Plesiochronous_Digital_Hierarchy

La Jerarquía Digital PlesiócronaIntroducción
Con la incursión de los sistemas digitales en los años 60, llego a ser plausible la
posibilidad de mejorar el rendimiento de las enteriores redes analógicas de
telecomunicaciones. Estas redes estaban basadas en esquemas de modulación
de frecuencia para la transmisión de canales de voz, pero está técnica era muy
rígida y degradaba la calidad de los canales debido a sucesivas modulaciones y
demodulaciones analógicas, que introducían ruido en la señal transmitida.
Tres jerarquías diferentes se han desarrollado: en Europa, USA y Japón, cada una
con diferentes velocidades de bit y esquemas de multiplexión aunque todas ellas se
basan en la misma filosofía de multiplexado y justificación.
El primer sistema de comunicaciones digitales fué instalado por los
Laboratorios Bell en 1962 en USA, y consistía en 24 canales digitales de voz
funcionando como lo que hoy es conocido como T1, eso es, 1544 kbit/s. De todas
formas, esta tecnología no fué completamente adoptada hasta mediados de los
años 70, dada la existencia de gran cantidad de sistemas analógicos de alto coste
existentes, y dado que los semiconductores resultaban demasiado caros.
Aspectos Generales de la PDH
Los canales de voz, y más concretamente, los canales telefónicos, son
muestreados 8000 veces por segundo, de acuerdo con el criterio de Nyquist. De
esta forma, cualquier tecnología de transmisión preparada para transportar esa
información debe admitir una muestra del canal cada 125 microsegundos. Al ser la
PDH una técnica de TDM síncrono, la estructura de trama de cualquier trama PDH
debe durar necesariamente 125 us, independientemente de el número de canales
de voz transportados.
Dos aproximaciones han sido adoptadas, que difieren principalmente en el
número de canales de voz que la trama contiene y en la forma en la que la
señalización es transportada. La primera aproximación es la adoptada en Japón y
USA, en la que 24 canales de voz son transportados en la trama. Además de esos
24 canales de voz, que son los que forman básicamente la trama T1, un único bit
es añadido a esta trama lo que le proporciona alineamiento de trama y servicio
mínimo de señalización. De esta forma, la capacidad to total requerida es:
(24 canales ï 8bit/canal + 1bit) / 125 us = 1,544 Mb/s.
Una aproximación diferente fué la adoptada en Europa, se tuvo un cuidado
especial en proporcionar servicios de señalización y sincronización en la trama E1.
En este caso 30 canales de voz son transportados por la trama, además de dos
canales, de la misma capacidad que el canal de voz, que permiten la transmisión
de información de alineamiento de trama, comunicación de alarmas y bits de
CRC. Además, cada canal de voz es señalizado mediante un canal
especialmente dedicado a ello, lo que permite disponer de 2 kbit/s para cada
canal. De esta forma la capacidad total de transmisión en un enlace E1 es:
(32 canales * 8 bits/canal) / 125 us = 2,048 Mb/s.
Estos circuitos pueden a su vez ser multiplexados dentro de circuitos de nivel
más alto, dando lugar a las jerarquías de transmisión, requiriendo cada nivel más
bits de control. La multiplexión PDH no está exenta de problemas. Estos problemas
surgen principalmente cuando se tienen que demultiplexar los circuitos
transportados hasta cierto nivel, especialmente si es necesario extraer un canal de
voz básico. Al tener todos los circuitos, en cada jerarquía su propio reloj, eso es, no
hay una base de tiempos común para todos los sistemas (excepto, obviamente,
en los que transmiten a la misma velocidad), no es posible extraer un circuito sin
tener que demultiplexar completamante la señal hasta el nivel requerido. Este
hecho se debe a una razón histórica, dado que los sistemas digitales han
desplazado gradualmente a los anteriores sistemas analógicos, que tenian
diferentes valores de temporización debido a razones tecnológicas.
La principal consecuencia de esta aproximación es que cada canal no tiene una
asignación estricta en ningun slot temporal, y por lo tanto cada circuito es
mapeado dentro de un nivel superior utilizando justificación, para acomodar
cualquier diferencia en sus respectivas temporizaciones. Es por esta razón que la
PDH es denominada plesiócrona, porque no es exactamente síncrona.
