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传输原理及网管培训教材讲课人：南京传输设备维护中心丁颖彪 傅强第一部分 基础知识第一章 光纤传输原理作为电信三大支撑网之一，传输网提供给各种用户不同速率的接入通道，目前设备提供的业务接口主要有电接口和光接口。其中电接口主要有64Kb/s、2Mb/s、155Mb/s，除64Kb/s外，一般提供75射频接口。光接口主要有155 Mb/s、622 Mb/s、2.5Gb/S和10Gb/S，接口电平在规定范围内可根据用户需要通过调整光衰耗器改变。业务用户主要有局内用户和出租电路用户。局内用户包括交换、数据、多媒体等；出租电路用户主要包括党政军专线、大客户及其它运营商租用电路等。第一节 概述 光纤是光导纤维的简称。光纤通信是以光波作为信息载体，以光纤作为传输媒介的一种通信方式。是目前传输的主要手段。光纤通信之所以发展迅猛，主要缘于它具有以下特点： 1、 通信容量大、传输距离远。2、 信号串扰小、保密性能好。3、 抗电磁干扰、传输质量佳。4、 光纤尺寸小、重量轻，便于敷设和运输。5、 材料来源丰富，环境保护好。6、 无辐射，难于窃听。7、 光缆适应性强，寿命长。光纤通信与电通信的主要差异有两点：一是传输的是光波信号；二是传送光信号的介质是利用光纤。目前光纤通信光源使用的波长范围是在近红外区内，即波长为0.81.8mm之间。 我们已经知道，光波在光纤中传输时会带来一定的传输损耗。光纤每公里（km）长度的损耗值直接关系到光纤通信系统传输距离的长短。通过对光纤传输特性研究发现，光纤对于不同波长的光波信号呈现不同的衰减特征。于是，很自然地就会将呈低损耗的波长用于光纤通信，并将低损耗波长点称为传输窗口。光纤损耗特性目前光纤通信采用的通信窗口有三个（见图），它们分别是：（1）短波长窗口，波长为0.85mm。 （2）长波长窗口为，波长1.31mm和1.55mm。 其中，在0.80.9mm波段内，损耗约为2dB/km左右；在1.31mm波长处损耗为0.5dB/km；而在1.55mm处，损耗可降至0.2dB/km，这已接近光纤的理论损耗极限值。第二节 光纤通信的历史和现状光纤通信发展已经历了五代，这里简要介绍第三代以后的发展情况：1982年1988年的第三代光纤通信系统，采用1.31mm长波长单模光纤，光纤损耗降至0.30.5dB/km，实用化、大规模应用是其主要特征，传输信号为准同步数字系列（PDH）的各次群路信号，中继距离为50100km，于1983年以后陆续投入使用，主要用于长途干线和海底通信，是光纤通信重点推广应用阶段。 19881996年的第四代光纤通信系统。主要特征是：开始采用1.55mm波长窗口的光纤，光纤损耗进一步降至0.2dB/km，应用中主要用于建设同步数字系列（SDH）同步传送网络，传输速率达2.5Gbit/s，中继距离为80120km，并开始采用掺铒光纤放大器（EDFA）和波分复用（WDM）器等新型器件。 1996年今的第五代光纤通信系统。主要特征是：采用密集波分复用（DWDM）技术的全光网络开发与应用，充分利用光纤低损耗波段潜在容量实现传输系统的急剧扩容。采用DWDM技术不仅仅是带来巨大容量方面的好处，可以预计，随着DWDM技术的推广应用，将会对现行的光纤网络带来深刻的变革，最终会成为全光网络的基石。第二章 同步数字体系（SDH）原理简介第一节SDH概述一、 什么是同步数字体系(SDH) SDH的概念源自美国AT&T贝尔实验室的SONET。这是在80年代初为解决标准光接口问题而提出的。随后不断的发展显示出这种概念的潜在革新作用，因而于一九八八年CCITT（现ITU-T）采纳了这个概念 ，后来就形成了同步数字体系(SDH)由于SDH是为克服PDH的缺点而产生的，因此它是先有目标再定规范，然后研制设备，这个过程与PDH的正相反。显然，这就可能最大限度地以最理想的方式来定义符合未来通信网要求的系统和设备。一九八八年原CCITT通过三个SDH的基本建议，标志着数字传输的新纪元。现在SDH已成为本领域的发展热点。 同步数字体系(SDHSynchrounous Digital Hierarchy)所包含的内容非常丰富：它既是一套新的国际标准，又是一个组网原则， 也是一种复用方法。