同步数字体系概述.docx
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同步数字体系概述
第一节SDH传输系统的基本原理
一、PDH的固有弱点
PDH即准同步数字体系，是指参与复接的各低次群的标称速率相同，而实际速率允许有一定偏差的数字体系。
目前ITU-T推荐应用的主要有两大系列的PDH数字体系，即PCM24路系列和PCM30/32路系列。
北美和日本采用1.544Mb/s作为基群的PCM24路数字系列；欧洲和我国则采用2.048Mb/s作为基群的PCM30/32路数字系列。
我国采用的PDH数字系列如表2-1所示。
表2-1我国PDH数字系列
基群
二次群
三次群
四次群
30路
2.048Mb/s
120路（30×4）
8.448Mb/s
480路（120×4）
34.368Mb/s
1920路（480×4）
139.264Mb/s
采用ITU-T建议规定的PDH数字系列作为系统速率标准的光纤通信系统称为PDH光传输系统。
在通信网向大容量、标准化发展的今天，PDH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。
现有的光纤通信系统，现有的PDH主要应用在本地接入；SDH主要应用于城域网、省干网、骨干网；DWDM应用于骨干网（西北环）。
PDH传输体制的弱点主要表现在以下几个方面。
1．没有全世界统一的数字信号标准
由于历史的原因，目前世界上的准同步数字体系PDH存在两大体系或三种地区性标准（日本、北美和欧洲），如表8-1所示。
北美和日本都采用以1.544Mb/s为基群速率的PCM24路系列，但略有不同，而欧洲和中国则采用以2.048Mb/s为基群速率的PCM30/32路系列。
由于没有统一的世界性标准，造成国际间互通、互连困难。
表8-1不同地区PDH速率等级标准
一次群
二次群
三次群
四次群
北美
24路
1.544Mb/s
96路（24×4）
6.312Mb/s
672路（96×6）
44.736Mb/s
4032路（672×6）
274.176Mb/s
日本
24路
1.544Mb/s
96路（24×4）
6.312Mb/s
480路（96×5）
32.064Mb/s
1440路（480×3）
97.782Mb/s
欧洲、中国
30路
2.048Mb/s
120路（30×4）
8.448Mb/s
480路（120×4）
34.368Mb/s
1920路（480×4）
139.264Mb/s
2．没有标准的光接口规范
PDH仅制定了电接口（G.703）的技术标准，但没有世界性的标准光接口规范，导致各个厂家自行开发的专用光接口大量滋生，故使不同厂家生产的设备在光缆线路上不能互通，必须转换为标准的接口后才能互通，从而增加了设备的成本，而且不灵活。
3．上下电路困难
现行的PDH中只有1.544Mb/s和2.048Mb/s的基群信号采用同步复用，其它速率的高次群信号均采用准同步复用。
这种复用难以从高速信号中直接识别和提取低速支路信号。
为了上下电路，惟一的方法是逐级码速调整来实现复用/解复用，这不仅增加了设备的复杂性，而且也缺乏灵活性，使信号产生损伤。
图8-1给出了一个从140Mb/s信号中分出、插入一个2Mb/s所经历的过程。
图8-1PDH中分插支路信号的过程
4．网络管理能力不强
PDH中用于网络运行、管理和维护（OAM）的比特很少，只有通过线路编码来安排一些插入比特用于监控，因此用于网管的通道明显不足，难以满足电信管理网（TMN）发展的要求。
5．网络结构缺乏灵活性
PDH是建立在点到点连接的基础之上的，网络结构简单，缺乏灵活性，造成网络的调度性较差，同时也很难实现良好的自愈功能。
基于传统的准同步数字体系PDH的上述弱点，它已不能适应现代电信网和用户对传输的新要求，必须从技术体制上对传输系统进行根本的改革，找到一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网络技术的新体制，这就产生了美国提出的光同步传输网（SONET）。
这一概念最初由贝尔通信研究所提出，1988年被ITU-T接受并加以完善，重新命名为同步数字体系SDH，使之成为不仅适用于光纤，也适用于微波和卫星传输的通用技术体制，SDH体制的采用将使通信网的发展进入一个崭新的阶段。
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网是由一些SDH的网络单元（NE）组成，在光纤上进行同步信息传输、复用、分插和交叉连接的网络。
SDH网中不含交换设备，它只是交换局之间的传输手段。
SDH网的基本网络单元有终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、再生中继器（REG）和数字交叉连接设备（DXC）等，其功能各异，但都有统一的标准光接口，能够在光路上实现横向兼容。
