非通工专业《现代通信网》第二章传送网

1、2022/9/8内容2.1 物理层及传输介质 基本概念 有线介质 无线介质2.2 多路复用基带传输系统频分复用系统时分复用系统波分复用系统2022/9/8内容2.3 SDH传送网 SDH简介 SDH帧结构 SDH网络单元 我国SDH传送网结构2.4 光传送网技术背景 帧结构光传送网结构2022/9/82.1物理层及传输介质物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性：指明对于不同功能的各

2、种可能事件的出现顺序。 2.1.1 基本概念2022/9/8传输介质传输信号的物理通信线路。频谱信号包含的频率成分的范围。带宽频谱的绝对宽度。 有效带宽指包含信号主要能量的那一部分带宽。传输介质也有带宽，其工作特性就像一个带通滤波器； 用传输介质的有效传输距离和带宽来衡量其质量，其中传输距离与带宽成反比，同时带宽越宽，成本越高。有线介质：有双绞线、同轴电缆和光纤等无线介质：有无线电、微波、红外线等2022/9/8无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波 调幅无线电 调频无线电 海事无线电光纤电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104

3、105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波频谱2022/9/82.1.2 有线介质双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair）无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆 2022/9/81双绞线由一对绝缘的铜导线扭绞在一起组成的一条物理通信链路。双线扭绞可减少线间的低频干扰，扭绞越紧

4、抗干扰越好。特点：带宽一般在1MHz范围之内，传输距离约为24 km 优点：最便宜和易于安装使用缺点：串音会随频率的升高而增加，抗干扰能力差，复用度不高使用范围：常用于电话用户线和局域网传输介质2022/9/8UTP和STP铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层屏蔽双绞线 STP铜线聚氯乙烯 套层绝缘层无屏蔽双绞线 UTP2022/9/8非屏蔽(UTP：Unshielded Twisted Pair)：应用于电话用户线和局域网屏蔽(STP：Shielded Twisted Pair )：应用于IBM的令牌环网表2.1 常用UTP的性能UTP和STP2022/9/82同轴电缆指由内、外导体和中间的绝缘层组

5、成，内导体是比双绞线更粗的铜导线，外导体外部还有一层护套，共同组成一种同轴结构。优点：抗干扰能力强于双绞线，适合于高频宽带传输 缺点：成本高，不易安装埋设 特点：能提供500750 MHz的带宽 使用范围：主要用于CATV和光纤同轴混合接入网2022/9/8同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆外部保护套外导体内导体绝缘层2022/9/83光纤指一种很细的可传送光信号的有线介质。目前使用的光纤多为石英光纤。光纤由纤芯、包层和外套三个同轴部分组成。其中纤芯、包层由两种折射率不同的玻璃材料制成，包层的折射率略小于纤芯，外套一般由塑料制成。2022/9/8光线在光纤中的折射 折射角入射

6、角 包层（低折射率的媒体） 包层（低折射率的媒体） 纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯2022/9/8光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射2022/9/8多模光纤(MMF)：纤芯直径较大，通常为50m或62.5m，允许多个光传导模式同时通过光纤，主要用于短距低速传输，比如接入网和局域网，一般传输距离应小于2km。单模光纤(SMF)：纤芯直径非常小，通常为410m,只允许光信号以一种模式通过纤芯，为信号的传输提供更大的带宽，更远的距离。目前长途传输主要采用单模光纤。在ITU-T的最新建议G.652、G.653、G654、G.655中进行了定义和规范。单

7、模光纤和多模光纤2022/9/8输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2022/9/8优点：大容量，工作频率分布在10141015Hz范围内；体积小、重量轻； 低衰减、抗干扰能力强，同时安全保密性也很好。窗口通常采用的光脉冲信号的波长集中的范围。 常用的有850 nm、1310nm和1550nm为中心的三个低损耗窗口 应用范围： 在局域网中较常采用850nm；在长距离和高速率的城域网和长途网中均采用1550 nm波长。2022/9/82.1.3 无线介质通过无线介质传输光、电信号的通信形式习惯上叫做无线通信。无线传输所使用的频段很广，常见的电磁波频段有无线电频段、微

