SDH传输应用分析

2012-03-29刘英泽

电子产品可靠性与环境试验 2012年4期

关键词：指针支路时钟

刘英泽

（广州涉外经济职业技术学院汽车电子学院，广东广州 510540）

0 引言

现代通信技术的发展日新月异，对网络拓扑结构、设备选型、保护方式和时钟同步等技术的研究越来越深入，如何确立网络组织结构和具体的时隙分配方式等，对建立通信网络至关重要。

1 同步数字体系（SDH）原理

a）SDH光通信技术的特点

同步数字体系（SDH：Synchronous digital hierarchy）是为在物理传输网上传送适配的净负荷而标准化的一系列数字传送结构，其基础设备是同步传送模块（STM），它采用复用映射原理将各种不同等级的低速信号复用映射进STM模块并以同步于网路的速率进行传输[1]。

STM是用来支持在SDH中进行段层连接的信息结构，它是一个带有线路终端功能的准同步数字复用器，它将63个2 Mbit/s信号（或3个34 Mbit/s信号或1个140 Mbit/s信号）复用或适配为155.52 Mbit/s（STM-1等级）[1]。它由块状帧结构中的信息净负荷和段开销（SOH）信息字段组成，并在选定的媒体上以同步于网路的速率进行串行传输。SDH基本的同步传送模块速率为155.52 Mbit/s（STM-1等级）。更大容量的STM是以等于该基本速率N倍的速率而构成的（现已规定了N=4，N=16和N=64的STM容量）[2]。

光同步数字传输网的主要特点是：

1）采用了同步复用方式和灵活的复用映射结构，避免了PDH系统从高速信号中分插低速信号需多次解复用的过程，使得上下业务非常方便，有利于各种新的宽带业务的引入；

2）网络具有标准的光接口，开放型的标准光接口可满足多厂家的产品环境，实现网络的横向兼容性，节约网络成本，有利于网络的后期管理；

3）SDH帧结构中安排有丰富的开销比特用于网络的管理，故网络的运行、管理、维护能力强大，有利于新特性、新功能的开发。

由于采用了指针调整技术，SDH具有了定时透明性，网络能在准同步环境下工作，其净负荷可以在不同的同步点之间进行传送而不影响业务质量，并有能力经受定时基准的丢失，网络性能比PDH光通信系统有了很大的改善。

b）SDH传送网复用映射原理

SDH网络采用复用映射原理将各种不同等级的低速信号组合进STM模块并在网路中进行传输。

各种不同等级的低速信号装入SDH帧结构净负荷区，一般需经过映射、定位校准和复用3个阶段[2]。

为使各种支路信号与相应的虚容器（VC）容量同步，使VC成为可以独立地进行传送、复用和交叉连接的实体，在映射阶段，在SDH网络边界处应将支路信号适配至VC。

在复用阶段，多个低阶通道层信号适配进入到高阶通道，或多个高阶通道层的信号适配进入到复用阶段。

为了防止复用映射过程中的抖动而造成系统误码率的增加，系统采用了指针技术：当网络处于同步工作状态时，指针进行同步信号间的相位校准；当网络失去同步时，指针进行频率和相位校准；当网络处于异步工作时，指针用作频率跟踪校准[3]。SDH帧结构中的指针是一种指示器，其值定义虚容器相对于支持它的传送实体的帧基准的帧偏移。

SDH中的VC是用于SDH通道层连接的信息结构[3]。该结构由安排在帧结构中的信息净负荷和通道开销（POH）信息字段组成。SDH已确认了低阶（VC-n、n=1，2）和高阶（VC-n，n=3，4）两类虚容器[4]。

SDH的支路单元（TU）是提供高、低阶通道层之间适配的信息结构。它由信息净负荷（低阶虚容器）和一个支路单元指针组成，指针的作用是指示净负荷起始点相对于高阶虚容器帧起始点的偏移。

