（管理科学与工程专业论文）SDH网络同步仿真算法及应用.pdf

一 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fe c o n o m i c sa n dm a n g e m e n t r e s e a r c ho ns d hn e t s y n c h r o n i z a t i o n s i m u l a t i o n a l g o r i t h ma n d i t sa p p l i c a t i o n s a t h e s i si n m a n a g e m e n t s c i e n c ea n de n g i n e 嘶n g b y w 苟j i n a 州s e db y p r o f a n g ) ( u s h e n g s u b n l i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e m o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e 铲e eo f m a s t e ro fm a n a g e m e n t m a r c h ，2 0 l o 一 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航 空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：翌坠亟 日 期：丛i 竺：主：虚 南京航空航天大学硕：卜学位论文 摘要 随着通信技术的发展，新型通信业务的日益增多，整个电力通信网络的运行维护也日趋重 要。传统的以“模拟操作”为主要特征的电力反事故演习方式虽然为保障电力通信网络稳定安全 做出一些贡献，但是存在着诸多缺陷。为了提高电力通信网络事故处理的效率，克服传统静态 反事故演习方式的缺陷，需要一个与实际网络完全一致的虚拟网络作为电力通信网络运维和研 发的基础。电力通信网络是以同步作为基础的，目前，电力通信网络中大量采用s d h ( 同步数 字传输体制) ，因此要仿真电力通信网络，必须研究s d h 网络同步的仿真。本文首先综述了时 钟同步的国内外发展现状，研究的背景和意义，然后介绍s d h 传输原理，包括s d h 帧结构， 复用方式。本文还重点介绍了s d h 原型机的逻辑部件和功能，详细介绍了s d h 同步机制，在 此基础上，研究了几种经典的时钟同步算法，并且对算法进行分析和比较。最后，结合s d h 传 输原理和电力通信仿真现状，提出了s d h 网络同步仿真。在s d h 原型机仿真的基础上，提出 一种非对称式自适应时钟同步算法，解决s d h 原型机之间的同步和原型机内部的同步问题。该 算法的思想是将网络中对称式的时钟节点结构改变为非对称式的，各个时钟节点通过参数的计 算，选择出参考节点，并根据参考节点提供的时间戳信息计算出时钟同步相关参数，调整自身 的时钟，实现自适应时钟同步。 关键词：同步数字传输体制，电力通信网络，非对称式自适应算法，时钟同步算法，s d h 原型 机，电力通信仿真 南京航空航天大学硕七学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 课题来源一l 1 1 2 研究目的和意义一2 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外时钟同步研究2 j 1 2 2 国内时钟同步研究3 ： 1 3 论文的内容4 1 4 论文的组织结构5 第二章s d h 传输原理与s d h 原型机6 2 1s d h 传输原理6 2 1 1s d h 产生的技术背景6 2 1 2s d h 的优势。6 2 1 3s d h 的缺陷8 2 2s d h 原型机一9 2 2 1s d h 帧及复用映射结构一：9 2 3s d h 逻辑功能块产生告警的机理一1 3 2 4s d h 网络的同步机制1 5 2 4 - 1s d h 网络的同步原则1 6 2 4 2s d h 网元时钟源的种类1 6 2 4 3s d h 网络常见的定时方式。1 6 2 5s d h 网络同步仿真1 7 2 5 1s d h 原型机内部时钟同步1 7 2 5 2s d h 原型机之间时钟同步。1 8 2 6 国内外时钟同步算法1 8 2 6 1 国外著名的时钟同步算法1 8 2 6 2 国内的时钟同步算法。1 9 2 6 3 时钟同步算法分析和比较。