8、波频段、红外线频段。2022/9/81）无线电又称广播频率(RF: Radio Frequency), 其工作范围在几十兆赫兹到200兆赫兹左右。 优点：易于产生，能够长距离传输，能轻易地穿越建筑物，其传播是全向的，适于广播通信。 缺点：其传输特性与频率相关：低频信号穿越障碍能力强，但传输衰耗大；高频信号趋向于沿直线传输，但易在障碍物处形成反射，并且天气对高频信号的影响大于低频信号。所有的无线电波易受外界电磁场的干扰。2022/9/82) 微波指频段范围在300 MHz30 GHz的电磁波。 特点：在空间沿直线传播，在视距范围内实现点对点通信，微波中继距离应在80 km范围内 缺点：信号易受环

9、境的影响，频率越高影响越大。使用范围：适于地形复杂和特殊应用需求的环境。2022/9/83) 红外线指10121014Hz范围的电磁波信号。 缺点：不能穿越固体物质； 使用范围：用于短距离、小范围内的设备之间的通信，应用在家电产品的远程遥控，便携式计算机通信接口等。2022/9/82.2.1 基带传输系统指在短距离内直接在传输介质上传输模拟基带信号的系统。只有双绞线可以直接传输基带信号。优点：线路设备简单； 缺点：传输媒介的带宽利用率不高，不适于在长途线路上使用；使用范围：在传统电话用户线上或在局域网中使用。2.2 多 路 复 用2022/9/82.2.2 频分复用传输系统将多路信号经过高频载

10、波信号调制在同一介质上传输。要求每路信号要调制到不同的载波频段上，而且各频段之间要保持一定的间隔。频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 52022/9/8频分复用传输系统缺点：需要模拟的调制解调设备，成本高且体积大，难以集成，稳定度不高。 使用范围：主要用于微波链路和铜线介质上。2022/9/82.2.3 时分复用传输系统将模拟信号经过PCM(Pulse Code Modulation)调制后变为数字信号，然后进行时分多路复用的技术。 国际标准： 北美地区使用的T载波方式，一次群信号T1每帧24时隙，速率为1.544Mb/s； 国际电联标准E载波方式，一次群信号E1每帧32时隙, 速率

11、为2.048Mb/s。优点：差错率低，安全性好，数字电路的高集成度，更高的带宽利用率。 目前传输体系：准同步数字体系PDH和同步数字体系SDH。2022/9/8TDM原理示意图2022/9/8时分复用 频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧2022/9/8时分复用 频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧2022/9/8时分复用 频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM

12、帧2022/9/8时分复用 频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧2022/9/8时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdbcattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户2022/9/8统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbabbcacd#2#3统计时分复用2022/9/82.2.4 波分复用传输系统指在光纤上采用WDM(Wavelength Division Multiplexing)技术的系统。 WDM本质上是光域上的频分复用(FD

13、M)技术。 将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，每一信道占用不同的光波频率(或波长)。在发送端，采用波分复用器(合波器)将不同波长的光载波信号复用；在接收端，由波分复用器(分波器)将不同的波长光载波信号分离。粗波分复用(Coarse WDM)：通常一路光载波信号占用一个波长窗口，波长之间间隔很大。密集波分复用(Dense WDM)：目前只在1550 nm窗口传送多路光载波信号，相邻波长间隔比较窄。2022/9/8波分复用就是光的频分复用。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm

14、70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器放大器120 km波分复用的原理(DWDM)2022/9/82.3 SDH传送网同步光纤网 SONET美国于1988年推出SONET。同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 第1级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是51.84 Mb/

