SDH –– Hierarquia Digital Hierarquia Digital
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SDH - Synchronous Digital Hierarchy
• Provê aos diversos serviços de telecomunicações o transporte de sinais digitais.
SDH SDH B-ISDN B-ISDN PDH PDH ATM ATM
SDH - Synchronous Digital Hierarchy
• Por quê você precisa da SDH? – Sua rede será de alta velocidade? – Sua rede terá gerência tipo TMN? – Sua rede tem arquitetura mixta? – Sua rede oferecerá serviços?
– Sua rede tem que conviver com a tecnologias atuais e as que estão por vir?
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Histórico
• Estudos de uma rede síncrona iniciaram-se na década de 80 pelo Bellcore com o objetivo de criar uma interface padrão para os sistemas de
comunicações ópticas.
• Criaram a SONET com uma estrutura de quadro básica, com taxa de 51,84 Mbits/s, apropriada para o transporte de sinais com taxa até DS3 (44,736 Mbits/s).
• Em 1986 o ITU-T inicia os estudos para a criação da SDH com o objetivo de criar um padrão mundial para os sistemas de transmissão síncrona que proporcionasse aos operadores uma rede mais flexível e econômica. • Criaram a SDH que possui um quadro básico com estrutura/capacidade de
transporte três vezes maior que a SONET.
• Quadro básico da SDH com capacidade de transporte apropriada para o sinal E4 (139,264 Mbits/s).
• Em 1988 foram aprovados as primeiras recomendações da SDH que são: G.707, G.708 e G.709.
Introdução À HIERARQUIA DIGITAL SÍNCRONA Histórico
Os trabalhos para a padronização da Hierarquia Digital Síncrona - SDH tiveram início no XVIII Grupo de Estudos do International Telegrafh and Telefhone Consultative Committee - CCITT, atualmente ITU-T, em junho de 1986. Estes estudos tinham por objetivo criar um padrão mundial para os sistemas de transmissão síncrona que proporcionasse aos operadores uma rede mais flexível e econômica , como solução para as necessidade do mercado à respeito de uma rede de faixa larga, com gerência tipo TMN, com arquiteturas de rede diversificada e mixta, capacidade de conviver com todos os mais importantes sinais digitais e com os novos que aparecerão.
Em novembro de 1988 foram aprovados as primeiras recomendações da SDH que são: G.707, G.708 e G.709. Essas recomendações definem as taxas de transmissão, o formato do sinal, as estruturas de multiplexação e o mapeamento de tributários para a Interface Nó de Rede - NNI. A NNI forma um conjunto de padronizações necessárias à interligação dos elementos de rede da SDH.
O ITU-T definiu, além das recomendações que controlam a NNI, uma série de recomendações destinadas a sistemas de transmissão digitais SDH. Abaixo, listamos algumas das recomendações aplicáveis.
Recomendações Aplicáveis G.707 G.708 G.709 G.781 G.782 G.783 G.784 G.803 G.81s G.831 G.957 G.958 Gsna.2 G.773 G.774 R750 E R751
G.707 - Especifica os níveis hierárquicos
G.708 - Especifica a interface entre o meio de transmissão e o nó da rede
G.709 - Especifica a estrutura de multiplexação e as informações do “Overhead” G.781 - Estrutura das recomendações dos equipamentos para a rede SDH G.782 - Tipos e Características gerais dos equipamentos para a rede SDH G.783 - Características dos blocos funcionais dos equipamentos para a rede SDH G.784 - Gerência de Rede para a SDH
G.803 - Arquiteturas de redes de transporte baseadas na SDH
G.81s - Características de relógios escravos para operação em equipamentos SDH G.831 - Capacidade de gerência de redes de transporte baseadas na SDH
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Hierarquia Digital Síncrona
Padronização Total
Acessibilidade aos Tributários
Grande Capacidade Alocada para Gerência de Rede Benefícios da SDH
Custo Total da Rede mais Baixo AT&T NORTHEN NEC SANSUNG MULTI FORNECEDORES ALCATEL SIEMENS MARCONI ECI ERICSON
A Hierarquia Digital Síncrona
Várias definições e conceitos sobre a SDH são encontradas em diversas literaturas técnicas. Abaixo, apresentamos mais uma definição para a SDH tentando enfocar aspectos relativos a transferência da informação, processo de multiplexagem e serviços.
