bardzo elastyczna. Ta właściwość pozwala na szybką pakietową transmisję danych, ATM (Asynchronous Transfer Mode), transmisję sygnału wideo itp. Oprócz tego SDH nadal pozwala na transportowanie w sieci istniejących sygnałów PDH 2M, 34M, ... .

Struktura ramki SDH zawiera sporo nadmiarowości, która to jest wykorzystywana do nadzorowania elementów sieci oraz monitorowania jakości transmisji, dzięki temu mogą być tworzone automatyczne zabezpieczenia sieci przed uszkodzeniami (APS - Automatic Protection Switch).

Urządzenia hierarchii synchronicznych systemów można podzielić zależnie jaką rolę pełnią one w sieci, jednak z punktu widzenia konstrukcyjnego niezależnie od podziału budowa ogólnie mówiąc jest taka sama pozwoliło to na znaczne uproszczenie systemów ze względu na sprowadzenie komplikacji sieci do niewielu funkcjonalnych elementów:

• Terminal multiplekser - zwielokratnia sygnały dopływające typu PDH, SDH na wyjściu unifikuje do STM-N

• Regenerator - podczas transmisji długodystansowych odzyskuje sygnał i retransmituje dalej Add-Drop multiplekser (krotnica) - podstawowy element sieci SDH pozwala na „wyjęcie” i dodanie do sieci transportowej zarówno sygnału PDH jak również SDH

• Digital Cross-connect (Cyfrowa przełącznica) - cyfrowa matryca przełączająca na różnym poziomie hierarchii cyfrowe sygnały

Łączenie elementów sieciowych w podsieci i sieci może odbywać się na różne sposoby w zależności od potrzeb i wymagań (np. niezawodnościowych). Najczęściej stosowaną strukturą SDH jest struktura pierścienia, która pozwala na wprowadzenie skutecznych zabezpieczeń (protekcji) jakości transmisji.

Wstęp

Wynalezienie telefonu było i jest do dzisiaj jednym z największych osiągnięć techniki.
Szybko jednak okazało się, że najprostszy zestaw, jakim były dwa telefony połączone przewodem, jest niewystarczający dla użytku powszechnego. Budowa sieci publicznej wymagała stworzenia centrów telefonicznych (central). Rozrastanie się sieci pod względem ilości przyłączonych abonentów oraz obejmowanego przez nią obszaru narzuciło konieczność połączenia centrów równocześnie wieloma kanalami. Początkowo odbywało się to w sposób naturalny - na jedno łącze niosące jedną rozmowę telefoniczną przypadała jedna para miedzianych przewodów. Przy dużych odległościach dzielących abonentów konieczne było kompensowanie tłumienia przewodów - dla każdego łącza oddzielnie. Wzrost rozmiarów ruchu międzycentralowego spowodował nieopłacalność takiego sposobu transmisji. Postanowiono „zapakować” więcej równocześnie prowadzonych rozmów w pojedynczy przewód, zapewniając zwiększenie zasięgu. Tak powstała nowoczesna teletransmisja.

