Synchroniczna Hierarchia Cyfrowa (SDH/SONET)

Synchroniczna ewolucja PDH, ze standardowymi ramkami i łatwiejszą multipleksacją.

Problem Poprzednika: „Cyfrowa Dżungla” Hierarchii PDH

Przed pojawieniem się SDH i SONET, świat cyfrowej telekomunikacji opierał się na . Mimo że była to technologia rewolucyjna w swoich czasach, PDH posiadała kilka kluczowych ograniczeń, które stały się poważnymi przeszkodami w miarę wzrostu złożoności i skali sieci.

Główne Wady PDH

Trudna Multipleksacja Dodająco-Odejmująca: Wyodrębnienie pojedynczego kanału o niskiej przepływności (np. jednej rozmowy telefonicznej) ze strumienia PDH o wysokiej przepływności było niezwykle kłopotliwe. Wymagało to demultipleksacji całego sygnału przez wszystkie pośrednie poziomy hierarchii. Było to porównywalne z koniecznością rozpakowania całego kontenera towarowego, aby wyjąć z niego jedno małe pudełko.
Niezgodne Standardy Globalne: Różne regiony świata rozwijały własne standardy PDH. Europa i większość świata używała systemu E-carrier (opartego na E1 o przepływności 2,048 Mb/s), podczas gdy Ameryka Północna i Japonia korzystały z systemu T-carrier (opartego na T1 o przepływności 1,544 Mb/s). Systemy te miały różne przepływności i struktury ramek, co czyniło połączenia międzynarodowe skomplikowanymi i kosztownymi.
Skomplikowane Taktowanie: Plezjochroniczny charakter oznaczał, że każdy przychodzący strumień danych miał nieco inną częstotliwość zegara. Aby je połączyć, potrzebny był złożony proces zwany , co utrudniało odnalezienie poszczególnych kanałów w zmultipleksowanym strumieniu.
Ograniczone Możliwości Zarządzania: PDH oferowało bardzo ograniczone możliwości monitorowania sieci, zarządzania wydajnością czy zdalnej konfiguracji. Wykrywanie i zarządzanie awariami było prymitywne.
Brak Standardowego Interfejsu Optycznego: W miarę jak światłowody stawały się preferowanym medium, każdy producent sprzętu tworzył własne, zastrzeżone interfejsy optyczne, co prowadziło do braku interoperacyjności.

Synchroniczna Rewolucja: Narodziny SDH i SONET

Aby rozwiązać problemy PDH, potrzebne było nowe, globalnie ustandaryzowane podejście. Rozwiązaniem było stworzenie w pełni synchronicznej sieci, w której każdy element jest taktowany przez jeden, bardzo precyzyjny zegar nadrzędny. Doprowadziło to do rozwoju dwóch blisko spokrewnionych standardów:

SONET (Synchronous Optical Network): Opracowany jako pierwszy w Stanach Zjednoczonych przez Bellcore (obecnie Telcordia) i standaryzowany przez ANSI. Został zaprojektowany do transportu północnoamerykańskiej hierarchii PDH (T1, T3 itp.).
SDH (Synchronous Digital Hierarchy): Globalny standard opracowany przez ITU-T, w dużej mierze oparty na SONET, ale dostosowany do zgodności z europejską hierarchią PDH (E1, E3, E4 itp.). W Polsce, ze względu na uwarunkowania historyczne, w latach 90. wdrożono bezpośrednio nowocześniejszy system SDH.

Chociaż mają różne nazewnictwo i niewielkie różnice strukturalne, SONET i SDH są w dużym stopniu kompatybilne na podstawowych przepływnościach i dzielą te same fundamentalne zasady. Razem stworzyły pierwszy prawdziwie globalny standard dla szybkiego transportu cyfrowego przez światłowody.

Fundamentalne Zasady Działania SDH/SONET

Elegancja SDH/SONET leży w kilku kluczowych zasadach, które bezpośrednio odpowiadają na niedociągnięcia PDH.