2 2 第三章非对称式自适应算法和s d h 网络同步仿真2 4 i i i s d h 网络同步仿真算法及应用 3 1 时钟同步的定义2 4 3 2 时钟同步的分类2 6 3 3 非对称式自适应时钟同步算法2 7 3 3 1 算法思想2 7 3 3 2 算法中参数的计算2 9 3 3 3 算法的模块设计3 2 3 4 原型机之间时钟同步3 4 3 4 1 原型机之间的时钟同步模型一3 4 3 4 2 非对称式自适应算法的应用3 5 3 5 原型机内部的时钟同步3 5 3 5 1 原型机内部的时钟同步模型。3 5 3 5 2 非对称式自适应算法的应用3 6 第四章s d h 网络同步仿真的实现3 7 4 1s d h 网络同步仿真算法3 7 4 1 1 系统整体模型3 7 4 1 2 时钟节点功能模块设计3 8 4 2 模块结构设计。4 0 4 3 时钟同步实验和结论4 2 4 3 1 实验环境4 2 4 3 2 实验使用的算法4 3 4 3 3 实验部分代码。4 4 4 3 4 实验数据4 6 第五章总结与展望一4 8 5 1 论文的主要工作4 8 5 2 存在的问题。4 9 5 3 应用前景展望4 9 参考文献5 0 j l i 【谢5 3 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 4 i v 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 复用帧结构9 图2 2 各种开销字节1 0 图2 3s d h 逻辑部件及处理帧流程图1 0 图2 4 简明t u a i s 告警流程图1 4 图2 5s d h 逻辑设备告警流程图15 图3 1 时钟的漂移率以及物理时钟和逻辑时钟时间的关系2 6 图3 2 参考节点与从节点之间时钟信息传输图3 0 图3 3 参考：市点与从节点双向延迟测量图3 2 图3 4 时钟同步系统中节点的内部构成3 3 图3 5 内部时钟同步模型3 4 图3 6 节点之间的关系图3 5 图4 1 时钟同步系统结构图3 7 图4 2 时钟同步节点模块设计3 8 图4 3 子节点内部结构图3 9 图4 4s d h 同步模块关系类图4 0 图4 5 仿真实验拓扑结构4 3 图4 6 时钟节点同步数据折线图一4 7 表2 1 时钟同步算法比较2 2 表2 2 时钟同步算法结构比较2 3 表4 1 时钟同步实验数据( 未进行时钟同步调整) 4 6 表4 2 时钟同步实验数据( 进行时钟同步调整) 4 7 v s d h 网络同步仿真算法及应用 南京航空航天大学硕上学位论文 第一章绪论 随着通信技术的不断发展，电力通信网络日益复杂，如何维护网络的正常运行，及时和正 确的诊断和排除故障，成为整个电力通信网络的关键问题。要提高电力通信网络事故处理的效 率和通信网络的运行效率，需要一个与实际网络完全一致的虚拟网络作为电力通信网络运维和 研发的基础，即仿真电力通信网络。由于同步是电力通信网络的基础，同步仿真的性能直接决 定仿真的一致性，真实性和流畅性，因此，有必要对同步仿真进行深入的研究。本章首先介绍 了课题的来源，研究的目的，必要性和重要性，以及课题的意义，然后对国内外现状进行综述， 最后介绍论文各章研究的主要内容。 1 1 选题背景及意义 1 1 1 课题来源 目前通信网络已广泛采用s d h ( 同步数字传输体制) 体制，s d h 规范了数字信号的帧结构、 复用方式、传输速率等级、接口码型等特性，提供了一个国际上得到广泛支持的框架，已取代 了p d h ( 准同步数字传输体制) ，成为通信传输网建成的基础。s d h 网络是通信网络的重要组 成部分。 随着通讯技术的不断发展，电力通信网结构日益复杂，已由过去单一的载波通信方式发展 到现在拥有微波、光纤、卫星等多种通信方式的综合网络，运行着包括调度电话通信、数字数 据通信、会议电话、电视通信以及行政电话通信等多种业务。面对这样复杂的通信网络，运行 维护部fj 责任重大，不仅要维护网络的正常运行，更重要的是对网络中产生的故障能够在第一 时间给出正确判断，并且对故障采取适当的措施，以减轻故障对网络实际运行的影响。 但是，在实际运行的网络中进行故障的模拟和排除故障的练习是不现实的，因此许多运维 单位采用模拟的反事故预案和方案的演习方式，以期在不断的仿真和练习中提高运维人员处理 故障的能力，并将损失降至最低。目前，电力通信反事故演习还是以“模拟操作”为主要特征的 传统反事故演习方式，这种演习方式，曾经为保障通信网稳定安全做出一些贡献，同时也存在 着一些缺陷，如演习方案完全依赖设计人的知识和经验，需要处理的故障简单，对于未出现过 的故障不能进行正确的判断和处理，这与实际的通信网络相去甚远。