【光纤通信】SONET 和 SDH——电路交换光网络

1. Synchronous Hierarchical Networks(历史重要性)

语音信号的频谱范围

电话通信中使用的语音信号被滤波后，其频率范围在 30 Hz 至 4 kHz 之间。这种频率范围的选择是因为它包含了人类语音的主要信息部分，同时去除了不必要的高频和低频噪声。

语音采样与数字化过程：

模拟语音信号以 8 kHz（8000 次/秒） 的采样率进行采样（符合奈奎斯特定理，用于有效捕获 4 kHz 的最高频率分量）。每个采样点被量化并编码为 8 位（bit）的脉冲编码调制（PCM）值 。通过这种方式，每秒可以生成 64 Kbps 的窄带数字信号，即:

左侧图显示了模拟语音信号的时域波形和语音信号的频谱分布，显示频率范围在 30 Hz 至 4 kHz 之间。中间图是语音采模拟信号在时间轴上的每个点被以 8 kHz 的速率 进行采样。一个采样周期为 125 微秒 （），即每隔 125 微秒取一个样本点。右侧图是PCM 编码，采样点的强度值被转换为 **8 位二进制数字（0 或 1）；**将这些二进制编码后的数字信号放置到连续的时间槽（time slots）中，最终形成数字化的语音信号流。

模拟信号到数字信号的转换：

将模拟信号转为数字信号（PCM） 大大简化了数字复用过程，提高了传输质量，这是数字通信发展中的关键一步。一个分层的复用方案得以发展，采用了同步轮询（ synchronous sequential polling） 和**时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）**技术。这种复用技术允许多个低速率信号整合到一个高速率信号中进行传输。

左侧图展示了TDM（时分复用） 与 DS1 （数字信号等级 1，速率为 1.544 Mbps） 生成，每个信号（图中 Time Slot 1、2、3......24）被分配一个固定的时间槽（Time Slot），这些时间槽以固定的间隔轮询（Round Robin Polling，按顺序从多个数据源提取数据 ）。经过 TDM 技术处理后，这些信号被同步聚合为一个完整的 DS1 信号。每个时间槽包含 8 位（bit）的数据，每帧包含 24 个时间槽和 1 位帧同步位，总计，其中1 帧对应 125 微秒，帧速率为 8000 帧/秒。 DS1 信号的速率为：

右侧图展示了分层复用结构（从 DS0 到 DS3）。DS0 是最小的数字信号单元，速率为 64 Kbps （对应单个 PCM 语音通道），DS1 包含 24 个 DS0 信号。DS1（1.544 Mbps） 通过使用 TDM 技术 将 24 个 DS0 信号聚合到一个帧中。每帧包含 24 个时间槽和 1 位帧同步位，总速率为 1.544 Mbps 。DS2（6.312 Mbps） 通过将 4 个 DS1 信号复用到一个 DS2 信号中得到，使用位交织（Bit Interleaving） 技术，每 48 位有效负载数据后添加 1 位控制位。DS3（44.736 Mbps）通过将 7 个 DS2 信号复用到一个 DS3 信号中得到，每 84 位有效负载数据后添加 1 位控制位。

模拟信号转为数字信号（PCM），通过时分复用（TDM）技术聚合，形成数字信号分层结构。关键速率：DS0： 64 Kbps。DS1（T1）： 1.544 Mbps。DS2（T2）： 6.312 MbpsDS3（T3）： 44.736 Mbps。

下面的表格展示了 准同步数字传输体系（Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH） 的不同等级信号（DS-n 和 E-n）在 美国、欧洲和日本的标准比特率。PDH 是早期的数字传输系统，它的特点是各层次信号之间存在微小的不同步差异，因此被称为"准同步"。

等级	美国	欧洲	日本
DS0/E0	64 kbps	64 kbps	64 kbps
DS1	1,544 kbps	N/A	1,544 kbps
E1	N/A	2,048 kbps	N/A
DS1c	3,152 kbps	N/A	3,152 kbps
DS2	6,312 kbps	8,448 kbps	6,312 kbps
E22	N/A	N/A	32,064 kbps
E31	N/A	34,368 kbps	N/A
DS3	44,736 kbps	N/A	44,736 kbps
DS3c	91,053 kbps	N/A	97,728 kbps
E4	N/A	139,264 kbps	N/A
DS4	274,176 kbps	N/A	397.2 Mbps

2. SONET/SDH: Overview

SONET（Synchronous Optical Network）和SDH（Synchronous Digital Hierarchy）是现代通信网络的关键标准，它们用于高效传输大规模的数字信号，广泛应用于光纤通信网络中。

