SDH原理概览.docx
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SDH原理概览
SDH技术简介
马少林20100037
武汉邮电科学研究院
一SDH产生的技术背景
当今社会是信息社会，高度发达的信息社会要求通信网能提供多种多样的电信业务，通过通信网传输、交换、处理的信息量将不断增大，这就要求现代化的通信网向数字化、综合化、智能化和个人化方向发展。
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传输光纤网络，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。
传统的由PDH传输体制组建的传输网，由于其复用的方式很明显的不能满足信号大容量传输的要求，另外PDH体制的地区性规范也使网络互连增加了难度，因此在通信网向大容量、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。
1.1传统的PDH传输体制的缺陷体现在以下几个方面：
没有统一的光、电接口；
复用解复用复杂；
运行维护困难；
没有统一的网管接口。
1.2SDH与PDH相比的优势
SDH传输体制是由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。
统一的光、电接口；
复用解复用简单；
强大的运行维护管理功能；
很强的兼容性。
1.3SDH的缺陷
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。
频带利用率低
指针调整机理复杂
软件的大量使用对系统安全性的影响
SDH体制是一种在发展中不断成熟的体制，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是一个不争的事实。
二SDH信号的帧结构和复用步骤
2.1SDH信号——STM-N的帧结构
ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（8bit）为单位的矩形块状帧结构，如图2-1所示。
图2-1STM-N帧结构图
从图2-1中看出，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）。
下面我们讲述这三大部分的功能。
信息净负荷（payload）是在STM-N帧结构中存放将由STM-N传送的各种信息码块的地方。
信息净负荷区相当于STM-N这辆运货车的车箱，车箱内装载的货物就是经过打包的低速信号——待运输的货物。
为了实时监测货物（打包的低速信号）在传输过程中是否有损坏，在将低速信号打包的过程中加入了监控开销字节——通道开销（POH）字节。
POH作为净负荷的一部分与信息码块一起装载在STM-N这辆货车上在SDH网中传送，它负责对打包的货物（低速信号）进行通道性能监视、管理和控制（有点儿类似于传感器）。
段开销（SOH）是为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。
例如段开销可进行对STM-N这辆运货车中的所有货物在运输中是否有损坏进行监控，而POH的作用是当车上有货物损坏时，通过它来判定具体是哪一件货物出现损坏。
也就是说SOH完成对货物整体的监控，POH是完成对某一件特定的货物进行监控。
当然，SOH和POH还有一些管理功能。
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。
管理单元指针（AU-PTR）
管理单元指针位于STM-N帧中第4行的9×N列，共9×N个字节。
AU-PTR是用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内的准确位置的指示符，以便收端能根据这个位置指示符的值（指针值）正确分离信息净负荷。
这句话怎样理解呢？
若仓库中以堆为单位存放了很多货物，每堆货物中的各件货物（低速支路信号）的摆放是有规律性的（字节间插复用），那么若要定位仓库中某件货物的位置就只要知道这堆货物的具体位置就可以了，也就是说只要知道这堆货物的第一件货物放在哪儿，然后通过本堆货物摆放位置的规律性，就可以直接定位出本堆货物中任一件货物的准确位置，这样就可以直接从仓库中搬运（直接分/插）某一件特定货物（低速支路信号）。
AU-PTR的作用就是指示这堆货物中第一件货物的位置。
其实指针有高、低阶之分，高阶指针是AU-PTR，低阶指针是TU-PTR（支路单元指针），TU-PTR的作用类似于AU-PTR，只不过所指示的货物堆更小一些而已。
2.2映射、定位和复用的概念
在将低速支路信号复用成STM-N信号时，要经过3个步骤：
映射、定位、复用。
