Lyhenne- ja termiluettelo
ANSI American National Standards Institute
Amerikkalainen standardointielin.
ATM Asynchronous Transfer Mode
Asynkroninen siirtomuoto, jossa siirrettävä data pilkotaan määrämuotoisiin paketteihin.
AU Administrative Unit
Ryhmäyksikkö, SDH:n kanavointiherarkian osa.
AUG Administrative Unit Group
SDH:n kanavointiherarkian osa. Voi sisältää joko kolme AU-3:a (amerikkalainen järjestelmä) tai yhden AU-4:n (eurooppalainen järjestelmä).
B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network
Laajakaistainen digitaalinen monipalveluverkko.
C Container
Kontti. SDH:n kanavointihierarkian ensimmäinen osa, johon pakataan piiritasolta tulevaa dataa.
CCITT International Telegraph and Telephone Consultative Committee
Entinen kansainvälinen puhelin- ja lennätinalan neuvoa-antava komitea.
ETSI European Telecommunications Standards Institute
Eurooppalainen telealan standardointielin.
ITU-T International Tecommunication Union - Telecommunication Standardization Sector
Entinen CCITT.
MSOH Multiplex Section Overhead
Johtovälin siirto-otsikko.
PDH Plesiochronous Digital Hierarchy
Plesiokroninen digitaalinen hierarkia. Digitaalinen kanavointimenetelmä, jossa signaaleilla on nimellisesti sama ajastus.
POH Path Overhead
Reittiotsikko. Jokainen virtuaalikontti (VC-n) sisältää reittiotsikon, jossa on kontin osoite ja tietoa kontin sisällöstä.
RSOH Regenerator Section Overhead
Jännevälin siirto-otsikko.
SDH Synchronous Digital Hierarchy
Synkroninen digitaalinen hierarkia. ITU-T:n standardien mukainen televerkkojen siirtomuoto, jossa käytetään hyväksi synkronista kanavointia.
SOH Section Overhead
Siirto-otsikko. STM-kehyksen otsakeosa.
SONET Synchronous Optical Network
Yhdysvaltalainen 80-luvun lopulla kehitetty standardi, jolle SDH perustuu.
STM Synchronous Transport Module
SDH:n synkroninen siirtokehys.
TU Tributary Unit
Aliyksikkö, SDH:n kanavointirakenteen osa. Aliyksikön sisällä on vastaavan hierarkiatason virtuaalikontti.
TUG Tributary Unit Group
Aliyksikköryhmä, SDH:n kanavointirakenteen osa. Käytetään usean alemman tason aliyksikön (TU) tai aliyksikköryhmän (TUG) kanavoimiseen
VC Virtual Container
SDH:n kanavointirakenteen osa, joka sisältää kontin sekä VC-POH:in.
1. Johdanto
Televerkkoon kohdistuvien vaatimusten lisääntyessä eivät
perinteiset digitaaliset siirtojärjestelmät enää riitä
toteuttamaan kaikkia haluttuja palveluja. Runkoverkon siirtokapasiteetin
kasvattamisen lisäksi tarvitaan parannusta verkonhallintaan,
ylläpidettävyyteen, joustavuuteen ja luotettavuuteen. Verkon tulisi
voida soveltua esimerkiksi paikallis- ja alueverkkojen yhdistämiseen,
videoneuvotteluihin ja erilaisiin interaktiivisiin sovelluksiin, kuten
tilausvideoon. Laajakaistaisen digitaalisen palveluverkon eli B-ISDN:n on
määrä toteuttaa monia tällaisia puheen ja datan siirtoon
liittyviä palveluja. Koska B-ISDN:n toteutustekniikaksi on valittu ATM,
niin uudelta siirtotekniikalta vaaditaan myös kyky toimia ATM:n
fyysisenä siirtotienä.1 Tämän hetkiset
plesiokroniset järjestelmät eivät siihen pysty. SDH on
saavuttamassa vankan aseman nykyaikaisten siirtojärjestelmien
perusperiaatteena.2
1.1 Tavoitteet
Tämän työn tavoitteena on selvittää mitä SDH on
ja mitkä ovat sen kehitykseen johtaneet syyt. Esitän SDH:n kehys- ja
kanavointirakenteen sekä ATM solujen sovituksen synkroniseen digitaaliseen
hierarkiaan. SDH-verkkojen topologioihin tai verkonhallintaan en aio puuttua.
Lopuksi annan esimerkkejä markkinoilla olevista Nokian
SDH-solmulaitteistosta.
