SDH

par A. OUMNAD

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1 LA HIERARCHIE SDH ET SONET
1.1 INTRODUCTION
L'inconvénient de la PDH est qu'il faut démultiplexer complètement l'ensemble des différents ordres de multiplexage pour extraire un signal. De plus, la synchronisation de chaque émetteur avec chaque récepteur qui est une condition clef à une transmission sans erreur est parfois délicate à obtenir dans ce système ou les horloges donnant le rythme sont réparties sur les émetteurs et les récepteurs et on se retrouve avec presque autant d'horloges différentes qu'il y a de machines différentes dans le réseau. Pour palier ces problèmes, une nouvelle hiérarchie de système de transmission a vu le jour : SDH : SONET :

Synchronous Digital Hierarchy (en Europe) Synchronous Optical NETwork
(aux USA)

L'un des aspects principaux est que tous les équipements du réseau SDH sont pilotés par le même signal d'horloge. Il y a quelque part une horloge atomique qui distribue le rythme pour l'ensemble des nœuds du réseau national. Ce rythme est transmis de proche en proche sur fibre optique à tous les équipements de transmission SDH du pays. C'est pour cette raison que ce mode de transmission est appelé synchrone.

1.2
• • •

AVANTAGES DE SDH/SONET

• • •

Grande fiabilité de transmission, la fibre de verre est insensible aux interférences électriques et électromagnétiques. Absence d'interférences entre fibres optiques voisines Grande bande passante. Une fibre unique peut transporter plus de 1000000 fois le volume transporté par un fil de cuivre. Même sur fibre optique, avec son débit max de 565 Mb/s, la hiérarchie PDH a du mal à satisfaire les besoins en bande passante des nouveaux services. Très faible atténuation, ce qui augmente considérablement la portée en deux régénérateurs. Une seule fibre optique peut transporter un débit de 10 Gbps sur 400 Km sans amplificateurs. Les deux standards SDH et SONET sont compatibles. Ils sont interfaçages entre eux et avec les réseaux non optiques ( PDH(USA), PDH(Europe), ATM, .) Possibilité d'insérer et d'extraire un affluent de faible débit d'un circuit à haut débit sans être obligé de le démultiplexer. Cette opération est impossible avec la hiérarchie PDH.

1.3

TOPOLOGIE DES RESEAUX SDH/SONET

L'architecture d'un réseau SDH est déterminée à partir d'un certain nombre de considérations fondamentales telles que : • Respect du débit et du synchronisme • Assurer le transport dans un temps minimum • Capacité du réseau à palier automatiquement à ses défaillances au moins partiellement pour assurer le transport des données vitales L'architecture en anneau est celle qui répond le mieux à ces considérations, cependant, on constate dans la pratique qu'un mélange de topologies, anneau, arborescent et maillé est parfois utilisé.

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NE

NE NE NE

NE

NE

NE NE NE NE

NE NE
(c) : réseau maillé

NE
Fig. 1-1 : (a) : réseau en anneau

NE

NE

NE

(b) : réseau arborescent

1.3.1

Architecture en anneau monofibre

Cette architecture dite aussi en anneau unidirectionnel présente l'inconvénient que le temps de transmission entre deux nœuds est différent selon le sens du flux. Le temps de transmission B A est supérieur au temps de transmission A B. Comme les trames transmises contiennent des informations concernant les trames reçues (qualité de transport par exemple), les retards de détection peuvent être préjudiciables à la procédure des échanges.