为了提高通信网络事故处 理的效率和通信网络的运行效率，需要一个与实际网络完全一致的虚拟网络作为通信网络运维 和研发的基础。而通信网络是以同步作为基础的，要仿真通信网络，必须研究用软件方法仿真 各网元时钟同步的方式方法，从而使得仿真软件的整个信号在网络上流动时具有同步性，达到 与实际通信网络一致。 s d h 网络同步仿真算法及应用 1 1 2 研究目的和意义 本课题选择s d h 网络同步仿真进行研究，具有非常重要的现实意义： 随着通信技术的发展，通信网络结构日益复杂，综合业务繁多，在这种情况下，通信网络 的运行维护愈加重要，通信设备故障的出现，引起的直接经济损失将以数千万计，间接的经济 损失更是无法计量。为了提高通信系统反事故和防事故能力，必须安排通信网络反事故演习， 但是在真实的通信网络中进行反事故演习，必然会造成巨大的资源浪费和很大的安全隐患。因 此，需要一个与实际网络完全一致的虚拟网络作为通信网络运维和研发的基础，提高通信网络 事故处理的效率和通信网络的运行效率。 由于通信网络已广泛采用s d h 同步传输体制，要对复杂的通信网络进行全面而深入的仿 真，就必须解决s d h 网络的同步仿真问题，才能实现与实际运行网络一致的仿真效果，为今后 反事故演习和真实网络反事故的方式改变提供虚拟网络基础。 另一方面，目前全国电力系统已划分为几大电力系统，并且每个电力系统都存在国家、省、 市、县等各级机构。传输、继电保护、自动化作为电力的三大辅助运行系统，在保障电力正常、 平稳、安全运行中发挥了重大作用。当前各电力单位都存在着与网络高级仿真的相关需求，如 传输网的设备级、网络级培训，通信网络反事故平台，通信网络综合资源管理，通信网络故障 诊断辅助决策等。与之类似的是专业从事信息服务的信息服务商，传输网络更是其信息服务主 干网络。各信息服务商存在着类似于电力系统的各级单位划分，同样，各级单位也存在着类似 于电力系统的、与通信网络高级仿真相关的需求。由此可见，通信网络高级仿真系统的研究可 奠定通信网络运维单位对运维网络各种研发的基础。 电力通信网络综合资源管理、电力通信网络故障诊断辅助决策等系统对电力通信网络运行 具有英大的帮助，但这些系统的最佳实现，也需要实现高级网络仿真，就必然要实现s d h 网络 同步的仿真。综上所述，s d h 网络同步仿真问题，将对全国电力通信行业的发展都将起到重要 的推动作用。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外时钟同步研究 s d h ( 时钟同步传输体制) 的关键就是时钟同步。要仿真s d h 网络的同步，必须对时钟同 步进行研究。时钟同步研究起源丁国外，并且得到迅速的发展。1 9 7 8 年l 锄p o r t 在其论文中阐 明了时钟同步的可能性，并且比较系统地阐述了时钟同步技术的原理、方法以及时钟同步在分 布式系统中的应用【l 】。 进入上个世纪八十年代后，随着计算机的普及和发展，在时钟同步方面的研究取得了很大 的进展。许多有关时钟同步问题的研究都受到政府各种基金的资助。例如在美国，美国国防部、 2 南京航空航天大学硕七学位论文 美国航空航天局资助了许多有关时钟同步方面的研究项目f 2 1 。1 9 8 8 年美国航空航天局发布的技 术备忘录中就有专门讨论时钟同步问题的综述性论文“as u n ，e yo fc o 玎e c tf a u l t - 1 b l e 删呲c l o c k s y n c h r o l l i z a t i o nt e c h n i q u e s ”，不仅详细地论述当前各种时钟同步技术和方法，还特别叙述了有 关时钟容错和修正方法问题，最后还提出了时钟同步领域未来的研究方向【3 】。 2 0 0 0 年，欧盟各国联合实时了一项“欧米伽”计划，主要目的是要促进时钟同步技术的改进 和发展，进一步为实际应用和研究提供更高精度的时钟f 4 1 。 2 0 0 3 年5 月1 日，f c r i s t 锄和c f e t z e r 又发表了一篇名为“p r o b a b i l i s t i ch t e m a lc l o c k s y i l c h r o n i z a t i o n ”的学术报告，在此报告中，他们研究了在无边界通信延迟的情况下，使用一个 改进的概率论方法来读取远程的时钟，并设计了一个容错的基于概率论内部时钟同步协议【5 】。 由于采用的是基于概率论的方法读取时钟，所以它的精度要优于采用确定性算法进行时钟的远 程读入。另一个优点是用一个线性方程来读取一个二次方程，来描述信息的交换过程。此方法 不仅有效地减少了读取时钟信息的数量，也能实现及时地信息交换。 近些年来，随着计算机应用的发展以及分布式系统的出现，更高级的应用开始要求更高的 时钟同步。