Синхронная цифровая иерархия SDH (Synchronous Digital Hierarchy) – набор иерархических цифровых транспортных структур (циклов), стандартизированных для транспортировки соответственно адаптированной нагрузки для передачи через физическую сеть, например, волоконно-оптическую. К иерархии цифровых структур относятся:

• синхронные транспортные модули STM-N (Synchronous Transport Module) порядка N = 0, 1, 4, 16, 64, 256;

• виртуальные контейнеры VC-n (Virtual Container) порядка n = 1, 2, 3, 4;

• административные блоки AU-n (Administrative Unit) порядка n = 3, 4;

• транспортные блоки TU-n (Tributary Unit) порядка n = 1, 2, 3;

• контейнеры С-n (Container) порядка n = 1, 2, 3, 4;

Эти цифровые структуры представлены во взаимной связи схемой мультиплексирования (рисунок 2.8).

STM представляет собой информационную структуру, используемую для соединения уровня секции передачи в сети SDH (рисунок 2.10). Базовая структура STM-N представлена тремя составляющими (рисунок 2.9):

• секционными заголовками SOH (Section Overhead);

• указателями административных блоков AU (Administration Unit pointers);

• информационной нагрузкой (Information Payload).

Такая структура образуется каждые 125 мкс и имеет емкость 270´ 9´ N байт (для N = 0 емкость 90´ 9 байт). Т.о. это цикл с байтовой структурой, который в технической литературе называют кадром или фреймом (frame).

В таблице 2.2 представлены иерархические уровни STM-N и соответствующие им скорости передачи в волоконно-оптической линии.

Любая из иерархических скоростей STM-N вычисляется простой операцией умножения, например, STM-1 имеет емкость 270 ´ 9 = 2430 байт, которая повторяется 8000 раз за 1 секунду, а число бит составит бит/с. Другие скорости получаются умножением 155520000 ´ N, т.е. на 4, 16, 64 и 256.

Усовершенствованным решением в последней стандартизации стало введение уровней STM-0 и STM-256, а также увеличение числа вариантов создания STM-N. При этом базовыми элементами остались виртуальные контейнеры, иерархия которых также расширилась за счет введения конкатенированных структур VC-4-4c, VC-4-16c, VC-4-64c и VC-4-256c, представленных в таблице 2.3.

Рисунок 2.8. Схема мультиплексирования SDH последнего поколения

Рисунок 2.9. Структура цикла STM-N

Таблица 2.2. Иерархия скоростей передачи в SDH

Уровень STM-N	Иерархическая битовая скорость (кбит/с)
0	51 840
1	155 520
4	622 080
16	2 488 320
64	9 953 280
256	39 813 120

С точки зрения стандартов на построение транспортных сетей STM-N и VC-n относятся к различным уровням сети (рисунок 2.10).

Таблица 2.3. Иерархия виртуальных контейнеров в SDH

Тип VC	Скоростной режим, кбит/с			Полезная емкость, кбит/с
VC-11	1664			1600
VC-12	2240			2176
VC-2	6848			6784
VC-3	48 960			48 384
VC-4	150 336			149 760
VC-4-4c	601 344			599 004
VC-4-16c	2 405 376			2 396 160
VC-4-64c	9 621 504			9 584 640
VC-4-256c	38 486 016			38 338 560

Рисунок 2.10. Уровневая модель транспортной сети SDH

В уровневой модели транспортной сети SDH представлены не все компоненты схемы мультиплексирования SDH, т.к. схема мультиплексирования не полностью реализуема в европейских стандартах, например, применительно к контейнерам С-11, С-2, представляющих американские стандартны. Положение VC-3 в качестве тракта верхнего или нижнего порядка определяется схемой мультиплексирования. Если VC-3 входит по схеме в VC-4, то его относят к нижнему порядку. Если VC-3 входит в AU-3, то его относят к верхнему порядку. При этом он служит основой формирования для STM-0.

