作者：唐纯贞 主编
出版社：人民邮电出版社
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现代电信网(第3版)试读：
前言
我国的信息化起步于20世纪60年代，到八九十年代进入了大规模的尝试性应用阶段，在2000年～2006年，随着互联网的兴起进入快速建设时期。2006年后由于信息化融合，移动互联网、大数据和云计算等新的技术热点出现，中国电信行业进入规模爆发增长阶段，电信普及程度快速增长。
近20年中国电信行业经历了多次改革，推动电信市场竞争，形成了现在的3家基础电信企业全业务运营竞争的格局。
到今天，除了3家基础电信企业全业务运营商外，中国还有两万多家企业参与到电信增值服务的竞争中。为了进一步提高电信行业全员以及即将成为电信行业从业人员的全网和全业务意识，尤其是对现代电信网和电信业务的认识，笔者编写了这本书。
本书根据教育部职业教育与成人教育司关于“十二五”职业教育国家规划教材选题申报工作的精神，在2009年出版的《现代电信网》（第2版）篇章结构的基础上，进一步完善了各业务网描述的完整性和概念的准确性，特别增加了当前备受关注的移动 LTE、光纤到户（FTTH）和NGN等相关内容。
全书共分为6个部分。
在
绪论
中，概要地介绍电信网的结构及电信业务的分类。在传输网中，介绍 PCM、PDH 和 SDH 等概念，以及光纤传输、微波传输和卫星传输网络。
在电信业务网中，介绍包括固定电话网、分组交换网、帧中继网、数字数据网、综合业务数字网、移动通信网、IP网、智能网、用户接入网等各种电信业务网及电信业务。
在接入网中，介绍了FTTx，EPON，HFC，ADSL，VAST，LMDS等技术。
在电信支撑网中，介绍 No.7 信令网、数字同步网、电信管理网，以及它们在电信网中发挥的作用。
在电信发展展望中，介绍下一代电信网 NGN，以及支撑 NGN 的九大关键技术，分析当前中国电信行业发展趋势与面临的挑战。
本书由唐纯贞修编。由于时间仓促，再加上作者的学识有限，书中难免存在不足和错误，敬请读者批评指正。作者绪论
随着电信网的高速发展，电信运营商向公众提供的电信业务越来越丰富，其服务质量也越来越高。与此同时，电信网越来越庞大、技术越来越复杂。为了更好地管理、建设和维护电信网，也为了更好地发挥电信网的作用，为公众提供更多更好的业务，即将从事（包括从事）电信业的人员应该对电信网有全面的了解和较深入的认识。
为了便于后面各章节对各种电信网络及其业务的具体分析，在此先对电信网的基本概念、分类、结构及电信业务从总体上作简要介绍。
0.1 电信网的定义与分类
1.电信网的定义
电信网是为公众提供信息服务，完成信息传递和交换的通信网络。电信网所提供的信息服务也就是通常所说的电信业务。
电信网由硬件和软件组成，其中硬件部分的结构和布局称为网络的拓扑结构，而软件部分决定着网络的体系结构。随着通信高新技术的不断涌现，电信网络得到了快速发展，电信业务日益丰富。
2.电信网的分类
从不同的角度，以不同的方式可将电信网划分为各种类型。通常按功能可以把电信网分为业务网、传输网、接入网和支撑网。其中，业务网面向公众提供电信业务，包括固定电话交换网、数据网、综合业务数字网、IP 网、移动通信网、智能网等；传输网可通过光纤、微波和卫星等传输方式为不同服务范围的业务网之间传送信号；接入网可通过有线或无线、模拟或数字、窄带或宽带的方式将用户接入到局端；支撑网支持业务网和传输网的正常运行，它包括信令网、同步网和管理网。业务网、传输网、接入网和支撑网之间的关系如图0-1所示。图0-1 业务网、传输网、接入网和支撑网之间的关系
0.2 电信网的结构
1.电信网的构成要素
电信网由节点和链路组成，如图0-2所示。图0-2 电信网络构成示意图
电信网中的节点包括网络节点和终端节点。其中，网络节点大多是指交换中心，主要由交换设备、集中设备和交叉连接设备等组成；终端节点是指各种用户终端设备，如电话机、传真机、终端计算机等。
电信网中的链路是由电缆、光纤、微波或卫星等组成的传输线路，连接节点，完成节点间的信息传送。
除了以上组成电信网的硬件外，为了保证网络能正常运行还应有相应的软件和规定（如协议、标准等）。总之，电信网的基本功能就是为通信的双方（或多方）提供信息传递的路径，使处于不同地理位置的终端用户可以互相通信。
2.电信网的拓扑结构
电信网的拓扑结构有多种形式，常用的有网型、星型、复合型、树型、线型、环型和总线型等，如图0-3所示。图0-3 电信网的拓扑结构
如图0-3（a）所示，网型网的网内任意两个节点之间均有链路连接，如果网内有 N个节点，就需要N(N−1)条传输链路。当节点数增加时，传输链路数会迅速增加，网路结构的冗余度较大，稳定性较好，但线路利用率不高，经济性较差。
