SDH传输系统及其安全性问题

2015-3-25 08:26| 编辑:电工学习网| 查看: 7368| 评论: 0

    任何传输系统与其保护系统、时钟系统是不可分割的，在此将分别加以讨论．
    1.SDH传输系统
    在SDH光缆线路系统中，通常采用点对点链状系统和环网系统，如图6-22所示，由此可见,在点对点系统中,它是由具有复用和光接口功能的线路终端、中继器和光缆传输线构成，其中中继器可以采用目前常见的光一电一光再生器，也可以使用掺铒光纤放大器EDFA，在光路上完成放大的功能．而在环网系统中，可选用分插复用器，也可以选用交叉连接设备来作为节点设备,它们的区别在于后者具有交换功能，它是一种集复用、自动化配线、保护/恢复、监控和网管等功能为一体的传输设备，可以在外接的操作系统或电信管理网络（TMN）设备的控制下,对多个电路组成的电路群进行交换，因此其成本很高，故通常使用在线路交汇处．而接人设备则可以使用数字环路载波系统(DLC)、B-ISDN宽带综合业务接人单元、FDDI．

   2.系统保护问题
    随着技术的不断进步，信息的传输容量以及速率越来越高，因而对通信网络传递信息的及时性、准确性的要求也越来越高，如果一旦通信网络出现线路故障，那么将会导致局部甚至整个网络瘫痪，因此网络安全性问题是通信网络设计中必须考虑的重要问题．目前，在实际的SDH网中，都采用线路保护倒换和自愈环两种保护方式．
    1．自动线路保护倒换
    自动线路保护倒换结构有两种：即1+1和l：n结构方式，下面，便进行简单介绍．
    (1)1+1结构
    在图6-23中给出了1+1线路保护倒换结构，从图中可以看出，由于发送端是永久地与主用、备用信道相连接，因而STM-N信号可以同时在主用信道和备用信道中传输，在接收端其MSP（复用段保护功能）同时对所接收到的来自主、备用信道的STM-N信号进行监视，正常工作情况下，选择来自主用信道的信号作为输出信号，一旦主用信道出现故障，则MSP会自动从备用信道中选取信号作为接收信号．

图6—23 1+1线路保护倒换结构

(2)1：n结构
在图6-24中给出l:n线路保护倒换结构．从图中可以看出，在l:n结构中，备用信道由多个主用信道共享，一般n值范围为l~ 14．

图6-24 1:n线路保护倒换结构

    (3)保护倒换的实现
    在SDH中，是通过帧结构中的两个自动保护倒换字节K1和K2来完成收发两端站间及时、准确、无误的倒换保护操作，为了说明其具体操作过程，首先介绍一下K1和K2字节的内容．
    ①K1和K2字节
    K1字节表示请求倒换的信道；K2字节确认桥接到保护信道的信道号．K1字节格式是：

其中K1的1~4位表明了请求的类型，如表6-3所示．

    K1 的5~8位指示请求倒换的信道号，其中：
    0000：空信道（保护信道）
    0001~1110：请求倒换工作信道编号
    1111：额外业务信道请求
    K2字节格式是：