在高阶VC-n净负荷中占用规定的、固定位置的一个或多个支路单元组成了支路单元组（TUG）。用这种方式来规范是为了能建立由不同规模的支路单元构成的混合容量净负荷，以提高传送网的灵活性。

VC在加上指明高阶VC在STM-N帧内位置的指针管理单元指针AU PTR后，形成了能为高阶通道层和复用段层提供适配功能的信息结构管理单元AU。

SDH中的AU是提供高阶通道层与复用段层之间适配的信息结构。管理单元组（AUG）是在STM净负荷中占用规定的、固定位置的一个或更多个的管理单元，它由若干个AU-3的同类集合或一个AU-4组成。

在AU和TU中要进行速率调整，低级数字流在高一级数字流中的起始点由AU PTR和TU PTR分别对高阶VC在相应帧内的位置以及VC-1、2、3在相应的TU帧内的位置进行动态的定位[5]。

在N个AUG的基础上附加段开销SOH，形成STM-N帧结构。N=1时，一个AUG加上段开销（4.608 Mbit/s）就可构成STM-1的标称速率155.52 Mbit/s。

在某市SDH本地网传输系统中，由于传输设备与交换设备接口都采用2.048 Mbit/s速率，故2.048 Mbit/s的支路信号复用成622.08 Mbit/s速率的STM-4等级信号的方法和步骤如下：

1）标称速率为2.048 Mbit/s的支路信号首先映射进入容器C-12作适配处理，然后加上通道开销 VC-12 POH 构成 VC-12 （2.240 Mbit/s）；

2）加上TU-12 PTR，TU-12 PTR指明了VC-12相对于TU-12的相位，经速率调整和相位对准后的TU-12速率为2.304 Mbit/s；

3）经均匀的字节间插组成TUG-2（3*2.304 Mbit/s）；

4）7个TUG-2经同样的单字节间插组成TUG-3，此时速率为49.536 Mbit/s;

5）3个TUG-3经单字节间插并加上高阶通道开销POH以及塞入字节后构成VC-4净负荷，此时速率为150.336 Mbit/s；

6）加上576 kbit/s的AU-4 PTR，组成AU-4，此时速率为150.912 Mbit/s；

7）单个AU-4直接置入AUG，速率不变，4个AUG按字节间插复用（再加上SOH）成STM-4，速率为622.08 Mbit/s。

2 SDH传输网网络结构的设计方案

2.1 网络拓扑结构的选择

网络的物理拓扑结构是指网络的形状，即网络节点设备和传输线路的几何排列。它对网络的效能、可靠性及经济性有很大的影响。

在SDH网络中，通常采用的网络结构有：点对点链状，星形、树形、环形[6]。其各自的特点如下：

a）链状拓扑

它将各网络节点串联起来，同时保持首尾两个网络节点呈开放状态的网络结构。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。

b）星形结构

它涉及通信的所有点中有一个特殊的点与其余的互不相连的所有点直接相连。这种网络结构具有综合的带宽管理灵活性，但存在特殊的、潜在的瓶颈问题和失效问题。

c）树形结构

这种结构适合于广播式业务，但存在瓶颈问题，也不适合提供双向通信业务。

d）环形结构

所谓环形网络是指那些将所有的网络节点串联起来，并且使之首尾相连而构成的一个封闭环路的网络结构。SDH最大的优点是网络性和自愈功能，它的线性应用并不能将它的这些特性充分发挥出来，因此在绝大多数情况下，SDH设备都组成环形网。在SDH环形网中，每个节点由分插复用器（ADM）构成，具有分插功能。在环形网结构中，除使用ADM外，也可使用数字交叉连接设备（DXC： Digital Cross Connect）[6]。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；具有很高的生存性，对因线缆断裂而造成系统故障的保护很好。但由于环上的接入点数受到环中的传输容量的限制，因而环网适于运用在传输容量不大、节点数较少的地区。通常当环的节点设备速率为STM-4时，一般接入节点在3～5个为宜。

