第5章数字光纤通信系统.

第5章数字光纤通信系统5.15.2系统的性能指标5.3系统的设计返回主目录第5章数字光纤通信系统5.1光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术，复用又分为若干等级，因而先后有两种传输体制：准同步数字系列(PDH)和同步数字系列(SDH)。PDH早在1976年就实现了标准化，目前还大量使用。随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。在技术迅速发展的推动下，美国提出了同步光纤网(SONET)。1988年，ITUT(原CCITT)参照SONET的概念，提出了被称为同步数字系列(SDH)的规范建议。SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制，现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用于微波和卫星干线传输。5.1.1准同步数字系列PDH准同步数字系列有两种基础速率：一种是以1.544Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；另一种是以2.048Mb/s为第一级(一次群)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。表5.1是世界各国商用数字光纤通信系统的PDH传输体制，表中示出两种基础速率各次群的速率、话路数及其关系。对于以2.048Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍，这是因为复接时插入了一些相关的比特。对于以1.544Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。随着技术的进步和社会对信息的需求，数字系统传输容量不断提高，网络管理和控制的要求日益重要，宽带综合业务数字网和计算机网络迅速发展，迫切需要建立在世界范围内统一的通信网络。在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，主要有：(1)北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容，没有世界统一的标准光接口，使得国际电信网的建立及网络的营运、管理和维护变得十分复杂和困难。(2)各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销比特，使网络设计缺乏灵活性，不能适应电信网络不断扩大、技术不断更新的要求。(3)由于低速率信号插入到高速率信号，或从高速率信号分出，都必须逐级进行，不能直接分插，因而复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。5.1.2同步数字系列SDH1.SDHSDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网络传输。图5.1示出SDH传输网的拓扑结构，它由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及连接它们的(光纤)物理链路构成。SDH终端的主要功能是复接/分接和提供业务适配，例如将多路E1信号复接成STM1信号及完成其逆过程，或者实现与非SDH网络业务的适配。ADM是一种特殊的复用器，它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：一部分直接转发，另一部分卸下给本地用户。然后信息又通过复接功能将转发部分和本地上送的部分合成输出。DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当配置可提供不同的端到端连接。图5.1SDH传输网的典型拓扑结构TMADMSTM-nDXCSTM-NADMTMTMSTM-NTMADMSTM-nDXCADMTMSTM-NSTM-NSTM-nSTM-NSTM-NSTM-NSTM-n低速信号低速信号……低速信号低速信号(n＜N)上述TM、ADM和DXC的功能框图分别如图5.2(a)#,(b)#,(c)所示。通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)所示，相应的分层结构如图5.3(b)所示。每个通道(Path)由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接段又由若干个再生段(Section)串接而成。与PDH相比，SDH(1)SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。最低的等级也就是最基本的模块称为STM1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM1同步复接组成STM4，传输速率为4×155.52Mb/s=622.080Mb/s；16个STM1组成STM16,传输速率为2488.320Mb/s，以此类推。图5.2SDH(a)终端复用器TM；(b)分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer);(c)数字交叉连接设备DXCMUXE1E1…STM-N同步复接DMXE1E1…STM-N同步分接(a)DMXMUX中继线STM-N中继线STM-NDropSTM-nAddSTM-n分接复接本地(b)1:m1:m…m:1m:1复接交叉连接矩阵分接1n1n(c)配置管理图5.3(a)传输通道连接模型；(b)分层结构通道终接设备线路终接设备TMADM/DXC再生段Section再生段再生段线路终接设备通道终接设备E1…E3E1…E3ADM/DXCTM复接段(Line)传输通道(Path)(a)PathLineSectionPhotonicSectionPhotonicPathLineSectionPhotonic再生中继器(b)再生中继器(2)SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此，光接口成为开放型接口，任何网络单元在光纤线路上可以互连，不同厂家的产品可以互通，这有利于建立世界统一的通信网络。另一方面，标准的光接口综合进各种不同的网络单元，简化了硬件，降低了网络成本。有关光接口标准请参看本书附录A。(3)在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告等管理功能。(在后续章节将进行介绍。)(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节，不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。图5.4示出PDH和SDH分插信号流程的比较。在PDH中，为了从140Mb/s码流中分出一个2Mb/s的支路信号，必须经过140/34Mb/s,34/8Mb/s和8/2Mb/s三次分接。