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course of PDH and SDH
Typology: Study notes
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ème
UE3 – TR3 Année universitaire 2011- Module TR Transport des données : PDH, SDH, WDM Responsable : Frédéric LAUNAY
Ainsi, pour économiser le coût du réseau de transmission, plusieurs communications se partagent le même support physique et les utilisateurs sont connectés en mode point à point via des multiplexeurs. Les communications analogiques sont en général multiplexées en fréquence (FDM) alors que les communications numériques sont multiplexées dans le temps TDM. L’arrivée de la fibre optique a permis d’atteindre des performances de plusieurs centaines de Mbits/s jusqu’à des dizaines de Gbits/s par un multiplexage en longueur d’onde (WDM). La numérisation du réseau téléphonique par la technique MIC (à titre d’exemple le RNIS ou des réseaux spécialisés comme transpac) a permis de définir (et de normaliser) plusieurs niveaux de multiplexage. Le premier niveau de la hiérarchie est appelé débit primaire (E1 en Europe ou DS1 en Amérique). Ensuite, le multiplexage dans le réseau de transport de haut débit consiste à associer ou regrouper des débits incidents ou primaires au niveau des commutateurs centraux pour former un débit supérieur qui soit plus facile à transmettre et à gérer dans le plan de transmission. Le regroupement s’effectue dès que possible avec comme objectif de partager au moindre coût les supports physiques de transmission. La fonction de multiplexage s’introduit donc naturellement au sein du réseau téléphonique pour réaliser cet objectif. Il existe deux hiérarchies de multiplexages numériques :
Le PDH et SDH assurent le synchronisme temporel et un retard minimum sur les données transmises. Le XDH est donc dévolus aux applications à débits constants. Une autre procédure d’acheminement de données à été établis au CNET de Lannion, qui présente la particularité d’être modulable en temps réel entre les flux de données synchrones , à débits constant et sans régulation de flux, et les flux de données à débits variables pourvus de la régulation de flux. Il s’agit de l’ATM. Le SDH n’est pas adapté à des débits variables, ce n’est pas un réseau en mode paquet comme Internet. La SDH fourni une bande passante attribuée pour la voix ou la donnée. Pour modifier le débit, il est nécessaire de disposer d’une commande extérieure qui alloue dynamiquement les canaux de transmission aux besoins de chacun ; il y a soit un opérateur à chaque nœud de réseau, soit un réseau complémentaire de commande et de contrôle.
1. Le réseau longue distance (WAN) Cette partie du réseau, parfois également appelée réseau structurant, représente la couche supérieure du réseau de télécommunications. Elle est comprise entre deux autocommutateurs à autonomie d'acheminement, qui ont pour rôle d'aiguiller les informations d'une région à une autre, de la zone de l'expéditeur vers celle du destinataire. La transmission de ces informations se fait désormais sur fibre optique à une longueur d'onde de 1,55μm et à un débit élevé qui ne cesse de s'accroître (les débits 2,5 Gbits/s et 10 Gbits/s sont déjà installés et le 40 Gbits/s le sera très prochainement). Cette capacité ne pourrait être atteinte sans l'introduction des fibres optiques dans la chaîne. Elles ont permis de gagner en débit et en espacement entre répéteurs par rapport aux systèmes existants, à savoir le câble coaxial (la distance passe typiquement de 2 à 100 km). De plus, l'abandon des régénérateurs électro-optiques (photodétection, amplification électrique, reconversion optique) au profit des amplificateurs optiques, déployés environ tous les cent kilomètres, a permis de faire un bond en terme de capacité des liaisons. Dès le début des années 1990, l'amplification optique a permis de démontrer la possibilité de transmettre, sans répéteur, des signaux à 5 et 10 Gbits/s sur des distances transocéaniques. La liaison du réseau longue distance est désormais tout optique. 2. Le réseau métropolitain (MAN) Encore appelé réseau intermédiaire, le réseau métropolitain connaît en ce moment un véritable essor. Déployé entre le dernier autocommutateur à autonomie d'acheminement du réseau longue distance et une zone plus précise (arrondissement, campus, petite ville, ...), il possède un environnement souvent très complexe et divers. Fondamentalement, on peut distinguer les réseaux métropolitains structurants et métropolitains d'accès (Figure I- 2). Les réseaux métropolitains structurants sont généralement constitués d'anneaux de 80 à 150 km de circonférence avec six à huit noeuds. En revanche, les réseaux métropolitains d'accès sont des anneaux de 10 à 40 km de circonférence dotés de trois ou quatre noeuds avec des embranchements vers des sites distants. Suivant les réseaux ou les pays, ces chiffres peuvent varier considérablement. En particulier, il existe des différences notables entre les zones très peuplées d'Europe et d'Asie, où les distances seront inférieures, et les Etats-Unis où les applications métropolitaines s'apparentent à de véritables réseaux régionaux.