Rozwój telefonii cyfrowej

Jeszcze w latach 70. w systemach telekomunikacyjnych stosowano powszechnie technikę przesyłania analogowych sygnałów mowy za pomocą kanałów telefonicznych w podstawowym paśmie przenoszenia (zakres od 300 Hz do 3400 Hz - na rys. 1 przedstawiono gęstość widmową i dynamikę sygnału mowy) lub poprzez kosztowne (w stosunku do ilości przenoszonych kanałów) międzycentralowe urządzenia zwielokrotnienia z podziałem częstotliwościowym FDM (Frequency Division Multiplexing) o niewielkiej ilości kanałów rozmównych (obecnie jeszcze stosowane). Idea FDM polega na przydzielaniu w medium transmisyjnym kolejnym źródłom sygnału o ograniczonym emitowanym widmie kolejnych przedziałów widma przenoszonego przez medium. Prościej mówiąc: kolejne rozmowy modulowały swoje własne sygnały nośne (w sposób podobny jak w technice radiowej), których częstotliwości były tak dobrane, by nie zakłócały się wzajemnie. Na drugim końcu sygnały nośne były demodulowane; otrzymywano z powrotem komplet pierwotnych sygnałów rozmównych.
Jako linie przesyłowe stosowano pary kabli miedzianych o ograniczonej częstotliwości pracy, wymagające skomplikowanych filtrów, korektorów linii i tłumików zakłóceń przy przesyłaniu sygnału o wyższych częstotliwościach. Utrzymanie i konserwacja systemu wymagały skomplikowanych i regularnych procedur strojenia. Pojawienie się analogowych systemów FDM umożliwiających równoczesną transmisję 1800, a nawet 2700 rozmów w znakomity sposób podniosło stopień skomplikowania i koszty eksploatacji.
Sytuacja zaczęła się poprawiać wraz z wprowadzeniem przekształcenia sygnału mowy na postać cyfrową za pomocą modulacji kodowo-impulsowej PCM (Pulse Code Modulation). Technika ta umożliwia konwersję analogowego sygnału mowy w paśmie podstawowym na cyfrowy ciąg próbek amplitudy „zdejmowanych” z częstotliwoscią 8 kHz (co 125 mikrosekund) i kodowanie tych wartosci w ciąg znaków ośmiobitowych, co daje podstawową przepływność binarną 64 kbit/s. Kodowanie według nieliniowej charakterystyki kompresji umożliwia uzyskanie większej niż ośmiobitowa rozdzielczości przetwarzania analogowo-cyfrowego. W europejskim systemie kodowania rozdzielczość zmienia się od dwunastu do pięciu bitów w zależności od przedziału amplitudy sygnału próbkowanego, zapewniając najlepszą (12 bitów) dla najniższych amplitud.
Znormalizowne cyfrowe kanały rozmówne o przepływności 64 kbit/s stały się podstawą do tworzenia strumieni cyfrowych o dużej przepływności przez łączenie pojedynczych kanałów (zerowy stopień hierarchii zwielokrotniania) metodą zwielokrotnienia cyfrowego z podziałem czasowym TDM (Time Division Multiplexing). Sposób ten polega na konstruowaniu ramki informacyjnej przez podział jednostkowego przedziału czasu na kolejne szczeliny czasowe (timeslots) i wprowadzaniu do tych szczelin informacji, jakie w jednostkowym przedziale czasu napłynęły z kolejnych źródeł. Łatwo zauważyć, że w ten sposób rośnie przepływność informacyjna strumienia zbiorczego.

Zwielokrotnienie kanałów PCM

Zwielokrotnianie (multipleksacja) kanałów PCM jest realizowana odmiennie na różnych kontynentach, przy czym wyróżnia się dwa przyjęte standardy multipleksowania podstawowych kanałów o przepływności 64 kbit/s:

• do/z strumienia zbiorczego o przepływności 1544 kbit/s w USA, Kanadzie i w Japonii,

• do/z strumienia o przepływności 2048 kbit/s w Europie.

W europejskim systemie multipleksowania z podzialem czasowym TDM stosuje sie 256-bitową ramkę o 32 szczelinach i czasie trwania 125 mikrosekund (na rys. 2 przedstawione zostało ramkowanie kanałów PCM w wersji europejskiej),  w której dwie szczeliny są przeznaczone odpowiednio do synchronizacji ramki (detekcja początku ramki) i sygnalizacji, natomiast pozostałe do przenoszenia bajtów informacyjnych z kolejnych 30 kanałów PCM, tworząc w ten sposób strumień zbiorczy E1 o przepływności 2048 kbit/s nazywany zwykle strumieniem 2 Mbit/s. Podstawą amerykańskiego i japońskiego systemu multipleksowania TDM jest 193-bitowa ramka 24-kanałowa o czasie trwania 125 mikrosekund, lecz zawierająca 24 bajty informacyjne i jeden bit synchronizacyjny o łącznej przepływności kanału zbiorczego T1 rownej 1544 kbit/s, oznaczonego zwykle 1.5 Mbit/s.
W obydwu systemach przy tworzeniu kanalu zbiorczego stosuje sie stały algorytm przeplotu bajtowego, tzn. kolejne szczeliny (bajty) w strumieniu zbiorczym odpowiadają bajtom z kolejnych kanałów podstawowych o przepływności 64 kbit/s.