15、s。光信号则称为第1级光载波 OC-1，OC表示Optical Carrier。 2022/9/82.3.1 SDH简介ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。SDH是独立于设备制造商的NNI间的数字传输体制接口标准(光、电接口)。使用范围：主要用于光纤传输系统。设计目标：定义一种技术，通过同步的、灵活的光传送体系来运载各种不同速率的数字信号。SDH内容：包括传输速率、接口参数、复用方式和高速SDH传送网的OAM。2022/9/8SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块

16、(Synchronous Transfer Module)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。其他高阶信号速率均由STM-1的整数倍构造而成。STM-4 (4STM-1=622.080 Mb/s)STM-16 (4STM-4=2488.320 Mb/s)2022/9/8线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/

17、STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET 的 OC 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 2022/9/82.3.2 帧结构1整体结构SDH帧结构与PDH一样，以125s为帧同步周期，并采用了字节间插、指针、虚容器等关键技术。以STM-1为例，其帧格式为由9行、270列字节组成，是以字节为单位的块状结构。高阶信

18、号均以STM-1为基础，采用字节间插的方式形成，STM-N则由9行、270N列字节组成。STM-N帧的传送方式以行为单位，自左向右，自上而下依次发送。2022/9/89 行9 列开销字节261 列STM-1净负荷(含 POH)行 1行 2行 3行 4行 5行 6行 7行 8行 9RSOHAU-PTRMSOH270 列行 1行 2行 3行 9125msSTM-1帧结构示意图2022/9/82. STM帧组成结构段开销SOH (Section Overhead)：用于SDH传输网的运行、维护、管理和指配(OAM&P)。再生段开销(Regenerator SOH)：位于SOH区的13行复用段开销(M

19、ultiplexor SOH)：位于SOH区的59行STM净负荷：存放各种业务信息，也包含少量的通道开销POH (Path Overhead)。管理单元指针AU-PTR：用于指示STM净负荷中的第一个字节在STM-N帧内的起始位置。位于RSOH和MSOH之间，即STM帧第4行的19列。2022/9/8开销字节用于简化支路信号的复用/解复用、增强SDH传输网的OAM&P能力。SDH的开销字节分类：(1) RSOH：负责管理再生段。支持的功能有STM-N信号的性能监视、帧定位、OAM&P信息传送。 (2) MSOH：负责管理复用段。支持的功能有复用或串联低阶信号、性能监视、自动保护切换、复用段维护

20、等。 (3) POH：用于端到端的通道管理。支持的功能有通道的性能监视、告警指示、通道跟踪、净负荷内容指示等。 (4) AU-PTR：定位STM-N净负荷的起始位置。2022/9/83. 虚容器VC虚容器VC：可承载不同信息类型。任何上层业务信息必须先装入VC，然后才能装入STM净负荷区，通过SDH网络传输。 通道：传送VC的实体。VC组成结构：信息净负荷(Container)：存放业务信息。 通道开销(POH)：用于通道管理。便于定位VC中业务信息净负荷、通道的插入和提取，以VC为单位进行同步复用和交叉连接。 VC分为高阶VC(VC-3，VC-4)和低阶VC(VC-2，VC-11，VC-12

21、)。VC中的字节在STM帧中并不是连续存放的；一个VC可以在多个相邻的帧中存放。2022/9/8STM净负荷的组织两级管理结构： 管理单元(AU: Administrative Unit)：由AU-PTR和一个高阶VC组成， AU也可由多个低阶VC组成。目前AU有AU-4和AU-3两种形式。 支路单元(TU：Tributary Unit)：由TU-PTR和一个低阶VC组成。目前TU有TU-11、TU-12、TU-2、TU-3等四种形式。TUG(TU Group)：由特定数目TU根据路由编排、传输需要组成。AUG：由多个AU构成。2022/9/8J19 列 SOH 开销AU-4 指针B3C2G1

