第6章光纤数字通信系统的传输规范

1、 光纤通信光纤通信 原理与应用原理与应用 第 6 章 光纤数字通信系统的传输规范 第第6 6章章 光纤数字通信系统的传输规范光纤数字通信系统的传输规范 6.1 6.1 光纤数字通信系统的两种主要传输制式光纤数字通信系统的两种主要传输制式 6.1.1 准同步数字系列（PDH） 1基本概念 PDH有以下两个系列 （1）PDH-T系列（北美和日本采用） 语音采样间隔时间125 s 分成24个时隙 (每个时隙含8 bit)，再加上1 bit帧同步，总共193 bit构成一个基群帧 (或称为基群子帧) 每个时隙的最末位bit是信令，其余7个bit是信息，24个时隙分别装入24个话路的信息。 T系列的一次

2、群 (即基群)T1速率= 193 bit/125 s = 1.544 Mb/s。 （2）PDH-E系列（欧洲和中国采用） 语音采样间隔时间125 s 分成32个时隙，每个时隙含8 bit，总共256 bit构成一个基群帧（或称为基群子帧） 其中，第0号时隙（即首时隙）为帧同步，第16号时隙为信令，其余30个时隙分别装入30个话路的信息 E系列的一次群（即基群）E1速率= 256 bit/125 s = 2.048 Mb/s 表6-1 准同步数字系列PDH各等级速率PDH等级速率/(kb/s)T系列（北美、日本采用）E系列（欧洲、中国采用）一个话路6464一次群（基群）15442048二次群63

3、128448三次群44 736 （北美）32 064 （日本）34 368四次群97 728 （日本）139 2642PDH复用3PDH帧结构1）基群子帧频率为8 kHz，与其所装载的每个话路信息的采样频率8 kHz一致， 复帧频率则为0.5 kHz（即1/125s16）；而二至四次群帧频分别为9.962 kHz, 22.375 kHz和47.562 kHz，分别与它们所装载的每个低次群支路的帧频不一致。2）基群复帧装载的信息是按各路字节间隔相插复用的，复帧结构排列规则，提取支路信息容易；而二至四次群帧装载的信息是按比特间插复用，帧结构排列不规则，提取支路信息麻烦。3）基群复帧中不需要码速调整

4、字节（因为各个支路信号进入基群设备复用时使用同一个时钟），称为同步复用 ；而二至四次群帧中有码速调整比特，称为准同步复用。 PDH的不足之处1）逐级复用造成上、下电路复杂而不灵活；2）预留开销很少，不利于网络运行、管理和维护；3）T和E两大系列的帧结构和线路码特性不同，难以兼容，不能用简单的办法实现互通；4）点对点传输基础上的复用结构缺乏组网的灵活性，难于组建具有自愈能力的环形网等；5）按照ITU-T标准，最高速率不超过四次群速率，不能用于现代高速率通信。 6.1.2 同步数字系列（SDH）1基本概念图6-3 同步数字系列SDH各等级复用关系图 2SDH帧结构 图6-4 STM-1帧结构每个字

5、节的速率为64 kb/s STM-1帧有占有时间为125 s，总的速率为64 kb/s 9 270 = 155.52 Mb/s STM-1帧结构中各字段意义 l 再生段开销（RSOH） 位于STM-1矩形块状帧的第13行的前9个字节（即 3行 9列字节），供再生段维护管理使用。再生段开销在中继站进行处理。 l 复用段开销（MSOH） 位于STM-1矩形块状帧的第59行的前9个字节（即5行 9列字节），供复用段维护管理使用。复用段开销在终端站进行处理。l STM-1净负荷（Payload） 9行 261列字节，主要用来存放各种业务信息。其中少量字节是供通道监控管理用的填充比特，称为通道开销（PO

6、H）。通道开销在虚容器（见下面定义）中进行处理。 l 管理单元指针（AU PTR） 1行 9列字节，用来指示STM-1净负荷的起始位置，以便接收端正确分解 。STM-N帧结构 有 9行(270 N)列字节，N = 1, 4, 16, 64, 256 占有时间为125 s 总的速率为 64 kb/s 9 (270 N) = 155.52 Mb/s N 6.1.3 SDH承载PDH的方式1SDH复用及映射的基本结构l对于155.520 Mb/s以上速率的信号采用同步同步 复用复用的方式l对于155.520 Mb/s以下速率的PDH信号采用固定位置映射（固定位置映射（上游低速率支路信号装入VC帧占用