“A SDH é uma rede síncrona de transporte de sinais digitais, formada por um conjunto hierárquico de estruturas de transporte padronizadas objetivando a transferência de informação sobre redes digitais e oferecendo aos operadores e usuários flexibilidade e economia.”
Flexibilidade e Economia foram as premissas fundamentais para o desenvolvimento da SDH levando-a a ser uma resposta para as necessidades de mercado.
Características da SDH
A seguir apresentaremos as principais características da SDH que mostram o grande avanço que esta tecnologia trouxe para as redes de transporte. Porém, antes de realizarmos uma comparação com a PDH, devemos fazê-la levando em consideração que os problemas que a PDH emfrentava à epoca de seu desenvovimento, bem como, a própria filosofia de projeto de redes que foi alterada privilegiando redes flexíveis e com uma gerência fortemente instalada.
Padronização Total
A padronização total, também, aparece como um dos grandes objetivos da SDH permitindo um ambiente multifornecedor. Para atingir este objetivo o ITU-T busca uma padronização completa da SDH que envolve taxas de bit, estrutura de quadro e de multiplexação, interfaces de tributários, interfaces de linha, mecanismos de proteção, funcionalidades dos equipamentos de transmissão e gerência da rede. Outra característica importante, podendo ser considerada um aspecto de padronização, é que na SDH um menor número de equipamentos estarão disponíveis uma vez que em um único equipamento poderemos, por exemplo, ter funções de multiplexação, funções de deriva/inseri e cross conexão e funções de terminação de linha óptica.
Acessibilidade aos Tributários
A estrutura do quadro SDH possui características que facilitam o acesso, derivação e inserção, de tributários.
Para a formação do quadro SDH a multiplexação se dá através do entrelaçamento de bytes ( na PDH é feito a nível de bit) facilitando o uso da tecnologia de microprocessadores e a integração das diversas funções dos equipamentos em circuitos integrados dedicados. O entrelaçamento a nível de byte e a duração do quadro SDH, para qualquer nível hierárquico, fixa em 125 µs facilitam o acesso a canais de 64 Kbits/s.
A localização e acesso aos tributários se dá através do processamento de ponteiros, presentes em todos os quadros SDH, que indicam a posição de início de um tributário dentro do quadro. A facilidade de acesso aos tributários é semelhante em qualquer nível hierárquico podendo ser controlada inclusive através de gerência remota.
Grande Capacidade Alocada para Gerência de Rede
Na SDH cerca de 5% da capacidade de transporte do quadro é destinado para o transporte de bytes que irão auxiliar a gerência da rede. Com o modelamento em camadas, a rede SDH é segmentada em diversas camadas sendo que cada uma possui seus próprios bytes de overhead.
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O ITU padroniza, também, as funcionalidade de gerência que os equipamentos SDH devem oferecer, tais como:
Informações de gerência (alarmes, primitivas de desempenho e dados de configuração) que devem trafegar internamente aos equipamentos.
Testes de persistência que deve ser feito nos alarmes. Análise de correlação que deve ser feita entre os alarmes.
Eventos de desmpenho que devem ser calculados a partir de primitivas de desempenho, tais como Segundos Errados e Segundos Severamente Errados.
Quantidade de registros de 15 minutos e de um dia que o equipamento deve dispor para histórico dos eventos de desempenho.
Benefícios da SDH
Com as característica apresentadas podemos citar alguns dos benefícios que a SDH introduzirá nas redes de transporte buscando, como já exaustivamente citado, uma rede flexível e econômica.