定位是指通过指针调整，使指针的值时刻指向低阶VC帧的起点在TU净负荷中或高阶VC帧的起点在AU净负荷中的具体位置，使收端能据此正确地分离相应的VC，这部分内容在下一节中将详细论述。
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TU12（×3）→TUG2（×7）→TUG3（×3）→VC4）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。
由于经过TU和AU指针处理后的各VC支路信号已相位同步，因此该复用过程是同步复用，复用原理与数据的串并变换相类似。
映射是一种在SDH网络边界处（例如SDH/PDH边界处），将支路信号适配进虚容器的过程。
象我们经常使用的将各种速率（140Mbit/s、34Mbit/s、2Mbit/s）信号先经过码速调整，分别装入到各自相应的标准容器中，再加上相应的低阶或高阶的通道开销，形成各自相对应的虚容器的过程。
为了适应各种不同的网络应用情况，有异步、比特同步、字节同步三种映射方法与浮动VC和锁定TU两种模式。
图2-2G.709复用映射结构
图2-3我国的SDH基本复用映射结构
2.3开销和指针
开销
前面讲过开销的功能是完成对SDH信号提供层层细化的监控管理功能，监控的分类可分为段层监控、通道层监控。
段层的监控又分为再生段层和复用段层的监控，通道层监控分为高阶通道层和低阶通道层的监控。
由此实现了对STM-N层层细化的监控。
指针
指针的作用就是定位，通过定位使收端能正确地从STM-N中拆离出相应的VC，进而通过拆VC、C的包封分离出PDH低速信号，也就是说实现从STM-N信号中直接下低速支路信号的功能。
何谓定位？
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上的指针（或管理单元指针）指示和确定低阶VC帧的起点在TU净负荷中（或高阶VC帧的起点在AU净负荷中）的位置。
在发生相对帧相位偏差使VC帧起点“浮动”时，指针值亦随之调整，从而始终保证指针值准确指示VC帧起点位置的过程。
对VC4，AU-PTR指的是J1字节的位置；对于VC12，TU-PTR指的是V5字节的位置。
TU或AU指针可以为VC在TU或AU帧内的定位提供了一种灵活、动态的方法。
因为TU或AU指针不仅能够容纳VC和SDH在相位上的差别，而且能够容纳帧速率上的差别。
指针有两种AU-PTR和TU-PTR，分别进行高阶VC（这里指VC4）和低阶VC（这里指VC12）在AU-4和TU-12中的定位。
三．SDH设备类型、组网及保护
3.1SDH网络的常见网元
SDH传输网是由不同类型的网元通过光缆线路的连接组成的，通过不同的网元完成SDH网的传送功能：
上/下业务、交叉连接业务、网络故障自愈等。
下面我们讲述SDH网中常见网元的特点和基本功能。
TM——终端复用器
终端复用器用在网络的终端站点上，例如一条链的两个端点上，它是一个双端口器件，如图3-1所示。
图4-1TM模型
它的作用是将支路端口的低速信号复用到线路端口的高速信号STM-N中，或从STM-N的信号中分出低速支路信号。
ADM——分/插复用器
分/插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，例如链的中间结点或环上结点，是SDH网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，如图3-2所示。
图3-2ADM模型
ADM有两个线路端口和一个支路端口。
两个线路端口各接一侧的光缆（每侧收/发共两根光纤），为了描述方便我们将其分为西（W）向、东向（E）两个线路端口。
ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去，或从东或西侧线路端口收的线路信号中拆分出低速支路信号。
另外，还可将东/西向线路侧的STM-N信号进行交叉连接。
ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可等效成其它网元，即能完成其它网元的功能，例如：
一个ADM可等效成两个TM。
REG——再生中继器
光传输网的再生中继器有两种，一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离；另一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光/电变换、电信号抽样、判决、再生整形、电/光变换，以达到不积累线路噪声，保证线路上传送信号波形的完好性。
此处讲的是后一种再生中继器，REG是双端口器件，只有两个线路端口——W、E。
如图3-3所示：
图3-3再生中继器
