第八章 光纤通信系统性能评估[hardrock]

第八章 数字光纤通信系统性能
光纤通信与传输技术基础
沈建华
南京邮电大学
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7
数字传输模型 误码特性 抖动特性 漂移特性 延时特性 光纤通信系统的可用性 光缆线路系统设计
2007-6-11
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概述
为了满足全程全网各种通信的要求,需要对 通信网在技术和经济相权衡的基础上进行规划和 设计.规划和设计包含了许多相关的因素,其中 首要的因素是系统的传输性能. 光纤通信系统多属于数字系统,因此光纤通 信系统的各种性能指标如误码,抖动,漂移,延 时等也必须满足数字传输系统的要求.
8.1 数字传输模型
由于数字信号在传输过程中会受到各种损害,因此, 在进行传输系统设计时,需要规定各部分设备性能,以保 证把它们构成一个完整的传输系统时,能满足总的传输性 能要求.为此,需要确定一个合适的传输模型,以便对数 字网的主要传输损伤的来源进行研究,确定系统全程性能 指标,并根据传输模型对这些指标进行合理分配,从而为 系统传输设计提供依据. ITU-T提出了各种数字传输模型的建议.模型分为: 假设参考连接(HRX),假设参考数字链路(HRDL)和假设 参考数字段(HRDS).
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8.1.1 假设参考连接(HRX)
一个通信连接是通信网中从用户至用户,包括参与交 换和传输的各个部分(如用户线,终端设备,交换机,传输 系统等)的传输全程.它是根据用户需要建立的各种机线设 备的临时组合.这些实际的连接有长有短,结构上有简单, 复杂,传输的业务可能也不相同,难以进行传输质量的核 算. 通常找出通信距离最长,结构最复杂,传输质量预计 最差的连接作为传输质量的核算对象.只要这种典型连接 的传输质量能满足要求,那么通信距离较短,结构较简单 的通信连接肯定能保证传输质量,因而引入了假设参考连 接的概念.
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图8-1 标准数字假设参考连接
27500km 国内 本地 国外 国内 本地
LE
PC
SC
TC
ISC ISC ISC ISC ISC TC
SC
PC
LE T参考点
T参考点 LE本地交换机 PC一级中心
数字交换机
数字链路 ISC国际交换中心
SC二级中心 TC三级中心
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图8-2 标准数字假设参考连接(中等长度)
图8-3 标准数字假设参考连接(用户接近ISC)
11000km 国内 本地 国外 国内 本地
本地 国内
10000km 国内 国外 本地
LE
PC
ISC
ISC
ISC
PC
LE T参考点
T参考点
LE
ISC
ISC
ISC
LE T参考点
T参考点
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8.1.2 假设参考数字链路(HRDL)
为了便于进行数字信号传输劣化的研究(如误码率, 抖动,漂移,时延等),保证全程通信质量,必须规定由 各种不同形式的传输组成部分(如传输系统,复,分接设 备等)所构成的网络模型,即HRDL. HRDL是HRX的一个组成部分,2500 km的长度被认 为是一个合适的距离.通常HRDL的长度并非是唯一考虑 的.ITU-T并没有提出具体的构成,由各国自行研究解决.
8.1.3 假设参考数字段(HRDS)
为适应传输系统性能规范,保证全线质量和管理维护 方便引入了HRDS,如图8-4所示. HRDS是HRDL的一个组成部分.图中X bit/s表示 G.702建议中所规定的各种数字系统系列比特率之一.长 度Y的选择是以在实际运行的网络中很可能遇到的数字段为 代 表 的 . 例 如 ITU-T 建 议 假 设 参 考 数 字 段 的 长 度 为 280km(对于长途传输)和50km(对于市话中继).我国根 据 具 体 情 况 提 出 假 设 参 考 数 字 段 的 长 度 为 280km 或 420km(对于长途传输)和50km(对于市话中继).数字网 的性能指标往往被分配到数字段.我国有关数字光纤通信 系统的一系列标准都是在这个模型的基础上制定的.