如图0-3（b）所示，星型网又称为辐射网，其中的一个节点作为辐射点，该节点与其他节点均有线路相连。对于网内有 N个节点的星型网，将有 N−1 条传输链路。与网型网相比，星型网的传输链路少，线路利用率高，但其稳定性较差。因为中心节点是全网可靠性的瓶颈，中心节点一旦出现故障会造成全网瘫痪。
如图0-3（c）所示，复合型网由网型网和星型网复合而成。根据电信网业务量的需要，以星型网为基础，在业务量较大的转换交换中心区间采用网型结构，可以使整个网路比较经济，且稳定性较好。复合型网具有网型网和星型网的优点，是电信网中常用的网络拓扑结构。
如图0-3（d）所示，树型网可以看成是星型网拓扑结构的扩展，其节点按层次进行连接，信息交换主要在上、下节点之间进行。树型结构主要用于用户接入网，以及主从网同步方式中的时钟分配网中。
如图0-3（e）所示，线型网的结构非常简单，常用于中间需要上、下电路的传输网中。
如图0-3（f）所示，环型网的结构与线型网的结构很相似，但其首尾相接形成闭合的环路。这种拓扑结构的网络具有自愈能力，能实现网路的自动保护，所以其稳定性比较高。
如图0-3（g）所示的总线型网是将所有的节点都连接在一个公共传输通道（总线）上。这种网络的拓扑结构所需要的传输链路少，增减节点方便，但稳定性较差，网络范围也受到一定的限制。
3.电信网的体系结构（1）协议及体系结构
在电信网中通信的双方必须遵守共同的约定，如双方使用的格式、收发信息采用的时序、通信系统中的两个实体之间交换管理数据的规则等。
网络协议就是为通信双方建立的规则、标准或约定的集合。网络协议有以下三个要素。
①语法：涉及数据及控制信息的格式、编码及信号电平等。
②语义：涉及用于协调与差错处理的控制信息。
③定时：涉及速度匹配和排序等。
电信网络十分复杂，为了使网络协议比较清晰，易于实现，通常将复杂系统分解为若干个子系统，然后“分而治之”，这种结构化设计方法是工程设计中常见的手段。而分层就是系统分解的最好方法之一。
在如图0-4所示的一般分层结构中，n层是n−1层的用户，又是n+1层的服务提供者。n+1层虽然只直接使用了n层提供的服务，实际上它通过n层还间接地使用了n−1层以及以下所有各层的服务。
层次结构的好处在于使每一层实现一种相对独立的功能。分层结构还有利于交流、理解和标准化。
协议是指某一层协议，准确地说，它是对同等实体之间的通信制订的有关通信规则约定的集合。
网络的体系结构是网络各层次及其协议的集合，层次结构一般以垂直分层模型来表示。如图0-5所示。图0-4 层次模型图0-5 网络的体系结构
网络层次结构的要点如下。
①除了在物理介质上进行的是实通信之外，其余各对等实体间进行的都是虚通信。
②对等层的虚通信必须遵循该层的协议。
③n层的虚通信是通过n与n−1层间接口处n−1层提供的服务以及n−1层的通信（通常也是虚通信）来实现的。（2）OSI参考模型（OSI/RM）
开放系统互连（Open System Interconnection，OSI）基本参考模型是由国际标准化组织（ISO）制定的标准化开放式网络层次结构模型。“开放”这个词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统进行互连。
OSI 包括了体系结构、服务定义和协议规范。OSI 的体系结构定义了一个七层模型，用以进行进程间的通信，并作为一个框架来协调各层标准的制定；OSI 的服务定义描述了各层所提供的服务，以及层与层之间的抽象接口和交互用的服务原语；OSI 各层的协议规范，精确地定义了应当发送何种控制信息及何种过程来解释该控制信息。
需要强调的是，OSI 参考模型并非具体实现的描述，它只是一个为制定标准而提供的概念性框架。在 OSI 中，只有各种协议是可以实现的，网络中的设备只有与 OSI 的有关协议相一致时才能互连。
如图0-6 所示，OSI 七层模型从下到上分别为物理层（Physical Layer，PH）、数据链路层（Data Link Layer，DL）、网络层（Network Layer，N）、运输层（Transport Layer，T）、会话层（Session Layer，S）、表示层（Presentation Layer，P）和应用层（Application Layer，A）。图0-6 OSI参考模型
从图0-6中可见，整个开放系统环境由作为信源和信宿的端开放系统及若干中继开放系统通过物理介质连接构成。这里的端开放系统和中继开放系统，都是国际标准 OSI7498 中使用的术语，它们相当于资源子网中的主机和通信子网中的节点机（IMP）。只有在主机中才可能需要包含所有七层的功能，而在通信子网中的 IMP 一般只需要最低三层甚至只要最低两层的功能就可以了。
层次结构模型中数据的实际传送过程如图0-7所示。图中发送进程送给接收进程数据，实际上数据是经过发送方各层从上到下传递到物理介质；通过物理介质传输到接收方后，再经过从下到上各层的传递，最后到达接收进程。图0-7 数据的实际传递过程