Poziomy hierachii plezjochronicznej

Transmisja 30 kanałów w pojedynczym kablu jest w dalszym ciągu nieopłacalna. Wykorzystanie pojemności informacyjnej dostępnego medium (kabel miedziany, światłowód, kanał radiowy) uzyskuje się przez zwielokrotnienie podstawowych strumieni cyfrowych E1 w Europie i T1 w Ameryce. W przeciwieństwie do przeplotu bajtowego stosowanego w multipleksowaniu do 2 Mbit/s (w Ameryce - 1.5 Mbit/s) przy zwielokrotnieniu do wyższych przepływnosci uzywa się technikę przeplotu bitowego, tzn. z kolejnych sygnałów przychodzących do kanału zbiorczego, każdorazowo jest wprowadzany jeden kolejny transmitowany bit. Ponieważ zwielokrotniane strumienie 2 Mbit/s (w Ameryce - 1.5 Mbit/s) i wyższe sa generowane przez rózne urządzenia, w ktorych elementarne podstawy czasu mogą różnić się nieznacznie między sobą, w celu zapewnienia stałej przepływności i synchronizacji sygnałów wejściowych względem sygnału zbiorczego musi być on uzupełniany przez dodawanie „pustych bitów”, zwanych bitami dopełnienia. Bity te nie niosą informacji i są usuwane ze strumienia zbiorczego podczas demultipleksacji na pojedyncze sygnały niższego poziomu. Proces uzupełniania i usuwania bitów nieznaczących nazywa się operacją plezjochroniczną (prawie synchroniczną) i pojawia się na każdym poziomie zwielokrotniania strumienia cyfrowego, gdy jest wymagane wyrównanie przepływności strumieni. Systemy zwielokrotnienia cyfrowego stosujące operację plezjochroniczną nazwano Plezjochroniczną Hierarchią Cyfrową - PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Zalecenie G.702 Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej - ITU (wcześniej CCITT) ustaliło 5 hierarchicznych poziomów dla systemów plezjochronicznych o zróżnicowanych przepływnościach wynikających historycznie z rozwoju systemów w poszczególnych krajach. W praktyce stosuje się 4 nastepujące poziomy zwielokrotnienia PDH:

• w Europie: 2 Mbit/s (E1), 8 Mbit/s (E2), 34 Mbit/s (E3), 140 Mbit/s (E4),

• w Ameryce: 1.5 Mbit/s (T1), 6 Mbit/s (T2), 45 Mbit/s (T3),

• w Japonii: 1.5 Mbit/s, 6 Mbit/s (J2), 32 Mbit/s (J3).

Ograniczenia w systemach PDH

Pomimo że systemy PDH dokonały ogromnego skoku od teletransmisji analogowej do teletransmisji cyfrowej, to jednak powszechne zainteresowanie nowymi usługami telekomunikacyjnymi wymusza stosowanie coraz większych przepływności kanałów transmisyjnych. Natomiast w systemach PDH może powodować to wiele niedogodności wynikających z przyjętej zasady zwielokrotnienia sygnałów. Do ważniejszych ograniczeń należą:

• Brak możliwości wydzielenia pojedynczego wybranego kanału 2 Mbit/s ze strumienia o dużej przepływnosci, bez zastosowania wszystkich pośrednich etapów multipleksowania i demultipleksowania z sygnału zbiorczego, (multipleksowanie strumieni w systemie PDH przedstawia rys. 4),

• Brak dostatecznej pojemności informacyjnej przeznaczonej na sygnalizację i funkcje nadzoru i utrzymania sieci w standardowej strukturze ramek kanałów PCM (1 bajt na 32 szczeliny),

• Brak standaryzacji sieci do styków optycznych, co utrudnia łączenie sieci o różnych technologiach.

Systemy synchroniczne

Niedostatki systemów PDH sprawiły, że dalsze zwiększanie przepływności (powyżej 140 Mbit/s) stało się nieekonomiczne, natomiast postęp technologiczny w miniaturyzacji układów cyfrowych i opanowanie techniki swiatłowodowej o przepływności kilkuset Mbit/s sprawiły, że najpierw amerykański komitet T1 ANSI (American National Standard Institute), a następnie organizacja o zasięgu ogolnoswiatowym CCITT (Consultative Commitee for International Telegraph and Telephone) uzgodniły i znormalizowały nową synchroniczną hierarchię cyfrową - SDH (Synchronous Digital Hierarchy). Na rys. 5 została zobrazowana hierarchia cyfrowych systemów transmisyjnych.
Zalecenia standardu SDH (rok 1988), oparte na amerykańskim systemie synchronicznym SONET (Synchronous Optical Network), uwzględniają zarówno dotychczas stosowaną hierarchię sygnałów plezjochronicznych (amerykańskich i europejskich), jak też unifikację styków swiatłowodowych oraz metodę multipleksowania umozliwiająca transport sygnałów cyfrowych między rożnymi technologiami (PDH, ATM, FDDI, MAN) oraz zapewniającą swobodny dostęp do strumienia składowego na każdym stopniu hierarchii zwielokrotniania. Za podstawową jednostkę transmisyjną przyjęto blok informacyjny o stałej wielkości, zwany synchronicznym modułem transportowym STM-1 (Synchronous Transport Module) o przepływności 155.52 Mbit/s, a zawierający wewnątrz mniejsze oznakowane jednostki informacyjne (jedna lub kilka), zwane kontenerami wirtualnymi VC (Virtual Container). Kontenery wirtualne najniższego poziomu przenoszą pojedyncze kontenery C (Container), z których każdy reprezentuje ściśle okresloną paczkę bitów informacyjnych pochodzących bezpośrednio ze strumienia cyfrowego odpowiedniej przepływności.