几种基本网络单元在SDH网中的连接方法之一如图8-2所示。
图中标出了实际系统组成中的再生段、复用段和通道。
图8-2基本网络单元在SDH网中的应用
二、SDH的特点
SDH是完全不同于PDH的一种全新的传输体制，它主要具有以下特点：
1．具有全世界统一的帧结构标准
SDH把北美、日本和欧洲、中国采用的两大准同步数字体系、三个地区性标准在STM-1等级上获得了统一，第一次实现了数字传输体制上的世界性标准。
2．具有标准的光接口
SDH具有标准的光接口规范，它可使不同厂家的设备在同一网络中互连互通，真正实现同速率等级上光接口的横向兼容。
3．灵活的分插功能
SDH采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，各种不同速率等级的码流在帧结构中净负荷内的排列是有规律的，并且支路信号在SDH帧结构中的位置是透明的，因此可以直接从STM-N信号中灵活地上、下支路信号，无需通过逐级复用/解复用实现分插功能，使上、下业务十分容易，从而减少了设备的数量，简化了网络结构。
4．强大的网络管理能力
SDH帧结构中安排了丰富的开销比特（约占信号的5%），因而使得系统的运行、管理和维护（OAM）能力大大加强。
智能化管理，使得信道分配、路由选择最佳化。
许多网络单元的智能化，通过嵌入在段开销（SOH）中的控制通路可以使部分网络管理功能分配到网络单元，实现分布式管理。
5．具有前向和后向兼容性
所谓后向兼容性是指SDH网与现有的PDH网络完全兼容，即可兼容PDH的各种速率。
而前向兼容性是指SDH网能兼容各种新的数字业务信号，如ATM信元、IP包等。
6．强大的自愈功能
SDH具有智能检测的网管系统和网络动态配置管理功能，使网络容易实现自愈，在设备或系统发生故障时，无需人为的干预，就能在极短的时间内迅速恢复业务，从而提高网络的可靠性和生存性，降低了网络的维护费用。
7．频带利用率低
SDH具有许多优良的性能，但也存在不足之处。
如SDH为得到丰富的开销功能，造成频带利用率不如传统的PDH系统高。
例如，在PDH中，速率为139.264Mb/s的四次群含有64个2.048Mb/s或4个34.368Mb/s，而SDH中速率为155.520Mb/s的STM-1中却只含有63个2.048Mb/s或3个34.368Mb/s。
三、MSTP的基本概念
MSTP是“Multi-ServiceTransportPlatform”的缩写，SDH的多业务传送节点是指：
基于SDH平台，同时实现TDM、以太网、ATM等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务节点。
传统光网络主要针对语音业务设计，采用固定业务颗粒，静态保护方式（线性或环形），必须在网络规划和电路分配期间确定，限制了网络的灵活性以及应变能力。
由于SDH网络覆盖面很广，技术成熟、稳定、价格低廉，但对TDM、Ethernet、ATM、DSL等综合接入业务考虑不够，随着数据业务的不断增加，传统的传输网络资源已不能适应城域网的发展需求。
随着3G网络的发展，促使数据业务和传输网络需要更好地融合，以及DSLAM的组网的广泛应用，MSTP技术应运而生。
MSTP是SDH网络的延伸，是现有SDH网络的前向推进，从单一的SDH/PDH业务的接入到现在的Ethernet、ATM、DDN等多种业务接入，即由传统SDH向MSTP演进。
MSTP可以针对多种不同网络的业务接入与传送提供不同的解决方案，包括PSTN、数据网、商业网、3G、DSLAM等网络。
宽带等数据业务的兴起是MSTP发展的源动力，新一代数据特性单板为宽带等数据业务提供了更强力的支持：
更大的带宽（622M/2.5G），更强的网络适应性（LCAS、RPR）、更好的标准遵从性（GFP、VC12/VC3/VC4虚级联）、更有效的QOS保证。
MSTP体系结构
五、SDH的帧结构
SDH的帧结构必须适应同步数字复用、交叉连接和交换的功能,同时为了便于实现支路信号的插入和取出，希望支路信号在一帧内的分布是有规律的、均匀的。
为此ITU-T采纳了以字节为单位的矩形块状的帧结构。
SDH的帧结构如图8-3所示。
由图可知，STM-N帧由9行、270×N列字节（每字节8bit）组成，即帧长度为270×N×9个字节或270×N×9×8个比特。
传一帧的时间，即帧周期为125μs，帧频为8kHz。
对于STM-1而言，帧长度为270×9＝2430个字节，相当于19440bit，帧周期为125μs，由此可计算出STM-1的传输速率为：
270×9×8/125×10-6=155.520Mb/s。
SDH帧结构中各字节的传输是从左到右、由上而下按行进行的，即从第一行最左边字节开始，从左向右传完第1行，再依次传第2行、第3行等等，直至整个270×N×9个字节都传送完毕再转入下一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共传8000帧。
