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第1章 光纤通信概述1.1 光纤通信本章简要介绍光纤通信的基本概念、发展简史及其突出的优点。1.1.1 光纤通信的概念所谓光纤通信,就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。要使光波成为携带信息的载体,必须在发射端对其进行调制,而在接收端把信息从光波中检测出来(解调)。依目前技术水平,大部分采用强度调制与直接检测方式(IM-DD)。典型的数字光纤通信系统方框图如图1-1所示。图1-1 数字光纤通信系统从图1-1可以看出,数字光纤通信系统基本上由光发射机、光纤与光接收机组成。在发射端,电端机把模拟信息(如话音)进行模/数转换,用转换后的数字信号去调制发射机中的光源器件(一般是半导体激光器LD),则光源器件就会发出携带信息的光波。如当数字信号为“1”时,光源器件发射一个“传号”光脉冲;当数字信号为“0”时,光源器件发射一个“空号”(不发光)。光波经光纤传输后到达接收端。在接收端,光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机,而电端机再进行数/模转换,恢复成原来的模拟信息。就这样完成了一次通信的全过程。1.2 光纤基础1.2.1 光纤的结构通信用光纤主要是由纤芯和包层构成,包层外是涂覆层,整根光纤呈圆柱形。光纤的典型结构如图1-2所示。图1-2 光纤的典型结构纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率,对光纤的特性起着决定性的影响。图1-3所示为常用光纤三种基本类型。图1-3 常用光纤三种基本类型按照光在光纤中传输模式的不同,分为单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径极细,一般不到10mm,如图1-5(a)所示;多模光纤的纤芯直径较粗,通常在50mm左右。但从光纤的外观上来看,两种光纤区别不大。从图中可以看出,在纤芯和包层横截面上,折射率剖面有两种典型的分布。对于多模光纤而言,一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的,而在纤芯和包层的交界面上,折射率呈阶梯形突变,这种光纤称为突变型光纤,如图1-5(b)所示;另一种是纤芯的折射率不是均匀常数,而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减小,一直渐变到等于包层折射率值,因而将这种光纤称为渐变型光纤,如图1-5(c)所示。这两种光纤剖面的共同特点是:纤芯的折射率n1大于包层折射率n2,这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对于突变型光纤而言,它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射,引导光波沿纤芯向前传播;对于渐变型光纤而言,它可以使光波在纤芯中产生连续折射,形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线,引导光波沿纤芯向前传播,两种光射线轨迹如图1-5(b)、(c)所示。1.2.2 光纤的基本特性1. 衰减系数光纤的损耗主要包括吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种,在弯曲半径较大的情况下,弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大,决定光纤衰减系数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的,是光纤中过量金属杂质和氢氧根离子OH-吸收光而产生的光功率损耗。散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化,以及所含SiO2、GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀,使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域,从而引起光的散射,将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗;或者在制造光纤的过程中,在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波,引起与波长无关的散射损耗,并且将整个光纤损耗谱曲线上移,但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。综合以上几个方面的损耗,单模光纤的衰减系数一般分别为0.30.4dB/km(1310nm区域)和0.170.25dB/km(1550nm区域)。ITU-T G.652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减系数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km。2. 