Zasadę tworzenia kontenerów wirtualnych niższego rzędu opatrywanych nagłówkami, zwielokrotniania ich w grupy jednostek również obdarzonych nagłówkiem, wprowadzanych następnie do modułu transportowego doskonale oddaje porównanie do poczty: list wkładamy do koperty i adresujemy, list ten trafia razem z innymi do worka z przywieszką, worek zaś wśród innych podróżuje wagonem pocztowym. Dzięki tym „etykietkom” możemy odszukać list w wagonie, jeżeli wiemy, że się tam znajduje. Rys. 6 „fachowo” opisuje organizację dróg zwielokrotnienia według ETSI (European Telecommunication Standarisation Institute).

Zwielokrotnianie w systemie SDH

Konstrukcja modułu transportowego STM-1 oraz umieszczonych w nim kontenerów VC jest tak pomyślana, aby ładowanie i rozładowanie informacji z/do kontenerów o dowolnie niższych poziomach przepływnosci, jak również zwielokrotnianie modułów transportowych STM powyżej przepływności 155 Mbit/s w jeden sygnał było możliwe jednostopniowo, za pomocą inteligentnego multipleksera ADM (Add-Drop Multiplexer) z wbudowaną funkcją dołączania lub odłączania wymaganej przepływności. Multipleksery (krotnice synchroniczne) mogą być zdalnie rekonfigurowane z centrali zarządzającej, dostarczając użytkownikowi wymagane pasmo przenoszenia w dowolnym, określonym czasie.
Multipleksery z funkcja ADM upraszczają proces demultipleksowania sygnałów o dużej przepływności, zapewniając równocześnie dużą niezawodność sieci przez automatyczne tworzenie drogi alternatywnej w układzie pierścieniowym.
System zarządzania nadzoruje wszystkie fragmenty sieci, w razie uszkodzenia automatycznie zmienia kierunek ruchu w torze, odtwarzając ruch aż do momentu naprawy uszkodzonego fragmentu, a ponadto zapewnia precyzyjną identyfikację miejsca, wezła lub odcinka niesprawnego toru przesyłowego.
W multiplekserach ADM stanowiacych integralną częścią systemu SDH są realizowane zarówno funkcje odłączania i zwielokrotniania, jak i zakończenia traktów liniowych. Zastępują one cały zestaw plezjochronicznych krotnic wraz z układami liniowymi dla światłowodowego toru przesyłowego po stronie zbiorczej. Od strony zbiorczej (główny trakt przesyłowy) multiplekser ADM generuje i akceptuje sygnał liniowy o znormalizowanej przepływności STM-1 (155.52 Mbit/s) oraz jego wielokrotności STM-4 (622.08 Mbit/s) i STM-16 (2488.32 Mbit/s), przy czym ze względów niezawodnościowych interfejs jest podwójny z możliwością nadawania i odbioru sygnałów optycznych w obydwu kierunkach.

Rozróżnia sie dwa główne rodzaje krotnic synchronicznych ADM:

•  multipleksery liniowe, spełniające funkcje prostych multiplekserów akceptujących sygnały wejściowe STM-1 (155 Mbit/s) i E4 (140 Mbit/s), bez możliwosci alokacji zawartości kontenerów wewnątrz modułu transportowego STM,

• multipleksery inteligentne akceptujące wszystkie typy sygnałów plezjochronicznych, z możliwością przemieszczenia (rekonfiguracji) położenia kontenerów w module transportowym STM.

Złożony proces multipleksownia jest realizowany w krotnicach za pomocą szybkich wyspecjalizowanych mikroprocesorów (zwykle za pomocą procesorów sygnałowych o dużej mocy przetwarzania bitowego).