分布式系统中如何实现多个节点的时钟同步，就已经成为人们研究和关心的热点。 1 2 2 国内时钟同步研究 国内在时钟同步领域的研究起步相对较晚，但是借助于较成熟的技术，也取得了良好的成 果。在研究初期，主要停留在对国外介绍或国外的某些时钟同步算法进行相应的改进。目前， 我国在时钟同步领域的研究已经不再局限于介绍和改进国外某些算法了【6 】川。很多关于时钟同 步的新算法和新思想被相继提出来，并获得了应用。 一种基于本地时钟选择的时钟同步算法通过计算报文的来回程时间来估计网络延迟，并且 采用的是时间精确度的策略，而不是采用即时时间值。这种方法能够有效地减少网络延迟给时 钟同步带来的负面影响。根据本地节点从参考节点所获得的信息，本地节点不仅能够预测自己 的同步时间，而且在网络连接出现故障时，系统也能够进入自适应状态。 对于在相对时钟精确度上要求较高的应用需求，即多主机系统中主机与标准时间的同步要 求不高，但对各个主机之间的时间的同步要求较高的情况下，出现了一种基于环状拓扑结构的 时钟同步算法，能够实现自主维护拓扑结构，为分布式网络环境下的各主机提供准确的相对时 间戳，能够计算同步环上的时钟累计误差，对换上各节点的同步模型进行协同修正，以在全局 范围内提高同步精度，同时可以保证精度的同步。 为了克服即时时间值对时钟同步精度的影响，一种基于连续时间戳通信模型的时钟同步算 法为时钟同步算法开辟了新的思路，这种连续时间间隔的应用比采用即时时间间隔的应用具有 更好的精度，即使在个别数据的错误和丢失情况下，也不会影响整个系统的正常运行【引。 除此之外，国内在时钟同步方面还有很多发展，出现基于时钟精度差和小波分析的时钟同 3 s d h 网络同步仿真算法及应用 步网，在以往时钟同步的基础上尝试了通过小波分析网络传输所遇到的干扰，并进一步消除噪 声，减少延时，提高传输率；基于延迟和环状拓扑的网络时间同步，利用逻辑的环状同步拓扑， 计算该同步环上的时钟累积误差，对环上各节点的同步模型进行协同修正，以在全局范围内提 高同步精度，同时可以保证精度的同步；基于异步网络环境的白适应时钟同步，有效地减少了 网络延迟给时钟同步带来的负面影响，而且极大的减少了由于时钟同步的信息交换所带来的网 络负载。 1 3 论文的内容 s d h 网络同步仿真的实现，不仅要考虑到真实s d h 网络的时钟同步实现机制，而且还要 解决时钟同步算法本身的问题。s d h 传输网络的同步性是由s d h 设备本身物理性来保证实现 的，而s d h 网络仿真需要用软件的方法来实现时钟同步，这是一个相当困难的问题。首先，由 于网络传输延迟的不确定性，使得节点时钟无法准确地得到标准时钟的即时时间值。其次，由 于每个时钟节点都存在着一个漂移率，即使初始时刻时钟一致，也不可能长时间保持同步。最 后，怎样实现单个节点的自适应调 了能力，也是一个难点。 本文利用连续时间戳的方法来准确计算节点时钟的运行精度，并利用移动平均法，完成对 时钟精度差的估计，从而实现参考节点的选择和从节点的自适应调整。各个时钟节点根据漂移 率和时钟精度差，网络延迟来修正自身的时钟，使得系统保持一个较高时钟同步精度。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 非对称式自适应时钟同步算法 为了满足s d h 通信网络对同步的要求，实现s d h 网络同步仿真，提出了非对称式自适应 时钟同步算法，介绍了算法的思想和实现的过程，并且重点研究算法的实现，包括参考节点的 选择和时钟同步的调整。 由于各个时钟节点的功能和地位是相同的，系统处于一种对称形式，因此需要选出一个时 钟节点作为参考节点，为其他时钟节点传输延迟和时钟精度差的计算提供标准和参考。参考时 钟节点的选择并不是一成不变的，需要按照系统的要求，不定期的重新选择参考时钟节点。 有了参考节点，从节点根据参考节点发送的时钟戳信息，计算网络延迟和时钟偏移量，进 行时钟调整，在这个过程中，还需要研究什么时候进行时钟调整，怎样调整，调整多少，即实 现自适应时钟调整，这是本文研究的重点。 ( 2 ) 原型机之间同步和原型机内部同步的实现 对于s d h 网络的仿真是通过s d h 原型机来实现的，s d h 原型机各个逻辑部件之间同步， 才能使得信号在传输过程中保持同步性，连贯性和一致性。s d h 原型机由不同的逻辑部件组成， 而s d h 网络则由许多个s d h 原型机组成，要实现s d h 网络同步仿真，就必须实现s d h 原犁 机之间的同步。用非对称式自适应时钟同步算法来实现s d h 网络同步仿真，包括模型的建立和 4 _ 南京航宅航天大学硕士学位论文 节点模块的设计。 ( 3 ) 非对称式自适应算法在s d h 网络同步仿真中的实现 s d h 网络同步仿真不仅包括原型机之间的同步，还包括原型机内部的同步。利用非对称式 自适应时钟同步算法，建立一个整体的系统的仿真模型，并且用实验的方法来验证算法的性能。 研究包括实验环境、实验数据、结果和结论。 1 4 论文的组织结构 论文总共分为五章： 第一章是绪论，主要介绍论文的选题背景，研究目的和意义，并对国内外相关的研究现状 进行综述，简述论文的研究内容。 第二章简单介绍s d h 通信传输原理，包括s d h 信号的帧结构，复用方式等。简述s d h 原 型机的结构和各个逻辑部件的功能，并对逻辑部件传输信号以及产生告警的过程进行描述。对 s d h 同步机制进行概述，并对时钟同步算法进行对比和介绍。 第三章和第四章是本文的核心内容。第三章主要研究非对称式白适应算法的思想，算法中 重要参数的计算，算法的模块设计，并研究了非对称式自适应算法在s d h 原型机内部时钟同步 和原型机之间时钟同步的应用。对非对称式自适应算法基本思想进行概述，并给山时钟节点的 结构和算法实现的部分代码，分析算法的效率和性能，对算法进行综合评价。 第四章将s d h 原型机之间的同步和原型机内部的同步结合起来，利用非对称式自适应算 法，给出一个完整的、系统的解决方案，并进行试验，得出数据和结论，分析算法的性能，根 据通信网络同步的要求，评价算法所达到的精度。 第五章对论文所做的：【作进行总结，包括综合整理的内容和创新的内容。对于课题中存在 的问题，或者目前不能很好解决的问题进行总结，并对课题的意义和朱来发展进行展望。 5 s d h 网络同步仿真算法及应用 第二章s d h 传输原理与s d h 原型机 本课题来源丁二对s d h 通信系统的仿真。系统采用s d h 原型机来仿真整个s d h 通信系统。 本章简单叙述s d h 传输原理，包括s d h 信号的帧结构，复用方式等，并对s d h 原型机的结构， 逻辑部件，及其功能进行介绍，并讲述原型机各逻辑传输信号的过程。本章着重对s d h 时钟同 步机制进行详细介绍，并对几种经典的时钟同步算法进行分析和对比，为s d h 网络同步仿真算 法提供参考。 2 1s d h 传输原理 要了解s d h 传输原理，首先需要弄明白什么是s d h 。s d h 全称叫做同步数字传输体制， 它其实是一种传输体制，或者说协议，就像p d h ( 准同步数字传输体制) 一样。s d h 这种传输 体制规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级，接口码型等特性。 2 1 1s d h 产生的技术背景 我们知道当今社会是信息社会，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，通过通信网传输、交换、处理的信息量将不断增大，这就要求现代化的通信网向数字化、 综合化、智能化和个人化方向发展。 传输系统是通信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接制约着通信网的发展【9 1 。当今世 界各国人力发展的信息告诉公路，其中一个重点就是组建大容量的传输光纤网络，不断提高传 输线路上的信号速率，扩宽传输频带，就好比一条不断扩展的能容纳大量车流的告诉公路。同 时用户希望传输网能有世界范围的接口标准，能实现我们这个地球村中的每一个用户能随时随 地便捷地通信。 目前传统的由p d h 传输体制组建的传输网，由于其复用的方式很明显的不能满足信号大 容量传输的要求1 0 1 ，另外p d h 体制的地区性规范也使网络互连增加了难度，由此看出在通信 网向大容量、标准化发展的今天，p d h 的传输体制已经愈来愈成为现代通信网的瓶颈，制约了 传输网向更高的速率发展。 2 1 2s d h 的优势 s d h 概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组建数字通信网，是构成综合 业务数字网( i s d n ) ，特别是宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的重要组成部分。与传统的p d h 体制不同，按s d h 组建的网是一个高度统一的、标准化的、智能化的网络，它采用全球统一的 接口以实现设备多厂家环境的兼容，在全程全网范围实现高效的协调一致的管理和操作，实现 灵活的组网与业务调度，实现网络白愈功能，提高网络资源利片j 率，由于维护功能的加强大大 6 南京航空航天人学硕士学位论文 降低了设备的运行维护费用。 下面就s d h 所具有的优势，从几个方面进一步说明。 