Синхронная цифровая иерархия (SDH)

«По-настоящему владеет информацией только тот,
кто может организовать ее доставку…»

Синхронная цифровая иерархия (SDH)

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ: англ. SDH — Synchronous Digital Hierarchy) — это технология транспортных телекоммуникационных сетей. Стандарты СЦИ определяют характеристики цифровых сигналов, включая структуру фреймов (циклов), метод мультиплексирования, иерархию цифровых скоростей и кодовые шаблоны интерфейсов и т. д

Согласно определению рекомендации G.707, SDH – это цифровая транспортная структура, стандартизированная для переноса через физические сети адаптированной нагрузки (трафика) в виде синхронных транспортных блоков (модулей) STM (Synchronous Transport Module) а также интерфейсы узлов сети, поэтому в стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: STM-N, где N - уровень иерархии.

SDH-иерархия обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости — STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д.: 622 Мбит/с (STM-4), 2,5 Гбит/с (STM-16), 10 Гбит/с (STM-64) и 40 Гбит/с (STM-256).

SDH-технология разработана в Европе и предназначена для замены иерархии асинхронных линий E-1/E-3. В настоящее время используется многими сетями и представляет собой модификацию американского стандарта на передачу данных по оптическим каналам связи SONET (synchronous optical network). Несмотря на свое название SONET не ограничивается исключительно оптическими каналами. Спецификация определяет требования для оптического одно- и многомодового волокна, а также для 75-омного коаксиального кабеля CATV 75.

В технологии SONET существует два обозначения для уровней скоростей: STS-N в случае передачи данных в виде электрического сигнала, и Optical Carrier level N (OC-N) в случае передачи данных по волоконно-оптическому кабелю. Пропускная способность SONET начинается с 51,84 Мбит/с STS-1 (synchronous transport signal-1). Более высокие скорости передачи информации в SONET кратны этому значению.

Уровень OC-1 иногда обозначается как STM-0 и реализуется мультиплексорами SDH, хотя его нет в стандарте G.707. Тем более в стандарте нет промежуточных уровней STM-2, 8, 32, 128, которые соответствовали бы уровням OC-6, 24, 96, 384.

На нижних уровнях SDH и SONET в некоторых деталях различаются. Внедрение стандарта SONET ликвидировало многие недостатки каналов T-1 (ограничения на размер максимальной полезной нагрузки, простота стыковки скоростных каналов связи). SONET хорошо согласуется с ATM и FDDI, что создает фундаментальный базис для широкополосных сетей ISDN (B-ISDN). Следует учитывать, что SONET сохраняет совместимость с уже существующими каналами, убирая лишь некоторые присущие им недостатки. Одним из базовых каналов сегодня является T-1 (1544 Кбит/с для США). Он содержит в себе 24 субканалов DS-0 (digital signal at zero level, 64 Кбит/с, США). Мультиплексирование 24 каналов DS-0 по времени формирует канал DS-1 (24 канала * 64 Кбит/с) + 8 Кбит/с = 1544 Кбит/с, последнее слагаемое связано с заголовками информационных блоков). Этой величине соответствует в Европе 2048 Кбит/с (канал E-1 = 30 * DS0). Два канала T-1 образуют канал T-1c, четыре канала T-1 формируют канал T-2, а семь T-2 (28 T-1) образуют T-3. Для оптических систем связи в качестве базового принят канал OC-1, равный по пропускной способности T-3. А кадр STS-1 выбран в качестве основного в системе SONET. Кадр STS-1 имеет 9 строк и 90 столбцов (810 байт). Кадры передаются с частотой 8 кГц, что дает для канала STS-1 51840 Кбит/с = 8000 Гц * 810 байт * 8 бит. Эта цифра характеризует физическую скорость обмена, включающую в себя передачу служебной информации (заголовков). Эффективная информационная пропускная способность равна 50112 Кбит/с. Быстродействие каналов более высокого уровня SONET получается умножением пропускной способности STS-1 (51,84 Мбит/с) на целое число. Так пропускная способность OC-3 будет равна 155,52 Мбит/с, а OC-24 - 1244,16 Мбит/с и т.д. Целью создателей SONET было прямая стыковка оптических каналов различных сервис-провайдеров (непосредственное соединение каналов T-1 и E-1 не возможно). SDH допускает сцепление нескольких контейнеров (в том числе и разных размеров), если в один контейнер данные не помещаются. Допускается объединение нескольких контейнеров равного размера в один большой. Хотя относительный размер заголовка виртуального контейнера невелик (~3,33%), его объема вполне хватает для передачи достаточно больших объемов служебной информации (до 5,184 Мбит/c).

