传输基础PDHSDH1.docx
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传输基础PDHSDH1
传输工程设计基础
PDH与SDH
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审核：
刘仲明
广州杰赛通信规划设计院
2004年7月05日
1.概述
1.1.概念
本文主要介绍两种数字传输系列，一种叫“准同步数字系列”（PlesiochronousDigitalHierarchy），简称PDH；另一种叫“同步数字系列”（SynchronousDigitalHierarchy），简称SDH。
在数字通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲序列，这些数字信号流在数字交换设备之间传输时，其速率必须完全保持一致，才能保证信息传送的准确无误，这就叫做“同步”。
采用准同步数字系列（PDH）的系统，是在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟，这些时钟的信号都具有统一的标准速率。
尽管每个时钟的精度都很高，但总还是有一些微小的差别。
为了保证通信的质量，要求这些时钟的差别不能超过规定的范围。
因此，这种同步方式严格来说不是真正的同步，所以叫做“准同步”。
反之，采用同步数字系列（SDH）的系统是在数字通信网中的每个节点都同步于同一个高精度的时钟。
1.2.发展简史
（1）1937年英国人里夫斯（Reeves.A.H）发明了脉冲编码调制（PCM）；
（2）1965年美国制定了DS1技术标准，即将24路以PCM编码的话音信号复接在一起,加上帧定位比特组成15544kbit/s的二进制码流（T1）进行传输的技术标准；
（3）1968年欧洲提出类似的E1技术标准，即将30路以PCM编码的话音信号复用在一起，加上帧定位码组和用于传输信令的通道组成2048kbit/s码流的帧结构；
（4）1972年ITU-T（原CCITT：
国际电报电话咨询委员会）提出第一批PDH的建议书；
（5）1976年至1988年又提出两批建议书对原有建议做了补充完善，并对整套建议进行了系统编排，形成了完整的PDH建议体系；
（6）1985年美国国家标准协会（ANSI）委托T1X1委员会起草光同步网标准，并命名为同步光网络（SONET:
SynchronousOpticalNETwork）；
（7）1986年ITU-T以美国的SONET为基础制订命名为SDH同步数字体系标准；
（8）1988年～1990年ITU-T通过了有关SDH的9个建议；
（9）1992年又通过了7个建议；
（10）1995年有关SDH建议（包草案）已达24个；
（11）1998年共完成了有关SDH的31个标准；
我国自行研制的PCM30路数字通信系统于1979年在北京完成现场试验，同年自行研制的8448kb/s光纤数字通信系统在武汉完成现场试验；我国邮电部从1991年开始制定“光同步传输网技术体制”,已于1994年5月完成并实施，1998年10月修订为“光同步传送网技术体制”。
2.PDH与SDH的对比
2.1.帧结构
2.1.1.PDH帧结构
话音信号主要能量集中在300～3400Hz，抽（取）样至少应当等于信号最高频率3400Hz的两倍，取样相当一次调制（PAM），考虑到低通滤波器有一定过滤带，为了制造简便，国际上都采用取样频率
，即取样周期
。
每个PCM编码的样值用8位（比特，bit）码表示得出每通路8bit÷125µs=64Kbit/s（0次群）。
我国采用PCM30/32路时分多路系统，32个时隙中30个传话音，一个时隙（TS0）用于传送帧同步码，另一个（TS16）用来传送各话路的标志信号码（如拨号脉冲、被叫摘机、主叫挂机等）。
每时隙一路信号得出：
32×64Kbit/s=2048Kbit/s（一次群，简称2M或E1），即的基群速率。
PDH是以基群为基础，以4倍（多一点）关系形成二、三、四次群（8448Kbit/s，34368Kbit/s，139264Kbit/s,简称8M、34M、140M或E2、E3、E4）。
各种速率帧结构见图2.1-1～4:
图2.1-12048Kbit/s帧结构
图2.1-28448Kb/s帧结构
图2.1-334368Kb/s帧结构
图2.1-4139264Kb/s帧结构
注1：
图中“开销”、“净荷”均为引用SDH体制中的名词；
注2：
图中帧结构均为从左到右，从上到下的带状帧结构，此处为了表示方便绘制成了块状结构。
由图2.1-1～4可知：
2048Kbit/s的帧是按字节间插，各支路在帧中有规律地排列，8448Kbit/s以上的各种高次群是逐比特间插复接，各支路比特在帧中地位置与低次群帧起点无关，也就是说，低次群比特在高次群帧中排列很不规则。
2.1.2.SDH帧结构
SDH的帧结构见下图：