l 、接口方面 ( 1 ) 电接口方面 接口的规范化与否是决定不同厂家的设备能否互连的关键。s d h 体制对网络节点接口 ( n n i ) 作了统一的规范。规范的内容有数字信号速率等级、帧结构、复用方法、线路接口、 监控管理等。于是这就使s d h 设备容易实现多厂家互连，也就是说在同一传输线路上可以安装 不同厂家的设备，体现了横向兼容性。 s d h 体制有一套标准的信息结构等级，即有一套标准的速率等级。基本的信号传输结构等 级是同步传输模块s 1 m 1 ，相应的速率是1 5 5 m b i 佻。高等级的数字信号系列例如：6 2 2 m b i 体 ( s t m _ 4 ) 、2 5 g b i 讹( s 1 m 1 6 ) 等，可通过将低速率等级的信息模块( 例如s t m 1 ) 通过字 节间插同步复用而成，复用的个数是4 的倍数，例如：s t m _ 4 = 4 s 1 m l ，s t m 1 6 = 4 s t m _ 4 。 ( 2 ) 光接口方面 线路接口( 这里指光口) 采用世界性统一标准规范，s d h 信号的线路编码仅对信号进行扰 码，不再进行冗余码的插入。扰码的标准是世界统一的，这样对端设备仅需通过标准的解码器 就可与不同厂家s d h 设备进行光口互连。扰码的目的是抑制线路码中的长连“0 ”和长连“l ”，便 于从线路信号中提取时钟信号。由于线路信号仅通过扰码，所以s d h 的线路信号速率与s d h 电口标准信号速率相一致，这样就不会增加发端激光器的光功率代价。 2 、复用方式 由于低速s d h 信号是以字节间插方式复用进高速s d h 信号的帧结构中，这样就使低速 s d h 信号在高速s d h 信号的帧中的位置是固定的、有规律性的，也就是说是可预见的。这样 就能从高速s d h 信号例如2 5 g b i 讹( s t m 1 6 ) 中直接分于岙出低速s d h 信号例如1 5 5 m b 敝 ( s t m 1 ) ，这样就简化了信号的复接和分接，使s d h 体制特别适合于高速大容量的光纤通信 系统。 另外，由于采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可将p d h 低速支路信号( 例如2 m b i t s ) 复用进s d h 信号的帧中去( s t m - n ) ，这样使低速支路信号在s t m - n 帧中的位置也是可预见 的，于是可以从s t m _ n 信号中直接分插出低速支路信号。注意此处不同于前面所说的从高速 s d h 信号中直接分插出低速s d h 信号，此处是指从s d h 信号中直接分肘岙出低速支路信号，例 如2 m b i t s ，3 4 m b i 讹与1 4 0 m b i 佻等低速信号。于是节省了大量的复接分接设备( 背靠背设备) ， 增加了可靠性，减少了信号损伤、设备成本、功耗、复杂性等，使业务的上、下更加简便。 s d h 的这种复用方式使数字交叉连接( d x c ) 功能更易于实现，使网络具有了很强的自愈 功能，便于用户按需动态组网，实时灵活的业务调配。 7 s d h 网络同步仿真算法及应用 3 、运行维护方面 s d h 信号的帧结构中安排了丰富的用于运行维护( o a m ) 功能的开销字节，使网络的监 控功能大大加强，也就是说维护的自动化程度大大加强。p d h 的信号中开销字节不多，因此在 对线路进行性能监控时，还要通过在线路编码时加入冗余比特来完成。以p c m 3 0 3 2 信号为例， 其帧结构中仅有t s o 时隙和t s l 6 时隙中的比特是用于o a m 功能。 s d h 信号丰富的开销占到了整个帧结构中所有比特的l 2 0 ，大大加强了o a m 功能。这样 就使系统的维护费用大大降低，而在通信设备的综合成本中，维护费用占相当大的一部分，于 是s d h 系统的综合成本要比p d h 系统的综合成本低，据估算仅为p d h 系统的6 5 8 。 4 、兼容性 s d h 有很强的兼容性，这也就意味着当组建s d h 传输网时，原有的p d h 传输网不会作废， 两种传输网可以共同存在。也就是说可以用s d h 网传送p d h 业务，另外，异步转移模式的信 号( a t m ) 、f d d i ( 光纤分布式数据接口) 信号等其他体制的信号也可用s d h 网来传输。那么 s d h 传输网是怎样实现这种兼容性的呢? s d h 网中用s d h 信号的基本传输模块( s t m 1 ) 可以容纳p d h 的三个数字信号系列和其 它的各种体制的数字信号系列a t m 、f d d i 、d q d b ( 分布式队列双总线) 等，从而体现了s d h 的前向兼容性和后向兼容性，确保了p d h 网向s d h 网和s d h 向a t m 的顺利过渡。