一种SDH帧结构及其同步方法

摘要

本发明为一种同步数字体系SDH帧结构的编制方法，令SDH帧结构包括段开销部分和净荷部分，其特征在于，将32行乘以16列个字节的数据块作为一个SDH帧结构，并将其中第1列用作存储SDH帧的段开销部分，其余为净荷部分。同时本发明还提供了基于上述帧结构的帧同步方法。由于减少了一帧中的数据传输量，降低了带宽需求，使得可用较低成本搭建教学实验用光纤通信系统。同时，本发明的SDH帧结构与现有的基于PCM的通信帧结构能够兼容，便于实验系统的使用，扩大了其应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及时分复用(Time Division Multiplex，TDM)数字通信，特别地，涉及一种SDH(Synchronoμs Digital Hierarchy，同步数字体系)的帧结构以及基于该SDH帧结构的同步方法。

背景技术

SDH(Synchronoμs Digital Hierarchy，同步数字体系)采用的信息结构等级称为同步传送模块STM-N(Synchronoμs Transport Module，N＝1，4，16，64)，最基本的模块为STM-1，四个STM-1同步复用构成STM-4，16个STM-1或4个STM-4同步复用构成STM-16；SDH采用块状的帧结构来承载信息，每帧由纵向9行和横向270×N列字节组成，每个字节含8位(bit)，帧结构如图1所示。整个帧结构分成段开销(Section OverHead，SOH)区、STM-N(N为1，4，16等)净负荷区和管理单元指针(AU PTR)区三个区域，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；净负荷区用于存放真正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；管理单元指针用来指示净负荷区内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷。SDH的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输，每帧传输时间为125μs，每秒传输1/125×1000000＝8000帧，对STM-1而言每帧字节为8bit×(9×270×1)＝19440bit，STM-1的传输速率为19440×8000＝155.520Mbit/s；而STM-4的传输速率为4×155.520Mbit/s＝622.080Mbit/s；STM-16的传输速率为16×155.520(或4×622.080)＝2488.320Mbit/s。

SDH信号的基本模块的速率为155.520Mbit/s的同步传送模块(STM-1)，更高的速率的同步数字系列信号，如STM-4(622.080Mbit/s)，STM-16(2488.320Mbit/s)以及STM-64(9953.280Mbit/s)可通过简单的将STM-1信号进行字节间插入同步信号复接而成，大大简化了复接和分接，使SDH十分适合于高速大容量光纤通信系统，便于通信系统的扩容和升级换代。

目前，光纤通信传输在世界各国的核心网、骨干网传输中正担当着重要作用，在我国，电信、联通、广电等电信运营商也都已经大规模建设了基于SDH(Synchronoμs Digital Hierarchy，同步数字体系)的骨干光传输网络，SDH的应用已十分广泛。但是，对于教学而言，目前市场上的光纤通信教学设备与通信服务商所采用的实际设备在原理上还存在较大的差别，教学设备大都只是基于PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)通信进行设计，造成教学实验与产业应用实践的严重脱节。

而完全照搬现有商用SDH的设备和带宽来制造教学用实验系统则存在成本过高的问题，因此，目前的现状是既没有基于SDH的教学用通信实验装置，也没有相应的适于教学实验的低速率SDH帧结构及相应的通信方法等。

发明内容

现有SDH帧即使是速率较低的STM-1其速率也为155.52Mbit/s，为降低制造成本，在教学实验中用到的速率要远小于此。为了满足教学实验需求，同时也为了便于实现和基于PCM的通信形式的兼容，本发明提出了一种低速率的SDH帧结构的编制方法以及基于所述方法编制的SDH帧结构的同步方法。

本发明提出的同步数字体系SDH帧结构的编制方法，令SDH帧结构包括段开销部分和净荷部分，将32行乘以16列个字节的数据块作为一个SDH帧结构，并将其中第1列用作存储SDH帧的段开销部分，其余为净荷部分。

其中，在所述SDH帧结构的净荷部分内复用SDH的通道开销，所述通道开销为4个字节，即32位，其包括通信1号信令部分、备用部分、校验部分、失效监控部分、源地址和目的地址。

其中，所述SDH帧结构的段开销部分包括帧同步码组部分、复用段保护部分、校验部分和备用部分。并且，将所述段开销部分的帧同步码组的首位用作帧格式标志位，所述帧格式标志位为0或1分别表示该SDH帧结构为标准的PCM帧结构或为SDH的帧结构。

本发明还提供了一种针对上述SDH帧结构的同步方法，该方法包括同步过程和捕捉过程，

其中同步过程包括以下步骤：

步骤1，在同步状态下，每隔两个帧周期判断一次每个偶帧的同步码组是否正确；

步骤2，同步码组是正确则返回步骤1；同步码组不正确则对当前同步码组连续错误次数进行检验，连续错误次数为1或2次则回到步骤1；连续错误次数为3次则判定为帧失步，转到步骤3，开始捕捉过程；