最重要的是，它提供了一个在国际上得到支持 的框架， 从而在此框架基础上就可发展并建成一种灵活、 可靠和能进行遥控管理的世界电信传输网。这种未来的传输网可以非常容易地扩展和适应新的电信业务。此标准使不同厂家生产的设备之间 进行互通成为可能，这正是网络建设者长期以来一直期求的。对于用户和电信网的运行者来说，这套SDH标准可以保证未来的信息技术发展将会是有条不紊的，他们不必担心不兼容性或网络的过时。具体来说，SDH是一套数字传送结构，供用来通过物理传输网络传 送经适配的业务信息(净负荷)；它是设计成多用途的，以允许传 送各种类型的信号，包括G.702规定的PDH信号在内。二、 SDH的特点SDH网的主要特点是同步复用、标准光接口和强大的网管功能，这三点在后面都要详细说明 。SDH网络还是一个非常灵活的网络，这体现在以下几个方面。SDH统一了北美、日本和欧洲三个地区性标准，各种数字传送信号在STM-1等级以上获得统一，使国际电信互通成为可能。1、 由于SDH电信传送采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可以利用软件实现高阶信号与低阶支路信号之间所谓的一步复用，上下业务十分容易，大大简化了交叉连接设备。2、 由于SDH帧结构中安排了大约占总信号5%的丰富的开销比特，极大的加强了网络的运行、管理和维护能力。3、 SDH传送网具有信息传送透明性。4、 统一了网络接口标淮，使不同厂家的产品可以直接互通，各种传送媒质如光纤、数字微波等可以直接连接，组网十分方便。5、 网络兼容能力强，它能与现有的PDH完全兼容，并容纳各种新的业务信号。三、 SDH与PDH的比较在SDH之前，多年以来一直到现在还在使用的数字传输设备均属于准同步数字系列（PDH）。现代及未来通信网络在可靠性、灵活性和针对性这三方面要求特别突出。反映在网络功能上则需要具有以下的能力： 强大的网络管理 自愈 重组或恢复此外，对设备而言，还对兼容性、经济性、适应性和可升级性等方面提出更高要求。以下我们就PDH的特点来说明为什么要引入SDH这一概念。现存的PDH网是在原有的模拟电话网的基础上引入PCM数字传输技术而发展起来的。因此：它主要是为话音业务而设计，不具备带宽及信息的多样化服务能力，传输网的基础是点对点的连接，难于提供网络拓扑的灵活性。 PDH 传输设备采用复式定帧和码速调整技术，按固定的复用结构,通过异步复用形成各次速率等级的信号。从2Mbit/s到140Mbit/s，其中2/8，8/34，34/140Mbit/s的复用/反复用器一个都不能少。如此，使得通信系统的组成和操作复杂，特别是当要从较高等级的数字信息流中提取(或插入)低等级的通路信息时，不能直接进行，必须逐级进行复用或反复用，例如从140Mbit/s信息流中提取(或插入)2Mbit/s的通路信息，必须经过三次复用/反复用的过程。上/下电路困难，设备复杂而不灵活。 PDH 的网络管理能力差。由于PDH复用的帧结构中只能提供十分有限的额外信息传输容量(备用比特或服务比特)，因此它不能为强大的网管系统提供足够的信息通道。 PDH系统实际上是先有设备后有国际建议标准。既成事实使得CCITT建议的PDH实际上不是一个数字系列 而是三个系列(北美、日本的1.544Mbit/s以及欧洲的2.048Mbit/s)，如此不仅网内的设备复杂而且会造成不同设备之间的接口困难。PDH光纤传输系统的兼容性差。CCITT未能为光纤传输设备提供统一的光接口标准。由于线路编码以及监控等方面的差异，现有PDH的光纤设备均存在着兼容性问题。不同厂家的设备都只能在CCITT(现称ITUT)建议的电接口互连。根据上述特点，我们应不难理解，为什么 CCITT只对PDH的14次群系统作出建议，而没有沿着这条路子继续对565Mbit/s的五次群系统正式作出建议(尽管这种设备早已制造出来并投入应用)。而PDH的这些不足在SDH中都得到了有效的解决，所以CCITT(ITUT)认为采用SDH才是满足未来通信网要求的解决方案。以下是SDH与PDH的比较1、复用方式及传输技术不同PDH的复用方式是逐级复用，而SDH则一步到位就可完成。