Jerarquía digital plesiócrona

La jerarquía digital plesiócrona​ —abreviada como PDH, del inglés Plesiochronous Digital Hierarchy—​ es una tecnología usada en telecomunicación tradicionalmente para telefonía que permite enviar varios canales telefónicos sobre un mismo medio (ya sea cable coaxial, radio o microondas) usando técnicas de multiplexación por división de tiempo y equipos digitales de transmisión. También puede enviarse sobre fibra óptica, aunque no está diseñado para ello y a veces se suele usar en este caso SDH —Synchronous Digital Hierarchy—.

Fig. 1 Niveles de PDH

La jerarquía usada en Latinoamérica es la misma de Europa que agrupa 30+2 canales de 64Kb/s para obtener 2048 kbit/s (E1). Luego multiplexado por 4 sucesivamente se obtiene jerarquías de nivel superior con las velocidades de 8 Mbit/s (E2), 34 Mbit/s (E3) y 139 Mbit/s (E4).

Introducción

El término plesiócrono se deriva del griego plesio, cercano y chronos, tiempo, y se refiere al hecho de que las redes PDH funcionan en un estado donde las diferentes partes de la red están casi, pero no completamente sincronizadas. La tecnología PDH, por ello, permite la transmisión de flujos de datos que, nominalmente, están funcionando a la misma velocidad (bit rate), pero permitiendo una cierta variación alrededor de la velocidad nominal gracias a la forma en la que se construyen las tramas.

Principios de entramado y multiplexación PDH

En el sistema europeo, se tiene hasta cinco jerarquías, como se puede observar en la siguiente tabla.

Jerarquía	Velocidad	Canales	Trama
E1	2048 Kbit/s	30	256 bits = 125 us
E2	8448 Kbit/s	120	848 bits = 100.38 us
E3	34368 Kbit/s	480	1536 bits = 44,7 us
E4	139264 Kbit/s	1920	2904 bits = 20.85 us
E5	564992 Kbit/s	7680	2688 bits = 4.7 us

Un equipo multiplicador digital recibe un número N de señales numéricas, llamadas tributarios, que se presentan a su entrada en paralelo y produciendo una señal digital de mayor velocidad de información como mínimo N veces superior a la de los tributarios.

• fm >= N × ft

• fm = frecuencia múltiplo.

• ft = frecuencia de tributario.

Los tributarios de entrada deberán estar en fase y en igualdad de frecuencia entre sí, pero en realidad no es así sino que tienen distinta fase entre sí y variación de las frecuencias.

• ft< = ft ± Δft

• fm = fm ± Δfm

A cada señal tributaria se le añaden unos bits que se llaman de relleno o de justificación, y unos bits que se llaman de control de justificación, para que el extremo receptor pueda distinguir los bits que son de información y los que son de relleno. Este proceso es conocido como justificación, y tiene por objeto absorber las ligeras diferencias de frecuencia que pueden presentar los distintos tributarios, ya que pueden haberse constituido con fuentes de reloj diferentes. De esta forma, a los tributarios más lentos es necesario añadirles más bits de relleno que a los tributarios más rápidos. En el extremo receptor, los bits de relleno son oportunamente reconocidos y cancelados gracias a la información que transportan consigo los bits de control de la justificación. En consecuencia, la velocidad de la señal agregada es mayor que la suma de las velocidades de las señales tributarias.

• fm > N × ft ---> fm = (N × ft) + fr

• fr = frecuencia de los bits de redundancia.

