Die Synchrone Digitale Hierarchie (SDH) ist eine der Multiplextechniken im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. Das gesamte Netz ist dabei synchron.
Allgemeines 1985 wurde in den USA begonnen, unter dem Namen SONET (Synchronous Optical Network), eine neue Generation optischer digitaler Übertragungssysteme zu spezifizieren, die gegenüber der verbreiteten PDH-Technik (Plesiochrone Digitale Hierarchie) entscheidende Vorteile haben sollte. Aus Kompatibilitätsgründen sollte sie auch Signale der PDH-Technik transportieren können, aber sonst eine neue Hierarchie von Bitraten bilden. Als Basisbitrate wurde in den USA deshalb 51 Mbit/s gewählt und STS-1 genannt (Synchronous Transport System, Step 1). Mit dieser Bitrate konnte die plesiochrone Bitrate von 45 Mbit/s übertragen werden. Die nächste Multiplexstufe arbeitet mit dem Faktor 3 und liefert 155 Mbit/s (STS-3). Sie transportiert drei einzelne STS-1, hat also drei strukturierte Informationsfelder, die die Nutzdaten tragen. Das ist aber oft ungünstig, weshalb eine Variante definiert wurde, die statt drei Feldern ein zusammenhängendes Feld mit dreifacher Größe hat. Dieses Verfahren wird STS-3c genannt, wobei das c für „concatenated“ (verkettet, zusammenhängend) steht. Ein anderes Verkettungsverfahren wird Virtuelle Verkettung genannt und dient dem gleichen Ziel: Vergrößerung des zusammenhängenden Informationsfeldes. Es wird bei der Bezeichnung durch ein angehängtes -vc (virtual concatenation) gekennzeichnet. Durch Einführung der virtuellen Verkettung wurde es möglich, über das SDH-Netz Bitraten in Stufen von n-mal 2 Mbit/s (zum Beispiel 2M, 4M, 6M, 10M, 20M, 40M, 50M, 100M), sowie hochbitratige Datensignale (wie bei Gigabit Ethernet) ohne Datenratenverluste zu multiplexen und zu übertragen.
Von der internationalen Standardisierungsorganisation ITU-T (Empfehlungen, G.707) wurde das Konzept einer neuen Hierarchie für digitale Übertragungssysteme aufgegriffen und unter dem Namen SDH genormt. Allerdings wurde im Gegensatz zum nordamerikanischen SONET als Basis die 155 Mbit/s-Stufe mit der Bezeichnung STM-1 (Synchronous Transport Module, Step 1) gewählt.
Die Daten werden transparent in Containern mittels „Link Connections“ und „Trails“ durch das SDH-Netz übertragen. Bei Ausfall eines SDH-Netzknotens oder einer Glasfaser können SDH-Netzelemente die Datenströme innerhalb weniger Millisekunden auf einen Ersatzweg automatisch umschalten (Protection).
Im Vergleich zu den vorherigen PDH-Netzen ist SDH mit deutlich erweiterten OAM-Funktionalitäten ausgestattet, d. h. Fehler (Defekte und Anomalien) können deutlicher erkannt und differenzierter gemeldet werden. Die verwendeten Schnittstellen dürfen höchstens eine Bitfehlerrate von 10−10 aufweisen und selbst einzelne Bitfehler in einem SDH-Signal beliebiger Rate sind detektierbar. Insgesamt sind SDH-Netzwerke auf höchste Dienstgüte und -verfügbarkeit ausgelegt.
SDH-Netze werden zunehmend durch DWDM-Technik verdrängt, mit welcher eine effizientere Kapazitätsausnutzung (höhere Bandbreiten, mehrere Verbindungen durch Einsatz verschiedener Wellenlängen) von Lichtwellenleitern möglich ist.
Einführung SDH ist von der ITU-T (G.707, G.783, G.803) standardisiert. Es ist abgeleitet von SONET (Synchronous Optical Network), das von Bellcore und AT&T seit 1985 entwickelt wurde. Die Standardisierung von SONET erfolgte durch ANSI. Heute sind die Unterschiede zwischen SONET und SDH gering, die beiden Konzepte sind interoperabel. Da PDH für Breitband-ISDN mit Bitraten oberhalb von 100 Mbit/s nur bedingt einsetzbar ist, wurde SDH primär als Übertragungssystem für B-ISDN konzipiert. Es eignet sich aber auch für den transparenten Transport aller interessierenden Nutzlasten (ATM-Zellen, Multiplex-Signale der PDH-Hierarchie, SAN-Signale, Ethernet-Aggregation etc.).