图8-3SDH的帧结构
8.2.3SDH帧结构的组成
由图8-3可见，STM-N整个帧结构可分为三个主要区域，它们分别是段开销区域、净负荷区域和管理单元指针区域。
1．段开销区域
段开销（SOH）是指STM-N帧结构中为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必需的附加字节，是供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。
帧结构左边9×N列、8行（除去第4行）属于段开销区域。
对于STM-1而言，它有72字节（576bit），由于每秒传送8000帧，因此共有4.608Mb/s的容量用于网络的运行、管理和维护。
2．净负荷区域
信息净负荷区域是STM-N帧结构中存放各种业务信息的地方，图8-3中横向第10×N～270×N列，纵向第1行到第9行的2349×N个字节都属此区域。
对于STM-1而言，它的容量大约为150.336Mb/s，其中含有少量的通道开销（POH）字节，用于监视、管理和控制通道性能，其余为负载业务信息。
3．管理单元指针区域
管理单元指针（AU-PTR）用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧中的准确位置，以便在接收端能正确地分解信号帧。
管理单元指针位于STM-N帧中的第4行的前9×N列字节区域。
对于STM-1而言，它有9个字节（72bit）。
采用指针方式是SDH的重要创新，它可以使SDH在准同步环境中完成同步复用和STM-N信号的帧定位。
六、SDH的复用结构
1．SDH的一般复用结构
SDH的一般复用映射结构是由一些基本复用单元组成的有若干中间复用步骤的复用结构。
SDH的STM-N信号既可复用2Mb/s系列的PDH信号，又可复用1.5Mb/s系列的PDH信号，使两大系列在STM-N中得到统一。
2．我国的SDH复用结构
在ITU-T在G.707建议的复用结构中，从一个支路信号到STM-N的复用路线不是惟一的。
例如：
2Mb/s信号就有两条复用路线，即两种方法复用成STM-N信号，对于一个国家或地区则必须使复用路线惟一化。
我国的光同步传输体制规定以2Mb/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，其基本复用映射结构如图8-5所示。
图8-5我国的SDH复用结构
SDH的基本复用单元包括标准容器（C）、虚容器（VC）、支路单元（TU）、支路单元组（TUG）、管理单元（AU）和管理单元组（AUG），这些复用单元的下标表示与此复用单元相应的信号级别。
（1）容器（C）
容器是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构，主要完成适配功能（例如码速调整），以便让那些最常使用的PDH准同步数字信号能够进入有限数目的标准容器中。
目前，我国规定的容器种类有三种：
C-12、C-3和C-4。
C-12用于装载2.048Mb/s速率的PDH基群信号，C-3用于装载34.368Mb/s速率的PDH三次群信号，C-4用于装载139.248Mb/s速率的PDH四次群信号。
（2）虚容器（VC）
虚容器是一种用于支持SDH通道层连接的信息结构。
它由容器加上通道开销（POH）组成，即
VC-n=C-n＋POH
虚容器的输出将作为其后接基本单元（TU或AU）的信息净负荷。
虚容器的速率与SDH网络是同步的，而VC内部却允许装入不同容量的异步支路信号。
除在VC的组合点和分解点（即PDH/SDH网的边界处）外，VC在SDH网中传输时总是保持完整不变，因而可以作为一个独立的实体十分方便和灵活地在通道中任意点插入或取出，进行同步复用和交叉连接处理。
我国规定的虚容器种类有VC-12、VC-3和VC-4三种。
其中VC-12、VC-3为低阶虚容器，VC-4为高阶虚容器。
（3）支路单元和支路单元组（TU和TUG）
支路单元（TU）是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配的信息结构（即负责将低阶虚容器经支路单元组装进高阶虚容器）。
支路单元（TU）由相应的虚容器（VC）和一个相应的支路单元指针（TU-PTR）组成，即
TU-n=VC-n＋TU-PTR
TU-PTR用来指示VC净负荷起点在TU帧内的位置。
支路单元组（TUG）是由一个或多个在高阶VC净负荷中固定地占有规定位置的支路单元组成。
我国规定的的支路单元组（TUG）有两种：
即TUG-2和TUG-3。
（4）管理单元和管理单元组（AU和AUG）
管理单元（AU）是提供高阶通道层和复用段层之间适配的信息结构。