В таблице 1 приведены скорости передачи и соответствие принятых мировых стандартов

Таблица 1
Скорости передачи и соответствующие мировые стандарты

 Оптический уровень  Электрический уровень  Скорость передачи линейного сигнала (Мбит/с)  Эквивалент в SDH  Эквивалент в SONET
 OC-1  STS-1  51.84   -   -
 OC-3  STS-3  155.520  STM-1  STS-3c
 OC-9  STS-9  466.56  STM-3   -
 OC-12  STS-12  622.08  STM-4  STS-12c
 OC-18  STS-18  933.120  STM-6   -
 OC-24  STS-24  1244.160  STM-8   -
 ОС-36  STS-36  1866.240  STM-13   -
 ОС-48  STS-48  2488.320  STM-16  STS-48c
 ОС-96  STS-96  4676.640  STM-32   -
 ОС-192  STS-192  9953.280  STM-64   -
 ОС-384  STS-96  19906,56   -   -
 ОС-768  STS-192  39813,12  STM-256   -

 

Из таблицы 1 следует, что SDH-технология и SONET-технология по скорости передачи совместимы не на всех уровнях иерархии. Поэтому международная организация определила следующие стандартизованные скорости передачи технологии SDH/SONET:
- 155,520 Мбит/с - STM-1
- 622,080 Мбит/с - STM-4
- 2,488 Гбит/с - STM-16
- 9,953 Гбит/с - STM-64

Во всем мире стандартный цикл SDH-иерархии представляет собой матрицу, состоящую из 9 строк. На рис. 1 отображено представление стандартного цикла SDH-иерархии.

 

 

Рис. 1. Представление стандартного цикла SDH-иерархии.

На рис. 2 представлена структура цикла SDH-иерархии. Каждый цикл в SDH-системе передается за 125 мкc.

 

 

Рис. 2. Структура цикла SDH-иерархии.

SDH-иерархия распространяется до 2500 Мбит/с и может быть расширена вплоть до 13 Гбит/с (ограничение оптического кабеля). SDH предоставляет существенно улучшенную схему мультиплексирования каналов для быстродействующих интерфейсов с полосой 150 Мбит/с и выше:
обеспечивается единый стандарт для мультиплексирования и межсетевого соединения;
прямой доступ к низкоскоростным каналам без необходимости полного демультиплексирования сигнала;
простая схема управления сетью;
возможность использования новых протоколов, по мере их появления (например ATM).

При передаче по сети SDH информация вкладывается в специальные структуры, называемые виртуальными контейнерами (VC). Эти контейнеры состоят из двух частей (рис. 2):
собственно контейнер (C), где лежит передаваемая информация;
заголовок (path overhead - POH), который содержит вспомогательную информацию о канале, управляющую информацию, связанную с маршрутом передачи.

В таблице 2 описано несколько типов виртуальных контейнеров для использования в различных каналах.

Таблица 2
Виды виртуальных контейнеров

 Виртуальный контейнер  Поддерживаемые услуги
 VC-11  1.544 Мбит/с североамериканские каналы
 VC-12  2.048 Мбит/с европейские каналы
 VC-2  6.312 Мбит/с каналы (используются редко). VC-2 могут также объединяться для достижения больших скоростей
 VC-3  34.368 Мбит/с и 44.736 Мбит/с каналы
 VC-4  139.264 Мбит/с каналы и другие высокоскоростные услуги

 

Технология SDH использует новый способ мультиплексирования низкоскоростных цифровых сигналов в высокоскоростные и передачу информации с высокой эффективностью. Она имеет механизмы, позволяющие обрабатывать компонентные потоки, которые имеют неодинаковую частоту тактового сигнала. Системы SDH могут транспортировать сигналы PDH, а также всех действующих и перспективных служб, в том числе широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг (Broadband Integrated Services Digital Network, В-ISDN), использующей асинхронный способ переноса (Asynchronous Transfer Mode, АТМ). Общий принцип мультиплексирования в SDH-технологии поясняет рис. 3.

Рис. 3. Мультиплексирование в SDH

 

Четыре модуля STM-1 объединяются путем побайтового мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64(9953,280 Мбит/с) и т.д..

На рис. 4 представлена иерархия мультиплексирования SDH.

Рис. 4. Иерархия мультиплексирования SDH

 

В схеме мультиплексирования использованы следующие обозначения:
С-n - контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
VC-n - виртуальный контейнер уровня n (n=1,2,3,4);
TU-n - трибные блоки уровня n (n=1,2,3);
TUG-n - группа трибных блоков n (n=2,3);
AU-n - административные блоки уровня n (n=3,4);
AUG - группа административных блоков (стандарт G.709).

