數字微波通信中的多鏈路傳輸技術

侯風雷，何 禮

（西南電子電信技術研究所上海分所 上海 200434）

數字微波通信具有靈活組網、傳輸質量好、低成本、建設速度快等特點，其靈活性、移動性、抗災性都是光纖通信無法比擬的，在通信領域占據著重要地位。目前，數字微波通信已廣泛應用于廣播電視、電信部門，并且已逐漸進入公路管理系統、港航企業、海事管理部門、邊遠地區及一些大型企業中。然而，隨著因特網的飛速發展，人們對網絡速度的要求越來越高，對傳輸帶寬的要求也相應的提高了。目前數字微波通信中仍然大量使用低速鏈路 （特別是E1/2Mbps的數據鏈路），完全用高速鏈路取代是不現實的，而且會造成極大的浪費。多鏈路傳輸技術就是把傳統的在單鏈路上進行的統計復用的原理擴展到多鏈路上，以提高傳輸的速率和信道帶寬的利用率。

1 多鏈路PPP（Multilink PPP）

點到點協議PPP是一種數據鏈路層協議，可以將不同的網絡層協議的數據統一封裝起來，并在一條串行物理鏈路上進行傳輸[1]。多鏈路PPP克服了PPP只能處理一條鏈路的限制，可以多條物理鏈路“捆綁”在一起，形成一個虛擬的邏輯鏈路束，向網絡上層提供服務，不僅能夠提供更高的傳輸帶寬，也保證了鏈路傳輸的可靠進行。多鏈路PPP提供一種在多條邏輯數據鏈路上分離、重組和順序化數據包的方法，該方法基于鏈路控制協議（LCP）協商實現，發送端可以將大的PDU（Protocol Data Units）分解成小的數據段，每個分段都加上一個MP（Multilink Protocol）頭，再將其分發給平行的多個鏈路，為兩系統間提供一個鏈路束的連接能力；接收端從不同的PPP鏈路上接收分段，并根據MP頭正確組序并還原成網絡層的PDU送往高層。

PPP多重鏈路分段使用協議標識符0x00-0x3d進行封裝。協議標識符后是包含順序號的四字節的包頭和2個一位的字段，這個字段標示了一個數據包的開始或者一個數據包的結束。當附加的PPPLCP選項協商之后，四字節的包頭可以隨意的用兩字節的包頭替換，這個兩字節的包頭帶有一個12位連續空間。地址、控制和協議ID被有效的壓縮。分段格式見中圖1中的A）和B）。

其中起始分段位“B”是一個1位的字段，設置為1表示是一個PPP數據包的第一個分段，該PPP數據包的其他分段的起始分段位設置為0。終止分段位“E”是一個1位的字段，設置為1是一個PPP數據包的最后一個分段，其他分段的終止分段位設置為0。一個分段的起始分段位和終止分段位都可能是1。順序字段是一個24位或12位的數字，它是自增的。默認順序字段長度是24位，但是通過LCP配置選項的描述，經協商后可以為12位。

如圖2所示，兩路由器之間可以通過多條E1傳輸鏈路利用多鏈路PPP實現多鏈路捆綁。首先，在兩路由器上建立邏輯鏈路束虛擬接口、配置相應地址、封裝多鏈路PPP協議、配置多鏈路捆綁組；然后將相應物理鏈路對應接口進行PPP和多鏈路PPP封裝、加入多鏈路捆綁組即可。

圖1 PPP分段格式Fig.1 PPPfragment format

圖2 微波多鏈路PPP傳輸示意圖Fig.2 ML-PPPtransmission in microwave communication

多鏈路PPP傳輸可以通過N個2M的E1線路，達到N×2M的傳輸帶寬。在發送端可以按照簡單輪詢方式從非阻塞鏈路發送數據，也可以依據一定的鏈路流量控制算法選擇鏈路發送數據，有效利用網絡帶寬[2]。

2 反向復用ATM（IMA）

反向復用工作機制，與傳統的復用方式正好相反。在傳統的復用方式中，多個低速的數據流被組合復用到一個單一的高速管道中，在管道的另一端該高速數據流又被解復用成原始的低速數據流。而反向復用是將一個單一的邏輯信道分流到多條鏈路，以實現將一個大的、單一的數據流分解在多個低速鏈路上傳送；在另一端，這些被分解傳送的數據流將重組成原始的數據流。

在ATM物理接口引入IMA技術，當用戶需要接入ATM網絡的速率介于兩個傳統的復用級之間（如T1/E1～T3/E3之間）時，IMA可將該高速鏈路分拆為多個低速鏈路傳輸，并最終復接回原高速連接，此過程中高速連接的速率近似等于組成反向復用的幾個低速速率值之和，速率值沒有損傷，其原理如圖3所示[3]。在發送端，IMA設備將接收到的ATM信元流以信元為單位分配到多個物理鏈路上，在接收端，IMA設備將每個鏈路上的ATM信元流按照順序以信元排列的方式合并為一個ATM信元流進行輸出。

