光纤通信系统性能评估

第八章数字光纤通信系统性能
8.1 数字传输模型
8.2 误码特性
8.3 抖动特性
8.4 漂移特性
8.5 延时特性
8.6 光纤通信系统的可用性
8.7 光缆线路系统设计
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概述
为了满足全程全网各种通信的要求，需要对通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和设计。

规划和设计包含了许多相关的因素，其中首要的因素是系统的传输性能。

光纤通信系统多属于数字系统，因此光纤通信系统的各种性能指标如误码、抖动、漂移、延时等也必须满足数字传输系统的要求。

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8.1数字传输模型
由于数字信号在传输过程中会受到各种损害，因此，在进行传输系统设计时，需要规定各部分设备性能，以保证把它们构成一个完整的传输系统时，能满足总的传输性能要求。

为此，需要确定一个合适的传输模型，以便对数字网的主要传输损伤的来源进行研究，确定系统全程性能指标，并根据传输模型对这些指标进行合理分配，从而为系统传输设计提供依据。

ITU-T提出了各种数字传输模型的建议。

模型分为：假设参考连接(HRX)，假设参考数字链路(HRDL)和假设参考数字段(HRDS)。

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1.假设参考连接(HRX)
一个通信连接是通信网中从用户至用户，包括参与交换和传输的各个部分(如用户线，终端设备，交换机，传输系统等)的传输全程。

它是根据用户需要建立的各种机线设备的临时组合。

这些实际的连接有长有短，结构上有简单、复杂，传输的业务可能也不相同，难以进行传输质量的核算。

通常找出通信距离最长、结构最复杂、传输质量预计最差的连接作为传输质量的核算对象。

只要这种典型连接的传输质量能满足要求，那么通信距离较短，结构较简单的通信连接肯定能保证传输质量，因而引入了假设参考连接的概念。

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图8-1 标准数字假设参考连接
T参考点LE PC SC TC ISC ISC ISC ISC ISC TC SC PC LE
T参考点
数字交换机数字链路
27500km
国内
国外
国内
本地本地LE本地交换机 PC一级中心 SC二级中心 TC三级中心 ISC国际交换中心
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图8-2 标准数字假设参考连接（中等长度）
T参考点LE PC ISC ISC ISC PC LE
T参考点
11000km
国内
国外
国内
本地本地
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图8-3标准数字假设参考连接(用户接近ISC)
T参考点
LE ISC ISC ISC LE
T参考点
10000km
国内
国外
国内
本地本地
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2. 假设参考数字链路（HRDL）
为了便于进行数字信号传输劣化的研究（如误码率、抖动、漂移、时延等），保证全程通信质量，必须规定由各种不同形式的传输组成部分（如传输系统，复、分接设备等）所构成的网络模型，即HRDL。

HRDL是HRX的一个组成部分，2500Km的长度被认为是一个合适的距离。

通常HRDL的长度并非是唯一考虑的。

ITU-T并没有提出具体的构成，由各国自行研究解决。

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3.假设参考数字段（HRDS）
为适应传输系统性能规范，保证全线质量和管理维护方便引入了HRDS，如图8-4所示。

HRDS是HRDL的一个组成部分。

图中X bit/s表示G.702建议中所规定的各种数字系统系列比特率之一。

长度Y 的选择是以在实际运行的网络中很可能遇到的数字段为代表的。

ITU-T建议假设参考数字段的长度为280km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。

我国根据具体情况提出假设参考数字段的长度为280km或420km(对于长途传输)和50km(对于市话中继)。

数字网的性能指标往往被分配到数字段。

我国有关数字光纤通信系统的一系列标准都是在这个模型的基础上制定的。

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图8-4 假设参考数字段
x bit/s x bit/s
终端设备终端设备
Y km
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8.2 误码特性
8.2.1 误码和误码率的概念
数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量。

