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如何在CATV中应用SDH技术    


本文重点介绍SDH在广播电视传输网中的应用:SDH技术如何传输广播电视信号,在HFC接入网中IP是如何传送的,以及SDH技术在我国广播电视传输网中的应用概况。

  一 传输体制SDH简介

   1 SDH同步数字系列产生的时代背景

   SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出,称之为同步光网络(Synchronous Optical NETwork .SONET)。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的,适用于各种经适配处理的净负荷(即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分)在物理媒质,如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部(ITU-T)的前身国际电报电话咨询委员会(CCITT)于1988年接受SONET概念并与美国标准化协会(ANSI)的TI委员会达成协议,将SONET修订后重新命名为同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy,SDH),使之成为同时适用于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。

  2 SDH数字传输网的传输原理

   1) SDH传输网的基本构成

   SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的,在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送,融复接、传输、交换功能于一体,由统一的网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能,能有效的提高网络资源的利用率,能满足广播电视干线传输网的信息传输和交换的要求,对提高广播电视传输质量有了质的飞跃,因而SDH技术正成为广播电视领域传输技术方面的发展和应用热点。

   SDH有全世界统一的网络节点(NNI),从而简化了信号的互通以及信号的传送、复用、交叉连接和交换过程,它有一套标准化的信息结构等级,称为同步传送模块(Synchronous Transport Module),STM-N。当n=1、4、16时,其最基本的模块为 STM-1、STM-4和STM-16,并具有一种块状帧结构,允许安排丰富的开销比特(即在网络节点接口比特流中扣除净负荷后的剩余部分)用于网络的运行、管理和维护(OAM)。它的基本网络单元有同步光纤线路系统或SDH微波传送系统、同步复用器(SM)、分插复用器(ADM)和同步数字交叉连接设备(SDXC)等等,其功能各异,但都有统一的标准光接口或电接口,能够在基本的传送线路上实现横向兼容性,即允许不同厂家的设备在传送线路上互通。它有一套特殊的复用结构,允许现存的PDH体系、SDH体系和B-ISDN信号都能进入其帧结构,因而具有广泛的适应性。SDH还大量采用软件进行网络配置和控制,使得新功能和新特性的增加比较方便,适于将来不断发展。

   SDH传送网最重要的两个网络单元是终端复用器和分插复用器。以STM-1为例,终端复用器的主要任务是将低速支路信号和155Mb/s电信号纳入STM-1帧结构,再经CMI(符号反转码)变换后进入微波传送系统,其逆程正好相反。分插复用器,将同步复用与数字交叉连接功能综合于一体,具有灵活的分插任意支路信号的能力,在网络设计上有很大的灵活性。由这两种基本网络单元组成的典型网络应用有多种形式,有点到点应用、线型应用、构成枢纽网、构成环形网、构成双环形网和网孔形应用,在实际应用中还可出现其他以外的形式。

   2) SDH技术的传输原理

   SDH用来承载信息的是一种块状帧结构,块状帧由纵向9行和横向270×N列字节组成,每个字节含8b(bit)。整个帧结构由段开销区、净负荷区和管理单元指针区三部分组成。其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配,以保证信息能够正常灵活地传送,管理单元指针用来指示净负荷区域内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置,以便接收时能正确分离净负荷。净负荷区域用来存放用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节。

   SDH的帧传输时,按由左向右,由小到大的顺序排成串型码流依次进行。每帧传输时间为125μS,每秒传输1/125×106 =8000帧。对STM-1而言,每帧能传输的比特数为8×(270×9×1)=19940b,则STM-1的传输速率为19440×8000=155.52Mb/s,而STM-4为622.080Mb/s、STM-16为2488.320Mb/s。

  各种业务信号进入SDH的帧结构都要经过三个步骤,即映射、定位和复用。映射就是将各种进来的速率不等的信号先经过码速调整,再装入相应的标准容器C中,同时加入通道开销POH形成虚容器VC。定位就是将帧相位发生偏差的(称帧偏移)的信息收进支路单元或管理单元,它通过支路单元指针或管理单元指针的功能来实现。复用就是将多个低阶通道层信号通过码速调整进入高阶通道或将多个高阶通道层信号通过码速调整进入复用层的过程。以139.264Mb/s信号到STM-1的形成为例来说明这三个步骤。139.264Mb/s信号首先进入标准容器,速率调整后输出149.76Mb/s数字信号,进入虚拟容器,加入通道开销576kb/s后输出150.336Mb/s的信号,在管理单元内加入管理单元指针576kb/s,输出150.336Mb/s的信号,因N=1,故由一个单元组加人段开销4.608Mb/s后,输出155.520Mb/s的STM-1信号。