La Justificación, o la inserción de bits para resolver la ausencia de información
que se produce en ciertos momentos debido a diferencias de reloj, resuelve
algunos problemas, como el de la sincronización entre equipos terminales, pero
también introduce otros. De estos problemas, uno de los más importantes, por lo
menos cuando se considera el diseño de esta tecnología, es la necesidad de
identificar el inicio de una nueva trama. Una vez este inicio ha sido localizado, y
dado que ya se conoce como es la estructura de trama, es un procedimiento
sencillo desmapear y extraer toda la información transportada en ese nivel.
Para realizar estas tareas se han desarrollado lo que se denominan
Multiplexores de Inserción & Extracción, equipos que permiten añadir o sustraer
cualquier señal hasta el nivel de detalle requerido. Ello incrementa el coste de la
totalidad de la red PDH, dado que las líneas de transporte tienden a ser de la más
alta velocidad posible, y que los circuitos a extraer serán, naturalmente, los de
velocidad mas baja, que son los que la inmensa mayoría de usuarios demandan.
Otro factor a tener en cuenta, y uno importante, es la dificultad de realizar
una correcta monitorización del estado de los enlaces, dado que es realmente
difícil extraer e interpretar las señales de alarma. Ello hace más complicado reducir
problemas en la red y corregir funcionamientos incorrectos.
Alineamiento de Trama
La PDH, a cualquier nivel, es una tecnología de transmisión estructurada, y
por lo tanto cada bit, tiene un significado y una función, y para una correcta
comprensión, es completamente necesario tener una indicación del inicio de la
trama. Para que el receptor de la trama básica E1 pueda reconocer el inicio de la
trama una estructura de bits especial se inserta en el inicio de algunas tramas. De
esta forma se realiza la sincronización. Una FAS, señal de alineamiento de trama, se
introduce en el principio de las tramas pares, eso es, una FAS se introduce cada
dos tramas E1. El byte restante en las tramas impares es denominado NFAS (No
FAS) y es utilizado para el transporte de información de alarmas, bits sobrantes
reservados para uso nacional y algunos más son bits de alineamiento de
multitrama como será explicado más adelante.
FAS & CRC-4
Dentro de el byte de FAS el primer bit se dedica a realizar un CRC-4, por lo tanto es
necesario recibir 4 FAS para formar el código que permite el reconocimiento de
una correcta sincronización y recepción de tramas. El resto de los bits de la FAS,
eso es, los bits de 1 al 7, siempre forman la combinación 0011011, lo que permite
identificar el inicio de la nueva trama.
Para realizar una demultiplexión correcta de la señal entrante, cada trama consta de una
señal de alineamiento de trama (FAS), que le permite localizar el inicio del nuevo conjunto
de datos.
Por supuesto, la recepción y el cálculo de los bits de CRC es una aplicación de
procesado intensivo que fué difícil de realizar por los primeros equipos que
aparecieron en el mercado, pero hoy en día la mayoría (si no todos) los equipos
realizan esta operación. La repetición del FAS es necesaria para evitar cualquier
confusión debida su aparición aleatoria en los bytes de los canales de voz lo que
podría producir errores en la identificación de señales.
Como se muestra en la siguente figura, la trama E1 completa, a la que se
denomina Multitrama, esta formada por 16 tramas básicas, con una duración
cada una de ellas de 125 us. Por lo tanto, la multitrama tiene una duración total de
2 ms. La multitrama misma, se divide en dos submultitramas, cada una consta de 8
tramas básicas. Es sobre esas 8 tramas que el CRC-4 es calculado, y su CRC es
enviado sobre los primeros bits de las tramas pares de la siguiente submultitrama.
Obviamente, en el lado de recepción, el CRC-4 es calculado de la submultitrama
ya recibida y comparado con el CRC-4 recibido en la siguiente submultitrama
para realizar la inspección. En caso de que un error sea detectado, una alarma
será señalizada hacia el emisor a traves de otra trama viajando en el sentido
contrario. Este método, CRC-4, para la detección de errores es una buena opción
para BERs mejores de 10E-3, dado que para mayores valores de BER podrían dañar
los bits de CRC. La gran ventaja del método de CRC es que todos los bits son
monitorizados y no solo algunos bits, como se hace con otras técnicas. Y, aunque
el CRC-4 deja una probabilidad de error marginal del 6,25 %, este es un nivel
aceptable para trabajar.