所谓误码率是指在特定的一段时间内所接收到的数字码元误差数目与在同一时间内所收到的数字码元总数之比，可用下式表示：(8-1)误码率的数值通常可用n ×10－P 的形式表示，其中P 为一整数。

对于数字系统来说，实际上指的是比特误码率(BER)，它是指每个码元为1比特时的误码率，其表达式为：(8-2)传输码元的总数出现误差的码元数误码率＝()总比特数
比特＝BER 比特误码数误码率
考察误码率的重要意义
误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标。

对于不同的通信业务，误码的影响后果也不同。

对于电话信息的影响是产生噪声。

在PCM通信方式中，当误码率较小时，这种噪声表现为“喀呖”声，当误码率较大时，使可懂度显著降低。

对图像的影响造成图像失真。

对数据的影响表现为信息的丢失和错乱。

因此，对误码发生的形态和原因、误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的，是提供光纤数字传输系统设计的重要依据。

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8.3.2 误码发生形态和原因
绝大多数的误码发生形态可归为两类：一类是误码显示出随机发生形态，即误码往往是单个随机发生的，具有偶然性。

另一类误码常常是突发的，成群发生的，这种误码在某个瞬间可能集中发生，而在其它大部分时间可能处于几乎没有误码的状态。

误码发生的原因是多方面的。

理想的光纤传输系统是十分稳定的传输通道，基本上不受外界电磁干扰的影响，造成误码的主要内部机理有下列几类：各种噪声源、色散引起的码间干扰、定位抖动产生的误码及复位器，交叉连接设备和交换机的误码。

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8.3.3 误码特性的评定方法
1.长期平均比特误码率
所谓平均误码率，是指测量期间内收到的错误比特数与同一时期传送的全部比特数之比。

用长期平均比特误码率的方法来评定误码，即是在较长的时间内其平均比特误码率不超过某一定值来衡量。

因此，仅适用于误码是单个随机发生的情况。

对于突发的群误码的情况，就不能正确地进行评定。

因为可能在某一限定时间内，由于突发群误码而导致误码率远远超过可以接收的水平，而在其它时间内误码率非常小，结果二者的长期平均误码率仍保持合格，这样高误码率发生时期对通信业务质量影响并未反映出来，或者说没有表示出误码随时间的分布特性，因此采用这种评定方法有很大的局限性。

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2. 误码的时间百分数
为了能正确地反映误码的分布信息，ITU-T G.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率的评定方法。

所谓误码时间率是以比特误码率超过规定阈值(BERT)的百分数来表示的。

这是在一个较长的时间T L内观察误码，记录每次平均取样观测时间T0内的误码个数或误码率超过某一定值m的时间百分数。

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图8-6 误码率随时间的变化只要T 0和T L 选择恰
当，就可以用来评价各
种数字信息在单位时间
内误码的程度以及误码
超过某一规定值的时间
占总测量时间的百分数。

因此，是比较适用和便
于测量的评定方法。

T 0为取定的适合于评定各种业务的单位
时间，T L 为测量误码率总时间。

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误码性能参数
ITU-T 建议G.821定义了2个参数来度量N ×64Kbit/s(N ≤31)通路27500km 全程端到端连接的误码性能。

误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒。

严重误码秒(SES)表示BER ≥1×10－3的秒。

8.2.4 误码性能的规范1. N ×64Kbit/s 数字连接的误码性能
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误码性能要求
ITU-T 建议G.821对于N ×64Kbit/s(N ≤31)全程27500km 端到端连接误码性能要求如表8-1所示。

表8-1 N ×64Kbit/s 数字连接误码性能要求SES 占可用时间的比例SES ％<0.2％
SES 严重误码秒ES 占可用时间的比例ES ％<8％ES 误码秒
性能要求表示参数
20图8-7 N ×64Kbit/s 连接全程误码指标的分配
LE
ISC ISC LE T T
27500km
1250km 25000km 1250km
本地级
15％
中级15％高级40％中级15％本地级15％
2. 高比特率数字通道的性能
误码性能参数
G.826性能参数是以“块”为基础的一组参数。