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图8-4 假设参考数字段
x bit/s x bit/s
8.2 误码特性:
8.2.1 误码和误码率的概念 数字传输系统的误码性能通常用误码率衡量.所谓误 码率是指在特定的一段时间内所接收到的数字码元误差数 目与在同一时间内所收到的数字码元总数之比,可用下式 表示: 出现误差的码元数 误码率= 传输码元的总数 (8-1)
终端设备 Y km
终端设备
误码率的数值通常可用n×10-P 的形式表示,其中P为 一整数.对于数字系统来说,实际上指的是比特误码率 (BER),它是指每个码元为1比特时的误码率,其表达式为: 比特误码数 比特误码率(BER )= (8-2) 总比特数
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考察误码率的重要意义
误码率是衡量数字系统传输质量好坏的一个主要指标. 对于不同的通信业务,误码的影响后果也不同.对于电话 信息的影响是产生噪声.在PCM通信方式中,当误码率较 小时,这种噪声表现为"喀呖"声,当误码率较大时,使可 懂度显著降低.对图像的影响造成图像失真.对数据的影 响表现为信息的丢失和错乱.因此,对误码发生的形态和 原因,误码的评定方法以及误码全程指标的确定和在网络 各组成部分的合理分配等问题的研究都是十分重要的,是 提供光纤数字传输系统设计的重要依据.
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8.2.2 误码发生形态和原因
绝大多数的误码发生形态可归为两类:一类是误码显 示出随机发生形态,即误码往往是单个随机发生的,具有 偶然性.另一类误码常常是突发的,成群发生的,这种误 码在某个瞬间可能集中发生,而在其它大部分时间可能处 于几乎没有误码的状态. 误码发生的原因是多方面的.理想的光纤传输系统是 十分稳定的传输通道,基本上不受外界电磁干扰的影响, 造成误码的主要内部机理有下列几类:各种噪声源,色散 引起的码间干扰,定位抖动产生的误码及复位器,交叉连 接设备和交换机的误码 .
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8.2.3 误码特性的评定方法
1. 长期平均比特误码率 所谓平均误码率,是指测量期间内收到的错误比特数与 同一时期传送的全部比特数之比. 用长期平均比特误码率的方法来评定误码,即是在较长 的时间内其平均比特误码率不超过某一定值来衡量.因此, 仅适用于误码是单个随机发生的情况. 对于突发的群误码的情况,就不能正确地进行评定.因 为可能在某一限定时间内,由于突发群误码而导致误码率远 远超过可以接收的水平,而在其它时间内误码率非常小,结 果二者的长期平均误码率仍保持合格,这样高误码率发生时 期对通信业务质量影响并未反映出来,或者说没有表示出误 码随时间的分布特性,因此采用这种评定方法有很大的局限 性.
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2. 误码的时间百分数
为了能正确地反映误码的分布信息,ITU-T G.821建议采用时间率的概念来代替平均误码率 的评定方法.所谓误码时间率是以比特误码率超 过规定阈值(BERT)的百分数来表示的.这是在一 个较长的时间TL 内观察误码,记录每次平均取样 观测时间T0 内的误码个数或误码率超过某一定值 m的时间百分数.
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误码时间百分数示例
只 要 T0 和 TL 选 择 恰 当,就可以用来评价各 种数字信息在单位时间 内误码的程度以及误码 超过某一规定值的时间 占总测量时间的百分数. 因此,是比较适用和便 于测量的评定方法.
8.2.4 误码性能的规范
1. N×64Kbit/s数字连接的误码性能
误码性能参数 ITU-T 建 议 G.821 定 义 了 2 个 参 数 来 度 量 N×64Kbit/s(N≤31)通路27500km全程端到端 连接的误码性能. 误码秒(ES)表示至少有一个误码的秒. 严重误码秒(SES)表示BER≥1×10-3的秒.
T0为取定的适合于评定各种业务的单位 时间,TL为测量误码率总时间.
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误码性能要求
ITU-T建议G.821对于N×64Kbit/s(N≤31) 全程27500km端到端连接误码性能要求如表所示.
图8-7 N×64Kbit/s连接全程误码指标的分配
27500km 1250km 25000km 1250km
参 数
误码秒 严重误码秒
表示 ES SES
性能要求 ES占可用时间的比例 ES%<8% SES占可用时间的比例SES%<0.2%
T 本地级 15%
LE 中级 15%
ISC 高级 40%
ISC 中级 15%
LE
本地级 15%
T
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2. 高比特率数字通道的性能
误码性能参数 G.826性能参数是以"块"为基础的一组参数.所谓"块" 指一系列与通道有关的连续比特,当同一块内的任意比特 发生差错时,就称该块是差错块. ITU-T所规定的3个高比特通道误码性能参数如下: 误块秒比(ESR) 严重误块秒比(SESR) 背景误块比(BBER)
误码性能要求
ITU-T建议G.826对高比特率通道全程27500km端到 端通道误码性能要求见表8.2所示. 表8-2 高比特率通道端到端误码性能要求
速率 Mbit/s 比特/块 ESR SESR BBER 1.5～5
800～5000
>5～15
2000～8000
>15～55
4000～20000
>55～160
6000～20000
>160～3500
15000～30000
0.04 0.002 2×10-4
0.05 0.002 2×10-4
0.075 0.002 2×10-4
0.16 0.002 2×10-4
未定 未定 10-4
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误码指标的分配
为了将27500km的指标分配给各组成部分, G.826建议采用了按区段分配的基础上再结合按 距离分配的方法.这种分配方法技术上更加合 理,且能照顾到大国及小国的利益.
