第八章光纤通信系统的性能与设计.ppt

光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统第八章 第八章光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构与性能指标光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价 IM DD数字光纤通信系统的组成 一 目前最常用 最主要的方式是强度调制 直接检测 IM DD 数字光纤通信系统 光纤通信系统结构 光纤通信系统的主要组成单元 光纤光器件光发送机光接收机光放大器根据光纤系统的应用可分为点到点连接广播和分配网局域网 点到点的传输系统 利用光纤的低损耗 宽带宽特点性能指标 比特率 距离积 BL BL积与光纤损耗和色散特性有关 而光纤特性又与波长有关 所以BL积与波长有关 第一代光波系统 0 85 m BL积1 Gb s km第二代光波系统 1 3 m BL积100 Gb s km第三代光波系统 1 55 m BL积1000 Gb s km 二 光中继器 设置光中继器的原因 光信号在传输过程会出现两个问题 光纤的损耗特性使光信号的幅度衰减 限制了光信号的传输距离 光纤的色散特性使光信号波形失真 造成码间干扰 使误码率增加 以上两点不但限制了光信号的传输距离 也限制了光纤的传输容量 为增加光纤的通信距离和通信容量 必须设置光中继器 光中继器的功能是补偿光能量损耗 恢复信号脉冲形状有 补偿衰减的光信号 对畸变失真的信号波形进行整形 光中继器的类型主要有两种 一种是传统的光中继器 即光电中继器 另一种是全光中继器 Rx Tx Rx Rx Tx Tx 再生器 Rx Tx A A 放大器 采用再生器和光放大器作为周期性损耗补偿的点到点连接 再生器 放大器 光发送机 光发送机 光接收机 光接收机 光中继器 光 电 光中继 实际上是一个接收机一个发送机对 它将检测到的微弱变形光信号 变为电信号 经放大整形后变成规则的电比特流 再调制光发送机 恢复原光比特流继续沿光纤传输 光放大器 将接收到的微弱光比特流信号直接放大而不需将其转换为电信号 1R 光放大器不能无限制级联 因为色散导致的脉冲畸变最终限制了系统的性能 光 电 光再生中继则不存在这种问题 传统的光中继器采用光 电 光 O E O 转换形式的中继器 如图所示 典型的数字光中继器原理方框图 2 光电中继器的结构形式有的设在机房中 有的是箱式或罐式 有的是直埋在地下或架空光缆在电杆上 1 光电中继器的构成 目前全光放大器主要是掺铒光纤放大器 掺铒光纤放大器是一个直接对光波实现放大的有源器件 其工作原理如图所示 用掺铒光纤放大器作中继器的优点是 设备简单 没有光 电 光的转换过程 工作频带宽 缺点是 光放大器作中继器时 对波形的整形不起作用 掺铒光纤放大器用作光中继器的原理框图 全光中继器 三 监视控制系统 1 监控系统为监视 监测和控制系统的简称 它与其他通信系统一样 在一个实用的光纤通信系统中 为保证通信的可靠 监控系统是必不可少的 1 监测内容 a 在数字光纤通信系统中误码率是否满足指标要求 b 各个光中继器是否有故障 c 接收光功率是否满足指标要求 d 光源的寿命 e 电源是否有故障 f 环境的温度 湿度是否在要求的范围内 除上述内容外 还可根据需要设置其他监测内容 2 控制内容 当光纤通信系统中主用系统出现故障时 监控系统即由主控站发出倒换指令 遥控装置将备用系统接入 将主用系统退出工作 当主用系统恢复正常后 监控系统应再发出指令 将系统从备用倒换到主用中 另外 当市电中断后 监控系统还要发出启动电机的指令 又如中继站温度过高 则应发出启动风扇或空调的指令 同样 还可根据需要设置其他控制内容 2 常见监控系统的基本组成 常见监控系统组成方式有三种 一级监控系统 在一个数字段对光纤传输设备及相关数字复接设备进行监控 二级监控系统 在具有多个方向的单个数字段距离内传输及复接设备进行监控 三级监控系统 对跨数字段的传输设备进行集中监控 3 监控信号的传输 在光纤通信监控系统中 监控信号是怎样在主控站和被控站之间传输呢 目前有两类方式 1 一类是在光缆中加金属导线对来传输监控信号 已经逐渐被淘汰 2 另一类是由光纤来传输监控信号 2 光纤来传输监控信号 光纤来传输监控信号又可分为如下两种方式 A 频分复用传输方式 采用频分方式可有不同的方法 其中一种方法是脉冲调顶方法 这种方法在使用5B6B码型的机器上 用来传输监控信号 此外还可传输公务区间通信等信号 