光纖傳輸中的同步數(shù)字體系研究

于 狀

(河南大學(xué)，河南 開(kāi)封 475400)

0 引言

憑借著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在與模擬通信方式的競(jìng)爭(zhēng)中，數(shù)字通信方式逐漸占據(jù)上風(fēng)。數(shù)字通信可以使得噪聲不積累，因此適用于長(zhǎng)距離、大容量的通信場(chǎng)合。但是數(shù)字通信對(duì)設(shè)備的同步要求十分嚴(yán)格。所謂同步，是指數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流在不同數(shù)字交換設(shè)備之間進(jìn)行傳輸時(shí)，為了保證信息傳輸?shù)恼_性與穩(wěn)定性，其速率必須保持完全一致[1]。能否準(zhǔn)確的做到收發(fā)雙方的同步成了制約數(shù)字通信發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。準(zhǔn)同步數(shù)字體系(PDH)曾經(jīng)解決了數(shù)字同步問(wèn)題。但是隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳輸信號(hào)占用的頻帶逐漸變寬并且同一頻帶上傳輸?shù)男畔⒘孔兊镁薮?，?shù)字信號(hào)的傳輸速率也越來(lái)越高。協(xié)議的不兼容、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的困難以及復(fù)接、分接設(shè)備的復(fù)雜等原因使得PDH不能滿足新技術(shù)條件下的通信需求[2]。于是同步數(shù)字體系便出現(xiàn)了。

1 SDH實(shí)現(xiàn)原理

1988年ITU-T根據(jù)美國(guó)提出的同步光纖網(wǎng)(SONET)，整合出了一套同步數(shù)字系列方案即SDH。SDH是以模塊為基礎(chǔ)的，簡(jiǎn)稱為STM。同步復(fù)用、同步交叉連接和同步數(shù)字系列等部分組成了基礎(chǔ)模塊。它采用映射復(fù)接的原理將各種不同等級(jí)的低速率信號(hào)復(fù)用進(jìn)入STM模塊形成高速率信號(hào)，并以和網(wǎng)絡(luò)同步的速率進(jìn)行傳輸[3]。

1.1 拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

實(shí)際應(yīng)用中SDH經(jīng)常組成傳輸網(wǎng)以滿足大容量用戶的需求。SDH傳輸網(wǎng)主要由數(shù)字終接設(shè)備、分插復(fù)用設(shè)備和數(shù)字交叉連接設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)單元以及連接它們的光纖物理鏈路等組成[4]。數(shù)字終接設(shè)備的主要功能是完成低速率信號(hào)的復(fù)接和高速率信號(hào)的分接操作。數(shù)字終接設(shè)備傳送的信號(hào)經(jīng)過(guò)分插復(fù)用設(shè)備后變成了兩部分，一部分直接向前繼續(xù)傳輸，另一部分則經(jīng)過(guò)另一條通道被轉(zhuǎn)給本地用戶。數(shù)字交叉連接設(shè)備有交換機(jī)的功能，被廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)配置中。多個(gè)輸入輸出組合在一起作為數(shù)字交叉連接設(shè)備的接入端，在輸出端可以傳給不同的用戶。

SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)中的光纖線路形成了多條通道，這些通道在組成結(jié)構(gòu)上具有很大的相似性。通道又可分為高階通道層和低階通道層，其基本組成單元是復(fù)用段即許多復(fù)用段首尾相連形成了傳輸通道。再生段則構(gòu)成了復(fù)用段的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。通道負(fù)責(zé)為電路提供透明傳輸服務(wù)，即收發(fā)用戶根本感覺(jué)不到通道這種物理結(jié)構(gòu)的存在。復(fù)用段負(fù)責(zé)信號(hào)的復(fù)用和解復(fù)用，即在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)耦合進(jìn)一根光纖中，在接收端則將接收分解成不同的信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)出去；再升段負(fù)責(zé)對(duì)經(jīng)過(guò)光纖鏈路傳輸?shù)囊呀?jīng)產(chǎn)生畸變的信號(hào)進(jìn)行放大，便于提供同步信息(見(jiàn)圖1)。