图8-8 高比特率通道全程误码指标分配
终结国 中间国家(最多4个) 国家间部分 (例如:海缆 承载的通道) IG 终结国
PTP
IG
IG
IG
IG
PTP
国内部分 17.5% +1%/500km
1%+2%/每个转接国+1%+1%/500km 国际部分 27500km
国内部分 17.5% +1%/500km
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8.3 抖动特性
抖动是数字信号传输过程中的一种瞬时不稳定现象. 抖动的定义是:数字信号的各有效瞬间对其理想时间位置 的短时偏移. 在系统中有效瞬间可以是一个明显的可辨的数字信号 上任何一个固定点.在数字传输中,随着传输速率的提 高,脉冲的宽度和间隔越窄,抖动的影响就越显著.因为 抖动使接收端脉冲移位,从而可能把有脉冲判为无脉冲, 或反之,把无脉冲判为有脉冲,从而导致误码. 抖动可以分为相位抖动和定时抖动.所谓相位抖动是 指传输过程中所形成的周期性的相位变化.所谓定时抖动 是指脉码传输系统中的同步误差.
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8.3.1 抖动的概念
抖动的大小或幅度通常可用时间,相位度数 或数字周期来表示.根据ITU-T建议,普遍采用数 字周期来度量,即用"单位间隔"或称时隙(UI)来表 示.1UI相当于1比特信息所占有的时间间隔,它 在数值上等于传输比特率的倒数.
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抖动示意图
表8.3 2.048Mbit/s系列对应的UI值
码速率
发送信号
Mbit/s 单位抖动
2.048
8.448
34.368 139.264
接收信号 t
1
(ns)
t
2
488
118
29.1
7.18
t
3
t
4
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8.3.2 抖动的来源
在数字传输系统中,抖动的来源有以下几个方 面: 线路系统的抖动
随机性抖动源 系统抖动源
抖动性能的规范
PDH网的抖动性能规范
网络接口的最大允许抖动 设备输入口的抖动和漂移容限 设备抖动传递特性
SDH网的抖动性能规范
网络接口的最大允许抖动 设备输入口的抖动和漂移容限
复用器的抖动
PDH复用器的抖动 SDH复用器的抖动
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8.4 漂移特性
漂移的定义为数字信号的特定时刻(例如最佳 抽样时刻)相对其理想时间位置的长时间漂移.引 起漂移的一个最普通的原因是环境温度变化,它 会导致光缆传输特性发生变化,从而引起传输信 号延时的缓慢变化.因此漂移可以简单地被理解 为信号传输延时的慢变化.
漂移的影响和克服措施
漂移引起传输信号比特偏离时间上的理想位 置,结果使输入信号比特在判决电路中不能正确 地识别,产生误码.减小这类误码的一种方法是 靠传输线与终端设备之间接口中的缓存器来重新 对数据进行同步.方法是利用从接收信号中提取 的时钟将数据写入缓存器,然后用一个同样的基 准时钟对缓存器进行读操作,使不同相位的各路 数据流强制同步.
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图8-14 简单漂移参考模型
基准 主时钟
A (绝对时延3s) (相对时延6s) (相对时延1s)
8.5 延时特性
信号从一个地方传输到另一个地方总是需要 一定时间的,所需的时间就是信号传输延时.严 格说,延时是指数字信号传输的群延时,即数字 信号以群速通过一个数字连接所经历的时间,又 称包络延时.当延时过大时会使通路发生困难, 因此必须加以控制.
定时链路
(绝对时延10 s)
从时钟
B
信息链路
(A0) C
(相对时延4s)
定时链路
(相对时延6s)
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从时钟
D (相对时延1s)
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延迟的产生
在整个端到端通信连接中,可能产生延时的 环节很多,主要由下面几方面: 传输系统 网络节点和其它数字设备产生的延时 SDH引入的延时
延迟性能的规范
当网络中存在回波源并采用了适当的回波控制设备(和回波 抑制器和回波消除器)时, ITU-T规定两户之间的单向平均传输 时间的限值如下: 0～150ms时可接收 对于不超过50ms的延时,可使用短延时回波抑制器. 150～400ms时可接收 当连接的单向平均传输时间超过300ms时,可使用为长延 时电路设计的回波控制设备. 高于400ms时不能接收 除非在极端例外的情况下,一般不应使用这么大延时的连接.