    K2的1~4位指示桥接到保护信号的信道号；第5位取0时表示1+ 1APS；取1时表示1：nAPS；6~8位预留，其中：
    111：线路AIS
    110：线路FERF
    101：双向倒换
    100：单向倒换
    ②操作过程
    如果上一站出现信号丢失、或者与下游站进行连接的线路出现故障和远端接收失效，那么在下游接收端都可检查出故障，这样该下游接收端必须向上游站发送保护命令，同时向下一站发送倒换请求，具体过程如下．
    a．当下游站发现（或检查出）倒换的请求或发现故障时，首先启动保护逻辑电路，将出现新情况的通道的优先级与正在使用保护通道的请求优先级进行比较，同时又与首端发来的桥接命令的优先级进行比较．
    b．如果新情况通道的优先级高，则便在该下游站形成一个具有请求使用保护通道的通道号和请求类型的字节Kl，并通过保护通道向上游站传递．
    c．当首端收到三次K1字节，并予以确认后，便又将K1字节通过保护通道的下行通道传回下游端站，并作为桥接命令进而确认请求使用保护通道的通道请求．
    d．上游端站首先进行桥接，并通过保护通道指示被保护通道号的K2字节传送给下游端站．
    e．下游站收到K2字节，便向通道发出桥接指示．同时将K2字节通过保护通道的上行通道回送给上游端站．
    f．此时，下游端站将其接到的K2字节所指示的被保护通道号与请求倒换的通道进行比较，一致时，则启动切换开关．
    g．当上游站也收到来自下游端站的K2字节后，也完成与保护通道的切换，从而完成主、备用通道的倒换．
    2．环路保护
    SDH传输网中所采用的网络结构有多种，其中环形结构具有自愈功能，即无需人为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障，因而环形网络具备发现替代传输路由，并重新确立通信的能力，可见它特别适应大容量的光纤通信发展的要求，故得到了广泛的重视，
    目前采用的环形网络的结构的种类很多，若根据插入支路信号在环中各节点间流动方向来区分，可分为单向环和双向环；若按保护倒换方式来划分，又可分为通道倒换环和复用段倒换环；而依据环中每一节点间所用光纤数量来衡量，又可分为二纤环和四纤环，综上所述尽管可组合成多种环形网络结构，但目前都采用下述四种结构的环形网络．
    (l)二纤单向复用段倒换环
    图6-25(a)给出了二纤单向复用段倒换环的工作原理图，从图中可见，其中每两个具有支路信号分插功能的节点间高速传输线路都县有一备用线路可供保护倒换使用，这样在正常情况下，信号仅在主用光纤S1中传输，而备用光纤P1空闲，下面以节点A和c之间的信息传递为例，说明其工作原理．
    ①正常工作情况下
    信息在A节点插入，并由主用光纤S1传输，透明通过B节点，到达c节点，在c节点就可以从主用光纤S1中分离出所要接收的信息；而从C到A的信息，由c节点插入，同样经主用光纤S1传输，经D节点到达A节点，从而在A节点处由主用光纤S1中分离出所需接收信息．
    ②当BC节点间的光缆出现断线故障时
    如图6-25(b)所示，与光缆断线故障点相连的两个节点B,C，自动执行环回功能，因而在节点A插入的信息，首先经主用光纤S1传输到B节点，由于B节点具有环回功能，这样信息在此转换到备用信道Pl，经A,D节点到达c节点，同样利用c节点的环回功能，将备用光纤Pl中传输的信息转回到主用光纤S1中，并通过分离处理，可得到由A节点插入的信息．从而完成A节点到c节点间的信息传递，而c节点到A节点的信息仍是通过主用光纤S1经D节点传输来完成的．由此可见，这种环回倒换功能可以做到在出现故障情况下，不中断信息的传输，而当故障排除后，又可以启动倒换开关，恢复正常工作状态，

图6—25 二纤单向复用段倒换环

    (2)四纤双向复用段倒换环
    四纤双向复用段倒换环的工作原理如图6-26(a)所示，它是以两根光纤S1和S2共同作为主用光纤，而P1和P2两根光纤为备用光纤，其中各信号传输方向如图所示．正常情况下，信息通过主用光纤传输，备用光纤空闲．下面同样地以A,C节点间的信息传输为例，说明其工作原理．
    ①正常工作情况下
    信息由A节点插入，沿主用光纤S1传输，经节点B，到达节点c，在c节点完成信息的分离．当信息由节点C插入后，则沿主用光纤S2传送，同样经B节点，到达A节点，从而完成由C节点到A节点的信息传送．
    ②当B,C节点之间四根光纤同时出现断纤现象时
    如图6-26(b)所示，与光纤断线故障相连的节点B,C中各有两个执行环回功能电路，从而在节点B,C，主用光纤Sl和S2分别通过倒换开关，与备用光纤P1和P2相连，这样当信息由A节点插入时，信息首先由主用光纤Sl携带，到达B节点，通过环回功能电路S1和P1相连，因而此时信息又转为P1所携带，经过节点A,D到达c点，通过c节点的环回功能，实现P1和S1的连接，从而完成A到c节点的信息传递，而由C节点插入的信息，首先被送到B节点，由于B节点同样具有环回功能，P2和S2相连，因而信息又转为由S2传输，最终到达A节点，以此完成C到A节点的信息传递．
    (3)二纤双向复用段倒换环
    从图6-26(a)可见，S1和P2, S2和P1的传输方向相同，由此人们设想采用时隙技术，将一个时隙一分为二，前半时隙用于传送主用光纤S1的信息，后半时隙用于传送备用光纤P2的信息，这样可将S1和P2的信号置于一根光纤（即S17P2光纤），同样S2和P2的信号也可同时置于另一根光纤（即S2/P1光纤）上，这样四纤环就简化为二纤环．具体结构如图6-27所示，下面还是以A,C节点间的信息传递为例，说明其工作原理．
    ①正常工作情况下
    当信息由A节点插入时，首先是由S17P2光纤的前半时隙所携带，经B节点到c节点，完成由A到c节点的信息传送，而当信息由c节点插入时，则是由S2/P1光纤的前半时隙来携带，经B节点到达A节点，从而完成c到A节点信息传递．
    ②当B,C节点间出现断纤故障时
    如图6-27(b)所示，由于与光纤断线故障点相连的节点B,C都具有环回功能，这样，当信息由A芾点插入时，信息首先由S17P2光纤的前半时隙携带，到达B节点，通过回路功能电路，将S1/P2光纤前半时隙所携带的信息装入S2/PI光纤的后半时隙，并经A,D节点传输到达c节点，在c节点利用其环回功能电路，又将S2/PI光纤中后半时隙所携带的信息置于S1/P2光纤的前半时隙之中，从而实现A到c节点的信息传递，而由c节点插入的信息则首先被送到S2/PI光纤的前半时隙之中，经c节点的环回功能转入S1/P2光纤的后半时隙，沿线经D,A节点到达B节点，又同时由B节点的环回功能处理，将S17P2光纤后半时隙中携带的信息转入S27P1光纤的前半时隙传输，最后到达A节点，以此完成由c到A节点的信息传递．