s d h 是怎 样容纳各种体制的信号呢? 很简单，s d h 把各种体制的低速信号在网络边界处( 例如：s d h p d h 起点) 复用进s t m 1 信号的帧结构中，在网络边界处( 终点) 再将它们拆分出来即可，这样就 可以在s d h 传输网上传输各种体制的数字信号了。 2 1 - 3s d h 的缺陷 凡事有利就有弊，s d h 的这些优点是以牺牲其他方面为代价的。 l 、频带利用率低 我们知道有效性和可靠性是一对矛盾，增加了有效性必将降低可靠性，增加可靠性也会相 应的使有效性降低。例如，收音机的选择性增加，可选的电台就增多，这样就提高了选择性。 但是由于这时通频带相应的会变窄，必然会使音质下降，也就是可靠性下降。相应的，s d h 的 一个很大的优势是系统的可靠性大大的增强了( 运行维护的自动化程度高) ，这是由于在s d h 的信号一一s t m - n 帧中加入了大量的用于o a m 功能的开销字节，这样必然会使在传输同样多 有效信息的情况下，p d h 信号所占用的频带( 传输速率) 要比s d h 信号所占用的频带( 传输 速率) 窄，即p d h 信号所用的速率低。 2 、指针调整机理复杂 s d h 体制可从高速信号( 例如s t m 1 ) 中直接下低速信号( 例如2 m b i 以) ，省去了多级复 用解复用过程。而这种功能的实现是通过指针机理米完成的，指针的作用就是时刻指示低速信 8 _ 南京航空航天人学硕士学位论文 号的位置，以便在“拆包”时能正确地拆分出所需的低速信号，保证了s d h 从高速信号中直接下 低速信号的功能的实现。可以说指针是s d h 的一大特色。 但是指针功能的实现增加了系统的复杂性。最重要的是使系统产生s d h 的一种特有抖动一 一由指针调整引起的结合抖动。这种抖动多发于网络边界处( s d h p d h ) ，其频率低，幅度大， 会导致低速信号在拆出后性能劣化，这种抖动的滤除会相当困难。 3 、软件的大量使用对系统安全性的影响 s d h 的一大特点是o a m 的自动化程度高，这也意味软件在系统中占用相当大的比重，这 就使系统很容易受到计算机病毒的侵害，特别是在计算机病毒无处不在的今天。另外，在网络 层上人为的错误操作、软件故障，对系统的影响也是致命的。这样系统的安全性就成了很重要 的一个方面。 s d h 体制是一种新生事物，尽管还有这样那样的缺陷，但它已在传输网的发展中，显露出 了强大的生命力，传输网从p d h 过渡到s d h 已是一个必然的趋势。 2 2s d h 原型机 因n u - t 已对s d h 的比特率、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、信息模型、网络结构等提出相关标准建议，从而，将各个厂家的s d h 设备用统一 的一个s d h 设备模型来表示才有了可能性。以下将以华为技术有限公司出版的s d h 光传输 系统及清华大学出版的光传输技术作为技术依据，详细技术可参阅这些资料。 2 2 1s d h 帧及复用映射结构 图2 1 复用帧结构 9 s d h 网络同步仿真算法及应用 在i t u - tg 7 0 9 化1 3 3 l 中给出如下s d h 帧复用映射结构，并且给出如下一些开销建议： i 一捌一 2 3 4 s6 7 8 f b i t 撕) 图2 2 各种开销字节 我们知道s d h 体制要求不同厂家的产品实现横向兼容，这就必然要求设备的实现要按照标 准的规范，i t u t 采用功能参考模型的方法对s d h 设备进行规范，它将设备所应完成的功能分 解为各种基本的标准功能块，功能块的实现与设备的物理实现无关( 以哪种方法实现不受限制) ， 不同的设备由这些基本的功能块灵活组合而成，以完成设备不同的功能。通过基本功能块的标 准化，来规范设备的标准化，同时也使规范具有普遍性，叙述清晰简单。 下面介绍s d h 的逻辑结构，以及各个基本功能块的作用。下图为s d h 原型机部件及帧处 理流程图。 l o 图2 3s d h 逻辑部件及处理帧流程图 啊 下。