Custo total da rede mais baixo.
Devido à padronização total, equipamentos compatíveis de vários fabricantes estarão disponíveis, tornando o mercado mais competitivo e os preços mais atraentes. Para comunicações que envolvam diversos países a integração será total uma vez que o níveis hierárquicos são os mesmos em todo o mundo.
Hierarquia Digital Síncrona
Melhor Gerência de Rede Provisionamento mais rápido Melhor utilização da Rede Disponibilidade da rede
Atendimento a serviços futuros
Melhor gerência de rede
Uma gerência de rede melhor leva os operadores a usar a rede de forma mais eficiente e fornecer melhores serviços aos usuários. Poderão ser implementados conceitos de Telecommunications Management Network – TMN.
Provisionamento mais rápido
Como novos serviços poderão ser definidos através de software o provisionamento se dará de forma muito mais rápida. A única nova conexão necessária estará entre as dependências do cliente e o nó de acesso à rede mais próximo.
Melhor utilização da rede
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Atendimento a serviços futuros
Serviços futuros de alta capacidade e sob demanda, ainda não padronizados, poderão ser facilmente transportados na rede SDH em função do total controle sob a alocação de recursos da rede, facilidade de acesso aos tributários e criação de novos processos de mapeamento.
2, 34, 140, 655 Mbps DS1/DS2/DS3 (EUA) ATM
Capacidade de Transporte da SDH
Capacidade de Transporte da SDH
A SDH foi projetada para que suportasse a transmissão de quase todo o conjunto de sinais existentes, os mais importantes, nas atuais redes de comunicação.
Entre muitos podemos citar alguns que já possuem o mapeamento definido.
2, 34, 140 , 655 Mbits/s DS1/DS2/DS3 (EUA) ATM
FDDI DQDB
46 ) sinal serial N x M bytes N linhas M colunas N x M bytes 1 2 Tabela 1 – Hierarquias da SDH
Módulo de Transporte Síncrono SDH
STM-64 9.953,280 64 STM-16 2.488,320 16 STM-4 622,080 4 STM-1 155,20 1 Designação Taxas (Mbits/s) Nível SDH
O Módulo de Transporte Síncrono - STM
Um quadro qualquer dentro do fluxo de bits pode ser representado por um mapa-bidimensional. Este mapa possui N linhas e M colunas de caixas. Cada caixa representa um único byte dentro do sinal síncrono. Um byte de enquadramento aparece no topo esquerdo do mapa. Este byte atua como um marcador permitindo que qualquer byte no quadro seja facilmente localizado.
Os bits do quadro são transmitidos em uma seqüência partindo com a 1a linha da esquerda para a direita. Após a transmissão do último byte do quadro (byte localizado na linha N / coluna M), a seqüência inteira se repete partindo com o byte de enquadramento do quadro seguinte.
Na SDH é definida uma estrutura básica de transporte de informação denominada Módulo de Transporte Síncrono – 1 / STM1 (“Synchronous Transport Module -1”) com taxa de 155,520 Mbits/s.
Esta estrutura define o primeiro nível da hierarquia. As taxas de bit dos níveis superiores são múltiplos inteiros do STM-1.
Atualmente estão padronizados 3 módulos de transporte, a saber: STM-1, STM-4 e STM-16, conforme mostra a tabela abaixo. A especificação de níveis superiores a 16 ainda está em estudo.
Para o sinal STM-1 estão definidas interfaces para a transmissão através de fibras ópticas e sistema rádio. Para os sistemas STM-4, STM-16 e todos os níveis hierárquicos superiores estão definidas apenas interfaces para a transmissão através de fibras ópticas.
É definida também uma estrutura de quadro com capacidade de transmissão mais baixa que a do STM-1, com o objetivo de utilização somente para sistemas rádio e satélite. Essa estrutura possui taxa de 51,840 Mbits/s e é denominada STM-0, não sendo considerada um nível hierárquico da SDH ou definida para a NNI.