SONET （同步光纤网络）：
- 标准接口 ：称为同步传输信号 Synchronous Transport Signal Level-N（STS-N），其中 N=1,3,12,48,192,768。
- 网络元素（NE）：符合这些接口的节点。
- 网络拓扑 ：
  - 或点对点拓扑aprotected point-to-point，结合add-drop multiplexing（ADM）。
  - 通常为保护环形拓扑 a protected ring ，结合add-drop multiplexing（ADM）。
SDH （同步数字体系结构）：
- 标准接口 ：称为同步传输模块 Synchronous Transport Module Level-M（STM-M），其中 M=1,4,16,64,256。

2.1. SONET/SDH 接口和速率

SONET/SDH 接口特性：

层定义 Layer Definition：定义了从物理层到应用层的所有层次。
传输介质 Transmission Medium：光纤（单模光纤）。
信号表示 ：
- STS-N 表示电子信号的比特率。
- OC-N 表示通过光纤传输的光信号，调制自 STS-N 信号。

2.2. SONET/SDH 网络兼容性与异同点

网络兼容性：
- SONET/SDH 网络可以兼容所有同步的传统宽带速率synchronous legacy broadband
  rates（如 DS-n 和 E-n）。
- 可封装异步数据 asynchronous data及协议（如 Internet、以太网、帧中继）到同步传输中（ATM）。
SONET 和 SDH 的异同 ：
- 相同点：
- 使用相同的速率和帧格式。
- 技术上相一致。
- 不同点：
- SDH 的光接口定义了更多参数。
- 语言和技术细节上的差异增加了设计复杂性和成本。

2.3. SONET/SDH 网络分层

Path Layer（路径层） ：
- 传输如 DS3 的服务。
- 将服务映射到所需的传输格式中。
Line Layer（线路层） ：
- 确保路径层的有效载荷和开销可靠传输。
- 提供同步和复用功能。
Section Layer（段层） ：
- 跨物理介质传输 STS-N 帧。
- 使用物理层服务实现数据传输。
- 处理帧格式、扰码和错误监测。

图中详细描述了 SONET/SDH 网络中不同分层的工作方式：

CPE（客户终端设备） 和 PTE（路径终端设备） 通过路径层连接。
STE（段终端设备） 处理段层信号，提供段间通信。
NE（网络元素） 连接路径和段层，实现全网信号传输。

3. SONET: Frame Structure，Virtual Tributaries (VTs)

3.1. Frame Structure

STS-1 帧组成：

传输开销 (Transport Overhead) ：前 3 列（27 字节），包括段开销 Section overhead (SOH) 和线路开销 Line overhead (LOH)。
同步负载封装 (Synchronous Payload Envelope, SPE) ：剩余的 87 列（783 字节），其中1 列（9 字节）为路径开销 Path Overhead (POH)，2 列（27 字节）为固定填充数据 (Fixed Stuff)，不用于数据。
有效负载：SPE 的有效负载为 783 - 9 - 18 = 756 字节（即 6048 比特）。

STS-1 帧大小和速率：

尺寸：9 行 × 90 列 = 810 字节（6480 比特）。
传输速率：6480 比特/125 微秒 = 51.84 Mbps。
SPE 有效速率：6048 比特/125 微秒 = 48.384 Mbps。
STS-N 是 STS-1 的倍数。

图中展示了 STS-1 帧结构，分为传输开销 （左侧3列）、路径开销 、固定填充数据 和同步负载封装 部分。90 列分布细致标注，有效数据主要位于右侧。

3.2. 虚拟支路 Virtual Tributaries (VTs)

用于高效聚合低速率信号（如 DS1 和 E1）到更高容量的 SONET 帧中。支持灵活网络管理、高效带宽利用和与不同设备互操作。

VT 类型及容量：

VT1.5：3 列，27 字节，1.728 Mbps。
VT2：4 列，36 字节，2.304 Mbps。
VT3：6 列，54 字节，3.456 Mbps。
VT6：12 列，108 字节，6.912 Mbps。

VT 的优势：

适配各种速率和格式。
利用帧内多信号组合，提升带宽使用效率。
支持传统和现代设备的无缝集成。

**SPE 的负载帧通过 VT 的列复用形成，**每个组由 VT 的列复用构成。组内的 VT 类型必须一致，但不同组可以有不同的 VT 类型。SPE 的列分为多个组，每组包含 7 个虚拟支路组 (VTGs)。SPE 包含 4×7 的 VTG（28 列），整个 SPE 由多个这种结构复用而成。

左侧图显示了不同 VT 类型（如 4×VT1.5，3×VT2）如何组合成 SPE 负载帧。右侧图展示了 SPE 的列分布，其中包含多个 VTG，每组 28 列，总共划分为 12×7 个 VTG。