2. Synkroniset ja plesiokroniset siirtojärjestelmät
Plesiokronisten ja synkronisten siirtojärjestelmien ero on monelle
teletekniikkaan perehtyneellekin henkilölle hieman epäselvä
asia. Pelkistetysti voidaankin sanoa, että PDH verkossa sallitaan hieman
epätarkemmat kellosignaalit kuin SDH-verkossa. PDH verkossa on
lisäksi synkronointi järjestetty hieman "väljemmin" kuin
SDH-verkossa.
2.1 Plesiokroniset siirtojärjestelmät
Nykyinen siirtotekniikka perustuu lähinnä plesiokroniseen siirtoon,
jolloin nimelliset ja todelliset siirtonopeudet saattavat poiketa toisistaan
verkon eri alueitten käyttäessä omia
taajuusreferenssejään. Tällöin kanavoitaessa useita alemman
siirtotason kanavia ylemmän tason nopeampaan kanavaan joudutaan kanavien
siirtonopeudet sovittamaan toisiinsa käyttämällä
täytebittejä. Tämän vuoksi yksittäiselle alemman
siirtotason kanavalle on mahdotonta kytkeytyä suoraan, vaan koko
ylemmän tason signaali joudutaan purkamaan. Kuvassa 1 on
havainnollistettu, kuinka 140Mbit/s PDH signaali joudutaan purkamaan 2Mbit/s
signaaliksi, jotta yksittäinen 64Kbit/s kanava saadaan poimittua
signaalista.
Kuva 1. PDH järjestelmän mukainen 64Kbit/s signaalin tiputus 140Mbit/s signaalista.
Plesiokroniset siirtojärjestelmät ovat myös siirtokapasiteettiin
nähden kalliita verrattuna nykyisiin synkronisiin järjestelmiin,
koska verkkosolmuihin tarvitaan paljon kanavointilaitteistoa. Myös
verkonhallintaominaisuudet ovat heikkoja, koska plesiokronista hierarkiaa ei
ole alunperin suunniteltu verkonhallintaa ajatellen. Eri valmistajien laitteet
ovat harvoin täysin yhteensopivia keskenään. Tämän
lisäksi USA ja Japani käyttävät 1.544Mbit/s
primääristä nopeutta PDH järjestelmissään, kun
taas Euroopassa on käytössä 2.048Mbit/s perusnopeus.3
2.2 Synkroniset siirtojärjestelmät
Synkronisten verkkojen kehitys alkoi Yhdysvalloissa, jossa laadittiin ns.
SONET-standardit vuosina 1985-1988. SONET on pohjana ITU-T:n (entinen CCITT)
suosituksille, jotka määrittelevät SDH:n. Siirtonopeudet
määritellään suosituksessa G.707, verkkosolmurajapinta
suosituksessa G.708 ja kanavointimenetelmät suosituksessa G.709.
Näihin kolmeen suositukseen perustuu suurin osa tämän työn
tekstistä, kuten SDH:n kanavointi- ja kehysrakenne.
Synkroniset siirtojärjestelmät on kehitetty ratkaisemaan edellä
lueteltuja plesiokronisten järjestelmien puutteita. Synkroniset
järjestelmät soveltuvat erinomaisesti optiseen siirtotekniikkaan ja
suovat mahdollisuuden alempien tasojen kanavien liittämiseen ja
haaroittamiseen suoraan ylimmiltä tasoilta käsin. Tämä on
mahdollista tarkan synkronoinnin ansiosta. Verkossa on joko yksi yhteinen
erittäin tarkka primäärinen kellolähde, josta kaikki
verkossa olevat laitteet saavat suoraan tai välillisesti
synkronointisignaalinsa, tai verkon solmukohtien välillä suoritetaa
tarkka keskinäinen synkronointi, jolloin yksittäisessä solmussa
lasketaan kellotaajuus oman sisäisen kellon ja tulevasta signaalista
saadun kellotaajuuden keskiarvona.4
3. STM-1 kehysrakenne
SDH siirron perustaso on STM-1 kehys. Se koostuu yhdeksästä
sarakkeesta ja 270 kolumnista, jossa jokainen kehyksen ruutu kuvaa yhtä
oktettia. Kehyksiä välittyy 8000 sekunnissa, joten saadaan 155,52
Mbit/s siirtonopeus. Kehystä tulee tulkita siten, että johtimelle
syötetään tavu kerrallaan, alkaen kehyksen vasemmasta
yläkulmasta ja siirtyen vasemmalta oikealle. STM-1 kehyksen rakenne on
esitetty kuvassa 2.
kuva 2. STM-1 kehyksen rakenne.