圖3 IMA復用原理圖Fig.3 IMA multiplexing schematic

為了保證不同鏈路的傳輸和接收端對ATM信元流的正確重組，IMA協議引入了兩種操作維護（IMA OAM）信元，即填充信元和ICP信元（IMA Control Protocol Cell）。當ATM層沒有用戶信元到達時，發送端IMA將通過插入填充信元來維持物理層信元流的連續性，在接收端填充信元將被丟棄。發送端利用ICP信元傳送IMA配置、同步、狀態及故障信息給遠端，在接收端利用ICP信元完成對ATM信元流的重組。IMA幀是IMA協議中的控制單元，由M個連續的信元組成。每個IMA幀中均包含一個ICP信元，其在IMA幀中的位置由ICP信元格式中偏移字段定出。IMA每一幀編一個幀序號，保存在該幀的ICP信元內。在IMA幀中每個鏈路上的ICP信元所包含的幀序號相同，在接收端將相同幀序號的各個鏈路上的數據重組。

IMA組中的每條鏈路有唯一的鏈路標識號（LID），發送端IMA將來自ATM層信元流以LID遞升原則將信元分配到各鏈路上，且在每條鏈路上每M個信元插入一個ICP信元以形成一個IMA幀，在ICP信元中保存IMA配置、同步、狀態及故障等信息；接收端IMA遵循LID遞升原則接收來自IMA組內各鏈路上送來的信元，利用ICP信元攜帶的信息對鏈路的差值延遲進補償，并重組原始信元流，丟棄填充信元、HEC校驗有誤信元及經處理后的ICP信元，并將還原后的信元流送往ATM層。

ATM技術能夠有效的傳輸多種類型的數據，是寬帶綜合數字網的關鍵技術，IMA技術利用多個低速信道傳輸高速ATM數據，是低廉而高速的ATM網絡接入技術，尤其適合當前的微波通信手段。

3 虛級聯（VCAT）

級聯和虛級聯是SDH/SONET的重要特性之一，是把多個小的容器級聯起來，組裝成為一個比較大的容器來傳輸業務數據的一種技術[4]。SDH中容器C-n的級聯就是將X個C-n的容器拼在一起，形成一個大的容器來滿足大于C-n容量的業務信號的傳輸要求。級聯可以分為相鄰級聯和虛級聯。相鄰級聯是在同一個STM-N中，利用相鄰的C-n級聯成為VC-n-Xc，作為一個整體結構進行傳輸；而虛級聯是把多個虛容器級聯組合成一個虛級聯組 （VCG），將分布在同一STM-N中的不相鄰的VC-n或分布在不同STM-N中的VC-n按級聯的方法，形成一個虛擬的大結構VC-n-Xv，作為一個虛擬的整體進行發送和接收。這種技術可以級聯形成VC-11-Xv、VC-12-Xv 、VC-2-Xv、VC-3-Xv 和 VC-4-Xv等不同速率的容器。相鄰級聯和虛級聯示意見圖4，其中C）表示兩個相鄰的VC-4的相鄰級聯，D）表示不相鄰的兩個VC-4的虛級聯。

圖4 相鄰級聯和虛級聯示意圖Fig.4 Continuous concatenation and virtual concatenation

相鄰級聯由于使用固定凈負載的級聯方式會造成帶寬利用率的降低，在傳輸網絡中不可避免的會出現帶寬碎片，當空閑帶寬處于帶寬碎片狀態時，就會發生帶寬耗盡。這時雖然有足夠的空閑帶寬，卻無法容納新的數據業務。虛級聯技術可以克服相鄰級聯所固有的帶寬浪費現象，它可以把不相鄰的多個虛容器組合成一個虛級聯組作為一個整體帶寬。例如在圖4中，如果已經形成了C）的相鄰級聯，由于已經沒有相鄰的兩個VC-4可以提供，如果再想要一個311 Mbps的相鄰級聯，就需要新的VC-4-4來滿足需求，這將造成帶寬的浪費，但是通過虛級聯的方法，可以利用不相鄰的虛容器組成D），則可以滿足該需求而不增加新的傳輸帶寬。

