数字微波通信中的多链路传输技术

侯风雷，何 礼

（西南电子电信技术研究所上海分所 上海 200434）

数字微波通信具有灵活组网、传输质量好、低成本、建设速度快等特点，其灵活性、移动性、抗灾性都是光纤通信无法比拟的，在通信领域占据着重要地位。目前，数字微波通信已广泛应用于广播电视、电信部门，并且已逐渐进入公路管理系统、港航企业、海事管理部门、边远地区及一些大型企业中。然而，随着因特网的飞速发展，人们对网络速度的要求越来越高，对传输带宽的要求也相应的提高了。目前数字微波通信中仍然大量使用低速链路 （特别是E1/2Mbps的数据链路），完全用高速链路取代是不现实的，而且会造成极大的浪费。多链路传输技术就是把传统的在单链路上进行的统计复用的原理扩展到多链路上，以提高传输的速率和信道带宽的利用率。

1 多链路PPP（Multilink PPP）

点到点协议PPP是一种数据链路层协议，可以将不同的网络层协议的数据统一封装起来，并在一条串行物理链路上进行传输[1]。多链路PPP克服了PPP只能处理一条链路的限制，可以多条物理链路“捆绑”在一起，形成一个虚拟的逻辑链路束，向网络上层提供服务，不仅能够提供更高的传输带宽，也保证了链路传输的可靠进行。多链路PPP提供一种在多条逻辑数据链路上分离、重组和顺序化数据包的方法，该方法基于链路控制协议（LCP）协商实现，发送端可以将大的PDU（Protocol Data Units）分解成小的数据段，每个分段都加上一个MP（Multilink Protocol）头，再将其分发给平行的多个链路，为两系统间提供一个链路束的连接能力；接收端从不同的PPP链路上接收分段，并根据MP头正确组序并还原成网络层的PDU送往高层。

PPP多重链路分段使用协议标识符0x00-0x3d进行封装。协议标识符后是包含顺序号的四字节的包头和2个一位的字段，这个字段标示了一个数据包的开始或者一个数据包的结束。当附加的PPPLCP选项协商之后，四字节的包头可以随意的用两字节的包头替换，这个两字节的包头带有一个12位连续空间。地址、控制和协议ID被有效的压缩。分段格式见中图1中的A）和B）。

其中起始分段位“B”是一个1位的字段，设置为1表示是一个PPP数据包的第一个分段，该PPP数据包的其他分段的起始分段位设置为0。终止分段位“E”是一个1位的字段，设置为1是一个PPP数据包的最后一个分段，其他分段的终止分段位设置为0。一个分段的起始分段位和终止分段位都可能是1。顺序字段是一个24位或12位的数字，它是自增的。默认顺序字段长度是24位，但是通过LCP配置选项的描述，经协商后可以为12位。

如图2所示，两路由器之间可以通过多条E1传输链路利用多链路PPP实现多链路捆绑。首先，在两路由器上建立逻辑链路束虚拟接口、配置相应地址、封装多链路PPP协议、配置多链路捆绑组；然后将相应物理链路对应接口进行PPP和多链路PPP封装、加入多链路捆绑组即可。

图1 PPP分段格式Fig.1 PPPfragment format

图2 微波多链路PPP传输示意图Fig.2 ML-PPPtransmission in microwave communication

多链路PPP传输可以通过N个2M的E1线路，达到N×2M的传输带宽。在发送端可以按照简单轮询方式从非阻塞链路发送数据，也可以依据一定的链路流量控制算法选择链路发送数据，有效利用网络带宽[2]。

2 反向复用ATM（IMA）

反向复用工作机制，与传统的复用方式正好相反。在传统的复用方式中，多个低速的数据流被组合复用到一个单一的高速管道中，在管道的另一端该高速数据流又被解复用成原始的低速数据流。而反向复用是将一个单一的逻辑信道分流到多条链路，以实现将一个大的、单一的数据流分解在多个低速链路上传送；在另一端，这些被分解传送的数据流将重组成原始的数据流。