由图示可以清楚的看到它们之间的区别。2、其它有关比较见表：四、SDH网络设备SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的。SDH设备主要有：同步终端复用器STM(Synchronous Terminal Multiplexer)，分插复用器ADM(Add/Drop Multiplexer)和同步交叉连接设备SDXC(Synchronous Digital Cross Connect) 。另外，还有网络管理系统设备NMS(Network Management System)。设备框图如下：其中，分插复用器是SDH中应最广、最富特色的设备。它是一个三端口设备，具有两个SDH 光接口，通过另一端可以灵活地上下路复用在STM信号中的低速率信号。ADM内部还具有时隙交换功能，允许两个STM信号之间不同VC的互联，并能方便地进行带宽管理。在实际网络中，根据ADM的结构特点，它可灵活地用在网络中不同的位置。作为终端复用器时，可将两个SDH光接口分别作主备用，实际复用设备往往既可配置成终端复用器又可配置成分插复用器。利用ADM还可构成各种自愈环。此外，数字交叉连接设备(DXC)也是现代数字通信网中非常重要的设备之一， SDXC结构如图所示，它的核心是 一个交叉连接矩阵。SDXC是种兼有复用、配线、保护、监控和网管多功能的传输设备。它能代替配线架，对VC进行交叉连接。动态调整网络，实现半永久连接；SDXC还能对业务进行集散，利用SDXC的自动配置功能也可以构成SDH的自愈网，在网络出现故障后自动重选路由，恢复业务。干线网中就常采用由SDXC构成的自愈网。网络管理系统设备完成对整个SDH网的管理，它应满足有关电信管理网的规定，并应有各类标准接口以便与各类网络设备连接。在SDH的网络设备中都设有同步设备管理功能(SEMF)， 它将性能数据和硬件告警等信号转变成面向目标的消息，并送入DCC或Q接口。第二节 SDH原理一、 帧结构如图：STM-1帧结构SDH用来承载信息的是一种块状帧结构，块状帧由纵向9行和横向270N列字节组成，每个字节含8bit。整个帧结构由段开销区、净负荷区和管理单元指针区三部分组成。其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配，以保证信息能够正常灵活地传送，管理单元指针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，以便接收时能正确分离净负荷。净负荷区域用来存放用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。页：11STM1比特率为155. 520Mbps，帧长为125s， 因此一帧包括19 440比特，即2430字节，如图排列成9行270列，发送顺序为从左至右；从上 至下依次发送。每行的前9个字节(前9列)，共81字节中放置了段开销(SOHSection Over head)和管理单元指针(AU PTR)；每行的后261个字节构成了信息净负荷区(Payload)，其中 有9字节为通道开销(POHPath Overhead)。其中，段开销和通道开销字节的安排如图。段开销的前3行为再生段开销(ROSH)，第59行为 复接段开销(MSOH)。再生段、复接段以及通道在实际系统中的位置可参见图125，POH在整个通道中保持不变；RSOH由再生段终端修改，在一个再生段内保持不变；MSOH由复接段设备( 如ADM、SDXC)修改，在一个复接段内不变。对于再生段、复接段及通道的定义，可由下图看出。段开销和通道开销各字节功能如下：A1A2为帧定位字节B1B2B3为误 码监测字节,其中： B1：再生段误码监测B2：复接段误码监测 B3：通道误码监测。C1C2为标记符号字节，其中C1：STM识别符，识别每个STM1信号在STMN复用信号中的位置；C2：信号指示标记，标明VC中映射的是ATM信元、FDDI、MAN还是某种PDH信号。D1D12为数据通信通路(DCC)，构成SDH管理网(SMN)的传送链路，其中：D1D3：192kbps的数据通道，用于再生段。