它的作用是将w/e侧的光信号经O/E、抽样、判决、再生整形、E/O在e或w侧发出。
DXC——数字交叉连接设备
数字交叉连接设备完成的主要是STM-N信号的交叉连接功能，它是一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图3-4所示。
图3-4DXC功能图
DXC可将输入的m路STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信号上，上图表示有m条入光纤和n条出光纤。
DXC的核心是交叉连接，功能强的DXC能完成高速（例STM-16）信号在交叉矩阵内的低级别交叉（例如VC12级别的交叉）。
3.2SDH设备的逻辑功能块
ITU-T采用功能参考模型的方法对SDH设备进行规范，它将设备所应完成的功能分解为各种基本的标准功能块，功能块的实现与设备的物理实现无关（以哪种方法实现不受限制），不同的设备由这些基本的功能块灵活组合而成，以完成设备不同的功能。
通过基本功能块的标准化，来规范了设备的标准化，同时也使规范具有普遍性，叙述清晰简单。
下面我们以一个TM设备的典型功能块组成，来讲述各个基本功能块的作用。
如图3-5所示。
图3-5SDH设备的逻辑功能构成
现对图中出现的主要功能块名称说明如下：
SPI：
SDH物理接口功能块
SPI是设备和光路的接口，主要完成光/电变换、电/光变换，提取线路定时，以及相应告警的检测。
RST：
再生段终端功能块
RST是RSOH开销的源和宿，也就是说RST功能块在构成SDH帧信号的过程中产生RSOH（发方向），并在相反方向（收方向）处理（终结）RSOH。
MST：
复用段终端功能块
MST是复用段开销的源和宿，在接收方向处理（终结）MSOH，在发方向产生MSOH。
MSP：
（复用段保护功能块）
MSP用以在复用段内保护STM-N信号，防止随路故障，它通过对STM-N信号的监测、系统状态评价，将故障信道的信号切换到保护信道上去（复用段倒换）。
ITU-T规定保护倒换的时间控制在50ms以内。
复用段倒换的故障条件是R-LOS、R-LOF、MS-AIS和MS-EXC（B2），要进行复用段保护倒换，设备必须要有冗余（备用）的信道。
MSA：
复用段适配功能块
MSA的功能是处理和产生AU-PTR，以及组合/分解整个STM-N帧，即将AUG组合/分解为VC4。
TTF：
传送终端功能块
前面讲过多个基本功能经过灵活组合，可形成复合功能块，以完成一些较复杂的工作。
SPI、RST、MST、MSA一起构成了复合功能块TTF，它的作用是在收方向对STM-N光线路进行光/电变换（SPI）、处理RSOH（RST）、处理MSOH（MST）、对复用段信号进行保护（MSP）、对AUG消间插并处理指针AU-PTR，最后输出N个VC4信号；发方向与此过程相反，进入TTF的是VC4信号，从TTF输出的是STM-N的光信号。
HPC：
高阶通道连接功能块
HPT：
高阶通道终端功能块
LPA：
低阶通道适配功能块
PPI：
PDH物理接口功能块
HOI：
高阶接口
HPA：
高阶通道适配功能块
HOA：
高阶组装器
LPC：
低阶通道连接功能块
LPT：
低阶通道终端功能块
LPA：
低阶通道适配功能块
PPI：
PDH物理接口功能块
LOI：
低阶接口功能块
SEMF：
同步设备管理功能块
MCF：
消息通信功能块
SETS：
同步设备定时源功能块
SETPI：
同步设备定时物理接口
OHA：
开销接入功能块
各功能模块的主要告警维护信号以及有关的开销字节如下：
SPI：
LOS
RST：
LOF（A1、A2），OOF（A1、A2），RS-BBE（B1）
MST：
MS-AIS（K2[b6—b8]）、MS-RDI（K2[b6—b8]），MS-REI（M1），MS-BBE（B2），MS-EXC（B2）
MSA：
AU-AIS（H1、H2、H3），AU-LOP（H1、H2）
HPT：
HP-RDI（G1[b5]），HP-REI（G1[b1—b4]），HP-TIM（J1），HP-SLM（C2），HP-UNEQ（C2），HP-BBE（B3）
HPA：
TU-AIS（V1、V2、V3），TU-LOP（V1、V2），TU-LOM（H4）
LPT：
LP-RDI（V5[b8]），LP-REI（V5[b3]），LP-TIM（J2），LP-SLM（V5[b5—b7]），LP-UNEQ（V5[b5—b7]），LP-BBE（V5[b1—b2]）
以上这些告警维护信号产生机理的简要说明如下：
LOS：
信号丢失，输入无光功率、光功率过低、光功率过高，使BER劣于10-3。
OOF：
帧失步，搜索不到A1、A2字节时间超过625μs。
LOF：
帧丢失，OOF持续3ms以上。
RS-BBE：
再生段背景误码块，B1校验到再生段——STM-N的误码块。
MS-AIS：