Jerarquías europea (E1), norteamericana (T1) y japonesa (J1)

PDH se basa en canales de 64 kbps. En cada nivel de multiplexación se van aumentando el número de canales sobre el medio físico. Es por eso que las tramas de distintos niveles tienen estructuras y duraciones diferentes. Además de los canales de voz en cada trama viaja información de control que se añade en cada nivel de multiplexación, por lo que el número de canales transportados en niveles superiores es múltiplo del transportado en niveles inferiores, pero no ocurre lo mismo con el régimen binario.
Existen tres jerarquías PDH: la europea, la norteamericana y la japonesa. La europea usa la trama descrita en la norma G.732 de la UIT-T mientras que la norteamericana y la japonesa se basan en la trama descrita en G.733. Al ser tramas diferentes habrá casos en los que para poder unir dos enlaces que usan diferente norma haya que adaptar uno al otro, en este caso siempre se convertirá la trama al usado por la jerarquía europea.
En la tabla que sigue se muestran los distintos niveles de multiplexación PDH utilizados en Norteamérica (Estados Unidos y Canadá), Europa y Japón.

Nivel	Norteamérica			Europa			Japón
	Circuitos	kbit/s	Denominación	Circuitos	kbit/s	Denominación	Circuitos	kbit/s	Denominación
1	24	1544	(T1)	30	2048	(E1)	24	1544	(J1)
2	96	6312	(T2)	120	8448	(E2)	96	6312	(J2)
3	672	44 736	(T3)	480	34 368	(E3)	480	32 064	(J3)
4	4032	274 176	(T4)	1920	139 264	(E4)	1440	97 728	(J4)

Los flujos de datos que llegan a los multiplexores se les suele llamar como tributarios, afluentes o cargas del múltiplex de orden superior la mayoría de las veces.

Jerarquía Europea (E1)

- Definida por el sistema G.732 del CCITT

Fig. 2 Estructura de Multitrama E1

- Define un conjunto de 32 slots de tiempo de 8 bits, cada uno a una velocidad de 64 kbit/s.
- Slot 0 y slot 16 reservados para administración y señalización del canal, esto se puede ver en la Fig. 2
- Cada trama tiene una duración de 125 us.
- Los primeros 8 bits (TS0) de cada trama es un encabezado H, el cual lleva el protocolo G.704.
- Los otros 248 bits pueden ser usados para la transmisión de datos. (datos de usuario), tienen una tasa de bits disponible de 1984 kbit/s ó 31*64 kbit/s.
- La ley de codificación utilizada es la ley A (alaw) especificada en la Recomendación G.711 que proporciona un flujo de datos de 64 kbit/s. G.711 es un estándar para representar señales de audio con frecuencias de la voz humana, con 256 niveles de cuantización y una tasa de muestreo de 8000 muestras por segundo.
- Se permite una variación, alrededor de la velocidad exacta de 2,048 Mbit/s, de ±50 ppm (partes por millón). - Esto significa que dos flujos diferentes de 2 megas pueden estar funcionando a velocidades ligeramente diferentes uno de otro.

Canal de Administración TS0

- Contiene los bits del encabezado de G.704.

Fig. 3 FAS (Palabra de alineación de trama)

- Se utiliza para enviar:

• Sincronización
  
• Alineamiento de trama (FAS)
  
• Información de supervisión del enlace.
  
• Indicador de alarma remota
  
• Verificación de Redundancia cíclica (CRC)
  

Proceso de alineamiento de trama

- El alineamiento de la trama consiste en 8 bits que permiten el sincronismo del receptor.
- Cuando se detectan con error 4 palabras consecutivas se produce la perdida el alineamiento de trama LOF; para recuperar el alineamiento de la trama se deben leer correctamente 3 palabras consecutivas.
- En tanto dura la falta de alineamiento, la señal de los tributarios se remplaza por una señal de indicación de alarma AIS consistente en una secuencia de bits 1.

Canal de Señalización TS16

Existen dos formas genéricas de enviar la señalización de los canales de telefonía en el multiplexor E1:

1. Señalización por Canal Asociado (CAS): Es una señalización que requiere la disponibilidad de un canal exclusivo para tareas de señalización. Define los protocolos que deben establecerse entre usuarios para los siguientes casos:
   

• Cuando el usuario levanta el teléfono.
  
