光纤通信第二版刘增基第5章

第5章数字光纤通信系统第5章数字光纤通信系统5.1两种传输体制5.2系统的性能指标5.3系统的设计第5章数字光纤通信系统5.1两种传输体制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，ITU-T(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。第5章数字光纤通信系统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)基础速率的，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)基础速率的，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，日本和第5章数字光纤通信系统第5章数字光纤通信系统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。一次群至四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：第5章数字光纤通信系统(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(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(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。第5章数字光纤通信系统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STM-1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。第5章数字光纤通信系统图5.1SDH传输网的典型拓扑结构第5章数字光纤通信系统上述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。第5章数字光纤通信系统图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DXC第5章数字光纤通信系统图5.3传输通道的结构(a)传输通道连接模型；(b)分层结构第5章数字光纤通信系统与PDH相比，SDH具有下列特点：(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STM-1，传输速率为155.520Mb/s；4个STM-1同步复接组成STM-4，传输速率为4×155.52Mb/s=622.080Mb/s；16个STM-1组成STM-16,传输速率为2488.320Mb/s，以此类推。一般为STM-N，N=1，4，16，64。由于速率等级采用统一标准，SDH就具有统一的网络结点接口，并可以承载现有的PDH(如E1、E3)和各种新的数字信号(如以太网帧、ATM信元、IP分组等)，有利于不同通信系统的互连。第5章数字光纤通信系统(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，有丰富的开销比特，可用于网络的运行、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。)第5章数字光纤通信系统(4)采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节(八比特组)，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第5章数字光纤通信系统图5.4分插信号流程的比较第5章数字光纤通信系统(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，大大提高了组网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。第5章数字光纤通信系统2.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帧的一般结构。一个STM-N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STM-1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。第5章数字光纤通信系统图5.5SDH帧的一般结构第5章数字光纤通信系统SDH帧大体可分为三个部分：(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(每字节相当于64kb/s的传输容量)，主要用于运行、维护和管理，如帧定位、误码检测、公务通信、动保护倒换以及网管信息传输。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第5章数字光纤通信系统(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STM-1而言，Payload有9×261=2349Byte,相应于2349×8×8000=150.336Mb/s的容在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)。第5章数字光纤通信系统(3)管理单元指针(AU-PTR)。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STM-1而言，AU-PTR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。第5章数字光纤通信系统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。超大规模集成电路第5章数字光纤通信系统图5.6示出载荷包络与STM-1帧的一般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。第5章数字光纤通信系统图5.6载荷包络与SDH帧的一般关系第5章数字光纤通信系统ITU-T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。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C-n是标准容器，用来装载现有PDH的各支路信号，即C-11、C-12、C-2、C-3和C-4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。第5章数字光纤通信系统图5.7SDH的一般复用映射结构第5章数字光纤通信系统由于在传输过程中，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(AU-PTR)，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VC-4)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AU-3或AU-4。3个AU-3或1个AU-4组成管理单元组(AUG)，加上段开销SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1信号按字节同步复接，便组成STM-N。第5章数字光纤通信系统4.数字交叉连接设备(DXC)相当于一种自动的数字电路配线架。图5.2表示的是SDH的DXC(也适合于PDH)，其核心部分是可控的交叉连接开关(空分或时分)矩阵。参与交叉连接的基本电路速率可以等于或低于端口速率，它取决于信道容量分配的基本单位。一般每个输入信号被分接为m个并行支路信号，然后通过时分(或空分)交换网络，按照预先存放的交叉连接图或动态计算的交叉连接图对这些电路进行重新编排，最后将重新编排后的信号复接成高速信号输出。第5章数字光纤通信系统通常用DXCX/Y来表示一个DXC的配置类型，其中第一个数字X表示输入端口速率的最高等级，第二个数字Y表示参与交叉连接的最低速率等级。数字0表示64kb/s电路速率；数字1、2、3、4分别表示PDH的1至4次群的速率，其中4也代表SDH的STM-1等级；数字5和6分别代表SDH的STM-4和STM-16等级。例如，DXC1/0表示输入端口的最高速率为一次群信号的速率(E1:2.048Mb/s),而交叉连接的64kb/s;DXC4/1表示输入端口的最高速率为155.52Mb/s(对于SDH)或140Mb/s(对于PDH)，而交叉连接的基本速率为2.048Mb/s。