光纤通信-
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第 5 章 数字光纤通信系统
5.1 5.2 5.3 系统的设计
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5.1
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。 复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：
• 准同步数字系列(PDH) • 同步数字系列(SDH)
随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。
美国提出了同步光纤网(SONET)。
×3
AU-3
指针处理
复用 定位校准 映射
VC-4
×3
×1
TUG-3
TU-3
×7 VC-3
×7
×1
TUG-2
TU-2
×3 ×4 TU-12
TU-11
VC-3
VC-2 VC-12 VC-11
C-4 139264kb/s
44736 kb/s C-3 34368kb/s C-2 6312kb/s C-12 2048kb/s C-11 1544kb/s
• SDH终端的复接/分接功能主要由TM设备完成。
…
E STM-N
1
MUX
E
1
同步复接
E STM-N
1
DMX
E
1
同步分接
…
图5.2 SDH传输网络单元 (a) 终端复用器TM；
• ADM是一种特殊的复用器 它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：
• 一部分直接转发 • 一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转
北美
2 .048 30 ch
4 8.448 120 ch
4 34.368 4139.264 4 564.992 480ch 1920ch 7680ch
2 1 . 13 15360 ch
4 2 .4 30720 ch
1 . 544 24 ch
1 . 544 24 ch
4 6.312 5 32.064 3 97.728 4 397.20 4 1.5888
(2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载 各种业务信息的部分。
在Payload中包含少量字节用于通道的运行、 维护和管理， 这些字节称为通道开销(POH)。
根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再生段 开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占5～9 行。
(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，这有利于建立世界统一的通信网络。 标准的光接口综合进各种不同的网络单元， 简化了硬件，降 低了网络成本。
(3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告 等管理功能。
Path Line Section Photonic
Section Photonic
Path Line Section Photonic
再生中继器
图 5.3 (b) 传输通道的结构分层结构
与PDH相比，SDH
(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等 级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。
• 以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家 有西欧各国和中国。
表5.1 世界各国商用光纤通信制式
国家或地区 基群
二次群 三次群 四次群 五次群
六次群
/（Mb•S-1）/（Mb•S-1） /（Mb•S-1） /（Mb•S-1）/（Mb•S-1） /（Mb•S-1）
中国 西欧 日本
1988年，ITU-T(原CCITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH) 的规范建议。
SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制， 现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用 于微波和卫星干线传输。
5.1.1 准同步数字系列PDH
准同步数字系列有两种基础速率：
• 以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率， 采用的国家有北美各国和日本；
分接 1
1: m
n 1: m
…
交叉连接矩阵
复接 1
m:1
n m :1
配置管理 图5.2 (c) SDH传输网络单元数字交叉连接设备DXC
SDH传输网的连接模型
通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传 输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)。
每个通道(Path)由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接
(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节， 不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号 复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。
(5) 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行 可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提 高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。
在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即组 成相应的虚容器VC。
VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各种不同容量和 不同格式的支路信号。
引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以 对装载不同支路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理， 实现大容量传输。
×N
×1
STM-N AUG AU-4
把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后， 输出信号速率为149.760 Mb/s; 在虚容器VC-4内加上通道开销 POH( 每帧9 Byte, 相应 于 0.576 Mb/s) 后 ，输 出 信 号速 率 为 150.336 Mb/s；
SDH采用载荷指针技术 结合了正码速调整法和固定位置映射法的优点，付出的代 价是要对指针进行处理。
图 5.6 示出载荷包络与STM-1帧的一段关系与指针所起的 作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。
ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。 所谓映射结构， 是指把支路信号适配装入虚容器的过程， 其实质是使支路信号与传送的载荷同步。
…
1 2 SOH 3 4 AU-PTR 5
SOH
9
9×N
STM-N载荷 (含POH)
发送顺序
261×N 270×N
图 5.5 SDH帧的一般结构
SDH帧的三个部分：
(1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常 传输所必需的附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运 行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、自动保 护倒换以及网管信息传输。
96 ch
480ch 1440ch 5760ch 23040ch
4 6.312 96 ch
7 44.736 672ch
6 274 . 176 4032 ch
12 564 . 992 8064 ch
9 432 6048 ch
2 1 . 13 Gb / s 16128
4 2 . 4 Gb / s 32256 ch
图 5.7 SDH的一般复用映射结构
由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位 始终都能同步 ，所以要在VC 的前面加上管理 单 元指针 (AU PTR)， 以进行定位校准。
加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路 单元(TU)。
AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU 指针组成。
(3) 管理单元指针(AU PTR)。管理单元指针是一种指示符， 主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针 位置的偏移量)。
采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决 了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷 相对位置漂移的问题。
3.