数据在发送方从上到下逐层传递的过程中，每层都要加上适当的控制信息，即图中的AH、PH、SH、TH、NH、DLH，统称为报头。到最底层成为由“0”或“1”组成的数据比特流，然后再转换为电信号在物理介质上传输至接收方。接收方在向上传递时过程正好相反，要逐层剥去发送方相应层加上的控制信息。
因接收方的某一层不会收到底下各层的控制信息，而高层的控制信息对于它来说又只是透明的数据，所以它只阅读和去除本层的控制信息，并进行相应的协议操作。发送方和接收方的对等实体看到的信息是相同的，就好像这些信息通过虚通信直接给了对方一样。
各层功能简要介绍如下。
①物理层：定义了为建立、维护和拆除物理链路所需的机械的、电气的、功能的和规程的特性，其作用是使原始的数据比特流能在物理介质上传输。具体涉及接插件的规格，“0”，“1”信号的电平表示，收发双方的协调等内容。
②数据链路层：比特流被组织成数据链路协议数据单元（通常称为帧），并以其为单位进行传输，帧中包含地址、控制、数据及校验码等信息。数据链路层的主要作用是通过校验、确认和反馈重发等手段，将不可靠的物理链路改造成对网络层来说无差错的数据链路。数据链路层还要协调收发双方的数据传输速率，即进行流量控制，以防止接收方因来不及处理发送方来的高速数据而导致缓冲器溢出及线路阻塞。
③网络层：数据以网络协议数据单元（分组）为单位进行传输。网络层关心的是通信子网的运行控制，主要解决如何使数据分组跨越通信子网从源传送到目的地的问题，这就需要在通信子网中进行路由选择。另外，为避免通信子网中出现过多的分组而造成网络阻塞，需要对流入的分组数量进行控制。当分组要跨越多个通信子网才能到达目的地时，还要解决网际互连的问题。
④运输层：是第一个端——端，即主机——主机的层次。运输层提供的端到端的透明数据运输服务，使高层用户不必关心通信子网的存在，由此用统一的运输原语书写的高层软件便可运行于任何通信子网上。运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。
⑤会话层：是进程——进程的层次，其主要功能是组织和同步不同的主机上各种进程间的通信（也称为对话）。会话层负责在两个会话层实体之间进行对话连接的建立和拆除。在半双工情况下，会话层提供一种数据权标来控制某一方何时有权发送数据。会话层还提供在数据流中插入同步点的机制，使得数据传输因网络故障而中断后，可以不必从头开始而仅重传最近一个同步点以后的数据。
⑥表示层：为上层用户提供共同的数据或信息的语法表示变换。为了让采用不同编码方法的通信终端在通信中能相互理解数据的内容，可以采用抽象的标准方法来定义数据结构，并采用标准的编码表示形式。表示层管理这些抽象的数据结构，并将通信终端内部的表示形式转换成网络通信中采用的标准表示形式。数据压缩和加密也是表示层可提供的表示变换功能。
⑦应用层：开放系统互连环境的最高层。不同的应用层为特定类型的网络应用提供访问 OSI 环境的手段。网络环境下不同主机间的文件传送、存取和管理（FTAM）、传送标准电子邮件的信息处理系统（MHS）、使不同类型的终端和主机通过网络交互访问的虚拟终端（VT）协议等都属于应用层的范畴。
OSI 参考模型最初是为计算机通信网建立的协议模型，随着计算机技术向通信领域的渗透，其应用范围已逐渐扩大，成为制定电信网协议的重要依据。例如，电信网中分组交换网的 X.25 协议、综合业务数据网的 S/T 接口协议、公共信令网的 No.7 协议、用户接入网的V5接口协议、电信管理网的Q3接口协议和SDH传输网的ECC协议等。
0.3 电信业务
电信网向广大公众用户所提供的电信服务都称为电信业务。电信业务可以分成两大类，一类是基本业务，另一类称为补充业务。
1.基本业务
基本业务包括用户终端业务和承载业务。它们的业务范围如图0-8所示。图0-8 用户终端业务和承载业务的范围
承载业务是利用用户网络接口（UNI）至用户网络接口（UNI）间网路所能传递业务的能力来提供的业务。这些业务能力主要由网路不同的传递方式，传递速率，传递的信息类型，网路的结构、特点、配置和通信建立的方式等方面决定。
用户终端业务是在电信网承载能力的基础上增加了用户终端设备（TE）的功能后所能提供的电信业务，范围是从 TE 到 TE。如电话业务、传真业务、数据业务、视频业务、多媒体业务等。
2.补充业务
电信网的补充业务是在基本业务的基础上增强了某些性能后向用户提供的业务。如电话网上的呼叫转移业务、来电显示业务等。
思考题
1.简述电信网的概念，说明电信网的分类。
2.说明电信网的组成要素，画出各种网络的拓扑结构，并予以比较。
3.说明协议在通信中的作用，画出开放系统互连参考模型（OSI/RM）的结构，简述各层的主要作用。
第一篇 传输网
在电信网中，链路承担着各节点间信号的传输，包括网络节点与网络节点间信号的传输，以及网络节点与终端节点间信号的传输。本篇主要介绍由网络节点间的传输链路（含传输线路和传输设备）组成的传输网。由网络节点与终端节点间的传输链路所组成的网称为用户接入网。用户接入网相关内容将在第三篇第11章介绍。
