光纤通信系统（第3版） 课件 第七章 光纤数字通信系统

光纤通信系统2本章要点通信网络中大量的用户初始信息是模拟量，如语音、文本、图像等。因此需要首先对其进行模/数变换，形成数字信号以后才能在光纤通信系统中进行传输以及在通信网中完成交换和复用等处理。模拟信号数字化最常用的方法就是脉冲编码调制（PCM），在此基础上形成了准同步数字体系（PDH）和同步数字体系（SDH）两个传输体制。数字基带光纤通信系统组成3PCM端机光发送机光中继光接收机PCM端机光纤线路光纤线路电信号光信号光信号电信号输入接口输出接口输入输出PCMPCM包括抽样、量化、编码三个步骤。由于语音信号的最高速率为4kHz，按照奈奎斯特抽样定律，抽样频率为8kHz，即抽样周期为125μs。若采用8位编码，则一路语音信号经过PCM处理后的数字信号速率为64kbit/s。

显然，对于具有极大带宽的光纤通信系统而言，仅由语音信号这样的低速率业务占据整个信道带宽是非常不经济的。因此需要引入数字通信中的复用技术，将若干路信号按照一定规则组合成高速率信号后，再占据光纤信道进行传输。4准同步数字体系PDHPDH体制的基础就是PCM，即将若干个语音话路按照TDM的方法组合为一个基群，并在此基础上，进一步地按照TDM方式组合成更高等级的数字信号等级。

ITU-T标准G.702中建议PDH的基群速率有两种，即PCM30/32路系统和PCM24路系统。我国和欧洲各国采用的是PCM30/32路系统。5同步数字体系SDHSDH具有全球统一的标准数据结构，其以标准的复用单元为基础的灵活映射方式，可以适应于不同的应用环境。一经提出就得到了广泛的认可，目前仍然是国际上最主要的数字传输体制。

进入21世纪后，随着波分复用（WDM）、光交叉连接（OXC）和光分插复用器（OADM）等技术的成熟，又提出了光传送网（OTN），其可以理解为是SDH传输体制在光域中的拓展。67.2准同步数字体系7PDH复用等级我国及欧洲北美日本一次群30路2.048Mbit/s24路1.544Mbit/s24路1.544Mbit/s二次群30×4=120路2.048×4+0.256=8.448Mbit/s24×4=96路1.544×4+0.136=6.312Mbit/s24×4=96路1.544×4+0.136=6.312Mbit/s三次群120×4=480路8.448×4+0.576=34.368Mbit/s96×7=672路6.312×7+0.552=44.736Mbit/s96×5=480路6.312×5+0.504=32.064Mbit/s四次群480×4=1920路34.368×4+1.792=139.264Mbit/s672×2=1344路44.736×2+0.528=90Mbit/s480×3=1440路32.064×3+1.536=97.728Mbit/s8PDH复用原理PDH体系中，一般将4个低等级的信息流（称为支路）通过字节间插复用的方式复用成1个高等级的信息流（称为群路或线路）。PDH进行复用时各等级的速率信号相对其标称速率可能有一定的偏差范围（称为容差），这种具有相同的标称速率，但是又允许有一定偏差的信号也称为准同步信号。在对准同步信号进行复用时，需要采用插入调整比特的方法来解决各个支路同步的问题，即采用异步复用（复接）。9PDH复用技术PDH复用中的基本单位是帧，每一帧中包含了用于承载净荷的信息位和用于运行管理和维护等的非信息位。其中，信息位（I）包含了支路中的所有比特（如支路中各时隙的信息及同步、信令和告警等），附加的非信息位也称控制位，主要包括了同步位F、调整指示位J和调整位Y、Z等。10PDH码速调整11PDH技术特点由于采用了码速调整机制，PDH中存在着固有的相位抖动现象。PDH技术另一个主要缺点是复杂的复用和解复用过程。由于各支路信号在进行复用时需要进行码速调整以及解复用时需要进行码速恢复，因此无法在高等级PDH群路信号中直接对支路信号进入分插处理，这也使得PDH在网络中上下业务非常困难。12137.3同步数字体系80年代中期以来，光纤通信在电信网中获得了大规模的应用。光纤通信的廉价、优良的带宽特性正使之成为电信网的主要传输手段。然而，传统的基于点对点传输的准同步（PDH）系统存在着一些固有的、难以克服的弱点，为了克服这些缺点，同步数字体系SDH应运而生。14SDH的产生背景