A D C
Fig. 1-2 : anneau unidirectionnel

B

1.3.2

Architecture en anneau bidirectionnel

Cette architecture ne possède pas l'inconvénient de la A configuration monofibre, elle est constituée d'une paire de fibre, chaque fibre transporte le trafic dans un sens. Elle permet aussi une E meilleure gestion des trafics sur les différents tronçons du réseau. Chaque nœud reçoit un flux de données, il extrait le trafic qui lui B est réservé et l'achemine vers l'extérieur de l'anneau et relaie le reste du flux vers le nœud suivant. On peut aisément vérifier sur D l'anneau de Fig. 1-3 que le trafic est réparti de sorte que le flux transporté par chaque tronçon est égal à la somme des flux de 3 C paires de nœuds. Par exemple le tronçon A B transporte le flux A B mais aussi les flux E B et A C. Imaginons que ce tronçon est Fig. 1-3 : anneau bidirectionnel arrivé à son débit max alors que A à besoin d'un débit plus important vers C, on peut alors essayer (dans la mesure du possible) d'acheminer l'excédent du flux A C sur l'autre fibre à travers les nœuds E et D. Il faut tout de même remarquer que ces deux flux n'auront pas les mêmes délais et qu'il faut prendre les précautions nécessaires suivant la situation. Le conduit le plus court est dit conduit mineur, l'autre est désigné par conduit majeur.

1.3.3

La protection dans les réseaux SDH

Pour faire face aux défaillances techniques, la SDH réserve des circuits physiques ou logiques qui seront utilisés en cas de difficultés de transmission comme la rupture d'une fibre ou la défaillance d'un équipement de réseau. Dans certaines architectures, les circuits de réserve, peuvent en temps normal, servir à transporter des débits supplémentaires (moins prioritaires). En cas défaillance, des délais de reprise sont générés, ils sont généralement compris entre 50 et 100 ms et peuvent atteindre dans certain cas critiques des durées allant jusqu'à 10 s.

1.3.3.1

Protection 1 + 1

Cette protection prévoit un deuxième support de secours qui prend le relais en cas de défaillance du circuit normal. Le circuit de secours dépend de l'architecture, il peut être constitué d'une fibre en cas d'un réseau unidirectionnel, ou d'une paire de fibre en cas d'un réseau bidirectionnel.

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3

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Fibre normale Fibre de secours Commutation Contrôle de Qualité
Fig. 1-4 : circuit de commutation d'une protection 1 + 1

1.3.3.2

Protection 1 : 1

Elle consiste à utiliser simultanément 2 fibres à demi-charge. Si l'un des dispositifs est défaillant, le deuxième est utilisé à pleine charge. Lors de l'utilisation normale, il est admis d'utiliser les deux autres demie-charges de resserve pour transporter des flux supplémentaires. demi-charge

demi-charge
Fig. 1-5 : protection 1:1

A D

A

B C

D

B

C
(b) anneau bidirectionnel protégé

Fig. 1-6 (a) anneau unidirectionnel protégé

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1.4

CONSTITUTION DES TRAMES SDH

La structure des trames dans un réseau plésiochrone PDH ne comporte qu'un nombre réduit de bits alloués à l'exploitation et ne permettent pas la gestion du réseau. Par contre, la technologie SDH, ayant été conçue pour fonctionner sur fibre optique, dispose de débits de transport considérables permettant de réserver une capacité significative pour la gestion du réseau. La gestion du réseau SDH inclut l’exploitation, la gestion, la maintenance et la mise en service, elle est effectuée par des informations de surdébit transportées dans les trames. Chaque couche d’un réseau SDH (niveau d’encapsulation) dispose de moyens propres de gestion. Certaines données dites de bourrage sont incluses juste pour la synchronisation.

1.4.1

Le multiplexage SDH

Pour la norme SDH, les niveaux sont organisés hiérarchiquement en STM-n (Synchronous Transport Module, niveau n). Pour SONET il sont organisés en STS-n (Synchronous Transport signal, niveau n) SDH STM-1 STM-4 STM-16 STM-64 SONET STS-1 STS-3 STS-12 STS-48 STS-192 Désignation optique OC-1 OC-3 OC-12 OC-48 OC-192 Débit (Mbps) 51.84 155.52 622.08 2488.32 9953.28