第1章 传输技术基础
传输网完成各节点间的信号传输。如果没有传输网，各节点间的信号就不可能“通”，可见传输网在整个电信网中有着举足轻重的地位。为了更好地了解传输网中的各种传输方式和各种传输系统，本章对传输的基础知识作一简单介绍。
1.1 传输的基本概念
传输网由各种传输线路和传输设备组成，其中传输线路完成信号的传递，传输设备完成信号的处理。传输设备的功能将在本篇后续章节相关的传输系统中介绍，本节主要介绍传输线路的功能和特点，以及各种不同的传输方式。
1.传输线路
由于完成信号传输的传输线路可以是不同的传输介质，如铜线、光纤和空间等，所以，传输线路可以分为有线和无线两大类，如图1-1所示。图1-1 传输线路分类（1）对称电缆
对称电缆是由若干条纽绞成对或纽绞成组的绝缘导线缆芯和外面的护层组成的。导线材料通常是用铜。对称电缆的幅频特性是低通型，串音随频率升高而增加，一般用来传输较窄频带的模拟信号，或较低速率的数字信号。但随着数字处理技术的发展，高质量对称电缆传输速率可达几Mbit/s甚至几十Mbit/s。（2）同轴电缆
同轴电缆主要是由若干个同轴对和护层组成的。同轴对由内、外导体及中间的绝缘介质组成，导线材料通常是用铜。由于同轴电缆外导体的屏蔽作用，当工作频率较高时，可以认为同轴电缆内的电磁场是封闭的，基本不引入外部噪声、干扰和串音，也没有辐射损耗。因此，同轴电缆适用于高频信号的传输。但同轴回路特性阻抗的不均匀影响传输质量，且同轴电缆耗铜量大、施工复杂，建设周期长。
在光纤应用于通信传输之前，同轴电缆是应用最普遍的一种传输介质，目前仍在广泛应用。它被用于长距离电话和电视传输、电视分配、局域网以及短距离传输系统链路中。采用频分复用技术，一根同轴电缆可同时提供 1 万条以上的电话信道。在有线电视（CATV）网中同轴电缆更是占有主导地位，典型的同轴电缆的频带可达 400MHz 以上。同轴电缆种类很多，有大、中、小不同的类型以及综合型同轴电缆。（3）光纤光缆
光缆主要由缆芯、加强构件和护层组成。光缆中传送信号的是光纤，若干根光纤按照一定的方式组成缆芯。光纤由纤芯和包层组成，纤芯和包层是折射率不同的光导纤维，利用光的全反射原理使光能够在纤芯中传播。
光纤光缆的主要优点如下。
①频带宽、传输速率高。光纤的带宽几乎是无限的，传输速率可12高达10bit/s以上。
②传输距离长。在远距离传输上光缆的优势非常明显，其无中继传输的距离可达100km以上。
③质量轻，体积小，成本低。在远距离（如跨海）敷设中特别体现其优越性。
④低衰减，低误码率。光纤的衰减在很宽频带内为常数，衰减值−9极低；其信号传输可靠性极高，误码率优于10，因此大大简化了网络节点上的差错控制。
⑤无电磁影响。光纤中传输的是光，它不受电磁场影响，不辐射电磁能量，因此通信质量好，保密性能好。
光纤的种类很多，按传输电磁模式数量的不同，可分为单模光纤和多模光纤；按工作波长不同，可分为短波长（0.8μm～0.9μm）光纤，长波长（1.2μm～1.6μm）光纤和超长波长（大于 2μm）光纤；还有按光纤横截面折射率分布的不同分为突变型光纤、渐变型光纤和 W型光纤（折射率分布按W形变化）等。（4）无线传输“无线传输”是没有“线”的传输，即不需要物理实线，而是利用地球上层的空间作为信号的传输信道，信号通过这个空间信道以电磁波的形式传播。
根据所利用电磁波的波长（或频率）的不同，无线传输的信号可分为“光”（激光）和“电”（无线电）两种形式来传播。电信网主要利用无线电传输信号，而激光目前主要应用在宇宙通信领域。
用来传输无线电信号的电磁波，称为“无线电波”。根据波长（或频率）的不同无线电波还可以细分为长波、中波、短波、超短波和微波等不同波段，如表1-1所示。表1-1 无线电波的分类
不同波段的无线电波的传播特性和传输容量是不同的，在电信传输网中，通常利用微波来实现长距离、大容量的传输。本书第3章介绍的微波地面中继传输系统和第4章介绍的卫星通信系统就是利用微波实现无线电传输的。
2.模拟传输与数字传输
信息按表达形式不同可以分为模拟的和数字的，当然不同形式的信号传输通路也不同。
信息可以以电信号的形式表示，任何电信号的波形都可以用幅度和时间两个参量来描述。幅度是离散（即幅度的取值被限制在有限个内）的信号称为数字信号（见图1-2）；相反，幅度是连续（即幅度可以取无穷多值）的信号称为模拟信号（见图1-3）。模拟信号和数字信号都可以通过适当的处理实现相互转换。图1-2 数字信号的波形图1-3 模拟信号
传输模拟信号的系统称为模拟传输系统，传输数字信号的系统称为数字传输系统。
由于数字传输可以克服传输中的噪声积累，便于加密、便于纠错、便于流量控制、能实现综合业务传输、便于实现网管等一系列优点，而被广泛应用。
3.基带传输与频带传输