色散系数光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同,在传播过程中互相散开,从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散:l 模式色散:光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分,在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而引起的色散。l 材料色散:由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化,使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。l 波导色散:光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号,因为不同的传播群速度而引起的色散。几种典型光纤的色散特性如图1-4所示。图1-4 典型光纤的色散特性3. 模场直径单模光纤的纤芯直径为810mm,与工作波长1.31.6mm处于同一量级,由于衍射效应,不易测出纤芯直径的精确值。此外,由于基模LP01场强的分布不只局限于纤芯之内,因而单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义,所以改用模场直径的概念。模场直径是产生空间光强分布的基模场分布的有效直径,也就是通常说的基模光斑的直径。G.652光纤在1310nm波长区的模场直径标称值在8.69.5mm范围,偏差小于10%;G.655光纤在1550nm波长区的模场直径标称值在811mm范围,偏差小于10%。上述两种单模光纤的包层直径均为125mm。4. 截止波长为避免模式噪声和色散代价,系统光缆中的最短光缆长度的截止波长应该小于系统的最低工作波长,截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输,并且可以抑制高阶模的产生或可以将产生的高阶模式噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。目前ITU-T定义了三种截止波长:l 短于2m长跳线光缆中的一次涂覆光纤的截止波长;l 22m长成缆光纤的截止波长;l 220m长跳线光缆的截止波长。5. 零色散波长当光纤的材料色散和波导色散在某个波长互相抵消时,光纤总的色度色散为零,该波长即为零色散波长。一般来讲,光纤的零色散波长位于1310nm波长区内,但人们可以通过巧妙的波导结构设计使光纤的零色散波长移到我们所希望的波长区内,从而制造出色散移位光纤。6. 零色散斜率在零色散波长附近,光纤的色度色散系数随波长而变化的曲线斜率称之为零色散斜率。其值越小,说明光纤的色散系数随波长的变化越缓慢,因此越容易一次性地对其区域内的所有光波长进行色散补偿,这一点对于WDM系统尤其重要,因为WDM系统是工作在某个波长区而不是某个单波长。1.2.3 光纤的种类ITU-T首先在建议G.651中定义了多模光纤。由于单模光纤具有低损耗、带宽大、易于扩容和成本低等特点,目前国际上已一致认同SDH/DWDM光传输系统使用单模光纤作为传输媒质。ITU-T在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了四种单模光纤,在此一并予以简要介绍。1. G.651光纤G.651光纤是一种折射率渐变型多模光纤,主要应用于850nm和1310nm两个波长区域的模拟或数字信号传输。其纤芯直径为50mm,包层直径125mm。在850nm波长区衰减系数低于4dB/km,色散系数低于120ps/nm.km;在1310nm波长区衰减系数低于2dB/km,色散系数低于6ps/nm.km。2. G.652光纤G.652光纤即指零色散点在1310nm波长附近的常规单模光纤,又称色散未移位光纤,这也是到目前为止得到最为广泛应用的单模光纤。可以应用在1310nm和1550nm两个波长区域,但在1310nm波长区域具有零色散点,低达3.5ps/nm.km以下。在1310nm波长区,其衰减系数也较小,规范值为0.30.4dB/km(实际光纤的衰减系数低于该规范值)。故称其为1310nm波长性能最佳光纤。在1550nm波长区域,G.652光纤呈现出极低的衰减,其衰减系数规范值为0.150.25dB/km。但在该波长区的色散系数较大,一般约20ps/nm.km。由于在1310nm波长区域目前还没有商用化的光放大器,解决不了超长距离传输的问题,所以G.652光纤虽然称为1310nm波长性能最佳光纤,但仍然大部分工作于1550nm波长区域。在1550nm波长区域,用G.652光纤传输TDM方式的2.5Gbit/s的SDH信号或基于2.5Gbit/s的WDM信号是没有问题的,因为后者对光纤的色散要求仍相当于单波长2.5Gbit/s的SDH系统的要求。但用来传输10Gbit/s的SDH信号或基于10Gbit/s的WDM信号则会遇到相当大的麻烦。这是因为一方面G.652光纤在该波长区的色散系数较大,会出现色散受限的问题;另一方面还出现了偏振模色散(PMD)受限的问题。3. G.653光纤G.653光纤即零色散点在1550nm波长附近的常规单模光纤,又称色散移位光纤。