第1章SDH的基础理论知识课件

光传输网络技术第1章SDH基础知识 【本章内容简介】

本章系统介绍了同步数字系列（SDH）技术的概念和内容，包括：PDH的主要缺陷，SDH的特点及帧结构，SDH段开销，SDH的映射和复用，SDH指针技术，ATM、IP映射入STM-N等基础知识。 【本章重点难点】

本章重点是SDH帧结构，SDH段开销，SDH的映射和复用，SDH指针技术；难点是SDH映射和复用过程，SDH指针调整。1.1SDH的产生1.2SDH的速率等级及帧结构1.3SDH段开销1.4映射和复用1.5指针技术1.6ATM、IP映射入STM-N小结1.1SDH的产生 高度发达的信息社会要求通信网能提供多种多样的电信业务，通过通信网传输、交换处理的信息量将不断增大，这就要求现代化的通信网向数字化、综合化、智能化和个人化方向发展。 传输系统是通信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接影响着通信网的发展。 为了扩大传输容量、提高传输效率，在数字通信中，常常将若干个低次群低速数字信号以数字复用的方式合成为一路高速数字信号。 数字复用必须按照一定的标准进行。 国际电信联盟电信标准部门（ITU-T）的前身，原国际电报电话咨询委员会（CCITT）规定了两种基本复用标准，即准同步数字系列（PDH）和同步数字系列（SDH）。 我国在1995年以前采用PDH复用方式。 1995年以后，随着光纤通信的迅猛发展引入了SDH复用方式，原有的PDH数字传输网可逐步纳入SDH传输网。 1.1.1PDH的帧结构和主要缺陷 PDH技术将每路模拟话音信号进行抽样、量化、编码，变为一路64

kbit/s的数字信号，为了提高线路利用率和传输容量，采用时分复用技术，将多路64

kbit/s数字信号以字节为单位进行间插复接。 在欧洲，将30个独立的64

kbit/s话音信道与两个信息控制信道一起形成一个32个时隙的信号结构，其传输速率为2.048

Mbit/s；在北美和日本，则将24个64

kbit/s信道的信号间插复用在一起，形成一个1.544

Mbit/s的信息流。 为进一步提高传输容量，可将若干个2.048

Mbit/s（或1.544

Mbit/s）的信息流复接成更高速率的信息流。 例如，欧洲将4个2.048

Mbit/s信息流复接为一路8.448

Mbit/s的信息流；4个8.448

Mbit/s信息流复接为一路34.368

Mbit/s的信息流；4个34.368

Mbit/s信息流复接为一路139.264

Mbit/s的信息流。 在PDH中，各速率等级虽规定了标称速率，但支路信号可来自不同的设备，这些设备有各自独立的时钟源，因而来自不同设备的同一速率等级的支路信号其速率并不一定严格相等。 为了能将各支路信号复接成更高速率的信号，对于各速率等级除规定标称速率外，还规定其允许的偏差范围，即容差。 这种有相同的标称速率，但又允许有一定的偏差的信号称为准同步信号。 它们复接时只能靠插入调整比特，采用异步复接。 我国的PDH技术采用欧洲制式，欧洲制式中各次群的速率、偏差、帧周期、电路数如表1-1所示。（1）国际上现有的PDH技术存在三大地区标准，如图1-1所示，这种局面造成了国际互通的困难。图1-1ITU-T建议的三大PDH系列（2）没有世界性标准的光接口规范。致使不同厂家的设备，甚至同一厂家不同型号的设备光接口各不相同，不能互连，即横向不兼容。（3）上/下支路困难。 PDH各速率等级帧长不同，低次群帧的起始点在高次群帧中没有固定位置，也无规律可循。 这种情况导致上/下支路必须采用背靠背设备，逐级分接出要下的支路，将不下的支路再逐级复接上去，如图1-2所示。图1-2从140