为了适应信道传输频带的要求，需要将待传的信号经过调制搬移到某一高频范围内，再送上信道传输，这种传输方式称为频带传输；而未经调制，直接将待传信号送上信道传输的传输方式称为基带传输。除电缆可以直接传输基带信号外，其他各种传输介质都工作在较高的频段上，只能以频带的方式传输信号（电缆上也可以实现频带传输）。
1.2 数字传输的主要性能指标
各种传输系统有各自的技术性能指标。模拟传输系统的主要性能指标有：信噪比、信道带宽等。而数字传输系统的主要性能指标有：传输容量、频带利用率、传输损伤等。目前，电信传输网主要采用数字传输，本节主要介绍数字传输系统的主要性能指标。
1.传输容量
数字系统的传输容量是以每秒所传输的信息量来衡量的。信息量是消息多少的一种度量。消息的不确定性程度愈大，则其信息量愈大。
信息论中已定义信源发出信息量的度量单位是比特（bit），对于随机二进制序列，“1”码和“0”码出现的概率相等，并前后相应独立，一个二进制码元（一个“1”或者一个“0”）所含的信息量就是一个“比特”。（1）比特速率
比特速率是指系统每秒传送的比特数，单位是比特/秒（bit/s）。（2）码元速率
码元速率也叫符号传输速率。它是指单位时间内所传输码元的数目（即多少个波形符号），单位是波特（Baud），1 波特=l 码元/秒。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的。码元速率和比特速率是可以换算的。码元速率和比特速率的关系是：R=N·logM （1-1）bB2
式中，R为比特速率（bit/s）；b
N为码元速率（码元/秒或波特）；B
M为码元（或符号）的进制数。
2.频带利用率
频带利用率是指单位频带内的传输速率。在比较不同通信系统的传输效率时，单看它们的传输速率是不够的，还应该看在这样的传输速率下所占的频带宽度。传输系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。所以，用来衡量数字传输系统传输效率的指标应当是单位频带内的传输速率，单位是（bit/s）/Hz。
3.传输损伤（1）误码率
误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例（平均值），用符号P表示。e（2）误比特率
误比特率又称比特差错率，是指在传输的比特总数中错误接收的比特数所占的比例（平均值），用符号P表示。eb
由于数字通信中一般采用二进制，在这种情况下，误码率与误比特率相等，所以以后传输差错率都用误码率P来表示。e（3）信号抖动
在数字通信系统中，信号抖动是指数字信号码相对于标准位置的随机偏移，其示意图如图1-4所示。信号抖动的程度与传输系统特性、信道质量及噪声等有关。图1-4 信号抖动示意图
误码率和信号抖动都直接反映了信号通过传输系统的损伤，反映系统的传输质量。
显然，从通信的有效性和可靠性出发，希望单位频带的传输速率越大越好，误码率和抖动越小越好。
1.3 脉冲编码调制
如前所述，电信传输网已广泛采用数字传输系统。但是需要传输的许多信号的原始形式是模拟信号，如电话、传真、电视等。为了能通过数字传输系统传输这些模拟信号，在传输系统的发送端应先将模拟信号变换为数字信号（A/D），当然，传输系统的接收端还要能将接收到的数字信号还原成模拟信号（D/A）。A/D 变换的方法很多，如脉冲编码调制（PCM）、差值脉冲编码调制（DPCM）、自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）等。读者可以查看有关数字通信原理的相关书籍。本节仅简要介绍脉冲编码调制（PCM）的原理，以建立A/D和D/A的基本概念。
1.PCM通信系统的构成
脉冲编码调制（PCM）是通过对模拟信号进行抽样、量化和编码完成模拟信号转化为数字信号的。A/D变换采用PCM实现的数字通信系统称为PCM通信系统。PCM通信系统构成方框图如图1-5所示。图1-5 PCM通信系统构成方框图
由图可以看出，PCM通信系统由A/D变换、信道部分和D/A变换三个部分构成。（1）A/D变换（PCM编码）
A/D变换包括抽样、量化、编码三个步骤，如图1-6所示。
抽样——把模拟信号在时间上离散化，变为脉冲幅度调制PAM（样值）信号。
量化——把PAM信号在幅度上离散化，变为量化值（设共有N个量化值）。
编码——用二进制码来表示N个量化值，每个量化值编成l位二进l制码，则有N=2。（2）信道部分
信道部分包括传输线路和再生中继器。再生中继器可消除噪声干扰，所以数字传输系统中每隔一定的距离加一个再生中继器以延长传输距离。（3）D/A变换（PCM解码）
接收端首先利用再生中继器消除数字信号中的噪声干扰，然后进行 D/A 变换。D/A 变换包括解码和低通两部分。
解码——编码的反过程，解码将编码信号还原为PAM信号。
低通——收端低通滤波器的作用是在PAM的基础上恢复或重建原模拟信号。
2.话音信号的脉冲编码调制
到目前为止，话音业务仍然是电信网最主要的业务，而绝大部分话机仍然是模拟的。将模拟的话音信号变换为数字话音信号，最常用的方式是对模拟话音进行PCM编码。图1-6 PCM编码过程示意图