22、F2H4F3K3N1VC-4 的 POH261 列 STM-1 净负荷VC-4 的起点STM-1 第 m 帧AU-4 指针STM-1 第 m1 帧一个 VC4 的区域 STM-1(AU-4)的净负荷结构2022/9/84SDH的复用映射结构信号复用的步骤：映射(Mapping)：在SDH网的入口处，将各种支路信号通过增加调整比特和POH适配进VC。定位(Aligning)：利用POH进行支路信号的频差相位的调整，定位VC中的第一个字节。复用(Multiplexing)：将多个低阶通道层信号适配进高阶通道层或将多个高阶通道层信号适配进复用段的过程，复用以字节间插方式完成。2022/9/8NSTM

23、-NAUG13AU-4VC-43TUG-31TU-3VC-37AU-3VC-3TUG-271TU-2VC-2C-2C-344.376 Mb/s34.368 Mb/s6.312 Mb/sC-4139.264 Mb/sTU-12VC-12C-122.048 Mb/sTU-11VC-11C-111.544 Mb/s34指针处理；定位；映射；复用SDH的复用结构2022/9/8通道、复用段、再生段光子层通道层复用段层再生段层复用段光子层通道层复用段层再生段层光子层复用段层再生段层光子层再生段层光子层复用段层再生段层光子层再生段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器再生段再生段通

24、道再生段2022/9/82.3.3 基本网络单元1终端复用器TM 为传统接口用户(如T1/E1、FDDI、Ethernet)提供到SDH网络的接入。 将多个PDH低阶支路信号复用成一个STM-1或STM-4，也可完成电信号STM-N到光载波OC-N的转换。2分插复用器ADM 提供与TM一样的功能，主要是便于组建环网，提高光网络生存性。 负责在STM-N中插入或提取低阶支路信号，利用内部时隙交换功能实现两个STM-N之间不同VC的连接。 是目前SDH网中应用最广泛的网络单元。2022/9/8基本网络单元（续）3数字交叉连接设备DXCSDXCSDH网中的DXC设备（在美国则称为DCS）。 一个SD

25、XC具有多个STM-N信号端口，可提供任意两端口速率(包括子速率)之间的交叉连接。 SDXC设备的类型用SDXC p/q的形式表示。 “p”端口速率的阶数 “q”端口可进行交叉连接的支路信号速率的阶数 例如： SDXC 4/1端口速率的阶数为155.52 Mb/s，可交换的支路信号的最小单元为2 Mb/s。2022/9/82.3.4 我国SDH传送网的结构STM-4、STM-16、STM-64DXC4/4DXC4/4DXC4/4DXC4/4DXC4/1DXC4/1DXC4/4DXC4/4STM-1、STM-4、STM-16ADMADMDXC4/1省际干线网省内干线网ADMADMDXC4/1DX

26、C4/1ADMADMDXC4/1中继网STM-1、STM-4ADMADMADMTMADMTMTMADM用户接入网2022/9/8我国SDH传送网的结构现阶段我国SDH传送网分为四个层面：省际干线网、省内干线网、中继网、用户接入网。1.省际干线网 在主要省会城市和业务量大的汇接节点城市装有DXC4/4用STM-4、STM-16、STM-64高速光纤链路构成一个网孔型结构的国家骨干传送网。2.省内干线网在省内主要汇接节点装有DXC4/4或DXC4/1 用STM-1、STM-4、STM-16高速光纤链路构成网状或环型省内骨干传送网结构。2022/9/8我国SDH传送网的结构(续)3中继网 指长途端局

27、与本地网端局之间，以及本地网端局之间的部分。 中等城市一般可采用环型结构，特大和大城市则采用多环加DXC结构组网。 主要设备为ADM、DXC4/1，它们之间用STM-1、STM-4光纤链路连接。4用户接入网 该层面处于网络的边缘，业务容量要求低。 多采用环型和星型结构。 使用的网元为ADM和TM。 提供的接口有STM-1、STM-4，PDH体制的2M、34M或140M接口等。2022/9/82.4 光 传 送 网OTN (Optical Transport Network) ： 是一种以DWDM与光通道技术为核心的新型传送网结构，由光分插复用器、光交叉连接、光放大器等网元设备组成，是面向NGN