SDH的产生最直接的背景是由于PDH技术存在的固有缺点，包括：标准化差接口不一致复用和解复用复杂

OAM能力弱通道利用率低15SDH的基本概念和特点

SDH中将不同的速率等级定义为同步传送模块（STM-N，N=1、4、16、64、256），即按照4倍的规律进行时分复用（TDM）。高等级的STM-N信号是将基本模块STM-1以字节交错间插的方式进行同步复用的结果，其速率是STM-1的N倍，中间没有码速调整和插入。SDH体系中光发送机采用扰码机制，系统的光接口速率是对应速率的电信号经扰码后的结果，速率不变，这对不同厂家的设备在网络中互联互通提供了方便，实现了很好的横向兼容性。

16SDH体制的核心特点同步复用（解复用）标准光接口强大的网管能力17表7-3SDH的标准速率 SDH等级速率（Mbit/s）工程简记STM-1155.520155MSTM-4622.080622MSTM-162488.3202.5GSTM-649953.28010GSTM-25639813.12040G187.3.1SDH帧结构SDH要求能对各种支路信号进行同步的复用、交叉连接和交换，因而帧结构必须能适应所有这些功能。同时也希望支路信号在一帧内的分布是均匀的、有规律的，以便进行接入和取出，还要求帧结构能对北美1.5Mbit/s和欧洲2Mbit/s系列信号同样方便和实用。为此ITU-T采纳了一种以字节结构为基础的矩形块状帧结构。19图7-4STM-N帧结构20SDH帧结构内容

SDH帧结构由270×N列和9行字节组成，每字节8比特。对于STM-1而言，帧长度为270×9＝2430字节，相当于19440比特。若用时间表示，对于任何STM等级，其帧长或帧周期均为125μs。帧结构中字节的传输是从左到右按行进行的，首先由图中左上角第1个字节开始，从左到右、由上而下按顺序进行，直至整个字节都传完，再转入下一帧。如此一帧一帧地传送，每秒共传8000帧。211.段开销SOH区域段开销是指STM帧结构中为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须的附加字节，主要是供网络运行、管理和维护使用的字节。图6-2中横向为第1至第9×N列、纵向第1至第3行和第5至第9行的72×N个字节已分配给段开销。对于STM-1而言，相当于每帧有72个字节（576比特）可用于段开销。由于每秒传8000帧，因而，STM-1有4.608Mbit/s可用于网络运行、管理和维护目的。可见段开销是相当丰富的，这是光同步传送网的重要特点之一。22STM-1SOH结构示例232.管理单元指针AUPTR区域

AUPTR是一种指示符，主要用来指示信息净负荷的第1个字节在STM-N帧内的准确位置，以便在接收端正确地分解。图6-2中横向为第1至第9×N列、纵向第4行的9×N个字节是保留给AUPTR用的。采用指针方式是SDH的重要创新，可以使之在准同步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。243.信息净负荷区域 信息净负荷区就是帧结构中存放各种信息容量的地方。图中横向为第10至第270×N列、纵向第1至第9行的2349×N个字节都属于净负荷区域。当然，其中还有少量的用于通道性能监视、管理和控制的通道开销字节（POH）。通常，POH作为净负荷的一部分与其一起在网络中传送。257.3.2SDH复用和映射过程

SDH的其中一个优点便是可以兼容传统PDH的各次群信号和通信网络中各种类型的业务信号，其中的复用过程便是遵照ITU-T的G.707建议所给出的结构。

SDH复用映射过程中最主要的是按照一定的规则对标准的信息结构进行处理，包括映射、定位和复用等。SDH中的信息结构由一系列的基本单元组成，包括容器（C），虚容器（VC）、管理单元（AU）和支路单元（TU）等。44736kb/s34368kb/s6312kb/s2048kb/s1544kb/sVC-3TUG-2VC-12VC-11TU-11TU-12