B 时分复用方式 这种方式就是在电的主信号码流中插入冗余 多余 的比特 用这个冗余的比特来传输监控等信号 四 脉冲插入与脉冲分离 在一个实用的光纤通信系统中 除了要传输从电端机送来的多路信号之外 为了使整个系统完善地工作 还需传送监控信号 公务联络信号 区间通信信号以及其他信号 脉冲复接是将监控信号 公务联络信号 区间通信信号等汇接后在读脉冲的作用下 将上述信号插入信码流经编码后多余的时隙中 然后在光纤中传输 在光纤通信系统的接收端设有脉冲分离电路 它的作用与脉冲插入电路相反 将插入的监控信号 公务联络信号 区间通信信号分离出来 送至相应的单元中 传输故障主要来源于光缆线路 且多为人为故障 因而需要设置另外一套光端机 光中继器以及光缆线路 供一个或多个主用系统共同备用 当某一个主用系统出现故障 则可以通过倒换装置 启用该备用系统 以保证信息的正常传输 五 保护倒换系统 光纤分配网 功能 光纤通信系统不仅要求传送信息 而且要求将信息分配给多个用户应用 光缆电话网 公用天线电视 CATV 宽带综合业务数字网 B ISND 特点 传输距离较短 带宽要求宽结构 树型拓扑 总线拓扑 信道在中心点分配 光纤的作用与点到点连接系统类似 树形拓扑结构 单根光纤承载整个业务范围的多信道光信号 通过光接头完成分路 光分路器将一小部分功率分送给每个用户 多路视频信道分配CATV系统 高清晰度电视HDTV 总线拓扑结构 总线拓扑结构 缺点 信号损耗随分路数指数增加 限制了单根光纤总线服务的范围和用户数 若忽略光纤自身的损耗 则第N个分支可得到的功率为 PN 第N个分支功率 PT 发送功率 C 分路器的功率分路比 分路器的插入损耗 并假设每个分路器的C和 都相同 若取 0 05 C 0 05 PT 1mW和PN 0 1 W 则N的最大值 N 61 如何进一步增加分支数 在总线上周期地接入光放大器提升功率 可以克服上述限制 只要光纤色散的影响限制在可忽略的程度 允许分配的用户数将可大大增加 总线拓扑结构 局域网 局域网 在光纤通信系统中 要求在网络中一个局部区域内 如在一个大学校园内 的大量用户相互连接 使任何用户可以随机地进入网络 将数据传送给其他任何用户 LAN中要求对每个用户提供随机的收发数据功能 存在网络协议问题 结构 总线型Bus 环型Ring 星型Star 例子 以太网 协议 碰撞检测的载波侦听多路存取 CSMA CD 限制 与每个分支的损耗有关 用户数不能太多 环形拓扑结构 点到点连接将节点依次相连以形成单个闭合环 各节点中均设置有发送机 接收机对 均可发送和接收数据 也用作中继器 一个令牌 一个预先确定的比特率 在环内传递 每个节点都监视比特率以监听它自己的地址和接收数据 随着光纤分布式数据接口FDDI的标准接口的出现 光纤LAN开始普遍采用环形拓扑结构 FDDI SDH FC FiberChannel 双环结构 superiorreliabilityandrobustness 星形拓扑结构 所有节点都通过点到点连接接到中心站 中枢节点 上 有源星形结构 所有到达的光信号都通过光接收机转换为电信号 再将电信号分配以驱动各个节点的光发送机 无源星形结构 采用星形耦合器等无源光器件在光域进行分配 由于从一个节点的输入被分配到许多输出节点 因此传送到每个节点的功率将受用户数的限制 光纤通信系统的性能指标 一 系统的参考模型假设参考连接HRX HypothesisReferenceConnection 假设参考数字链路HRDL HypothesisReferenceDigitalLink 假设参考数字段HRDS HypothesisReferenceDigitalSection 标准假设参考连接HRX 假设参考连接是将拟建造的光纤通信系统按最长长度的标准数字网络进行假设参考连接 进行总体性能研究的一个参考模型 长度一般为27500km LE本地交换SC二级交换中心数字链路PC一级交换中心TC三级交换中心数字交换ISC国际交换中心 T参考点 T参考点 27500km 国内 国内 国际 本地 本地 LE LE PC PC SC SC TC TC ISC ISC ISC ISC ISC 假设参考数字链路HRDL HRDL定义为 在两个数字配线架 或其等效设备 之间 对规定速率的数字信号进行数字传输的全部实体 HRDL可以包含复接和分接过程 但不包换交换过程 多个HRDL和各级交换中心组成HRX 标准数字HRX的总的性能指标按比例分配给HRDL 使系统设计得以简化 建议的HRDL长度为2500km 但各国领土面积不同 