3. Le réseau local (LAN) [3] Il est également nommé réseau de distribution ou d'accès. C'est la dernière partie du réseau de télécommunication, celle qui relie l'abonné et le dernier autocommutateur. Sa longueur varie de 2 à 50 km et sa capacité est au plus du même ordre de grandeur que celle du réseau métropolitain. Il est toujours constitué par une partie en fibre optique entre l'autocommutateur et la terminaison de réseau optique suivie d'une partie en conducteur métallique qui va jusqu'au terminal de l'abonné. Cependant, il est de plus en plus envisagé dans l'avenir de réduire la contribution de l'électrique pour aller vers le tout optique dans le but d'augmenter le débit disponible chez l'abonné. Selon la localisation de la terminaison optique, différentes configurations sont envisageables :
La modernisation du réseau téléphonique commuté s’est conçu en numérisant les signaux analogiques de la voix. La bande passante étant de 300 Hz à 3400 Hz, pour respecter la condition de Nyquist, la voix est échantillonnée à fe=8 kHz, soit Te=125μs. L’échantillonnage correspond à la transformation du signal analogique en un signal numérique. L’amplitude de chaque échantillon est quantifié à la valeur la plus proche, et est représentée par un nombre codé sous forme binaire par le biais d’une modulation MIC G.711. On échantillonne le signal à 8 kHz puis on converti les échantillons en données numérique sur 8 bits, soit un débit par voix de 64 kHz. Pour transiter plusieurs appels téléphoniques sur un même câble, on opère un multiplexage temporel : le signal MIC d’une voix n’a pas la nécessité d’occuper le canal de transmission pendant la totalité du temps entre deux échantillons. On transmet ce signal sur une durée très courte par rapport au temps séparant deux échantillons (125 μs), ce qui permet d’entrelacer, dans l’intervalle de temps inoccupé d’autres communications.
Le système MIC normalisé par les Européens est appelé MIC E1 ( E uropéen, 1 er^ Niveau). La normalisation s’est arrêtée sur la transmission de 30 voies de données plus deux voies annexes appelées voies d’information par multiplexage temporel. On divise donc l’intervalle séparant 2 échantillons successifs pour une voie par 32 Intervalles de Temps égaux par l’aide de Multiplexeur
Le multiplexeur est un équipement qui permet de mettre en relation plusieurs utilisateurs, à travers une liaison partagée, en point à point. Il s’agit d’une méthode de gestion de l’information physique qui permet à un canal de transporter des informations de plusieurs sous canaux, et en full duplex. Un multiplexeur n voies simule sur une seule ligne n liaisons points à points. Chaque voie d’entrée et de sorties est appelée voie incidente. Le multiplexage des voies, c'est-à-dire la voie véhiculée par le support partagé est appelée voie composite. Le partage de la voie composite peut être un partage de la bande disponible (spatial : en fréquence ou en longueur d’onde), ou un partage temporel, c'est-à-dire chaque signal utilise durant un temps prédéterminé toute la bande utile de la voie composite. Les multiplexeurs temporels relient par scrutation une voie incidente en entrée à une voie incidente en sortie durant un intervalle de temps prédéterminé, appelé IT.
Le transport de données s’effectue par blocs de données, nommées trames. Les trames se suivent sans interruption, en substituant le manque de données (quand il n’y a rien à transmettre) par des bits de bourrage. Les trames comportent de zones principales de données :
RNIS). Pour rappel, le traitement de la parole produit une suite d’échantillons (procédé MIC) codé sur 8 bits toutes les 125 μs. Entre deux mots de 8 bits, il est possible d’insérer des mots provenant d’autres voies (Recommandation G711). Le multiplexage des différentes voies dans une trame s’effectue en respectant toujours le même ordre d’émission. La trame est ainsi composée d’intervalles de temps élémentaire (IT ou timeslot) dans lequel se trouve un octet ( bits). Pour un utilisateur, chaque IT lui correspondant est séparé périodiquement de 125μs. En Europe, la trame est composée de 32 IT dont deux sont utilisés pour la signalisation, le Japon et l’Amérique du Nord émettent quant à eux 24 IT dans la trame auquel il faut rajouter un bit de verrouillage de trame (soit un total de 193 bits par trame). Il s’agit du premier niveau de multiplexage, normalisé par l’avis G.704 de l’UIT. Figure n°4 : Structure de la trame E1-MIC (Standard européen) Le Japon, l’Amérique du Nord et l’Europe ont défini des