在ATM物理接口引入IMA技术，当用户需要接入ATM网络的速率介于两个传统的复用级之间（如T1/E1～T3/E3之间）时，IMA可将该高速链路分拆为多个低速链路传输，并最终复接回原高速连接，此过程中高速连接的速率近似等于组成反向复用的几个低速速率值之和，速率值没有损伤，其原理如图3所示[3]。在发送端，IMA设备将接收到的ATM信元流以信元为单位分配到多个物理链路上，在接收端，IMA设备将每个链路上的ATM信元流按照顺序以信元排列的方式合并为一个ATM信元流进行输出。

图3 IMA复用原理图Fig.3 IMA multiplexing schematic

为了保证不同链路的传输和接收端对ATM信元流的正确重组，IMA协议引入了两种操作维护（IMA OAM）信元，即填充信元和ICP信元（IMA Control Protocol Cell）。当ATM层没有用户信元到达时，发送端IMA将通过插入填充信元来维持物理层信元流的连续性，在接收端填充信元将被丢弃。发送端利用ICP信元传送IMA配置、同步、状态及故障信息给远端，在接收端利用ICP信元完成对ATM信元流的重组。IMA帧是IMA协议中的控制单元，由M个连续的信元组成。每个IMA帧中均包含一个ICP信元，其在IMA帧中的位置由ICP信元格式中偏移字段定出。IMA每一帧编一个帧序号，保存在该帧的ICP信元内。在IMA帧中每个链路上的ICP信元所包含的帧序号相同，在接收端将相同帧序号的各个链路上的数据重组。

IMA组中的每条链路有唯一的链路标识号（LID），发送端IMA将来自ATM层信元流以LID递升原则将信元分配到各链路上，且在每条链路上每M个信元插入一个ICP信元以形成一个IMA帧，在ICP信元中保存IMA配置、同步、状态及故障等信息；接收端IMA遵循LID递升原则接收来自IMA组内各链路上送来的信元，利用ICP信元携带的信息对链路的差值延迟进补偿，并重组原始信元流，丢弃填充信元、HEC校验有误信元及经处理后的ICP信元，并将还原后的信元流送往ATM层。

ATM技术能够有效的传输多种类型的数据，是宽带综合数字网的关键技术，IMA技术利用多个低速信道传输高速ATM数据，是低廉而高速的ATM网络接入技术，尤其适合当前的微波通信手段。

3 虚级联（VCAT）

级联和虚级联是SDH/SONET的重要特性之一，是把多个小的容器级联起来，组装成为一个比较大的容器来传输业务数据的一种技术[4]。SDH中容器C-n的级联就是将X个C-n的容器拼在一起，形成一个大的容器来满足大于C-n容量的业务信号的传输要求。级联可以分为相邻级联和虚级联。相邻级联是在同一个STM-N中，利用相邻的C-n级联成为VC-n-Xc，作为一个整体结构进行传输；而虚级联是把多个虚容器级联组合成一个虚级联组 （VCG），将分布在同一STM-N中的不相邻的VC-n或分布在不同STM-N中的VC-n按级联的方法，形成一个虚拟的大结构VC-n-Xv，作为一个虚拟的整体进行发送和接收。这种技术可以级联形成VC-11-Xv、VC-12-Xv 、VC-2-Xv、VC-3-Xv 和 VC-4-Xv等不同速率的容器。相邻级联和虚级联示意见图4，其中C）表示两个相邻的VC-4的相邻级联，D）表示不相邻的两个VC-4的虚级联。

图4 相邻级联和虚级联示意图Fig.4 Continuous concatenation and virtual concatenation

相邻级联由于使用固定净负载的级联方式会造成带宽利用率的降低，在传输网络中不可避免的会出现带宽碎片，当空闲带宽处于带宽碎片状态时，就会发生带宽耗尽。这时虽然有足够的空闲带宽，却无法容纳新的数据业务。虚级联技术可以克服相邻级联所固有的带宽浪费现象，它可以把不相邻的多个虚容器组合成一个虚级联组作为一个整体带宽。例如在图4中，如果已经形成了C）的相邻级联，由于已经没有相邻的两个VC-4可以提供，如果再想要一个311 Mbps的相邻级联，就需要新的VC-4-4来满足需求，这将造成带宽的浪费，但是通过虚级联的方法，可以利用不相邻的虚容器组成D），则可以满足该需求而不增加新的传输带宽。