采用的HRDL长度也不同 我国采用5000km 美国和加拿大采用6400km 而日本采用2500km 假设参考数字段HRDS HRDS定义为 在相邻接的数字分配架或其等效设备之间 对规定速率的数字信号进行数字传输的全部实体 HRDS包含两端的终端设备 但不包含复接功能 多个HRDS组成一个HRDL 在建议中用于长途传输的HRDS长度为280km 用于市话传输的HRDS长度为50km 我国用于长途传输的HRDS长度为420km 一级干线 和280km 二级干线 二 误码率BER 误码率是衡量数字光纤通信系统传输质量优劣的重要指标 反映了在数字传输过程中信息受到损害的程度 一般用在一个较长时间内的传输码流中出现误码的概率表示 误码率参数和HRX的误码率指标 HRX误码率总指标的分配 HRDS高级电路误码率指标 三 抖动 抖动是数字信号传输过程中产生的一种瞬间不稳定现象 其定义为数字信号在各有效瞬间对标准时间位置的偏差 偏差时间范围称为抖动幅度 偏差时间间隔对时间的变化率为抖动频率 这种偏差包括在某一平均位置左右变化或提取时钟信号在中心位置左右变化 抖动产生的原因主要与定时电路的质量 输入信号的状态和输入码流中的连 0 码数目有关 输入抖动容限是系统能容忍的输入信号中引入的抖动最大值 该参数反映系统对抖动的承受能力 输出抖动容限是系统在无输入抖动的条件下允许输出信号中产生的抖动最大值 该参数反映了系统本身引入的抖动程度 抖动产生的原因主要有 由于噪声引起的抖动 时钟恢复电路产生的抖动 其他原因引起的抖动 引起抖动还有其他原因 如数字系统的复接 分接过程 光缆的老化等 抖动的单位是UI UnitInterval 1UI的时间相差非常大 一般用抖动占UI的相对值来表示 系统各次群输入抖动容限 系统各次群输出抖动容限 第八章光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构与性能指标光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价 光纤损耗对系统的限制 1300 1550 850 紫外吸收 红外吸收 瑞利散射 0 2 2 5 损耗 dB km 波长 nm OH离子吸收峰 光纤的损耗谱特性 损耗限制光波系统 设发送机发出的最大平均功率为Pt 而光接收机的接收灵敏度为Pr 则最大传输距离为 tot dB km 为光纤损耗 包括对接损耗和活动连接损耗 由于接收机灵敏度Pr随比特率B线性变化 因此传输距离亦与比特率有关 h 为光子能量 Np为接收机所要求的每比特的平均光子数 在给定工作波长处 L随比特率B的增加而呈对数关系降低 损耗限制色散限制 横越大西洋的海底光波系统 实际陆地光波系统 采用色散位移光纤的1550nm B 10Gb s的实验系统 第八章光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构与性能指标光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价 光纤色散 信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同 而引起的信号畸变 色散限制 光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离 色散类型模间色散 仅多模光纤有 波导色散材料色散偏振模色散 波长色散 一 光纤色散 光纤色散对系统的限制 二 色散与光纤 G 652 标准单模光纤SMF 零色散波长 1300nm1550色散 16 17ps nm kmG 653 色散位移光纤DSF 零色散波长 1550nmG 655 非零色散位移光纤NZDSF 1550nm色散 2 6ps nm km 三 色散限制 光纤色散导致的信号畸变限制系统的传输距离 导致色散限制的物理机制随不同波长而不同 1 0 85 m光波系统第一代光波系统 通常采用低成本的多模光纤作为传输媒质 主要限制因素是模间色散 色散限制 多模阶跃光纤 BL c 2n1 典型值n1 1 46 0 01 传输距离随比特率的曲线 即使在B 1Mb s的低比特率 也是色散限制的 其传输距离限制在10km内 应用 数据连接 很少用于光纤通信系统中 多模渐变光纤 BL 2c n1 2 对于n1 1 46 0 01 曲线如图 当比特率小于100Mb s时为损耗限制 大于100Mb s将变为色散限制 第一代陆上光通信系统就是采用多模渐变光纤 比特率在50 100Mb