standards différents en terme de multiplexage temporel primaire. Cette différence va générer des standards propres à chaque niveau de multiplexage (E1 à E4 en Europe et DS1 à DS3 en Amérique du Nord). Sur la figure 4, nous représentons le nombre de voies utiles multiplexées et les débits réels correspondant. Figure n°5 : Hiérarchisation plésiochrone PDH Le principe de multiplexage plésiochrone étant de construire des débits supérieurs directement à partir du débit inférieur, on obtient les débits de base de 2.048, 8.448, 34.468, 139. Mbit/s en Europe et 1.544, 6.312 et 44.736 Mbit/s en Amérique du Nord. Des interfonctionnements 2048 vers 6312 et 44736 vers 139264 Mbit/s sont prévus par la norme. E1 (^) E2 E3 E DS1 DS2 DS Information Signalisation
variations des impulsions électriques du signal codé par rapport à sa position idéale dans le temps (figure 5). Les impulsions ne sont plus à leur place et les intervalles de temps entre impulsions varient également. Figure n°6 : Gigue du signal L’écart de positionnement est mesuré par l’amplitude de gigue ou une variation de phase. L’amplitude est spécifiée par rapport à l’intervalle unitaire (UI = Unit Interval) qui est l’intervalle de temps T entre 2 impulsions d’un signal de référence sans gigue (dans le cas du système 2 Mbit/s, UI = 488 nsec). La gigue est aussi spécifiée en degrés, un UI étant alors égal à 360°. L’amplitude de gigue varie au cours du temps de manière aléatoire. Les variations typiques de gigue ont une fréquence de l’ordre de 10 Hz jusqu’à quelques kHz. Les régénérations et les opérations de multiplexage et de démultiplexage sont les principales sources de gigue dans le réseau. Les qualités des signaux, dont les mesures sur la gigue, sont définies dans les recommandations G.821 à G.826. Le dérapage (wander) est une gigue basse fréquence (< 10 Hz) qui est due à des facteurs environnementaux (e.g. différences de température sur la longueur d’un chemin de transmission). L’erreur est plus importante que la gigue. La gigue et le dérapage doivent être maintenus dans des limites spécifiées (voir Rec .UIT e.g. G.823) car ils induisent des glissements (“slips”=perte de trame) dans les commutateurs. Ces considérations font qu’un terminal de commutation contient un module de synchronisation dont le rôle est d’aligner les trames des affluents incidents ( bit de justification ). Le module de synchronisation est lui même précédé d’un terminal de jonction qui assure la formation du signal HBD3 et la régénération du signal reçu. Figure n°7 : Représentation de la gigue
Pour remédier aux écarts d’horloges et de débits, la solution retenue comme indiquée précédemment est de régénérer le signal reçu pour reconstituer le signal à la fréquence moyenne (figure 7) et de synchroniser les données. Figure n°8 : Régénération La suppression de la gigue peut s’effectuer dans un répéteur pourvu d’un dispositif de lissage de fréquence et de mémoires tampons suffisantes. La gigue représentant une variation en fréquence de l’horloge autour de la fréquence nominale, l’horloge source est tantôt supérieure, tantôt inférieure à l’horloge d’émission. Par conséquent le débit du signal entrant est parfois supérieur au débit sortant. Dans ce cas, il est nécessaire de stocker les bits excédentaires en attente d’une dérive opposée de l’horloge. Toutefois, pour limiter la taille des mémoires tampons élastique, l’UIT a imposé une dérive d’horloge maximale de 10-6^ ppm. Figure n°9 : Lissage de fréquence. Cependant le dispositif de régénération est insuffisant puisque d’une part ce dispositif (mémoire) introduit un retard (temps de rétention des bits) et que d’autre part, les bits sont reçus à la vitesse de la fréquence d’entrée. Or, supposons que la fréquence d’entrée soit, de par la gigue, plus rapide que la fréquence de sortie, alors l’horloge de sortie n’a pas la vitesse suffisante pour ré-emettre tous les bits reçus dans l’instant considéré. Le problème est réssolus en mémorisant les bits en surnombre, en attendant une fréquence d’entrée inférieure à la fréquence de sortie.
1- Justification nulle : l'affluent a exactement le même débit L/TT (q+1 bit en TT), dans ce cas P est un bit d'information, N est rempli avec un bit quelconque dit bit de remplissage. 2- Justification positive : l'affluent est au débit X+∆X (q+2 bit durant TT). P et N sont remplis chacun avec un bit d'information de manière à compenser la variation +∆X. 3- Justification négative : l'affluent est au débit X-∆X , N et P sont des bits de remplissage.