Tableau 1-1 : Répertoire des débits de la Hiérarchie SDH/SONET

Lors du multiplexage SDH, les données sont encapsulés dans des blocs (trames) qui seront multiplexés pour donner des blocs de plus en plus gros jusqu’à obtenir une trames STM. Chaque bloc porte un nom, on trouve : Conteneur (C), Conteneur Virtuel (VC), Tributary Unit (TU), Tributary Unit Group (TUG), Administrative Unit (AU), Administrative Unit (AUG), et Synchronous Transport Module Un bloc de données SDH (C, VC, TU, TUG, AU, AUG, STM) est toujours transmis en 125 µs, c'est la période clef des transmissions SDH. Comme les blocs ne contiennent pas le même volume de données, cela suppose l'utilisation d'horloge de plus en plus rapide au fur et à mesure qu'on avance dans l'arbre de multiplexage. Le multiplexage SDH se fait en deux étapes. Un premier niveau, dit niveau inférieur LO (Low Order) suivi d'un deuxième niveau, dit niveau supérieur HO (High Order). Dans le premier niveau les VC-LO sont multiplexés pour former les VC-HO, en suite, dans le 2ème niveau, les VC-HO sont multiplexées pour former la trame STM (Fig. 1-7 et Fig. 1-12).

(STM).

Niveau inférieur LO

Niveau supérieur HO OC

C

VC

TU

TUG

VC

AU

AUG

STM

E/O

Fig. 1-7 : Les niveaux de multiplexage SDH

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1.4.2

La notion de CONTENEUR

Les signaux à transporter proviennent de liaisons qui peuvent être synchrones ou asynchrones. Pour faciliter leur transport, on les segmente en petit blocs appelés conteneurs. Un conteneur contient un paquet de données utiles (payload) arrivés au rythme du débit de l'affluent pendant 125 µs plus un certain nombre d'octets de bourrage dont le rôle est d'adapter le débit incident à la structure de la trame.

Conteneur
Flus incident SYN Données

1.4.3

La notion de CONTENEUR VIRTUEL

un conteneur virtuel VC (Virtual Container). Les VCs sont les éléments de bases transportés par le réseau SDH, ils seront multiplexés pour obtenir des blocs plus grands et ainsi de proche en proche jusqu'à l'obtention d'une trame de base STM-1 constituée de 2430 octets.

Le conteneur sera transporté à travers le réseau SDH en suivant un chemin (path) entre le point d'entrée et le point de sortie. Une des propriétés essentielle de la SDH est de pouvoir gérer ce conteneur et son chemin à travers le réseau indépendamment de son contenu. A cette fin, des bits de gestion appelés POH (Path Overhead) sont ajoutés au conteneur, l'ensemble constitue ce qu'on appelle

Conteneur

POH

Conteneur

Conteneur Virtuel

Fig. 1-8 : construction d'un Conteneur Virtuel

1.4.4

La notion de TRIBUTARY UNIT

Pour pouvoir localiser un VC dans une trame SDH sans que celui-ci soit placé toujours à la même position, on utilise un pointeur qui indique l'adresse relative du VC par rapport au début de trame. Le pointeur plus le VC constitue ce qu'on appelle une Tributary Unit (TU ).

Conteneur virtuel

pointeur Conteneur virtuel
Fig. 1-9 : construction d'un Conteneur Virtuel

Tributary Unit

Ce pointeur est nécessaire car les TUs sont construites à l'aide de l'horloge SDH qui est "indépendante" de celle des affluents, le début d'une TU ne coïncide pas forcément avec celui d'un VC. Le fait qu'un VC puisse se trouver à n'importe quelle position de la TU, on dit que celui-ci flotte à l'intérieur de la TU (et donc de la trame). Il arrive souvent qu'un VC tombe à cheval entre deux trames successives. conteneur conteneur conteneur

Rythme affluent Rythme SDH

conteneur virtuel conteneur virtuel conteneur virtuel conteneur virtuel conteneur virtuel conteneur virtuel

Tributary Units
Fig. 1-10 : mapping des Virtual Containers dans les Tributary Units

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1.4.5

La notion de Tributary Unit Group

Les TUs de différents affluents sont multiplexées (groupées par 3 ou 4) pour former des blocs plus grand appelé des Tributary Unit Group (TUG). Le multiplexage se fait toujours octet par octet. Il n'y a pas de surdébit propre à une TUG.

125 µs TU TU TU
Fig. 1-11 : constitution d'une TUG à partir de 3 TUs

125 µs

MXR

TUG

1.4.6

Les Virtual Containers d'ordre supérieur

Un Virtual Container de niveau supérieur VC-HO est constitué soit par groupement de plusieurs TUG, soit directement à partir d'un affluent extérieur haut débit. Dans tous les cas, 9 octets POH sont attribués à chaque VC-HO. Des octets de bourrage et de justification peuvent aussi être ajoutés afin adapter la taille du VC-HO à la structure de la trame SDH.