s 中继距离接近10公里 于1978年投入商业运营 色散限制 2 1 3 m光波系统 第二代光波系统采用最小色散波长在1 3 m附近的单模光纤 最大的限制因素是由较大的光源谱宽支配的由色散导致的脉冲展宽 比特率 距离积BL 4 D 1D为色散 为光源的均方根谱宽 D 典型值为1 2ps km nm 当取 D 2ps km时 BL 125 Gb s km 当B1Gb s时则变为色散限制系统 色散限制 3 1 55 m光波系统 第三代光波系统工作在损耗最小的1 55 m波长 光纤色散是系统的主要限制因素 对普通单模光纤 在1 55 m处D的典型值为17ps km nm 色散值比较高 由色散导致的脉冲展宽较大 系统处于色散限制状态 采用单纵模半导体光源可大大缓解这种限制 最终限制为 B2L 16 2 1式中 2为群速色散 与色散参数D的关系为 D 2 c 2 2 普通单模光纤的限制线为 B2L 4000 Gb s 2 km 对理想的1 55 m系统 B2L可达6000 Gb s 2 km 当B 5Gb s时 为色散限制系统 色散限制 当采用色散位移光纤时 色散和损耗在1 55 m附近均最低 色散限制 光纤色散导致的信号脉冲畸变 与光源线宽 信号啁啾 调制展宽等因素有关 直接调制系统中 光源的调制啁啾及光纤色散导致信号畸变 对于2 5Gb s系统 放大器的积累噪声成为传输距离主要限制 对于10Gb s系统 光纤色散成为传输距离的主要限制 比特率NZDSFSSMF2 5Gb S6000km1000km10Gb s400km60km 第八章光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构与性能指标光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价 单通道系统中继距离设计 损耗受限系统 最大中继距离受光纤损耗的限制色散受限系统 最大中继距离受到光纤传输色散的限中继距离受光纤线路损耗和色散 带宽 的限制 明显随传输速率的增加而减小 中继距离的设计有三种方法最坏情况法 参数完全已知 统计法 所有参数都是统计定义 半统计法 只有某些参数是统计定义 采用最坏情况设计法 用这种方法得到的结果 设计的可靠性为100 但要牺牲可能达到的最大长度 光纤通信系统设计中的功率预算 光纤损耗与色散对系统的传输距离L和比特率B具有固有的限制 还需考虑其他问题 如 工作波长 光纤 光发送机 光接收机 各种光无源器件的性能价格比 系统可靠性及扩容升级要求等 功率预算目的 使光纤通信系统在整个寿命期间 确保有足够的光功率到达光接收机 以保证系统有稳定可靠的性能 功率预算的范围 功率预算 用dBm表示 信道损耗包括 光纤损耗 dB km 连接损耗 固定连接0 1 0 2dB 活动连接 1dB 发射功率 接收灵敏度 系统功率余量 信道总损耗 功率余量 元器件老化温度变化其他不可预知事件引起的功率亏损设计时通常取6 8dB 传输距离 传输距离 km 功率预算示例 长距离单模光纤通信系统 工作波长在1 3 m 发射功率PT 4dBm光纤损耗 0 3dB km熔接损耗 0 2dB km发射机和接收机端的连接损耗 1dB 每个 APD接收机所需的平均功率 比特率400Mbit s BER10 9 44dBm比特率40Mbit s BER10 9 52dBm功率余量 6dB 比特率为400Mbit s BER10 9 时 无需中继器 所能传输的最长距离 不考虑色散代价 解答 比特率为400Mbit s BER10 9 最大允许链路损耗 4 44 40dB光纤损耗 光纤 熔接 0 3dB 0 2dB xL连接器损耗 2dB 2个连接器 每个1dB 系统余量 6dB因此 总体链路损耗 0 5L 2 6 dB 最大传输距离 40 2 6 0 5km 64km 答案 比特率为40Mbit s BER10 9 时 无需中继器 所能传输的最长距离 不考虑色散代价 80km 色散受限系统 色散受限系统中继段距离可用下式估算 光脉冲的相对展宽值 当光源为多纵模激光器时 0 115当光源为发光二极管时 0 306 光源的根均方谱宽 nm D 光纤的色散系数 ps km nm B 系统的码率 bit s 第八章光纤通信系统的性能与设计 光纤通信系统结构光纤损耗对系统的限制光纤色散对系统的限制光纤通信系统设计中的功率预算系统功率代价 当将激光器发出的光注入多模光纤 其输出功率会在多模光纤中激励出许多相互相干的传播模式 这些模式之间的相互干涉 在光纤截面出现一定亮度分布的光斑图 