1. Działanie Synchroniczne

W przeciwieństwie do „prawie synchronicznego” PDH, każdy węzeł w sieci SDH/SONET jest taktowany przez wspólny, bardzo precyzyjny zegar nadrzędny, zazwyczaj . Eliminuje to potrzebę wpychania bitów na każdym etapie multipleksacji i sprawia, że pozycja każdego bajtu w strumieniu danych jest idealnie przewidywalna.

2. Multipleksacja z Przeplotem Bajtowym

SDH/SONET multipleksuje dane na zasadzie bajt po bajcie. Wyobraź sobie kilka wolnych strumieni danych. Zamiast brać duży blok ze strumienia 1, potem blok ze strumienia 2, SDH pobiera jeden bajt ze strumienia 1, następnie jeden bajt ze strumienia 2, jeden z 3, i tak dalej, w kółko. Tworzy to wysoce zorganizowaną strukturę ramki, w której pozycja bajtu każdego kanału jest znana, co czyni niezwykle łatwym znalezienie i wyodrębnienie konkretnego kanału bez demultipleksacji całego sygnału. To bezpośrednio rozwiązuje problem dodawania/odejmowania kanałów z PDH.

3. Standardowa Struktura Ramki (STM-1)

Podstawowym elementem budulcowym SDH jest Synchroniczny Moduł Transportowy, poziom 1 (STM-1).

Przepływność: $155.52 \text{ Mb/s}$ .
Czas trwania: $125 \mu \text{s}$ (mikrosekund). Ten czas trwania nie jest przypadkowy; jest bezpośrednio powiązany z telefonią głosową, gdzie sygnał głosowy jest próbkowany 8000 razy na sekundę ( $1 / 8000 \text{ s} = 125 \mu \text{s}$ ).
Struktura: Ramka STM-1 jest wizualizowana jako blok 9 wierszy na 270 kolumn bajtów.

Sygnały o wyższych przepływnościach (STM-4, STM-16 itd.) tworzone są przez multipleksację z przeplotem bajtowym wielu sygnałów STM niższego rzędu, tworząc prostą i skalowalną hierarchię. Odpowiednikiem STM-1 w SONET jest OC-3 (Optical Carrier, level 3).

4. Mechanizm Wskaźników: "Pływający" Ładunek

Aby poradzić sobie z niewielkimi różnicami w taktowaniu, które wciąż istnieją, gdy plezjochroniczny sygnał PDH wchodzi do synchronicznego świata SDH, wprowadzono rewolucyjną koncepcję wskaźnika (ang. pointer).

Wyobraź sobie ramkę STM-1 jako pociąg towarowy, który odjeżdża dokładnie co 125µs. Przesyłane dane (np. strumień E1 lub T1), zapakowane w , są jak kontener transportowy, który trzeba załadować na pociąg. Wskaźnik to specjalna liczba w nagłówku STM-1, która po prostu wskazuje na dokładny bajt, w którym zaczyna się Kontener Wirtualny w przestrzeni ładunkowej pociągu. Pozwala to kontenerowi VC „pływać” wewnątrz ramki STM-1, zapewniając elastyczność potrzebną do absorpcji różnic w taktowaniu bez skomplikowanego wpychania bitów.

5. Rozbudowane Możliwości Zarządzania (OAM)

Znaczna część ramki STM-1 jest zarezerwowana na informacje Eksploatacji, Administracji i Utrzymania (OAM), zwane nagłówkiem. Było to ogromne ulepszenie w stosunku do PDH. Nagłówek jest podzielony na dwa główne typy:

Nagłówek Sekcji (SOH): Zarządza fizycznym łączem między sąsiednimi urządzeniami sieciowymi (jak regeneratory i multipleksery).
Nagłówek Ścieżki (POH): Podróżuje z ładunkiem od początku do końca, monitorując jakość konkretnej ścieżki danych.

Ten bogaty nagłówek pozwala na zaawansowane monitorowanie wydajności, wykrywanie awarii i automatyczne przełączanie protekcyjne, co czyni sieci SDH/SONET wysoce niezawodnymi i łatwymi w zarządzaniu.