1.4.7

Les unités administratives AU et AUG

Dans le niveau supérieur HO, les Unités administratives sont l'équivalent des Tributary Units dans le niveau inférieur. Ici aussi, les VC-HO flottent dans les AU, d'ou la nécessité de pointeurs pour localiser les VC dans les AU.

1.4.8

L’arbre de multiplexage SDH
V C -11 26 1.664 V C -12 35 2.24 V C -2 107 6.848 T U-11 27 1.728 T U-12 36 2.304 T U-2 108 6.912 x3 x4

D S1 : 1.544 C -11 25 1.6 E 1 : 2.048 C -12 34 2.176

D S2 : 6.312 C -2 106 6.784 E 3 : 34.368 D S3 : 44.736 C -3 756 48.384

T UG -2 108 6.912

x7

V C -3 765 48.96 x7 T U-3 774 49.536 T UG -3 774 49.536

A U-3 786 50.304

x3 ST M 1 2430 155.52 x 4 ST M -4 9720 622.08 ST M -16 38880 x 16 2488.32 x 64 ST M -64 155520 9953.28

A UG 2349 150.336

E 4 : 139.264 A T M : 149.76

x3 C -4 2340 149.76 V C -4 2349
Fig. 1-12 : Multiplexage SDH Chaque rectangle indique le nom du bloc de données, sa taille en octets et son débit en Mb/s

A U-4 2349 150.33

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7

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1.5 EXEMPLE DE CONSTITUTION D'UNE TRAME SDH
Pour illustrer le mécanisme de multiplexage, nous allons détaller les étapes de constitution d'une trame STM-1 à partir d'affluents E1 en suivant le chemin :
E1

C-12

VC-12

x3
TU-12 TUG-2

x7
VC-3 AU-3

x3
AUG STM-1 E/O

OC-3

Fig. 1-13 : formation d'un signal STM-1 à partir d'affluents E1

affluent E1

C-12 R

VC-12 V5 R charge utile 32 octets R J2 C1 C2 O O O O R R charge utile 32 octets R N2 C1 C2 O O O O R R charge utile 32 octets R K4 C1 C2 R R R R R S1 S2 D D D D D D D 31 octets R

TU-12 V1 V5 R charge utile 32 octets R V2 J2 C1 C2 O O O O R R charge utile 32 octets R V3 N2 C1 C2 O O O O R R charge utile 32 octets R V4 K4 C1 C2 R R R R R S1 S2 D D D D D D D 31 octets R

125µs

charge utile 32 octets

charge utile 32 octets R C1 C2 O O O O R R charge utile 32 octets

125µs

charge utile 32 octets

R C1 C2 O O O O R R 125µs charge utile 32 octets charge utile 32 octets R C1 C2 R R R R R S1 125µs charge utile 32 octets S2 D D D D D D D 31 octets R

Fig. 1-14 : Constitution de la Tributary Unit TU-12

1.5.1

Constitution du container C-12

Le C-12 est issu d'un affluent PDH E1 (2.048Mb/s). Nous savons que ce multiplex est constitué de trames de 32 octets d'une durée de 125 µs. Comme SDH aussi procède à des découpages de 125 µs, on se retrouve avec des blocs de données de 32 octets. En ajoutant deux octets de surdébit, on obtient le conteneur C-12 de capacité 34 octets. Les deux octets supplémentaires servent à adapter le débit de l'affluent au rythme de l'horloge SDH en utilisant la technique de justification positive ou négative. Sur Fig. R C1 C2 O 1-14 on a : : bit de Remplissage : bits de contrôle de justification : bit de service

D : bit de donnée (charge utile) S1, S2 : bits de justification

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par A. OUMNAD Le contrôle de justification se fait comme suit : Il y a 3 bits C1 dans une multitrame de Conteners - Si C1 C1 C1 = 000 alors S1 est un bit de donnée - Si C1 C1 C1 = 111 alors S1 est un bit de bourrage Il y a 3 bits C2 dans un multitrame - Si C2 C2 C2 = 000 alors S2 est un bit de donnée - Si C2 C2 C2 = 111 alors S2 est un bit de bourrage Les bits C1 et C2 sont transmis trois fois pour augmenter la sécurité. On utilise une décision C = 0) (3 ou 2 ‘1’ C = 1) majoritaire pour décider si le bit C est égal à un ou à 0 : (3 ou 2 ‘0’

8

.