图2.1-5STM-N帧结构
由图2.1-5可知，STM-N具有标准化的块状帧结构，每帧的传送时间是125µs。
较高等级的同步传输模块可由多个基本传输模块（STM-1）间插而成。
当N=1时，方便地算出STM-1的信息数率：
270×9×8bit/s÷125µs=155.52Mbit/s。
同步传送模块STM-1是SDH系统中最基本、也是最重要的模块，其传输速率为155.520Mbit/s。
其相应的光接口线路信号是STM-1电信号经扰码后进行电/光变换的结果，其传输速率不变，帧结构也不变。
更高等级的同步传送模块STM-N是将N个STM-1电信号按同步复用方式、进行字节间插的结果。
STM-N传送开销是STM-N的N倍，传送数率是N×155.52Mbit/s,ITU-TG.707以定义的N有1、4、16、64。
SDH的等级、速率与容量关系见表2.1-1。
表2.1-1SDH的等级、速率与容量关系表
等级
速率（Mbit/s）
含2M数量（个）
电路容量
STM-1
155.52
63
1890
STM-4
622.08
252
7560
STM-16
2488.32
1008
30240
STM-64
9953.28
4032
120960
注意：
STM-1的帧结构虽然呈矩形块状，但在传输时仍然是串行码流，其传输是按从左到右、由上而下的顺序进行。
即首先从图中的左上角的第一个字节开始，从左到右传送完第一行共270×N个字节，然后再传送第二行、第三行，直到传送完第九行为止；共用125μS时间。
此后再转入下一帧，如此逐帧传输。
由图2.1-5可知，STM-1的帧结构由四部分组成，即再生段开销（RSOH）、管理单元指针（AUPTR）、复用段开销（MSOH）和信息净负荷（Payload）。
其中再生段开销与复用段开销又统称段开销（SOH）。
（1）再生段开销（RSOH）
所谓开销（OH）是指传输码流中扣除开销后的剩余部分，通常是为用于系统的运行、管理、维护与指配（OAM&P）而增设的附加比特，故又称开销比特。
所谓再生段，是指两个相邻再生站之间、再生站与相邻ADM站或TM站之间的同步光缆系统部分。
终结于再生器的再生段开销区域，是（1～3）行×（1～9）列，共计3×9=27个字节。
再生段开销主要提供再生段的运行、管理、维护与指配（OAM&P）所需要的附加信息。
如误码检测、公务和网管数据传送通道等，下一节将作详细介绍。
RSOH的第一行（共9个字节）是不扰码的，因为它们主要用于帧定位。
（2）管理单元指针（AUPTR）
管理单元指针的区域是第4行×（1～9）列，共计1×9=9个字节。
管理单元指针的作用就是指示信息净负荷在STM-1帧结构中的位置。
指针的数值，代表信息净负荷的第一个字节相对于管理单元指针的最后一个字节（H3）的相对位置。
知道了净负荷的准确位置才可能在接收端正确地解出，以及对之进行分插与交叉等处理。
采用指针指示和调整的办法是SDH的重要创新，它可以使SDH在准同步的环境中进行同步复用。
（3）复用段开销（MSOH）
透明的通过再生器，终结在分插复用器或终端的复用段开销区域，是第（5～9）行×（1～9）列，共计5×9=45个字节。
复用段开销主要是提供复用段的的运行、管理、维护与指配（OAM&P）所需要的附加信息。
如误码检测、保护倒换、同步状态监视、公务联络和网管数据传送通道等，下一节将作详细介绍。
而所谓复用段是指二个相邻ADM站或TM站之间的同步光揽系统部分。
这二个相邻局站之间可以有一个或数个再生站、也可以没有再生站。
通过以上讨论可以看到，在STM-1帧结构的段开销部分安排了9×9=81个字节用于系统的运行、管理、维护与指配（OAM&P）；此外，在信息净负荷部分还包含少量的通道开销（POH），它们也是用于系统的操作、管理、维护与指配。
所以SDH系统用于操作、管理、维护与指配的开销毕特是十分丰富的，可以适应越来越复杂的网络需求。
（4）信息净负荷（Payload）
承载业务信息的信息净负荷的区域是（1～9）行×（10～270）列，共计9×261=2349个字节。
它是存放信息净负荷的区域。
信息净负荷是以虚容器（VC）的形式出现的。
虚容器有好多种，如VC-12、VC-3、VC-4等。
之所以称其为虚容器，是因为它不是一个实实在在的容器，是虚假的；但它们又确确实实装载着信息，在整个传输过程中是包封的，象一个容器一样保持其完整性。
故称之为虚容器。
实际上，每个虚容器的第一列都是通道开销（POH），其余的才是真正的业务信息净负荷。
通道开销是用于通道的运行、管理、维护与指配（OAM&P），但它和真正的业务信息净负荷一起在虚容器中包封传送。
所谓通道，是指传送信息的二个终结局站之间的所有部分。
通道可以包括再生段、复用段，而且包含再生段、复用段数量可能不仅是一个二个。
为了加深对再生段、复用段、通道的理解，特画出一般性系统分层结构示意图，如图2.1-6所示:
图2.1-6SDH系统分层结构
注：