它主要应用于1550nm波长区域,且在1550nm波长区域的性能最佳。因为在光纤制造时已对光纤的零色散点进行了移位设计,即通过改变光纤内折射率分布的办法把光纤的零色散点从1310nm波长移位到1550nm波长处,所以它在1550nm波长区域的色散系数最小,低达3.5ps/nm.km以下。而且其衰减系数在该波长区也呈现出极小的数值,其规范值为0.190.25dB/km。故称其为1550nm波长性能最佳光纤。在1550nm波长区域,因为G.653光纤的色散系数极小,所以特别适合传输单波长、大容量的SDH信号。例如用它来传输TDM方式的10Gbit/s的SDH信号是没有问题的。但是,用它来传输WDM信号则会遇到麻烦,即出现严重的四波混频效应(FWM)。考虑到今后网络设备将向超大容量密集波分复用系统方向发展,今后网上不宜使用G.653光纤。4. G.654光纤G.654光纤又称1550nm波长衰减最小光纤,它以努力降低光纤的衰减为主要目的,在1550nm波长区域的衰减系数低达0.150.19dB/km,而零色散点仍然在1310nm波长处。G.654光纤主要应用于需要中继距离很长的海底光纤通信,但其传输容量却不能太大。5. G.655光纤G.655光纤是近几年涌现的新型光纤,基本设计思想是在1550nm窗口工作波长区具有合理的、较低的色散,足以支持10Gbit/s以上速率的长距离传输而无需色散补偿,从而节省了色散补偿器件及其附加光放大器的成本;同时,其色散值又保持非零特性,具有最小数值限制,足以压制四波混频和交叉相位调制等非线性影响,同时满足TDM和WDM两种发展方向的需要。因此,G.655光纤可以用来传输单个载波上信号速率为2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM光信号,复用的波长通道数量可达几十、几百个。它代表了今后光纤发展的方向。第2章 SDH概述2.1 SDH产生的背景SDH全称叫做同步数字传输体制,是一种传输的体制(协议),就象PDH准同步数字传输体制一样,SDH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。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。当前世界各国大力发展的信息高速公路,其中一个重点就是组建大容量的光纤传输网络,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高速公路。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随时随地便捷地通信。目前传统的PDH传输网,由于其复用方式不能满足信号大容量传输要求,而且PDH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,PDH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。传统PDH的缺陷:1. 业务接口(1) 只有地区性的电接口规范,不存在世界性标准。现有的PDH数字信号序列有三种信号速率等级:欧洲系列、日本系列和北美系列。各种信号系列的电接口速率等级以及信号的帧结构、复用方式均不相同,这种局面造成了国际互通的困难,不适应当前随时随地便捷通信的发展趋势。三种信号系列的电接口速率等级如图2-1所示。图2-1 电接口速率等级图(2) 没有世界性标准的光接口规范。为了完成设备对光路上的传输性能进行监控,各厂家各自采用自行开发的线路码型。典型的例子是mBnB码。其中mB为信息码,nB是冗余码,冗余码的作用是实现设备对线路传输性能的监控功能。由于冗余码的接入使同一速率等级上光接口的信号速率大于电接口的标准信号速率,不仅增加了发光器的光功率代价,而且由于各厂家在进行线路编码时,为完成不同的线路监控功能,在信息码后加上不同的冗余码,导致不同厂家同一速率等级的光接口码型和速率也不一样,致使不同厂家的设备无法实现横向兼容。这样在同一传输路线两端必须采用同一厂家的设备,给组网、管理及网络互通带来困难。2. 复用方式现在的PDH体制中,只有1.5Mbit/s和2Mbit/s速率的信号(包括日本系列6.3Mbit/s速率的信号)是同步的,其他速率的信号都是异步的,需要通过码速的调整来匹配和容纳时钟的差异。由于PDH采用异步复用方式,那么就导致当低速信号复用到高速信号时,其在高速信号的帧结构中的位置没规律性和固定性。也就是说在高速信号中不能确认低速信号的位置,而这一点正是能否从高速信号中直接分/插出低速信号的关键所在。正如你在一堆人中寻找一个没见过的人时,若这一堆人排成整齐的队列,那么你只要知道所要找的人站在这堆人中的第几排和第几列,就可以将他找了出来。若这一堆人杂乱无章的站在一起,若要找到你想找的人,就只能一个一个的按照片去寻找了。既然PDH采用异步复用方式,那么从PDH的高速信号中就不能直接的分/插出低速信号,例如:不能从140Mbit/s的信号中直接分/插出2Mbit/s的信号。这就会引起两个问题:(1) 从高速信号中分/插出低速信号要一级一级的进行。例如从140Mbit/s的信号中分/插出2Mbit/s低速信号要经过如下过程。如图2-2所示。