Mbit/s信号分/插出2

Mbit/s信号示意图（4）只能采用异步复接方式，即复接时需调整各支路速率同步后才能复接。（5）网络管理能力不强。 由于安排的开销比特很少，不能提供足够的运行、管理和维护（OAM）能力。 网络的OAM主要靠人工的数字交叉连接和停业务检测，不能适应不断演变的电信网的要求。 1.1.2SDH的产生及特点 SDH帧结构克服了PDH的不足，与传统的PDH相比较，SDH具有如下明显的特点。（1）灵活的分插功能。（2）强大的网络管理能力。（3）强大的自愈能力。（4）SDH有标准的光接口规范，不同厂家的设备可以在光路上互连，真正实现横向兼容。（5）SDH具有兼容性。 总结起来，SDH核心特点是：同步复用、标准光接口、强大的网络管理能力。 当然，SDH技术并不是十全十美的，它也有一些不足之处。（1）由于开销比特很多，因此频带利用率不如PDH；（2）大规模采用软件技术，一旦计算机系统出现问题，将造成全网瘫痪；（3）为了能兼容各种速率信号、实现横向连接，采用指针调控技术，产生较大的抖动，对信号造成一定的传输损伤。1.2SDH的速率等级及帧结构 1.2.1SDH的定义及设备基本类型 同步数字系列（SDH）是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体，并由统一网管系统操作的综合信息传送网络。 SDH实际上是网络节点接口的一个统一规范，这个规范中首先统一的就是接口速率等级和帧结构安排。 另外，SDH还统一了设备类型和设备功能，使网络构成更加规范。 SDH设备（网元）类型有4种。（1）终端复用器（TM）（2）分插复用器（ADM）图1-3TM网元示意图图1-4DXC网元示意图（3）再生中继器（REG）（4）数字交叉连接器（DXC）图1-5REG网元示意图图1-6DXC网元示意图 1.2.2SDH速率等级 SDH按一定的规律组成块状帧结构，称为同步传送模块（STM），它以与网络同步的速率串行传输。 SDH中最基本的，也是最重要的模块信号是STM-1，其速率为155.520

Mbit/s，更高等级的模块STM-N是N个基本模块信号STM-1按同步复用，经字节间插后形成的，其速率是STM-1的N倍，N取正整数1、4、16、64。 详细速率等级如表1-2所示。 STM-N光接口线路信号只是STM-N信号经扰码后电光转换的结果，因而速率不变。 1.2.3SDH帧结构 STM-N帧结构由9行、270

N列（byte）组成，每字节8

bit，每字节速率为64

kbit/s。 一帧的周期为125

s，帧频为8

kHz（每秒8

000帧）。 STM-1（N=1）是SDH最基本的结构。 每帧周期为125

s，含19

440（9

270

8）

bit，传输速率为19

440

8

000=155

520

kbit/s。 因为STM-N是由N个STM-1经字节间插同步复接而成的，故其速率为STM-1的N倍。 SDH帧由净负荷、管理单元指针（AU-PTR）、段开销（SOH）3部分组成，如图1-7所示。图1-7STM-N帧结构图1-8SDH开销功能的组织结构1.3SDH段开销 1.3.1段开销的安排 STM-N的段开销由N个STM-1段开销按字节间插同步复用而成，但只有第一个STM-1的段开销完全保留，其余N−1个STM-1的段开销仅保留A1、A2和3个B2字节，其他的字节全部省略。 以STM-1信号为例来讲述段开销各字节的用途。 对于STM-1信号，段开销包括位于帧中1～3行

1～9列的RSOH和5～9行

1～9列的MSOH。STM-1段开销的安排如图1-9所示。 RSOH和MSOH的区别在于监控范围的不同，RSOH对整个STM-N进行监控，MSOH对STM-N中的每一个STM-1进行监控。图1-9STM-1段开销的安排 1.3.2段开销功能 1．再生段开销功能（1）帧定位字节A1、A2（2）再生段踪迹字节J0（3）STM-1识别符C1（4）再生段误码监视字节B1（5）再生段公务通信字节E1（6）使用者通路字节F1（7）再生段数据通信通道字节（DCC） 2．复用段开销（1）复用段误码监视字节B2（2）数据通信通道字节D4～D12（3）复用段公务通信字节E2（4）自动保护倒换通路字节K1、K2（b1～b5）（5）复用段远端缺陷指示字节K2（b6～b8）（6）同步状态字节S1（b5～b8）（7）复用段远端差错指示字节M1（8）保留给将来国际标准使用的字节1.4映射和复用 1.4.1映射和复用的基本概念 前面已经提到，SDH具有兼容性，即PDH三大系列的各速率等级的信号均可以纳入SDH的传送模块中（具体地说可纳入STM-1中），这样使现存的PDH设备还能继续使用，不致造成浪费。 同时SDH还能兼容各种新业务纳入传送模块。 这种将PDH信号和各种新业务装入SDH信号空间，并构成SDH帧的过程称为映射和复用过程。