La estructura basica de la trama E1, compuesta por 32 canales, se convierte en una señal
más complicada cuando se consideran todos los controles requeridos para un correcto
alineamiento y detección de errores.
Tratamiento
de
errores
El tratamiento que PDH de a los errores es muy diferente del realizado en
comunicaciones de datos. Muchas diferencias pueden señalarse entre estas dos
tecnologías como, por ejemplo, el hecho de que en PDH no se retransmite
ninguna trama, ya que ello podría introducir un nivel inaceptable de retardo y
porque las tramas no se almacenan en los ADMs. La filosofía en PDH es bastante
diferente. Los errores de transmisión son monitorizados y comunicados, y si la red
proporciona un rendimiento demasiado bajo, se toman las medidas necesarias
para corregirla. La corrección y recuperación de errores se deja para la capa de
enlace en el modelo OSI, y PDH únicamente se ocupa de una parte de la capa
física.
PDH: la Jearquía Digital Plesiécrona (3)
Canal
de
Señalización
y
Multitrama
El slot número 16 de cada trama básica de 2 Mbit/s se reserva para el transporte
de protocolos de señalización para los 30 de 64 kbit/s que llegan directamente a
los usuarios de la PSTN. Por esta razón, los multiplexores de la red deben modificar
la información de señalización de los canales.
Cada canal tiene asignado un espacio de señalización de 2 kbit/s en la multitrama
E1, a traves de 4 bits (conocidos genéricamente como a,b,c y d) en el canal 16,
que constituye un canal de señalización de 64 kbit/s. Para realmente conocer
donde esta el inicio de este canal de señalización, los primeros cuatro bits son
marcados como cero (0000), y los siguientes cuatro bits de este byte no
transportan información de señalización, sino información de justificación y
alarmas. Estos cuatro primeros bits son los denominados MFAS mientras que los
siguientes cuatro bits se denominan NMFAS (no señal de alineamiento de
multitrama).
Estas
son
las
velocidades
binarias
en
la
Jerarquía
Europea,
empezando desde el nivel básico, el E1 de 2048 kbit/s, al nivel superior, el E4 de 140
Mbit/s.
Administración
de
Alarmas
Para la transmisión de alarmas, PDH hace uso de los campos NFAS y NMFAS.
Cuando un ADM detecta una disminución en la calidad de transmisión, o porque
el nivel de error es demasiado alto o porque un desalineamiento de trama ha sido
detectado, debe comunicar este hecho al otro extremo de la conexión, eso es, al
transmisor. Esta alarma es comunicada en el bit 3 de la NFAS y normalmente se
denomina 'Indicador de Alarma Remota'.
Entonces, el multiplexor remoto considera si la situación es peligrosa, y procede a
realizar un realineamiento de trama. Este realineamiento se reañiza poniendo toda
la tributaria a uno ('1'), eso es, todos los contenidos de los canales a 1, para facilitar
la resincronización, pero manteniendo la palabra FAS en su correcto valor.
Un procedimiento similar es efectuado por la señal de NMAS. Cuando el receptor
pierde el sincronismo de multitrama, envía hacia atrás una alarma en el sexto bit
del primer byte del canal 16 (el dedicado a la información de señalización). Esta
alarma es denominada AIS64, o señal de indicación de alarma. De esta forma, el
multiplexor indica que puede recuperar la información de los canales, pero no la
información de señalización, ni los bits de CRC.
La estructura de trama PDH tambien localiza espacio para la generación de alarmas, lo
que permmita avisar al otro lado del enlace de transmisión sobre el evento que se ha
producido.
Bits
sobrantes
La palabra de NFAS deja sitio para aplicaciones específicas punto a punto. Hay
cinco bits para este tipo de aplicaciones. Por ejemplo, es normal utilizar el bit S4
para opoeraciones de monitorización y mantenimiento, mientras que los bits S5-S7
se reservan para uso nacional, eso es, estan reservados para cualquier proposito
que el operador pueda necesitar. En caso de que estos bits no se utilicen, siempre
deben dejarse a uno en conexiones internacionales.
