光纖傳輸中的同步數字體系研究

于 狀

(河南大學，河南 開封 475400)

0 引言

憑借著獨特的優勢，在與模擬通信方式的競爭中，數字通信方式逐漸占據上風。數字通信可以使得噪聲不積累，因此適用于長距離、大容量的通信場合。但是數字通信對設備的同步要求十分嚴格。所謂同步，是指數字信號傳輸系統中的數據流在不同數字交換設備之間進行傳輸時，為了保證信息傳輸的正確性與穩定性，其速率必須保持完全一致[1]。能否準確的做到收發雙方的同步成了制約數字通信發展的關鍵問題之一。準同步數字體系(PDH)曾經解決了數字同步問題。但是隨著光纖網絡的發展，傳輸信號占用的頻帶逐漸變寬并且同一頻帶上傳輸的信息量變得巨大，數字信號的傳輸速率也越來越高。協議的不兼容、網絡運營的困難以及復接、分接設備的復雜等原因使得PDH不能滿足新技術條件下的通信需求[2]。于是同步數字體系便出現了。

1 SDH實現原理

1988年ITU-T根據美國提出的同步光纖網(SONET)，整合出了一套同步數字系列方案即SDH。SDH是以模塊為基礎的，簡稱為STM。同步復用、同步交叉連接和同步數字系列等部分組成了基礎模塊。它采用映射復接的原理將各種不同等級的低速率信號復用進入STM模塊形成高速率信號，并以和網絡同步的速率進行傳輸[3]。

1.1 拓補結構

實際應用中SDH經常組成傳輸網以滿足大容量用戶的需求。SDH傳輸網主要由數字終接設備、分插復用設備和數字交叉連接設備等網絡單元以及連接它們的光纖物理鏈路等組成[4]。數字終接設備的主要功能是完成低速率信號的復接和高速率信號的分接操作。數字終接設備傳送的信號經過分插復用設備后變成了兩部分，一部分直接向前繼續傳輸，另一部分則經過另一條通道被轉給本地用戶。數字交叉連接設備有交換機的功能，被廣泛應用在網絡配置中。多個輸入輸出組合在一起作為數字交叉連接設備的接入端，在輸出端可以傳給不同的用戶。

SDH傳輸網絡中的光纖線路形成了多條通道，這些通道在組成結構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用段即許多復用段首尾相連形成了傳輸通道。再生段則構成了復用段的結構基礎。通道負責為電路提供透明傳輸服務，即收發用戶根本感覺不到通道這種物理結構的存在。復用段負責信號的復用和解復用，即在發送端將不同波長的光信號耦合進一根光纖中，在接收端則將接收分解成不同的信號并轉發出去；再升段負責對經過光纖鏈路傳輸的已經產生畸變的信號進行放大，便于提供同步信息(見圖1)。

圖1 SDH傳輸通道連接模型

1.2 幀結構

SDH使用幀作為基本的數據結構來滿足數字同步時分復用的需要。最常見的一個STM-N幀有9行，每行有270×N個字節，每個字節一共有8比特。標準設定的一幀傳輸時間是125 μs，每秒可以傳輸8 000幀。幀的結構主要分為段開銷(SOH)、信息載荷(Payload)和管理單元指針(AU-PTR)3個部分。

SOH里面含有許多附加字節以保證信息的正常傳輸。段開銷可以進一步分成再生段開銷和復接段開銷，作用與通道中的再生段和復接段類似。Payload是各種業務信息的主要存儲位置，也是幀中占據字節數最多的部分。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字節在幀內的準確位置。