TU-2

TU-3TUG-2139264kb/sC-11C-12C-2C-3C-4AUGVC-4

AU-4

AU-4STM-NVC-4VC-3×N×1×3×7×7×1×3×1×3×4指针处理复用定位校准映射图7-6SDH复用映射过程27SDH基本复用单元包括若干容器（C-n）、虚容器（VC-n）、支路单元（TU-n）、支路单元组（TUG-n）、管理单元（AU-n）和管理单元组（AUG-n），n为PDH系列等级序号。1.SDH基本复用单元28表7-4各类容器的主要参数容器C-4C-3C-2C-12C-11周期或复帧周期（μs）125125500500500帧频或复帧频率（Hz）80008000200020002000结构260×984×94（12×9-1）-14（9×9-1）-14（3×9-1）-1容量（字节数）2340756427139103速率（Mbit/s）149.76048.3846.8322.2241.64829表7-5各类虚容器的主要参数虚容器VC-4VC-3VC-2VC-12VC-11周期或复帧周期（μs）125125500500500帧频或复帧频率（Hz）80008000200020002000结构261×985×94（12×9-1）4（9×9-1）4（3×9-1）容量（字节数）2349765428140104速率（Mbit/s）150.33648.9606.8482.2401.66430PDH信号复用映射方法我国光同步传输体制规定以2048kbit/s为基础的PDH系列作为SDH的有效负荷，并选用AU-4复用路线。这主要是考虑到我国PDH网络中应用较多的是2048kbit/s和139264kbit/s支路接口，如需要也可提供34368kbit/s的支路接口。31STM-NVC-3TUG-2VC-12TU-12

TU-3TUG-3139264kb/s34368kb/s2048kb/sC-12C-3C-4AUGVC-4

AU-4×N×1×7×1×3×3指针处理复用定位校准映射图7-7我国的SDH基本复用映射结构32PDH信号复用映射进SDH过程示例PDH信号复用成SDH信号必须经过映射、定位和复用三个步骤，如右图所示。低速支路信号容器C虚容器VCSDH管理单元AU支路单元TU支路单元组TUG331.映射映射是一种在SDH网络边界处，使支路信号适配进虚容器的过程。即各种速率的PDH信号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（POH）形成虚容器负荷的过程。34复用定位校准映射155.520Mb/sSTM-1AUGSOH×3码速调整2.048Mb/s2.224Mb/sVC-122.240Mb/sTU-122.304Mb/sTUG-26.912

Mb/sTUG-349.536

Mb/sVC-4150.336

Mb/sAU-4150.912Mb/sC-12VC-12POHC-12C-12TU-12PTRTU-12TU-12TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TUG-2TU-12VC-12TUG-3TUG-3TUG-3VC-4AU-4PTRVC-4POH×7×3×1VC-4AU-4PTRAUG150.912Mb/s图7-8利用AU-4直接

从C-1复接的方法352.定位定位是一种将帧偏移信息收进支路单元或管理单元的过程。即以附加于VC上的支路单元指针（或管理单元指针）指示和确定低阶VC帧的起点在高阶净负荷中（或高阶帧的起点在AU净负荷中）的位置。在发送相对帧相位偏差使VC帧起点浮动时，指针值随之调整，从而始终保证指针值准确指示VC帧的起点的过程。指针分为AU-4指针、TU-3指针和TU-12指针。36图7-10AU-4指针偏移范围37AU-4／TU-3指针（H1、H2、H3）值383.复用复用是一种使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信号适配进复用层的过程，即以字节交错间插方式把TU组织进高阶VC或者把AU组织进STM-N的过程。由于经由TU和AU指针处理后的各VC支路已经相位同步，此复用过程为同步复用。复用原理与数据的并串变换类似。由我国的复用路线可知：TUG-2＝3×TU-12；TUG-3＝7×TUG-2或＝1×TU-3；STM-1＝VC-4＝3×TUG-3；STM-N＝N×STM-1；由上述可知，一个STM-1可以直接提供63个2Mbit/s或3个34Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到48个2Mbit/s）或一个140Mbit/s（经PDH复用解复用可以得到64个2Mbit/s口）。因此，在SDH干线上开通34Mbit/s是不经济的。39SDH常见的网元设备类型有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接（DXC）等。7.3.3SDH网元设备1.终端复用器TMTM的主要功能是将PDH支路信号复用进SDH信号中，或将较低等级的SDH信号复用进高等级STM-N信号中，以及完成上述过程的逆过程。40412.分插复用器ADM 分插复用器将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，利用内部的交叉连接矩阵，不仅实现了低速率的支路信号可灵活地插入/分出到高速的STM-N中的任何位置，而且可以在群路接口之间灵活地对通道进行交叉连接。42DF:数字配线架OLTE：光端机MUX：复用器ADM：分插复用器SDHADM2Mbit/sSTM-NSTM-N2/34Mbit/sMUX2Mbit/s140Mbit/sOLTE2Mbit/s34/140Mbit/sMUX140Mbit/sOLTE34/140Mbit/sMUX2/34Mbit/sMUXSDHADM替代PDH中继器43多达126个2Mbit/s支路主主备备155Mbit/s155Mbit/s155Mbit/s155Mbit/s

