同步复用与映射原理解析

SDH 中采用的同步和映射方法与传统的数字复用技术有很大的不同，其特色明显，意义深远，下面将讲述其复用映射结构与实现机理。

1.基本原理

现代电信传输的发展方向之一是传输速率的高速化，其方式是采用时分复用的形式将多路低速信号复用成高速信号，然后再通过高速信道传输，这一过程称为数字复用。

从时分多路通信原理可知，在复用单元输入端上的各支路数字信号必须是同步的，即它们的有效瞬间与相应的定时信号必须保持正确的相位关系。但是在调整单元的输入端上（即在复用器的输入端上）则不必有这样的要求。如果复用器输入支路数字信号与本机定时信号是同步的，那么调整单元只需调整相位，有时甚至连相位也无须调整，这种复用器称为同步复用器；如果输入支路数字信号与本机定时信号是异步的，即它们的对应生效瞬间不一定以同一速率出现，那么调整单元要对各个支路数字信号实施频率和相位调整，使之成为同步数字信号，这种复用器称为异步复用器；如果输入支路数字信号的生效瞬间相对于本机对应的定时信号是以同一标称速率出现，而速率的任何变化都限制在规定的容差范围内，这种复用器称为准同步复用器。

那么如何解决各路信号彼此之间的频差和相移等问题？传统的解决方法主要有码速调整法（或称比特塞入法）和固定位置映射法，而在SDH 技术中，又引入了指针调整法。

在SDH 技术中采用了指针调整法，其基本原理是利用净负荷指针来表示在STM-N 帧内浮动的净负荷的准确位置。当出现净负荷在一定范围内的频率变化时，只需增加或减小指针数值即可达到目的，从而较好地结合了上述两种方法的特点。

SDH 的通用复用映射结构如图8.7所示。它是由一些基本复用映射单元组成的，有若干个中间复用步骤的复用结构。具有一定频差的各种支路的业务信号要想复用进STM-N 帧，都要经历映射、定位校准和复用3个步骤，基本工作原理如下所述。

首先，各种速率等级的数据流进入相应的容器（C），完成适配功能（主要是速率调整），再进入虚容器（VC），加入通道开销（POH）。VC 在SDH 网中传输时可以作为一个独立的实体在通道中任意位置取出或插入，以便进行同步复用和交叉连接处理。由VC 出来的数字流再按图8.11中规定的路线进入管理单元（AU）或支路单元（TU）。在AU 和TU 中要进行速率调整，因而低一级数字流在高一级数字流中的起始点是浮动的。为准确确定起始点的位置，AU 和TU 设置了指针（AU PTR 和TU PTR），从而可以在相应的帧内进行灵活和动态的定位。最后，在N 个AUG 的基础上，再附加段开销SOH，便形成了STM-N 的帧结构。图8.7中的定位校准即是利用指针调整技术来取代传统的125μs缓存器，实现支路频差的校正和相位的对准，因此可以说指针调整技术是数字传输复用技术的一项重大革新，它消除了PDH 中僵硬的大量硬件配置，特色明显。

在如图8.7所示的复用映射结构中可见，从一个有效负荷到STM-N 的复用路线并不是唯一的，但对于某一个国家或地区来说，必须使复用路线唯一化。我国采用的复用映射主要包括C-12、C-3和C-4三种进入方式，它保证每一种速率的信号只有唯一的一条复用路线可以到达STM-N 帧。

图8.7　SDH 通用复用映射结构

2.基本单元

图8.7所说明的问题实际上是如何将PDH 的标准速率信号、ATM 信元及其他新业务信号复用成符合SDH 帧结构标准的信号。图8.7中所涉及的各单元的名称及定义如下所述。

（1）容器（C）

容器是一种用来装载各种速率业务信号的信息结构，容器种类有C-11、C-12、C-2、C-3和C-4共5种，或表示成C-n（n=11，12，2，3，4）。我国目前仅涉及C-12、C-3及C-4容器，每一种容器分别对应于一种标称的输入速率，即2.048 Mbit/s、34.368 Mbit/s和139.264 Mbit/s。容器的基本功能是完成适配即码速调整。

（2）虚容器（VC）

虚容器是用来支持SDH 通道层连接的信息结构。它是SDH 通道的信息终端，由安排在重复周期为125μs或500μs的块状帧结构中的信息净负荷（容器的输出）和通道开销（POH）组成，即

VC是SDH 中最为重要的一种信息结构，它的包封速率是与SDH 网络同步的，因此不同VC是互相同步的，但在VC 内部却允许装载来自不同容器的异步净负荷。由于VC 在SDH网中传输时总是保持完整不变的（除去VC 的组合点和分解点），因而其可以作为一个独立的实体十分方便和灵活地在通道中任一点插入或取出，以便进行同步复用和交叉连接处理。

虚容器可分成低阶虚容器和高阶虚容器两类，其中VC-11、VC-12、VC-2 和TU-3 前的VC-3为低阶虚容器，VC-4和AU-3前的VC-3为高阶虚容器。用于管理这些虚容器的开销称为通道开销（POH），管理低阶虚容器的通道开销称为低阶通道开销（LPOH），管理高阶虚容器的通道开销称为高阶通道开销（HPOH）。它们的作用与功能介绍见下一节。