在链路随机机械振动的作用下 光斑图随时间发生变化 光斑图的变化造成了入射接收机的光功率随时间发生变化 因此引入模式噪声 因此 造成模式噪声的因素为 1 光源的相干性2 光纤链路上的随机振动 微弯 模 式 噪声 消除模式噪声的措施 1 使用LED光源 避免相干性2 使用多纵模激光器 这将增加光斑图的粒状性 从而降低链路中因机械干扰而引起的光强度起伏3 使用数值孔径较大的光纤 因为它支持很多模式 从而导致光斑数目增多4 使用单模光纤 不存在模式间的干涉 如何消除模 式 噪声 模分配噪声 多纵模半导体激光器在调制时 其各个模式一般是不稳定的 即使各模式功率的总和 总功率 不随时间而变 但各个模式的功率却随时间呈随机波动 当不存在色散时 所有模式在传输和检测中保持同步 这种波动是无害的 但在实际有色散光纤中 工作于不同波长的模式将以不同的速度传播 造成各模式间不同步 引起接收机电流附加的随机波动 信噪比降低 这种现象称为模分配噪声 需要付出功率代价 由激光器模式分配噪声导致的功率损伤可以由下式近似表示 其中x是APD的过剩因子 Q是信噪比因子 k是模分配噪声因子 一般在0 6 0 8之间 B是数据比特率 Gb s L是光纤长度 km D是光纤色度色散系数 ps nm km sl是激光器输出谱宽 为使模式分配噪声带来的功率损伤小于0 5dB 乘积可以看出 模式分配噪声在高比特系统中表现得比较明显 模式分配噪声导致的功率损伤 单模激光器当直接调制注入电流时载流子浓度发生变化 导致有源区折射率变化 折射率的变化导致了腔体相位条件的轻微变化 最终带来输出波长的变化 与时间相关的激光频率偏移可以表示为 a是线宽展宽因子 k是一个与频率无关的因子取决于激光器的结构 P t 为输出光功率 对于AlGaAs激光器 因子a的取值范围是 3 5到 5 5 而对于AlGaAsP激光器 a取值范围是 6到 8 后果 激光器的啁啾将带来严重的色散效应 啁啾 系统损伤与啁啾和信号消光比之间的关系 从上面的式子上看 减小啁啾的办法是提高激光器偏置电流 因为在阈值点附近 P t 变化最快 但是 提高偏置电流 降低了消光比 消光比的降低也将导致系统性能的下降 1550nm4Gb s100km 解决方法 1 选择使用输出波长接近光纤的零色散波长的激光器2 让激光器工作在输出直流光的状态 然后采用外调制的办法加载数据 反射噪声带来两种损伤 1 光功率反馈回激光器谐振腔 导致激光器输出频谱展宽 2 多条光路径导致接收端出现不同时延的伪信号 造成码间串扰解决措施 1 光纤末端制成曲面或与发光面有一定夹角 如APC连接头 2 在光纤与空气的交界面上涂上折射率匹配的材料3 使用连接器和隔离器 反射噪声 第八章 附 同步数字体系 SDH 简介 主要内容 SDH的产生 基本概念 速率和帧结构 SDH的映射原理 同步复用和开销 SDH网元 传送网和自愈网 1 PDH 准同步数字体系 存在的主要问题 1 两大体系 3种地区性标准 使国际间的互通存在困难 北美和日本采用以1 544Mbit s为基群速率的PCM24路系列 但略有不同 中国采用以2 048Mbit s为基群速率的PCM30 32路系列 如表6 1所示 2 无统一的光接口 无法实现横向兼容 3 准同步复用方式 上下电路不便 4 网络管理能力弱 建立集中式电信管理网困难 5 网络结构缺乏灵活性 6 面向话音业务 第一节SDH的产生 准同步数字体系 1984年美国贝尔提出一种新的传输体制 光同步传送网 SYNTRAN 1985年ANSI通过此标准 形成了国家的正式标准 并更名为同步光网络 SONET 1986年这一体系成为美国数字体系的新标准 同时 引起了ITU T的关注 1988年ITU T接受了SONET的概念 并进行了适当的修改 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 表6 2是SONET和SDH的速率对照 1989年 ITU T在其蓝皮书上发表了G 707 G 708和G 709三个标准 从而揭开了现代信息传输崭新的一页 2 SDH的产生 SDH和SONET网络节点接口的标准速率 所谓SDH是一套可进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的标准化数字信号的结构等级 SDH网络则是由一些基本网络单元 NE 组成的 在传输媒质上 如光纤 微波等 进行同步信息传输 复用 分插和交叉连接的传送网络 它的基本网元有终端复用器 TM 分插复用器 ADM 