光纤传输中的同步数字体系研究

于 状

(河南大学，河南 开封 475400)

0 引言

凭借着独特的优势，在与模拟通信方式的竞争中，数字通信方式逐渐占据上风。数字通信可以使得噪声不积累，因此适用于长距离、大容量的通信场合。但是数字通信对设备的同步要求十分严格。所谓同步，是指数字信号传输系统中的数据流在不同数字交换设备之间进行传输时，为了保证信息传输的正确性与稳定性，其速率必须保持完全一致[1]。能否准确的做到收发双方的同步成了制约数字通信发展的关键问题之一。准同步数字体系(PDH)曾经解决了数字同步问题。但是随着光纤网络的发展，传输信号占用的频带逐渐变宽并且同一频带上传输的信息量变得巨大，数字信号的传输速率也越来越高。协议的不兼容、网络运营的困难以及复接、分接设备的复杂等原因使得PDH不能满足新技术条件下的通信需求[2]。于是同步数字体系便出现了。

1 SDH实现原理

1988年ITU-T根据美国提出的同步光纤网(SONET)，整合出了一套同步数字系列方案即SDH。SDH是以模块为基础的，简称为STM。同步复用、同步交叉连接和同步数字系列等部分组成了基础模块。它采用映射复接的原理将各种不同等级的低速率信号复用进入STM模块形成高速率信号，并以和网络同步的速率进行传输[3]。

1.1 拓补结构

实际应用中SDH经常组成传输网以满足大容量用户的需求。SDH传输网主要由数字终接设备、分插复用设备和数字交叉连接设备等网络单元以及连接它们的光纤物理链路等组成[4]。数字终接设备的主要功能是完成低速率信号的复接和高速率信号的分接操作。数字终接设备传送的信号经过分插复用设备后变成了两部分，一部分直接向前继续传输，另一部分则经过另一条通道被转给本地用户。数字交叉连接设备有交换机的功能，被广泛应用在网络配置中。多个输入输出组合在一起作为数字交叉连接设备的接入端，在输出端可以传给不同的用户。

SDH传输网络中的光纤线路形成了多条通道，这些通道在组成结构上具有很大的相似性。通道又可分为高阶通道层和低阶通道层，其基本组成单元是复用段即许多复用段首尾相连形成了传输通道。再生段则构成了复用段的结构基础。通道负责为电路提供透明传输服务，即收发用户根本感觉不到通道这种物理结构的存在。复用段负责信号的复用和解复用，即在发送端将不同波长的光信号耦合进一根光纤中，在接收端则将接收分解成不同的信号并转发出去；再升段负责对经过光纤链路传输的已经产生畸变的信号进行放大，便于提供同步信息(见图1)。

图1 SDH传输通道连接模型

1.2 帧结构

SDH使用帧作为基本的数据结构来满足数字同步时分复用的需要。最常见的一个STM-N帧有9行，每行有270×N个字节，每个字节一共有8比特。标准设定的一帧传输时间是125 μs，每秒可以传输8 000帧。帧的结构主要分为段开销(SOH)、信息载荷(Payload)和管理单元指针(AU-PTR)3个部分。

SOH里面含有许多附加字节以保证信息的正常传输。段开销可以进一步分成再生段开销和复接段开销，作用与通道中的再生段和复接段类似。Payload是各种业务信息的主要存储位置，也是帧中占据字节数最多的部分。AU-PTR包括管理单元和支路单元，作用是保证下文中提到的虚容器的起始相位同步，并指示信息载荷中首个字节在帧内的准确位置。