48 155,52 Mbits/s 2430 Bytes / Quadro 270 colunas 261 colunas 09 colunas 09 linhas Payload 4 3 1 9 5 Pointers Section Overhead SOH Section Overhead SOH Estrutura de Quadro do STM-1 Estrutura de Quadro do STM-1
A estrutura básica do quadro do STM-1, representada na acima, consiste de 9 linha de 270 bytes, lidos da esquerda para a direita e de cima para baixo. Esse quadro possui as seguintes características:
Comprimento total: 2430 bytes
Duração: 125 µs (freqüência de repetição: 8 kHz) Taxa de bit: 155,520 Mbit/s
Na SDH os quadros se repetem a uma taxa de 8.000 quadros/s. Logo, um byte dentro do quadro representa uma largura de faixa de 64 Kbits/s, que é a taxa de um canal de voz PCM.
A estrutura de quadro do STM-1, conforme mostrado na figura acima, possui três áreas principais que são:
SOH - O Section overhead está localizado nas linhas 1 a 3 e 5 a 9 das colunas 1 a 9. Ponteiro - O ponteiro está localizado na linha 4 e colunas 1 a 9.
Payload - O payload, onde será efetivamente carregada a carga útil, ocupa as linhas 1 a 9 das colunas 10 a 270.
O Section Overhead ocupa as primeiras 9 primeiras colunas do quadro num total de 81 bytes. As 261 colunas restantes, num total de 2.349 bytes, são alocadas para o payload. Isto provê uma capacidade de 150,34 Mbits/s na estrutura do STM-1 para transporte de sinais tributários.
50 155.52 Mbits/s J1 VC FRAME “N” Quadro
Quadro ““NN”” Quadro Quadro ““N +1N +1””
J1 SECTION OVERHEAD Quadro “N + 1” SECTION OVERHEAD Quadro “N +1 ” PONTEIROS SECTION OVERHEAD Quadro “N” SECTION OVERHEAD Quadro “N” PONTEIROS J1 J 1 Flutuação do Payload
Para facilitar a multiplexagem e roteamento eficiente dos sinais da rede síncrona, o payload relativo a um determinado quadro STM-1 pode flutuar dentro da área reservada ao payload dos quadro STM-1 .
Isto significa que a estrutura responsável pelo transporte do payload pode começar em qualquer lugar da área reservada ao payload do STM-1. Desta forma, é mais provável que ele inicie em um quadro e termine em outro do que ele estar contido integralmente dentro de um único quadro conforme apresentado na figura acima. O quadro possuirá um ponteiro que indicará a posição do primeiro byte do payload associado a ele. Nos próximos capítulos veremos que os ponteiros serão os responsáveis por tornar a SDH uma rede síncrona.
155,52 x N Mbits/s 2430 x N Bytes / Quadro 270 x N colunas 261 x N colunas 09 x N colunas 09 linhas Payload 4 3 1 9 5 Pointers Section Overhead SOH Section Overhead SOH Estrutura de Quadro do STM-N Estrutura de Quadro do STM-N
A estrutura de quadro do STM-N é obtida através da multiplexação de “N” payloads de quadros STM-1 e da inserção dos ponteiros e do SOH referente ao sinal STM-N. A estrutura do STM-N é a mesma do STM-1 multiplicada pelo fator “N”, desta forma teremos as seguintes características para o quadro.
Comprimento total: 2430 x N bytes.
Duração: 125 µs (freqüência de repetição: 8 kHz). Taxa de bit: 155,520 x N Mbits/s.
A estrutura de quadro do STM-N, conforme mostrado na figura acima, possui três áreas principais que são:
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O Section Overhead ocupa as primeiras 9 x N primeiras colunas do quadro num total de 81 x N bytes. As 261 x N colunas restantes, num total de 2.349 x N bytes, são alocadas para o payload. Isto provê uma capacidade de transporte de até “N” sinais de 150,34 ou de apenas um sinal de 601,36 Mbits/s (esta última possibilidade é possível apenas através do processo de concatenação que será apresentado posteriormente).
