第讲同步数字序列

第八讲光同步数字传输网

SynchronousDigitalHierarchy4/7/20231主要内容一、两种传输体制二、SDH的速率与帧结构☆

三、SDH的复用结构和映射方法☆四、SDH传送网的功能结构五、SDH网同步的概念☆六、SDH网络拓扑结构及自愈☆4/7/20232

光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：

•准同步数字系列(PDH)

•同步数字系列(SDH)

第一节两种传输体制1.1准同步数字系列PDH

准同步数字系列有两种基础速率：

•

以1.544Mb/s为第一级(一次群，或称基群T1)基础速率，采用的国家有北美各国和日本；•

以2.048Mb/s为第一级(一次群,E1)基础速率，采用的国家有西欧各国和中国。4/7/20233准同步数字体系4/7/20234

•对于以2.048Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4倍递增，速率的关系略大于4倍。

•对于以1.544Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本和北美各国又不相同，看起来很杂乱。

•PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。

•

1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并得到各国广泛采用。

•PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。4/7/20235回忆一下：复接方法有两种常用的复接方法：同步复接和异步复接。同步复接是使几个低次群的码速统一在主时钟的频率上，然后进行复接。异步复接时各支路的瞬时码达到一致，然后进行同步复接。正码速调整4个PCM一次群在复接时插入了帧同步码、告警码、码速调整码、码速调整控制码等码元，这些码元的插入使每个一次群的速率由2048kbit/s调整到2112kbit/s，于是二次群的速率为4×2112kbit/s＝8448kbit/s。码速调整后的速率高于调整前的速率，称为正码速调整。

4/7/20236PCM技术在复接成一次群时，采用同步复接，但在复接成二、三、四次群时采用异步复接。在复接过程中，一次群2Mbit／s或1.5Mbit／s各支路码流可来自不同设备，有它们各自的时钟。为了复接方便，规定了各支路比特流之间的异步范围，也就是规定了各支路时钟之间允许的偏差标称值的范围，人们称之为准同步工作、异步数字系列。更准确的名称应是准同步数字系列（PDH）。随着光纤通信的进展，这种基于点对点传输的PDH暴露出一些固有的缺点：1.2同步数字系列的由来和优点4/7/20237PDH系统暴露的一些固有的弱点：

1.只有地区性的数字信号速率和帧结构标准，而不存在世界性标准，造成国际互通的困难；

北美：1.5M6.3M45MN×45Mbit/s

欧洲：2M8M34M140Mbit/s

2.没有世界性的标准光接口规范；

导致各个厂家自行开发光接口和线路码型，使得在同一数字等级上光接口的信号速率不一样。不同厂家的设备在光路上无法互通，只有通过光／电转换变成标准电接口（G.703）才能互通，这就给组网、管理及互通带来很大困难。

4/7/20238

3.二次群以上复用结构采用异步复用；

难以从高速信号中识别和提取低速支路信号。增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性，并使信号产生损伤。

4.PDH系列的帧结构中，用于网络操作、管理和维护(OAM)的比特在帧结构中占用较少的空间；

无法适应不断演变的电信网对OAM的要求。

5.点到点通信体制无法提供最佳的路由选择。

4/7/20239

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。

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。

SDH的产生4/7/202310SDH的概念

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。4/7/202311SDH的特点:优点:

①把速率为1.55Mbit/s,2Mbit/s的基本模块作为同步传输模块第一级，记作STM—1。这样就使北美、欧洲、日本三个地区的PDH传输系列在STM—1上获得了统一，形成了全球数字传输体制方面的统一标准。

②在SDH的帧结构中安排了足够的开销比特，大大增强了网络维护管理能力，可实现故障检测，有利于将来B—ISDN综合业务的运行。

③SDH采用同步复用方式和灵活的复用映射结构，利用设置指针的方法，可以在任意时刻，在总的复接码流中确定任意支路字节的位置，从而可以从高速信号一次直接插入或取出低速支路信号，使上下业务十分容易。4/7/202312SDH的基本概念:举例两个网络单元