STM-1接口No.1

STM-1接口No.1ADM用作终端复用器44

REG的功能就是接收经过长途传输后衰减了的、有畸变的STM-N信号，对它进行放大、均衡、再生后发送出去。

REG只对再生段开销RSOH进行处理，对复用段开销MSOH和通道开销POH而言都是透明处理的。与TM和ADM相比，再生器没有分插业务的功能。3.再生中继器REG45DXC是一种具有一个或多个PDH或SDH信号接口，可以在任何接口之间对信号及其子速率信号进行可控连接和再连接的设备。DXC的核心部件是高性能的交叉连接矩阵，其基本结构与ADM相似，只是SDXC的交叉连接矩阵容量比较大，接口比较多，具有一定的智能恢复功能，常用于网状网节点。4.数字交叉连接设备467.3.4SDH网同步只有保证SDH全网同步，才可以借助于指针实现各个支路信号灵活的上/下。SDH网同步是指SDH网络中各节点的时钟频率和相位都限制在预先确定的容差范围内，以免出现数字传输系统中信息比特的溢出和取空，从而导致传输损伤。SDH网同步的基本思想是通过不同的技术手段，使得网络中所有节点都遵循同一个参考频率源（即同步时钟信号。47网同步方式伪同步和主从同步是解决频率同步的两种办法。伪同步是指数字网内各节点都具有独立的基准时钟，时钟的精度较高，虽然各节点间时钟不完全相同，存在一定误差，但误差值极小，接近同步。而主从同步是指网内设一主局，配有较高精度的时钟，网内其他节点均受控于主局，并且逐级下控，直至最末端的节点。48伪同步和主从同步原理图49等级主从控制示意图50其他同步方式数字网频率同步的方式除了上述两种以外，还有相互同步、外基准输入等。随着原子钟小型化和卫星通信技术的发展，包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的全球卫星导航系统（GLONASS）和我国的北斗等卫星导航与授时系统已经可以提供大范围的高精度授时信号广播。此时可以在网络中的重要节点配置基于卫星接收机的综合定时系统（BITS），形成地区基准时钟（LPR），该地区内的其他节点则采用主从同步方式同步于LPR。51主从同步方式中，节点时钟通常有三种工作模式。正常工作模式保持工作模式自由运行模式从时钟的工作模式从时钟工作模式转移图5253SDH时钟类型及定时要求

