光纤通信系统-第6章 SDH技术

第6章同步数字体系（SDH）高度发达的信息社会要求通信网能提供多种多样的电信业务，且通过通信网进行传输、交换和处理的信息量不断增大，现代化的通信网正朝着数字化、综合化、智能化和个人化方向发展。传统的准同步数字体系（PDH）已经不能适应现代通信网发展的要求，不断暴露出一些难以克服的缺点，随之而产生的同步数字体系（SDH）是完全不同于准同步数字体系的新一代的传送网体系。本章将介绍其产生的技术背景、基本概念、主要特点和基本原理。6.1SDH基本概念6.1.1SDH的产生80年代中期以来，光纤通信在电信网中获得了大规模的应用。其应用场合已经逐步从长途通信、市话局间中继通信转向接入网。光纤通信的廉价、优良的带宽特性正使之成为电信网的主要传输手段。然而，随着电信网的发展和用户的要求，传统的基于点对点传输的准同步（PDH）系统暴露出一些固有的、难以克服的弱点：1.只有地区性的数字信号速率和帧结构标准（PDH系列有北美和欧洲两个体系和三个地区性标准），不存在世界性标准。不同地区的速率标准不一致导致相互补兼容，国际互通十分困难。2.没有世界性的标准光接口规范，导致各个厂家自行开发的专用光接口大量滋生。这些专用光接口无法在光路上互通，唯有通过光／电变换转变成标准的电接口（G.703接口）才能互通，限制了联网应用的灵活性，也增加了网络的复杂性和运营成本。3.准同步系统的复用结构，除了几个低速率等级的信号采用同步复用外，其他多数等级的信号采用异步复用，即靠塞入一些额外比特使各支路信号与复用设备同步并复用成高速信号。这种方式很难从高速信号中识别和提取低速支路信号。为了上下电路，唯一的办法就是将整个高速线路信号一步一步地解复用到所要取出的低速支路信号等级；上下支路后，再一步一步地复用至高速线路信号进行传输。可见复用结构不仅复杂，也缺乏灵活性，硬件数量大，上下业务费用高，数字交叉连接（DXC）的实现十分复杂。4.传统的准同步系统的网络运行、管理和维护（OAM）主要依靠人工的数字交叉连接和停业务测试，因而复用信号帧结构中不需要安排很多用于网络OAM的比特。而今天，这种辅助比特的严重缺乏已经成了进一步改进网络OAM能力的重要障碍，使传统的准同步系统无法适应不断演变的电信网要求，更难以很好支持新一代的网络。5.由于建立在点对点传输基础上的复用结构缺乏灵活性，使得数字通道设备的利用率很低，非最短的通道路由占了业务流量的大部分。为了解决上述的传统的PDH体制的弊病，美国贝尔通信研究所提出来一种新体制，称为同步光网络（SONET）。继而由国际电信联盟标准化部门（ITU-T）的前身国际电报电话咨询委员会（CCITT）于1988年接受了SONET的概念，并重新命名为同步数字体系（SDH），使之成为不仅适于光纤也适于微波和卫星传输的通用技术体制。为了建立起世界性的统一标准，ITU-T自1988年至1998年期间陆续完成了有关SDH的30多个标准，涉及比特率、网络节点接口、复用结构、复用设备、网络管理、线路系统和光接口、SDH信息模型、网络结构和抖动性能、误码性能和网络保护结构等。6.1.2SDH的基本概念和特点光同步数字传送网是由一些SDH网元（NE）组成，在光纤上进行同步信息传送、复用和交叉连接的网络。它具有全世界统一的网络节点接口（NNI），从而简化了信号的互通以及信号的传输、复用、交叉连接和交换过程；它有一套标准化的信息结构等级，称为同步传送模块STM-1、STM-4、STM-16……，并具有一种块状帧机构，允许安排丰富的开销比特（即网络节点接口比特流中扣除净负荷后的剩余部分）用于网络的OAM；它的基本网元有终端复用器TM、分插复用器ADM和同步数字交叉连接设备SDXC等等，其功能各异，但都有统一的光接口，能够在基本光缆段上实现横向兼容性，即允许不同厂家设备在光路上互通；它有一套特殊的复用结构，允许现存准同步系统、同步数字体系和B-ISDN信号都能进入其帧结构，因而具有广泛的适应性；它大量采用软件进行网络配置和控制，使得新功能和新特性的增加比较方便，适于将来的不断发展。