将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法： 正码速调整法和固定位置映射法。
5.1.2 同步数字系列SDH
1. SDH传输网
SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网 络传输。
图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。
SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、 分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及 连接它们的(光纤)物理链路构成。
TM
图 5.5 给出SDH帧一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字 节组成。
这样每帧共有9×270×N个字节， 每字节为8 bit。 帧周期为125μs， 即每秒传输8000帧。 对 于 STM-1 而 言 ， 传 输 速 率 为 9×270×8×8000=155.520 Mb/s。 字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。
段又由若干个再生段(Section)串接而成。
E1
通道
线路
再生中继器
线路
E1 通道
…
…
终接设备 E3
TM
终接设备 ADM/DXC
再生段
Section 再生段
终接设备 ADM/DXC 再生段
终接设备 E3 TM
复接段(Line)
传输通道(Path)
图 5.3 (a) 传输通道的结构传输通道连接模型
SDH传输网的分层结构
• 1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并 得到各国广泛采用。
• PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。
在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，
(1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。 (2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销 比特，使网络设计缺乏灵活性。 (3) 复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。
正码速调整法的优点：容许被复接的支路信号有较大的频 率误差；缺点：复接与分接相当困难。
固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固 定的位置。
这种方法的优点：复接和分接容易实现，但由于低速信号 可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信 号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。
发部分和本地上送的部分合成输出
中继线 STM-N
DMX 分接 Drop
MUX
Add
复接
中继线 STM-N
STM- n STM-n 本地
图5.2(b) SDH传输网络单元分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer)
• DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当 配置可提供不同的端到端连接。
TU经均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成 AU-3或AU-4。
3 个 AU-3 或 1 个 AU-4 组 成 管 理 单 元 组 (AUG) ， 加 上 段 开 销 SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1 信号按字节同步 复接， 便组成STM-N。
举例：由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程
分接 34/8 Mb/s
8/34 Mb/s 复接
电 /
电
分接 8/2 Mb/s 2/8 Mb/s 复接
光
光信号
分接
复接
2 Mb/s (电信号)
155 Mb/s 光接口
SDH ADM
155 Mb/s 光接口
2 Mb/s (电信号)
图 5.4 分插信号流程的比较
2. SDH SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运 行的关键。
SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业 务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。
PDH和SDH分插信号流程的比较
采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和
插入 2 Mb/s支路信号，十分简便。
光信号
140/34 Mb/s
PDH
34/140 Mb/s
光 /
•对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4 倍递增，速率的关系略大于4倍。
•对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本 和北美各国又不相同， 看起来很杂乱。
• PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而 且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。
低速 信号
STM- N
STM- N
TM
ADM
DXC
ADM
TM
STM- n
STM- n
STM- N
STM- N
STM- N
低速 信号
低速 信号
… …
TM
ADM
DXC
ADM
TM
STM- n
STM- N
STM- N
STM- n
低速 信号
(n<N)
图 5.1 SDH传输网的典型拓扑结构
SDH终端的主要功能是： 复接/分接和提供业务适配
9字节开销
9行
AU PTR
261字节
图 5.6 载荷包络与SDH
…
SDH帧1
Байду номын сангаас
(125 s)
SDH帧2 (125 s)
载荷包络
这 种 结 构 可 以 把 目 前 PDH 的 绝 大 多 数 标 准 速 率 信 号 装 入 SDH帧。
图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中C-n是标准容器， 用 来装载现有PDH的各支路信号， 并完成速率适配处理的功能。
5.1 5.2 5.3 系统的设计
返回主目录
5.1
光纤大容量数字传输目前都采用同步时分复用(TDM)技术。 复用又分为若干等级，先后有两种传输体制：
• 准同步数字系列(PDH) • 同步数字系列(SDH)
随着光纤通信技术和网络的发展，PDH遇到了许多困难。
美国提出了同步光纤网(SONET)。
×3
AU-3
指针处理
复用 定位校准 映射
VC-4
×3
×1
TUG-3
TU-3
×7 VC-3
×7
×1
TUG-2
TU-2
×3 ×4 TU-12
TU-11
VC-3
VC-2 VC-12 VC-11
C-4 139264kb/s
44736 kb/s C-3 34368kb/s C-2 6312kb/s C-12 2048kb/s C-11 1544kb/s
• SDH终端的复接/分接功能主要由TM设备完成。
…
E STM-N
1
MUX
E
1
同步复接
E STM-N
1
DMX
E
1
同步分接
…
图5.2 SDH传输网络单元 (a) 终端复用器TM；
• ADM是一种特殊的复用器 它利用分接功能将输入信号所承载的信息分成两部分：
• 一部分直接转发 • 一部分卸下给本地用户然后信息又通过复接功能将转
北美
2 .048 30 ch
4 8.448 120 ch
4 34.368 4139.264 4 564.992 480ch 1920ch 7680ch
2 1 . 13 15360 ch
4 2 .4 30720 ch
1 . 544 24 ch
1 . 544 24 ch
4 6.312 5 32.064 3 97.728 4 397.20 4 1.5888
(2) 信息载荷(Payload)。信息载荷域是SDH帧内用于承载 各种业务信息的部分。
在Payload中包含少量字节用于通道的运行、 维护和管理， 这些字节称为通道开销(POH)。
根据图5.3(a)的传输通道连接模型，段开销又细分为再生段 开销(SOH)和复接段开销(LOH)。前者占前3行，后者占5～9 行。
(2) SDH各网络单元的光接口有严格的标准规范。因此， 光接口成为开放型接口，这有利于建立世界统一的通信网络。 标准的光接口综合进各种不同的网络单元， 简化了硬件，降 低了网络成本。
(3) 在SDH帧结构中，丰富的开销比特用于网络的运行、 维护和管理，便于实现性能监测、故障检测和定位、故障报告 等管理功能。
Path Line Section Photonic
Section Photonic
Path Line Section Photonic