TM、ADM、REG将在2.5节中介绍。
从上图可以看出，所谓再生段是指再生站与相邻终端局站或中间局站之间的部分。
而复用段是指相邻二个局站（终端局站或中间局站）的部分。
而通道则不然，它是针对信息而言。
如在有些情况下，某些信息需要从一个ADM（TM）站传送到另一个ADM（TM）站，中间要经过几个再生段或复用段，那么这二个ADM（TM）站之间的所有部分皆称之为这些信息的通道，这二个ADM（TM）站就是该通道的起始点。
当然，通道有时侯也会和复用段发生重合。
2.2.接口规范
2.2.1.电接口规范
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。
现有的PDH数字信号序列有三种信号速率等级：
欧洲系列、北美系列和日本系列。
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2.2-1所示。
图2.2-1电接口速率等级图
SDH体制对网络节点接口（NNI）作了统一的规范，它有一套标准的信息结构等级，即有一套标准的速率等级。
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。
2.2.2.光接口规范
为了完成设备对光路上的传输性能进行监控，PDH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。
而SDH只有四个标准化STM等级，不仅相同等级的STM-N具有相同的传输速率，而且其信号的帧结构也完全一致。
此外，由于SDH因拥有丰富的开销而不需要进行码型变换，线路码型一律采用NRZ加扰码，其光信号传输速率就是STM-N的标准速率，所以其光接口的速率与帧结构也十分规范，从而可使世界上各生产厂家的SDH设备在光路上互通，克服了PDH系统无法在光路上互通的困难局面。
PDH和SDH设备接口互通方法见图2.2-2。
图2.2-2PDH和SDH设备接口互通图
2.3.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。
考虑到各个支路会具有稍微不同的时钟频率，需要通过正码速率调整复接技术，先将每个支路的频率都调整到一个较高的频率，然后以比特间插的方式复接成高次群速率的码流。
从而破坏了字节的完整性，低次群信息在高次群的帧结构中没有确定的位置，要分接出低次群的信息必须逐级进行，不可跳过中间的阶级，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。
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/插出低速信事情要一级一级的进行。
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2.3-1所示。
图2.3-1从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。
目前，虽然也有跳群复用设备，如由16个2Mbit/s支路复接成1个34Mbit/s，但设备内部实际上仍然是从2Mbit/s到8Mbit/s再到34Mbit/s逐级复接的，只不过8Mbit/s接口封闭在设备内部，可以稍有简化。
SDH方面，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）中直接分/插出低速SDH信号（例如155Mbit/s），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。
以STM-16为例，其复用方式见图2.3-2。
图2.3-2从2.5Gbit/s信号分/插出低次群信号示意图
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。
在此顺带提一下我国制定的复用与映射结构，如下图：
图2.3-3我国制定的复用与映射结构
从图2.3-3可以看出，在我国规定的复用与映射结构中，不允许有PDH的二次群即8.448Mb/s支路信号出现，但其它2.048Mb/s、34.368Mb/s、44.736Mb/s和139.264Mb/s支路信号可以进入到STM-N的帧结构之中；另外也不允许在复用与映射过程中出现管理单元AU-3。
另外，需要指出的是，不同的复用方式有不同的带宽利用率和应用。
如：
140Mb/s帧可收容4个34Mb/s，而155Mb/s帧只能收容3个34Mb/s，因此对于34Mb/s口的开放应慎重；对于PDH34Mb/s、140Mb/s的某些使用，帧结构不是由2Mb/s复用而成，在SDH使用环境中必须保持其整体结构不变。
2.4.网络的运行、管理、维护能力（OAM）
由于受码型变换要求的局限（码速率不宜提高过大），PDH系统不可能安排很多的附加比特以用于网络系统的运行、管理与维护。