管理单元（AU）由高阶虚容器（VC）和一个相应的管理单元指针（AU-PTR）组成，即
AU-n=VC-n＋AU-PTR
AU-PTR用来指示高阶VC净负荷起点在AU帧内的位置。
管理单元组（AUG）是由一个或多个在STM-N帧的净负荷中固定地占有规定位置的管理单元组成。
例如，一个AUG由一个AU-4组成。
N个AUG按字节间插同步复用后再加上段开销（SOH）便可形成最终的STM-N帧结构。
由图8-5可知，我国的SDH复用结构中允许有三个PDH支路信号输入口，它们分别是PDH四次群（139.264Mb/s）、三次群（34.368Mb/s）和基群（2.048Mb/s）。
并且在SDH中，一个STM-l（155.520Mb/s）能装载63个2.048Mb/s、或3个34.368Mb/s、或一个139.264Mb/s。
而在PDH中，一个四次群（139.264Mb/s）却能装载64个2.048Mb/s、或4个34.368Mb/s。
相比之下，SDH的信道利用率比PDH低，尤其是利用SDH传输34.368Mb/s信号时的信道利用率更低，所以在干线采用34.368Mb/s时，应经上级主管部门批准。
第二节传输系统结构及功能
一、SDH网络的拓扑结构
网络的物理拓扑泛指网络的形状，即网络节点和传输线路的几何排列。
它反映了物理上的连接性，网络的效能、可靠性和经济性等在很大程度上与具体的物理拓扑有关。
SDH网络的基本物理拓扑有5种类型，如图8-33所示。
1．线形
线形拓扑是将各网络节点串联起来，并保持首尾两个网络节点呈开放状态的网络结构，如图8-33（a）所示。
其中在线形网络的两端节点上配置有TM，而中间节点上配置有ADM。
这种网络结构简单，便于采用线路保护方式进行业务保护，但当光缆完全中断时，此种保护功能失效。
另外这种网络的一次性投资小，容量大，具有良好的经济效益，因此很多地区采用此种结构来建立SDH网络。
2．星形
所谓星形拓扑是指图8-33（b）所示的网络结构，其中一个特殊网络节点（即枢纽点）与其它的互不相连的网络节点直接相连，这样除枢纽点之外的任意两个网络节点之间的通信，都必须通过此枢纽点才能完成连接，因而一般在枢纽点配置DXC以提供多方向的互连，而在其它节点上配置TM。
这种网络拓扑的投资和运营成本较低，但枢纽节点上的业务过分集中，并且只允许采用线路保护方式，因此系统的可靠性能不高。
目前星形拓扑多使用在业务集中的接入网中。
图8-33 网络基本物理拓扑类型
3．树形
树形拓扑如图8-33（c）所示，它可以看成是线形拓扑和星形拓扑的结合。
这种拓扑结构适合于广播式业务，但存在瓶颈问题和光功率预算限制问题。
它不适于提供双向通信业务，有线电视网多采用这种网络结构。
4．环形
环形拓扑是指将所有网络节点串联起来，并且使之首尾相连，而构成的一个封闭环路的网络结构，如图8-33（d）所示。
通常在环形网络结构中的各网络节点上可选用ADM，也可以选用DXC来作为节点设备。
这种网络结构的一次性投资要比线形网络大，但其结构简单，而且在系统出现故障时，具有自愈功能，即系统可以自动地进行环回倒换处理，排除故障网元，而无需人为的干涉就可恢复业务的功能。
这对现代大容量光纤网络是至关重要的，因而环形网络结构受到人们的广泛关注。
5．网孔形
网孔形拓扑是指若干个网络节点直接相互连接的网络结构，如图8-33（e）所示。
网孔形结构由于两点间有多种路由可选，可靠性很高，但结构复杂，成本较高。
在SDH网中，网孔形结构的各节点主要采用DXC，一般用于业务量很大的一级长途干线。
综上所述，所有这些拓扑结构都各有特点，在网中都有可能获得不同程度的应用。
一般来说，本地网（即接入网或用户网）中，适于用环形和星形拓扑，有时也可用线形拓扑。
在市内局间中继网中适于用环形和线形拓扑，而长途网可能需要网孔形拓扑和环形拓扑。
二、SDH网元功能块的组成
SDH网中的设备有以下几种：
终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）和数字交叉连接设备（DXC）、再生中继器（REG）。
由于它们的功能各不相同，因而构成其设备的逻辑功能框图也不同，下面逐一进行介绍。
1．TM——终端复用器
终端复用器用在网络的终端站点上，例如线形网的两个端点上，它是一个双端口器件，如图8-24所示。
图8-24终端复用器模型
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信号中分出低速支路信号。
2．ADM——分插复用器
分插复用器用于SDH传输网的转接站点处，例如线形网的中间节点或环上节点，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8-26所示。
图8-26分插复用器模型
3．REG——再生中继器
光传输网的再生中继器有两种，一种是对光信号直接放大的光再生中继器（即光放大器），另一种是对光信号间接放大的电再生中继器。