圖1 SDH傳輸通道連接模型

1.2 幀結(jié)構(gòu)

SDH使用幀作為基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)滿足數(shù)字同步時(shí)分復(fù)用的需要。最常見(jiàn)的一個(gè)STM-N幀有9行，每行有270×N個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)一共有8比特。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的一幀傳輸時(shí)間是125 μs，每秒可以傳輸8 000幀。幀的結(jié)構(gòu)主要分為段開(kāi)銷(xiāo)(SOH)、信息載荷(Payload)和管理單元指針(AU-PTR)3個(gè)部分。

SOH里面含有許多附加字節(jié)以保證信息的正常傳輸。段開(kāi)銷(xiāo)可以進(jìn)一步分成再生段開(kāi)銷(xiāo)和復(fù)接段開(kāi)銷(xiāo)，作用與通道中的再生段和復(fù)接段類(lèi)似。Payload是各種業(yè)務(wù)信息的主要存儲(chǔ)位置，也是幀中占據(jù)字節(jié)數(shù)最多的部分。AU-PTR包括管理單元和支路單元，作用是保證下文中提到的虛容器的起始相位同步，并指示信息載荷中首個(gè)字節(jié)在幀內(nèi)的準(zhǔn)確位置。

1.3 復(fù)用原理

SDH最大的特點(diǎn)就是使用了復(fù)用的思想，即把許多低速率信號(hào)通過(guò)復(fù)用形成高速率信號(hào)來(lái)滿足傳輸速率和傳輸容量的要求。這種復(fù)用以模塊為基礎(chǔ)。最基礎(chǔ)的模塊是STM-1。一般的模塊是STM-N，其中N為4的整次冪。一般情況下可以使用正碼速調(diào)整法和固定位置映射法將基本的傳輸模塊復(fù)合成高速模塊。前一種方法可以容忍較大的頻率誤差，但是分接和復(fù)接過(guò)程復(fù)雜；后一種方法雖然分接和復(fù)接過(guò)程簡(jiǎn)單，但是相位準(zhǔn)確度不高。此外，SDH通過(guò)使用映射結(jié)構(gòu)，能夠把PDH的大多數(shù)速率標(biāo)準(zhǔn)裝入幀中，這也是SDH能夠廣泛應(yīng)用的重要原因。由于傳輸通道中的信號(hào)格式和信道容量不盡相同，所以SDH中引入了虛電容結(jié)構(gòu)并由安排在幀結(jié)構(gòu)中的信息凈負(fù)荷和通道開(kāi)銷(xiāo)字段組成[3]。

SDH的工作過(guò)程則是將PDH和ATM等數(shù)據(jù)裝入相應(yīng)的虛容器中，在IP協(xié)議的控制下，經(jīng)過(guò)層層復(fù)用形成STM-N幀，系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用的方式為不同的幀分配不同的時(shí)隙后在光纖上進(jìn)行傳輸。

2 SDH的應(yīng)用

SDH主要用于網(wǎng)絡(luò)中且作為高度可靠性的網(wǎng)絡(luò)傳輸載體[5]。同時(shí)SDH使得網(wǎng)絡(luò)具有更好的抗干擾性。根據(jù)組成網(wǎng)絡(luò)形狀的不同，可以將網(wǎng)絡(luò)分為鏈狀傳輸網(wǎng)、星形傳輸網(wǎng)、環(huán)形傳輸網(wǎng)。鏈狀結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，只適合用于用戶較少的情況；星形連接管理靈活，但是存在通信容量容易受限的問(wèn)題；所謂環(huán)形網(wǎng)絡(luò)是指將所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，并使之首尾相連而構(gòu)成一個(gè)封閉環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]。并且環(huán)形網(wǎng)具有“自愈”功能。所謂的“自愈”是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)仍然可以維持一定的通信能力，故環(huán)形網(wǎng)是最常用的網(wǎng)絡(luò)形式。通道倒換環(huán)和復(fù)用段倒換環(huán)是最常見(jiàn)的自愈環(huán)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的環(huán)形網(wǎng)更多的使用通道保護(hù)環(huán)[6]。其缺點(diǎn)是花費(fèi)巨大，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、管理簡(jiǎn)便。當(dāng)節(jié)點(diǎn)速率是STM-4之下時(shí)首先考慮環(huán)形結(jié)構(gòu)。