STM-1 kehyksen osat ovat SOH, AU-4 osoitin ja AU-4. AU-4 ja sen osoitin muodostavat yhdessä AUG:n. STM-1 kehyksen hyötykuorma sijaitsee AU-4:ssä. AU-4 sisältää yhden VC-4:n.
SOH muodostuu RSOH ja MSOH osista. RSOH käsittää STM-1 kehyksen yhdeksän ensimmäisen kolumnin kolme ensimmäistä riviä. MSOH puolestaan käsittää STM-1 kehyksen yhdeksän ensimmäisen kolumnin rivit 5-9. SOH sisältää tavut esimerkiksi bittivirheiden monitorointiin, verkonhallintaan, suojattuihin kanaviin ja tulevaisuuden laajennuksiin. AU-4 osoitin on STM-1 kehyksen neljännen rivin yhdeksän ensimmäistä tavua.
AU-4:llä on kiinteä sijainti STM-1 kehyksessä, mutta VC-4:n ensimmäisen tavun paikan kehyksessä kertoo AU-4 osoitin. Tämä järjestely mahdollistaa VC-4:n siirtymisen AU-4:n sisällä, jolloin vaihesynkronointi ei ole tarpeellista. VC-4:llä lähetetään signaalikapasiteetin perustaso eri solmujen välillä SDH-verkossa. Yksittäiset alijärjestelmäsignaalit muodostetaan VC-4:n "sisälle".
VC-4:ä koostuu hyötykuormasta (C-4) ja reittiotsikosta (POH). POH sijaitsee VC-4:n ensimmäisessä sarakkeessa. POH sisältää hälytystietoja, huoltotietoja ja vaadittavaa reititystietoa päästä-päähän yhteyksille.
VC-4:än hyötykuorma-alue tukee alijärjestelmäsignaalien
siirtoa. VC-4:n hyötykuorma koostuu 260 sarakkeesta ja
yhdeksästä rivistä, jolloin yhteiskapasiteetiksi tulee 2340
tavua. Näin muodostuu 149,76 Mbit/s kapasiteetti, mikä on suunniteltu
tukemaan erityisesti 140 Mbit/s järjestelmän siirtoa.
3.1 Korkeamman tason siirtokehykset
Korkeamman tason siirtokehykset (STM-4, STM-16...) muodostuvat tavulomittamalla
alemman tason siirtokehyksiä. Tällöin korkeamman tason
siirtokehyksen bittinopeus on täsmälleen STM-1:n kerrannainen.
Jokaisella STM-1 kehyksellä on oma järjestysnumeronsa
siirto-otsikossa. Taulukossa 1 näkyvät näin syntyvät
siirtonopeudet. STM-64 on korkein standardeissa määritelty
siirtonopeus.
Taulukko 1. SDH:n hierarkiatasojen siirtonopeudet.
SDH:n hierarkiatasot Siirtonopeus (kbit/s)
1 155 520
4 622 080
16 2 488 320
64 9 953 280
Kuva 3. SDH-verkon siirtovälit.
NNI-NNI väli kuvaa päätekanavointilaitteen ja
ristikytkentälaitteen välistä johtoväliä.
Tällaisen välin päätepisteissä puretaan, tarkastetaan
ja kootaan uudelleen koko siirto-otsikko (MSOH ja RSOH). Johtovälillä
voi sijaita myös toistimia. Kehyksen saapuessa toistimeen tarkastus
tehdään vain jännevälin siirto-otsikolle (RSOH).
Reittiväli muodostuu kahden verkon läpi yhteyden muodostavan
päätekanavointilaitteen (kuvassa SM) välille.
Päätekanavointilaitteessa muodostetaan tai puretaan siirto-otsikon
lisäksi STM-1 kehysten VC-4 POH.
5. Kanavointirakenne
Eurooppalainen ja Yhdysvaltalainen kanavointirakenne poikkeavat hieman
toisistaan. Kuvassa 4 näkyvät molemmat kanavointirakenteet.
AUG:stä lähtevä alempi haara on SONET:in mukainen
kanavointirakenne ja ylempi haara ETSI:n mukainen kanavointirakenne. SONET- ja
SDH-järjestelmien yhteensovitus tapahtuu nopeudella 155,52Mbit/s.
Kuva 4. Kanavointirakenne.
VC-4:n hyötykuorma sisältää siis eurooppalaisen kanavointirakenteen mukaisia alijärjestelmän signaaleja. Keskitynkin kuvaamaan vain tätä osaa kanavointirakenteessa.
TUG-3:a ja TUG-2:a käytetään usean alemman tason aliyksikön (TU) tai aliyksikköryhmän (TUG) kanavoimiseen. Aliyksikköryhmillä on kiinteä sijainti virtuaalikonteissa, aivan kuten AU-4:llä on kiinteä sijainti STM-1 kehyksessä.