Виртуальные контейнеры VC-n, как и STM-N, представляют собой цифровые циклические структуры с байтовым построением. Блоки VC-n отличаются не только емкостью (таблица 2.3), но и временем формирования и рядом других показателей. На рисунке 2.11 представлены примеры структур виртуальных контейнеров VC-12, VC-3, VC-4. Заголовки VC-n служат созданию трактов (маршрутов) транспортировки пользовательской нагрузки. В них определяются уникальные адреса источников и приемников данных, контроль качества передачи, обслуживание, управление и защита от повреждений.

Административные (AU-n) и транспортные (TU-n) блоки служат средствами адаптации различных цифровых структур друг к другу. Центральным элементом этих блоков являются указатели, т.е. цифровые блоки данных, в которых записываются адреса начала размещения адаптируемой нагрузки, например, VC-4 размещается в AU-4, а VC-12 размещается в TU-12. С помощью указателей (поинтеров, PTR) согласуются различные по скорости передачи цифровые блоки. Благодаря этому VC-12 может смещаться в TU-12 без ухудшения качества доставки информации пользователя и, аналогично, VC-3, VC-4 соответственно в AU-3 и AU-4.

Структуры транспортных и административных блоков представлены на рисунках 2.12, 2.13, 2.14 и 2.15.

Рисунок 2.11. Примеры структур виртуальных контейнеров

Административный блок AU-n представляет собой структуру для адаптации между уровнем тракта верхнего порядка и уровнем секции мультиплексирования. Транспортный блок TU-n представляет собой информационную структуру для адаптации между уровнями трактов верхнего и нижнего порядков. В процессы адаптации входят также процедуры размещения данных в контейнеры С-n (Container). Виртуальный контейнер отличается от контейнера заголовком маршрута (тракта), обозначаемого POH (Path Overhead).

Рисунок 2.12. Транспортный блок TU-12

Рисунок 2.13. Транспортный блок TU-3

Рисунок 2.14. Административный блок AU-3

Рисунок 2.15. Административный блок AU-4

Контейнеры представляют собой информационные структуры, в которые записываются пользовательские данные и производится согласование скоростей на уровне каналов. Составным элементом каждого вида адаптации (TU-n, AU-n) служит группообразование, т.е. формирование информационных структур:

• группового транспортного блока TUG-n, n = 2, 3 (Tributary Unit Group);

• группового административного блока AUG-N, N = 4, 16, 64, 256 (Administrative Unit Group).

На рисунках 2.16, 2.17 представлено формирование TUG-n и AUG-n.

Рисунок 2.16. Формирование TUG-2 и TUG-3

В первой колонке балласта TUG-3 три верхних байта (рисунок 2.13) образуют индикатор нулевого указателя (NPI, Null Pointer Indication) при мультиплексировании TUG-3 из TUG-2. Индикатор NPI представляет собой фиксированный двоичный код, который позволяет отличить TUG-3 от блока TU-3, загружаемого виртуальным контейнером VC-3.

Способ формирования TUG-2, TUG-3, AUG-N единый, представляющий собой синхронное побайтовое мультиплексирование в интервале времени 125 мкс. Блок TUG-2 формируется из 3-х четвертинок TU-12. Блок TUG-3 формируется из 7 TUG-2. Блок AUG-N формируется из 4, 16, 64 или 256 AUG ступенями синхронно побайтно (рисунок 2.8). Присоединение к AUG-N секционных заголовков SOH (рисунок 2.9) создает STM-N.

Рисунок 2.17. Формирование AUG-4xN из 4AUG-Ns

Секционные заголовки RSOH и MSOH, соответственно секций регенерации и мультиплексирования, обеспечивают служебные сигналы уровня среды передачи сети SDH (рисунок 2.10).

Конкатенированные или сцепляемые контейнеры (VC-4-4c, VC-4-16c, VC-4-64c, VC-4-256c) представляют информационные структуры, формируемые для переноса нестандартной пользовательской нагрузки. Каждый контейнер С-n, C-X-nс поддерживает различные виды согласования скоростей при загрузке и выгрузке данных пользователя. Например, асинхронная загрузка, синхронная по битам нагрузки, синхронная по байтам нагрузки, синхронная по циклам нагрузки и т.д.