3 SDH的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

SDH與PDH相比具有很大的優(yōu)點(diǎn)，主要有：

(1)具有全世界統(tǒng)一的速率標(biāo)準(zhǔn)并且可以通過(guò)低速率信號(hào)的復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)更高速率的傳輸。最基礎(chǔ)的模塊速率是155.52 Mbps，其余模塊的速率都是這個(gè)速率的4次整數(shù)倍。

(2)制定了統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，使得各個(gè)廠家生產(chǎn)的不同設(shè)備可以通用，全球通用的光纖傳輸網(wǎng)就成為了可能。

(3)使用了豐富的比特開(kāi)銷(xiāo)以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。同時(shí)使得對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理、維護(hù)、故障檢測(cè)等業(yè)務(wù)簡(jiǎn)單化。

(4)采用數(shù)字同步復(fù)用技術(shù)，不需要進(jìn)行碼速調(diào)整。以字節(jié)間插入的方式實(shí)現(xiàn)從高速率信號(hào)中分離出低速率信號(hào)，使得分接、復(fù)接過(guò)程得以簡(jiǎn)化，降低分接和復(fù)接設(shè)備成本。

(5)通過(guò)數(shù)字交叉連接設(shè)備自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，提高了資源利用率，使網(wǎng)絡(luò)變得更加可靠。

4 未來(lái)的SDH技術(shù)

由于通信逐漸向著業(yè)務(wù)綜合化、寬帶化和數(shù)字化方向發(fā)展，所以未來(lái)的SDH技術(shù)必須能適應(yīng)多業(yè)務(wù)承載、智能化和大傳輸容量的要求，那么它必向這3個(gè)方向發(fā)展。與多業(yè)務(wù)承載能力相關(guān)的是多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)(MSTP)。MSTP是基于SDH的平臺(tái)的較為成熟的技術(shù)，可以滿足大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求?？梢酝瑫r(shí)接入、處理和傳送TDM、ATM、以太網(wǎng)等業(yè)務(wù)并提供統(tǒng)一的網(wǎng)管多業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。它基于SDH的思想，將SDH對(duì)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的有效承載與高層網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合來(lái)增強(qiáng)傳送節(jié)點(diǎn)對(duì)多類(lèi)型業(yè)務(wù)的綜合承載能力?；赟DH的智能化光傳輸技術(shù)(ASON)可以滿足更高的智能傳送，也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。更高的傳輸容量是通信領(lǐng)域亙古不變的主題。SDH雖然憑借穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)能力和快速恢復(fù)能力占據(jù)著優(yōu)勢(shì)，但它已經(jīng)逐漸不能滿足窄帶接入網(wǎng)的速率要求。這時(shí)融合了SDH與WDM特點(diǎn)的新技術(shù)OTN也必將是未來(lái)的發(fā)展方向。

5 結(jié)語(yǔ)

本文大致介紹了SDH的基本幀結(jié)構(gòu)、復(fù)用原理與工作過(guò)程，說(shuō)明了SDH具有的巨大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也指出了SDH的致命缺陷：帶寬利用率不高。在此基礎(chǔ)上引出了諸如MSTP等新一代光纖通信技術(shù)的概念。相信隨著技術(shù)的發(fā)展，SDH自身會(huì)不斷更新以適應(yīng)新的通信需求融合進(jìn)新一代光纖通信技術(shù)中，推進(jìn)光纖通信的全光網(wǎng)絡(luò)化。