根据以上对SDH传输网络4种拓扑结构的比较并结合某市具体的实际情况，此设计决定选用环形网络结构。

2.2 设备选型

在对国内本地网光纤通信系统设计、使用情况进行多方面研究的基础上，结合某市通信信息量的具体情况，本设计决定先上STM-4等级，传输设备选定为ZXSM-622。

a）ZXSM-622的组成与系统结构

ZXSM-622是STM-4的复用设备，系统主要包含光线路板（OL）、交叉板（CS）、支路板（TR）、勤务板（OW）、时钟板（SC）、主控板（NCP）和电源板（PWR）。其中，OL，CS，SC和PWR可实现单板热备份功能。另外，系统中包含有两组支路板（A组、B组），与其它各功能单板配合时，可组成双系统结构，使系统的容量在原有的基础上增加了1倍。这两套系统也可相互保护（1+1，1：1）或相互交叉，并能增强组网的灵活性[6]。因此，辅助系统包含的勤务系统可实现点呼、群呼以及三方通话功能；定时系统完成整个系统的同步；控制系统完成对本系统各单板的控制。

b）系统功能概述

1）ZXSM-622设备具有灵活的网元配置功能，可通过不同的单板配置和软件控制而将设备配置成终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）和再生中继器（REG）；

2）TM设备在其线路侧终结SDH-622 Mbit/s线路信号，在起终端侧分出或进入SDH支路或PDH支路光、电信号；

3）ADM设备在每个方向均可上下支路信号，不上下的部分无损伤地穿过（ADM的收端终结SO H，发端重新起始SOH）；

4）REG设备对信号进行再生和放大，从中提取时钟信号，收端终结RSOH，发端重新起始RS OH。

3 SDH网络的保护方案设计

a）SDH网络保护的基本原理

随着社会的进步，人们对信息的依赖性越来越强，网络传送的信息容量也急剧地增长，通信网一旦出现故障就将会带来不可估量的损失。因此，如今在网络的建设中要求网络具有较高的生存能力，从而产生了自愈网的概念。所谓自愈网就是在网络出现意外故障时无需人为干预，网络就能在极短的时间内自动恢复业务。使用户感觉不到网络已出了故障。环行网就是SDH网络中最常用的自愈网之一，被称之为自愈环。

根据自愈环的结构，可以分为通道倒换环和复用段倒换环两大类。对于通道倒换环，业务量的保护是以通道为基础的，倒换与否由离开环的某一个别通道信号质量的优劣而定。而对于复用段倒换环，业务量的保护是以复用段为基础的，倒换与否由每一对节点之间的复用段信号质量的优劣来决定，当复用段有故障时，故障范围内整个线路就会倒换到保护回路。

通道倒换环和复用段倒换环的一个重要区别是：通道倒换环使用专用保护，即正常情况下保护段也在传送业务信号，保护时隙为整个环专用；而复用段倒换环使用共享保护，正常情况下保护段是空闲的，保护时隙由每对节点共享。

b）某市SDH传输网网络保护设计方案

经过对以上4种自愈环特性的比较，本设计决定采用二纤单向通道倒换环。其原理如下：

环中两根光纤，一根用于传送业务信号（主用信号），被称为S纤；另一根用于传送备用保护信号，被称为P纤。环中任一节点发出的信号都同时传送到S纤和P纤上，在S纤上沿一方向（如顺时针方向）传送到目的节点，在P纤上沿另一方向（如逆时针方向）传送到目的节点。正常时，目的节点将S纤传送过来的主信号接收下来，由于对同一节点来说，正常时发送出的信号和接收回的信号均是在S纤上沿同一方向传送的，故称为单向环；当目的节点收不到S纤送来的主信号或其信号已劣化时，此节点接收端将倒换开关倒换到P纤上，将P纤送来的备用信号取出，以保证信号不丢失。这种保护恢复方式可称之为 “并发优收”，倒换不需要APS协议。