作为一种全新的传送网体制，光同步数字传送网主要有下列特点：（1）使1.5Mbit/s和2Mbit/s两大数字系统（3个地区性标准）在STM-1等级上获得统一。今后，数字信号在跨越国界通信时，不再需要转换成另一种标准，实现了数字传输体制上的世界性标准。（2）采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构。因而只需要软件就可以使高速信号一次直接分插出低速支路信号，这样既不影响别的支路信号，又不需要对全部高速信号进行解复用，省去了全套背靠背复用设备，使网络结构得以简化，上下业务十分容易，也使数字交叉连接（DXC）功能的实现大大简化。利用同步分插能力还可以实现自愈环形结构，改进网络的生存性。此外，背靠背接口的减少还可以改善网络的业务透明性，便于端到端的业务管理，使网络易于容纳和加速各种新的宽带业务的引入。（3）SDH帧结构中安排了丰富的开销比特（大约占信号的5％），因而使网络的OAM能力（诸如故障检测、区段定位、端到端性能监视等）大大加强。此外，由于SDH中的DXC和ADM等一类网元是智能化的，通过嵌入在SOH中的控制通路可以使部分网络光路功能分配到网元，实现分布式光路和单端维护，减少了物理链路和安装运行成本，还使新特性和新功能的开发比较容易。（4）由于将标准光接口综合进各种不同的网元，减少了将传输和复用分开的需要，从而简化了硬件，缓解了布线拥挤。此外还可以减少光纤网络的成本。（5）SDH网具有信息净负荷的透明性。即网络可以传送各种净负荷及其混合体而不管其具体信息结构如何。净负荷与SDH网的接口仅仅在边界上才有，一旦净负荷装入虚容器后，网络内部所有设备只需处理虚容器即可，从而减少了光路实体数量，简化了网络管理。（6）SDH网还具有定时透明性。从理论上说，SDH是作为同步网工作的，网元连接至高精度基准时钟，这样可减少调整频率和改善网络性能。各种互通的网元可能属于不同的业务提供者，这样尽管在每一业务提供者范围内（同步岛）是同步的，但不同范围内却是伪同步的。SDH采取了指针调整技术使得净负荷可以在不同同步岛之间传送而不影响业务质量。换言之，SDH网的这种定时透明性使其能在伪同步状态下很好地工作，并有能力经受定时基准的丢失。（7）由于用一个光接口代替了大量电接口，因而SDH网中所传输的业务信息，可以不必经由常规准同步系统所具有的一些中间背靠背电接口而直接经光接口通过中间节点，省去了大量相关电路单元和跳线光缆，使网络可用性和误码性能都得到改善。而且，由于电接口数量锐减导致运行操作任务的简化及备件种类和数量的减少，使运营成本大大减少。（8）SDH信号结构的设计，已经考虑了网络传输和交换应用的最佳性，因而在电信网的各个部分（长途、中继和接入网）中都能通过简单、灵活和经济的信号互连和管理，使得传统电信网各个部分的差别正在渐渐消失，彼此的直接互连变得十分简单和有效，从而在电信网中可能出现一个单一的SDH／SONET基本网络设施。此外，由于有了唯一的网络节点接口标准，因此各个厂家的产品可以直接互连互通，从而可能使电信网最终工作于多厂家产品并实现互操作。（9）SDH／SONET网与现有网络能完全兼容，即可兼容现有准同步体系的各种速率。同时，SDH网还能容纳各种新的业务信号，如FDDI、ATM、TCP／IP等。简言之，SDH／SONET网具有完全的前向和后向兼容性。上述特点中最核心的有3条，即同步复用、标准光接口和强大的网管能力。当然，作为一种新的技术体制不可能尽善尽美，也必然会有它的不足之处，例如：（1）频带利用率不如传统的PDH系统。以2.048Mbit/s为例，PDH的139.264Mbit/s可以收容64个2.048Mbit/s系统，而SDH的155.520Mbit/s只能收容63个2.048Mbit/s系统，频带利用率从PDH的94％下降到83％；以34.368Mbit/s为例，PDH的139.264Mbit/s可以收容4个系统，而SDH的155.520Mbit/s只能收容3个，频带利用率从PDH的99％下降到66％。