l晰illiil上 南京航空航天大学硕士学位论文 为了更好地理解上图，对图中出现的功能模块名称说明如下： s p i ：s d h 物理接口1 r f ：传送终端功能 r s t ：再生段终端 h o i ：高阶接口 m s t ：复用段终端l o i ：低阶接口 m s p ：复用段保护h o a ：高阶组装器 m s a ：复用段适配h p c ：高阶通道连接 p p i ：p d h 物理接口o h a ：开销接入功能 l p a ：低阶通道适配s e m f ：同步设备管理功能 u 1 ：低阶通道终端m c f ：消息通信功能 l p c ：低阶通道连接s e t s ：同步设备时钟源 h p a ：高阶通道适配 s e t p i ：同步设备定时物理接口 h p t ：高阶通道终端 ( 1 ) 1 r r r f ：传送终端功能块 s p i 、r s t 、m s t 、m s p 、m s a 一起构成了复合功能块t t f ，它的作用是在收方向对s t m - n 光线路进行光电变换( s p i ) 、处理r s o h ( r s t ) 、处理m s o h ( m s t ) 、对复用段信号进行保 护( m s p ) 、对a u g 消间插并处理指针a u p t r ，最后输出n 个v c 4 信号；发方向与此过程 相反，进入t r f 的是v c 4 信号，从1 f r r f 输出的是s 删- n 的光信号。 s p i ：s d h 物理接口功能块，s p i 是设备和光路的接口，主要完成光电变换、电光变换， 提取线路定时，以及相应告警的检测。 r s t ：再生段终端功能块，r s t 是r s o h 开销的源和宿，也就是说r s t 功能块在构成s d h 帧信号的过程中产生r s o h ( 发方向) ，并在相反方向( 收方向) 处理( 终结) r s o h 。 m s t ：复用段终端功能块，m s t 是复用段开销的源和宿，在接收方向处理( 终结) m s o h ， 在发方向产生m s o h 。 m s p ：复用段保护功能块，m s p 用以在复用段内保护s t m - n 信号，防止随路故障，它通 过对s t m n 信号的监测、系统状态评价，将故障信道的信号切换到保护信道上去( 复用段倒 换) 。 m s a ：复用段适配功能块，m s a 的功能是处理和产生a u p t r ，以及组合分解整个s t m _ n 帧，即将a u g 组合分解为v c 4 。 ( 2 ) h p c 、l p c ：高阶通道连接功能块、低阶通道连接功能块 h p c 实际上相当于一个交叉矩阵，它完成对高阶通道v c 4 进行交叉连接的功能，除了信 号的交叉连接外，信号流在h p c 中是透明传输的( 所以h p c 的两端都用f 点表示) 。h p c 是 实现高阶通道d x c 和a d m 的关键，其交叉连接功能仅指选择或改变v c 4 的路由，不对信号 s d h 网络同步仿真算法及应用 进行处理。一种s d h 设备功能的强大与否主要是由其交叉能力决定的，而交叉能力又是由交叉 连接功能块即高阶h p c 、低阶l p c 来决定的。 l p c 与h p c 类似，l p c 也是一个交叉连接矩阵，不过它是完成对低阶v c ( v c l 2 c 3 ) 进行交叉连接的功能，可实现低阶v c 之间灵活的分配和连接。 ( 3 ) h o i 、l o i ：高阶接口、低阶接口 h o i 复合功能块由h p t 、u a 、p p i 三个基本功能块组成。完成的功能是将1 4 0 m b i 以的 p d h 信号一c 4 一v c 4 ，v c 4 一c 4 一1 4 0 m b i 佻的p d h 信号。 l o i 低阶接口功能块主要完成将v c l 2 信号拆包成p d h2 m b i 以的信号( 收方向) ，或将p d h 的2 m b i 眺信号打包成v c l 2 信号，同时完成设备和线路的接口功能码型变换；p p i 完成映 射和解映射功能。 h p t ：高阶通道终端功能块，h p t 是高阶通道开销的源和宿，形成和终结高阶虚容器。 l p a ：低阶通道适配功能块，l p a 的作用是通过映射和去映射将p d h 信号适配进c ，或把 c 信号去映射成p d h 信号，其功能类似于p d h c ，此处指1 4 0 m 1 b i t s - ，c 4 。 p p i ：p d h 物理接口功能块，p p i 的功能是作为p d h 设备和携带支路信号的物理传输媒质 的接口，主要功能是进行码型变换和支路定时信号的提取。 l p t ：低阶通道终端功能块，l p t 是低阶v c l 2 一p o h 及v c 3 p o h 的源和宿，如对v c l 2 而言就是处理和产生v 5 、j 2 、n 2 、k 4 四个p o h 字节。 ( 4 ) h o a ：高阶组装器 高阶组装器的作用是将2 m b i 低和3 4 m b i 讹的p o h 信号通过映射、定位、复用，装入c 4 帧中，或从c 4 中拆分出2 m b i t s 和3 4 m b i 佻的信号。 h p a