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8.6 光纤通信系统的可用性
对光纤通信的要求是迅速,准确和连接不间断 地工作.因此对系统的可靠性提出了较高的要求.
8.6.1 可靠性和可用性表示方法
通常用来表示系统可靠性的参数有两个:一 个是平均故障间隔时间(MTBF),单位为小时;另 一个是故障率(λ),单位为1/小时.λ=1/MTBF. 当λ采用10-9/小时作为计量单位时,称为 Fit, 即1Fit=10-9/小时.
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可用性
系统的可用性是指在给定的时间间隔内处于良好工作 状态的能力.系统的可用性(A)用系统的可用时间与规定的 总工作时间的比值来表示,即: 可用时间 A= 总的工作时间 式中:A为可用性 可用时间即为系统的平均故障间隔时间MTBF 总的工作时间包括:平均故障间隔时间(MTBF)和平均 故障修理时间(MTTR)所以 MTBF (8-5) A=
不可用性
当用失效率(不可用性)进行计算时,表达式为: 不可用时间 F= 总的工作时间 式中:F为失效率 不可用时间即平均故障修理时间(MTTR),所以
F=
MTTR MTBF + MTTR
(8-6)
由于MTTR值较小,故式(8-6)可近似为
F=
因此
MTTR MTBF
(8-7) (8-8)
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MTBF + MTTR
A =1 F
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8.6.2 光纤通信系统可用性计算
光纤通信系统主要包括PCM复用设备,光端 机,中继机,光缆,供电设备,备用转换设备等. 光纤通信多采用热备用系统和自动保护倒换设备 来提高系统的可用性. 设主用系统为n个,备用系统为m个,主,备 用系统比为n:m.若单个系统失效率为F0 ,在 (n+m)个系统中,只要有任意(m+1)个以上 系统出现故障,就不能确保n个主用系统均正常工 作.
可用性计算分析(续)
(m+1)个系统同时出现故障的概率为(F0)m+1,所以在(n+m)个系统 中,任意(m+1)个系统同时出现的故障概率为Cn+mm+1(F0)m+1,同理,在 ( n+m ) 个 系 统 中 , 任 意 ( m+2 ) 个 系 统 同 时 出 现 故 障 概 率 为 Cn+mm+2(F0)m+2.因此,n个主用系统中有任何系统发生故障的失效率为: (8-9) 一般情况下,在(n+m)个系统中,任意(m+2)个以上系统同时出现故障 的概率相对很小,因此上式(8.9)中,仅取第一项就能满足精度要求,所以, 式(8.9)可近似为 m+1 (n + m)!
F = C n+ m ( F0 ) m+1 + C n+ m ( F0 ) m+ 2 + L + C n+ m ( F0 ) m+ n
m +1
m+ 2
m+ n
F = C n+m ( F0 ) m+1 =
(n 1)!(m + 1)!
( F0 ) m+1
(8-10)
假设各个主用系统失效率相同,则每个主用系统发生故障的失效率为
F ( n + m )! F1 = = ( F0 ) m +1 n n! ( m + 1)!
(8-11)
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若系统中无备用系统即m=0,则:F1=F0.
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例题
有 一 个 140Mbit/s 的 光 纤 传 输 系 统 , 光 缆 线 路 全 长 250km,共设3个中继站,采用不间断供电系统,已知参数如 下: 主用系统1个(n=1) 光缆参数:λ=150Fit/km,MTTR=12小时,总长250km 光端机参数:λ=7610Fit/端,MTTR=0.5小时,数量:2端 中继机参数:λ=1900Fit/端,MTTR=2小时,数量:3部 自动倒换设备参数:λ=200Fit/部,MTTR=0.5小时,数量: 2部(收发端各1部) 求:(1)无备用(m=0)时系统的可用性 (2)采用n :m=1:1时系统的可用性
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解(1)无备用(m=0)
系统的总失效率(F1)=光缆线路失效率(F01)+光端机 失效率(F02)+中继机失效率(F03)
QF = MTTR = MTTR λ MTBF
光缆线路失效率 F01=12×150×250×10-9=4.5×10-4 光端机失效率 F02=0.5×7610×2×10-9=0.0761×10-4 中继机失效率 F03=2×1900×3×10-9=0.114×10-4 系统可用性A=1-F1=99.9531%
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解(2)采用n:m=1:1
采用1个备用系统m=1 采用备用系统后,此时系统的总失效率(F)=主用系统 失效率(F1)+自动倒换设备失效率 (F04) 主用系统失效率
8.6.3 光纤通信系统可用性指标要求
对光纤通信系统可用性的要求是:希望系统和设备正 常运行时间应尽可能长,维护工作尽可能少. 我国在"光缆通信进网要求"中提出5000km光缆通信 系统双向全程容许每年4次全阻故障.当取平均故障修复时 间为6小时时,系统双向全程的可用性可达到99.73%,折 算到 280km数字段的可用性为99.985%,420km数字 段的可用性为99.9%.对于市内光缆通信系统,若取平均 故障修复时间为0.5小时,则50km市内光缆通信系统可用 性可达99.99%. 可用性长度换算见式8-12.