Hierarchia synchroniczna

Podstawy hierarchii synchronicznej wywodzą sie z amerykańskiego systemu SONET umożliwiającego współpracę swiatłowodowych urządzeń transmisyjnych różnych producentów z sieciami plezjochronicznymi. Stąd też przyjęte przepływności w systemie SDH odpowiadają ogólnie standardom sygnałów swiatłowodowych systemu amerykańskiego:

Przeplywność w Mbit/s	Styk optyczny SONET	Styk elektryczny SONET	Moduł transportowy SDH
51.84	OC-1	STS-1	(STM-0)
155.52	OC-3	STS-3	STM-1
466.56	OC-9	STS-9	-
622.08	OC-12	STS-12	STM-4
933.12	OC-18	STS-18	-
1244.16	OC-24	STS-24	-
1866.24	OC-36	STS-36	-
2488.32	0C-48	STS-48	STM-16
4976.64	OC-96	STS-96	STM-32
9953.28	OC-192	STS-192	STM-64

 
Rozbieżnosci w przyjętych sygnałach powodują, że hierarchia systemów cyfrowych kształtuje się inaczej dla systemów amerykańskich i europejskich, jednak standaryzacja struktury i zawartości największych kontenerów wirtualnych VC-3 po stronie amerykańskiej i VC-4 po stronie europejskiej umożliwia umieszczenie ich w przestrzeni użytkowej modułu transportowego STM-1 i po przesłaniu rozładowanie modułu według uzgodnionej procedury.

Moduł transportowy STM-n

Liniowa jednostka transmisyjna SDH, zwana modułem transportowym STM-n (n-tego rzedu), przedstawiana jest jako matryca składająca się z 9 rzędów i 270 kolumn, gdzie każda komórka matrycy reprezentuje jeden znak 8-bitowy. W podstawowym, module transportowym STM-1 najniższego rzędu odpowiada to ilości 2430 bajtów przesyłanych w czasie 125 mikrosekund. Moduł transportowy STM-n może być konfigurowany na wiele sposobów w zależnosci od wyznaczonej mu funkcji transportowej, jednak rozmiary pól sygnałów sterujacych, kontrolnych oraz obszary informacji uzytkowej są stałe i nie ulegają zmianie. Moduł STM-n zawiera:

• dwuczęściowy nagłówek SOH (Section OverHead) obejmujący: nagłówek sekcji regeneratorów sygnałów RSOH (Regenerator SOH) oraz nagłówek sekcji krotnic, urządzeń końcowych, multiplekserów MSOH (Multiplexer SOH), dwa zasadnicze kanały transmisji danych nadzoru o maksymalnej przepływności 192 kb/s i 576 kb/s, dwa kanały detekcji błędów parzystości za pomocą kodu BIP-8 (Block Interleaved Parity) oraz BIP-24, dwa kanały sygnalizacji głosowej do celów służbowych, kanały alarmowe, pole identyfikacyjne numeru modułu oraz ustalony 48-bitowy wzór ramkowania (fazowania) modułu STM, nadawany jako pierwszy w kolejności sygnał optyczny (elektryczny) w strumieniu cyfrowym.

• n grup jednostek administracyjnych AUG, z których każda zawiera jedną jednostkę administracyjną AU-4 lub trzy jednostki administracyjne AU-3, przeznaczone do przenoszenia odpowiednio kontenerów VC-4 lub VC-3, oraz związanego z tymi jednostkami wskaźnika PTR (Pointer) wskazującego, w której komórce modułu transportowego znajduje się pierwszy bajt kontenera wirtualnego.

Na rys. 7 przedstawiony został moduł transportowy STM w strumieni cyfrowym.
Krotnica odbiorcza, przez którą przesyłany jest strumień cyfrowy, na podstawie analizy naglowka SOH i wskaźnika PTR wydziela, formatuje dodatkowo lub przesyła dalej kontenery wirtualne - bez ingerowania w wewnętrzną strukturę i zawartość nadsyłanych kontenerów.

Kontener wirtualny VC-4

Podobnie jak moduły transportowe, również kontenery wirtualne mają różnorodne struktury wewnętrzne o ustalonych polach sterujących, obszarach informacyjnych oraz wielkości przenoszonej informacji. Kontener wirtualny VC-4 zawiera:

• nagłówek scieżki POH (Path OverHead) zawierający 9 bajtów sygnałów sterujących i kontrolnych. W nagłówku POH znajdują się też informacje o stanie drogi transmitującej kontener oraz o zawartości kontenera zakodowanej w bajcie C2,

• przestrzeń ładunkową (payload) przenoszącą sygnały PDH (i inne) o zróżnicowanej przepływności przez: jeden kontener C4 (140 Mb/s) albo 3 jednostki podrzędne TU-3 z kontenerami C3 (34 Mb/s, 45 Mb/s) lub 21 jednostek podrzędnych TU-2 z kontenerami C2 (6 Mb/s), lub 63 jednostki podrzędne TU-12 z kontenerami C12 (2 Mb/s). Każda jednostka typu TU-n za pomocą własnego wskaźnika lub kilku wskazników lokalizuje bezpośrednio początek kontenera zawartego w jednostce, a nawet umożliwia dostęp do pojedynczych kanałów 64 kb/s w kontenerach VC-11 i VC-12, bez demultipleksowania całego strumienia cyfrowego.