7、固定位置 ）和浮动位置处理（浮动位置处理（VC帧装入TU或AU帧占用浮动位置，再通过定位处理使收发信号同步 ）的复用方式图6-5 SDH复用及映射的基本结构图图6-5各符号的字节数各符号的字节数容容 器器 C-11C-12C-2C-3C-4 42543441069849260 支路单支路单元元 TU-11TU-12TU-2TU-3 427436410831(指针)+ 985 支路单支路单元组元组 TUG-2TUG-3 4108986 虚容器虚容器 VC-11VC-12VC-2VC-3VC-4 42643541079859261 管理单管理单元元 AU-3AU-4 13(指针)+ 98719(指

8、针)+ 9261 管理单管理单元组元组 AUG 19(指针)+ 9261 SDH帧帧 STM-1STM-N 92709(270N) 图图6-5各符号的意义各符号的意义 l容器C 用来接收相应速率等级的PDH信号，并进行速率适配（即加上填充字节）。其中C-11装载T1，C-12装载E1，C-2装载T2，C-3装载E3或T3 ，C-4装载E4 。 l虚容器VC 由容器C的帧信息加上相应的通道开销POH构成，即VC-n = C-n +VC-n POH （n=11, 12, 2, 3, 4） l支路单元TU 由低阶虚容器和相应的支路单元指针TU PTR构成，即TU-n = VC-n + TU-n PT

9、R （n=11, 12, 2, 3） TU-n PTR用来指示VC-n的起始字节在TU-n内的位置。 l支路单元组TUG 由一个支路单元TU直接构成（不需填充字节），或由多个TU按字节间插复用构成（需加填充字节）l管理单元AU 由高阶虚容器和相应的管理单元指针AU PTR构成，即AU-n = VC-n + AU-n PTR （n = 3, 4） AU-n PTR用来指示VC-n的起始字节在AU-n内的位置 l管理单元组AUG 由三个AU-3按字节间插复用构成，也可由一个AU-4直接构成（都不需填充字节） 表6-3 SDH复用及映射基本结构的主要参数2通道开销POH1）低阶通道开销（LPOH）的

10、结构 位于低阶VC（即VC-11, VC-12和VC-2 ）复帧结构的第一列4个字节内，即： V5J2N2K42）高阶通道开销（）高阶通道开销（HPOH）的结构）的结构 位于高阶VC（即VC-3和VC-4 ）块状帧结构的第一列9个字节内，即：J1B3C2G1F2H4F3K3N13指针PTR1）类型 支路单元指针：TU-11 PTR, TU-12 PTR, TU-2 PTR TU-3 PTR 管理单元指针：AU-3 PTR, AU-4 PTR2）功能 l定位功能：利用TU或AU指针来指示VC帧的第1个字节在TU或AU帧内的起始位置。l校准功能：如果发送的信号（即VC帧信号）比接收的快，则接收端的

11、TU或AU指针利用负调整字节，使TU或AU帧的净负荷向前移动若干字节；如果发送的信号比接收的慢，则接收端利用正调整字节使净负荷向后移动若干字节。 6.1.4 SDH承载PDH之应用1. 我国采用的SDH复用及映射的基本结构 在图6-5中去掉1544和6312kb/s两条支路而构成2将PDH基群信号装载到STM-1帧内 9步完成，见图6-16至图6-23 3将PDH三次群信号装载到STM-1帧内 8步完成，见图6-24 4将PDH四次群信号装载到STM-1帧内 5步完成，见图6-25 5SDH在有线电视（CATV）中的应用 （下图右边虚线框是SDH复用设备）工作工作原理原理 STM帧帧广播广播电

12、视电视 信号信号 我国彩色电视采用我国彩色电视采用PAL制式，亮度信号（制式，亮度信号（Y）采样频率为）采样频率为13.5 MHz，色差信号（，色差信号（R-Y, B-Y）采样频率各为）采样频率各为6.75 MHz，每个采样值的量化代码为，每个采样值的量化代码为8 bit。所以，总的视频传输速率为 (13.5+ 6.752)8 = 216 Mb/s此速率超过容器C-3的接收速率34.368 Mb/s (即E3速率)和容器C-4的接收速率139.264 Mb/s (即E4速率)，故需要对PCM数字化处理后的视频信号进行压缩编码处理。压缩后变成速率为34.368 Mb/s的信号进入SDH复用设备的

13、容器C-3，或者变成速率为139.264 Mb/s的信号进入容器C-4。音频信号数字化后复用成为速率为2.048 Mb/s的信号进入容器C-12。经过SDH映射复用，广播电视信号变成所需要的STM帧。此信号经电/光转换后输入光纤干线进行传输，信号传到业务站点后经SDH设备光/电转换和解复用将图像和语音数据信号分离，并经解压缩编码器还原出原始的图像和语音数据信号，送入有线电视HFC接入网（见7.2.6节）传到用户家中。 6.1.5 SDH复用及交换的主要设备1终端复用器（TM） 将若干个PDH信号（群次相同或不同）组合成为一个STM-N信号，或者将若干个低速率SDH信号组合成为一个高速率SDH信