图2-2 140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号示意图从图中看出,在将140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号过程中,使用了大量的“背靠背”设备。通过三级解复用设备从140Mbit/s的信号中分出2Mbit/s低速信号;再通过三级复用设备将2Mbit/s的低速信号复用到140Mbit/s信号中。一个140Mbit/s信号可复用进64个2Mbit/s信号,若在此处仅仅从140Mbit/s信号中上下一个2Mbit/s的信号,也需要全套的三级复用和解复用设备。这样不仅增加了设备的体积、成本、功耗,还增加了设备的复杂性,降低了设备的可靠性。(2) 由于低速信号分/插到高速信号要通过层层的复用和解复用过程,这样就会使信号在复用/解复用过程中产生的损伤加大,使传输性能劣化,在大容量传输时,此种缺点是不能容忍的。这也就是为什么PDH体制传输信号的速率没有更进一步提高的原因。3. 运行维护PDH信号的帧结构里用于运行维护工作(OAM)的开销字节不多,这也就是为什么在设备进行光路上的线路编码时,要通过增加冗余编码来完成线路性能监控功能。由于PDH信号运行维护工作的开销字节少,这对完成传输网的分层管理、性能监控、业务的实时调度、传输带宽的控制、告警的分析定位是很不利的。4. 网管接口由于没有统一的网管接口,这就使你买一套某厂家的设备,就需买一套该厂家的网管系统。容易形成网络的七国八制的局面,不利于形成统一的电信管理网。由于以上这种种缺陷,使PDH传输体制越来越不适应传输网的发展,于是美国贝尔通信研究所首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络(SONET)体制,CCITT于1988年接受了SONET概念,并重命名为同步数字体系(SDH),使其成为不仅适用于光纤传输,也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。本课程主要讲述SDH体制在光纤传输网上的应用。2.2 SDH相对PDH的优势由于SDH传输体制是PDH传输体制进化而来的,因此它具有PDH体制所无可比拟的优点,它是不同于PDH体制的全新的一代传输体制,与PDH相比在技术体制上进行了根本的变革。SDH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(ISDN),特别是宽带综合业务数字网(B-ISDN)的重要组成部分。那么怎样理解这个概念呢?因为与传统的PDH体制不同,按SDH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,实现网络自愈功能,提高网络资源利用率,由于维护功能的加强大大降低了设备的运行维护费用。1. 业务接口(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。SDH体制对网络节点接口(NNI)作了统一的规范。规范的内容有数字信号速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等。于是这就使SDH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。SDH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STM-1,相应的速率是155Mbit/s。高等级的数字信号系列例如:622Mbit/s(STM-4)、2.5Gbit/s(STM-16)等,可通过将低速率等级的信息模块(例如STM-1)通过字节间插同步复接而成,复接的个数是4的倍数,例如:STM-44STM-1,STM-164STM-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,SDH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SDH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“1”,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SDH的线路信号速率与SDH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SDH信号是以字节间插方式复用进高速SDH信号的帧结构中的,这样就使低速SDH信号在高速SDH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SDH信号例如2.5Gbit/s(STM-16)中直接分/插出低速SDH信号例如155Mbit/s(STM-1),这样就简化了信号的复接和分接,使SDH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PDH低速支路信号(例如2Mbit/s)复用进SDH信号的帧中去(STM-N),这样使低速支路信号在STM-N帧中的位置也是可预见的,于是可以从STM-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SDH信号中直接分插出低速SDH信号,此处是指从SDH信号中直接分/插出低速支路信号,例如2Mbit/s,34Mbit/s与140Mbit/s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。