而若采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和插入2Mb/s支路信号，十分简便。(5)采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。图5.4分插信号流程的比较光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)SDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)PDH2.SDH帧结构SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。图5.5给出SDH帧一个STMN帧有9行，每行由270×N个字节组成。这样每帧共有9×270×N个字节，每字节为8bit。帧周期为125μs，即每秒传输8000帧。对于STM1而言，传输速率为9×270×8×8000=155.520Mb/s。字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。SDH(1)段开销(SOH)。段开销是在SDH帧中为保证信息正常传输所必需的附加字节(每字节含64kb/s的容量)，主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、自动保护倒换以及网管信息传输。图5.5SDH帧的一般结构SOH12AU-PTR345SOH…9STM-N载荷(含POH)9×N261×N270×N发送顺序对于STM1而言，SOH共使用9×8(第4行除外)=72Byte相应于576bit。由于每秒传输8000帧，所以SOH的容量为576×8000=4.608Mb/s。根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再生段开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占5～9行。(2)信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载各种业务信息的部分。对于STM1而言，Payload有9×261=2349Byte,相应于2349×8×8000=150.336Mb/s容量。在Payload中包含少量字节用于通道的运行、维护和管理，这些字节称为通道开销(POH)。(3)管理单元指针(AUPTR)。管理单元指针是一种指示符，主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针位置的偏移量)。对于STM1而言，AUPTR有9个字节(第4行)，相应于9×8×8000=0.576Mb/s。采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念，解决了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷相对位置漂移的问题。3.将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法：正码速调整法和固定位置映射法。正码速调整法的优点是容许被复接的支路信号有较大的频率误差；缺点是复接与分接相当困难。固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固定的位置。这种方法的优点是复接和分接容易实现，但由于低速信号可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。SDH采用载荷指针技术，结合了上述两种方法的优点，付出的代价是要对指针进行处理。超大规模集成电路的发展，为实现指针技术创造了条件。图5.6示出载荷包络与STM1帧的一段关系与指针所起的作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。所谓映射结构，是指把支路信号适配装入虚容器的过程，其实质是使支路信号与传送的载荷同步。图5.6载荷包络与SDH…SDH帧1(125s)SDH帧2(125s)261字节9字节开销9行载荷包络AUPTR这种结构可以把目前PDH的绝大多数标准速率信号装入SDH帧。图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中Cn是标准容器，用来装载现有PDH的各支路信号，即C11#,C12#,C2#,C3和C4分别装载1.5Mb/s#,2Mb/s#,6Mb/s#,34Mb/s#,45Mb/s和140Mb/s的支路信号，并完成速率适配处理的功能。在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即组成相应的虚容器VC。VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各种不同容量和不同格式的支路信号。所以引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以对装载不同支路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理，实现大容量传输。图5.7SDH的一般复用映射结构STM-NAUGAU-4VC-4TU-2VC-2C-2TU-12VC-12C-12TU-11VC-11C-11TUG-2×1×3×4C-3VC-3TU-3VC-3TUG-3×1×7×7×3C-4139264kb/s44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s1544kb/sAU-3×N×1×3指针处理复用定位校准映射由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位始终都能同步，所以要在VC的前面加上管理单元指针(AUPTR)，以进行定位校准。加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路单元(TU)。AU由高阶VC(如VC4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU指针组成。TU经均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成AU3或AU4。3个AU3或1个AU4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM1同步传输信号；N个STM1信号按字节同步复接，便组成STMN。最简单的例子是，由PDH的4次群信号到SDH的STM1的复接过程。把139.264Mb/s的信号装入容器C4，经速率适配处理后，输出信号速率为149.760Mb/s;在虚容器VC4内加上通道开销POH(每帧9Byte,相应于0.576Mb/s)后，输出信号速率为1