14、号的复用设备。反之亦可。 2分插复用器（ADM） 从高速率STM-N信号中直接分出低速率PDH信号、VC信号或STM-N（NN）信号，也能够在高速率STM-N信号中直接插入低速率PDH信号、VC信号或STM- N 信号。 3数字交叉连接设备（DXC） 有一个或多个PDH, SDH或ATM（异步传输模式）信号的输入和输出端口，可以在任意输入和输出端口之间进行交叉连接，是一种具有交换功能的智能化传输设备。 6.1.6 SDH传送网1SDH传送网分层模型电路层通道层低阶通道层（VC-11, VC-12, VC-2, VC-3）高阶通道层（VC-3, VC-4）段层复用段层再生段层物理介质层SDH传送

15、网是采用SDH体制由SDH复用、交换和再生设备等构建而成的传输网络各层功能各层功能1）电路层 提供各种数字业务信号，包括PDH信号、ATM信号、局域网和城域网数据信号等。 2）通道层 为电路层信号提供虚通道VC复用等，由终端复用器（TM）完成。 3）段层 提供复用、再生、交换和误码监测等，由分插复用器（ADM）、数字交叉连接设备（DXC）和再生器（REG）完成。 4）物理介质层 提供比特流传输用的物理介质，包括光纤（光缆）、电缆、微波传输介质和卫星通信介质。 2SDH传送网的拓扑结构图6-30 SDH传送网示意图6.2 光纤数字通信系统的基本质量指标6.2.1 评价误码性能的方法 ITU-T采

16、用在总的可用时间内误码率（BER）超过规定阈值（BERth）的时间占总的可用时间的百分比来评价通信系统的误码性能l可用时间TA的定义： 若在连续10 s内其每秒误码率都 1 103，则该10 s及其后跟随的A型混态时间一起称为可用时间TA。 A型混态时间是指紧随“TA起始”之后的一段包含若干秒的连续时间，其中每秒误码率 1 103的连续秒数目不能 10 s。 l不可用时间TU的定义： 若在连续10 s内其每秒误码率都 1 103，则该10 s及其后跟随的U型混态时间一起称为不可用时间TU。 U型混态时间是指紧随“TU起始”之后的一段包含若干秒的连续时间，其中每秒误码率 1 103的连续秒数目不

17、能 10 s。从实际操作来说，只要检测出连续10 s其每秒误码率都1 103，即判定不可用时间从第1秒开始，其后连续跟随的就是不可用时间，一直到检测出连续10 s其每秒误码率都 1 103，则判定不可用时间在该10 s之前结束，而可用时间从该10 s开始，如此交替变化。 6.2.2 数字话路通道的误码特性1ITU-T假设参考模型 l假设参考连接（HRX）是一种基于64 kb/s数字信号在长度为27500 km线路上的数字传输系统的连接模型，它包含两个终端国家用户之间的全部线路和所有的设备。 l假设参考数字链路 （HRDL）是假设参考连接（HRX）的组成部分，它包含两个用户之间的局部线路和一部分

18、设备。ITU-T建议HRDL 的长度为2500 km。我国取5000 km为长途一级干线HRDL的长度。l假设参考数字段（HRDS）是两个相邻设备（如数字交叉连接设备）及其之间的线路。 ITU-T建议HRDS的长度：市话中继为50 km，长途干线为280 km。我国取长途干线为280 km和420 km。2误码性能参数及指标l 误码秒（ES）和误码秒比率（ESR） 在1 s时间内，若误码个数为1个或多个，则该1 s时间段称为误码秒。在总的可用时间内的误码秒总数与总的可用时间的比值，称为误码秒比率。 l 严重误码秒（SES）和严重误码秒比率（SESR) 在1 s时间内，若误码率 1103，则该1

19、 s时间段称为严重误码秒。在总的可用时间内的严重误码秒总数与总的可用时间的比值，称为严重误码秒比率。 HRX误码指标规定：当观测时间不少于1个月时ESR8，SESR0.2 3假设参考连接（HRX）的线路等级划分 及误码指标分配 l HRX的线路等级划分为 高级线路只有1个，其长度为25 000 km，它包括两个终端国家的国内部分和相关的国际部分； 本地级线路和中级线路则各有两个，它们分别位于高级线路的两边，每边长度为1250 km。 l HRX的误码指标分配（见表6-10） 4假设参考数字段 (HRDS) 的误码指标分配 (见表6-11) 误码秒比率和严重误码秒比率的测定都需要至少1个月的连续