Для эффективного использования ресурсов транспортных сетей SDH можно задействовать процедуры конкатенации, т.е. сцепление емкости, например, нескольких VC-3 для передачи трафика 1 Гбит Ethernet или 10Гбит Ethernet. Известны два типа цепочек из контейнеров: последовательная конкатенация CCAT (Contiguous Concatenation) и виртуальная конкатенация VCAT (Virtual Concatenation). При этом ССАТ допускает объединение определенного числа контейнеров, например, VC-4-Xc (X = 4, 16, 64, 256), а VCAT предполагает возможность объединения любого числа VC-12, VC-3, VC-4: VC-12-Хv и VC-3/4-Xv для последнего, например, Х = 1, …, 256.

Недостатком последовательной конкатенации является необходимость ее поддержки всеми сетевыми элементами (мультиплексорами) сети. Отдельные контейнеры или блоки нагрузки соединены друг с другом в одно целое и могут перемещаться вместе, т.е. использование разных путей для отдельных контейнеров или блоков нагрузки невозможно. Это ведет к сложности взаимодействия транспортной сети и пользовательской нагрузки. Например, сеть SDH в варианте ССАТ предлагает только четыре значения пропускной способности: 600, 2400, 9600 и 38400 Мбит/с с соответствующими каналами STM-4, STM-16, STM-64, STM-256. Это неэффективно, например, для 1 Гбит Ethernet.

Указанный недостаток последовательной конкатенации преодолевается в виртуальной конкатенации. Процедура VCAT позволяет передавать сцепленные контейнеры или блоки нагрузки с различными маршрутами. Таким образом, для поддержки VCAT необходимы только два оконечных мультиплексора. В таблице 2.4 приведен пример числового сравнения процедур VCAT и CCAT.

На рисунке 2.18 представлена схема виртуальной конкатенации в транспортной сети и ее сочетание с процедурами GFP(Generic Framing Procedure – общая процедура формирования кадра) и LCAS (Link Capacity Adjustment Scheme - схема регулировки емкости канала). В узле мультиплексирования (MSPP) на передаче нагрузка в виде пакетов переменной длины из сети Ethernet распределяется в сцепленные контейнеры сети SDH. До точки получения эти контейнеры доставляются различными маршрутами. В узле приема MSPP пакеты выгружаются и передаются в сторону сети Ethernet в том порядке, в каком они поступили в узел передачи.

Таблица 2.4. Сравнительная оценка VCAT и ССАТ

Нагрузка	Скорость	ССАТ	VCAT
Ethernet	10 Мбит/с	VC-3 (20%)	VC-12-5v (100%)
Fast Ethernet	100 Мбит/с	VC-4 (67%)	VC-3-2v (100%)
Gigabit Ethernet	1000 Мбит/с	VC-4-16с (42%)	VC-4-7v (95%)
F/Channel	1000 Мбит/с	VC-4-16с (42%)	VC-4-7v (95%)

Рисунок 2.18. Виртуальная конкатенация в транспортной сети SDH

На рисунке 2.19 представлена схема оптической системы передачи с мультиплексированием SDH. В схеме показана организация линейного тракта с промежуточными станциями и резервированием всего тракта отдельной секцией мультиплексирования. Переключение на резервную оптическую секцию происходит в случае аварии основной рабочей секции или при ухудшении качества принимаемого оптического сигнала. Управление переключением происходит автоматически с использованием байт К1 и К2 в заголовке MSOH в резервной секции. Время переключения до 50мс. Характеристики точек оптической передачи S, R приведены в приложении 2. Функции регенератора рассмотрены в главе 8.

Рисунок 2.19. Схема оптической системы передачи с синхронными мультиплексорами и регенераторами SDH

Детальная информация по построению всех блоков передачи в SDH – формате приводится в многочисленной литературе [5, 9, 19, 21, 109, 110] и занимает существенный объём, что не представляется возможным отразить в этом учебном пособии все тонкости технологии.