E2, E3, E
La hiérarchisation définie en Europe pour les réseaux de transmission est à 4 niveaux (cf. Figure 1). Ainsi la recommandation G 732 adoptée en Europe fixe le débit à 2048 kbit/s. Chaque trame est définie par une durée de 125 μs divisée en 32 IT numérotés de 0 à 31. Au niveau Européen, les IT 1 à 15 et 17 à 31 sont dédiés aux transferts d’informations. Les autres IT servent à la signalisation :
Une succession de 16 trames constitue une multitrame. a) Structure et utilisation de l’IT0 (avis G.732) L’IT0 est utilisé soit pour le verrouillage de trame (VT) pour les trames impaires, soit pour les services pour les trames paires. Dans le premier cas, les 8 bits de l’IT0 correspondants à la trame de verrouillage sont définis par la première ligne du tableau 1, et les 8 bits de la trame paire correspondant au service sont définis par la deuxième ligne du tableau : SI 0 0 1 1 0 1 1 SI 1 A Sa4 Sa5 Sa6 Sa7 Sa Le premier bit Si de l’IT0 est réservé pour usage international. II est généralement dédié au contrôle des erreurs de transmission par la méthode CRC4 pour la trame de verrouillage. Lorsqu’il est utilisé pour la détection d’erreurs de transmission, le premier bit Si porte lui- même une structure de multiplexage par entrelacement de bits. Cette structure s’étend sur 16 trames (soit une durée de 2 ms) qui portent alors le nom de multitrame CRC4 (figure 9). Trame avec VT Trame sans VT 1 Position du bit 8
Figure n°11 : de l’IT à la multitrame La procédure CRC a été conçue pour assurer une protection supplémentaire contre la recopie du contenu de la trame de verrouillage au niveau de la trame sans verrouillage et pour améliorer les possibilités de contrôle d'erreurs de transmission. Dans ce cas, la multitrame CRC4 se divise en deux sous-multitrames (composée de 8 trames chacune) appelées sous multitrame1 et sous multitrame2 (respectivement SMF1 et SMF2 en Anglais) dans laquelle est insérée le mot de contrôle. Figure n°12 : Décomposition de la multitrame en deux sous-multitrames La figure 10 présente la structure de multitrame et les mots de contrôle C1 à C4. Chaque sous- multitrame transmet donc 4 bits de CRC-4, appelés C1, C2, C3 et C4 au niveau du premier bit Bit 1 de l’IT0 de chaque trame
Les bits Sa non utilisés doivent être fixés à 1. b) Structure et utilisation de l’IT L’IT16 est généralement réservé au transport de la signalisation des diverses voies du multiplex. Dans ce cadre, on peut distinguer deux modes principaux de transport de la signalisation :
de longues suites de données à zéro, des impulsions sont ajoutées en violant le principe d’alternance des polarités (viols de parité). Ces impulsions sont reconnues et retirées à la réception.
Dans ce type de multiplexage, on suppose la synchronisation de toutes le horloges des canaux affluents. Il n’y a donc aucun dispositif de régulation d’horloge (justification) à prévoir. Les 4 affluents entrant fournissent au multiplexeur 32 IT à 2048 kbit/s. La trame comporte 132 ITs de 8 bits soit 1056 bits en 125 μs. L’horloge de sortie est donc de 8448 kHz avec une variation relative de 30 ppm. Il s’agit d’un multiplexage octet par octet. Le verrouillage de trame est de 14 bits : 11100110100000. La trame ainsi construite est de la forme : IT0 : 1er^ octet : 11100110 Alignement IT1 : 2ème^ octet : IT 0 de l’affluent n°1 soit l’IT de verrouillage de l’affluent 1 IT2 : 3ème^ octet : IT 0 de l’affluent n°2 soit l’IT de verrouillage de l’affluent 1 IT3 :4ème^ octet : IT 0 de l’affluent n°3 soit l’IT de verrouillage de l’affluent 1 IT4 : 5ème^ octet : IT0 de l’affluent n°4 soit l’IT de verrouillage de l’affluent 1 IT5 à IT32 : 6ème^ octet à l’octet 33 soit 28 octets : 7 ITs (IT1 à IT 7) de chaque affluents IT33 : Spare Time Slot : IT remplissage IT34 à 65 : 32 IT, 8 IT par affluents (IT8 à IT15) IT 66 : Signal de verrouillage de trame, les 6 derniers bits restant 100000 + 2 bits de service IT67 à 70 : Signalisation voie par voie (IT16 de chaque affluent) IT71 à 98 : Reservés aux ITs des affluents soit 28 ITs donc 7 par affluent (IT17 à IT23) IT 99 : Spare Time Slot : IT remplissage IT 100 à 131 :32 Its soit 8IT par Affluent (IT24 à IT31) NB : Dans le cas d’une signalisation par canal sémaphore, pour un canal dédié les ITs de services IT2, IT3, IT4, IT67 à IT70 sont aussi réservé à la téléphonie IT0, IT1, IT33, IT66,IT99 sont des IT de services.
a) Caractéristiques générales