SDH技术的演进与发展.doc

SDH技术的演进与发展毛 谦 武汉邮电研究院总工程师一、概述在全球的通信网络中，光纤通信网是传输的主体网络，而其中主要是基于SDH/SONET技术的。自20世纪80年代中期，Bellcore就提出了同步光网络（SONET）的概念，1987年SONET成为北美的标准。ITU(原CCITT)在SONET的基础上，经过各国通信专家的共同努力，于1988年提出了第一套同步数字体系（SDH）的标准。由于SDHSONET的一系列优点，使其从90年代初“问世”以来，就得到飞快的发展。随着社会经济的发展，对信息的需求，特别是对宽带信息的需求不断增长，于是传送网迅速扩张，建设规模空前。这时的主角依然是SDHSONET。后来由于EDFA的成熟应用和适宜于波分复用的各种有源、无源器件技术的快速进步，DWDM系统迅速成长，特别是在核心网得到普遍应用。这时，通道设备主要仍然是基于SDHSONET的，因此在提高传送网容量的进程中， SDHSONET大显身手。在十多年的应用历程中，随着相关技术的不断成熟、传送业务不断拓展的需要以及与其他技术的融合，SDH技术一直在向前演进和发展，功能和性能不断完善和提高。下面从SDH技术本身的不断完善、在波分复用技术（包括在光传送网）中的角色、对传送数据业务的适应性、基于SDH的多业务传送平台以及与IP技术的融合等儿个方面归纳出SDH技术演进和发展的情况。二、SDH技术本身的不断完善（一）网络节点接口速率等级的不断提高和补充1988年发布的第一套SDH标准中，仅有2个速率等级，即 STM-1(155 020kbit/s)和STM-4(622 080kbit/s)。1991年修改的标准中加进了STM16(2 448 320kbit/s)。由于对传输容量的需求不断提高，同时微电子和光电子技术的进步为高速率电、光信号的处理打下了基础，于是更高等级的速率接口也应时而出。1996年增加了STM-64(9 953 280kbit/s)的规范，直至2000年的第5版标准中，才增加了STM-256(39 813 120kbit/s)这一目前最高的SDH标准接口速率。最近在日本召开的光通信研讨会上提出，是否需要考虑进一步增加有关STM1024(159 252 480kbit/s)的规范。为了便于在无线通信和接入网中应用SDH技术，在2000年还增加了STM-0(51 840kbit/s)的速率接口(原来的51 840kbit/s速率一直被使用，但从未正式规范为STM-O)。至此，形成了SDH比较完整的网络节点接口速率体系，如表1所示。表1 SDH 体系比特率同步数字体系等级体系比特率(kbits)051 8401155 5204622 080162 488 320649 953 28025639 813 120注：高于256等级的规范要求特研究 考虑到对有些无线传输系统，如中、小容量微波传输系统和卫星传输系统，51 840kbit/s这一速率还显得太高。在许多实际应用的场合，需要采用比51 840kbit/s低得多的速率。于是在1999年推出了新的网络节点接口标准 ，规范了STM-0的子速率sSTM-0接口。它包括sSTM-1k和sSTM-2n两个系列的9种速率接口，如表2所示。表2 SOHsSTM-0接口的速率（二）复用结构的改进 在实际应用中，针对客户信号类型的特点和变化，SDH的复用结构和复用路径也在不断优化。例如，1991年简化了复用结构，删除了复用路径的选择、AU-31分支和TU-3s对TUG1s的承载，用VC-3代替了VC-31，删除了TUG-22、TU-22、VC-22和C-22。1993年规范了简化的SDH帧结构。1996年引入了VC-34中支路的K、L、M编号方法及STMN中VC-34的线性编号，删去了固定的TU模式，在将TUG-2s复用进TUG-3时去掉了NPI。2000年对复用结构进行了较大的修改（2）、（3）等。最后形成的复用结构如图1所示。现行的SDH复用结构和路径既考虑了和原来使用的低阶SDH设备的兼容，又考虑到高速率复用的可实现性和易实现性，特别对容量大于E4的客户信号的映射与复用，提供了可行的方案。当然也对形成低速率（STM-0）接口信号的复用路径给出了相应的规范。（三）设备类型的简化在最初的SDH规范中，规定了4类共7种设备。但在实际应用中，主要使用终端复用设备 (TM)、中继设备(REG)、分插复用设备(ADM)和数字交叉连接设备(DXC)，但由于DXC 使用量有限，TM和REG都可以通过对ADM重新配置来实现，所以实际在网上大量使用的主要是ADM设备。随着设备集成度的提高，现在的ADM设备的交叉容量已远远大于原来的DXC的交叉容量。