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，而没有支路端口，如图8-28所示。
图8-28电再生中继器
REG的作用是将东或西侧的光信号经光/电（O/E）变换、抽样、判决、再生、电/光（E/O）变换在西或东侧发出，以达到放大光信号、不积累线路噪声的目的，保证线路上传送信号波形的完好性。
与ADM和TM相比，REG只需处理STM-N帧中的RSOH，且不需要交叉连接、复用功能（西向—东向直通即可），而ADM和TM因为要完成将低速支路信号分/插到STM-N中，所以不仅要处理RSOH，而且还要处理MSOH；此外ADM和TM都具有交叉连接复用功能。
4．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8-30所示。
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，图8-30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能完成高速信号（如STM-16）在交叉矩阵内的低级别交叉连接（例如VC-12级别的交叉连接）。
图8-30数字交叉连接设备功能图
通常用DXCm/n来表示一个DXC的类型和性能（注m≥n），m表示可接入DXC的最高速率等级，n表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。
m越大，表示DXC的承载容量越大；n越小，表示DXC的交叉灵活性越大。
m和n的相应数值的含义见表8-5。
表8-5m、n数值与速率对应表
m或n
0
1
2
3
4
5
6
速率
64kb/s
2Mb/s
8Mb/s
34Mb/s
140Mb/s
155Mb/s
622Mb/s
2.5Gb/s
DXC的逻辑功能框图如图8-31所示。
图8-31DXC逻辑功能示意图
三、SDH自愈网
传输网是所有业务网的基础，承载着所有信息，因此无论是设计者还是使用者，首要考虑的问题就是：
业务生存的能力→保护！
为了提高网络的安全性，要求网络有较高的生存能力，从而产生了自愈网的概念。
自愈网能在网络出现意外故障情况时自动恢复业务，其基本原理是使网络具备发现替代传输路由，并在一定时限内重新建立通信。
1．自愈网的概念
自愈网是指通信网络发生故障时，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。
自愈网的概念只涉及重新建立通信，而不管具体元部件的修复和更换，后者仍需人工干预才能完成。
在SDH网络中，根据业务量的需求，可以采用各种各样拓扑结构的网络，不同的网络结构所采取的保护方式不同。
在SDH网络中常见的自愈保护方式有线路保护、环形网保护、网孔形的DXC保护等。
2．线路保护倒换
线路保护倒换是最简单的自愈网形式，其基本原理是当出现故障时，由工作通道倒换到保护通道，使业务得以继续传送。
线路保护倒换有1+1和1:
n两种方式。
（1）1+1方式
1+1线路保护倒换结构如图8-34（a）所示，从图中可以看出，1+1方式采用“并发选收”，即发送端是永久地与工作信道、保护信道相连接，因而STM-N信号可以同时在工作信道和保护信道中传输，在接收端MSP（复用段保护功能块）同时对所接收的来自工作、保护信道的STM-N信号进行监视，正常工作情况下，选择来自工作信道的信号作为输出信号。
一旦工作信道出现故障，则MSP会自动将保护信道中的信号作为接收信号。
（2）1:
n方式
1:
n线路保护倒换结构如图8-34（b）所示。
从图中可以看出，保护信道由n个工作信道共享，一般n值范围为1～14。
其中1:
1方式是1:
n方式的一个特例。
图8-34线路保护倒换
（3）1+1方式与1:
n方式的区别
1+1方式与1:
n方式的主要区别是：
对于1+1方式，正常情况下保护信道也在传送业务信号，所以不能提供无保护的额外业务；而1:
1的保护方式，在正常情况下，保护信道可不传送业务信号，因而可以在保护信道传送一些级别较低的额外业务信号。
3．环形网保护
SDH传输网中所采用的网络结构有多种，其中环形结构才具有真正意义上的自愈功能，故而也称为自愈环，即无需人为干预，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。
因而环形网络具备发现替代传输路由，并重新确立通信的能力，可见它特别适应大容量的光纤通信发展的要求，故得到了广泛的重视。
（1）自愈环的分类
①按照自愈环结构分类
按照自愈环结构来分，自愈环可分为通道保护环和复用段保护环。
对于通道保护环，保护的单位是通道（如VC-12、VC-4），倒换与否
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