所谓“块”指一系列与通道有关的连续比特，当同一块内的任意比特发生差错时，就称该块是差错块。

ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下： 误块秒比(ESR)
严重误块秒比(SESR)
背景误块比(BBER)
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误码性能要求
ITU-T 建议G.826对高比特率通道全程27500km 端到端通道误码性能要求见表8-2所示。

表8-2 高比特率通道端到端误码性能要求
10－4
2×10－4
2×10－4
2×10－4
2×10－4
BBER
未定0.0020.0020.0020.002SESR 未定0.160.0750.050.04ESR 15000～30000
6000～20000
4000～20000
2000～8000
800～5000比特/块>160～3500>55～160>15～55>5～151.5～5速率Mbit/s
误码指标的分配
为了将27500km的指标分配给各组成部分，G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按距离分配的方法。

这种分配方法技术上更加合理，且能照顾到大国及小国的利益。

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图8-8 高比特率通道全程误码指标分配
PTP
IG IG IG IG IG
PTP
27500km
国内部分17.5％
＋1％/500km
1%+2%/每个转接国＋1％＋1％/500km
国际部分
国内部分17.5％
＋1％/500km
终结国
中间国家（最多4个）
终结国
国家间部分（例如：海缆承载的通道）
8.3 抖动特性
抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象。

抖动的定义是：数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置的短时偏移。

在系统中有效瞬间可以是一个明显的可辨的数字信号上任何一个固定点。

在数字传输中，随着传输速率的提高，脉冲的宽度和间隔越窄，抖动的影响就越显著。

因为抖动使接收端脉冲移位，从而可能把有脉冲判为无脉冲，或反之，把无脉冲判为有脉冲，从而导致误码。

抖动可以分为相位抖动和定时抖动。

所谓相位抖动是指传输过程中所形成的周期性的相位变化。

所谓定时抖动是指脉码传输系统中的同步误差。

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8.3.1 抖动的概念
抖动的大小或幅度通常可用时间、相位度数或数字周期来表示。

根据ITU-T建议，普遍采用数字周期来度量，即用“单位间隔”或称时隙(UI)来表示。

1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔，它在数值上等于传输比特率的倒数。

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∆t 1∆t
2
∆t
3
∆t
4
发送信号
接收信号
抖动示意图
27
28
表8-3 2.048Mbit/s 系列对应的UI 值
7.18
29.1118488单位抖动(ns)
139.264
34.3688.4482.048码速率Mbit/s
8.3.2 抖动的来源
在数字传输系统中，抖动的来源有以下几个方面：
线路系统的抖动
随机性抖动源
系统抖动源
复用器的抖动
PDH复用器的抖动
SDH复用器的抖动
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8.3.3 抖动性能的规范
PDH网的抖动性能规范
网络接口的最大允许抖动
设备输入口的抖动和漂移容限
设备抖动传递特性
SDH网的抖动性能规范
网络接口的最大允许抖动
设备输入口的抖动和漂移容限
30
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表8-4 PDH 网络接口的最大允许抖动
3500
10
200
0.075
1.5
139.264
800101000.151.534.36810018200.21.52.048f 4/kHz
f 3/kHz
f 1/Hz
B 2（UI ）
B 1（UI ）
测量滤波器参数
网络接口限值
参数值
速率Mbit/s
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表8-6 SDH 网络接口的最大允许抖动
20
待定
5000
0.15
1.5
2488.320
525010000.151.6622.080 1.3655000.151.5155.20f 4/MHz f 3/kHz f 1/Hz B 2[UI p-p ]B 1[UI p-p ]测量滤波器参数
网络接口限值
参数值速率
（Mbit/s ）
8.4 漂移特性
8.4.1 漂移的概念
漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间漂移。

引起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化，它会导致光缆传输特性发生变化，从而引起传输信号延时的缓慢变化。