图6-26 四纤双向复用段倒换环

图6-27 二纤双向复用段倒换环

图6-28 二纤单向通道倒换环

    (4)二纤单向通道倒换环
    二纤单向通道倒换环的结构如图6-28(a)所示，可见它采用I+l保护方式．当信息由A节点插入时，一路由主用光纤S1携带，经B节点到达c节点，另一路由备用光纤P1携带，经 D节点到达c节点，这样在c节点同时从主用光纤S1和备用光纤P1中分离出所传送的信息，再按分路通道信号的优劣决定选哪一路信号作为接收信号，同样当信息由c节点插入后，分别由主用光纤S1和备用光纤P1所携带，前者经B芾点，后者经D节点，到达A节点，这样根据接收的两路信号的优劣，优者作为接收信号。
    当B,C节点间出现断线故障时，由节点A插入的信息，分别在主用光纤S1和备用光纤 P1中传输，其中在备用光纤P1中传输的插入信息经D节点到达c节点，而在主用光纤S1中传输的插入信息则被丢失，这样根据通道选优准则，在节点c倒换开关由主用光纤Sl转至备用光纤P1，从备用光纤P1中选取接收信息，而当信息由c节点插入时，则信息也同刚在主用光纤S1和备用光纤Pl上传输，其中主用光纤中所传输的插入信息，经D节点到达A节点，而在备用光纤Pl中传输的插入信息则被丢失，因而在A节点只能以来自主用光纤S1 的信息作为接收信息．
    (5)保护功能的实现
    在前面介绍了当用于点对点通信时，自动保护倒换字节Kl，比的操作过程，从中可知此时是用于两终端设备之间的通信，其中Kl, K2字节是透明地通过再生器，再生器对它们并不做任何处理．而对于点对点的l：n保护方式而言，则必须通过K1和K2字节，在两终端设备之间进行通信，来明确指出在这两端的同一个工作信道被倒换保护到保护信道上去，然而就环形网来说，其区别在于ADM必须在所发出K1和K2字节中，明确指示该字节是由环上的哪一个ADM来接收，这样K1, K2字节便会透明地通过其他ADM．另外，由于在自愈环中实施的是1:1保护方式，因此在K1和K2字节中无需标识去哪个工作信道，将被倒换到保护信道上去，具体区别如图6-29所示．