同步数字交叉连接设备 SDXC 和再生中继器 REG 等 3 SDH的概念 1 新型的复用映射方式 同步复用方式和灵活的映射结构 2 接口标准统一 全世界统一的NNI 体现了横向兼容性 3 网络管理能力强 帧结构中丰富的开销比特 4 组网与自愈能力强 采用先进的ADM DXC等组网 5 兼容性好 具有完全的前向兼容性和后向兼容性 4 SDH的特点 6 先进的指针调整技术 可实现准同步环境下的良好工作 7 独立的虚容器设计 具有很好的信息透明性 8 系列标准规范 便于国内 国际互连互通 注 SDH最为核心的三个特点是同步复用 强大的网络管理能力和统一的光接口及复用标准 4 SDH的特点 1 频带利用率低 频带利用率不如传统的PDH系统高 2 抖动性能劣化 引入了指针调整技术 使抖动性能劣化 3 软件权限过大 给安全带来隐患 须进行强的安全管理 4 定时信息传送困难 分插 重选路由及指针调整所致 5 IP业务对SDH传送网结构的影响 4 SDH应用的不足之处 网络节点接口 NNI 是表示网络节点之间的接口 在实际中也可以看成是传输设备和网络节点之间的接口 它在网络中的位置如图所示 SDH的NNI处有标准化接口速率 信号帧结构和信号码型 即SDH在NNI实现了标准化 5 网络节点接口 NNI在网络中的应用 一 SDH的速率SDH采用一套标准化的信息结构等级 称为同步传送模块STM N N 1 4 16 64 相应各STM N等级的速率为STM 1155 520Mbit sSTM 4622 080Mbit sSTM 162488 320Mbit sSTM 649953 280Mbit s 第二节SDH的速率与帧结构 SDH帧结构是一种以字节为基本单元的矩形块状帧结构 其由9行和270 N列字节组成 如图8 2所示 帧周期为125 s 帧结构中字节的传输是由左到右逐行进行 对于STM 1而言 其信息结构为9行 270列的块状帧结构 传输速率 fb 9 270 8 8000 155 520Mbit s 从结构组成来看 整个帧结构可分成3个区域 分别是段开销区域 信息净负荷区域和管理单元指针区域 二 SDH的帧结构 图8 2STM N帧结构 图8 2STM N帧结构 帧长 125 s 9行 270 N列列宽 8bit 1 段开销 SOH 区域段开销是指SDH帧结构中为了保证信息净负荷正常 灵活 有效地传送所必须附加的字节 主要用于网络的OAM功能 段开销分为再生段开销 RSOH 和复用段开销 MSOH 2 信息净负荷 Payload 区域信息净负荷区域主要用于存放各种业务信息比特 也存放了少量可用于通道性能监视 管理和控制的通道开销 POH 字节 SDH的速率与帧结构 SDH的速率与帧结构 3 管理单元指针区域管理单元指针 AU PTR 是一种指示符 其作用是用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM N帧内的准确位置 以便在接收端能正确分离净负荷 同步复用和映射方法是SDH最有特色的内容之一 它使数字复用由PDH僵硬的大量硬件配置转变为灵活的软件配置 它可将PDH两大体系的绝大多数速率信号都复用进STM N帧结构中 第三节SDH复用结构和映射方法 SDH的通用复用映射结构 如图所示 将各种信号装入SDH帧结构净负荷区 需要经过映射 定位校准和复用3个步骤 SDH的通用复用映射结构 一 SDH的通用复用映射结构 我国采用的复用映射结构使得每种速率的信号只有惟一的复用路线到达STM N 接口种类由5种简化为3种 主要包括C 12 C 3和C 4三种进入方式 我国的SDH复用映射结构 我国的SDH复用映射结构 1 容器 C 容器是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构 其基本功能是完成PDH信号与VC之间的适配 即码速调整 ITU T规定了5种标准容器 C 11 C 12 C 2 C 3和C 4 每一种容器分别对应于一种标称的输入速率 即1 544Mbit s 2 048Mbit s 6 312Mbit s 34 368Mbit s和139 264Mbit s 我国的SDH复用映射结构仅涉及C 12 C 3及C 4 二 复用单元 虚容器是用来支持SDH通道层连接的信息结构 由信息净负荷 容器的输出 和通道开销 POH 组成 即VC n C n VC nPOH VC可分成低阶VC和高阶VC两类 TU前的VC为低阶VC 有VC 11 VC 12 VC 2和VC 3 我国有VC 12和VC 3 