映射是指一种速率变换、适配。 映射源于数学中的集合论，原意指的是一个集合经过一定的变换关系变换到另一个集合。 在SDH中，映射是指将PDH信号比特经过一定的对应关系放置到SDH容器中的确切位置上去。 其实质是使各种支路信号的速率与相应虚容器的速率同步，以便使虚容器成为可独立地进行传送、复用和交叉连接的实体。 例如码速调整，加入通道开销构成虚容器。 映射分为同步映射和异步映射两大类，异步映射采用码速调整进行速率适配，SDH中采用正/零/负码速调整和正码速调整两种。 同步映射不需要速率适配，同步分为比特同步和字节同步，SDH中采用字节同步，并可细分为浮动模式和锁定模式。 复用是指几路信号逐字节间插或逐比特间插合为一路信号的过程。 在SDH中基本采用逐字节复用。 复用有不同的实现方法，例如在欧洲制式的PDH体系中，规定30个话路复接成2

048

kbit/s基群信号，4路2

048

kbit/s支路信号复接成一路8

448

kbit/s信号，4路8

448

kbit/s信号复接成一路34

368

kbit/s信号等，这就是所谓的PDH复用结构或复用路线。 原CCITT对SDH的复用映射结构或复用路线作出了严格的规定，如图1-10所示。 PDH各速率等级按复用路线均可以映射到SDH的传送模块中去。图1-10ITU-TG.709建议的SDH复用映射结构 1.4.2SDH映射复用单元 如图1-11所示，SDH的基本复用单元包括标准容器（C）、虚容器（VC）、支路单元（TU）、支路单元组（TUG）、管理单元（AU）和管理单元组（AUG）。图1-11我国规定的SDH复用映射结构（1）标准容器 容器是一种用来装载各种速率的业务信号的信息结构。 主要完成适配功能，即完成输入信号和输出信号间的码型、码速变换。 原CCITT规定了5种标准容器：C-11、C-12、C-2、C-3和C-4，其标准输入速率分别为1.544、2.048、6.312、34.368、139.264

Mbit/s。 我国常用的有C-12、C-3、C-4容器。 已装载的容器又可视为虚容器的信息净负荷。（2）虚容器 虚容器（VC）用于支持SDH通道层连接的信息结构。 它由容器输出的信息净负荷加上通道开销（POH）组成，即： VC-n=C-n+POH 虚容器可分为低阶虚容器和高阶虚容器。 VC-12、VC-2和通过TU-3复用进VC-4的VC-3为低阶虚容器，AU-3中的VC-3和VC-4为高阶虚容器。 VC是SDH中可以用来传输、交换、处理的最小信息单元，VC在SDH传输网中传输的路径称为通道。 由于我国取消了AU-3通道，所以VC-12、VC-3都是低阶通道。（3）支路单元和支路单元组 支路单元是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构，即负责将低阶虚容器经支路单元组装进高阶虚容器。 它由低阶VC-n和相应的支路单元指针（TU-n-PTR）组成。即： TU-n=低阶VC-n+TU-n-PTR 支路单元指针TU-n-PTR用来指示VC-n净负荷起点在TU帧内的位置。 支路单元组TUG由一个或多个在高阶VC净负荷中占据固定的、确定位置的支路单元组成。（4）管理单元和管理单元组 管理单元是提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构（即负责将高阶虚容器经管理单元组装进STM-N帧）。 它由高阶VC和相应的管理单元指针（AU-PTR）组成。即： AU-n=高阶VC-n+AU-n-PTR 管理单元指针AU-n-PTR指示高阶VC-n净负荷起点在AU帧内的位置。 管理单元组是由一个或多个在STM-N净负荷中占据固定的、确定位置的管理单元组成。 根据上述复用单元分析，任何信号进入SDH组成STM-N帧需经过3个步骤：映射、定位和复用。（1）映射： 是将各种速率的G.703支路信号先分别经过码速调整装入相应的标准容器，然后再装入虚容器的过程。 如图1-10中将2.048