As mesmas considerações, feitas ao quadro STM-1, quanto à flutuação do payload e utilização dos ponteiros podem ser feitas ao quadro do STM-N, apenas considerando que agora teremos “N” ponteiros indicando o primeiro byte de um dos “N” payloads associado a ele.
51,840 Mbits/s 810 Bytes / Quadro 90 colunas 87 colunas 03 colunas 09 linhas Payload 4 3 1 9 5 Pointers Section Overhead SOH Section Overhead SOH Estrutura de Quadro do STM-0 Estrutura de Quadro do STM-0
A estrutura básica do quadro do STM-0, representada na abaixo, consiste de 9 linhas de 90 bytes, lidos da esquerda para a direita e de cima para baixo. Esse quadro possui as seguintes características:
Comprimento total: 810 bytes.
Duração: 125 µs (freqüência de repetição: 8 kHz). Taxa de bit: 51,840 Mbit/s.
Da mesma forma que o quadro do STM-1 o quadro do STM-0 possui três áreas principais que são:
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O Section Overhead ocupa as primeiras 3 primeiras colunas do quadro num total de 27 bytes. As 87 colunas restantes, num total de 783 bytes, são alocadas para o payload. Isto provê uma capacidade de 50,112 Mbits/s na estrutura do STM-0 para transporte de sinais tributários.
As mesmas considerações, feitas ao quadro STM-1, quanto à flutuação do payload e utilização dos ponteiros podem ser feitas ao quadro do STM-0.
Multiplexação na SDH
Pointers Payload
SOH
SOH
payload
payload payload VC de ordem inferior
PDH, ATM, FDDI, DQDB Quadro STM - 1 VC de ordem inferior VC de ordem superior P O H P O H P O H Multiplexação na SDH
Princípios de Transporte e Multiplexação na Rede SDH
O princípio do transporte de sinais digitais na rede SDH baseia-se na divisão da capacidade de transporte associada ao payload do quadro STM-N em Containers Virtuais - VC de ordem superior (alta capacidade) e Containers Virtuais - VC de ordem inferior (baixa capacidade). A nomenclatura ordem superior e inferior refere-se a relação cliente/refere-servidor que existe na SDH dividindo a rede em camada de via de ordem superior e de ordem inferior. O VC de ordem superior é servidor em relação aos VCs de ordem inferior pois estes são transportados através do VC de ordem superior. Os VC são chamados “Virtuais” porque são entidades lógicas que existem apenas no quadro STM-N e “Containers” porque carregam a informação dos usuários da rede como sua carga útil.
56 63 x 2 Mbit/s 02 x 34 Mbit/s 01 x 140 Mbit/s 63 x 2 Mbit/s 02 x 34 Mbit/s 01 x 140 Mbit/s STM-4 TM TM TM ADM ADM TM Redes SDH Redes SDH Redes Ponto-a-Ponto Arquiteturas
As redes ponto-a-ponto SDH se caracterizam, como as redes PDH atuais, pela formação de sinais agregados de altas taxas a partir de sinais tributários a taxas mais baixas e o envio destes diretamente a uma determinada localidade. Como vimos estes sinais tributários poderão ser sinais da PDH e/ou sinais da SDH.
As redes ponto-a-ponto serão inicialmente implantadas em novas rotas e em substituição aos enlaces PDH de 140 Mbits/s e 565 Mbits/s quando estes não se apresentarem adequados em função do aumento do tráfego.
Uma variação da rede ponto-a-ponto é a rede linear onde os equipamentos poderão assumir as facilidades de derivar/inserir tributários provendo assim uma melhor flexibilidade para esta rede. As redes lineares podem ser constituídas de diversos equipamentos ADM, ao longo de toda a rede, e podem ser implantadas facilmente a partir das redes ponto-a-ponto.