1.5.2

Constitution du Virtual container VC-12

Après la constitution d'un conteneur C-12, on lui ajoute un identificateur de chemin POH et on obtient un conteneur virtuel VC-12 de capacité 35 octets. L'obligation de disposer de quatre octets POH pour gérer le chemin des Conteneurs rend nécessaire le regroupement des VCs en multitrames de 4 VC, chacun portant un octet de POH. Ces octets sont appelés V5, J2, N2, K4.

1.5.3

Constitution de la tributary Unit TU-12

La Tributary Unit TU-12 est obtenue en ajoutant un pointeur au VC-12. Là aussi, l'obligation de disposer de 4 pointeurs a mené à regrouper les TU-12 en multrames de 4. Les pointeurs sont notés V1, V2, V3 et V4. Ces pointeurs, comme nous l'avons déjà signalé, permettent de localiser le début du VC par rapport au début de la TU.

1.5.3.1

Organisation matricielle des Tributary Units

Pour faciliter la gestion des Tributary Units, on les représente en matrices de 9 lignes, le nombre de colonnes dépend de la capacité de la TU, il y en a quatre pour le cas de TU-12. Cela vient du fait que la trame de base de la SDH (STM-1) est elle-même représentée sur 9 lignes. Un avantage important de cette représentation, outre la compacité du dessin, est de pouvoir montrer et repérer aisément les octets de données et ceux de service. La transmission se fait ligne après ligne.

1 5 9 13 17 21 25 29 33

2 6 10 14 18 22 26 30 34

3 7 11 15 19 23 27 31 35

4 8 12 16 20 24 28 32 36

Fig. 1-15 : organisation matricielle d’une TU-12

1.5.4

La Tributary Unit Group TUG-2

Dans le cas de notre exemple, la TUG-2 est constitué de Trois TU-12 multiplexées octet par octet. Elle est donc constituée de 108 octets organisés en une matrice de 12 colonnes. 1 5 1 5 1 5 2 6 2 6 2 6 3 3 3 4 4 4

36 36 36
Fig. 1-16 : TUG-2 construite par multiplexage de 3 TU-12

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9

.

1.5.5

Le Virtual Container VC-3 incorporant 7 x TUG-2

Dans le cas de notre exemple, le VC-3 est constitué de 7 TUG-2 multiplexées octet par octet auxquelles on ajoute 9 octets de POH appelés J1, B3, C2, G1, F2, H4, F3, K4, N1 qui sont placé à la première colonnes. Un VC-3 est donc constitué de 1+84 colonnes ce qui fait 765 octets.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 84 85

J1 B3 C2 G1 F2 H4 F3 K4 N1
Fig. 1-17 : VC-3 construit à partit de 7 TUG-2

1.5.6

L’unité Administrative AU-3

L'unité administrative AU-3 reçoit un Virtual container VC-3 dans un espace de 9 lignes et 87 colonnes. Comme le VC-3 ne comporte que 85 colonnes, les colonnes 30 et 59 de AU-3 sont remplies par des octets de bourrage. Comme le VC-3 flotte dans l'AU-3, on utilise 3 octets de pointage H1, H2 et H3 pour indiquer sa position dans l'AU-3. Ces 3 octets sont placés à la 4ème ligne.
1 2 29 30 31 58 59 86 87

J1 B3 C2 H1 H2 H3 G1 F2 H4 F3 K4 N1

BOURRAGE

Fig. 1-18 : L'unité administrative AU-3

1.5.7

Le groupe d'unité administrative AUG

Le groupe AUG reçoit Trois AU-3 multiplexées octet par octets
1 2 260 161

J1 J1 J1 B3 B3 B3 H1 H1 H1 H2 H2 H2 H3 H3 H3

BOURRAGE

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10

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1.5.8

La trame STM-1

La trame STM-1 est constituée d'une AUG à laquelle on a ajouté le surdébit RSOH (Regenerator Section Overhead) qui contient les information utiles au modules régénérateurs ainsi que le surdébit MSOH (Multiplex Section Overhead) qui contient les information utiles au modules de multiplexage.
1 2 260 161