图6- 29 保护功能的实现

    3.网络同步问题
    SDH网络是建立在同步传输基础上的，在SDH网中，可以由多种拓朴结构的系统构成，因而网络同步技术直接影响到SDH网络的运行质量，故此有必要在此对其基本概念和实现方式进行简单的介绍。
    网络同步是指网络的所有设备的时钟频率和相位的偏差都控制在容许的范围之内，这样可以保证通信网内的数字信号的正常交换与传输，为了建立网络的同步，就必须建立同步网，从而以一定的方式使所有设备都同步工作．
    1．网同步方式
    目前，国际上所使用的同步方式有主从同步方式、相互同步方式和准同步方式，但大多数国家普遍采用主从同步方式，在此仅介绍该种方式。
    所谓主从同步方式就是要在同步网申设立一个最高级别的基准主时钟，而其他时钟均逐级与上一级时钟保护同步的从时钟，以此实现与主时钟同步的目的，其具体结构如图6-30所示，由图可知，主从同步网多采用树型拓朴结构，基准时钟通过同步链路逐级向下传输，在各交换节点上，通过锁相环将本地时钟与接收到的上一级时钟进行相位锁定，从而达到与基准时钟同步的目的。
    在SDH网络中，常可以使用具有自愈功能的环型结构，这样可使SDH网络的应用具有很大的灵活性和高度可靠性，但却给网同步定时时钟信号和选择带来了复杂性，这是因为复用段通信链路倒换时，网络的定时时钟传送路由随时都有可能变化，因而其定时性能也随时可能变化，这样要求网络单元必须能够判断所接收的定时基准是否可用，是否需要搜寻其他更合适的定时源等，以保证低级的时钟只能接收更高等级或同一等级的时钟作为定时基准，以避免形成定时信号的环路，造成同步不稳定。
    2．我国同步网结构
    我国同步网采用分级的主从同步方式，即同步网中的时钟依据其在网中的位置和重要性被分为四个等级，其中基准时钟为第一级时钟，其他三级依次为转接局、本地局和设备从时钟．每一级从时钟需要和上一级或同级时钟保持同步。
    目前我国分别在北京和武汉建立两个基准时钟，这样可将全国分为两大同步区，各同步区中的各个网络节点通过同步分配网的同步链路与各自的基准时钟保持同步，同时武汉的基准时钟又随时跟踪北京的基准时钟信号，使两大同步区彼此同步，并互为备用，从而确保网络的正常工作。

图6-30 我国同步时钟等级

    3．同步时钟的等级标准
    我国所使用的同步时钟系统是采用四级结构，不同级别的时钟其精度和稳定度不同，因而需采用不同种类的时钟。
    第一级时钟，也就是基准时钟．为了保证其具有高稳定性和精度，一般是采用铯原子钟，其长期频率偏移通常能达到优于l×l0-11的指标，同时又由于采用多重备用和自动切换技术，从而使系统的可靠性指标可达到相当高的永平。
    第二级时钟是由设置在一级(CI)、二级(C2)、三级(C3)和四级(C4)交换中心的、受控铷时钟或具有高稳定性能的石英晶体时钟构成，并应通过同步链路直接与基准时钟相连，从而保持与之同步。
    第三级时钟是由设置在汇接局(TM)和端局(C5)的、具有保持功能的高稳定性晶体时钟构成，通常频率偏移大于第二级时钟，这样各网络节点经过同步链路与第二级时钟或同级时钟保持同步。
    第四级时钟是设置在SDH终端设备内的、具有保持功能的晶体或设置在PDH终端设备和SDH再生器内的一般晶体时钟，它们通过同步链路受第三级时钟控制并与之保持同步。
    4．时钟电路的工作模式
    如上所述，在SDH同步网络中，主要采取主从同步方式，其中通过设立一个准确性非常高的铯原子钟作为基准时钟和若干个不同等级的从时钟而构成时钟同步系统．系统中每个从时钟都将与主时钟保持同步，但实际上不同的工作状态下，时钟的运行模式有所不同，大致可以分为正常工作状态、保持工作状态和自由运行状态三种状态模式。
    (1)正常工作模式
    所谓正常工作模式是指从时钟和同步链路送来的主时钟信号处于锁定状态，这样，从时钟与时钟链路送来的时钟信号在频率和相位上基本保持一致，因而在同步链路正常工作状态下，从时钟能够准确跟踪同步网的基准时钟，当同步链路出现故障时，则从时钟自动跟踪从其他同步链路送来的主时钟信号，否则暂时进入保持模式状态。
    (2)保持模式
    当将主时钟信号输送给从时钟的同步链路出现故障，同时又无其他路径接收任何参考时钟信号时，从时钟便进入保持模式状态，在此状态下，从时钟以参考时钟丢失前所存储的最后一段时间内的频率信号为基准，从而保证从时钟在一段时间内的频率偏差在允许的范围之内，又由于一般均采用高稳定度的石英晶体钟作为从时钟，但其晶体的固有振荡频率会出现慢慢地漂移，从而影响时钟的精度，导致传输质量的下降，因而这段时间不宜过长，一般可以稳定工作数小时至数天，这样维护人员可以利用这段时间修复链路，使整个网络恢复正常工作，否则便进入自由运行模式。
    (3)自由运行模式
    当从时钟无参考时钟可供锁定，又丢失了定时基准的记忆时，从时钟便工作于自由运行模式状态之下，此状态下从时钟的输出频率不受外界因素的约束，其精度完全决定于本身所使用的晶体源的稳定度，因而应尽量避免使同步网络进入此状态之下。

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