因此漂移可以简单地理解为信号传输延时的慢变化。

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漂移的影响
漂移引起传输信号比特偏离时间上的理想位置，结果使输入信号比特在判决电路中不能正确地识别，产生误码。

减小这类误码的一种方法是靠传输线与终端设备之间接口中的缓存器来重新对数据进行同步。

方法是利用从接收信号中提取的时钟将数据写入缓存器，然后用一个同样的基准时钟对缓存器进行读操作，使不同相位的各路数据流强制同步。

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8.4.2 漂移的产生
数字网内有多种漂移源。

首先基准主时钟系统中的数字锁相环受温度变化影响，将引入不小的漂移。

同理，从时钟也会引入漂移。

其次，传输系统中的传输媒质和再生器中的激光器产生的延时受温度变化影响将引进可观的漂移。

最后SDH网元中由于指针调整和网同步的结合也会产生很低频率的抖动和漂移。

因此，整个网络的漂移主要是由各级时钟和传输系统引起的，特别是传输系统。

随着传输距离的增加，漂移将无限制的积累。

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8.4.3 漂移性能的规范
数字网中产生漂移的主要原因是时钟电路的老化和传输媒质的传输特性。

ITU-T建议G.811暂时规定基准主时钟的最大长期绝对漂移为3μs，建议G.812规定用于转接局和端局的从时钟的最大相对长期漂移为1μs，建议G.813对适用于SDH网元的从时钟尚未有明确一致的规定。

对于传输媒质没有单独规定，但已纳入到对网络节点接口最大时间间隔误差（MTIE）的要求之中。

36
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定时链路
从时钟
基准主时钟
信息链路
从时钟
(绝对时延3µs)
定时链路
A
B
C
(相对时延6µs)
(相对时延6µs)
(相对时延1µs)
(相对时延1µs)
(绝对时延10 µs)
D (相对时延4µs)
(A 0)
图8-14 简单漂移参考模型
8.5 延时特性
8.5.1 延迟的概念
信号从一个地方传输到另一个地方总是需要一定时间的，所需的时间就是信号传输延时。

严格说，延时是指数字信号传输的群延时，即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间，又称包络延时。

当延时过大时会使通路发生困难，因此必须加以控制。

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8.5.2 延迟的产生
在整个端到端通信连接中，可能产生延时的环节很多，主要由下面几方面：
传输系统
网络节点和其它数字设备产生的延时
SDH引入的延时
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8.5.3 延迟性能的规范
1. 网络性能的规范
当网络中存在回波源并采用了适当的回波控制设备(和回波抑制器和回波消除器)时，ITU-T规定两户之间的单向平均传输时间的限值如下：
0～150ms时可接收
对于不超过50ms的延时，可使用短延时回波抑制器。

150～400ms时可接收
当连接的单向平均传输时间超过300ms时，可使用为长延时电路设计的回波控制设备。

高于400ms时不能接收
除非在极端例外的情况下，一般不应使用这么大延时的连接。

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2. 电路性能的规范
国际电路和国内主干线通常都采用高速传输线路。

从国际中心至国内网离它最远的用户之间的传输时间t 在全数字网条件时可以用下式计算：
t≤（3+t
·L）ms （8-4）
m
式中3ms常数项是为一对PCM编解码和5个数字交换机所留的延时值；t m表示不同的传输系统引入的平均延时值，如表8-8所示。

通常光缆系统为t m为0.005；L表示国际中心至国内网离它最远的用户之间的距离。

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42表8-8 各类传输系统的延时110ms/km 260ms/km
非同步卫星（高度14000km ）
同步卫星（高度36000km ）卫星
4.7μs/km 53μs/km 125μs/km 载波
4线2线
双绞线4μs/km 6μs/km 陆地海底同轴电缆
5μs/km 数字系统光缆
4.7μs/km 3.3μs/km 模拟系统数字系统无线
传输时延制式类型
8.6 光纤通信系统的可用性
对光纤通信的要求是迅速、准确和连接不间断地工作。