3.3. Multiplexing Hierarchy

SPE 有效负载（756 字节）被划分为 7 个等大小的虚拟支路组（VTG） 。每个 VTG 包含相同类型的虚拟支路 (VT) 帧，总大小为 108 字节。

将 VT（如 VT1.5）帧按 POH 分组到 VTG 中；将 7 个 VTG 合并为 SPE 有效负载帧。添加路径开销 (POH)、线路开销 (LOH) 和段开销 (SOH) 到 SPE，形成 STS-1（速率 51.84 Mbps）。更高层次的 STS-N 信号通过多个 STS-1 信号的倍数组合形成。使用 3×STS-1 信号生成 STS-3 帧（速率 155.52 Mbps），并进一步叠加形成更高阶 STS-N 信号。将 STS 信号调制到光载波信号 (OC-N) 中传输。

3. SONET: Layers and Overhead Bytes

SOH（Section Overhead）字节组成：

前三行：主要用于标记帧的起始位置、错误监测和数据通信。
D1-D3 字节：用于段级的报警、维护和管理。
E1 字节：提供 64 kbps 的语音通道，用于段级指令通信。
B1 字节：基于 CRC-8 的奇偶校验码，用于段级错误检测。
A1/A2 字节：帧定界符，用于标记 STS-1 帧的开始。
H1/H2/H3 字节（指针字节）：确定 STS-1 帧内第一个 SPE 字节的位置，支持动态调整负载。

LOH（Line Overhead）字节组成：

B2 字节：提供线路级错误监测。
K1/K2 字节：自动保护切换 (APS)。
D4-D12 字节：线路级的报警、维护和管理。

POH 字节的作用：

与 STS-1 负载 (SPE) 一起插入，用于路径级管理和监控。
位于 SPE 的第一列，用于标识负载和维护路径完整性。

POH 主要字节功能：

J1 字节：称为跟踪字节，重复发送 64 字节字符串，确保路径完整性。
B3 字节：端到端误码监测，基于 BIP-8。
C2 字节：信号标签，用于标识负载类型。
G1 字节：路径状态字节，携带维护信号。
F2 字节：为路径用户提供 64 kbps 的通道。

路径 (Path)：通过 POH 管理，从起点到终点的完整通信路径。
段 (Section)：使用 SOH 进行段间管理，负责光纤链路的基本监控。
线路 (Line)：使用 LOH 管理，从起点到终点的一段链路。
图中展示了 SONET 网络中的不同节点：
- PTE（路径终端设备）：插入 POH，负责路径级管理。
- LTE（线路终端设备）：插入 LOH，负责线路级管理。
- STE（段终端设备）：插入 SOH，负责段级管理。

4. SONET：Payload positioning and pointer justification

SPE 的插入：SPE 被插入到 STS-1 帧的最早可用字节，指针字节 (H1, H2) 用于标识 SPE 的位置。当 SPE 超过帧的 90 列时，多出的部分被"折叠"到下一帧的左侧。
指针字节 (H1, H2) 的作用：确定 SPE 的起始位置。支持频率偏差引起的负载动态调整。
溢出与折叠 (Spillover and Foldback)：超过帧边界的 SPE 部分被折回到下一帧的开始，确保数据连续性。

5. SONET：Pointer Justification

指针调整的原理：SONET 使用指针字节 (H1, H2) 通过与节点时钟的对齐，调整 SPE 的起始点。如果输入信号的时钟快于节点时钟，负指针填充将 SPE 的起始点提前 1 字节，并减少 H1、H2 的值。
时序调整：根据输入 STS-1 帧与节点时钟的快慢，决定 SPE 起始点向左或向右调整。
负指针填充：为了应对更快的输入时钟，负指针填充通过减少 H1 和 H2 的值来调整 SPE 起始点。
正指针填充（Positive Pointer Justification）：如果输入信号的时钟慢于节点时钟，正指针填充会延迟 SPE 的起始点 1 字节，并增加 H1、H2 的值。
连续传输：调整允许在设置 H1、H2、H3 后，连续传输 4 个帧。

左图中展示了负指针填充的过程：H1、H2 的值减少。数据提前插入，SPE 起点向左移动。右图中展示了正指针填充的过程：H1、H2 的值增加。数据延迟插入，SPE 起点向右移动。

通过正指针和负指针填充，吸收输入信号和节点时钟之间的频率失配（时钟抖动）。**理想情况下的传输速率计算，**当时钟完全同步时，传输速率为：

正指针填充的示例计算：输入信号慢时，正指针填充会延迟负载传输 1 字节：

最大负频率失配为：

归一化值为：

负指针填充的示例计算：输入信号快时，负指针填充会提前负载传输 1 字节：

最大正频率失配为：