通常，模拟话音的频率是 300Hz～3400Hz。对这样的模拟话音进行 PCM 编码，一般是先以 8000 次/s 的频度对其进行抽样（即抽样频率 8000Hz），然后采用 A 律 13 折线对样值信号进行量化（256级）和编码（每个量化后的样值用8位二进制码来表示）。
这样，经过PCM编码后，一路数字话音的速率为64kbit/s。
1.4 30/32 PCM的帧结构
1.时分复用“复用”是将多路信号安排在一起，使它们能在一条线路上传输，并且相互独立，互不干扰。复用分为频分复用（FDM）和时分复用（TDM）两大类。其中，频分复用主要用于模拟信号的多路传输，而时分复用是用于数字信号多路传输的。这里仅介绍时分复用。
时分复用就是将若干路数字信号（脉冲序列），经过分组、压缩、循环排序等处理，成为时间上互不重叠的多路信号在一条信道上一并传输的方式。
同一路的数字脉冲序列信号相邻两个样值脉冲之间有一定的时间间隔，在这个间隔中插入其他路样值脉冲，就能以时间分割的方式实现多路复用。时分多路复用的原理如图1-7 所示，它是一个三路时分复用多路传输的示意图。图1-7 时分复用多路传输示意图
2.有关帧结构的几个基本概念
①帧——抽样时各路信号每轮一次的时间总和（T），即一个抽样周期。在一个抽样周期即一帧中，每路信号都有一个样值。
②路时隙（时隙）——合路的 PAM 信号（即 1 帧中），每个样值间的时间间隔（）。通俗地说，就是一帧中每路信号（每个信道）所占的时间（n为路数）。
③位时隙——1位码的时间宽度（），式中l为一个样值的编码位数。
④数码率——每秒的比特数。可推导数码率f为B
把多路信号的脉冲以及插入的各种标记码按照一定的时间顺序排列的数字码流的组合就是帧结构。
3.30/32PCM帧结构
根据原 CCITT 建议，PCM 以 30 路复用为一个基群（一次群）。PCM 对话音信号采用8kHz频率抽样，即每秒产生8000帧，每帧周期为T=125μs，如图1-8所示。每一帧由32个路时隙组成（每个路时隙对应一个样值，一个样值编8位码）。图1-8 30/32 PCM帧结构示意图（1）30个话路时隙（TS～TS，TS～TS）1151731
TS～TS分别传送第 1～15 路（CH～CH）话音信号，TS11511517～TS分别传送第 16～30路（CH～CH）话音信号。311630（2）帧同步时隙（TS）0
为了实现帧同步，对偶帧码与奇帧码的规定如下。
偶帧 TS——发送帧同步码 0011011；偶帧 TS的 8 位码中第 1 00位保留给国际用，暂定为1，后7位为帧同步码。
奇帧TS——发送帧失步告警码。奇帧TS的8位码中第1位也保00留给国际用，暂定为1。第2位码固定为1码，以便在接收端用以区别是偶帧还是奇帧（因为偶帧的第2位码是0 码）。第 3 位码 A为帧失1步时向对端发送的告警码（简称对告码）。当帧同步时，A码为0码；1帧失步时A码为1码。以便告诉对端，收端已经出现帧失步，无法工1作。第4～8位码可供传送其他信息（如业务联络等）。这几位码未使用时，固定为 1 码。这样，奇帧 TS时隙的码型一般为{11 0A11111}。1（3）信令与复帧同步时隙（TS）16
每一路话音信号都有相应的信令信号（接续用）。由于信令信号频率很低，其抽样频率取 500Hz，即抽样周期为 1/500=125μs×16=16T（T=125μs）。而且，每个样值只编为 4 位码（称为信令码或标志信号码），所以对于每个话路的信令码，只要每隔 16 帧轮流传送一次就够了。将每一帧的 TS传送两个话路信令码（前四位码为16一路，后四位码为另一路），这样15个帧（F～F）的 TS可以轮11516流传送 30个话路的信令码（具体情况参见图1-8）。而 F帧的TS传016送复帧同步码和复帧失步告警码。
16个帧称为一个复帧（F～F），如图1-8 所示。为了保证收、015发两端各路信令码在时间上对准，每个复帧需要送出一个复帧同步码，以保证复帧得到同步。复帧同步码安排在F帧的 TS时隙中的016前四位，码型为{0000}。另外，F帧 TS时隙的第 6 位 A为复帧失0162步对告码。复帧同步时，A码为 0 码，复帧失步时则改为 1 码。第 5，27，8 位码也可供传送其他信息用（如暂不使用时，则固定为1码）。
对于PCM30/32路系统的参数值如下。
帧周期：125μs。帧长度：32×8=256bit（l=8）。
路时隙：t=T/n=125μs/32=3.91μs。c
位时隙：t=t/l=3.91μs/8=0.488μs。Bc
数码率：f=f·n·l=8000×32×8=2048（kbit/s）。Bs
1.5 准同步数字系列
1.数字复接的概念
