光纤通信技术第5章光纤传输系统

第5章

光纤传输系统

学习目标知识要点业务层 电 话 数 据 图 像 多 媒 体

复用技术演进

电路层

SDH传输系统: 统一光接口;复用与映射; 强大的网管;网络的自愈

电时分复用

DWDM传输系统: 挖掘光纤带宽资源 ;提高容量,降低成本; 对速率和业务透明; 灵活组网和恢复保护

波分复用

光传输层OTDM传输系统: 以光域的OTDM+WDM 组合 实现超高速率超大容量传输 光时分复用

5.1.1 通信系统通信的目的是传递消息。通信系统则是实现消息传递 所需要的一切技术与信道的总和。最简单的通信系统是由 信源(发送端)、信道(传输介质)和信宿(接收端)共 同组成。人们通过使用通信系统来完成语音、文字、图形、 图像和多媒体等消息的传递。 在光纤通信中，按照对光源的调制的信号是模拟信号 还是数字信号，可以将光纤通信系统划分为模拟光纤通信 系统和数字光纤通信系统。有线电视网络、光纤测量和光 纤传感器领域采用的是模拟光纤通信系统。现在语音、数 据、图像、多媒体等通信业务普遍采用光纤数字通信系统， 究其原因是，数字通信具有抗干扰、可编解码、同步复用 解复用、便于加密、器件集成和设备微型化简单的优点

5.1.2 数字光纤通信系统(1)多路复用 多路低速率业务信号被复用成高速率业务信号，以达 到经济有效地传输目的。 (2)插入管理开销 为了便于通信系统的运行、维护和管理，在传输的帧 结构中加入了一些管理开销，以提高系统的安全可靠性 (3)调制 对光源进行数字调制，完成电数字信号到光数字信号 的转换。 (4)信号处理 光数字信号经过光纤传输，由光纤和光源的作用，使 得传输的光信号产生衰减(功率变弱)和色散(波形展 宽)等负作用。为了确保能够实现高速率、远距离和大 容量传输，必须在通信系统中采用一些光放大器、色散 补偿模块等措施对光信号进行必要的处理。

(5)信号还原 光信号经光纤传输到达光接收端时，首先由光电检测器 完成光信号至电信号的转换，接着实现电信号的放大和均 衡，然后提取时钟信号，在时钟信号的作用下，判决再生 出数字信号。 (6)取出开销或线路解码 解扰并取出开销处理或者进行线路解码，同时处理运行、 管理和维护开销。 (7)解复用 通过解复用处理，使所传输的信号复原为各路的数字业 务信号。

5.2.1 基本概念和特点1. PDH 在数字光纤通信系统中，传送的信号都是数字化的脉冲 序列。为了保证信息的传送准确无误，人们提出了“同步” 的概念。所谓同步就是指，数字信号流在数字交换设备之 间传输时，其速率应该保持完全一致。按照数字信

号流是 否同步，数字传输系统(体系)可以分为准同步数字体系 (PDH)和同步数字体系(SDH)。 (1)没有统一的接口标准 PDH体系没有世界统一的电接口和光接口标准。国际 上存在欧洲系列、日本系列和北美系列三大地区系列标准。 中国采用的是欧洲系列。 (2)复用结构复杂 PDH采用异步复用方式，各速率等级帧长不同，当低 速信号复用到高速信号时，使得其在高速信号的帧结构中 的位置没有规律和固定性。PDH低速信号分/插到到高速 信号要通过逐级复用和解复用过程。

(3)缺乏有效的网管功能 PDH帧结构中安排网络管理的开销字节很少， 不能提供对于网络运行、维护和管理进行有效管 理能力。网络的运行、维护和管理主要靠人工的 数字交叉连接和停止业务检测，完全不能适应电 信网不断地变化的发展要求。

2. SDH产生 在1985年，美国贝尔通信研究所针对PDH 体系所 存在上述缺陷而提出了同步光网络(Synchronous Optical Network,SONET)的概念及相应的帧结构、 复用方法等美国数字体系标准。 3. 基本概念 SDH拥有一整套标准化的信息结构等级。这些信息 结构等级分别称为同步传送模块(Synchronous Transfer Module,STM)STM -1、STM-4、 STM16、 STM-64和 STM-256。同步传送模块采用一种 矩形块状帧结构具有丰富的开销比特，便于安排用于 网络运行维护管理信息。