Mbit/s信号装进VC-12，将34.368

Mbit/s信号装进VC-3，将139.264

Mbit/s信号装进VC-4等的过程。（2）定位： 是一种以附加于VC上的支路单元指针指示和确定低阶VC帧的起点在TU净负荷中位置或管理单元指针指示和确定高阶VC帧的起点在AU净负荷中的位置的过程。 如图1-10中用附加于VC-12上的TU-12-PTR指示和确定VC-12的起点在TU-12净负荷中位置的过程，用附加于VC-3上的TU-3-PTR指示和确定VC-3的起点在TU-3净负荷中位置的过程，用附加于VC-4上的AU-4-PTR指示和确定VC-4的起点在AU-4净负荷中位置的过程等。（3）复用： 是一种把TU组织进高阶VC或把AU组织进STM-N的过程。 如图1-10中将TU-12经TUG-2再经TUG-3装进VC-4的过程，将TU-3经TUG-3装进VC-4的过程，将AU-4装进STM-N帧的过程等。 1.4.3常用PDH支路信号映射复用进STM-1的方法 SDH的映射复用过程相当于将货物放上列车的过程，只不过此处的“货物”为要传递的信息，“列车”为SDH的传输模块，如图1-12所示。图1-12货物运输过程 支路信号适配进容器（C）相当于将货物放入小纸箱，固定塞入比特（Rbit）相当于小纸箱内的填充物，容器（C）加上通道开销（POH）形成虚容器（VC）相当于给小纸箱贴上标签的过程（上述为映射过程）。 低阶VC（相当于贴好了标签的小纸箱）加上支路单元指针TU-PTR（相当于给众多小纸箱编号，以便确定纸箱位置）形成支路单元（TU）（上述为定位过程）。 多个支路单元复用成支路单元组（TUG）（上述为复用过程）相当于多个贴好了标签编好了号的纸箱放在一起装入大集装箱，然后加上POH（相当于给大集装箱贴标签）形成高阶VC（上述为映射过程）。 高阶VC加上管理单元指针AU-PTR构成管理单元AU-4相当于给大集装箱编号（上述为定位过程）。 一个AU-4装入AUG-4最终加上段开销（相当于列车上配套的服务、管理）形成STM-1（相当于列车）。 下面介绍139

264

kbit/s和2

048

kbit/s到STM-1的映射和复用。 再次说明一点的是，由于一个STM-1帧只能容纳3个34

Mbit/s的支路信号，信道利用率太低，一般不用该支路接口，所以在此其复用过程不作介绍。 1．139

264

kbit/s到STM-1的映射和复用（1）将139

264

kbit/s的PDH信号经过码速调整适配进C-4（2）将C-4适配进VC-4（3）将VC-4定位到AU-4并包装成AUG-4（4）从AUG-4到STM-1图1-13映射和复用过程中信息结构的变化 2．2

048

kbit/s到STM-1的映射和复用（1）将2

048

kbit/s的PDH信号适配进C-12（2）从C-12映射到VC-12（3）将VC-12定位到TU-12（4）将TU-12装入TUG-2（5）从TUG-2到TUG-3（6）从TUG-3到VC-4进一步复用成STM-1图1-142

Mbit/s映射和复用形成STM-1流程图图1-15STM-1帧中各信息结构的数量关系 1.4.4N个AUG到STM-N的复用 在前面讲述2

048

kbit/s和139

264

kbit/s信号映射和复用为STM-1时，已涉及一个VC-4经AU-4装入AUG，VC-4装入AU-4时，VC-4在AU-4帧内的相位是不确定的，VC-4的第一个字节的位置用AU-4的指针来指示，AU-4装入AUG是直接放入，二者之间相位固定不存在浮动，一个AUG加上段开销就构成了STM-1。 N个AUG每一个与STM-N帧都有确定的相位关系，即每一个AUG在STM-N帧中的相位是固定的，因此，N个AUG只需采用逐字节间插复接方式将N个AUG信号复用，就构成了STM-N信号的净负荷，然后，加上段开销就构成了STM-N帧。 1.4.5通道开销 从上面的映射复用过程可以看到：VC-4、VC-3和VC-12中均加入了通道开销（POH），通道开销用于本通道（VC路由）的维护和管理。 其中高阶虚容器VC-4和VC-3的通道开销相同，均为9个字节，即字节J1、B3、C2、C1、F2、H4、F3、K3和N1，称为高阶通道开销；低阶虚容器VC-12的通道开销为V5、J2、N2和K44个字节，称为低阶通道开销。 高阶通道开销完成对STM-N中每个VC-4的监控，低阶通道开销又将对VC-4的监控细化为对其中63个VC-12的任一个VC-12进行监控。 具体每个开销字节的功能不再叙述。以表格形式简要介绍，如表1-8所示。1.5指针技术