RSOH
H1 H1 H1 H2 H2 H2 H3 H3 H3

MSOH

Fig. 1-19 : groupe d'Unité Administrative AU-G

1.5.9

La trame STM-n

Ces trames sont obtenues par multiplexage octet par octets de n trames STM-1 nx9 n x 261

RSOH pointeurs AU 9

Charge utile

MSOH

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1.6 SYNCHRONISATION DU RESEAU SDH
Dans un réseau SDH, les pertes de données causées par les problèmes de synchronisation son réduites par l'utilisation dans tous les nœuds du réseau d'horloges synchronisées avec une horloge de référence. Ceci est réalisé grâce à la distribution d'une horloge très stable sur tous les éléments du réseau. Les points les plus importants sont les points de mappage et de restitution des affluents transportés. Le dispositif général de distribution est de type maître esclave. Chaque équipement du réseau possède une horloge propre qui se synchronise sur l'horloge du niveau supérieur. L'horloge unique de plus fort niveau est appelée horloge de référence PRC (Primary Reference Clock) . C'est une horloge au césium de très haute précision (10-11 sur le log terme), elle est doublée par une horloge secondaire SRC (Secondary Reference Clock) qui est souvent une horloge GPS fournie par satellite. L'architecture du réseau est telle que chaque élément du réseau reçoit au moins deux circuits d'horloge. Dans un réseau en anneau, la référence primaire est injectée sur un nœud (Fig. 1-20 : N1) qui se charge de la diffuser sur les trames STM vers les autres nœuds. L'horloge secondaire est injectée sur un autre nœud (Fig. 1-20 : N3) qui la diffuse vers les autres soit sur la 2ème fibre dans le cas d'un anneau bidirectionnel soit sur la fibre de secours. L'horloge secondaire est utilisée en cas de rupture du circuit normal ou en cas d'annonce du nœud N1 d'une perte du rythme de référence. Les trames STM comportent un octet STS (StatuS message Byte) dans le surdébit SOH qui permet d'identifier la nature de l'horloge transportée, PRC : 0010 Sec : 10111 DNU : 1111 (Do Not Use)

N2 N1

PRC

N3 N4

SRC

Fig. 1-20 : distribution de l'horloge

SDH Bibliographie

par A. OUMNAD

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[1] LA COMMUTATION ELECTRONIQUE, Tome 1 : Structure des systèmes Spatiaux et temporels, par GRINSEC, chez Eyrolles Collection CENT-ENST [2] SYSTEMES DE TELECOMMUNICATIONS, Base de transmission, par P.G. Fontolliet, chez DUNOD Collection CNET-ENST [3] TECHNOLOGIE DES TELECOMS, par Pierre Lecoy, chez Hermes. ISBN : 2-86601-490-1. (EMI 654.16/LEC) ( [4] DIGITAL TELEPHONY, par John Bellamy, chez John Wiley & Sons, ISBN : 0-471-62056-4, EMI 621.395.34/BEL) [5] LES RESEAUX SYNCHRONES ETENDUS PDH ET SDH, Par Gérard Bouyer, chez Hermes, ISBN : 2-86601-644-0, (EMI : 681.3.5/BOU ) [6] SONET / SDH and ATM, par S. V. Cartalopoulos, IEEE Press, ISBN : 0-7803-4745-5, (EMI : 621.391/KAR) [7] Telecommunication Networks : Protocols,Modeling and analysis, par M. Schwartz, chez AddisonWesley Publishing Company [8] Synchronous Digital Hierarchy (SDH), Marconi, http://www.iec.org [9] Synchronous Optical Network (SONET), Tektronix, http://www.iec.org Synchronizing Telecommunications Networks : Synchronizing SDH/SONET, Hewlett Packard, [10] http://www.iec.org