STM-1终端复用器1.5M2M6M34M45M140M155MSTM-1/ADM分插复用器1.5M2M6M34M45M140M155M155Mbit/s155Mbit/s155Mbit/s4/7/202313PDH和SDH分插信号流程的比较光/电光信号分接分接分接140/34Mb/s34/8Mb/s8/2Mb/s复接复接复接电/光光信号2/8Mb/s8/34Mb/s34/140Mb/s2Mb/s(电信号)PDHSDHADM155Mb/s光接口155Mb/s光接口2Mb/s(电信号)4/7/202314

④SDH确定了统一新型的网络部件，这些部件是终端复接器（TM）、分插复接器（ADM）、数字交叉连接设备（DXC）以及网络管理设备（NMS）。用一个光接口代替大量的电接口，可以直接经光接口通过中间节点，省去大量电路单元。

⑤SDH对网管设备的接口进行了规范，使不同厂家的网管系统互联成为可能。这种网管简单、实时，降低了网管费用，提高了网络的效率、灵活性和可靠性。

⑥SDH与现有PDH完全兼容，体现了后向兼容性。同时SDH还能容纳各种新业务信号，体现了完全的前向兼容性。4/7/202315缺点：

1.频率利用率不如传统PDH；

2.大规模采用软件控制，人为错误、软件病毒可导致网络故障。4/7/202316第二节：SDH的速率与帧结构STM:SynchronousTransportModule括号内的值为等效话路容量

SDH具有统一规范的速率。SDH信号以同步传输模块(STM)的形式传送。最基本的同步传输模块是STM－1，更高等级的STM－N信号是将STM－1按同步复用，N是正整数。ITU-T建议G.707所规范的标准速率值为：4/7/202317SDH的帧结构9270N字节SOHAUPTRSOH段开销1234567899N261NSTM-N净负荷

(含POH通道开销)传输方向4/7/202318SDH的帧结构

帧结构的安排应使支路信号在一帧内均匀地，有规律地分布，以便于实现支路的同步复用、交叉连接、分插和交换。ITU-T采纳了这种以字节为基础的矩形块状帧结构。对于任何STM-N(SynchronousTransportMeduleLevelN)等级，其帧周期均为125微秒，帧周期恒定是SDH帧结构的一大特点。整个帧结构分为三个区域：段开销SOH(SectionOverhead);管理单元指针AU-PTR(AdministrativeUnitPointer)信息净负荷Payload

4/7/202319SDH的帧结构(行、列、字节、帧长）行在SDH帧结构中指沿帧结构横方向，从上方数到下方的行数。一帧中共有9行。列在SDH帧结构中，指沿帧结构纵方向，从左数到右的列数。随着不同的STM－N等级：一帧中共有：270×N列例如：

STM—l……有270×l列STM-4……有270×4=1080列字节SDH的帧结构是以字节为基础的，一个字节=8bit4/7/202320SDH的帧结构(行、列、字节、帧长）帧长

指SDH一帧中有多少个字节。例：STM-l的字节=270×9=2430个字节STM-N的字节=(270×N)×9个字节一帧比特数

STM-l一帧比特数=270×9×8=19440bitSTM-N一帧比特数=19440×Nbit一帧传输时间

在SDH网中任何等级的STM传输一帧所用的时间均为125us，这是SDH的一个特点。码速率

以STM-1为例：码速率=1帧比特数/传1帧的时间=270×9×8/(125*10e-6)=155.520Mbit/s传送顺序

从左～右；从上～下4/7/202321SDH的帧结构(信息净负荷区、段开销SOH）信息净负荷（Payload）区域是指在帧结构中存放等待传输的各种业务信息的地方。其中包括少量用于通道监测、管理和控制的通道开销字节（POH：PathOverhead）。以STM－N为例，它的范围是:

列……10×N～270×N

行……

1～9

字节数……(261N)×9＝2349N(N=1,4,16,64)个。段开销(SOH)区域

在SDH帧结构中，段开销又分为再生段开销(RSOH,第一行至第三行）和复用段开销(MSOH，第五行至第九行）

。4/7/202322SDH的帧结构(段开销SOH）

所谓开销是指在网络节点的信息码流中扣除信息净负荷后的字节，用作网络的运行,维护和管理。由于不是信息净负荷，从这种角度上来看，它们是一种额外的开支，故称为开销，当然，它们又是一些不可缺少的字节。段开销的区域：

它在帧结构左侧1~9N列中1~3行和5~9行两个区域中。段开销占有的比特数：

段开销比特数=(3＋5)×N×9×8=576Nbit由于SDH中每帧传输时间=125us秒，即每秒可传：1/125us=8000帧若以STM－l为例，则每秒可用于段开销比特数为576×8000=4.608Mbit

4/7/202323SDH的帧结构(管理单元指针AU-PTR）

由此可见，SDH用于网络运行、维护和管理的比特数比传统的PDH要丰富得多。这是SDH的一个重要特点。管理单元指针(AU-PTR)区域

它是处在帧结构左侧1－9N列第4行的区域中。AU-PTR是由一组码来构成。这组码所对应的值与信息在信息净负荷区域中的位置（位置被编了号）相对应。这样，使得接收端能准确地从信息净负荷区中分离出信息净负荷来。

AU-PTR还可用于频率调整，以便实现网络各支路同步工作。4/7/202324第三节：SDH的复用结构和映射方法

SDH复用就是将多个低阶通道层的信号适配进高阶通道层，以及把多个高阶通道层适配进STM-1的过程。为此，需要经过映射、定位校准和复用这三个步骤。

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。

4/7/202325第三节：SDH的复用结构和映射方法

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。

4/7/202326第三节：SDH的复用结构和映射方法简单的说：首先，各种速率等级的数字信号先进入相应的不同接口容器C，完成适配功能。然后，由标准容器出来的数字流加上通道开销（POH）比特后，构成SDH中的支持通道层连接的一种信息结构–虚容器（VC）。接着，由VC出来的数字流进入管理单元（AU）或支路单元（TU）。最后，在N个AUG再加上段开销（SOH）比特，就构成了最终的STM-N帧结构。

4/7/202327TheSDHmultiplexingstructureTUG-2VC-2VC-12C-2C-11C-12C-4C-3VC-11VC-3VC-3AU-4VC-4TUG-3STM-NAUGAU-3TU-3TU-2TU-12TU-11指针处理复用定位校准映射1.544Mbps2.048Mbps6.312Mbps34.368Mbps139.264Mbps134771331N4/7/202328TheChineseSDHmultiplexingstructureTUG-2VC-12C-12C-4C-3VC-3AU-4VC-4TUG-3STM-NAUGTU-3TU-12指针处理复用定位校准映射2.048Mbps34.368Mbps139.264Mbps37131N4/7/202329SDH的复用单元：容器C：用来装载各种速率业务信号的信息结构,并完成码速调整(适配）等功能；G.709规定了C-11、C-12、C-2、C-3、C-4五种标准容器。已装载的标准容器作为VCPayload.我国只有C-12、C-3、C-4三种。虚容器VC：用来支持SDH的通道层连接的信息结构；虚容器由容器C输出的信息净负荷和POH组成，即

VC-n=C-n+VC-nPOH这个过程叫映射。VC的包封速率是与SDH网络同步。而它允许装载来自不同容器的异步净负荷（不同速率的准同步支路信号），因此，常将VC包封作为一个独立的实体对待，可以在通道中任一点取出或插入，因而对SDH网中传输、同步复用和交叉连接等过程带来便利。4/7/202330SDH的复用单元：支路单元TU和支路单元组TUG：