复用段告警指示信号，K2[6—8]=111超过3帧。
MS-RDI：
复用段远端劣化指示，对端检测到MS-AIS、MS-EXC，由K2[6-8]回发过来。
MS-REI：
复用段远端误码指示，由对端通过M1字节回发由B2检测出的复用段误块数。
MS-BBE：
复用段背景误码块，由B2检测。
MS-EXC：
复用段误码过量，由B2检测。
AU-AIS：
管理单元告警指示信号，整个AU为全“1”（包括AU-PTR）。
AU-LOP：
管理单元指针丢失，连续8帧收到无效指针或NDF。
HP-RDI：
高阶通道远端劣化指示，收到HP-TIM、HP-SLM。
HP-REI：
高阶通道远端误码指示，回送给发端由收端B3字节检测出的误块数。
HP-BBE：
高阶通道背景误码块，显示本端由B3字节检测出的误块数。
HP-TIM：
高阶通道踪迹字节失配，J1应收和实际所收的不一致。
HP-SLM：
高阶通道信号标记失配，C2应收和实际所收的不一致。
HP-UNEQ：
高阶通道未装载，C2=00H超过了5帧。
TU-AIS：
支路单元告警指示信号，整个TU为全“1”（包括TU指针）。
TU-LOP：
支路单元指针丢失，连续8帧收到无效指针或NDF。
TU-LOM：
支路单元复帧丢失，H4连续2—10帧不等于复帧次序或无效的H4值。
LP-RDI：
低阶通道远端劣化指示，接收到TU-AIS或LP-SLM、LP-TIM。
LP-REI：
低阶通道远端误码指示，由V5[1—2]检测。
LP-TIM：
低阶通道踪迹字节失配，由J2检测。
LP-SLM：
低阶通道信号标记字节适配，由V5[5—7]检测。
LP-UNEQ：
低阶通道未装载，V5[5—7]=000超过了5帧。
为了理顺这些告警维护信号的内在关系，我们在下面列出了TU-AIS告警流程图。
图3-6简明TU-AIS告警产生流程图
3.3基本的网络拓扑结构
网络拓扑的基本结构有链形、星形、树形、环形和网孔形，如图3-7所示。
链形网
此种网络拓扑是将网中的所有节点一一串联，而首尾两端开放。
这种拓扑的特点是较经济，在SDH网的早期用得较多，主要用于专网（如铁路网）中。
星形网
此种网络拓扑是将网中一网元做为特殊节点与其他各网元节点相连，其他各网元节点互不相连，网元节点的业务都要经过这个特殊节点转接。
这种网络拓扑的特点是可通过特殊节点来统一管理其它网络节点，利于分配带宽，节约成本，但存在特殊节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈问题。
特殊节点的作用类似交换网的汇接局，此种拓扑多用于本地网（接入网和用户网）。
图3-7基本网络拓扑图
树形网
此种网络拓扑可看成是链形拓扑和星形拓扑的结合，也存在特殊节点的安全保障和处理能力的潜在瓶颈。
环形网
环形拓扑实际上是指将链形拓扑首尾相连，从而使网上任何一个网元节点都不对外开放的网络拓扑形式。
这是当前使用最多的网络拓扑形式，主要是因为它具有很强的生存性，即自愈功能较强。
环形网常用于本地网（接入网和用户网）、局间中继网。
网孔形网
将所有网元节点两两相连，就形成了网孔形网络拓扑。
这种网络拓扑为两网元节点间提供多个传输路由，使网络的可靠更强，不存在瓶颈问题和失效问题。
但是由于系统的冗余度高，必会使系统有效性降低，成本高且结构复杂。
网孔形网主要用于长途网中，以提供网络的高可靠性。
当前用得最多的网络拓扑是链形和环形，通过它们的灵活组合，可构成更加复杂的网络。
3.4链网和自愈环
传输网上的业务按流向可分为单向业务和双向业务。
以环网为例说明单向业务和双向业务的区别。
如图3-8所示。
图3-8环形网络
若A和C之间互通业务，A到C的业务路由假定是A→B→C，若此时C到A的业务路由是C→B→A，则业务从A到C和从C到A的路由相同，称为一致路由。
若此时C到A的路由是C→D→A，那么业务从A到C和业务从C到A的路由不同，称为分离路由。
我们称一致路由的业务为双向业务，分离路由的业务为单向业务。
链形网
典型的链形网如图3-9所示。
图3-9链形网络图
链形网的特点是具有时隙复用功能，即线路STM-N信号中某一序号的VC可在不同的传输光缆段上重复利用。
如图3-9中A—B、B—C、C—D以及A—D之间通有业务，这时可将A—B之间的业务占用A—B光缆段X时隙（序号为X的VC，例如3VC4的第48个VC12），将B—C的业务占用B—C光缆段的X时隙（第3VC4的第48VC12），将C—D的业务占用C—D光缆段的X时隙（第3VC4的第48个VC12），这种情况就是时隙重复利用。
这时A—D的业务因为光缆的X时隙已被占用，所以只能占用光路上的其它时隙Y时隙，例如第3VC4的第49VC12或者第7VC4的第48个VC12。
链网的这种时隙重复利用功能，使网络的业务容量较大。