Przełącznice DXC

Bezpośredni dostęp do dowolnie niskiego poziomu przepływności w zbiorczym strumieniu cyfrowym otwiera zupełnie nowe możliwości przez stosowanie elastycznych przełącznic cyfrowych DXC (Digital Cross Connect) realizujących raczej funkcje dotychczasowych central telefonicznych niż zwykłych przełącznic traktów komunikacyjnych. W sieciach synchronicznych SDH przełączanie to polega na okresowym, dynamicznym w czasie ustalaniu półstałych połączeń pomiędzy kanałami o różnej przepływności za pomocą ścieżek (torow) na poziomie kontenerów wirtualnych VC. Istotnym wyróżnikiem w odniesieniu do istniejących systemów komutacyjnych jest realizacja tych połączeń w trakcie sesji komunikacyjnej nadzorowana i zarządzana przez sieciowy system zarzadzajacy TMN (Telecommunication Management Network), a nie przez dysponenta, jakim w zwykłej centrali jest użytkownik/operator sieci telekomunikacyjnej. Rozwiązanie to umożliwia zmianę konfiguracji sieci przez zdalne przeprogramowanie węzłów (krotnic, multiplekserów przełącznic) na alternatywne drogi komunikacyjne, tworząc jeden samonaprawialny (self healing) mechanizm telekomunikacyjny. Z wielu funkcjonalnie odmiennych przełącznic synchronicznych dostosowanych do różnych przepływności transmisyjnych wyróżnia się dwa rodzaje:

• przełącznice transferowe typu DXC 4/4 przyjmujące strumienie 155 Mb/s (STM-1), 140 Mb/s (E4) oraz formatujące je do transportu swiatłowodowego o dużej przepływności 622 Mb/s (STM-4) oraz 2.5 Gb/s (STM-16) z przełączaniem kontenerów VC-4. Są one stosowane zwykle do tworzenia rdzenia pierścieniowej sieci SDH wyższego rzędu (regionalnej, krajowej),

• przełącznice typu DXC 4/1 (DXC 4/3/1) przyjmujące zwykłe strumienie cyfrowe o różnych przepływnościach (2 Mb/s, 34 Mb/s, 140 Mb/s, 622 Mb/s), jak również strumienie STM-1 (155 Mb/s) oraz krosowanie strumieni 2 Mb/s na poziomie kontenerów VC-11, VC-12, co zapewnia dużą elastyczność w adaptacji sieci telekomunikacyjnej SDH na niższym poziomie.

Podsumowanie

Sieci synchroniczne SDH stały się nowym standardem w telekomunikacji, łącząc zaawansowaną elektronikę z techniką światłowodową i inżynierią oprogramowania. Zapewniły w ten sposób nowoczesny, efektywny i otwarty na zmiany system transportowy o wielu zastosowaniach. Isniejące aplikacje wykorzystujące sieć transportową SDH do instalacji na niej systemow asynchronicznych ATM, komutacji pakietów, połączenia miedzy sieciami LAN, sieci z integracją usług ISDN i szerokopasmowych B-ISDN, a przede wszystkim do współpracy z rozpowszechnionymi sieciami plezjochronicznymi PDH potwierdzają uniwersalność wykorzystania medium telekomunikacyjnego do różnych zastosowań przy jednorazowych nakładach inwestycyjnych na budowę sieci. Rownież możliwość dynamicznego przydzielania przepływności w łączach i węzłach sieci, niezbędna przy usługach multimedialnych oraz przekazach telewizyjnych wysokiej rozdzielczości HDTV (High Density), tworzy niewidoczny dla użytkownika elastyczny mechanizm transportowy dopasowujący sieć do aktualnych potrzeb, nie wykluczając dalszego unowocześniania parametrów sieci w przyszłości. Zintegrowane zarzadzanie TMN, wspomagane przez autonomiczne funkcje kontrolne każdego węzła, zmniejsza do minimum koszty eksploatacji i utrzymania sieci, pozostawiając operatorowi funkcje reorganizacji systemu przy jego rozbudowie.