当然，上述安排可以换来网络运用上的一些灵活性，但毕竟使频带利用率降低了。（2）采用指针调整机理增加了设备的复杂性。以一个复用映射支路为例，容器和虚容器电路加上指针调整电路，以及POH和SOH的插入功能，大约需要6～7万个等效门电路，好在采用超大规模集成电路技术后，成本代价不算太高。（3）在从PDH向SDH的过渡时期，会形成多个SDH“同步岛”经由PDH互连的局面。这样，由于指针调整产生的相位跃变使经过多次PDH／SDH变换的信号在低频抖动和漂移特性上会遭受比纯粹SDH或PDH信号更严重的损伤，需要采取有效的相位平滑措施才能满足抖动和漂移性能要求，也为同步网的规划带来了复杂性。（4）由于大规模地采用软件控制和将业务量集中在少数几个高速链路和交叉连接点上，软件几乎可以控制网络中所有的交叉连接设备和复用设备。这样，在网络层上的人为错误、软件故障，乃至计算机病毒的入侵可能会导致网络的重大故障，甚至会造成全网的瘫痪。为此必须仔细地测试软件，选用可靠性较高的网络拓扑。综上所述，光同步传送网尽管也有其不足之处，但毕竟比传统的准同步传输有着明显得优越性。毫无疑问，发展方向应该是这种高度灵活和规范化的SDH／SONET网，它必将会最终取代PDH传输体制，并为未来的国家信息基础设施（NII）的发展铺平道路。NGN-ASON6.2SDH的速率等级和帧结构建立一个统一的网络节点接口（NNI）是实现SDH网的关键，而规定一套必须遵守的速率和数据传送格式是NNI标准化的首要任务。本节中将首先介绍NNI的概念和要求，然后分别介绍SDH的速率等级和帧结构规范。6.2.1网络节点接口一个电信传输网是由两种基本设备构成的，即传送设备和网络节点。传输设备可以是光缆线路系统，也可以是微波接力系统或卫星通信系统。网络节点是指可以进行交换或选路的设备，可以有多种。简单的节点只有复用功能，复杂的节点则包括网络节点的全部功能，即终结、交叉连接、复用和交换功能。网络节点接口（NNI）在概念上是网络节点间的接口，从具体实现上看就是传输设备和网络节点之间的接口。但要想规范一个统一的NNI，首先要统一的是接口速率等级和信号的帧结构安排。NNI在网络中的位置可以用图6.1来表示。6.2.2同步数字体系的速率同步数字体系信号最基本也是最重要的模块信号是STM-1，其网络节点接口的速率为155.520Mbit/s，相应的光接口信号也只是STM-1信号经扰码后的电／光变换结果，因而速率不变。更高等级的STM-N信号是将基本模块STM-1以字节交错间插的方式同步复用的结果，其速率是155.520Mbit/s的N倍，目前SDH支持的N＝1、4、16和64。表6.1中列出了建议G.707所规范的标准速率值。表6.1SDH的标准速率SDH等级速率（Mbit/s）STM-1155.520STM-4622.080STM-162488.320STM-649953.2806.2.3帧结构SDH网的一个关键功能是要求能对支路信号（2/34/140Mbit/s）进行同步的复用、交叉连接和交换，因而帧结构必须能适应所有这些功能。同时也希望支路信号在一帧内的分布是均匀的、有规律的，以便进行接入和取出，还要求帧结构能对1.5Mbit/s和2Mbit/s系列信号同样方便和实用。为此ITU-T采纳了一种以字节结构为基础的矩形块状帧结构，其结构安排如图6.2所示。它由270×N列和9行字节组成，每字节8比特。对于STM-1而言，帧长度为270×9＝2430字节，相当于19440比特。若用时间表示，对于任何STM等级，其帧长或帧周期均为125μs。帧结构中字节的传输是从左到右按行进行的，首先由图中左上角第1个字节开始，从左到右、由上而下按顺序进行，直至整个字节都传完，再转入下一帧。如此一帧一帧地传送，每秒共传8000帧。由图6.2可知，整个帧结构大体上可分为3个主要区域：1.段开销（SOH）区域段