随着电信业务的不断增长，需要传输的信息量越来越大。与此同时，传输介质的传输能力被不断地开发出来，传输技术也在快速发展。如何能使更多路的数字信号以更高的速率一起传输，就是数字复接要完成的任务。“数字复接”是将多个较低速率的支路信号（低次群多路信号）以时分的方式合并为一个较高速率的群路信号（高次群多路信号），使得数字传输的容量不断增大（见图1-9）。图1-9 数字复接的原理示意图“数字复用”是将多个单路信号合为一个多路信号，而“数字复接”是将多个多路信号合为一个更多路的信号，两个概念有所区别。但“数字复用”和“数字复接”的方式类似（都是以时分的方式合并信号）。所以，有些书上对这两个概念不分。为了与一些习惯说法一致，本书以后对这两个概念也不作严格的区分。
不同的传输链路上有不同的传输容量的需求，不同的传输介质也有不同的传输能力，需要有不同话路数和不同速率的复接，形成一个系列（或等级），由低向高逐级复接，这就是数字复接系列。
数字复接分为同步数字系列（SDH）和准同步数字系列（PDH）两大体系。PDH 是最早的数字复接技术，是数字复接技术的基础，目前仍然广泛应用。SDH 是更先进的数字复接技术，发展非常迅速，目前在传输网中起着非常重要的作用。
2.复接的时分方式
将多个较低速率的支路信号（低次群多路信号，见图1-10（a））复接为一个较高速率的群路信号（高次群多路信号）的时分复接方式主要有两种，即按位复接和按字复接（见图1-10（b）、（c））。图1-10 按位复接与按字复接示意图
按位复接是每次依次复接各支路（低次群）的一位脉冲，周而复始，如图1-10（b）所示。按位复接要求复接电路存储容量小，简单易行，准同步数字系列（PDH）通常采用按位复接方式。但按位复接破坏了一个字节的完整性，不利于以字节为单位的信号处理和交换。
按字复接是每次依次复接各支路（低次群）的一个字节（8bit），周而复始，如图1-10（c）所示。按字复接要求复接电路有较大的存储容量。但按字复接保证了一个字节的完整性，便于以字节为单位的信号处理和交换。同步数字系列（SDH）采用按字复接方式。
3.复接的同步方式
复接的同步方式是指参与复接的各支路之间的相对关系，主要分为同步方式和准同步方式。“同步”方式复接，要求送来复接的各支路数字信号准确同步（用的是同一时钟）。同步数字系列（SDH）就是采用同步复接的方式。
而“准同步”方式复用，是指送来复接的各支路数字信号接近同步（各支路数字信号有一标称码速，并允许有一小范围的差别）。在复接前先进行码速调整（达到同步），再进行复接（见图1-11）。准同步数字系列（PDH）采用准同步复接的方式。图1-11 PDH复接系统示意图
4.准同步数字系列（PDH）
国际上主要有两种准同步数字系列，一种是以 30 路复用组成基群（一次群）的 PCM 30/32 路系列，另一种是以 24 路复用组成基群（一次群）的 PCM 24 路系列，如表 1-2 所示。我国采用PCM 30/32路系列。表1-2 PDH准同步数字系列
由于准同步数字复接是靠外界插入附加比特码使各支路信号（低次群）达到同步，再复接成高次群信号的。因此，准同步数字复接方式很难直接从高次群信号中提取低速的支路信号。在传输网的某个转接点为了上下支路，必须将整个高次群信号一步步地分接到所需的低速支路信号等级，才能提取支路信号；然后再将要上载的支路信号一步步地复接到高次群信号一起传输，如图1-12 所示。这个过程使得系统结构复杂，硬件数量多，上下支路成本高等。图1-12 PDH在传输中上下支路过程示意图
本节只简单介绍了数字复接和PDH，关于SDH将在下一章专门重点介绍。
思考题
1.分别比较有线传输与无线传输、模拟传输与数字传输、基带传输与频带传输的方式。
2.列出数字传输的主要性能指标，并分别予以说明。
3.画出PCM通信系统框图，简述各部分的功能。
4.画出30/32PCM帧结构示意图，简述各时隙的作用。
5.列出我国采用的 PDH 一至四次群速率；画出 PDH 复接系统示意图，说明各部分的作用。
第2章 光纤传输网
光纤传输网是以光纤作为传输介质的传输网络。因为光纤的传输容量大、传输损耗小，所以光纤传输在整个电信传输网中起着非常重要的作用。
2.1 SDH概述
1.SDH的基本概念（1）SDH应用概况
数字同步网（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）是基于光纤传输网的同步数字传输技术，它以光纤为主要传输介质。随着光纤网的广泛应用，SDH 成为现代传输的骨干网络。SDH 同步数字系列也是当前世界各国采用的主要传输技术，原 CCITT 专门提出了统一的SDH国际标准建议。我国从20世纪90年代初开始建设SDH。国家干线经过所有的省会和本地网。各省也建设了省内SDH干线和本地SDH传送网。在数字传送网中SDH已成为主体。（2）从准同步数字系列到同步数字系列