在SDH的映射复用过程中，由于信息流是连续的，只需用指针来记录数据信息VC-n在相应的AU或TU帧中的起点（第一个字节）的位置，就可使信息流在相应的帧中灵活动态地定位，从而方便地进行速率和相位的适配（调准）。 即以附加于VC上的指针（或管理单元指针）指示和确定低阶VC帧的起点在TU净负荷中（或高阶VC帧的起点在AU净负荷中）的位置。 在发生相对帧相位偏差使VC帧起点“浮动”时，指针值亦随之调整，从而始终保证指针值准确指示VC帧起点位置的过程。 对于VC-4，AU-PTR指的是J1字节的位置；对于VC-12，TU-PTR指的是V5字节的位置。 具体地说指针的作用主要有3个。（1）当网络处于同步工作状态时，指针用来进行同步信号间的相位校准。（2）当网络失配时，指针用作频率和相位的校准。（3）指针还可以用来容纳网络中的频率抖动和漂移。 SDH指针包括AU-4指针、TU-3指针和TU-12指针3种。 1.5.1AU-4指针 AU-4指针是用来指示VC-4在AU-4中起点位置的，从而使AU-4指针既能容纳VC-4和AU-4在相位上的差异，又能容纳帧速率上的差别。 1．AU-4指针的位置图1-16AU-4指针在STM-1中的位置 2．AU-4指针正调整 3．AU-4指针负调整 4．AU-4指针值 5．AU-4指针的产生和解释规则 AU-4指针的产生规则：（1）在正常运行期间，指针确定VC-4在AU-4中的起始位置，新数据标志（NDF）置为“0110”；（2）指针值只能按（3）、（4）或（5）3种规则改变；（3）发送端需要正调整时，调整帧发送现行指针值，但所有I比特取反，并且正调整机会字节填充非信息字，下一帧的指针值加1。如果先前的指针值处于最大值，则其后的指针值设置为0。这次操作后3帧内不允许进行指针的加减操作。（4）发送端需要负调整时，调整帧发送现行指针值，但其中的所有D比特取反，并且负调整机会字节传送VC-4的信息，随后的指针值减1。如果先前的指针值为0，则其后的指针值设置为最大。此次操作后3帧内不允许加减操作。（5）如果除（3）、（4）以外的原因引起VC-4重新定位，则发出新的指针值，同时NDF置为“1001”。NDF只在含有新值的第一帧出现，VC的新位置开始于由新指针指示的偏移首次出现处。同样此次操作后3帧内不允许加减操作。 1.5.2TU-3指针 TU-3指针提供VC-3在TU-3帧中灵活和动态的定位方法。 它由TU-3帧结构中第一列第一、二、三行的3个字节H1、H2、H3组成，其中，H1和H2是合在一起使用的，可以看成一个码字（与AU-4指针的H1和H2相同），H3字节用于负调整机会（AU-4指针的负调整机会是3个H3字节），进行负调整时H3字节传送VC-3的信息字节。 紧接H3字节之后的一个字节为正调整机会字节，进行正调整时该位置用非信息填充。 从H3之后的字节（正调整机会字节）开始，每个字节顺序编号（AU-4是相邻3个字节共一个编号），编号范围（亦即TU-3指针值的范围）是0～764（85

9=765），它们表示指针与VC-3的第一字节之间的偏移量。 TU-3指针位置和偏移编号如图1-17所示。图1-17TU-3指针 1.5.3TU-12指针 TU-12指针包含在TU-12复帧结构中的V1、V2、V3字节中。 V1和V2为指针字节（与AU-4和TU-3指针中的H1和H2结构、功能相同），可以看成一个字码，V3字节用于负调整机会，V3后跟着的那个字节为正调整机会字节，V4作为预留字节。 TU-12中各字节的编号如图1-18所示，从V2后的字节开始按顺序编为0～139[4

（4

9−1）]，因此，TU-12指针值范围亦为0～139。 TU-12指针的调整与TU-3相似，在此不再重复。图1-18TU-12指针1.6ATM、IP映射入STM-N

1.6.1ATM映射入STM-N 1．ATM的基本概念 原CCITT建议，异步传递模式（ATM）是B-ISDN的传递模式。

简单地说，ATM是一种基于快速分组交换的传送技术，它继承了电路交换方式中速率的独立性，又具有分组交换方式对任意速率的适应性。 ATM将信息流按固定长度分为一个一个信