提供低阶通道层和高阶通道层之间适配的信息结构；

TU-n=VC-n+TU-nPTR；n=11,12,2,3这种支路单元通过它的指针来指示出这个虚容器在高一阶虚容器中的位置,这种在净负荷中对虚容器位置的安排称为定位。一个或多个在高阶VC净负荷中占有固定位置的TU组成支路单元组（TUG）。管理单元AU和管理单元组AUG：

提供高阶通道层和复用段层之间适配的信息结构；

AU-n=VC-n+AU-nPTR；n=3,4

管理单元指针是用来指示这个相应的高阶VC在STM-N内的位置。管理单元组由一个或多个在帧内占据固定位置的管理单元按字节间插方式复用而成。4/7/202331SDH的复用单元：同步传输模块STM-NAUG+SOH=STM-1

在N个AUG再加上段开销（SOH）比特，就构成了最终的STM-N帧结构。4/7/202332SDH的复用方式举例：利用AU-4直接从C-4的复用方法：139.264M

C-4标准速率C-4适配处理C-4VC-4POHVC-4+149.760MVC-4加通道开销POH(每帧9个字节）150.336MAU-4PTR+AU-4加AU-4指针(每帧9个字节)150.912MAUGAUGAUGAUGAUG+SOHSTM-NN个AUG经字节间插并加段开销(N=1时为4.608Mb/s)N155.520M4/7/202333SDH的复用方式举例二：将PDH2.048Mbit/s映射、定位、复接为STM-1：150.3362Mbit/sC-12VC-12TU-12TUG-2TUG-3VC-4AU-4AUGSTM-1调整POH映射PTR定位复接复接POHPTRSOH2.2242.2402.3046.91248.384150.912155.5202.0484/7/202334SDH的复用方式举例二：将PDH2.048Mbit/s映射、定位、复接为STM-1：(1)数字信号2.048Mb/s→容器C-12进行码速调整→2.224Mb/s。(2)2.224Mb/s→虚容器VC-12,加入POH→2.240Mb/s。(3)2.240Mb/s→支路单元TU-12,加入指针→2.304Mb/s。(4)3个2.304Mb/s→复接为支路单元组TUG-2。(5)7个TUG-2→复接为TUG-3。(6)3个TUG-3加上POH→被划入VC-4。(7)VC-4加PTR(576kb/s)→AU-4。(8)将单个AU-4直接置入AUG。(9)将N个AUG(经字节间插)加上SOH4.068Mb/s→STM-N。此例N=1。150.3362Mbit/sC-12VC-12TU-12TUG-2TUG-3VC-4AU-4AUGSTM-1调整POH映射PTR定位复接复接POHPTRSOH2.2242.2402.3046.91248.384150.912155.5202.0484/7/202335第四节：SDH传送网的功能结构

SDH传送网可分为三层：电路层、通道层、传输媒质层。

1．电路层网络电路层网络的作用是直接为用户提供通信业务，如电路交换业务、分组交换业务，租用线业务。电路层网络的设备为电路交换机、分组交换机、用于租用线业务的交叉连接设备。

2．通道层网络通道层网络用来支持一个或多个电路层网络，为其提供传送通道。4/7/202336通道层网络又可分为高阶通道层网络和低阶通道层网络。通道层网络的设备有复用器、交叉连接器等。

3．传输媒质层网络传输媒质层网络与光缆、微波等传输媒质有关。它支持一个或多个通道层网络。STM－N作为传输媒质层的标准等级容量。传输媒质层又可分为段层网络和物理层网络。物理层网络则涉及具体支持段层网络的如光缆、微波等传输媒质。4/7/2023374/7/202338SDH传输系统与通道、复用段、再生段间的对应关系交换系统匹配系统交叉连接设备光纤线路系统光纤线路系统交叉连接设备匹配系统交换系统再生器再生段再生段复用段VC-3/VC-4通道VC-1/VC-2通道通道终端线路终端通道终端线路终端光纤光纤4/7/202339第五节SDH网同步的概念