捕捉过程包括以下步骤：

步骤3，系统进入捕捉状态，对当前第N帧的同步码组进行检验，同步码组错误则重复步骤3，同步码组正确则在一个帧周期后读取第N+1帧并根据其失效监控部分对所述第N帧是否同步进行判断，若第N帧不是同步帧则重复步骤3；若第N帧是同步帧则转到步骤4；

步骤4，对第N+2帧的同步码组进行检验，若同步码组正确则判定已经同步则转到步骤1，开始同步过程；若同步码组错误则转到步骤3重新开始捕捉过程。

本发明提出的SDH帧结构编制方法和帧结构的同步方法，由于减少了一帧中的数据传输量，降低了带宽需求，使得可用较低成本搭建教学实验用光纤通信系统。基于本发明方法的帧结构不仅适用于教学用光纤通信实验系统，也可适用于低速率SDH通信的其它应用场合，例如，个人用户到程控交换机之间的支路通信，同时，根据本发明提供的同步方法，可以实现2Mbit/s的SDH帧结构的稳定同步通信。此外，本发明的SDH帧结构与现有的基于PCM的通信帧结构能够兼容，便于实验系统的使用，扩大了其应用范围。

附图说明

下面将结合附图对本发明的具体实施方式加以说明，附图中，

图1是现有技术SDH帧一般结构示意图；

图2是本发明SDH帧通道净荷部分结构示意图；

图3是本发明SDH帧结构示意图；

图4是本发明SDH帧段开销部分结构示意图；

图5是本发明SDH帧同步过程的同步状态时序示意图；

图6是本发明SDH帧同步过程的捕捉状态时序示意图；

图7是本发明SDH帧传输的BIP-8校验方法示意图；

图8a、图8b是SDH环网双纤单向通道保护示意图；

图9a、图9b是SDH环网双纤双向通道保护示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的SDH帧结构编制方法及基于本发明的SDH帧结构的同步方法进行详细说明。

如图3所示，根据本发明方法的SDH帧由段开销SOH与净荷两部分组成。整个帧结构按字节为单位排布为32行16列，其中第1列定义为SDH帧的段开销，其余为净荷部分。通道开销(Path OverHead，POH)复用到SDH帧的净荷部分。

在我国，对由于短距离小容量的脉码调制的多路数字电话系统，规定采用PCM30/32路制式。对于PCM30/32路制式的PCM一次群，16个PCM子帧组成一个PCM复帧，通常由于单路话音信号的采样频率规定为8000Hz，故一个PCM复帧周期为125μs。将一帧分为32个时隙，每个时隙为1字节，其中30个时隙(Ts1-Ts15和Ts17-Ts31)供用户使用，Ts0是帧同步时隙，Ts16是信令时隙。帧同步码组为“*0011011”，其为在偶帧Ts0中的固定码组，用来进行帧同步。PCM30/32系统的码率为8000×32×8＝2.048MB。

当本发明的帧结构用作基于PCM通信时，每两行相当于一个PCM帧周期Fn，n＝0，1，2...15。PCM帧的采样频率为8000Hz，16个PCM周期作为一个SDH周期，故图3所示的SDH帧频率为8000/16＝500Hz。

例如，图3所示的帧结构，当用作基于SDH的通信时，与PCM的用作30路通信不同，只传输6个通道的数据，即TD1-TD6。如图3所示，除去段开销后的净荷部分为30×16＝480个字节，由于将其分配到6个通道亦可表示为5×6×16＝480个字节。根据单路话音信号的采样频率8000Hz来传输通道数据，则每个通道TD-N(N为1到6)净荷如图3所示为5个字节，即5×8＝40位。

其中，每个通道的净荷部分如图2所示。从图2可见，通道开销POH为4个字节，每个字节8位，共32位。其包括：信令部分—4位，对于中国1号信令，其分别为两位前向信令和两位后向信令；备用部分—4位；校验部分—4位；失效监控1部分—4位；源地址和目的地址各4位；以及备用部分—8位。通道数据负荷为8位。

SDH帧段开销的结构如图4所示。其中，为了方便实现与仅基于PCM的通信方式兼容，段开销时隙Ts0偶和Ts0奇与PCM复帧用法相同，其区别在于作为帧同步码组的Ts0偶的首位定义为帧格式标志位。在PCM中该标志位为1，而本发明中，当用作SDH格式的帧时，该时隙的首位定义为0。在帧同步的过程中要对帧格式标志位进行判断，例如，其为0则系统采用本发明定义的SDH帧结构工作；为1则系统采用标准的PCM帧结构工作，从而实现了与普通电话交换机PCM的2M业务的兼容。

Ts16用作复帧同步，BIP-8为误码检测，字节B为段保护的失效监控2，字节K1、字节K2是用作复用段保护。而帧结构首列的其它字节则用作保留字节，以实现更灵活的应用。