SONET - Synchronous Optical NETwork

(Zbior standardow dotyczacych synchronicznych, gigabitowych sieci swiatlowodowych)

Wprowadzenie

SONET odnosi sie do zbioru standardow dotyczacych wyposazenia swiatlowodowych systemow transmisyjnych rozwijanych przez firme Bellcore w kooperacji z kompaniami telefonicznymi oraz producentami sprzetu telefonicznego. Przyczynkiem do stworzenia standardow SONET stalo sie niewystarczajace znormalizowanie wyposazenia sieciowego tego typu, co nie umozliwialo wspolpracy urzadzen roznych producentow. Przykladami urzadzen, od ktorych wymaga sie zgodnosci ze standardami SONET sa multipleksery, krosownice oraz repeatery. Jakkolwiek z technicznego punktu widzenia nie jest to konieczne, w Ameryce Polnocnej standardy dla publicznych sieci ATM (Asynchronous Transfer Mode) okreslaja, iz standardy SONET beda okreslaly system lacza fizycznego. Standardy SONET porzadkuja szeroki wachlarz specyfikacji od tych, ktore dotycza czestotliwosci, poziomow mocy sygnalow, charakterystyk swiatlowodow, zlacz, formatow przesylanych danych, az do szeroko pojetych mozliwosci serwisowania. Zapewnic to ma latwosc zarzadzania siecia, a co za tym idzie udostepnienie wysokiej jakosci uslug. Predkosciom transmisji przewidywanym przez SONET odpowiadaja oznaczenia OC-N (Optical Carrier), gdzie N oznacza liczbe 1, 3, 12, 48, 192. Ponizsza tabela przedstawia poziomy OC-N dopuszczone (oprocz OC-192) przez ANSI:

Oznaczenie Predkosc transmisji [Mb/s]

OC-1 51,84

OC-3 155,52

OC-9 466,56

OC-12 622,08

OC-18 933,12

OC-24 1244,16

OC-36 1866,24

OC-48 2488,32

OC-192 9953,28

Sygnal OC-N powstaje z sygnalu STS-N po kodowaniu kanalowym i konwersji sygnalu elektrycznego na optyczny. Oznaczenia STS-N (Synchronous Transpost Signal) odnosza sie do formatow przesylanych danych, tak jak oznaczenia OC-N dotycza specyfikacji sygnalu optycznego.

Hierarchia sygnalow SONET

Podstawowym blokiem i pierwszym poziomem hierarchii sygnalow SONET jest STS-1. Charakteryzuje sie on przepustowoscia 51,84 Mb/s i jest on synchroniczny z wlasciwym zrodlem synchronizacji w sieci. Struktura ramki STS-1 (przedstawiona na Rys. 1) moze byc opisana jako tablica 90 kolumn na 9 rzedow oktetow. Transmisja oktetow przebiega rzad po rzedzie od lewej do prawej, przy czym pojedyncza ramka przesylana jest co 125us (okres przesylania ramki pozwala na cyfrowa transmisje mowy, jako ze sygnaly takie sa kodowane z przeplywnoscia 64 kb/s).

Pierwsze trzy koluny ramki STS-1 zawieraja bajty naglowka sekcji i linii. Pozostale 87 kolumn i 9 rzedow jest wykorzystywane do przenoszenia tzw. "synchronicznego kontenera informacyjnego" (Synchronous Payload Envelope - SPE); SPE jest uzywane do przenoszenia informacji uzytecznej wraz z 9 bajtami naglowka sciezki. STS-1 moze przenosic czysty sygnal kanalu DS3 (44,736 Mb/s) lub zestaw sygnalow o mniejszej predkosci: DS1, DS2C i DS2. Fizyczny nosnik sygnalu STS-1 nie jest okreslony normami. Po kodowaniu kanalowym i zamianie na sygnal optyczny otrzymuje sie z niego sygnal OC-1 bedacy sygnalem optycznym najnizszego poziomu w hierarchii SONET.

Kanaly naglowkowe SONET

Strukture naglowka STS-1 przedstawia rysunek 2.