目前我国同步网内的基准时钟有两种：

一种是含铯或铷原子钟的全国基准时钟（PRC），它产生的定时基准信号通过定时基准传输链路送到各省中心。

另一种是在综合定时系统（BITS）中配置的全球定位系统或北斗卫星接收机组成的区域基准时钟（LPR），它也可接受PRC的同步。54同步网的分级和时钟设置同步网分级时钟等级设置位置第一级1级基准时钟（PRC和LPR）设置在省际与省内传送网交汇节点处，以及各省、自治区中心和直辖市的一级交换中心所在局。第二级2级节点时钟(SSU-T)设置在省内与本地传送网交汇节点处，以及二级交换中心所在局和一些重要的关口局。第三级3级节点时钟(SSU-L)设置在本地传送网的节点处或端局。55SDH网同步规划原则在规划和设计同步网时必须考虑到地域和网络业务情况，一般应遵循以下原则：在同步网内不应出现环路；尽量减少定时传递链路的长度；应从分散路由获得主、备用基准；受控时钟应从其他同级或高一级设备获得基准；选择可用性高的传输系统传送基准。56同步定时基准传输链57同步状态字节S1的使用在SDH网中，网络定时的路由随时可能会发生变化，因而其定时性能也随时可能变化，这就要求网络单元必须有较高的智能从而能决定定时源是否还使用，是否需要搜寻其他更合适的定时源等，以保证低级的时钟只能接收更高等级或同一等级的定时，以避免形成定时信号的环路，造成同步不稳定,在STM-N中安排的S1字节是一种有效的措施。58表7-8同步状态信息编码S1（b5-b8）SDH同步质量等级描述S1（b5-b8）SDH同步质量等级描述0000同步质量不知道（现存同步网）1000G.812本地时钟信号0001保留1001保留0010G.811时钟信号1010保留0011保留1011同步设备定时源（SETS）信号0100G.812转接局时钟信号1100保留0101保留1101保留0110保留1110保留0111保留1111不应用作同步59SDH设备的同步方式SDH网中包括DXC、ADM等不同种类的设备，这些不同的设备在SDH网中的地位和应用有很大差别，因而其同步配置和时钟要求也不一样。一般来说，SDH同步网提供了三种不同的网络单元定时方法：外同步定时源接收信号中提取定时内部定时源60SDH网元定时方式示例617.3.5SDH传送网传送网可从垂直方向分解为三个独立的层网络，即电路层，通道层和传输媒质层。每一层网络在水平方向又可以按照该层内部结构分割为若干分离的部分，组成适于网络管理的基本骨架。采用分层和分割的方法有许多优点，例如可以单独进行每一个层网络的设计，在对每一层进行修改时也无需涉及到其他层次。62分层和分割视图63SDH传送网分层结构64通道和段关系示例65传送网网络拓扑结构网络拓扑，即网络节点和传输线路的几何排列，反映了物理连接或物理拓扑。SDH传送网物理拓扑的选择应综合考虑网络的生存性、配置的难易度、网络结构是否适应新业务的引进等多种因素，需要根据情况来决定。作为一般性原则，用户网适于星形拓扑和环形拓扑，中继网适于环形和线形拓扑，长途网适于树形和网孔形的结合，物理节点配置比较简单的情况也适用于环形661.基本的物理拓扑网络拓扑，即网络节点和传输线路的几何排列，反映了物理连接或物理拓扑。点到点拓扑是最简单的通信形式，早期的SDH系统都基于这种拓扑。67基本物理拓扑682.环形网利用分插复用设备（ADM）或数字交叉连接设备（DXC）首尾相接时可以构成SDH环形网。环形网可以分为两类，即通道保护转换环和复用段保护转换环（具体可参见后续章节关于SDH自愈环的介绍）。693.以DXC为节点的网孔形网在业务量高度集中的长途网中，一个节点有多条大容量光纤链路进出，其中有携带业务的，也有空闲的，网络节点间构成互连的网孔形拓扑。这种高度互连的网孔形拓扑适于用DXC作传输节点，此时DXC主要提供网络的保护／恢复和监视功能。704.混合应用采用环形网和DXC保护在某些场合可以互相结合，取长补短。对于核心网和较大规模的城域而言，最终形成的都是连接度较高的网孔形网。此时可用DXC将多个环行网连接形成。71SDH保护和自愈机制SDH光纤传送网络具有很大的通信容量。这样的传送网络一旦发生光缆被切断等故障，将会带来严重的损失。因此SDH光纤传送网络必须具有较强的抵抗故障或灾害的能力，即SDH网络的生存性。SDH生存性的实现主要有两种方法，即保护（Protection）和恢复（Restoration），保护的基本思想是利用预先规划的备用系统容量对主用系统进行切换保护，恢复则是在业务失效后利用快速路由等机制重新建立连接。721.自愈体系自动保护倒换（APS）基本原理是通过备用系统切换来恢复业务自愈环（SHR）可以理解为是APS