由抽样定理可知，话音所在的30/32路PCM中，一个帧的传输需要125μs的时间。这里帧同步的判断也以话音信息的帧周期为单位，即以125μs为一个帧周期。

本发明的帧同步方法如图5、图6所示。帧同步过程有两种工作状态：一种是同步状态，另一种是捕捉状态。其过程包括以下步骤：

步骤1，在同步状态下，每隔两个帧周期判断一次每个偶帧的同步码组是否正确，例如正确为0011011；

步骤2，同步码组是正确则返回步骤1；同步码组不正确则对当前同步码组连续错误次数进行检验，连续错误次数为1或2次则回到步骤1；连续错误次数为3次则判定为帧失步，转到步骤3；这是因为为了防止偶然误码导致的假失步现象，检验一次是不够的，一般是连续3次出现帧同步码组不对时才确定帧失步(这3次250μs的时间称为前方保护)，否则需再回头重新判断；

步骤3，当确定帧失步后，系统进入捕捉状态，对当前第N帧的同步码组进行检验，同步码组错误则重复步骤3，同步码组正确则在一个帧周期后读取第N+1帧并根据其失效监控部分对所述第N帧是否同步进行判断，若第N帧不是同步帧则重复步骤3；若第N帧是同步帧则转到步骤4；

步骤4，对第N+2帧的同步码组进行检验，若同步码组正确则判定已经同步转到步骤1；若同步码组错误则转到步骤3重新开始捕捉过程。

这是因为由于语音码组或前后话路的数字码组合图案符合0011011可能导致出现伪同步码组，即必须对已经检测到的“同步码组”进行校验。校验方法是假定在第N帧检测到同步码组0011011，即经过125μs后读取第N+1帧的第一个时隙的第3位是否为1，如果之前所测得的码组是真正的帧同步码组，即此帧的为奇帧，该时隙为帧同步监控时隙，读取帧同步监视位A1，若A1＝0，表示之前的0011011并不是真正的帧同步码组，则需要回头重新进行搜索；若A1＝1表示有可能是真正的帧同步码组，再经过125μs，核实第N+2帧的第一个时隙是否为帧同步码组。若是，表明帧已经同步，系统退出捕捉状态回到同步状态；若不是，则需要回头重新进行搜索。其中，第N，N+1，N+2三个帧周期又称作后方保护。

本发明SDH帧结构的误码监控方式使用比特交错奇偶校验(BIP)，用到BIP-8、BIP-2两种奇偶校验法。以BIP-8为例对其校验方法进行说明(与BIP-2原理与之类似)，BIP-8校验方法如图7所示：

假设某信号帧由4个字节A1＝00110011，A2＝11001100，A3＝10101010，A4＝00001111组成，那么BIP-8奇偶校验法就是以8bit为一个校验单位(一个字节)，将此帧分为4部分(每字节为一部分，因一个字节为8bit正好是一个校验单元)按图7所示排放。依次计算每一列中各数的模二运算之和，则在得数(B)的相应位置填上结果(奇为1，偶为0)，则B的值就是A1、A2、A3、A4进行BIP-8校验所得的结果。当信号帧为N个字节时，也与之类似，每个校验单元为8位。在信号传输的过程中，发送端对每一复帧进行BIP-8校验，所得结果放入下一复帧的指定位置。接收端收到复帧后也进行BIP-8校验，将其结果与接收到的下一复帧的指定位置的结果值进行比较(异或比较，对应位不同时得1，得到1的数量就是校验8列中有多少列出现误码数)，以进行校验。

一般来说BIP-8多用于中继段误码检测，BIP-2多用于低阶通道的误码检测。在本发明的帧结构中，BIP-8的校验结果存放位置如图3所示，存放在段开销SOH部分。

在组网通信过程中，光纤环网是一种常用形式，自愈保护是光纤通信的一个重要内容，其中通道保护以其节点成本较低、系统简单和产品兼容性好的特点尤其适于教学实验。光纤环网的双纤单向和双纤双向通道保护的示意图分别如图8和图9所示。通道保护的对象是通道，即当某个通道出现故障时，只切换该通道对应的备用线路进行保护。例如，如图8a所示，正常通信时，由A节点到C节点的信号AC同时经过两条路径到达C节点，一是经由路径S1过B点到达C点；一是经由路径P1过D点到达C点。C节点根据两条路径信号的优劣决定选取，正常情况下，S1为主纤其信号为主信号。从C节点到A节点的信号与此类似。当传输路径出现故障，例如B节点到C节点之间的光缆被切断时，如图8b所示，则在节点C，经由路径S1传输的信号消失，则C节点将选用经由路径P1传输的信号，以维持通信的畅通。当故障排除后，再恢复原方式。双纤双向通道保护与之类似，其工作原理属于现有技术，这里不再赘述。

下面介绍基于本发明的帧结构的通道保护方法。以双纤单向通道保护为例，通道状态主要由通道开销POH部分监控，参见图2，其中a2、b2为误码监控BIP-2的奇偶校验位，若存在误码时c2为1，无误码时c2为0；d2在通道有信号装载时为1，通道无信号装载时d2为0；失效监控1是4位自定义的数组，例如将正常情况定义为1010，若该通道在传输线路中出现故障失效(中间站将该四位变全1)，使接收站得到的这4位的值为1111，这时启动通道保护即该通道切换到备用线路工作，同时接收站仍对这四位进行监控。当线路故障排除后，失效监控1传输为正常值1010，即接收站恢复主线路工作。在在无信号装载时，除失效监控位有效，其他信息无效。