SDH 是在 PDH 的基础上发展起来的一种数字传输技术体制。在准同步数字系列（PDH）中，各级信号在复接过程中由于高阶与低阶之间不成 4（欧洲/中国制式）的整倍数，各支路信号之间因时钟不同步而存在一定的偏差，因此需在各支路信号中插入一定数量的脉冲，以实现各支路信号之间的同步，以及各低阶信号与高阶信号的同步。因此，PDH的复用结构十分复杂，并且两个系列、三种数字速率标准互不兼容。PDH 主要面向点到点的传输，在本地传输网得到广泛应用。20世纪90年代以前，PDH是通信网传输链路的主要方式。由于 PDH 存在缺乏灵活性、复用结构复杂、维护管理困难、很难扩大容量以及各国采用的不同系列难以兼容等问题，所以自20世纪80年代末期SDH技术出现以来，从干线到城市本地网传输，PDH已逐渐被SDH 取代，但在支路（155Mbit/s以下）的传输上PDH还具有实用价值。（3）SDH的特点
与PDH比较，SDH有许多优点。
①SDH实现了统一的比特率，即标准的信息结构等级——同步传递模块（Synchronous Transfer Module，STM）STM-N（N=1，4，16，64，…）；上一级是下一级的 4 的整数倍，不存在码速调整。
②SDH 有一套特殊的复用结构，允许现存的 PDH 等信号纳入其帧结构中传输。它提供了同现有的PDH技术中已有的四次群（140Mbit/s）及以下的PDH信号接口，将各种不同制式的PDH信号在STM-1这一等级上统一起来。SDH具有很强的兼容性和广泛的适应性。
③SDH 的复用结构使不同等级的净负荷码流在帧结构内有规律的排列，净负荷又与网络同步。因而利用软件就可以从高速的信号中一次分插出低速支路信号，避免了全套背靠背复用/解复用设备。特别是 SDH 的各种网络单元，如：TM（终端复用器）、ADM（分插复用器）、REG（再生中继器）和 SDXC（同步数字交叉连接设备）的使用，使网络传输与上下话路更加灵活方便。
④SDH 有全世界统一的网络节点接口（NNI），从而简化信号的互通以及信号传输、复用、交叉连接等过程，标准的光接口允许不同厂家的设备在光网络中互通。
⑤SDH 具有很强的网管能力。在 SDH 的帧结构中规定了丰富的用于网络运行、维护、管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）的字段，可提供故障检测、区段定位、性能管理和单端维护等多种能力。
⑥SDH 大量使用软件进行网络配置与控制，增加新功能和新特性非常方便，适合业务不断发展的需要。
⑦SDH 可组成自愈保护环路。自愈保护环提供两个方向和传输通路，作为主备用。这种网络结构形式可以在环路某处发生故障时及时有效地防止传输链路的中断，确保信息安全可靠传输。
2.SDH的速率与帧结构（1）SDH的速率等级
由ITU-T的G.707建议，按传输量定义了SDH的同步转移模块（STM）各级的速率。STM-N 中的 N=1，4，16，64，…，基本模块 STM-1 的速率为 155.520Mbit/s，其他各高阶模块是将基本模块STM-1逐级同步复用、字节间插得到的，其速率均是相邻低阶的4倍。
ITU-T的G.707建议规范的SDH的标准速率如表2-1所示。表2-1 SDH标准速率（2）SDH的帧结构
SDH 的帧结构必须适应同步数字复用、交叉连接和交换的功能，同时也希望支路信号在一帧中均匀分布且有规律，以便插入和取出。ITU-T 最终采纳了一种以字节为单位的矩形块状（或称页状）帧结构，如图2-1所示。
STM-N 由N×270 列×9 行×8000 组成，即帧长度为N×270×9个字节或270×N×9×8个比特。帧周期为125μs（一帧的时间，即每秒传输＝8000帧）。
对于STM-1而言，帧长度为270×9=2430个字节，相当于19440bit，由此可算出其比特率为270×9×8×8000 =155.520Mbit/s。
这种块状（页状）结构中各字节的传输是从左到右、由上而下按行进行的，即从第1行最左边字节开始，从左向右传完第 1 行，再依次传第 2 行、第 3 行等，直至整个9×270×N个字节都传送完再转到下一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共传8000帧。
由图2-1可见，整个帧结构可分为三个主要区域。图2-1 SDH的帧结构
①段开销区域。SDH 帧结构中安排有两大类开销（开销是“支出并用于某种目的”的意思）。
段开销（Section Overhead，SOH）和通道开销（Path Overhead，POH），它们分别用于段层和通道层（传输中的通路分类）的维护。
帧结构的左边N×9列×8行（除去第4行）属于段开销区。对于STM-1而言，每帧中有72 字节（576bit），由于每秒传送 8000 帧，因此共有 4.608Mbit/s 的容量用于网络的运行、维护和管理（OAM），以保证信息净负荷正常、灵活传送。
②净负荷区域。信息净负荷（payload）区域是帧结构中存放各
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