再生中继器
图 5.3 (b) 传输通道的结构分层结构
与PDH相比，SDH
(1) SDH采用世界上统一的标准传输速率等级。 最低的等 级也就是最基本的模块称为STM-1，传输速率为155.520 Mb/s； 4个STM-1 同步复接组成STM-4，传输速率为622.080 Mb/s； 16个STM-1 组成STM-16, 传输速率为2488.320 Mb/s，以此类推。
• 以2.048 Mb/s为第一级(一次群)基础速率， 采用的国家 有西欧各国和中国。
表5.1 世界各国商用光纤通信制式
国家或地区 基群
二次群 三次群 四次群 五次群
六次群
/（Mb•S-1）/（Mb•S-1） /（Mb•S-1） /（Mb•S-1）/（Mb•S-1） /（Mb•S-1）
中国 西欧 日本
1988年，ITU-T(原CCITT) 提出了被称为同步数字系列(SDH) 的规范建议。
SDH解决了PDH存在的问题，是一种比较完善的传输体制， 现已得到大量应用。这种传输体制不仅适用于光纤信道，也适用 于微波和卫星干线传输。
5.1.1 准同步数字系列PDH
准同步数字系列有两种基础速率：
• 以1.544 Mb/s为第一级(一次群，或称基群)基础速率， 采用的国家有北美各国和日本；
分接 1
1: m
n 1: m
…
交叉连接矩阵
复接 1
m:1
n m :1
配置管理 图5.2 (c) SDH传输网络单元数字交叉连接设备DXC
SDH传输网的连接模型
通过DXC的交叉连接作用，在SDH传输网内可提供许多条传 输通道，每条通道都有相似的结构，其连接模型如图5.3(a)。
每个通道(Path)由一个或多个复接段(Line)构成，而每一复接
(4) 采用数字同步复用技术，其最小的复用单位为字节， 不必进行码速调整，简化了复接分接的实现设备，由低速信号 复接成高速信号，或从高速信号分出低速信号，不必逐级进行。
(5) 采用数字交叉连接设备DXC可以对各种端口速率进行 可控的连接配置，对网络资源进行自动化的调度和管理，既提 高了资源利用率，又增强了网络的抗毁性和可靠性。
在标准容器的基础上，加入少量通道开销(POH)字节，即组 成相应的虚容器VC。
VC的包络与网络同步，但其内部则可装载各种不同容量和 不同格式的支路信号。
引入虚容器的概念，使得不必了解支路信号的内容，便可以 对装载不同支路信号的VC进行同步复用、交叉连接和交换处理， 实现大容量传输。
×N
×1
STM-N AUG AU-4
把139.264 Mb/s的信号装入容器C-4，经速率适配处理后， 输出信号速率为149.760 Mb/s; 在虚容器VC-4内加上通道开销 POH( 每帧9 Byte, 相应 于 0.576 Mb/s) 后 ，输 出 信 号速 率 为 150.336 Mb/s；
SDH采用载荷指针技术 结合了正码速调整法和固定位置映射法的优点，付出的代 价是要对指针进行处理。
图 5.6 示出载荷包络与STM-1帧的一段关系与指针所起的 作用。通过指针的值，接收端就可以确定载荷的起始位置。
ITUT规定了SDH的一般复用映射结构。 所谓映射结构， 是指把支路信号适配装入虚容器的过程， 其实质是使支路信号与传送的载荷同步。
…
1 2 SOH 3 4 AU-PTR 5
SOH
9
9×N
STM-N载荷 (含POH)
发送顺序
261×N 270×N
图 5.5 SDH帧的一般结构
SDH帧的三个部分：
(1) 段开销(SOH)。 段开销是在SDH帧中为保证信息正常 传输所必需的附加字节(每字节含64 kb/s的容量)，主要用于运 行、 维护和管理，如帧定位、 误码检测、 公务通信、自动保 护倒换以及网管信息传输。
96 ch
480ch 1440ch 5760ch 23040ch
4 6.312 96 ch
7 44.736 672ch
6 274 . 176 4032 ch
12 564 . 992 8064 ch
9 432 6048 ch
2 1 . 13 Gb / s 16128
4 2 . 4 Gb / s 32256 ch
图 5.7 SDH的一般复用映射结构
由于在传输过程中，不能绝对保证所有虚容器的起始相位 始终都能同步 ，所以要在VC 的前面加上管理 单 元指针 (AU PTR)， 以进行定位校准。
加入指针后组成的信息单元结构分为管理单元(AU)和支路 单元(TU)。
AU由高阶VC(如VC-4)加AU指针组成，TU由低阶VC加TU 指针组成。
(3) 管理单元指针(AU PTR)。管理单元指针是一种指示符， 主要用于指示Payload第一个字节在帧内的准确位置(相对于指针 位置的偏移量)。
采用指针技术是SDH的创新，结合虚容器(VC)的概念， 解决 了低速信号复接成高速信号时，由于小的频率误差所造成的载荷 相对位置漂移的问题。
3.