因此对系统的可靠性提出了较高的要求。

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8.6.1 可靠性和可用性表示方法
通常用来表示系统可靠性的参数有两个：一个是平均故障间隔时间(MTBF)，单位为小时；另一个是故障率(λ)，单位为1/小时。

λ＝1/MTBF。

当λ采用10-9/小时作为计量单位时，称为Fit，即1Fit＝10－9/小时。

44
45
可用性
系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作状态的能力。

系统的可用性(A)用系统的可用时间与规定的总工作时间的比值来表示，即：
式中：A 为可用性
可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF 总的工作时间包括：平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修理时间(MTTR)所以(8-5) 总的工作时间
可用时间=A MTTR
MTBF MTBF +＝A
46不可用性
当用失效率(不可用性)进行计算时，表达式为：
式中：F 为失效率
不可用时间即平均故障修理时间(MTTR)，所以
(8-6)
由于MTTR 值较小，故式(8.6)可近似为(8-7)
因此(8-8)
总的工作时间
不可用时间=F MTTR
MTBF MTTR F +=MTBF MTTR F =F
A −=1
8.6.2 光纤通信系统可用性计算
光纤通信系统主要包括PCM复用设备、光端机、中继机、光缆、供电设备、备用转换设备等。

光纤通信多采用热备用系统和自动保护倒换设备来提高系统的可用性。

设主用系统为n个，备用系统为m个，主、备用系统比为n：m。

若单个系统失效率为F0，在（n+m）个系统中，只要有任意
（m+1）个以上系统出现故障，就不能确保n 个主用系统均正常工作。

47
48
可用性计算分析（续）
（m+1）个系统同时出现故障的概率为(F 0)m+1，所以在（n+m ）个系统中，任意（m+1）个系统同时出现的故障概率为C n+m m+1(F 0)m+1，同理，在（n+m ）个系统中，任意（m+2）个系统同时出现故障概率为C n+m m+2(F 0)m+2。

因此，n 个主用系统中有任何系统发生故障的失效率为：
(8-9)
一般情况下，在（n+m ）个系统中，任意（m+2）个以上系统同时出现故障的概率相对很小，因此上式(8-9)中，仅取第一项就能满足精度要求，所以，式(8-9)可近似为(8-10)
假设各个主用系统失效率相同，则每个主用系统发生故障的失效率为
(8-11)
若系统中无备用系统即m ＝0，则：F 1＝F 0。

n m n
m m n m m m n m m m n F F F F C C C ++++++++++++=)()()(0202101L 10101)()!1()!1()!()(+++++−+==m m m m n F m n m n F F C 101)()!
1(!)!(+++==m F m n m n n F F
例题
有一个140Mbit/s的光纤传输系统，光缆线路全长250km，共设3个中继站，采用不间断供电系统，已知参数如下：
主用系统1个(n＝1)
光缆参数：λ=150Fit/km，MTTR＝12小时，总长250km
光端机参数：λ＝7610Fit/端，MTTR＝0.5小时，数量：2端
中继机参数：λ＝1900Fit/端，MTTR＝2小时，数量：3部
自动倒换设备参数：λ＝200Fit/部，MTTR＝0.5小时，数量：2部(收发端各1部)
求：(1)无备用(m＝0)时系统的可用性
(2)采用n ：m＝1：1时系统的可用性
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50解(1)无备用(m ＝0)系统的总失效率(F 1)＝光缆线路失效率(F 01)+光端机失效率(F 02)+中继机失效率(F 03)
光缆线路失效率F 01＝12×150×250×10－9＝4.5×10－4光端机失效率
F 02＝0.5×7610×2×10－9＝0.0761×10－4中继机失效率
F 03＝2×1900×3×10－9＝0.114×10－4系统可用性A ＝1－F1＝99.9531％
λMTTR MTBF
MTTR F •==Q。