28、的下一代新型传送网。2022/9/82.4.1 技术背景20世纪90年代以来，SDH/SONet成为传送网络主要的底层技术。 优点：技术标准统一，提供对传送网的性能监视、故障隔离、保护切换，以及理论上无限的标准扩容方式。 缺点：面向话音业务优化设计，采用严格的TDM技术方案，对于突发性很强的数据业务，带宽利用率不高。SDH/SONet系统解决带宽增长需求的手段：埋设更多的光纤；采用TDM技术。下一代网络NGN是面向数据，基于分组技术的，因此设计出了基于DWDM技术的OTN。OTN与SDH/SONet传送网主要差异：复用技术不同相似之处：都是面向连接的物理网络，网络上层的管理和生存性策略也大同小

29、异2022/9/8与OTN相关的主要标准ITU-T G.872：定义了OTN主要功能需求和网络体系结构； ITU-T G.709：定义了用于OTN的节点设备接口、帧结构、开销字节、复用方式以及各类净负荷的映射方式； G.874和G.875建议：定义了OTN的网络管理功能。2022/9/8OTN主要优点DWDM技术可以不断提高现有光纤的复用度，最大限度利用现有设施。DWDM技术独立于具体的业务，同一根光纤的不同波长上接口速率和数据格式相互独立，使得运营商可以在一个OTN上支持多种业务。OTN系统既能管理单波长，也能管理每根光纤中的所有波长。采用基于光层的故障恢复比电层更快、更经济。2022/9/

30、82.4.2 OTN的帧结构1数字封包 ITU-T G.709中定义了OTN的NNI接口、帧结构、开销字节、复用以及净负荷的映射方式。在OCh层中采用数据封包(Digital Wrapper)技术：将每个波长包装成一个数字信封,每个数字信封由三部分组成。2022/9/8 数字封包(1) 开销部分(Overhead)：位于信封头部，装载开销字节。用于提供管理、控制信息、执行性能监视，以及其他基于每波长的网络管理功能。(2) FEC部分：位于信封尾部，执行差错的检测和校正，有利于扩展光段的距离、提高传输速率。(3) 净负荷部分：位于Header和Trailer之间，承载现有的各种网络协议数据包，而

31、不改变它们。SDH/SONetATMFDDIIPPDHSDL千兆以太网OCh 净负荷OChOverheadFEC2022/9/82OTN的帧结构OTN的帧被称为光信道传送单元(OTU：Optical Channel Transport Unit)。在G.709中，定义了三种不同速率的OTU-k (k=1，2，3)帧结构，速率依次为2.5Gb/s、10Gb/s、40Gb/s。2022/9/8OPU客户层信号(SDH、IP、ATM 等)OPU 净负荷OPU-OHOPU 净负荷OPU-OHFECODU-OHOTU-OHFASOTUOTN 客户信号的映射(1) 客户信号加上OPU-OH形成OPU(Op

32、tical Channel Payload Unit)。(2) OPU加上ODU-OH后形成ODU(Optical Channel Data Unit)。(3) FAS(Frame Alignment Signal)、OTU-OH、FEC加入ODU形成OTU，再加上OCh层非随路的开销(通过OSC传送)，完成OTU到OCh层的映射，并将其调制到一个光信道载波上传输。2022/9/8 OTUK的组成OPUK：由净负荷和开销组成净负荷包含采用特定映射技术的客户信号开销包含用于支持特定客户的适配信息。ODUK：由OPUK和多个开销字段组成：PM (Path performance Monitoring)、TCM (Tandem Connection Monitoring) 、 APS/PCC (Automatic Protection Switching /Protection Communication Control channel) OTUK：由ODUK、FEC和用于管理及性能监视的开销SM (Section Monitoring)组成，FEC则基于ITU-T G.975建议的Reed Solomon算法。2022/9/8OTN的帧结构和开销字节Alignment1OTUk-OHODUk-OH2OPUk-OH341516OPUk净负荷(43808 字节)12345678910