4. 特点 作为一种传送网体制，SDH具有的主要特点可以概括 如下： (1)统一的接口。使北美、日本和欧洲三个地区性的标准 在STM-1至STM-256各个等级上获得统一。数字信号在跨 越国界通信时不再需要转换成另一种标准，因而第一次真 正实现了数字传输体制上的世界性标准。 (2)同步复用。采用同步复用方式和灵活的复用映射结 构。各种不同等级的码流在帧结构净荷内的排列是有规律 的，而且净荷与网络同步，因而只需利用软件即可使高速 信号一次直接分插出低速支路信号，不仅简化了信号的复 接和分接，而且也可在线实现数字交叉连接。例如，图54所示的是采用SDH分插复用器可以在155Mbit/s 码流中， 利用软件直接一次分出2Mbit/s的支路信号。

(3)强大的网管能力。SDH在帧结构中安排了丰富的 开销比特，约占了整个信号的5%,大大增强了网络的自 动化监控和维护功能。 (4)高可靠性。设备具备智能化，利用软件即可灵活 实现多方向的交叉连接及性能监测功能，从而使网络具 备自动恢复或自愈功能，大大提高了网络的可靠性和生 存性。 (5)兼容性。SDH网既能与现有PDH的各种速率兼容， 使SDH可以支持已经建起来的PDH网络，同时SDH网还 能容纳ATM的信号、 光纤分布式数据接口 信号等其

他体 制的信号。

5.2.2

SDH速率与帧结构

1. SDH的速率 SDH 体制有一套标准的信息结构等级，即同步传送模 块(Synchronous Transfer Mode, STM)。每种模块 都确定了标准的速率等级。SDH 体制最基本的模块信号 是STM-1 ,相应的速率是155.52Mbit/s,更高等级的 STM-N信号是将基本模块信号STM-1经过同步复用，经 过字节间插后所得出的结果，其中N 是4的整数次幂。目 前商用的N值为1、4 、16 、64和256。 2 . SDH的帧结构 SDH传送网的一个关键功能是要对支路信号进行同步 和数字复用和交叉连接。SDH帧结构必须适应这些功能 要求，同时也希望支路信号在一帧内呈现均匀和规律分 布，以便于接入和取出。因此，ITU-T采用了一种以字节 为基础的矩形块状帧结构。

3. 段开销 (1)功能 为了实现SDH传送网的运行、维护和管理功能，SDH 帧结构中安排了两种开销：段开销和通道开销。段开销中 包括再生段开销和复用段开销。通道开销中则包含有低阶 通道开销和高阶通道开销。各种开销对应的管理对象，如 图5-7所示。再生器之间或数字复用设备(或数字交叉连 接设备等)之间的物理实体称为再生段，两个复用设备之 间的物理实体称为复用段。 (2)位置 各种开销的起始、终结位置都不相同，不同再生段的开 销互不相关，不同复用段的开销也不相关。采用这种管理 具有许多优点，从而为实现现代通信网络各类奠定了基础。 图5-7绘制出了在STM-1 帧中所安排的段开销(SOH)[再 生段开销(RSOH)和复用段(MSOH)]字节的具体位置

(3)段开销功能 ①设计思想 为了能够在SDH传送网上实现先进的网络管理，人们通过 在帧结构中安排一些的字节的方法来解决SDH网络的管理问 题。这些开销可以解决的网络管理问题如下：1.同步问题： 包括帧定位和同步状态；2.通信问题：涉及音频和数据通信； 3.监控问题：误码特性等国际与地区分区问题等。 ②字节功能 为了掌握帧结构、开销字节与网络管理之间所存在的紧密 关系，下面简要介绍各个主要开销字节的定义、功能和应用。 A. 定帧字节：A1和A2 在SDH的帧结构中，信号的以一帧一帧的形式，按照从左 到右，从上到下方式的规律传送的。定帧字节A1和A2的作 用是识别一帧的起始位置，以区分各帧，即实现帧同步。

B. 再生段踪迹字节：J0 在SDH网络中，为了检验再生段、信号源端和信号宿 端应该按照要求进行连接，引入的再生段踪迹字节J0被用 作重复发送段接入点识别符，以便使段接收端能据此确认 其与指定的发送端处于持续连接状态。 C. 数据通信通路(DCC):D1~D12 SDH网络管理的诸多功能，如用于运行、管理和维护 (OAM) 功能的相关

数据是放在STM-N 帧中的D1-D12 字节处，由STM-N 信号在SDH网络上传输的，即D1~ D12提供所有SDH网元都可接入的通用数字通信通路。 DCC被嵌入段开销中，使所有网元都具备便于实现统一 的网络管理功能。