1.3 复用原理

SDH最大的特点就是使用了复用的思想，即把许多低速率信号通过复用形成高速率信号来满足传输速率和传输容量的要求。这种复用以模块为基础。最基础的模块是STM-1。一般的模块是STM-N，其中N为4的整次幂。一般情况下可以使用正码速调整法和固定位置映射法将基本的传输模块复合成高速模块。前一种方法可以容忍较大的频率误差，但是分接和复接过程复杂；后一种方法虽然分接和复接过程简单，但是相位准确度不高。此外，SDH通过使用映射结构，能够把PDH的大多数速率标准装入帧中，这也是SDH能够广泛应用的重要原因。由于传输通道中的信号格式和信道容量不尽相同，所以SDH中引入了虚电容结构并由安排在帧结构中的信息净负荷和通道开销字段组成[3]。

SDH的工作过程则是将PDH和ATM等数据装入相应的虚容器中，在IP协议的控制下，经过层层复用形成STM-N帧，系统采用时分复用的方式为不同的帧分配不同的时隙后在光纤上进行传输。

2 SDH的应用

SDH主要用于网络中且作为高度可靠性的网络传输载体[5]。同时SDH使得网络具有更好的抗干扰性。根据组成网络形状的不同，可以将网络分为链状传输网、星形传输网、环形传输网。链状结构最简单，只适合用于用户较少的情况；星形连接管理灵活，但是存在通信容量容易受限的问题；所谓环形网络是指将所有网络节点串联起来，并使之首尾相连而构成一个封闭环路的网络结构[3]。并且环形网具有“自愈”功能。所谓的“自愈”是指当网络中某个节点发生故障时，网络仍然可以维持一定的通信能力，故环形网是最常用的网络形式。通道倒换环和复用段倒换环是最常见的自愈环结构。传统的环形网更多的使用通道保护环[6]。其缺点是花费巨大，但是结构简单、管理简便。当节点速率是STM-4之下时首先考虑环形结构。

3 SDH的优点与缺点

SDH与PDH相比具有很大的优点，主要有：

(1)具有全世界统一的速率标准并且可以通过低速率信号的复用方式实现更高速率的传输。最基础的模块速率是155.52 Mbps，其余模块的速率都是这个速率的4次整数倍。

(2)制定了统一的接口标准，使得各个厂家生产的不同设备可以通用，全球通用的光纤传输网就成为了可能。

(3)使用了丰富的比特开销以维护网络的运行。同时使得对网络的管理、维护、故障检测等业务简单化。

(4)采用数字同步复用技术，不需要进行码速调整。以字节间插入的方式实现从高速率信号中分离出低速率信号，使得分接、复接过程得以简化，降低分接和复接设备成本。

(5)通过数字交叉连接设备自动调整网络的传输速率，提高了资源利用率，使网络变得更加可靠。

4 未来的SDH技术

由于通信逐渐向着业务综合化、宽带化和数字化方向发展，所以未来的SDH技术必须能适应多业务承载、智能化和大传输容量的要求，那么它必向这3个方向发展。与多业务承载能力相关的是多业务传送平台(MSTP)。MSTP是基于SDH的平台的较为成熟的技术，可以满足大数据业务的需求。可以同时接入、处理和传送TDM、ATM、以太网等业务并提供统一的网管多业务节点。它基于SDH的思想，将SDH对实时业务的有效承载与高层网络相结合来增强传送节点对多类型业务的综合承载能力。基于SDH的智能化光传输技术(ASON)可以满足更高的智能传送，也是网络发展的必然趋势。更高的传输容量是通信领域亘古不变的主题。SDH虽然凭借稳定的网络保护能力和快速恢复能力占据着优势，但它已经逐渐不能满足窄带接入网的速率要求。这时融合了SDH与WDM特点的新技术OTN也必将是未来的发展方向。

5 结语

本文大致介绍了SDH的基本帧结构、复用原理与工作过程，说明了SDH具有的巨大优势，同时也指出了SDH的致命缺陷：带宽利用率不高。在此基础上引出了诸如MSTP等新一代光纤通信技术的概念。相信随着技术的发展，SDH自身会不断更新以适应新的通信需求融合进新一代光纤通信技术中，推进光纤通信的全光网络化。