20、观测时间，不便于及时处理问题。我国工程中常采用以下简单指标供检验使用：50 km以内的市话中继数字段，在不少于24小时的观测时间内，其平均误码率BERav110-8；420 km以内的长途干线，在不少于24小时的观测时间内，其平均误码率BERav110-9；超过420 km，则BERav按长度比例确定。 6.2.3 基群及其以上速率通道的误码特性1误码性能参数l 误块（EB） 若码块中有一个或多个比特发生差错，则称此码块为误块 l l 误块秒（ES）和误块秒比率（ESR） 在1 s时间内，若误块数目为1个或多个，则该1 s时间段称为误块秒。在总的可用时间内的误块秒总数与总的可用时间的比值，称为

21、误块秒比率。l 严重误块秒（SES）和严重误块秒比率（SESR） 在1 s钟时间内，若误块数目不少于30，或者至少出现了一次严重干扰期（SDP），则该1 s时间段称为严重误块秒。在总的可用时间内的严重误块秒总数与总的可用时间之比值，称为严重误块秒比率。 SES通常是由突发性脉冲干扰产生的。 2假设参考通道（HRP）的误码指标分配图6-34 高速率通道的全程误码指标分配模型3高速率通道全程（27 500 km）误码性能指标6.2.4 抖动特性1抖动的定义 数字脉冲信号时间座标位置相对于其标准位置的随机性变化，称为抖动。要求抖动量越小越好。 l抖动幅度：即抖动变化的最大时间范围。 l抖动频率：即单

22、位时间内抖动变化的快慢。 l输入抖动容限：即最大容许输入抖动量。该容限值越大，表明线路适应抖动的能力就越强。2抖动性能指标 ITU-T 关于网络接口最大容许输入抖动量的规定值及其相应的曲线（见表6-13和图6-36 ） ITU-T 对HRDS各次群无输入抖动时的最大容许输出抖动的规定值（见表6-14 ） 6.2.5 可靠性1可靠性的定义 通信系统无故障工作能力的大小，称为可靠性。 通常用可靠性函数R(t)来量度可靠性，其定义式子为R(t) P(tct) tc是无故障工作时间长度，P(tct)表示在规定的工作时间 t 内无故障发生的概率。 00( )( )nn tR tn 或n0是原有的同类型设

23、备数；n(t)是从开始工作到 t 时刻为止出现故障的该类型设备数。 2可靠性的其他表示方法1）故障密度函数f (t )d ( )d ( )ddF tR ttt 0d ( )( )( )dR tn tf ttnt 0( )n tnt0( )( )( )n ttnn tt(t)n(t)=n(t+t)-n(t)是在t时刻附近的时段内出现故障的设备数。可见，f(t)是t 时刻以后的单位时间内故障设备数占原有设备数之比例。 单位是fit（菲特），1 fit = 1109/h。可见， (t)是t时刻以后的单位时间内故障设备数占t时刻的无故障设备数之比例。显然， (t)越小越好。 3）平均故障间隔时间（MT

24、BF）MTBF1/tMTBFMTBFMTTR100tAtttMTBF也称为平均无故障工作时间，要求tMTBF越大越好。例如，LD的 通常为104 fit，故其tMTBF =1/(104 fit) = 1105 h。 tMTTR是平均故障修理时间（也称为平均不可用时间），其取值范围大致为110多个小时 。 3多设备系统总的可靠性1）串联结构的可靠性 如果一个系统由N个设备串联构成，并且各个设备的故障是独立发生的，则该系统总的可靠性Rs(t )等于N个串联设备的可靠性R1(t ), R2(t ), , RN(t )之乘积，即s1( )( )NiiR tR t因此，该系统总的故障率等于N个串联设备故

25、障率1(t ), 2(t ), , N(t )之和，即 s1( )( )Niitt s12345( )( )()( )()( )()( )()()ttttt光端机光中继器复用设备即电端机光缆供电设备MTBFs1( )ttMTBFtAt（规定的工作时间）光纤通信系统的平均故障间隔时间为例：光纤通信系统总的故障率为 2）并联结构的可靠性）并联结构的可靠性如果一个系统由N个设备并联构成，并且各个设备的故障是独立发生的，则该系统总的可靠性Rp(t )等于p1( )11( )NiiR tR t 光纤通信系统中的热备份设备属于并联设备。4可靠性分析的一般方法光纤通信系统的可靠性和可用性包括了传输系统两个终端接口之间传输通道上的所有设备和线路。它包括光端机、电端机、中继器、光纤光缆、供电设备、备用系统和倒换设备等所有设备。 采用故障统计