SDH的这种复用方式使数字交叉连接(DXC)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。3. 运行维护SDH信号的帧结构中安排了丰富的用于运行维护(OAM)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。PDH的信号中开销字节不多,以致于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PCM30/32信号为例,其帧结构中仅有TS0时隙和TS16时隙中的比特是用于OAM功能。SDH信号丰富的开销占用整个帧所有比特的1/20,大大加强了OAM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SDH系统的综合成本要比PDH系统的综合成本低,据估算仅为PDH系统的65.8%。4. 兼容性SDH有很强的兼容性,这也就意味着当组建SDH传输网时,原有的PDH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SDH网传送PDH业务,另外,异步转移模式的信号(ATM)、FDDI信号等其他体制的信号也可用SDH网来传输。那么SDH传输网是怎样实现这种兼容性的呢?SDH网中用SDH信号的基本传输模块(STM-1)可以容纳PDH的三个数字信号系列和其它的各种体制的数字信号系列ATM、FDDI、DQDB等,从而体现了SDH的前向兼容性和后向兼容性,确保了PDH网向SDH网和SDH向ATM的顺利过渡。SDH是怎样容纳各种体制的信号呢?很简单,SDH把各种体制的低速信号在网络边界处(例如:SDH/PDH起点)复用进STM-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SDH传输网上传输各种体制的数字信号了。2.3 SDH的不足凡事有利就有弊,SDH的这些优点是以牺牲其他方面为代价的。1. 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,SDH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SDH的信号STM-N帧中加入了大量的用于OAM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,PDH信号所占用的频带(传输速率)要比SDH信号所占用的频带(传输速率)窄,即PDH信号所用的速率低。例如:SDH的STM-1信号可复用进63个2Mbit/s或3个34Mbit/s(相当于482Mbit/s)或1个140Mbit/s(相当于642Mbit/s)的PDH信号。只有当PDH信号是以140Mbit/s的信号复用进STM-1信号的帧时,STM-1信号才能容纳642Mbit/s的信息量,但此时它的信号速率是155Mbit/s,速率要高于PDH同样信息容量的E4信号(140Mbit/s),也就是说STM-1所占用的传输频带要大于PDH E4信号的传输频带(二者的信息容量是一样的)。2. 指针调整机理复杂SDH体制可从高速信号(例如STM-1)中直接下低速信号(例如2Mbit/s),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来完成的,指针的作用就是时刻指示低速信号的位置,以便在“拆包”时能正确地拆分出所需的低速信号,保证了SDH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SDH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SDH的一种特有抖动由指针调整引起的结合抖动。这种抖动多发于网络边界处(SDH/PDH),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SDH的一大特点是OAM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。SDH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PDH过渡到SDH已是一个必然的趋势。第3章 SDH帧结构、复用和映射3.1 SDH的帧结构ITU-T规定了STM-N的帧是以字节(8位)为单位的矩形块状帧结构,如图3-1所示。图3-1 STM-N 帧结构图& 诀窍:块状帧是什么呢?为了便于对信号进行分析,往往将信号的帧结构等效为块状帧结构。这不是SDH信号所特有的,PDH信号、ATM信号、分组交换的数据包,它们的帧结构都算是块状帧。例如,E1信号的帧是32个字节组成的1行32列的块状帧,ATM信号是53个字节构成的块状帧。将信号的帧结构等效为块状,仅仅是为了分析的方便。从上图看出STM-N的信号是9行270N列的帧结构。此处的N与STM-N的N相一致,取值范围:1,4,16,64。表示此信号由N个STM-1信号通过字节间插复用而成。