4 SDH的网同步

我们根据某市SDH网络同步方式的具体设计来论述SDH的网同步问题。

a）同步网的概念

同步是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系，就是它们相对应的有效瞬间以同一平均速率出现。

模拟通信网的同步是传输系统中两端载波机间的载波频率的同步，其目的是为了保证在音频通路中端到端的频差不超过2 Hz，从而满足模拟网中传输各类业务的要求。

数字通信网中传递的是对信息进行编码后得到的PCM离散脉冲，若两个数字交换设备之间的时钟频率不一致，或者由于数字比特流在传输中经受损伤，叠加了相位漂移和抖动，就会在数字交换系统的缓冲存储器中产生码元的丢失或重复，导致在传输的比特流中出现滑动损伤。为了降低滑码率，减少滑动损伤对各种业务的影响，使到达网内各交换节点的数字码流都能实现有效的交换和传输，就要有效地控制滑动，使网内各数字设备使用某个共同的基准时钟频率，即实现时钟间的同步。

因此，数字通信网的同步是网内各数字设备内时钟间的同步，这里的 “同步”包括了比特同步和帧同步两种含义。比特同步又称位同步，它是最基本的同步，它的含义是收、发两端的时钟频率必须同频、同相，这样接收端才能正确接收和判决发送端送来的每一个码元，一般的实现方法是接收端从接收到的PCM码中提取出发端时钟频率来控制收端时钟，做到位同步。在数字通信中，对比特流的处理是以帧来划分段落的，在实现多路时分复用或进入数字交换机进行时隙交换时，都需要经过帧调整器，使比特流的帧达到同步，也就是帧同步。

同步不良不仅仅是造成滑动。在SDH网中，同步不良并不会导致滑动，因为在SDH网中，净荷是异步传输的，发端与收端的速率不同造成指针调整。但是，指针调整会使输出信号产生抖动和漂移，过大的抖动会造成失帧（丢失帧同步），过大的漂移会造成终端设备的滑动。在SDH网中，同步的目的是限制和减少网元指针调整的次数。因此，在SDH网中网元内时钟也应保持同步。

数字同步网是现代通信网的一个必不可少的重要组成部分，能准确地将同步信息从基准时钟向同步网各同步节点传递，从而调节网中的时钟以建立并保持同步，满足电信网传递业务信息所需的传输和交换性能要求，它是保证网络定时性能的关键。

b）SDH同步网的结构

数字通信的网同步是由同步网络来实现的，同步网络是指能够提供参考定时信号的网络。一个同步网络的结构包括了由同步链路所连接的同步网络节点，而同步节点是指在某个直接被节点时钟定时的单一物理位置中的一组设备，基本的同步控制方法主要有4种：

1）准同步方式；

2）主从同步方式；

3）互同步方式；

4）混合同步方式。

我国SDH网同步通常采用主从同步方式，要求所有网元时钟的定时都能最终跟踪至全网的基准时钟。主从同步方式是指在网内设置基准时钟和若干从钟，以主基准时钟控制从钟的信号频率。主从同步方式又分为直接主从同步方式和等级主从方式，在等级主从同步网中，定时信号从基准时钟向下级从钟逐级传送，各从钟直接从其上级钟获取同步信号。同步信号可以从传送业务的数字信号中提取，也可以使用专用链路来传送信号。从钟使用锁相技术将其输出信号的相位锁定到输入信号的相位上，正常锁定时其输出信号具有与基准信号相同的精度。

c）定时信号的传递方式

SDH要求全网同步，一般来说同步方法有这样几种：

1）外部时钟源：网上主站从通信大楼综合定时系统（BITS）或其它外部定时源的设备上获得时钟，网上其它节点设备时钟跟踪主站时钟；

2）支路时钟：SDH传输设备一般都通过支路口与交换设备相接，网上主站可以通过支路接口提取交换设备时钟，网上其它各站设备时钟跟踪主站时钟，从而达到全网同步；

3）SDH内部自由晶振时钟：如果前两种时钟都没有或是都丢失，那么，此时主站设备时钟可以采用内部自由振荡，网上其它节点设备时钟跟踪主站时钟。