网同步的概念是指使网络中所有节点的时钟频率和相位都控制在预先确定的容差范围内，以便使网的各交换节点的全部数字流实现正确、有效的交换。否则会使数字交换缓存器中产生信息比特的溢出和取空导致数字流的滑动损伤。目前，世界各国公用网中交换节点时钟的同步方式有两种方式，即主从同步方式和相互同步方式。

5.1主从同步方式使用一系列分级的时钟，每一级时钟都同步于上一级时钟，网中最高一级时钟称为基准主时钟（PRC）一般采用铯原子钟，其长期频偏可优于10e-11。

4/7/202340

该时钟经同步分配网分配给下面各级时钟，最低一级的设备时钟采用最大频偏4.6*10e-6，并具有保持功能的石英晶振。ITU-T将各级时钟划分为4类：

①基准主时钟（PRC），精度达1×10－11，G.811建议规范；②转接局从时钟，精度达5×10－9，G.812（T）建议规范；③端局从时钟，精度达1×10－7，由G.812（L）建议规范；④SDH网元时钟（SEC），精度达4.6×10－6，G.813建议规范。4/7/202341

优点：网络稳定性较好；组网灵活；对从节点时钟的频率精度要求较低；控制简单；网络的滑动性能也较好。

缺点：一旦基准主时钟发生故障会造成全网的问题。基准主时钟应采用多重备份。同步分配链路也尽可能有备用。4/7/202342这种同步方式在网中不设主时钟，由网内各交换节点的时钟相互控制，最后都调整到一个稳定的、统一的系统频率上，从而实现全网的同步工作。网频率为各交换节点时钟频率的加权平均值。下图所示为相互同步方式。特点：网频率的稳定性高；对同步分配链路的失效不甚敏感，适于网孔形结构，对节点时钟要求较低，设备便宜。网络稳定性不如主从方式，系统稳态频率不确定且易受外界因素影响。

5.2相互同步方式4/7/202343

5.3

我国数字同步网的网络结构

“多基准钟，分区等级主从同步”方式，如图所示。4/7/2023445.4SDH网同步结构和同步方式

5.4.1SDH网同步结构

SDH网络中的网同步结构采用主从同步方式，要求所有网元的定时都能最终跟踪至全网的基准主时钟。同步定时的分配则随网络应用场合不同而异。

（1）局内应用局内同步分配通常采用逻辑上的星形拓扑，即所有网元时钟都直接从本局内最高质量的大楼综合定时源（BITS）获取定时，只有BITS是从来自别的交换节点的同步分配链路中提取定时并能一直跟踪至全网的基准主时钟。

4/7/202345SDH网同步结构-局内分配的同步网结构4/7/2023465.4SDH网同步结构和同步方式（2）局间应用局间同步分配一般采用类树形拓扑，使SDH网内的所有节点都能同步。4/7/2023475.4.2SDH网同步方式

SDH网同步工作方式有同步，伪同步，准同步方式3种。

1.

同步方式网中所有时钟都能始终跟踪到同一网的基准主时钟,在同一网络运营者所管辖范围内,同步方式是正常工作方式。

2.伪同步方式网中有几个都遵守G.811要求的基准时钟时，可能形成几个不同的同步网，不同的同步网边缘的网络单元会出现频率或相位的差异，引起指针调整。在国际网接口处，伪同步方式是正常工作方式。4/7/202348

3.准同步方式

当网中某节点失去所有外同步链路时，节点时钟进入保持模式或自由运行模式。如果丢失同步的是网间接口单元，则时钟频偏和飘移都将导致指针调整，会恶化同步性能。4/7/202349第六节SDH网络拓扑结构及自愈