Justification
Debido a diferencias entre los relojes respectivos de los multiplexores, es necesario
implementar un mecanismo para adaptar las diferentes velocidades de bit y de
esta forma garantizar la correcta transmisión de las tributarias sin slips ni fallos. Con
este fin, algunos bits en los niveles altos pueden dejarse desocupados, y ser
llenados selectivamente con información o simplemente con bits de relleno. Par
conocer cuando estos bits estan transportando información o no, existen también
algunos bits de control distribuidos en la trama que sirven de indicación. Utilizando
un sistema de decisión por mayoría, para evitar errores, estos bits de control
obligan al multiplexor a ignorar ese bit cuando no contiene información, o
incorporarlo a la tributaria que estña siendo demultiplexada. De hecho en la
jerarquía de transmisión PDH, la justificación significa dejar cierto bit que
normalmente esta lleno desocupado. Esto se denomina justificación positiva.
A traves de un voto de mayoría entre los bits de control de justificación, el multiplexor
determina cuando el bit de justificación considerado transporta información o no.
PDH: la Jerarquía digital Plesiócrona (y 4)
La
jerarquía
de
multiplexión
Empezando desde el primer nivel a 2 Mbit/s, todos los niveles superiores utilizan una
estructura de trama similar con una señal de alineamiento de trama (FAS) en el
inicio de la trama. Debido al hecho de que una señal de nivel superior es
construida multiplexando cuatro señales del nivel inmediatamente inferior, que son
multiplexadas bit a bit, no es posible extraer una señal concreta sin demultiplexar
completamente la señal de orden superior en la cual está completamente
transportada.
Segundo
Nivel
de
Multiplexión:
8
Mbit/s
(E2)
Los 8 Mbit/s se dividen en cuatro bloques, que estan separados por los bits de
control de justificiación. Como puede verse en la figura de a continuación, los
bloques segundo y tercero son idénticos, una multiplexión simple de las señales
transportadas de 2 Mbit/s, mientras que el primer y cuarto bloques son diferentes.
El primer bloque contiene la palabra de FAS (1111010000), el bit A de alarma
urgente (utilizado hacia atrás para señalizar eventos o problemas), los bits
sobrantes S, reservados para uso nacional (a veces utilizados como alarma no
urgente) y 20 bits de información.
El cuarto bloque contiene cuatro bits de justificación, para cada tributaria
contenida en la señal de E2, y más bits de información. Como ya ha sido señalado,
la justificación es positiva, eso significa que la justificación no contiene información
la mayoria del tiempo. Para que el demultiplexos sepa cuando el bit de
justificación contiene información o no, se utilizan los bits de control de
justificación. Estos bits están distribuidos a lo largo de la trama para minimizar la
probabilidad de que un error pueda modificar a dos de ellos, y la decisión es
tomada por mayoría. Con un simple cálculo, es fácil notar que, para adaptar la
tributaria E1 funcionando a su velocidad nominal de 2048 kbit/s dentro de la señal
E2, los bits de justificación deben utilizarse, alrededor del 42,4% de las veces.
La estructura de trama de 8 Mbit/s proporciona un bit de justificación par la señla tributaria
E1 que es transportada en ella. Los bits de justificación se localizan en el último bloque de
la señal, mientras ue los bits de control de justificación se encuentran distribuidos en toda
la trama para reducir la posibilidad de una ráfaga de error que afecte a varios bits de
control a la vez.
Tercer
Nivel
de
Multiplexión:
34
Mbit/s
(E3)
La estructura de trama de la señal de 34 Mbit/s está definida en la recomendación
G.751 de la ITU-T. Est trama tiene una longitud total de 1526, siendo la estructura de
multiplexación idéntica a la utilizada en el nivel de 8 Mbit/s, con la única diferencia
que el coeficiente de justificación para la señal de 8 Mbit/s es, en este caso, de
43,6 %.
La justificación de la señal tributaria transportada sigue un esquema similar en todos los
niveles: algunos bits de control para indicar cuando el correspondiente bit de justificación
esta lleno de información o no.
Cuarto
Nivel
de
Multiplexación:
140
Mbit/s
(E4)
La estructura de trama de la señal E4, está definida en la recomendación G.751
de la ITU-T. En este caso, pueden verse 6 bloques diferentes, mientras, en los otros
niveles, únicamente el primer y el último bloque eran diferentes. La palabra de
alineamiento de trama es también diferente: 111110100000, siendo el coeficiente
de justificación también diferente: 41.9%.