+ SDH im Schichtenmodell PSTN/ISDN / ATM / IP Application Layer VC-12 Layer Low Order Path VC-4 Layer High Order Path Multiplex Section Regenerator Section Physical Interface Physische Schnittstelle: In der Regel Glasfaser, Richtfunk oder Satellitenverbindung Regenerator: Auffrischen der gedämpften und verzerrten Signale bezüglich Takt und Amplitude Multiplexer: plesiochrone oder/und synchrone Signale zu hochbreitbandigen SDH-Bit-Strömen zusammenfügen bzw. Signale einfügen/auskoppeln VC (Virtuelle Container): transportieren Container mit Nutzdaten. VC-4–Layer regelt das Ein-/Ausgliedern (Mapping) von 140 Mbit/s-Signalen (E4), der VC-3-Layer das Mapping von 34/45 Mbit/s-Signalen (E3/DS3) und VC-12-Layer das Mapping von 2 Mbit/s-Signalen (E1)
Eigenschaften SDH stellt ein synchrones Zeitmultiplex-Verfahren dar, das ähnlich wie PDH eine Multiplex-Hierarchie beinhaltet. Ziel ist die bestmögliche Ausnutzung der von Glasfasern gebotenen Übertragungskapazität. Im Gegensatz zu PDH sind die Takte der einzelnen Übertragungsstrecken mit sehr geringer Abweichung synchron. Die PDH-Technik arbeitet mit Abweichungen von maximal 50 ppm, wogegen die SDH-Technik mehr als 10-mal genauer ist. Das Prinzip von SDH ist einfach: die Byteströme aus n Quellen mit der Rate R werden per synchronem Multiplex zu einem Bytestrom der Rate n · R zusammengefasst.
Im Gegensatz zur PDH ist es durch die synchrone Arbeitsweise der SDH möglich, ein Multiplex-Signal der Ordnung n+1 direkt aus den Signalen aller darunter liegenden Hierarchiestufen 1, ..., n zu bilden. Ebenso kann ein Multiplex-Signal niedriger Ordnung direkt aus den Rahmen höherer Hierarchiestufen herausgelöst werden. Diese Funktionen werden als add/drop bezeichnet. Das synchrone Multiplex-Verfahren ermöglicht auch den Transport von Bitströmen wie ATM-Zellen und PDH-Multiplex-Signalen. Diese Funktion wird als „Crossconnect“ bezeichnet.
SDH kennt die Hierarchiestufen gemäß der Tabelle. Die Rahmen der Stufe n werden mit STM-n (Synchronous Transport Module-n) bezeichnet. Die Stufen STM-1, STM-4, STM-16 und STM-64 werden häufig verwendet. SDH reserviert für OAM-Aufgaben (Operations, Administration and Maintenance) etwa 5 % der Bruttodatenrate.
SDH-Hierarchiestufen
Hierarchiestufe SDH Bitrate nominal Bitrate Nutzlast/Payload Bitrate Nutzdaten Bitrate Overhead Synchrones (elektr.) Transportsignal SONET Optisches Trägersignal SONET STM-0 * 51,84 Mbit/s 50,112 Mbit/s 49,536 Mbit/s 1,728 Mbit/s STS-1 OC-1 STM-1 * 155,52 Mbit/s 150,336 Mbit/s 148,608 Mbit/s 5,184 Mbit/s STS-3 ** OC-3 STM-2 207,36 Mbit/s STM-3 466,56 Mbit/s 451,044 Mbit/s 445,824 Mbit/s STS-9 OC-9 STM-4 * 622,08 Mbit/s 601,344 Mbit/s 594,824 Mbit/s 20,736 Mbit/s STS-12 ** OC-12 STM-6 933,12 Mbit/s 902,088 Mbit/s 891,648 Mbit/s STS-18 OC-18 STM-8 1.244,16 Mbit/s 1.202,784 Mbit/s 1.188,864 Mbit/s STS-24 OC-24 STM-12 1.866,24 Mbit/s 1.804,176 Mbit/s 1.783,296 Mbit/s STS-36 OC-36 STM-16 * 2.488,32 Mbit/s 2.405,376 Mbit/s 2.377,728 Mbit/s 82,944 Mbit/s STS-48 ** OC-48 STM-32 4.976,64 Mbit/s STS-96 OC-96 STM-64 * 9.953,28 Mbit/s 9.621,504 Mbit/s 9.510,912 Mbit/s 331,776 Mbit/s STS-192 OC-192 13.271,040 Mbit/s STS-256 OC-256 STM-128 19.906,560 Mbit/s STS-384 OC-384 STM-256 * 39.813,120 Mbit/s 38.486 Mbit/s - 1.327,104 Mbit/s STS-768 OC-768 STM-512 79.626,240 Mbit/s STS-1536 OC-1536 STM-1024 159.252,480 Mbit/s 153.944 Mbit/s - STS-3072 OC-3072
Die mit * markierten Stufen sind im Standard enthalten. Die mit ** markierten Hierarchiestufen in SONET haben die größte Verbreitung. STM-1 kann mit elektrischen oder optischen Schnittstellen, STM-4 und höher nur mit optischen Schnittstellen ausgeführt werden.