由此可知,STM-1信号的帧结构是9行270列的块状帧。由上图看出,当N个STM-1信号通过字节间插复用成STM-N信号时,仅仅是将STM-1信号的列按字节间插复用,行数恒定为9行。STM-N信号的传输也遵循按比特的传输方式,信号帧传输的原则是:帧结构中的字节(8位)从左到右,从上到下一个字节一个字节(一个比特一个比特)的传输,传完一行再传下一行,传完一帧再传下一帧。ITU-T规定对于任何的STM等级,帧频是8000帧/秒,也就是帧长或帧周期为恒定的125s。E1 PDH信号的帧频也是8000帧/秒。需要注意的是,对于任何STM级别帧频都是8000帧/秒,帧周期的恒定是SDH信号的一大特点。由于帧周期的恒定使STM-N信号的速率有其规律性。例如STM-4的传输数速恒定的等于STM-1信号传输数速的4倍,STM-16恒定等于STM-4的4倍,等于STM-1的16倍。而PDH中的8.448Mbit/s信号速率2.048Mbit/s信号速率的4倍。SDH信号的这种规律性使高速SDH信号直接分出低速SDH信号成为可能,特别适用于大容量的传输情况。从图3-1中可以看出,STM-N的帧结构由3部分组成:段开销,包括再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH);管理单元指针(AU-PTR);信息净负荷(payload)。1. 信息净负荷(payload)信息净负荷由STM-N帧传送的各种业务信号组成。为了实时监测低速业务信号在传输过程中是否出错,在装载低速信号的过程中加入了监控开销字节通道开销(POH)字节。POH作为信息净负荷的一部分与业务信号一起装载在STM-N帧中,在SDH网中传送。它负责对低速信号进行通道性能监视、管理和控制。2. 段开销(SOH)段开销是为了保证信息净负荷正常灵活传送所附加的供网络运行、管理和维护(OAM)使用的字节。段开销又分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH),分别对相应的段层进行监控。RSOH和MSOH的区别主要在于监管的范围不同。举个简单的例子,若光纤上传输的是STM-16信号,那么,RSOH监控的是STM-16整体的传输性能,而MSOH则是监控STM-16信号中每一个STM-1的性能情况。& 技术细节:RSOH、MSOH、POH提供了对SDH信号的层层细化的监控功能。例如对于STM-16系统,RSOH监控的是整个STM-16的信号传输状态;MSOH监控的是STM-16中每一个STM-1信号的传输状态;POH则是监控每一个STM-1中每一个打包了的低速支路信号(例如E1)的传输状态。这样通过开销的层层监管功能,可以方便地从宏观(整体)和微观(个体)的角度来监控信号的传输状态,便于分析、定位。RSOH在STM-N帧中的位置是第一到第三行的第一到第9N列,共39N个字节。MSOH开销在STM-N帧中的位置是第5到第9行的第一到第9N列,共59N个字节。与PDH信号的帧结构相比较,段开销丰富是SDH信号帧结构的一个重要的特点。3. 管理单元指针(AU-PTR)AU-PTR是用来指示信息净负荷的第一个字节(起始字节)在STM-N帧内准确位置的指示符,以便信号的接收端能根据这个指针值所指示的位置找到信息净负荷。管理单元指针位于STM-N帧中第4行的9N列,共9N个字节。3.2 SDH信息基本单元3.2.1 信息容器(C)信息容器的功能时将常用的PDH信号适配进入标准容器。目前,针对常用的PDH信号速率,G.707已经规定了5种标准容器:C-11、C-12、C-2、C-3与C-4。其标准输入比特率如图3-2所示。3.2.2 虚容器(VC)由信息容器出来的数字流加上通道开销后就构成了虚容器,这是SDH中最重要的一种信息结构,主要支持通道层连接。3.2.3 支路单元(TU)支路单元是一种为低阶通道层与高阶通道层提供适配功能的信息结构,它由低阶VC与TU PTR组成。其中TU PTR 用来指明低阶VC在TU帧内的位置,因而允许低阶VC在TU帧内的位置浮动,但TU PTR 本身在TU帧内的位置是固定的。3.2.4 支路单元组(TUG)一个或多个在低阶VC净负荷中占有固定位置的TU组成支路单元组。3.2.5 管理单元(AU)管理单元是一种为高阶通道层与复用段层提供适配功能的信息结构,它由高阶VC与AU-PTR组成。其中AU-PTR 用来指明高阶VC在STM-N帧内的位置,因而允许高阶VC在STM-N帧内的位置浮动,但AU-PTR 本身在STM-N帧内的位置是固定的。3.2.6 管理单元组(AUG)一个或多个在STM帧中占有固定位置的AU组成管理单元组,它由若干个AU-3或单个AU-4按字节间插方式均匀组成。3.3 SDH的复用方法3.3.1 复用的概念复用的概念比较简单,复用是一种使多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层(例如TU-12(3)TUG-2(7)TUG-3(3)VC-4)或把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程(例如AU-4(1)AUG(N)STM-N)。复用也就是通过字节间插方式把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程。