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F1 =
F ( n + m )! = ( F0 ) m +1=(F0)2=(4.69×10-4)2 n n! ( m + 1)!
F04=0.5×200×2×10-9=2×10-7 ∴F=(4.69×10-4)2+2×10-7=4.2×10-7 系统可用性A=1-F=99.999958% 可见,采用备用系统后,将提高系统可用性.
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8.7 光缆线路系统设计
光缆系统的设计,要求最大限度地利用光纤的频带资 源,达到最大的容量.限制通信能力的因素众多,诸如光 发送机,中继机,光接收机和光纤传输媒质等,都对通信 能力的提高产生限制,本节主要讨论光纤传输媒质对光纤 通信系统通信能力的影响.光纤损耗和色散特性是影响光 波系统通信容量的重要因素.而损耗和色散又都随工作波 长的变化,因此工作波长的选择和光纤特性参数对通信容 量的影响程度是光纤通信系统设计的一个主要问题.光纤 通信系统的设计主要是中继距离的选择确定.
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8.7.1 衰减限制系统最大中继距离的计算
最大中继距离是指在光发送机和光接收机之 间不设中继器的最大距离.最大中继距离受下面 几个因素影响. 发送光功率PS 光接收机灵敏度PR 光纤的每公里损耗 光纤的色散
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衰减限制系统中继距离的计算
L= ASR Ac A f + As + M c
8.7.2 色散限制系统最大中继距离的计算
在光纤通信系统中,采用多模光纤的系统的 最大中继距离主要由光纤的色散来确定.色散常 用带宽表示,所以又称带宽限制系统. 带宽影响中继距离的原因是:色散使传输脉冲 展宽,从而产生码间干扰,降低接收机灵敏度.
式中:L-最大中继距离(km) Ac-S,R点间增加的光连接器衰减(dB) As-光纤固定接头平均衰减(dB/Km) Af—光纤的平均衰减(dB/Km) Mc-光缆的富余度(dB/Km) ASR-系统S点和R点之间光缆线路容许的衰减(dB) ASR=PS-PR-Me PS-发送平均光功率(在S点测出的值)(dBm) PR-光接收机灵敏度(在R点测出的值)(dBm) Me-设备富余度(dB) Me包括系统积累抖动,均衡失调,外界干扰等.
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色散限制系统中继距离的计算
B 1 L≤( 1 ) γ 0 .8 f b
补充:工程计算公式
工程中,如果已知或规定了中继段的最大色散 限值和传输光纤的色散系数,中继距离也可用下 式计算:
(8-13) 式中:B1-光纤每公里带宽(MHzkm) L-中继距离(km) γ-带宽距离指数 fb-系统码速(Mb/s)
LD =
DSR Df
(km)
式中,DSR为中继段允许的最大色散限值,Df为光 纤的色散系数.
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另一常用工程计算公式
工程中,由于多采用单纵模激光器,光源脉冲为高斯型,进一 步地假设允许的脉冲展宽不超过10%的发送脉宽,则可以得到一个 较为简明的工程计算公式 : 71400 (km)
本章小结和知识点
数字传输模型 误码特性 抖动特性 漂移特性 延时特性 光纤通信系统的可用性 光缆线路系统设计
Lc =
式中 α为啁啾系数,λ单位为nm,B的单位为Tb/s.上述公式 作为近似计算而言与实测结果相比略保守.对于采用外调制器的情 况,若仅考虑色度色散限制,2dB代价的最大再生段距离可由下式 计算
α Dm λ 2 B 2
Lc =
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c
Dm λ 2 B 2
(km)
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