1.3 復用原理

SDH最大的特點就是使用了復用的思想，即把許多低速率信號通過復用形成高速率信號來滿足傳輸速率和傳輸容量的要求。這種復用以模塊為基礎。最基礎的模塊是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整法和固定位置映射法將基本的傳輸模塊復合成高速模塊。前一種方法可以容忍較大的頻率誤差，但是分接和復接過程復雜；后一種方法雖然分接和復接過程簡單，但是相位準確度不高。此外，SDH通過使用映射結構，能夠把PDH的大多數速率標準裝入幀中，這也是SDH能夠廣泛應用的重要原因。由于傳輸通道中的信號格式和信道容量不盡相同，所以SDH中引入了虛電容結構并由安排在幀結構中的信息凈負荷和通道開銷字段組成[3]。

SDH的工作過程則是將PDH和ATM等數據裝入相應的虛容器中，在IP協議的控制下，經過層層復用形成STM-N幀，系統采用時分復用的方式為不同的幀分配不同的時隙后在光纖上進行傳輸。

2 SDH的應用

SDH主要用于網絡中且作為高度可靠性的網絡傳輸載體[5]。同時SDH使得網絡具有更好的抗干擾性。根據組成網絡形狀的不同，可以將網絡分為鏈狀傳輸網、星形傳輸網、環形傳輸網。鏈狀結構最簡單，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題；所謂環形網絡是指將所有網絡節點串聯起來，并使之首尾相連而構成一個封閉環路的網絡結構[3]。并且環形網具有“自愈”功能。所謂的“自愈”是指當網絡中某個節點發生故障時，網絡仍然可以維持一定的通信能力，故環形網是最常用的網絡形式。通道倒換環和復用段倒換環是最常見的自愈環結構。傳統的環形網更多的使用通道保護環[6]。其缺點是花費巨大，但是結構簡單、管理簡便。當節點速率是STM-4之下時首先考慮環形結構。

3 SDH的優點與缺點

SDH與PDH相比具有很大的優點，主要有：

(1)具有全世界統一的速率標準并且可以通過低速率信號的復用方式實現更高速率的傳輸。最基礎的模塊速率是155.52 Mbps，其余模塊的速率都是這個速率的4次整數倍。

(2)制定了統一的接口標準，使得各個廠家生產的不同設備可以通用，全球通用的光纖傳輸網就成為了可能。

(3)使用了豐富的比特開銷以維護網絡的運行。同時使得對網絡的管理、維護、故障檢測等業務簡單化。

(4)采用數字同步復用技術，不需要進行碼速調整。以字節間插入的方式實現從高速率信號中分離出低速率信號，使得分接、復接過程得以簡化，降低分接和復接設備成本。

(5)通過數字交叉連接設備自動調整網絡的傳輸速率，提高了資源利用率，使網絡變得更加可靠。

4 未來的SDH技術

由于通信逐漸向著業務綜合化、寬帶化和數字化方向發展，所以未來的SDH技術必須能適應多業務承載、智能化和大傳輸容量的要求，那么它必向這3個方向發展。與多業務承載能力相關的是多業務傳送平臺(MSTP)。MSTP是基于SDH的平臺的較為成熟的技術，可以滿足大數據業務的需求。可以同時接入、處理和傳送TDM、ATM、以太網等業務并提供統一的網管多業務節點。它基于SDH的思想，將SDH對實時業務的有效承載與高層網絡相結合來增強傳送節點對多類型業務的綜合承載能力。基于SDH的智能化光傳輸技術(ASON)可以滿足更高的智能傳送，也是網絡發展的必然趨勢。更高的傳輸容量是通信領域亙古不變的主題。SDH雖然憑借穩定的網絡保護能力和快速恢復能力占據著優勢，但它已經逐漸不能滿足窄帶接入網的速率要求。這時融合了SDH與WDM特點的新技術OTN也必將是未來的發展方向。

5 結語

本文大致介紹了SDH的基本幀結構、復用原理與工作過程，說明了SDH具有的巨大優勢，同時也指出了SDH的致命缺陷：帶寬利用率不高。在此基礎上引出了諸如MSTP等新一代光纖通信技術的概念。相信隨著技術的發展，SDH自身會不斷更新以適應新的通信需求融合進新一代光纖通信技術中，推進光纖通信的全光網絡化。