D4D12：576kbps的数据通道，用于复接段。E1E2提供两路64kbps的公务联络语声通路，其中：E1：用于本地公务通路，在再生器接入；E2：用于直达公务通路，在复接段终端接入。F1F2为用户通路，为特定维护目的提供临时的数据语声通路。G1：通道状态字节。H4：TU位置指示字节，指示当前TU帧在TU复帧中的位置。J1：用于跟踪通道连接状态，在J1中重复发送高阶通道接入点识别符，以使接收终 端能根据J1确认与发送终端处于连接状态。K1K2用于自动保护倒换，专用于保护目的的128kbps APS信令信道。Z1Z5：分别为复接段和通道段备用字节。X标示为国内备用字节，其余为国际备用字节。从段开销和通道开销的内容可知：段开销SOH提供帧定位，另外SOH和POH都提供了误码监测 、自动保护倒换以及维护公务信道，SOH的DCC信道则为网管提供了专门的通路，这些都显示了SDH网丰富的辅助通路资源。STM1是SDH网中最低等级的速率，N个STM1以字节为单位同步交错复接后构成STMN信号 ，STMN的帧结构如下图所示。SDH的帧传输时，按由左向右，由小到大的顺序排成串型码流依次进行。每帧传输时间为125S，每秒传输1/125106 =8000帧。对STM-1而言，每帧能传输的比特数为8(27091)=19940b，则STM-1的传输速率为194408000=155.52Mb/s，而STM-4为622.080Mb/s、STM-16为2488.320Mb/s。各种业务信号进入SDH的帧结构都要经过三个步骤，即映射、定位和复用。二、 复用映射结构G.707 SDH复用映射结构上图是一个完整的SDH同步复用映射结构。SDH的复接方式中应用了几个非常重要的概念，即C、VC、TU和AU，它们之间的简单关系可由上图表示，下面对这两个图以及这些名词作一些具体说明。(1)容器C用于传递同步信号的一种信息结构，主要完成速率调整等适配功能。需要传送的电路层信号 (如准同步信号以及BISDN信号等)在容器中经过码速调整后变换为同步信号，因此经过容 器后信号的速率将会变化。G.709建设中定入了5种标准容器:c-11,c-12,c-2,c-3,c-4各容器的标准输入速率如图127。 (2)虚容器VC虚容器(VC)是SDH网中用以支持通道层连接的一种信息结构，它是由信息净负荷和通道开销( POH：Path Overhead)组成的一矩形块状帧结构。VC是支持通道层连接的一种信息结构，分低阶VC和高阶VC(见图129)，分别由C和TUG加上 通 道开销构成(见图128)。VC是SDH中最重要的一种信息结构，它的包封速率与SDH网同步，V C可作为一个独立实体在通道中任一点取出、插入，以进行同步复用或交叉连接处理。(3)支路单元TU和支路单元组TUG。TU是一种为低阶通道层和高阶通道层提供适配功能的信息结构，它由低阶VC加TU指针组成( 见图128)。VC在TU中的起始位置是浮动的，由TU指针指明。一个或多个TU经字节交叉复用 并加入一些塞入字节组成TUG，加入额外的字节是为了保证完整的帧结构。 (4)管理单元AU和管理单元组AUGAU对高阶VC和复接段层进行适配，由高阶VC加上AU指针构成(见图128，AU经AUG复接后成 为STM1帧结构的组成部分，AUG本身又可以复接成高阶同步传递模块。三、映射、复用和指针处理如前述，信号装入SDH帧的净负荷中要经过三个主要过程：映射、复用和指针处理。1、映射所谓映射(Mapping)是指在SDH网络边界处，把支路信号适配装入相应虚容器的过程。页：17它的目 的是为了使信号能与相应的VC包封同步，以使VC成为能独立进行传送、复用和交叉连接的实 体。图127中表明了各种速率的PDH信号的复用映射过程，对于高次群信号，经异步映射就 可装入相应的VC中。异步映射不要求信号与网络同步，只通过以后的各级TU指针、AU指针处 理将PDH信号接入SDH中。对于基群信号可采用异步映射和同步映射，同步映射要求信号先经 过一个一帧长度的滑动缓冲器，以使信号和网络同步。同步映射的好处是信号在VC净负荷 中的位置是固定的，无需TU指针，减少了处理过程，并使TU、TUG的所有字节都可用于传送 信号，提高了传输效率。代价是加入了时延和滑动损伤。