• Cuando uno de los usuarios empieza a marcar el número.
  
• Cuando el usuario llama, etc.
  

1. Señalización por Canal Común CCS o SSNo7: Es un conjunto de protocolos de señalización telefónica empleado en la mayor parte de redes telefónicas mundiales. Su principal propósito es el establecimiento y finalización de llamadas, no requiere la disposición de un canal exclusivo, liberando el TS16 en el caso del E1.

Órdenes jerárquicos superiores (E2,E3,E4)

Nivel jerárquico E2

• El nivel E2 generalmente es llamado G.742.

Fig. 4 Estructura de trama PDH a 8448 kbit/s

• El uso de este orden fue en un principio para caminos digitales entre países.
  
• La tasa de bit nominal debe ser de 8448 kbit/s.
  
• La trama consiste en 848 bits, 4 subtramas de 212 bit. Cada subtrama se divide en 53 grupos de 4 bits.
  
• Tiene 206 bits por cada tributario (E1) y se puede apreciar en la Fig. 4.
  
• Entrelaza 4 tributarios de distinta velocidad (funcionamiento plesiócrono) dentro de la tolerancia de 50 ppm, asignando a cada afluente una capacidad levemente superior a la real y rellenar el exceso con bits de justificación (stuffing ) que se eliminan en el proceso de demultiplexación.
  
• Entrelazado de 4 afluentes de entrada cuya velocidad puede no ser exactamente igual (funcionamiento plesiócrono) requiere entonces de la aplicación del proceso de Justificación Positiva. El mismo consiste en asignar a cada afluente una capacidad levemente superior a la real y rellenar el exceso con bits de justificación que se eliminan en el proceso de demultiplexación.

Órdenes jerárquicos superiores

• El tercer y cuarto orden jerárquico son una extensión del segundo orden, debido a la similitud de tramas.
  
• Se disponen de palabras de alineamiento de trama al inicio de cada organización de iguales características. Se cuenta con una alarma para informar al terminal remoto de la falta de alineamiento local.

En resumen:

• Equipo Múltiplex digital plesiócrono de 2/8 Mbit/s: Equipo que en transmisión combina 4 señales tributarias a 2,048 Mbit/s, de forma que a la salida se obtiene una señal múltiplex de 8,448 Mbit/s. En recepción lleva a cabo la función complementaria.
• Equipo Múltiplex digital plesiócrono de 8/34 Mbit/s: Equipo que en transmisión combina 4 tributarios de 8,448 Mbit/s, de forma que a la salida se obtiene una señal múltiplex de 34,368 Mbit/s. En recepción lleva a cabo la función complementaria.
• Equipo Múltiplex digital plesiócrono de 34/140 Mbit/s: Equipo que en transmisión combina 4 tributarios de 34,368 Mbit/s, de forma que a la salida se obtiene una señal múltiplex de 139,264 Mbit/s. En recepción lleva a cabo la función complementaria.
• Equipo Múltiplex digital plesiócrono de 140/565 Mbit/s: Equipo que en transmisión combina 4 tributarios de 139,264 Mbit/s, de forma que a la salida se obtiene una señal múltiplex de 564,992 Mbit/s. En recepción lleva a cabo la función complementaria. No está normalizado por la ITU-T. También se denomina múltiplex digital 4 x 140 Mbit/s.

Propiedades físicas y eléctricas

Interfaces de Conexión

Las especificaciones eléctricas para las conexiones E1, E2, E3, etc, son distintas, partiendo por las condiciones eléctricas, tipo de codificación, tipo de interfaz entre otros detalles.