为了适应复杂网络结构组网的需要，在ADM设备中也增加了多方向的各种速率的光接口；同时为了增强其恢复和保护功能，对于带多环情况下的保护和在网状网结构中虚拟环的保护都能支持；通过设备本身的背板连接，实现双环互通大大简化了网络结构；在这种多功能的ADM中，再加入网络恢复算法，使得ADM与原来的DXC相比毫不逊色。因此实用中，SDH设备类型简化得只剩ADM一种，无非对应于不同应用场合的配置不同而已。 对于设备的描述方法也有很大的改进。原来对SDH设备的描述是采用传统的功能块(即方框图)的描述方法，和网络的分层描述方法不一致，难以产生有机的联系和理解。后来改用原子结构的描述方法，与网络的描述方法一致，不仅便于理解，而且便于ASIC的设计，缩短了新一代设备的开发周期，对SDH技术的发展是一种推动。（四）SDH光接口应用代码的不断丰富 最初的SDH设备只有6类12种光接口应用代码，随着接口速率的提高，类别虽然没有增加，代码的品种自然增加了一些。但在网络建设中，经常遇到一些特殊情况，用原有的应用代码很难达到理想的效果。于是，在我国制定国内的通信行业标准时，就增加了一些增强型接口的代码，解决了一部分实际应用的问题。后来，由于接口速率不断向高低端扩展，又得益于光放大器的实用化，使得进一步增加光接口的应用代码成为可能。 现在SDH设备可以提供的光接口应用代码，已增加到包括VSR、I、S、l、V、U等的31类63种，再加上DWDM目前的4类1220种代码(CWDM的应用代码还正在规范之中)，足以满足各种结构、各种功能、任何复杂应用环境的组网需求了。（五）保护与恢复功能的不断增强 起初的SDH系统，只考虑了线形保护功能，这只能满足链路型网络结构进行保护的需要。实际上，这表明SDH还停留在点对点的简单形态的系统阶段，还没有形成整个统一网络的能力。随着技术的发展，又根据SDH本身的特点，提出了SDH环形保护的概念，同时实现了保护环之间的互通。这样，为中等规模网络的组网创造了条件，特别对提高网络的生存性和灵活性非常有利。在枢纽节点，利用越来越成熟的SDXC设备，将汇集到该节点的链路和环网连接起来，在多个枢纽节点之间，就可以实现复杂结构的网络。依靠DXC设备的功能全面的恢复算法，为整个网络的可靠性、安全性方面，提供了保障。 前面已经提到，目前已经广泛应用的，功能强大的SDHADM设备，也可部分地起到DXC的作用。有些ADM设备的交叉容量目前可以做到480Gbs(相当于3072个STM1)，最终可以实现2.8Tbs的交叉能力(相当于69120个STM-1)。可以提供8-256个不同速率的光接口，支持4128个保护环路。不仅可以实现如图2所示的网状网中的不同路径的虚拟保护环，也可以共享光纤资源，实现不同速率保护环的设备共享和光纤共享，如图3所示。（六）不断完善的设备、系统和网络的同步功能 初期的SDH设备，在STM-N的帧结构中安排了复用段开销SI字节作为SDH网元的同步字节，SI字节的编码由SDH从钟的规范来确定。但是，只有网元的同步字节是远远不够的，它无法解决系统和网络整个的同步问题。于是，后来又进一步规范了对网同步层、同步分配层和同步传送层的要求，以及在SDH同步网中应采用的时钟系列，和对每种时钟的性能要求。（七）前向纠错技术的采用 在初期的SDH设备中，所采用的线路编码只是NRZ加上7级扰码。随着传送速率的不断提高，光接收机的灵敏度急剧下降，使得再生跨距大大减小。即使在有光放大器的情况下，在同样的光信噪比条件下，高速系统的光接收机灵敏度也低得多于是在最近的SDH设备中，广泛采用了前向纠错编码（FEC）。前向纠错技术是在数字通信的初期采用的一种编解码技术，后来在采用了光通信作为数字通信的传输手段（即光纤数字通信）后，由于一直以来传送的速率都比较低(例如2.5Gbit/s及其以下速率)，光接收机的灵敏度还足够高，加之受当时ASIC和软件技术水平的限制，所以在陆上系统没有采用FEC，只是在海光缆系统中应用。现在，在高速传送需要和技术水平提高的基础上，FEC又被提出来在陆上系统中采用。FEC有很多种类，一般在SDH设备中采用的是带内编码的BCH3码。即利用段开销中未被占用的字节来传送FEC纠错所需的信息。 在OTN中，利用数字包封技术，还可以再加上带外的FEC，目前规范的是R-S码。但国内电信行业标准还鼓励在此基础上，再采用纠错能力更强的增强型前向纠错编码（EFEC），或超级前向纠错编码（SFEC）等。 三、基于SDH的波分复用在SDH的传送速率达到2.5Gbit/s之后，如何进一步提高传送容量，在技术路线上发生了分歧和争论。有的主张仍然采用传统的TDM方式，将4个2.5Gbit/s复用成10Gbit/s，可使传送容量扩大4倍。但有人主张采用WDM的方法，将4个2.5Gbit/s复用成10Gbit/s，同样可使传送容量扩大4倍。两种方法孰优孰劣，一时难分高低。后来由于用于WDM的MU-DEMUX器件、特定波长DFB-LD，特别是EDFA的成热和实用化，使WDM技术得到推广，被广泛应用。