   3 SDH的特点

   1) SDH统一了北美、日本和欧洲三个地区性标准,各种数字传送信号在STM-1等级以上获得统一,使国际电信互通成为可能。

   2) 由于SDH电信传送采用了同步复用方式和灵活的映射结构,可以利用软件实现高阶信号与低阶支路信号之间所谓的一步复用,上下业务十分容易,大大简化了交叉连接设备。

   3) 由于SDH帧结构中安排了大约占总信号5%的丰富的开销比特,极大的加强了网络的运行、管理和维护能力。

   4) SDH传送网具有信息传送透明性。

   5) 统一了网络接口标淮,使不同厂家的产品可以直接互通,各种传送媒质如光纤、数字微波等可以直接连接,组网十分方便。

   6) 网络兼容能力强,它能与现有的PDH完全兼容,并容纳各种新的业务信号。

  二 如何应用SDH技术传输广播电视信号

  广播电视领域的SDH网起着公共物理传输平台的作用,在此平台上,一部分带宽用来传输广播电视节目,另一部分用来直接传输用户数据或从ATM、IP交换机汇聚来的数据流等。下面将介绍目前广播电视信号将如何由SDH技术传输。

   1 将模拟电视信号变换为数字信号

   SDH是同步数字系列,所传输的信号是数字信号,而我国目前的广播电视节目是模拟信号,用SDH技术传输广播电视信号必须先对信号进行数字化处理,其步骤为抽样、量化、编码等步骤。

   1) 抽样:抽样是以一定的频率抽取电视输入信号的一个瞬时幅度值,称为抽样值,抽样后得到一系列脉冲式的抽样值,称为抽样系列。我国的彩色电视采用的是PAL制,亮度信号(Y)抽样频率是13.5MHz、色差信号(R-Y、B-Y)的抽样频率为6.75MHz。

   2) 量化:模拟信号进行抽样以后,其抽样值还是随信号幅度连续变化的。当这些连续变化的抽样值通过噪声信道时,接收端不能准确地估值所发送的抽样。如果发送端用预先规定的有限个电平来表示抽样值,且电平的间隔比干扰噪声大,则接收端将有可能准确地估值所发送的抽样。因此,有可能消除随机噪声的影响。

  利用预先规定的有限个电平来表示模拟抽样值的过程称为量化。抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号,而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样。

   3) 压缩编码:编码就是用二进制代码表示量化值,在信号的接收端将量值转换为信号的过程称为解码。由于编码后数据量大,因而须进行压缩,称压缩编码。我们前面介绍的彩色PAL制对亮度信号Y、色差信号R-Y、B-Y,每个抽样信号被8b量化,总的传输码率为216Mb/s,对传输速率为2.5Gb/s的STM-16来说,也只能传输8路彩色电视信号,因而首先要对其进行压缩码处理。当前电视编解码的标准是差值脉冲编码调制(DPCM)和MPEG-2压缩技术,使用MPEG-2技术,可将信号压缩到1.5-15Mb/s,这样一个STM-16的容量就可传输由没有压缩时的8套电视节目提高到300多套数字电视信号。

   2 数字电视信号如何由SDH传输网传输

   SDH的传输速率中34.368Mb/s和139.264Mb/s最适合电视图像传输。广播电视模拟信号,经过处理变换成数字电视信号后,压缩形成139.264Mb/s码率进入C-4容器,或者形成34.368Mb/s进入C-3容器并最终形成STM-1。广播电视节目的视频和音频信号存放在SDH帧结构中的净负荷区域中,SDH设备的34.368Mb/s和139,264Mb/s接口用于与图像编码器相连,2Mb/s接口用于数据和话音输入设备相连。经这样转换成SDH形式的STM-1广播电视信号通过光纤或者微波发射进行传输,信号传到业务站点后经解码器将图像数据信号还原成模拟信号,通过调制器将其变换到相应的频道,经有线电视HFC网传到用户家中。

  三 在CATV网中采用SDH传输IP

  在有线电视网中用何种技术传输IP,取决于CATV网所采用的传输技术。现在我国的CATV网络在省内和省外均采用了SDH传输体制,所以,在CATV网中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH和IP over DWDM三种形式。下面简单介绍这三种方式并作比较。

   1 IP Over ATM

   ATM作为多业务平台,具有很强的多业务支持能力,ATM的优势主要是它的可扩展性和灵活性。在广播电视SDH环网中,可以容易地实现有线电视台间节目交换,应用ATM的流控制可以实现视频传输的分级服务,ATM还可以实现电视节目实时的非对称传输,部分省内和地市以下的传输网仍采用ATM技术。