Aliyksikön (TU-n) sisällä on vastaavan hierarkiatason virtuaalikontti (VC-n), jonka sijainnin TU-osoitin näyttää. Aliyksikön sijainti on kiinteä suhteessa siihen aliyksikköryhmään, johon se kuuluu.
Jokainen virtuaalikontti (VC-n) sisältää reittiotsikon (POH), jossa on virtuaalikontin osoite ja tietoa virtuaalikontin sisällöstä. Virtuaalikontit voivat siirtyä kehyksen sisällä.
Kontti (C-n) sisältää plesiokronisen signaalin. Kontin
bittinopeus on hieman suurempi kuin siihen sovitetun plesiokronisen signaalin,
sillä konttiin lisätään täyte- ja ohjaus bittejä.
5.1 TU-12
kanavointi
Kuvasta 4 voidaan nähdään, että VC-4:ään
kanavoidaan kolme TUG-3:a. TUG-3:een puolestaan kanavoidaan seitsemän
TUG-2:a, johon puolestaan kanavoidaan neljä TU-12:a. Yhteen STM-1
kehykseen mahtuu siis 63 TU-12:a.
Jotta kaikki PDH-järjestelmän mukaiset signaalit voitaisiin siirtää STM-1 kehyksessä, niin aliyksikköryhmille on annettu "ylimääräisiä" sarakkeita. Alijärjestelmien signaalien tulee lisäksi sijoittua bittivirtaan tasaisin aikavälein, joten kaikki signaalit tavulomitetaan kehykseen. Tavulomituksen seurauksena kaikki ylimääräiset sarakkeet siirtyvät itse asiassa heti VC-4 POH:in jälkeisiin sarakkeisiin. VC-4 POH:in jälkeen on kaksi ylimääräistä saraketta, jolloin kutakin TUG-3 kohden jää 86 saraketta. TUG-3:n alussa on myös kaksi ylimääräistä saraketta, jolloin kutakin TUG-2:ta varten jää 12 saraketta. Yksi TU-12 vie siis neljä saraketta STM-1 kehyksestä. Tästä saadaan TU-12 bittinopeudeksi 2.304 Mbit/s. Kuvassa 6 näkyy TU-12 rakenne ja siihen sovitettu plesiokronisen hierarkian mukainen 2 Mbit/s signaali.
Kuva 5. TU-12, VC-12, C-12 ja 2M signaali.
Yhden TU-12:n osoitin on vain yhden oktetin mittainen. Tämä ei
kuitenkaan ole riittävä, joten neljän perättäisen
kehyksen osoittimet vasta muodostavat varsinaisen osoittimen. Neljän
perättäisen kehyksen TU-12 muodostaa niin sanotun TU-12 ylikehyksen.
6. ATM solujen sovitus STM-1 kehykseen
ATM solujen sovitus tehdään suoraan virtuaalikonttiin (VC-n).
Käsittelen tässä yhteydessä vain VC-4 ja VC-3
virtuaalikontteihin toteutetun sovituksen. Kuvassa 6 näkyy
VC-4:ään sovitettu ATM soluvirta.
Kuva 6. ATM solujen sovitus C-4 ja C-3 kontteihin.
AU- ja TU -osoittimissa on bitit ilmaisemaan niin sanottu ketjutettu
rakenne (concatenated structure), jolloin perättäisten kehysten
virtuaalikonttien hyötykuorman katsotaan kuuluvan yhteen suurempaan
kokonaisuuteen. Näin saadaan poistettua kehysrakenteen aiheuttamat rajat
ATM solujen siirrolle. ATM soluthan eivät mene tasan virtuaalikonttien
hyötykuorman tavujen määrän suhteen.5
7. SDH-laitteet
SDH-laitteet voidaan jakaa kahteen ryhmään. Ensimmäiseen
ryhmään kuuluvat toistimet eivät muuta vastaanottamansa kehyksen
sisältöä. Ne toimivat vahvistimina regeneroiden
STM-N-signaaleja. Toisessa ryhmässä ovat laitteet, jotka suorittavat
varsinaiset SDH-verkon toiminnot.3
7.1 Nokian SDH-solmulaitteisto - SYNFONET
Nokia Telecommunications kehittää SYNFONET-nimistä
SDH-solmulaitteistoa, joka täyttää ETSI:n asettamat suositukset
ja standardit. Laitteistoa käyttävissä SDH-verkoissa
siirtonopeudet ovat 155 Mbit/s (STM-1) ja 622 Mbit/s (STM-4). STM-1 ja STM-4
ovat optisia ja normaalisti kaksisuuntaisia signaaleja. STM-1 -signaali voi
olla myös sähköinen (STM-1E).