AU前的VC为高阶VC 有VC 4和VC 3 我国有VC 4 用于维护和管理这些VC的开销称为通道开销 POH 管理低阶VC的通道开销称为低阶通道开销 LPOH 管理高阶VC的通道开销称为高阶通道开销 HPOH 2 虚容器 VC 支路单元是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构 是传送低阶VC的实体 可表示为TU n n 11 12 2 3 TU n由低阶VC n和相应的支路单元指针 TU nPTR 组成 即TU n 低阶VC n TU nPTR 3 支路单元 TU 支路单元组是由一个或多个在高阶VC净负荷中占据固定的 确定位置的支路单元组成 有TUG 3和TUG 2两种支路单元组 1 TUC 2 3 TU 121 TUG 3 7 TUG 2 21 TU 121 VC 4 3 TUG 3 63 TU 12 4 支路单元组 TUG 管理单元是一种提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构 是传送高阶VC的实体 可表示为AU n n 3 4 它是由一个高阶VC n和一个相应的管理单元指针 AU nPTR 组成 AU n 高阶VC n AU nPTR 6 管理单元组 AUG 管理单元组是由一个或多个在STM N净负荷中占据固定的 确定位置的管理单元组成 例如 1 AUG 1 AU 4 5 管理单元 AU N个AUG信号按字节间插同步复用后再加上SOH就构成了STM N信号 N 4 16 64 即N AUG SOH STM N 7 同步传送模块 STM N 例如 一个2 048Mbit s和一个139 264Mbit s信号的映射复用过程如下 三 应用示例 各种信号复用映射进STM N帧的过程都要经过映射 定位和复用3个步骤 1 映射映射 Mapping 即装入 是一种在SDH网络边界处 把支路信号适配装入相应虚容器的过程 例如 将各种速率的PDH信号先分别经过码速调整装入相应的标准容器 再加进低阶或高阶通道开销 以形成标准的VC 四 基本复用映射步骤 2 定位 定位 Alignmem 是把VC n放进TU n或AU n中 同时将其与帧参考点的偏差也作为信息结合进去的过程 通俗讲 定位就是用指针值指示VC n的第一个字节在TU n或AU n帧中的起始位置 复用 Multiplex 是一种将多个低阶通道层的信号适配进高阶通道或者把多个高阶通道层信号适配进复用段层的过程 即指将多个低速信号复用成一个高速信号 其方法是采用字节间插的方式将TU组织进高阶VC或将AU组织进STM N 复用过程为同步复用 如 1 STM 1 1 AUG 1 AU 4 1 VC 4 3 TUG 3 21 TUG 2 63 TU 12 63 VC 121 STM 1 1 AUG 1 VC 4 3 TUG 3 3 TU 3 3 VC 31 STM 1 1 AUG 1 VC 4STM N N STM 1 3 复用 1 异步映射异步映射是一种对映射信号的结构无任何限制 也无需与网络同步 仅利用正码速调整将信号适配装入VC的映射方法 此种可直接接入 取出PDH速率等级的信号 我国多采用此种方法 2 比特同步映射比特同步映射是一种对映射信号无任何限制 但要求其与网络同步 从而无需码速调整即可使信号适配装入VC的映射方法 此种方法无需去映射 即可直接取出64kbit s或N 64kbit s信号 五 映射方法 3 字节同步映射字节同步映射是一种要求映射信号具有帧结构 并与网络同步 无需任何速率调整即可将信息字节装入VC内规定位置的映射方法 它特别适用于在VC 11和VC 12内无需组帧或解帧即可直接接入或取出64kbit s或N 64kbit s信号 五 映射方法 传送网主要指逻辑功能意义上的网络 即网络的逻辑功能集合 传输网是指实际信息传递设备 如光缆 组成的物理网络 传送是从信息传递的功能过程来描述 而传输是从信号在具体物理媒质中传输的物理过程来描述 传送网可以有基于SDH的传送网 基于PDH的传送网和基于ATM的传送网等 六 SDH传送网的分层模型 电路层网络是面向业务的 严格上讲不属于传送层网络 传送网本身大致分为两层 通道层和传输媒质层 如图所示 SDH传送网的分层模型 SDH传送网的分层与分割 电路层网络直接为用户提供通信业务 例如 电路交换业务 分组交换业务 IP业务和租用线业务等 根据提供的业务不同可以区分不同的电路层网络 电路层网络的主要节点设备包括用于交换各种业务的交换机 用于租用线业务的交叉连接设备以及IP路由器等 