3.3.2 传统的复用方法传统的将低速信号复用成高速信号的方法有两种:l 比特塞入法(又叫做码速调整法)l 固定位置映射法1. 比特塞入法这种方法利用固定位置的比特塞入指示来显示塞入的比特是否载有信号数据,允许被复用的净负荷有较大的频率差异(异步复用),因为存在一个比特塞入和去塞入的过程(码速调整),而不能将支路信号直接接入高速复用信号或从高速信号中分出低速支路信号,也就是说不能直接从高速信号中上/下低速支路信号,要一级一级的进行,这也就是PDH的复用方式。2. 固定位置映射法这种方法利用低速信号在高速信号中的特殊位置来携带低速同步信号,要求低速信号与高速信号同步,也就是说帧频相一致,可方便的从高速信号中直接上/下低速支路信号,但当高速信号和低速信号间出现频差和相差(不同步)时,要用125s(8000帧/秒)缓存器来进行频率校正和相位对准,导致信号较大延时和滑动损伤。从上面看出这两种复用方式都有一些缺陷,比特塞入法无法从高速信号中上/下低速支路信号;固定位置映射法引入的信号时延过大。3.3.3 SDH的复用方法要通过SDH网络传输业务信号,必须先将业务信号复用进STM-N信号帧当中。ITU-T规定了一整套完整的信号复用结构(也就是复用途径),通过这些途径可将PDH 3个系列的数字信号以及其它信号通过多种形式复用成STM-N信号。ITU-T规定的复用结构如图3-2。 图3-2 G.707复用映射结构从上图可以看出,从一个有效负荷到STM-N的复用途径不是唯一的。例如:2Mbit/s的信号可通过两种途径复用成STM-N信号。SDH网络中的复用包括三种情况:l 低阶SDH信号复用成高阶SDH信号。l 低速支路信号(例如E1、E3、E4)复用成SDH信号STM-N。l 大于C-4容量(139.760Mbit/s)的高速信号(如高清晰度电视信号和IP路由信号)复用进STM-4和STM-16。第一种情况在前面已经提及,复用的方法主要通过字节间插复用方式来完成的。复用的个数是4合一,即4STM-1STM-4,4STM-4STM-16。在复用过程中保持帧频不变(8000帧/秒),这就意味着高一级的STM-N信号是低一级的STM-N信号速率的4倍。在进行字节间插复用过程中,各帧的信息净负荷和指针字节按原值进行间插复用,而段开销则会有些取舍。在复用成的STM-N帧中,段开销并不是所有低阶SDH帧中的段开销间插复用而成,而是舍弃了一些低阶帧中的段开销,其具体的复用方法在下一节中讲述。第二种情况用得最多的就是将PDH信号复用进STM-N信号中去。SDH网络的兼容性要求SDH的复用方式既能满足异步复用(例如:将PDH信号复用进STM-N),又能满足同步复用(例如STM-1STM-4),而且能方便地由高速STM-N信号分/插出低速信号,同时不造成较大的信号时延和滑动损伤。这就要求SDH网络需采用自己独特的一套复用步骤和复用结构。在这种复用结构中,通过指针调整定位技术来取代125s缓存器用以校正支路信号频差和实现相位对准,各种业务信号复用进STM-N帧的过程都要经历映射(相当于信号打包)、定位(相当于指针调整)、复用(相当于字节间插复用)三个步骤。第三种情况通过级联的方法实现。级联是一种结合过程,把多个虚容器组合起来,使得它们的组合容量可以当作一个保持比特序列完整性的单个容器使用。级联分为相邻级联和虚级联。VC-4相邻级联就是将相邻的X个C-4的容量拼在一起,相当于形成一个大的容器,来满足大于C-4的大容量客户信号传输的要求。VC-4级的虚级联就是把X个不同的STM-N中VC-4拼在一起形成一个大的虚容器作为一个整体使用。(1) 相邻级联位于AU-4指针内的级联指示用来指明在单个VC-4-Xc中携带的多个C-4净负荷应保持在一起。映射可用的容量,是C-4容量的X倍(例如当X=4时,容量为599040kbit/s,当X=16时,容量为2396160kbit/s)。VC-4-Xc的第2列至第X列规定为固定填充比特,VC-4-Xc的第1列用作POH,这个POH用于监测整个VC-4-Xc。VC-4-Xc的结构如图3-3所示。图3-3 相邻级联AU-4-Xc中的第一个AU-4应具有正常范围的指针值,而AU-4-Xc内所有后续的AU-4应将其指针置为级联指示(即1-4比特设置为“1001”,5-6比特未作规定,7-16比特设置为10个“1”)。级联指示指定了指针处理器应执行与AU-4-Xc中的第一个AU-4相同的操作。(2) 虚级联由上面的叙述可以看到,ITU-T G.707已经对VC-4相邻级联的实现作了规定。从图3-3的VC-4-Xc的帧结构也可以看出,VC-4-Xc中的C-4-Xc是一个整体结构。1996年版的ITU-T G.707对VC-4虚级联的实现没有给出任何实现的规范, VC-4虚级联目前还没有一个统一的标准。华为技术有限公司的实现方法可描述如下。一个VC-4-Xv提供具有净荷容量为X倍149760kbit/s的一个X倍C-4的相邻净荷区域(C-4-Xc),如图3-4所示。图3-4 虚级联该容器被映射到构成VC-4-Xv的X个独自的VC-4中。每个VC-4具有自己的POH,POH的规范与一般VC-4的POH规范相同。只是POH中的H4字节用作虚级联的规定序列号和复帧指示。由图3-4可以看出,由于每个VC-4不同的传播时延,在各个VC-4之间必然产生时延差。该时延差必须补偿,各个VC-4需要重新排列以接入到相邻的净荷区。