由于虛級聯每個VC-n的傳輸所通過的路徑有可能不同，在各VC-n之間有可能出現傳輸延時差，為了保證宿終點的正確恢復，虛級聯需要進行一定的控制。VC-3及以上級別的虛容器中，通過開銷段中的H4字節來獲取控制信息，H4后4比特為第一復幀標記（MFI1）幀計數，16個 MFI1幀為1個MFI1復幀 （即一個MFI2幀），256個MFI2幀為一個MFI2復幀。H4字節前4比特可以提取出MFI2計數、控制字段（CTRL）、組號（GID）和序號（SQ）等信息，根據控制字段可以判斷是否為虛級聯模式以及鏈路狀態。VC-3以下級別的虛容器中，通過開銷段中的K4字節來獲取控制信息。每32個K4的比特1和比特2組成比特1復幀和比特2復幀，比特1復幀中MFAS為復幀對齊信號，“01111111110”表示復幀同步，確定比特1復幀和比特2復幀的起始位，從比特2復幀中可提取出幀計數、控制字段、組號和序號等信息。

相鄰級聯和虛級聯對于傳送網的設備要求不同，對于相鄰級聯，要求傳送通道上的所有節點均要支持相鄰級聯功能；而對于虛級聯，只要求源節點和目的節點具有級聯功能即可，中間節點可以不支持級聯功能，簡化了對傳輸設備的要求，降低了網絡改造的難度。虛級聯在源端設備發送數據時候，按照鏈路序號順序將數據逐一放入各鏈路容器中，并同步標記上幀計數值；在目的端設備接收數據后，將數據緩存起來，按照幀計數值對接收到的數據幀進行排列，排列正確后按照鏈路序號順序將數據逐一取出合并為一條數據流。

4 E1反向復用

除了利用SDH開銷進行多鏈路傳輸外，也可以直接利用E1信號進行多路反向復用，得到擴展帶寬的目的。

ITU規范參照虛級聯技術制定了PDH虛級聯方案，規定了 1 544 kbit/s、2 048 kbit/s、34 368 kbit/s 和 44 736 kbit/s 等多種PDH接口的虛級聯方法[5]。PDH虛級聯通過在載荷內劃分出一部分用于開銷字節，類似于虛級聯的SDH開銷字段，到達虛級聯控制的目的。以E1信號為例，125μs為一幀，16幀組成一個復幀，第一個子幀的第一時隙（TS1）為開銷字節，與上述VC-3及以上級別的虛容器的類似，后4比特為第一復幀標記（MFI1）幀計數，前4比特放置MFI2計數、控制字段（CTRL）、組號（GID）和序號（SQ）等信息。 PDH 虛級聯的發送端發送方式和接收端的重組方式也與虛級聯類似。

隨著圖像、視頻等業務的引入，也出現了多類廠家自定義的E1的反向復用應用，這些方法與PDH虛級聯類似，利用E1成幀形式附加一定的反向復用開銷實現[6]。數據反向復用通常采用的間插方式有比特間插、字節間插、幀間插和包間插等方式，可根據不用的業務應用選取不同的間插方式。對于實時視頻業務一般選取比特間插或字節間插方式，可以保證傳輸時延，但是要求復用端對各個E1信道嚴格同步，處理方式相對會比較復雜。

5 結束語

數字微波通信以其特有的優勢仍然是當前重要的通信手段之一，在當前寬帶高速發展的條件下，迫切需要既可以保證傳輸帶寬，又可以最大效率的利用原有低速資源的微波傳輸解決方案。多鏈路PPP、反向復用ATM、虛級聯和E1反向復用等多鏈路傳輸技術在不同的微波傳輸場合下得到了應用：多鏈路PPP適用于通用IP傳輸業務，IMA適用于ATM接入業務、VCAT適用于多業務傳送平臺（MSTP）業務、E1反向復用適用于輕量級的應用。在移動回傳網的微波接入傳輸的解決方案中，一些廠商還將多種多鏈路傳輸技術在同一設備中支持并實現，為不同的用戶或業務實現多種寬帶傳輸的需求。綜上所述，多鏈路傳輸技術將繼續在數字微波通信中發揮其獨特的作用。

[1]RFC 1990.The PPPmultilink protocol （MP）[S]，1996.

[2]王煒，馬躍，蔣硯軍.多鏈路PPP的調度算法[J].北京郵電大學學報，2000，23（3）:74－77.WANGWei，MA Yue，JIANGYan-jun.Multilink PPPscheduling algorithm[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2000，23（3）:74－77.

[3]ATM Forum AF－PHY－0086.000.Inverse multiplexing for ATM （IMA） specification version 1.0[S]，1997.

[4]ITU－Trecommendation G.707/Y.1322.Network node interface for the synchronous digital hierarchy（SDH）[S].2003.

[5]ITU－Trecommendation G.7043/Y.1343.Virtual concatenation of plesiochronous digital hierarchy（PDH）signals[S].2004.

[6]童勝勤，胡波，王宏遠.多E1反向復用傳輸技術在閉路電視監控系統中的應用[J].電視技術，2005（1）:86－88，94.TONG Sheng-qin，HU Bo，WANG Hong-yuan.Multiple E1 based inverse multiplexing for CCTV application[J].Video Engineering，2005（1）:86－88，94.