SDH-Netzelemente Grundtypen von Netzelementen in SDH-Multiplextechnik sind folgendermaßen definiert:
REG (Regeneratoren) verstärken optische Signale. Unterscheidungsmerkmal zu den rein optischen Verstärkern, wie sie im SDH-basierenden OTN verwendet werden, ist die Umwandlung des empfangenen optischen Signals in ein elektrisches. Erst das elektrische Signal wird verstärkt, zeitlich synchronisiert und in seiner Form korrigiert. Danach wird es wieder in ein optisches Signal zurückgewandelt und gesendet. Der rein optische Verstärker kommt ohne die Wandlung in ein elektrisches Signal aus. TM (Terminal-Multiplexer) besitzen meist mehrere plesiochrone Teilnehmerschnittstellen und ein oder mehrere Schnittstellen zum SDH-Netz. Sie fassen tributary signals (engl. adj. tributary, zufließend), die aus hierarchisch untergeordneten Netzelementen oder von Endgeräten stammen, zu einem Aggregatsignal einer SDH-Hierarchiestufe, zum Beispiel STM-1, zusammen, welches ins SDH-Netz weitergeleitet wird. ADM (Add-Drop-Multiplexer) sind eine Erweiterung des Terminal-Multiplexer. Sie verfügen über zwei aggregatseitige Schnittstellen für SDH-Signale gleicher Hierarchiestufe. Ein ADM kann die empfangenen Signale der beiden Aggregateschnittstellen in die darin enthaltenen Teilsignale aufspalten und einzelne davon den entsprechenden Tributaryschnittstellen zuleiten (drop), die Signale aber sonst unverändert zwischen der beiden Aggregateschnittstellen durchleiten. In umgekehrter Richtung fügt der ADM Signale, die an den Tributaryschnittstellen ankommen, anstelle der entnommenen Teilsignale wieder in die aggregateseitigen Signale ein (add). SDH-Netze in Ringtopologie erfordern ADMs, TMs sind in Ringen nicht zu verwenden. Crossconnect-Multiplexer bzw. DCS (Digital Cross-Connect System) (in Europa auch DXC genannt) sind wiederum Erweiterungen der ADMs. Sie verfügen über mindestens 4 aggregateseitige Schnittstellen und können sowohl die aus diesen entnommenen Teilsignale bzw. die an den Tributaryschnittstellen angekommenen Signale auf der VC-Ebene beliebig verschalten.
Funktionsmodell der SDH
SDH enthält Funktionen, die der OSI-Schicht 1 zuzuordnen sind. Die Funktionsblöcke und ihre Schichtung sind durch die folgenden Begriffe gekennzeichnet: Optische Teilstrecken (photonic) beziehen sich auf optische Signale auf Glasfasern und Umwandlungen optisch - elektrisch und umgekehrt. Regenerator-Abschnitt (Regenerator Section) bezeichnet einen Glasfaserabschnitt, der zwischen Regeneratoren (REG) oder zwischen einem Regenerator und einem anderen Netzelement angeordnet ist. Der Regenerator Section ist der RSOH zugeordnet. Multiplexer-Abschnitt (Multiplex Section) verbindet zwei Multiplexer (auch über mehrere Regeneratoren hinweg). Die Multiplex-Section verbindet zwei terminierende Ports derselben Rate STM-N. Der Multiplex Section ist der MSOH zugeordnet. HO-Pfad (High Order path oder trail) kann über mehrere Netzelemente (zum Beispiel über ADM, DCS und Regeneratoren) hinweg übertragen werden (ohne Neusynchronisation). Als AU4 gemapptes Signal enthält es einen VC4 (oder eine Verkettung von VC4 Containern, zum Beispiel für ATM-Datensignale) mit einem Nutzdatensignal der Rate E4 oder dient als Transportschicht für LO-Pfade. Dem HO-Pfad ist der VC4-POH zugeordnet. Weiterhin gibt es auch HO-Pfade der Rate VC3, wenn diese in eine AU3 eingemappt werden. LO-Pfad (Low Order path oder trail) der Raten VC11, VC12, VC3 sind in einem VC4 verpackt und transportieren die eigentlichen Nutzdatensignale mit Bitraten äquivalent zu DS1 bis E3. Dem LO-Pfad ist der VC11/12/3-POH zugeordnet.
Diese Schichten zeichnen sich durch eigenständige OAM Funktionen (zum Beispiel Übertragungsfehlerüberwachung, Alarmierung, Protection) aus, die unabhängig von der übergeordneten Übertragungsschicht funktionieren. So kann zum Beispiel auf HO-Ebene die Bitfehlerrate gemessen werden, ohne auf Daten der Multiplex-Sections zurückgreifen zu müssen. In umgekehrter Richtung aber wird bei Ausfall des höheren Layers die untergeordnete Schicht mit einem Fehlersignal belegt, d. h. beim Ausfall einer Multiplex-Section werden alle darin enthaltenen HO-Pfade und LO-Pfade verworfen.
Topologie von SDH-Netzen mini|Beispiel einer SDH-Ring-Struktur
In den meisten Ländern sind inzwischen die Transportnetze in SDH-Technik ausgebaut und die alte PDH-Technik ist weitgehend ersetzt.