另一方面，随着材料、ASIC、光电子等技术的进步，使单波导STM-64也逐步成熟，被广泛应用于核心网甚至城域网。事实证明，两种技术路线之间并没有矛盾，而是相辅相成的。单波道速率的提高和波分复用波道数的增加，对提高总的传送容量都是有利的。所以，目前在运营网络中的大容量DWDM系统多采用NXSTM-64，例如32xSTM-64。 在OTN的保护规范没有正式确定之前，由于DWDM系统中的客户信号大多是SDH信号，所以可以采用SDH的保护方式。其中，最普遍应用的是将某一DWDM系统中相关的SDH波道，与其他DWDM系统中相应的SDH波道或者同速率的单波道SDH系统连成环形，利用SDH环网保护的方案进行保护。 当前，正在进行研究的OTN保护规范中的主要保护机理，仍然是和SDH的线形保护和环形保护相似的机理。有些商用DWDM系统已开始使用相应的保护方式。 为适应城域网（MAN）和接入网（AN）中光传输的特殊要求，一般不将核心网中的DWDM系统直接照搬到MAN和AN中，而是进行适应性改造。更好的办法是在城域网中采用粗波分复用（CWDM），在AN中采用宽波分复用（WWDM）。在这些系统中，目前主要的客户信号多为SDH。 四、SDH对传送数据业务的适应性SDH系统起初主要是为承载基于电路交换的TDM信号的，对分组信号开始只考虑了ATM。后来，随着因特网的发展，通过SDH网络承载，IP信号的需求越来越迫切，于是，人们提出了许多将IP信号映射进SDH虚容器（VC）的方法，起初是先将IP或Ethernet装进ATM，然后再映射进SDH传输，即IPEthernet over ATM，再over SDH。后来，又把中间过程省去，直接将IP或Ethernet映射进SDH，如PPP、LAPS、SDL、GFP等，即IP over SDH、POS或EOS。这几种映射方式的主要优缺点如表3所示。表3 IP over SDH几种映射方式的比较 然而，SDH的虚容器VC的大小是固定的，且与IP或以太网分组信号的大小并不匹配。例如100M快速以太网FE信号如果映射进VC4，则约有40的容量空闲，造成资源浪费。能否FE映射进50个VCl2呢?用直接映射到VCl2是不行的。于是，SDH发展了VC级联的技术，即通过N个VCn的级联，可以成为容量为NXVCn的等效容器来使用。级联又有相邻级联和虚级联两种方式。有了级联技术以后，分组信号映射进SDH就方便多了。在实际使用级联技术时，在传送过程中，还采用根据分组信号容量的实时变化，动态调整级联的VCn个数，使得SDH通道的利用更加有效。为了识别在SDH上承载的是什么客户信号，在SDH的通道开销中，又设置了信号标签。给不同客户信号以不同的信号标签的编码，随通道开销传送，在网中就不会发生信号失配的错误。 五、基于SDH的多业务传送平台当SDH在城域网中应用时，人们觉得SDH仅仅作为一种传输手段尚未能完全适应城域网的需要。由于城域网比较靠近用户，特别对于数据业务的用户，希望SDH既能提供传输功能，又能提供多种业务的接入功能。这样的SDH技术实际上可以看作是传输与交换的融合，又称为基于SDH的多业务传送平台（MSTP）。基于SDH的MSTP是指基于SDH能同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入处理和传送，提供统一网管的多业务节点设备。基于SDH的MSTP除应具有标准SDH设备所具有的功能外还应具有TDM业务、ATM业务或以太网业务的接入功能；TDM业务、ATM业务或以太网业务的传送功能，包括点到点的透明传送功能：ATM业务或以太网业务的带宽统计复用功能；ATM业务或以太网业务映射到SDH虚容器的指配功能等。其功能框图如图4所示。例如，其中的以太网业务接口，除了可以通过PPP或LAPS映射进VC从而实现透明传输以外，还可以通过MSTP中嵌入的以太网2层甚至3层交换机，直接挂接10100M以太网端口。提供LAN的接入。实际上，有些MSTP设备除了提供上述业务外，还可以提供FR、FDDI、Fiber Channel、FICON、ESCON等众多类型的业务。图4 基于SDH的MSTP的功能框图六、SDH技术与IP技术的融合在技术的发展中，许多技术也在不断吸取其他技术的特长，弥补自己的不足，或者说是不同技术之间的融合。例如利用SDH的自愈环技术，与IP或其他分组技术的码流具有随机性、突发性的特点，产生了弹性分组环技术。RPR可以认为是SDHSONET技术和IP技术的有效结合，是在无连接的IP技术中引入面向连接的机制，把SDHSONET的环型保护的概念和IP的流控技术巧妙地进行丁有机的结合。弹性分组环的特性脱胎于SDH，例如保持了50ms的保护时间，提供了QoS保证；又优于SDH，例如RPR没有空闲的冗余容量，又可以重复使用已分配的光纤路由，因此