2、复用SDH的复用最基本 的原则是字节间插复用，即复用时按顺序从各支路中读取一个字节。页：17从图127中可知，在组装AUG和TUG以及从TUG到VC的过程中要进行复用。SDH的复用最基本 的原则是字节间插复用，即复用时按顺序从各支路中读取一个字节。这通过比较图124中S TM1的SOH与图126中STMN的SOH结构可以看出。从图1210中3个TU12复用成一个TUG2 的过程可以更清楚地看到字节间插的复用过程。TU12是9行4列的结构，TUG2是9行12列的结 构，因此无需插入额外的字节。3、 指针指针的设置是同步数字系列和异步数字系列的重大区别之一。指针的作用之一是保证复用时各支路信号的同步。指针指示了虚容器在净负荷区中的起始位 置，通过调整这个起始位置，可以进行同步信号间的相位校准；同时，由于设置了正、负调 整机会，指针还可完成频率校准。网络处于同步状态时，指针进行相位校准；当网络失去同步时，指针用来进行频率和相位校准；指针还用来容纳网络的频率抖动和漂移。同步数字系列这个名词可能会使人误认为SDH要求网络各部分时钟严格同步。实际上，指针的设置保证了在一定时钟精度下可使各信号间同步。四、SDH复用过程的解释为便于理解SDH的复用结构，现用集装箱运载货物作比喻，如图所示。将容器C视为运 输用的标准包装箱，C-n表示不同的容量规格，以便能适配装进PDH的各种物品(信息)，在容 器的包封上面附上称作通道开销(POH)的一些码字，如此处理后的箱体称为虚容器(VC)。而 包封上的POH只是用来指示箱内物品在端到端运送过程中的状态、性能以及装载情况等，因 而是为运营者操作维护而设。在虚容器基础上再附上指针(PTR)就构成支路单元(TU)或管理 单元(AU)。PTR是用来指明虚容器在支路单元内或在STM帧结构内的准确位置，根据PTR所指 示的地址可以实现灵活转移VC，或在需要时直接取下(或插入)物品而不必拆卸整车物资。把多个同等级的相同支路单元、支路单元组、管理单元及管理单元组集装(复用)起来构成一个 大型集装箱后，并利用管理单元指针指明地址，然后再附上段开销，这是为了在运营段上进 行运行中的操作维护和管理，于是各种物资(信息)将十分灵活、方便、准确、可靠地被送往各地。 五、 SDH传送网的保护SDH保护分为子网连接保护（SNCP）和路径保护,路径保护包括线路系统的复用段保护、环网的复用段保护、环网的通道保护。页：19子网连接保护（SNCP）和路径保护的区别是：路径保护的两个独立的路径先进行终结,而后进行交叉连接；子网连接保护是交叉连接在先,路径终结在后。实际上,路径保护经常用作段层端到端或通道层端到端的保护,而子网连接保护则由用户自由地定义网络连接中需要保护的部分,它可能只是连接的一小部分,也可能是多重保护的部分,当然也可以是端到端的整个网络连接,子网连接保护具有较大的灵活性。目前生产厂商采用的主要保护方法是线性复用段保护1+1、复用段共享保护环（MS-SPRING）、子网连接保护方法。以下主要介绍目前网络中常用的复用段共享保护环（MS-SPRing）、通道保护和子网连接保护方法（SNCP）1、复用段共享保护环复用段共享保护环的工作通道传送业务,其保护通道则留作业务信号的保护之用,复用段共享保护环需要使用APS协议,其保护倒换时间为50ms,分为二纤双向复用段共享保护环和四纤双向复用段共享保护环两种保护方式。MS-SPRing示意图倒换示意图复用段共享保护环多用于STM-16和STM-64干线网以及中继网。它的主要优点是：在业务量呈均匀分布的情况下有些容量可重复利用,这种情况下,同样的保护容量适用于不同的故障情况,故复用段共享保护环保护方式能提供高容量使用效率。另一方面,复用段共享保护环只能用于环形网络拓扑结构,而且节点数最多不能超过16个,同时网络中环的容量用满时,就要增加一个新环。目前,复用段共享保护环已被确定用来保护环上的所有传输容量。2、通道保护环二纤双向通道保护环通道保护环的业务保护是以通道为基础的,是否进行保护倒换要根据出、入环的个别通道信号质量的优劣来决定。通道保护环一般采用1+1保护方式,即工作通道与保护通道在发送端永久性地桥接在一起,接收端则从中选取质量好的信号作为工作信号。在进行通道保护倒换时