Protocolo	Capacidad	Interfaz
E1	2 Mbit/s	V.35, DB15
E2	8 Mbit/s	No se comercializan(se utilizan enlaces E1 en paralelo)
E3	34 Mbit/s	HSSI(High Speed Serial Interfaz)

Interfaz V.35: Es una combinación de la norma V.35 y la EIA 232. Todos los pines de datos y de temporización se añaden a la especificación V.35 que son circuitos balanceados y de bajo voltaje. Utilizado para enlaces troncales E1 entre equipos de conmutación.
Interfaz DB15 a BNC: Diseñada para trabajar con equipos Cisco, proporciona una interfaz de conexión E1.
Interfaz HSSI: La interfaz serial de alta velocidad (HSSI, High-Speed Serial Interface) admite velocidades de transmisión de hasta 52 Mbps. La interfaz HSSI se usa para conectar routers en las LAN con las WAN mediante líneas de alta velocidad como las líneas T3 ó E3.

Fig. 5 Interfaces PDH a) DB15 a BNC, b) V.35, c) HSSI

Interfaces eléctricas

Interfaz E1 A 2048 Kbps - En los puertos de entrada, se presentará una impedancia de 75 Ohms para conexiones coaxiales y de 120 Ohms para conexiones de pares simétricos.
- Un margen de 12-18 dB en pérdidas por retorno @3KHz.
- El conductor exterior al par coaxial deberá conectarse a la red de tierra.
Interfaces E2, E3, E4 - En los puertos de entrada presenta un impedancia de 75 Ohms.
- Un margen de 6-8 dB en pérdidas por retorno @12Khz (E2), @51KHz (E3).

Codificación

Se presentan varios esquemas de codificación, sin embargo, para el caso del estándar Europeo, el único esquema de codificación empleado para todos los niveles de jerarquía es el HDB3 a excepción del E4 que usa CMI.
Código de Línea HDB3
- Alta Densidad Bipolar 3 Ceros.
- Admite hasta 3 ceros consecutivos, invierte la polaridad en un 4.º cero. Alternan las polaridades para evitar la componente continua.
- Adecuado para transmisión a altas velocidades.
Código CMI
- Coded mark inversión.
- Permite una mínima componente contínua y un máximo número de cambios de nivel.
- Diseñado para velocidades de 140 Mbps de la jerarquía digital plesiocrona.

Detección de errores y alarmas

Detección de errores

La detección de errores se ejecuta sobre la secuencia de alineamiento de trama (TS0 de las tramas pares), de forma que el receptor que ejecuta la medida compara la secuencia recibida en este octeto con el patrón.

Este método es poco exhaustivo, pues testea únicamente 8 bits de cada 512, pero es el que se utiliza en ausencia de implementación de CRC.

La CRC por sus siglas en inglés, es un método de control de errores y una de sus finalidades es el monitoreo de errores, donde controla el BER de un enlace digital de extremo a extremo, el código CRC se coloca al crear la trama y se mantiene con ella hasta el final donde el receptor la analiza para ver si ocurrió un error. El CRC no es más que un conjunto de bits de paridad usados para el control de la tasa de error.

Alarmas PDH

Pérdida de trama (LOS)

La alarma en PDH denominada LOS (Loss of signal), se dispara cuando el nivel de la señal se encuentra por debajo de un BER de 1 en 10³, esto puede ocurrir cuando se corta el cable de transmisión o existe mucha atenuación en la señal. La alarma será retirada cuando se detecten dos tramas PDH y no nuevas señales de LOS.
Algunos criterios para la detección y desaparición de la señal de LOS según la norma G.775 son:

• Se detecta una señal de LOS en una interfaz de 64 kbps cuando se tiene una ausencia de señal por un periodo de 31 us a 30 ms.
  
• Se detecta una señal de LOS en una interfaz de 2048 Kbps cuando se tiene una ausencia de señal por un periodo de 5 us a 1 ms.
  
• Se detecta una señal de LOS en una interfaz de 8448 Kbps cuando se tiene una ausencia de señal por un periodo de 1.2us a 1 ms.
  
• Se detecta una señal de LOS en una interfaz de 34368 Kbps cuando se tiene una ausencia de señal por un periodo de 0.3us a 1 ms.
  