Контейнеры С-n используются для инкапсуляции сигналов каналов доступа или трибов, при этом уровни n соответствуют уровням PDH. Контейнер С-1 может нести в себе контейнер С-11, который содержит триб Т1 = 1,54 Мбит/с, и контейнер С-12, несущий триб Е1 = 2 Мбит/с. Контейнер С-2 разбивается на контейнер С-21, содержащий триб Т2 = 6 Мбит/с и контейнер С-22 с трибом Е2 = 8 Мбит/с. Контейнер С-3 разбивается на контейнер С-31 (триб Е3 = 34 Мбит/с) и контейнер С-32 с трибом Т3 = 45 Мбит/с. С-4 не имеет подуровней и несет в себе триб Е4 = 140 Мбит/с.

Виртуальный контейнер VC-3 делится на два виртуальных контейнера VC-31 и VC-32, полезная нагрузка VC-3 образуется из одного контейнера С-3 или с помощью мультиплексирования нескольких групп TUG-2.

Виртуальный контейнер VC-4 с полезной нагрузкой в виде контейнера С-4 или путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TUG-3.

Административный блок AU-3 разбивается на подуровни AU-31 и AU-32, поле данных которых формируется из виртуального контейнера VC-31 или VC-32 соответственно.

Административный блок AU-4 не имеет подуровней, его поле данных формируется из виртуального контейнера VC-4 или комбинаций других блоков: 4 * VC-31 или 3 * VC-32 или 21 * TUG-21 или 16 * TUG-22.

С одной стороны, низкоскоростные сигналы SDH мультиплексируются в структуру фрейма высокоскоростных сигналов SDH посредством метода побайтового мультиплексирования, их расположение во фрейме высокоскоростного сигнала фиксировано и определено или, можно сказать, предсказуемо. Поэтому низкоскоростной сигнал SDH, например 155 Мбит/с (STM-1) может быть напрямую добавлен или выделен из высокоскоростного сигнала, например 2.5 Гбит/с (STM-16). Это упрощает процесс мультиплексирования и демультиплексирования сигнала и делает SDH-иерархию особенно подходящей для высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи, обладающих большой производительностью.

С другой стороны, поскольку принят метод синхронного мультиплексирования и гибкого отображения структуры, низкоскоростные сигналы PDH (например, 2Мбит/с) также могут быть мультиплексированы в сигнал SDH (STM-N). Их расположение во фрейме STM-N также предсказуемо. Поэтому низкоскоростной трибутарный сигнал (вплоть до сигнала DS-0, то есть одного тайм-слота PDH, 64 kbps) может быть напрямую добавлен или извлечен из сигнала STM-N (рис. 5). Однако здесь следует отметить, что это не одно и то же с вышеописанным процессом добавления/выделения низкоскоростного сигнала SDH из высокоскоростного сигнала SDH. В первую очередь, это относится к прямому добавлению/выделению низкоскоростного трибутарного сигнала такого как 2 Мбит/с, 34 Мбит/с и 140 Мбит/с из сигнала SDH, что устраняет необходимость использования большого количества оборудования мультиплексирования/демультиплексирования (взаимосвязанного), повышает надежность и уменьшает вероятность ухудшения качества сигнала, снижает стоимость, потребление мощности и сложность оборудования. Добавление/выделение услуг в дальнейшем упрощается.

Рис. 5. Прямое мультиплексирование в SDH

 

На рисунке 6 приведен пример использования уровней в сети SDH. Данный пример включает первичную сеть SDH, включающую кольца магистральной сети, построенной на потоках STM-16, местных сетей, построенных на потоках STM-4, и локальных сетей (ЛС) с потоками STM-1.

Рис. 6. Пример первичной сети, построенной на SDH-технологии

 

В SDH-иерархии существует базовый набор стандартных топологий сети:
- точка-точка;
- кольцо, шина, дерево и звезда;
- сотовая структура.

Рис. 7. Резервирование SDH-сети: кольцевая схема.

 

С целью повышения надежности все сети SDH стараются строить в виде замкнутых колец (рис. 7), передача по которым ведётся одновременно в обоих направлениях c использованием мультиплексоров ввода/вывода каналов ADM (Add Drop Multiplexer). При этом в случае повреждения кабеля сеть продолжает работать.Обратной стороной такого повышения надёжности является уменьшение количества резервных оптических волокон в кабелях сети.


ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Н.Н.Слепов. Синхронные цифровые сети SDH. - М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998

2. В. А. Нетес. Основные принципы Синхронной Цифровой Иерархии. - М.: Сети и системы связи on line, 1996, № 6