重新排列的处理必须至少容许125s的时延差,为了使VC-4-Xv中的各个VC-4间的时延差最小,则各个VC-4在网络中应通过相同的网络路由传送。当然,如果时延差能保证,也允许各个VC-4在网络中可通过不同的路由传送。复帧指示在VC-4-Xv的所有VC-4中都产生,其在所有VC-4的H4字节的5-8比特传送,复帧指示的编号为0-15,见图3-5。图3-5 序列和复帧指示序列指示表示VC-4-Xv中的VC-4以什么样的序列/顺序来组合成相邻的容器C-4-Xc,如图3-5所示。VC-4-Xv中的每个VC-4具有一个唯一的序列号,其编号范围为0-(X-1)。传送C-4-Xv中第1个时隙的VC-4具有序列号0,传送C-4-Xv中第2个时隙的VC-4具有序列号1,依此类推。直到传送C-4-Xv中第X个时隙的VC-4具有序列号(X-1)。序列号是固定指派的并且不可配置。有了序列号就允许不用寻迹即可检查C-4-Xv的结构是否正确。8个比特的序列号(可支持X值达256),用复帧中的第14帧的H4字节的1-4比特传送序列号的高4位比特。用复帧中第15帧的H4字节和1-4比特传送序列号的低4位比特。复帧中的其它所有帧的H4字节的1-4比特均未使用,并置为“0”。将来有可能扩充序列号和复帧,这些问题尚待研究。3.4 SDH的复用结构3.4.1 我国制定的复用结构尽管低速信号复用成STM-N信号的途径有多种,但是对于一个国家或地区则必须使复用途径唯一化。中国的光同步传输网技术体制规定了以2Mbit/s信号为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷,并选用AU-4的复用途径,其结构见图3-6所示。图3-6 中国的SDH基本复用映射结构3.4.2 四次群的复用过程(1) 将140Mbit/s的PDH信号经过码速调整(比特塞入法)适配进C-4,C-4是用来装载140Mbit/s的PDH信号的标准信息结构。140Mbit/s的信号装入C-4也就相当于将其打了个包封,使140Mbit/s信号的速率调整为标准的C-4速率。C-4的帧结构如图3-7所示。图3-7 C-4 的帧结构图C-4信号的帧有260列9行(PDH信号在复用进STM-N中时,其块状帧一直保持是9行),那么E4信号适配速率后的信号速率(也就是C-4信号的速率)为:8000帧/秒9行260列8bit=149.760Mbit/s。所谓对异步信号进行速率适配,其实际含义就是指当异步信号的速率在一定范围内变动时,通过码速调整可将其速率转换为标准速率。在这里,E4信号的速率范围是139.264Mbit/s15ppm(G.703规范标准)(139.261139.266)Mbit/s,那么通过速率适配可将这个速率范围的E4信号,调整成标准的C-4速率149.760Mbit/s,也就是说能够装入C-4容器。(2) 为了能够对140Mbit/s的通道信号进行监控,在复用过程中要在C-4的块状帧前加上一列通道开销字节(高阶通道开销VC-4-POH),此时信号成为VC-4信息结构。这时VC-4的帧结构,就成了9行261列, VC-4就是STM-1帧的信息净负荷。见图3-8所示。 图3-8 VC-4结构图VC-4是与140Mbit/sPDH信号相对应的标准虚容器,此过程相当于对C-4信号再打一个包封,将对通道进行监控管理的开销(POH)打入包封中去,以实现对通道信号的实时监控。& 说明:其实,从高速信号中直接定位上/下的是相应信号的VC这个信号包,然后通过打包/拆包来上/下低速支路信号。(3) 货物都打成了标准的包封,现在就可以往STM-N这辆车上装载了。装载的位置是其信息净负荷区。在装载货物(VC)的时候会出现这样一个问题,当货物装载的速度和货车等待装载的时间(STM-N的帧周期125s)不一致时,就会使货物在车箱内的位置“浮动”,那么在收端怎样才能正确分离货物包呢?SDH采用在VC-4前附加一个管理单元指针(AU-PTR)来解决这个问题。此时信号由VC-4变成了管理单元AU-4这种信息结构,见图3-9所示。图3-9 AU-4结构图通过指针的作用,允许高阶VC在STM帧内浮动,也就是说允许VC-4和AU-4有一定的频偏和相差。换句话说,允许货物的装载速度与车辆的等待时间有一定的时间差异,也可以这样说允许VC-4的速率和AU-4包封速率(装载速率)有一定的差异。这种差异性不会影响收端正确的定位、分离VC-4。尽管货物包可能在车箱内(信息净负荷区)“浮动”,但是AU-PTR本身在STM帧内的位置是固定的,为什么?AU-PTR不在净负荷区,而是和段开销在一起。这就保证了收端能正确的在相应位置找到AU-PTR,进而通过AU指针定位VC-4的位置,进而从STM-N信号中分离 出VC-4。(4) 将AU-4加上相应的SOH合成STM-1信号,N个STM-1信号通过字节间插复用成STM-N信号。3.4.3 三次群的复用过程(1) 34Mbit/s的信号先经过码速调整将其适配到相应的标准容器C-3中,然后加上相应的通道开销打包成VC-3,此时的帧结构是9行85列。为了便于收端定位VC-3,以便能将它从高速信号中直接拆离出来,在VC-3的帧上加了3个字节的指针TU-PTR(支路单元指针)。此时的帧结构TU-3如图3-10所示。TU-PTR

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