2 通道层网络通道层网络支持一个或多个电路层网络 为电路层网络节点 如交换机 提供透明的传送通道 即电路群 通道层网络又可进一步划分为低阶通道层 VC 11 VC 12 VC 2和VC 3 和高阶通道层 VC 4 VC 4 Xc和VC 3 1 电路层网络 通道层网络支持一个或多个电路层网络 为电路层网络节点 如交换机 提供透明的传送通道 即电路群 通道层网络又可进一步划分为低阶通道层 VC 11 VC 12 VC 2和VC 3 和高阶通道层 VC 4 VC 4 Xc和VC 3 2 通道层网络 传输媒质层网络与传输媒质 光缆或微波 有关 它支持一个或多个通道层网络 为通道层网络节点 例如DXC ADM等 间提供合适的通道容量 传输媒质层又分为段层和物理媒质层 简称物理层 段层网络可分为复用段层网络和再生段层网络 复用段层网络为通道层提供同步和复用功能 并完成有关MSOH的处理和传送等功能 再生段层网络提供定帧 扰码 再生段误码监视以及RSOH的处理和传送等功能 物理层网络涉及到支持段层网络的光纤 金属线对或无线信道等传输媒质 主要完成光 电脉冲形式的比特传送任务 3 传输媒质层网络 SDH开销是指用于SDH网络的运行 管理和维护的比特 SDH的开销分两类 段开销SOH和通道开销POH 分别用于段层和通道层的维护 第四节SDH的开销功能 段开销SOH SOH分为再生段开销 RSOH 和复用段开销 MSOH 两种 RSOH负责管理再生段 可在再生器接入 也可在终端设备接入 MSOH负责管理复用段 它将透明地通过每个再生器 只能在AUG组合或分解的地方才能接入或终结 通道开销POH POH主要用于通道性能监视及告警状态的指示 有低阶通道开销 LPOH 和高阶通道开销 HPOH 两种 LPOH在低阶VC n的组装和拆卸处接入或终接HPOH在高阶VC n的组装和拆卸处接入或终接 各种开销对应于相应的管理对象 如图8 9所示 图8 9SDH开销的类型和作用 SDH开销的类型和作用 SDH传输网由各种网元构成 网元的基本类型有终端复用器 TM 分插复用器 ADM 同步数字交叉连接设备 SDXC 等 TM ADM和SDXC的主要功能框图如图所示 SDH网元功能示意图 第六节SDH中的关键设备 网元 TM的作用是将准同步电信号 2Mbit s 34Mbit s或140Mbit s 复接成STM N信号 并完成电 光转换 也可将准同步支路信号和同步支路信号 电的或光的 或将若干个同步支路信号 电的或光的 复接成STM N信号 并完成电 光转换 在收端则完成相反的功能 1 终端复用器 TM 1 概念及作用ADM是一个三端口设备 有两个线路 也称群路 口 和一个支路口 支路信号可以是各种准同步信号 也可以是同步信号 ADM作用是从主流信号中分出一些信号并接入另外一些信号 2 应用 常用于线性网和环形网 2 分插复用器 ADM 1 基本概念DXC是一种具有一个或多个准同步数字体系 G 702 或同步数字体系 G 707 信号的端口 可以在任何端口信号速率 及其子速率 间进行可控连接和再连接的设备 适用于SDH的DXC称为SDXC SDXC能进一步在端口间提供可控的VC透明连接和再连接 这些端口信号可以是SDH速率 也可以是PDH速率 3 数字交叉连接设备 DXC 图DXC简化结构 DXC由复用 解复用器和交叉连接矩阵组成 DXC的简化结构 如图所示 DXC的核心部分是交叉连接矩阵 参与交叉连接的速率一般等于或低于接入速率 而交叉连接速率与接入速率之间的转换需要由复用和解复用功能来完成 2 SDXC基本结构 分离本地交换业务和非本地交换业务 为非本地交换业务 如专用电路 迅速提供可用路由 为临时性重要事件 如政治事件 重要会议和运动会 迅速提供电路 网络出现故障时 迅速提供网络的重新配置 按业务流量的季节性变化使网络最佳化 网络运营者可以自由地在网中使用不同的数字体系 PDH或SDH 3 基本功能 4 DXC与常规数字交换机的主要区别 再生中继器的功能是对经传输衰减后的信号进行放大 整形和判决再生 以延长传输距离 首先将线路口接收到的光信号变换成电信号 然后对电信号进行放大 整形和判决再生 最后再把电信号转换为光信号送到线路上 4 再生中继器 REG 自愈网能在网络出现意外故障情况时自动恢复业务 其基本原理是使网络具备发现替代传输路由 并在一定时限内重新建立通信 自愈网 指通信网络发生故障时 无需人为干预 网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务