将低速支路信号复接为高速信号，通常有两种传统方法： 正码速调整法和固定位置映射法。
5.1.2 同步数字系列SDH
1. SDH传输网
SDH不仅适合于点对点传输，而且适合于多点之间的网 络传输。
图5.1示出SDH传输网的拓扑结构。
SDH传输网由SDH终接设备(或称SDH终端复用器TM)、 分插复用设备ADM、数字交叉连接设备DXC等网络单元以及 连接它们的(光纤)物理链路构成。
TM
图 5.5 给出SDH帧一个STM-N帧有9行，每行由270×N个字 节组成。
这样每帧共有9×270×N个字节， 每字节为8 bit。 帧周期为125μs， 即每秒传输8000帧。 对 于 STM-1 而 言 ， 传 输 速 率 为 9×270×8×8000=155.520 Mb/s。 字节发送顺序为：由上往下逐行发送，每行先左后右。
段又由若干个再生段(Section)串接而成。
E1
通道
线路
再生中继器
线路
E1 通道
…
…
终接设备 E3
TM
终接设备 ADM/DXC
再生段
Section 再生段
终接设备 ADM/DXC 再生段
终接设备 E3 TM
复接段(Line)
传输通道(Path)
图 5.3 (a) 传输通道的结构传输通道连接模型
SDH传输网的分层结构
• 1次群至4次群接口比特率早在1976年就实现了标准化，并 得到各国广泛采用。
• PDH主要适用于中、低速率点对点的传输。
在这种形势下，现有PDH的许多缺点也逐渐暴露出来，
(1) 北美、西欧和亚洲所采用的三种数字系列互不兼容。 (2) 各种复用系列都有其相应的帧结构，没有足够的开销 比特，使网络设计缺乏灵活性。 (3) 复接/分接设备结构复杂，上下话路价格昂贵。
正码速调整法的优点：容许被复接的支路信号有较大的频 率误差；缺点：复接与分接相当困难。
固定位置映射法是让低速支路信号在高速信号帧中占用固 定的位置。
这种方法的优点：复接和分接容易实现，但由于低速信号 可能是属于PDH的或由于SDH网络的故障，低速信号与高速信 号的相对相位不可能对准，并会随时间而变化。
发部分和本地上送的部分合成输出
中继线 STM-N
DMX 分接 Drop
MUX
Add
复接
中继线 STM-N
STM- n STM-n 本地
图5.2(b) SDH传输网络单元分插复用设备ADM(Add/DropMultiplexer)
• DXC类似于交换机，它一般有多个输入和多个输出，通过适当 配置可提供不同的端到端连接。
TU经均匀字节间插后，组成支路单元组(TUG)，然后组成 AU-3或AU-4。
3 个 AU-3 或 1 个 AU-4 组 成 管 理 单 元 组 (AUG) ， 加 上 段 开 销 SOH，便组成STM-1同步传输信号；N个STM-1 信号按字节同步 复接， 便组成STM-N。
举例：由PDH的4次群信号到SDH的STM-1的复接过程
分接 34/8 Mb/s
8/34 Mb/s 复接
电 /
电
分接 8/2 Mb/s 2/8 Mb/s 复接
光
光信号
分接
复接
2 Mb/s (电信号)
155 Mb/s 光接口
SDH ADM
155 Mb/s 光接口
2 Mb/s (电信号)
图 5.4 分插信号流程的比较
2. SDH SDH帧结构是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运 行的关键。
SDH采用了DXC后，大大提高了网络的灵活性及对各种业 务量变化的适应能力，使现代通信网络提高到一个崭新的水平。
PDH和SDH分插信号流程的比较
采用SDH分插复用器(ADM)，可以利用软件一次直接分出和
插入 2 Mb/s支路信号，十分简便。
光信号
140/34 Mb/s
PDH
34/140 Mb/s
光 /
•对于以2.048 Mb/s为基础速率的制式，各次群的话路数按4 倍递增，速率的关系略大于4倍。
•对于以1.544 Mb/s为基础速率的制式，在3次群以上，日本 和北美各国又不相同， 看起来很杂乱。
• PDH各次群比特率相对于其标准值有一个规定的容差，而 且是异源的，通常采用正码速调整方法实现准同步复用。
低速 信号
STM- N
STM- N
TM
ADM
DXC
ADM
TM
STM- n
STM- n
STM- N
STM- N
STM- N
低速 信号
低速 信号
… …
TM
ADM
DXC
ADM
TM
STM- n
STM- N
STM- N
STM- n
低速 信号
(n<N)
图 5.1 SDH传输网的典型拓扑结构
SDH终端的主要功能是： 复接/分接和提供业务适配
9字节开销
9行
AU PTR
261字节
图 5.6 载荷包络与SDH
…
SDH帧1
Байду номын сангаас
(125 s)
SDH帧2 (125 s)
载荷包络
这 种 结 构 可 以 把 目 前 PDH 的 绝 大 多 数 标 准 速 率 信 号 装 入 SDH帧。
图5.7示出SDH一般复用映射结构，图中C-n是标准容器， 用 来装载现有PDH的各支路信号， 并完成速率适配处理的功能。