D. 公务联络字节：E1和E2 E1和E2字节各自提供一个64kbit/s 的公务联络语声通 路，供维护人员通过电话进行公务联络。E1属于RSOH, 用于再生段、再生器之间的公务联络，可以在再生器和复 用终端接入；E2属于MSOH,用于复用段终端之间的直 达公务联络，可以在复用段终端接入。 E. 自动保护倒换通路字节：K1和K2 K1和K2字节用于在复用段保护方式下传送自动保护倒 换(Automatic Protection Switching,APS) 协议， 使设备在故障时能自动切换，使网络业务快速恢复。

2.管理单元指针 管理单元指针(Administrative Unit Pointer,AUPTR)是一种指示符，主要用来指示信息净负荷的第一个 字节在STM-N内的准确位置，以便在接收端正确分离信 息净负荷。AU-PTR位于STM-N 帧中第1至第9×N列中的 第4 行，共9× N 个字节。 指针是SDH实现同步复用的重要手段。由于低速支路 信号在高速SDH 信号帧中的排列具有规律性，因此只要 根据指针找到信息净负荷的第一个字节的位置，就可以根 据支路信号摆放位置的规律性直接分插出所需支路信号。 采用指针是SDH的重要创新。引入指针可使SDH在准同 步环境中完成复用同步和STM-N信号的帧定位。

3.信息净荷 信息净荷(Payload)是STM-N帧结构中存放各种通信 信息码块的地方。这些信息码块(低速信号)在传送之前 先被SDH打包并装入一系列大小不同的标准容器，再按一 定顺序装入STM-N 帧内。横向从10×N列到第270×N列， 纵向第1行至第9行的2349×N个字节都属于信息净负荷区 域。

5.2.3

复用与映射

1. 复用结构 实现高速数字传输可以采用时分复用技术，即在时域 上将多路低速信号复用成高速信号，然后再送入高速 信道进行传输。低速信号复用成高速信号的传统方法 是比特塞入法和固定位置映射法。 比特塞入法利用固定位置的比特插入，使得各支路 信号的瞬时数码率达到一致，同时利用固定位置上的 码速调整控制比特来显示插入的比特是否载有信号数 据。 而SDH 的复用方式要求既能满足异步复用(例如， 将PDH 信号复用进STM-N ),又能满足同步复用 (例如，STM-1 、STM-4……), 而且能方便地由高 速STM-N 信号分/插出低速信号，同时不造成较大的 信号时延和滑动损伤。显然，传统的比特塞入复用法 和固定位置映射复用法不能满足SDH的复用要求。

2.复用原理 我们可以利用汽车运输货物过程来简单和形象的描述 SDH映射、定位和复用的基本工作

原理为：如果将要传送 的信号比喻为货物，STM-N是运货的汽车，汽车承载了一 个大集装箱，各种货物都堆积在这个集装箱内，为了在货 物达到的各个站点能方便地找到并取出所需的货物，在货 物装入集装箱之前，预先应该做一些准备工作：首先根据 货物的大小选用一个合适的标准容器(C-n , Container), 将货物装入容器打包后再贴上说明货物情况的标签 (POH),这时就构成了虚容器 (VC-n,Virtual Container),这个过程称为映射；为了指示各级虚容器在 更大的虚容器中的位置，需要为虚容器附上指针(PTR, Pointer)

附上了指针的虚容器就构成支路单元(TU, Tributary Unit) 或管理单元(AU, Administrative Unit),附上指针的过 程称为定位；然后把多个相同的支路单元(组)逐步集装 成高阶虚容器，或把多个相同的管理单元集装成管理单元 组，直至把多个管理单元组集装起来填满大集装箱 (STM-N帧的净荷和管理单元指针),然后为集装箱贴 上说明集装箱情况的标签(SOH),这时就完成了汽车 (STM-N)的装货过程，汽车可以开上“光纤线路”了， 这其中的集装过程就称为复用。

5.2.4 基本复用单元图5-9所示的是PDH的标准速率信号、ATM信元及其 其他新业务信号被复用成符合SDH帧结构标准信号的各 种途径和具体过程。图5-8中复用映射结构包括了一些基 本复用单元：容器(C-n)、虚容器 (VC-n)、支路单 元(TU-n)、支路单元组(TUG-n)、管理单元(AUn)、管理单元组(AUG-n),其中n表示与此复用单元 相应的信号级别。下面简单介绍各个基本复用单元信息 结构、具体组成和基本功能。 1、容器 容器是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构。 ITU-T G.709针对PDH的速率系列，规范了C-11、C-12、 C-2、C-3和C-4五种标准容器。表5-2列出了五种标准容 器的主要参数。

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