Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 5. Технология синхронной цифровой иерархии SDH

 

Недостатки PDH привели к разработке в США еще одной иерархии – синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналогичной синхронной иерархии SDH.

Целью разработки была иерархия, которая позволила бы:

• Вводить/выводить входные  потоки без их предварительного демультиплексирования
• Разработать новую структуру фреймов с возможностью маршрутизации и управления сетями
• Систематизировать иерархический ряд скоростей передачи и продолжить его за пределы ряда PDH
• Разработать стандартные интерфейсы для облегчения стыковки оборудования.

Для достижения поставленных целей  американские разработчики предложили систему SONET,  в которой в качестве основного синхронного транспортного сигнала был выбран сигнал со скоростью передачи 51,84 Мбит/с (STS-1), а у европейцев был выбран синхронный транспортный модуль STM-1 со скоростью 155,52 Мбит/с, который совпадал со скоростью SONET OC3 (51,84х3=155.52 и включал скорость PDH 140 Мбит/с.

Если ранее цифровые сети были по сути асинхронными и не использовали внешнюю синхронизацию от  центрального опорного источника. В них потеря бит (или невозможность их точной локализации ) приводили не только к потере информации, но и к нарушению синхронизации. На принимающем конце было проще выбросить неверно полученные фреймы, чем их восстановить. Это значит, что указанная информация была потеряна безвозвратно.

В синхронных сетях средняя частота  всех местных таймеров или одинакова  или близка к синхронной благодаря  использованию центрального таймера  с точностью не хуже, чем 10^-9 . В этой ситуации необходимость выравнивания фреймов не стоит так остро, а диапазон выравнивания значительно уже. Поэтому синхронные сети имеют ряд преимуществ перед асинхронными.: проще, надежней, гибче, универсальней и пр.

Общие особенности построения синхронной иерархии

 

1. Поддержка в качестве входных сигналов каналов доступа PDH Европейской и американской иерархий –1.5, 2, 6, 8, 34, 45, 140 Мбит\с, которые называются трибами PDH
2. Процедура формирования структуры фрейма из трибов путем упаковки их в оболочку фрейма- контейнер - так, что их можно легко ввести и вывести в нужном месте с помощью мультиплексора, т.е. путем последовательных вложений или инкапсуляций. На контейнер наклеивается ярлык, содержащий управляющую информацию. Контейнер является не физическим, а логическим объектом- поэтому называется виртуальным контейнером.
3. Виртуальные контейнеры могут объединяться в группы двумя различными методами. Контейнеры нижних уровней могут мультиплексироваться по жесткой синхронной схеме, при которой место отдельного контейнера в поле для размещения нагрузки строго фиксировано. С другой стороны из нескольких фреймов могут быть составлены новые более крупные образования-Мультифреймы.

Из-за возможных различий в типе составляющих фрейм контейнеров внутри мультифрейма и непредвиденных временных задержек в процессе загрузки фрейма положение контейнеров внутри мультифрейма может оказаться не строго фиксированным, что приведет к ошибкам при вводе/выводе.

Для устранения этого факта на каждый виртуальный контейнер заводится указатель, содержащий фактический адрес начала виртуального контейнера на карте поля, отведенного под полезную нагрузку. Указатель дает контейнеру некоторую степень свободы, т.е. дает возможность ему «плавать» под действием непредвиденных временных флуктуаций.

4. Несколько контейнеров одного уровня могут быть сцеплены вместе (конкатенация) и рассматриваться как один непрерывный контейнер
5. В иерархии SDH предусмотрено формирование отдельного поля заголовка, структуру которого мы рассмотрим позже

 

 Общая cхема мультиплексирования потоков в СЦИ / SDH

(рек. G.707 ITU-U)

 

139264

кбит/с

 х1

 х1 хN

 х3

x3

44736      x7

34368

 

 x1 x7

6312

x3

2048  Вложение (отображение)

 Размещение (выравнивание)

 x4  Мультиплексирование

1544

Добавление указателя

 

 

Рис.  Схема мультиплексирования PDH трибов

C-n –   контейнеры уровня n

VC-n – виртуальные контейнеры уровня n

TU-n  - трибные блоки уровня n

TUG-n –группа трибных блоков уровня-n

AU-n  - административные блоки уровня – n

AUG – группа административных блоков

STM – синхронный транспортный модуль

 

Детальный пример схемы  формирования модуля STM-1

 

 

32 байта  34 байта 35 байт           36 байт(9х4)  (9х12)байт                   (9х84)байт 

Триб Е1

2048

Мбит/с   3:1 7:1

1 байт 1 байт

 

 

Выравнивающие Маршрутный Указатель

     биты заголовок  положения

контейнера

155,52 Мбит/с

              (9х86)байт                  (9x259)байт   (9x260)    (9x261)байт                                                       (9х270) байт

 (9x258)

(2х9) байт 3:1 1:1

Добавление 9 байт                    9 байт (3x9)- RSOH

поля индикатора (5x9)- MSOH

нул. указателя

и пустого поля Маршрутный

                                              заголовок

Инкапсуляция сигнала нагрузки 2 Мбит/с

 

Заметим, что размер контейнера всегда несколько больше полезной нагрузки. Это необходимо для реализации принципа  «динамического плавания» полезной нагрузки внутри контейнера.

На рис.          показан процесс мультиплексирования контейнеров TU-12 в VC-4 (Здесь V –заголовок тракта (маршрутизирующий))

 

 

 

 

1. TU-12 мультиплексируются в TUG-2 c чередованием байт.
2. Модуль TUG-2 мультиплексируются c чередованием байт в модули TUG-3, к каждому из которых добавляется два столбца , в них 1 байт NPI – поле индикации нулевого указателя, остальные байты столбцов пустые.
3. TUG-3 мультиплексируются побайтно  из 3-х блоков, к нему добавляется маршрутизирующий заголовок POH  в 1 столбец и еще 2 пустых столбца и получается контейнер VC-4 из 261 столбца.