常见的链网有二纤链——不提供业务的保护功能（不提供自愈功能）；四纤链——一般提供业务的1＋1或1∶1保护。
四纤链中两根光纤收/发作主用信道，另外两根收/发作备用信道。
链网的自愈功能1＋1、1∶1、1∶n在上一节讲MSP功能块时已讲过，这里要说的是1∶n保护方式中n最大只能到14。
为什么？
这是由K1字节的b5—b8限定的，K1的b5—b8的0001～1110[1—14]指示要求倒换的主用信道编号。
3.5自愈
所谓自愈是指在网络发生故障（例如光纤断）时，无需人为干预，网络自动地在极短的时间内（ITU-T规定为50ms以内），使业务自动从故障中恢复传输，使用户几乎感觉不到网络出了故障。
其基本原理是网络要具备发现替代传输路由并重新建立通信的能力。
自愈仅是通过备用信道将失效的业务恢复，而不涉及具体故障的部件和线路的修复或更换，所以故障点的修复仍需人工干预才能完成，就象断了的光缆还需人工接好。
目前环形网络的拓扑结构用得最多，因为环形网具有较强的自愈功能。
自愈环的分类可按保护的业务级别、环上业务的方向、网元节点间光纤数来划分。
按环上业务的方向可将自愈环分为单向环和双向环两大类；按网元节点间的光纤数可将自愈环划分为双纤环（一对收/发光纤）和四纤环（两对收发光纤）；按保护的业务级别可将自愈环划分为通道保护环和复用段保护环两大类。
下面只对使用较多的二纤单向通道保护环和双纤双向复用段保护环进行介绍。
3.5.1二纤单向通道保护环
二纤通道保护环由两根光纤组成两个环，其中一个为主环——S1；一个为备环——P1。
两环的业务流向一定要相反，通道保护环的保护功能是通过网元支路板的“并发选收”功能来实现的，也就是支路板将支路上环业务“并发”到主环S1、备环P1上，两环上业务完全一样且流向相反，平时网元支路板“选收”主环下支路的业务，如图3-10所示。
若环网中网元A与C互通业务，网元A和C都将上环的支路业务“并发”到环S1和P1上，S1和P1上的所传业务相同且流向相反——S1逆时针，P1为顺时针。
在网络正常时，网元A和C都选收主环S1上的业务。
那么A与C业务互通的方式是A到C的业务经过网元D穿通，由S1光纤传到C（主环业务）；由P1光纤经过网元B穿通传到C（备环业务）。
在网元C支路板“选收”主环S1上的A→C业务，完成网元A到网元C的业务传输。
网元C到网元A的业务传输与此类似。
图3-10二纤单向通道倒换环
3.5.2双纤双向复用段保护环——双纤共享复用段保护环
在二纤双向复用段保护环上无专门的主、备用光纤，每一条光纤的前半个时隙是主用信道，后半个时隙是备信道，两根光纤上业务流向相反。
双纤双向复用段保护环的保护机理如图3-11所示。
在网络正常情况下，网元A到网元C的主用业务放在S1/P2光纤的S1时隙（对于STM-16系统，主用业务只能放在STM-N的前8个时隙1#—8#STM-1[VC4]中），备用业务放于P2时隙（对于STM-16系统只能放于9#—16#STM-1[VC4]中），沿光纤S1/P2由网元B穿通传到网元C，网元C从S1/P2光纤上的S1、P2时隙分别提取出主用、额外业务。
网元C到网元A的主用业务放于S2/P1光纤的S2时隙，额外业务放于S2/P1光纤的P1时隙，经网元B穿通传到网元A，网元A从S2/P1光纤上提取相应的业务。
图3-11二纤双向复用段保护环
在环网B—C间光缆段被切断时，网元A到网元C的主用业务沿S1/P2光纤传到网元B，在网元B处进行环回（故障端点处环回），环回是将S1/P2光纤上S1时隙的业务全部环到S2/P1光纤上的P1时隙上去（例如STM-16系统是将S1/P2光纤上的1#—8#STM-1[VC4]全部环到S2/P1光纤上的9#—16#STM-1[VC4]），此时S2/P1光纤P1时隙上的额外业务被中断。
然后沿S2/P1光纤经网元A、网元D穿通传到网元C，在网元C执行环回功能（故障端点站），即将S2/P1光纤上的P1时隙所载的网元A到网元C的主用业务环回到S1/P2的S1时隙，网元C提取该时隙的业务，完成接收网元A到网元C的主用业务。
见图3-12。
图3-12二纤双向复用段保护环
网元C到网元A的业务先由网元C将网元C到网元A的主用业务S2，环回到S1/P2光纤的P2时隙上，这时P2时隙上的额外业务中断。
然后沿S1/P2光纤经网元D、网元A穿通到达网元B，在网元B处执行环回功能——将S1/P2光纤的P2时隙业务环到S2/P1光纤的S2时隙上去，经S2/P1光纤传到网元A落地。
通过以上方式完成了环网在故障时业务的自愈。
双纤双向复用段保护环的业务容量为四纤双向复用段保护环的1/2，即M/2（STM-N）或M×STM-N（包括额外业务），其中M是节点数。
双纤双向复用段保护环在组网中使用得较多，主要用于62
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