TM TM Mux PDH Mux PDH STM-4 STM-1 TM TM TM TM 63 x 2 Mbit/s 63 x 2 Mbit/s 47 x 2 Mbit/s 47 x 2 Mbit/s 47 x 2 Mbit/s 47 x 2 Mbit/s 34 Mbit/s 34 Mbit/s 34 Mbit/s 34 Mbit/s Rede SDH Pura
Rede SDH com equipamento PDH
Implantação de Redes SDH
Projeto e Dimensionamento
O projeto destas redes e consequentemente a escolha dos equipamentos devem levar em consideração, entre muitos outros fatores, a demanda de tráfego entre as localidades que serão atendidas e o seu respectivo crescimento, custos, e a gerência da rede como um todo. Estas considerações devem fazer parte das estratégias de implantação da SDH de cada operadora.
Os sinais de linha das redes ponto-a-ponto devem ser projetados respeitando a capacidade máxima e combinações de tributários que o sinal STM-N suporta.
Como a taxa mais baixa padronizada para a SDH é a STM-1, podendo transportar até 1890 canais digitais de 64 Kbits/s (63 tributários PDH 2 Mbits/s) a possibilidade desta taxa vir a ser demasiadamente elevada para o atendimento a pequenas localidade é bastante concreta. Um pior caso pode aparecer quando no dimensionamento de uma determinada rede tivermos a necessidade de trabalharmos
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Para exemplificar vamos assumir uma rede ponto-a-ponto onde desejamos transmitir 47 tributários de 2 Mbits/s e 01 tributário de 34 Mbits/s (composto de 16 tributários de 2Mbits/s). Analizando a tabela de capacidades e combinações de cada sinal STM-N temos que seria necessário um sinal de linha STM-4 para esta rede, mas, se através de um equipamento duplo-salto PDH demultiplexarmos o sinal de 34 Mbits/s até o nível de 2 Mbits/s teremos então um total de 63 tributários de 2Mbits/s a ser transmitidos pela rede SDH o que é compatível com a capacidade do sinal STM-1. Na recepção devemos agrupar os 16 tributários de 2 Mbits/s em um sinal de 34 Mbits/s e teremos concluído a nossa rede.
Disponibilidade
Para redes ponto-a-ponto a estratégia para o aumento da disponibilidade é baseada em sistemas de proteção chamado de Proteção Linear de Seção de Multiplexação, utilizando arquiteturas 1+1 e 1:1, e será estudada nos próximos capítulos.
ADM ADM ADM ADM STM-N STM-N STM-N STM-N Rede em Anel Redes em Anel Arquiteturas
As redes em anel foram viabilizadas devido ao desenvolvimento da tecnologia de equipamentos da SDH. A utilização de equipamentos ADM e a conseqüênte facilidade de derivar e inserir tributários de um determinado sinal de linha STM-N, sob uma gerência robusta, tornaram as redes em anel as mais versáteis à respeito de sua utilização nas atuais e futuras redes de transporte.
Anéis Tolerantes à Falhas - ATF (SHR - Self Healing Ring) poderão ser implementados de modo a garantir 100 % de disponibilidade do serviço, mesmo no caso de ruptura de cabos de fibra óptica ou de falhas nos nós.
Nas redes em anel cada nó da rede é conectado a dois nós adjacentes através de uma comunicação duplex formando assim uma arquitetura onde a comunicação entre dois nós não adjacentes ocorre através da passagem desta por nós que não a
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ADM ADM ADM ADM
ADM / TM ADM / TM ADM Rede em Anel
A A D D BB C C
Redes em Anel Unidirecional / Sentido do Tráfego
Redes Unidirecionais / 2 Fibras
Nestas redes o tráfego principal entre nós é transportado em apenas um sentido (horário ou anti-horário) pela fibra principal. A figura acima mostra que o tráfego principal do nó A para o nó C é transportado no sentido horário, passando pela rota A-B-C , e que o tráfego do nó C para o nó A também é transportado no sentido