6.1

SDH网络基本物理拓扑结构有下列五种类型。

1.线形它将通信网的所有站点串联起来，首末两端使用终端复用器，中间各点使用分插复用器(ADM)，这是早期应用的比较经济的网络拓扑结构。4/7/202350

2．星形（枢纽形）概念：当涉及通信的所有节点中有一个特殊节点与其余所有节点直接相连，而其余节点间不能直接相连，便形成星形拓扑。

优缺点：成本较低，生存性较差。

应用：星形拓扑通常用于用户接入网。4/7/2023513．树形概念：将点到点拓扑单元的末端点连接到几个特殊点时就形成了树形拓扑。树形拓扑可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合。

应用：适合于广播式业务，不适于提供双向通信业务。有线电视网多采用这种网络。4/7/202352

4.环形

概念：当涉及通信的所有点串联起来，且首尾相连，没有任何点开放时，就形成了环形网。

优点：是具有很高的网络生存性，因而在中继网和SDH网中得到广泛应用。4/7/202353

5.网孔形网孔形拓扑不受瓶颈问题的影响，两点间有多种路由可选，网络可靠性高，但网络结构复杂，成本较高。

实际的网络拓扑结构常常是上述基本拓扑结构的组合，如下图所示的双星形结构和环星形结构。4/7/2023544/7/202355SDH传输网络结构举例4/7/2023566.2

SDH自愈环形网

SDH网具有自愈功能，所谓自愈环(self－healingring)就是无需人为干预，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，使用户感觉不到网络已出了故障。其基本原理就是使网络具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。

有2种自愈技术：ADM自愈环、线路保护倒换自愈环只是撤出已失效部分，具体的维修工作仍需人工干预才能完成。4/7/202357

自愈环结构可以分为两大类：通道倒换环和复用段倒换环。

通道倒换环属于子网连接保护，其业务量的保护是以通道为基础，是否倒换以离开环的每一个通道信号质量的优劣而定，例如利用通道AIS信号来决定是否应进行倒换。

复用段倒换环属于路径保护，其业务量的保护是以复用段为基础，以每对节点间的复用段信号质量的优劣而决定是否倒换。下面以四个节点的环为例，介绍4种典型的自愈环结构。4/7/202358自愈环形网举例（1）

现给出一个二纤单向通道倒换环的例子，单向环通常由二根光纤来实现，S1光纤为工作光纤，用于传业务信号；P1光纤为保护光纤，用于保护。此环采用首端桥接末端倒换结构，即在节点接入环时，S1和P1桥接，信号同时馈入S1和P1向两个方向传输，而节点的接收处进行倒换，选优接收，实现1＋1保护。如图4/7/202359

节点A进入环传送给节点C的支路信号（AC）同时馈入S1和P1向两个不同的方向传输到达C点，正常情况下，S1传送的信号为主信号，送给节点C的接收机，当BC节点间光缆被切断时，两根光纤同时被切断，从A经S1到C的AC信号丢失，节点C的倒换开关由S1转向P1，节点C接收P1传来的信号；从而实现保护作用。故障排除后，倒换开关返回原来位置。4/7/202360自愈环形网举例（2）

这是一个二纤单向复用段倒换自愈环的结构，这是一种路径保护方式，在这种结构中每一节点都有一个保护倒换开关。正常情况下，S1光纤还是工作光纤，用于传业务信号，P1光纤为保护光纤，空闲着。4/7/202361

当光缆断裂时，与光缆切断点相邻的两个结点B和C的保护倒换开关将利用APS（AutomaticProtectionSwitching）协议执行环回功能。断点两边的节点环回，信号经P1光纤到达C结点，并经C结点的倒换开关环回到Sl光纤后落地分路。故障排除后，倒换开关返回原来的位置。4/7/202362自愈环形网举例（3）

四纤双向复用段倒换环由两根业务光纤S1与S2(一发一收)和两根保护光纤P1和P2(一发一收)构成，其中