由于虚级联每个VC-n的传输所通过的路径有可能不同，在各VC-n之间有可能出现传输延时差，为了保证宿终点的正确恢复，虚级联需要进行一定的控制。VC-3及以上级别的虚容器中，通过开销段中的H4字节来获取控制信息，H4后4比特为第一复帧标记（MFI1）帧计数，16个 MFI1帧为1个MFI1复帧 （即一个MFI2帧），256个MFI2帧为一个MFI2复帧。H4字节前4比特可以提取出MFI2计数、控制字段（CTRL）、组号（GID）和序号（SQ）等信息，根据控制字段可以判断是否为虚级联模式以及链路状态。VC-3以下级别的虚容器中，通过开销段中的K4字节来获取控制信息。每32个K4的比特1和比特2组成比特1复帧和比特2复帧，比特1复帧中MFAS为复帧对齐信号，“01111111110”表示复帧同步，确定比特1复帧和比特2复帧的起始位，从比特2复帧中可提取出帧计数、控制字段、组号和序号等信息。

相邻级联和虚级联对于传送网的设备要求不同，对于相邻级联，要求传送通道上的所有节点均要支持相邻级联功能；而对于虚级联，只要求源节点和目的节点具有级联功能即可，中间节点可以不支持级联功能，简化了对传输设备的要求，降低了网络改造的难度。虚级联在源端设备发送数据时候，按照链路序号顺序将数据逐一放入各链路容器中，并同步标记上帧计数值；在目的端设备接收数据后，将数据缓存起来，按照帧计数值对接收到的数据帧进行排列，排列正确后按照链路序号顺序将数据逐一取出合并为一条数据流。

4 E1反向复用

除了利用SDH开销进行多链路传输外，也可以直接利用E1信号进行多路反向复用，得到扩展带宽的目的。

ITU规范参照虚级联技术制定了PDH虚级联方案，规定了 1 544 kbit/s、2 048 kbit/s、34 368 kbit/s 和 44 736 kbit/s 等多种PDH接口的虚级联方法[5]。PDH虚级联通过在载荷内划分出一部分用于开销字节，类似于虚级联的SDH开销字段，到达虚级联控制的目的。以E1信号为例，125μs为一帧，16帧组成一个复帧，第一个子帧的第一时隙（TS1）为开销字节，与上述VC-3及以上级别的虚容器的类似，后4比特为第一复帧标记（MFI1）帧计数，前4比特放置MFI2计数、控制字段（CTRL）、组号（GID）和序号（SQ）等信息。 PDH 虚级联的发送端发送方式和接收端的重组方式也与虚级联类似。

随着图像、视频等业务的引入，也出现了多类厂家自定义的E1的反向复用应用，这些方法与PDH虚级联类似，利用E1成帧形式附加一定的反向复用开销实现[6]。数据反向复用通常采用的间插方式有比特间插、字节间插、帧间插和包间插等方式，可根据不用的业务应用选取不同的间插方式。对于实时视频业务一般选取比特间插或字节间插方式，可以保证传输时延，但是要求复用端对各个E1信道严格同步，处理方式相对会比较复杂。

5 结束语

数字微波通信以其特有的优势仍然是当前重要的通信手段之一，在当前宽带高速发展的条件下，迫切需要既可以保证传输带宽，又可以最大效率的利用原有低速资源的微波传输解决方案。多链路PPP、反向复用ATM、虚级联和E1反向复用等多链路传输技术在不同的微波传输场合下得到了应用：多链路PPP适用于通用IP传输业务，IMA适用于ATM接入业务、VCAT适用于多业务传送平台（MSTP）业务、E1反向复用适用于轻量级的应用。在移动回传网的微波接入传输的解决方案中，一些厂商还将多种多链路传输技术在同一设备中支持并实现，为不同的用户或业务实现多种宽带传输的需求。综上所述，多链路传输技术将继续在数字微波通信中发挥其独特的作用。

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

[2]王炜，马跃，蒋砚军.多链路PPP的调度算法[J].北京邮电大学学报，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]童胜勤，胡波，王宏远.多E1反向复用传输技术在闭路电视监控系统中的应用[J].电视技术，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.