Naglowek kanalu SONET podzielony jest na warstwy (naglowki) sekcji, linii i sciezki. Struktura ta odzwierciedla podzial funkcji miedzy elementami wyposazenia sieci. Naglowki sekcji sa przetwarzane przez wszystkie urzadzenia SONET wlacznie z regeneratorami. Zawieraja one przede wsystkim dwa oktety startowe ramki i identyfikator ramki, poza tym znajduje sie w nich bajt parzystosci BIP-8, bajt kanalu serwisowego i inne. Gdy sygnal SONET jest kodowany, jedynymi nie zakodowanymi czesciami ramki pozostaja bajty naglowka sekcji oraz bajt identyfikacji STS-1. Naglowki linii sa przetwarzane przez wszystkie urzadzenia SONET wylaczajac regeneratory. Zawieraja one przede wszystkim bajty wskaznikow, dodatkowy bajt parzystosci BIP-8, dwubajtowy kanal komunikatow APS (Automatic Protection Switching) i inne. Naglowki sciezki sa przetwarzane przez urzadzenia SONET bedace adresatami niesionej przez ramke informacji uzytkowej (terminating equipment). Naglowek sciezki jest czescia ladunku uzytecznego (SPE) i przesylany jest wraz z nim. Zawiera on bajt parzystosci (kontrola poprawnosci danych miedzy nadawca, a adresatem), bajt etykiety identyfikujacej ty niesionej informacji przenoszonego przez SPE i inne.

Multipleksowanie sygnalow wiekszych predkosci

Sygnaly SONET o wiekszych niz STS-1 predkosciach transmisji uzyskuje sie przez przeplot bajtow i zbieranie N ramek STS-1 w ramke STS-N.

Metody te sa stosowane, aby uzyskac bajtowo zorganizowana ramke o przepustowosci rzedu 150 Mb/s (STS-2) zgodna z zaleceniamii CCITT. Pozwala to rowniez przenosic ramce STS-N ladunki szerokopasmowe z predkosciami rzedu 150 lub 600 Mb/s. W ramce STS-N wszystkie kanaly naglowkow sekcji oraz linii z pierwszej ramki STS-1 sa przenoszone w calosci, jednakze wiele analogicznych kanalow (oprocz bajtow startowych oraz identyfikatora ramki, bajtow parzystosci, wskaznikow naglowka linii) z pozostalych STS-1 jest pomijanych. STS-N po kodowaniu kanalowym zamieniane jest na sygnal OC-N.

Wskaznik ladunku uzytecznego STS-1

Jak juz wspomniano, SONET STS-1 zawiera w naglowku linii wskaznik ladunku uzytecznego. Wskaznik ten stanowi kluczowa innowacje SONET i jest uzywany do synchronizacji multipleksowania w srodowisku plezjochronicznym jak i formowanych w ramki sygnalow STS-N. Istnieja dwa najczesciej uzywane sposoby na zmultipleksowanie ladunkow uzytecznych w sygnal o wiekszej przepustowosci. Pierwszym z nich jest tzw. dodatnie szpikowanie bitami (positive bit-stuffing) pozwalajace zwiekszyc predkosc sygnalow nizszego rzedu (o mniejszej przeplywnosci) w celu dopasowania ich do dostepnej pojemnosci w sygnale wyzszego rzedu (o wiekszej przeplywnosci). Metoda ta stwarza jednak problemy przy dostepie do ladunku uzytecznego z sygnalu wyzszego poziomu. Inna metoda jest zastosowanie sztywnego umieszczenia sygnalow nizszego rzedu w sygnalach zmultipleksowanych (fixed location mapping). Metoda ta umozliwia latwy dostep do ladunku uzytecznego z sygnalu wyzszego poziomu, jednak ze wzgledu na brak zgodnosci fazy sygnalow nizszego rzedu wymaga stosowania opoznien (do 125 us) oraz powtorzen lub opuszczania ramek (!).

SONET laczy zalety obu metod unikajac ich wad. Dzieje sie tak dzieki wykorzystaniu wskaznikow ladunku uzytecznego, przesylanych w ramach naglowka linii. W zastosowanej metodzie ladunek nie jest sztywno zwiazany z ramka STS-1 lecz przemieszcza sie wzgledem jej naglowkow.

Male zmiany czestotliwosci ladunkow nie powoduja opoznien ani utraty danych - powoduja jedynie zmiane wskaznika ladunku w ramce. Bajt H3 jest tu wykorzystywany jako bufor. Ponizsze dwa rysunki przedstawiaja sposob wykorzystania bajtu H3 przy operacji zmniejszania wskaznika, gdy nastepna ramka przychodzi zbyt szybko oraz stosowania dodatniego bajtu uzupelniajacego, gdy nastapilo opoznionie w "dostarczeniu" ramki nizszego rzedu.

3

---