Laitteiston peruslähtökohtana on modulaarinen rakenne ja käytön joustavuus. Solmulaitteistoa voidaan käyttää päätekanavointilaitteena, haaroitinlaitteena, ristikytkentälaitteena tai toistimena. Samaa pistoyksikköä voidaan käyttää eri sovellutuksiin. Lisäksi PDH-hierarkian mukaisia laitteita voidaan käyttää rinnan SDH-laitteiden kanssa. Täten pienten verkkosovellutusten integroiminen suurempiin sovellutuksiin on mahdollista.6
NTC:n päätekanavointilaitteet kanavoivat STM-1-tasolla 63 plesiokronista 2 Mbit/s signaalia STM-1-kehykseen ja vastaavasti purkavat STM-1-kehysrakenteen 2 Mbit/s signaaleiksi. STM-1 päätekanavointilaite on esitetty kuvassa 7. STM-4 päätekanavointilaitteella voidaan kanavoida erilaisia kombinaatioita STM-1, STM-1E ja 2M signaaleista.
Kuva 7. Esimerkki STM-1 -päätekanavointilaitteesta.
Haaroitinlaitteilla voidaan päästä käsiksi jokaiseen 2 Mbit/s signaaliin ilman, että koko kanavointia tarvitsee purkaa. STM-1 haaroitinlaitteella voidaan solmusta lähtevään STM-1-signaaliin lisätä 2 Mbit/s signaaleja tai vastaavasti solmuun tulevasta STM-1-signaalista voidaan pudottaa pois maksimissaan 63 kappaletta 2 Mbit/s signaaleja. STM-1 haaroitinlaite on esitetty kuvassa 8. STM-4 haaroitinlaitteella voidaan haaroittaa erilaisia kombinaatioita STM-1, STM-1E ja 2M signaaleista.
Kuva 8. Esimerkki STM-1 -haaroitinlaitteesta.
Ristikytkentälaitteilla voidaan 2 Mbit/s signaalit kytkeä vapaasti haluttuihin suuntiin ja solmuun voi liittyä erilaisia kombinaatioita STM-4, STM-1, STM-1E ja 2M signaaleista. Esimerkki kuvassa 9.
Kuva 9. Esimerkki ristikytkentälaitteessta.
8. Yhteenveto
Suurten telealan yritysten panostuksen ja kansainvälisten standardien
kypsymisen myötä SDH on saavuttamassa merkittävän aseman
nykyaikaisena ja joustavana televerkkojen siirtojärjestelmänä.
Tulevaisuudessa SDH-verkkojen käyttöönoton tahdin
määrää lähinnä televerkkoihin kohdistuvien
monimuotoisten palveluiden kysyntä. Erityisratkaisuilla voidaan toki
toteuttaa näitä palveluita, kuten tilausvideo ja lähiverkkojen
yhdistäminen, mutta kaiken integroiminen yleiseen puhelinverkkoon ja
jokaisen saataville olisi todellinen läpimurto multimedian aikakauteen.
Täytyy kuitenkin muistaa, että vaikka SDH:n tulevaisuus
näyttääkin olevan vankalla pohjalla, niin riippumatta tekniikan
tai arkkitehtuurin ylivoimaisuudesta sen tulevaisuus ei ole taattu ennen laajaa
käyttöönottoa ja markkinoiden hyväksyntää.
Lähdeluettelo
1 Pännäri, M.Varmistus SDH- verkossa. 1995, Teknillinen Korkeakoulu, Sähkötekniikan osasto, 63 s.
(Diplomityö)
2 Hämeen-Anttila, R. & Hölttä, P. & Niinioja, S. Tietoliikennejärjestelmät.
Helsinki 1993, Painatuskeskus Oy. s. 76 - 85.
3 Anthony, G. Siirtojärjestelmien ohjelmien lataus. 1993, Teknillinen Korkeakoulu,
Sähkötekniikan osasto, 120 s.
(Diplomityö)
4 Lukkari, M. SDH yleiskuvaus. 1994, Teknillinen korkeakoulu, Sähkötekniikan
osasto, 22 s.
(Erikoistyö)
5 ITU-T. Merged revised version of ITU-T recommendations G.707, G.708 and
G.709 that were approved in Helsinki (03/93) by the WTSC. 1995. 125 s.
6 Nokia Telecommunications. Synfonet Operating Manual, Release C2.0.
1995. s. 1 -3.