• Se detecta una señal de LOS en una interfaz de 139264 Kbps cuando se tiene una ausencia de señal por un periodo de 36ns a 1 ms.
  

En todos los casos la alarma desaparecerá cuando se detecte la transmisión de señales, el término de las alarmas debe ser comunicado casi en el mismo periodo señalado en la aparición de la alarma.

Señal indicadora de alarma (AIS)

La alarma denominada AIS (Alarm Indication Signal) es una señal de información característica que poseen todas las jerarquías SDH. Es generada para remplazar el tráfico normal cuando este contiene una condición defectuosa para indicar que el tráfico esta caído.
Algunos criterios para la detección y desaparición de la señal de AIS según la norma G.775 son:

• Dos criterios diferentes para la detección de AIS en una interfaz de 64 kbps:
  • La señal de 64 kbps contiene 5 o menos ceros en una secuencia de 128 unos.
    
  • La señal de 64 kbps de unos sin trama con una duración de 15.6 ms no debe contener más de 0.2±0.1% ceros.
    
• Dos criterios diferentes para la detección de AIS en una interfaz de 2048 kbps:
  • La señal de 2048 kbps contiene 2 o menos ceros en una secuencia de 512 bits (250 us).
    
  • La señal de 64 kbps de unos sin trama con una duración de 0.5 ms no debe contener más de 0.2±0.1% ceros.
    
  • La señal de entrada tiene 1 o menos ceros en cada una de dos periodos de tramas consecutivas (512 bits por doble trama).
    

En todos los casos la alarma desaparece cuando dos o menos zeros son detectados en una secuencia de 3156 bits.

Remote Defect Indication (RDI)

La alarma denominada RDI (RemoteDefectIndication) es una señal que se envía al equipo transmisor cuando se detectan alarmas como Lost of Frame, Lost of Signal o AIS. Algunos criterios para la detección y desaparición de la señal de RDI según la norma G.775 son:
- Criterio para la detección de una alarma RDI en un nivel TS-16:

• La alarma se activa con un solo bit “y” se configura como un 1 binario durante un período de muestreo de 5ms. La alarma desaparece cuando el bit “y” se configura como un binario 0 durante un periodo de muestreo de 5 ms.

- Criterio para la detección de una alarma RDI en una interfaz de 2048 kbps:

• La alarma se activa con un solo bit “A” se configura como un 1 binario durante un periodo de muestreo de 5 ms. La alarma desaparece cuando el bit “A” se configura como un binario 0 durante un periodo de muestreo de 5 ms.

Limitaciones de PDH

El proceso de justificación por una parte, y por otra el hecho de que la temporización vaya ligada a cada nivel jerárquico, hacen que en la práctica sea imposible identificar una señal de orden inferior dentro de un flujo de orden superior sin demultiplexar completamente la señal de línea.

Uno de los mayores inconvenientes de la demultiplexación plesiócrona es que una vez formada la señal múltiplex, no es posible extraer un tributario concreto sin demultiplexar completamente la señal.

Supongamos por ejemplo que tenemos un flujo de 140 Mbit/s, y que en un punto intermedio deseamos extraer un canal a 2 Mbit/s; es necesario para ello recurrir a las voluminosas y rígidas cadenas de multiplexación.
Las diferentes jerarquías plesiócronas existentes: Americana, Europea y Japonesa, hacen muy difícil el interfuncionamiento. La escasa normalización ha conducido a que los códigos de línea, la modulación o las funciones de supervisión, sean específicas de cada suministrador, de forma que equipos de diferentes fabricantes son incompatibles entre sí.

Véase también

• Jerarquía digital síncrona (SDH)

Enlaces externos

• Sitio ITU
• Estándar ITU G.732 Características del equipo múltiplex MIC primario que funciona a 2048 kbit/s
• Estándar ITU G.733 Características del equipo múltiplex MIC primario que funciona a 1544 kbit/s