  优点:可利用ATM的QoS特性,保证网络的服务质量;网络具有很好的可扩展性和灵活性;支持多种业务、数据、语音、视频汇集到一个网络上,并为不同业务类型提供不同的服务质量QoS;有很好的网络流量管理和控制性能,表现在ATM流量控制方面非常精细,这一点对带宽是非常宝贵的、线路费用非常高的广域网来说就显得十分重要,这是目前ATM能在广域网中被广泛采用的原因之一。

  缺点:由于IP数据包须映射成ATM信元,由此形成的传输开销称为“信元税”,故传输效率低;网络管理比较复杂;不太适用于超大型IP骨干网。

   2 IP Over SDH

   ATM能支持多种业务曾经是它独一无二的特点,但随着IP技术的发展和网络硬件的不断完善,今天的IP已成为各种业务的核心,数据、语音和视频业务都可由IP承载,ATM的优点已由IP技术取代,特别是当数据的业务量超过语音和视频时,更显得ATM没有存在的必要,况且去掉ATM还可以提高传输效率。因此,IP Over SDH应运而生,这一技术也极大的动摇了ATM在广域网中的地位。

   IP Over SDH是IP数据包通过采用点到点协议PPP,映射到SDH帧上, 采用的是高速路由器逐包转发方式,按各次群相应的线速进行连续传输。

  优点:省去了ATM层, 简化了网络结构,提高了传输效率百分之二十到三十;可以充分发挥SDH技术的各种优点, 如SDH使国际电信互通成为可能,SDH帧结构中安排了丰富的开销比特,可以加强网络的运行、管理和维护能力,网络有很好的兼容性等;将IP网络技术建立在SDH传输平台上,可以很容易的跨越地区和国界,兼容不同技术和标准,实现全球联网。在广电网络的平台上IP over SDH适用于省际网络和省内网络上的IP传输。

  缺点:IP Over SDH目前尚不支持虚拟专用网VPN和电路仿真;在所有包交换技术中,ATM的QoS是最好的,它可以做到电路仿真,而IP Over SDH技术只能进行业务分级,不能提供较好的QoS;对大规模的网络须处理庞大、复杂的路由表,而且查找困难,路由信息占用较大的带宽。

   3 IP Over WDM

   随着传输技术的发展,以IP业务为主对网络的进一步优化设计将是IP over DWDM。

  波分复用技术(WDM)是在一根光纤中能同时传输多个波长的光信号的一种技术。其原理是:在发送端将不同波长的光信号组合,在接收端又将组合的光信号分开并送入不同的终端,这就意味着,原来只能采用一个波长作为载波的单一光信道,变为数个不同波长的光信道同时在光纤中传输,从而使光通信的容量成倍的提高。WDM技术的实现,主要由波分复用器来完成。波分复用器是一个无源光学器件,器件结构简单,体积小,可靠性高,易于和光纤耦合。WDM系统有三种基本结构,即光多路复用单向单纤传输,光多路复用双向单纤传输和光分路插入传输。组网灵活,对开发带宽新业务,充分挖掘和利用光纤带宽的能力,实现超高速通信具有十分重要的意义。 IP Over WDM通俗的说法就是让IP数据包直接在光路上跑,减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层,其传输效率最高,节省了网络运营商的成本,同时也降低了用户的费用,是一种最直接、最经济的IP网络结构体系,非常适用于特大型IP骨干网。

  主要特点:充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,效率最高,成本最低;可同时在一根光纤中实现双向多媒体通信传输;可在不改变光缆设施的条件下,改变通信系统的组态,在网络设计中有很大的灵活性,自由度大,扩容更方便;对器件性能要求不高,使用的主要器件波分复用器可靠性高,故障率低,便于维护。

   4 三种方案比较及发展趋势

  在相当长一段时间里,三种技术方案还将视不同情况并存,而较理想的IP Over WDM在国际上正处在开发研制和进一步完善之中,距离商业应用还有一段距离。到IP over WDM商用时,广电网络已十分接近光纤入户的理想接入方案,广大的用户被HFC宽带接入信息高速公路的骨干网上,而成为不断发展的网络平台。

  四 SDH技术在我国CATV网中的应用概况

  原广播电影电视部在1995年研究制定全国有线电视联网规划时已明确规定,国家部级和省级干线全部采用SDH传输技术,数据流的传输码率为2.5Gb/s,即STM-16。

  五 结束语

   SDH传输技术,广泛应用于传输领域,它的一系列优点非常适合于广播信号的传输。但由于SDH技术原主要是为传输话音和数据业务而制定的,对视频而言它还有许多需完善的地方,如使用SDH技术传输广播电视信号时,要求有较好的时钟同步性能和抖动性能。网络的同步性能差会引起指针调整,而指针调整会使彩色电视信号瞬时变色,网络的抖动性能不好,会引起解码器输出端产生抖动,引起信号色彩变化。这些问题有待在应用、发展中不断完善。

 

 
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