 

 

 

Формат фрейма STM-1

 

Формат фрейма STM-1 выглядит следующим образом. Он состоит из 9 строк и 270 столбцов. Каждый столбец имеет ширину 1 байт. Т.е. всего 270х9=2430 байт.Всего бит = 2430х8=19440 бит.  Длительность этого сигнала равна 125 мкс. Отсюда скорость передачи 1байта равна 64 кбит/с. Скорость передачи фрейма равна 2430х64=155,52 Мбит/с. Заголовок состоит из 9х9=81 байт, скорость его передачи равна 81х64=5,184 Мбитс, что составляет 3.33% от полезной информации

 

 

Заголовок

9 байт 261 байт

FAS – синхрон.
Pointer

 

             3

 

9

     

                  5  

 

          Рис. 1 Формат (структура)  фрейма  транспортного  модуля STM-1

 

FAS – Frame Alignment Signal  - Сигнал синхронизации (выравнивания)

RSOH –Regenerator Section Overhead – заголовок регенераторного участка

MSOH –Multiplexer  Section Overhead –заголовок мультиплексорного участка

Pointer – указатель начала полезной нагрузки.

 

 

Принцип действия указателя начала полезной нагрузки показан на рис.

 

 

 

 

 

Нумерация емкости нагрузки начинается после указателя, т.е. с 10 байта 4-ой строки, а заканчивается в конце 3-й  строки следующего модуля.

Полезная нагрузка может смещаться в структуре модуля под действием непредвиденных временных флуктуаций, а указатель всегда содержит адрес начала полезной нагрузки. Тем самым устраняется противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения полезной нагрузки внутри фрейма..

Принятый и переданный сигналы  не полностью синхронизированы . Для  устранения последствий такой рассинхронизации используют положительные и отрицательные выравнивания, позволяющие полезной нагрузке перемещаться внутри фрейма. Принцип действия выравнивания скоростей показаны на рис.

 

    Отрицательное выравнивание

 

 

 

Структура заголовка  STM-1

состоит из 2-х блоков. RSOH размером 3х9= 27 байт и MSOH размером 5х9=45 байт.

Структура заголовка показана на рис.

 

 

 9 столбцов

А1	А1	А1	А2	А2	А2	С1
B1			E1			F1
D1			D2			D3
AU Pointer
B2	B2	B2	K1			K2
D4			D5			D6
D7			D8			D9
D10			D11			D12
Z1	Z1	Z1	Z2	Z2	Z2	E2

 

 

 

          

 

 

 

 

 

 

А1=11110110, А2=00101000  используются для синхронизации фрейма

К строкам RSOH имеют доступ только регенераторы линейного участка.

Здесь В1 –используется для проверки на четность

          С1 –  байт идентификация наличия кадра  STM-1 в кадре STM-N

            Е1 – для организации служебного  канала связи со скоростью 64 кбит/с

F1- зарезервирован для канала передачи данных пользователя

D1-D3 –реализуют встроенный канал управления со скоростью 192 кбит/с

Последние 5 строк заголовка доступны только мультиплексорам

Здесь В2 –используется для проверки на четность

Е2- служебный канал связи\

D4-D12 – 2 встроенных канала управления 192 кбит/с

К1, К2 – выполняет функции автоматического  резервирования и индикации аварийного состояния

Z – являются резервными

• резерв для национального использования

 

 

Иерархия сетей SDH

 

Уровень СЦИ/SDH	Номинальная скорость передачи, Мбит/с	Применчание
STM-0 (STS-1)	51,84	Уровень STS-1 (Sonet)
STM-1	155,52	ITU-T Рек. G.707
STM-4	622,08	ITU-T Рек. G.707
STM-16	2488,32	ITU-T Рек. G.707
STM-64	9953,28	ITU-T Рек. G.707
STM-256	39813,12	Применяется де-факто

 

Функциональные модули и задачи сетей SDH

 

Сеть SDH,  как и любая другая сеть строится из отдельных функциональных модулей ограниченного набора

Мультиплексоров

Коммутаторов

Концентраторов

Регенераторов

Терминального оборудования

Основные функциональные задачи, решаемые сетью:

• Задача мультиплексирования - сбор входных потоков через каналы доступа в агрегатный блок с помощью терминальных мультиплексоров
• Задача  транспортировки -транспортировка агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода потоков с помощью мультиплексоров ввода/вывода ADM
• Задача коммутации - Перегрузка виртуальных контейнеров в соответствии с со схемой маршрутизации из одного сегмента сети в другой с помощью кросс-коммутаторов
• Задача концентрации –объединение нескольких однотипных потоков с помощью концентраторов
• Задача регенерации – восстановление формы и амплитуды сигнала для компенсации его затухания с помощью регенераторов
• Задача сопряжения – сопряжение сети пользователя с сетью SDH  с помощью оконечного оборудования: различных согласующих устройств-конверторов интерфейсов, конверторов скоростей и т.д.

 

 

Мультиплексоры служат для сборки \ разборки высокоскоростного потока из низкоскоростных

Запад

 

PDH трибы

Оптический

(каналы доступа) канал

 

SDH трибы

Восток

 

 

 Концентраторы – это мультиплексоры, которые объединяют несколько однотипных потоков. Схематичное изображение аналогично вышеприведенному.

 

 

Регенераторы – вырожденный случай мультиплексора, имеющего 1 входной канал.