而伴随技术的不断发展和用户要求的日益提高，现代电信网变得越来越复杂，对网络系统的运行、管理与维护能力（OAM）也提出了越来越高的要求。
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。
因此，PDH系统附加比特的不足和系统本身过于僵化的硬件、缺乏灵活的软件已经成了提高网络运行、管理与维护能力（OAM）的严重障碍,不能适应迅猛发展的电信网需求。
SDH在其帧结构中安排了丰富的开销比特（其容量占整个信息量的5%左右）。
它可以用于性能测试、故障监测、区段定位、公务联络、保护倒换等等；同时交叉连接设备DXC的应用，又使电路的自动调度、网络的自动保护与恢复、网络的自动化管理成为可能。
所以SDH系统的运行、管理、维护与指配（OAM&P）能力得以大大提高，完全可以适应电信网的现代化管理要求。
2.5.组网灵活性、网络生存性
SDH光同步数字传输网应用时最重要的四个网络单元是终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接器（DXC）。
（1）终端复用器（TM）的主要任务是将低速支路电信号和低等级的SDH电信号纳入STM－N帧结构，并经电/光转换为STM－N光线路信号，其逆过程正好相反。
（2）分插复用器（ADM）是一种新型的网络单元，它将同步复用和数字交叉连接功能综合于一体，在不分接和终结线路信号的条件下，提供将任何支路信号接入或解出的能力。
（3）再生中继器（REG）的主要作用是恢复时钟，对信号进行再生，收端终结RSOH，发端重新起始RSOH。
（4）数字交叉连接器（DXC）主要是置于网络的汇接点，用其线路端口去连接各个子网，利用其分插能力可在本汇接点上、下电路；利用其强大的交叉连接能力可以实现各个子网之间的电路调度、业务传送和业务疏导等。
此外，数字交叉连接设备还配有功能丰富的软件，可实现网络的自动保护与恢复。
由上述四个基本网络单元组成的典型网络应用有多种形式，如线型网、树型网、枢纽网、环形网和网孔型网等较复杂的网络，以适应现代电信网的组网要求，这与PDH系统只能组成线性网络形成了鲜明的对比。
此外，由其组成的环形网和网孔型网等还具有自愈功能，可以对线路、通道、复用段提供保护，大大提高了网络的安全性。
许多SDH设备还具有在线升级功能。
即能在不中断业务的条件下，把网络的STM等级提高一个等级，使网络的传输容量扩大四倍。
这自然会大大减少网络建设的初期投资，提高了网络的生存性和网络运营者的经济效益。
2.6.兼容性
PDH采用端对端传输，SDH则具有网的概念和更高的职能性，因此，兼容性（横向）对PDH而言，影响并不严重，但对SDH而言是一个很重要的课题。
通过上面叙述，我们知道不同厂家间的PDH都不能够互通，更不要说是与其它制体制的系统兼容。
而SDH能透明传送现有的PDH信号，兼容1544Kbit/s和2048Kbit/s两大系列，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（ATM）信号、光纤分布式数据接口（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。
这个过程可以形象地比喻为：
在SDH网中，SDH的信号实际上起着运货车的功能，它将各种不同体制的信号（本课程主要是指PDH信号）象货物一样打成不同大小的（速率级别）包，然后装入货车（装入STM-N帧中），在SDH的主干道上（光纤上）传输。
在收端从货车上卸下打成货包的货物（其它体制的信号），然后拆包封，恢复出原来体制的信号。
这也就形象地说明了不同体制的低速信号复用进SDH信号（STM-N），在SDH网上传输和最后拆分出原体制信号的全过程。
在光网络设计时，要保证光口的横向兼容性的实现，光功率预算需要采用最坏值设计法。
2.7.SDH的缺点
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。
2.7.1.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48×2Mbit/s）或1个140Mbit/s（相当于64×2Mbit/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64×2Mbit/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PDHE4信号的传输频带（二者的信息容量是一样的）。
2.7.2.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。
2.7.3.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
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