（3）支路单元（TU）

支路单元是一种提供低阶通道层和高阶通道层之间适配功能的信息结构，可表示为TU-n（n=11，12，2，3）。TU-n由一个相应的低阶VC-n 和一个相应的支路单元指针（TU-n PTR）组成，即

其中，TU-n PTR 指示VC-n净负荷帧起点相对于高阶VC帧起点间的偏移量。

（4）支路单元组（TUG）

支路单元组是由一个或多个在高阶VC净负荷中占据固定、确定位置的支路单元组成的。实现时可把一些不同大小的TU 组合成一个TUG，从而增加传送网络的灵活性。VC-4/3中有TUG-3和TUG-2两种支路单元组。1个TUG-2由1个TU-2或3个TU-12或4个TU-11按字节间插组合而成，1个TUG-3由1个TU-3或7个TUG-2按字节交错间插组合而成。1个VC-4可容纳3个TUG-3，1个VC-3可容纳7个TUG-2。

（5）管理单元（AU）

管理单元是提供高阶通道层和复用段层之间适配功能的信息结构，可表示为AU-n（n=3，4），它由一个相应的高阶VC-n和一个相应的管理单元指针（AU-n PTR）组成，即

其中，AU-n PTR 指示VC-n 净负荷起点相对于复用段帧起点间的偏移，而其自身相对于STM-N 帧的位置总是固定的。

（6）管理单元组（AUG）

管理单元组是由一个或多个在STM-N 净负荷中占据固定、确定位置的管理单元组成的，1个AUG 由1个AU-4或3个AU-3按字节间插组合而成。

（7）同步传送模块（STM-N）

同步传送模块的帧结构如前所述，基本模块STM-1的信号速率为155.520 Mbit/s，更高阶的STM-N 模块（N=4，16，64，…）由N 个STM-1信号以同步复用方式构成。

除了以上介绍的各个单元以外，SDH 还安排有灵活的级联方式，以传送非标准PDH 等级的信号。例如，若用户要求传送10 Mbit/s的信号，如果采用PDH 系统，只能用标准的34.368 Mbit/s设备，效率极低（有24 Mbit/s空闲）；而在SDH 系统中，则可利用TU-2的级联方式，将2个TU-2级联为1个TU-2-2c，其速率为13.696 Mbit/s，因而大大提高了传送效率。

3.复用映射结构

各种信号复用映射进STM-N 帧的过程都要经过映射、定位和复用3个步骤（见图8.7）。

（1）映射

映射（Mapping）是一种在SDH 网络边界处，把支路信号适配装入相应虚容器的过程。例如，将各种速率的PDH 信号先分别经过码速调整装入相应的标准容器，再加进低阶或高阶通道开销，以形成标准的虚容器。在SDH 技术中有异步、比特同步和字节同步3种映射方法以及浮动VC和锁定TU 两种模式。

（2）定位

定位（Alignment）是一种当支路单元或管理单元适配到支持层的帧结构时，帧偏移信息随之转移的过程，它依靠TU PTR 和AU PTR 功能加以实现。这里所说的指针（PTR）是一种指示符，其值定义为虚容器相对于支持它的传送实体的帧参考点的帧偏移，也就是说，在发生相对帧相位偏差使VC 帧起点浮动时，指针值亦随之调整，从而始终保证指针值准确指示VC帧的起点。

SDH 中指针的作用可归结如下：

①当网络处于同步工作状态时，指针用来进行同步信号间的相位校准；

②当网络失去同步时，指针用作频率和相位校准；

③当网络处于异步工作状态时，指针用作频率跟踪校准；

④指针还可以用来容纳网络中的频率抖动和漂移。

指针包括AU 指针和TU 指针两种，可以为VC在AU 或TU 帧内的定位提供一种灵活和动态的方法。所谓动态定位意味着允许VC在帧内“浮动”，也就是说，AU 指针或TU 指针不仅能够容纳VC帧起点在相位上的差别，而且能够容纳帧速率上的差别。

指针分为AU-4指针、TU-3指针、TU-12指针，此外还有表示TU-12位置的指示字节H4。

（3）复用

复用（Multiplex）是一种将多个低阶通道层的信号适配进高阶通道或者把多个高阶通道层信号适配进复用层的过程，其方式是采用字节交错间插的方式将TU 组织进高阶VC 或将AU 组织进STM-N。由于经TU PTR 和AU PTR 处理后的各VC支路已实现了相位同步，因此其复用过程为同步复用，至于复用的路数可参见图8.7，即

4.高阶通道开销字节的功能与应用

如前所述，在SDH 中，为了便于分层管理，设置了段开销（SOH）和通道开销（POH）。POH 位于帧结构中的净负荷区域，它们与用户业务信息一起传送。通道开销中包含高阶通道开销（HPOH）和低阶通道开销（LPOH）。下面以VC-4 POH 为例，说明高阶通道开销字节的功能与应用。

VC-4 POH 共有9字节，用来完成虚容器（VC）通道性能监视、告警状态指示、维护用信号及复接结构指示。它与净负荷一起传送，直至净负荷被分接。对于STM-1中VC-4而言（见图8.8），VC-4 POH 位于帧结构中第1～9行、第10列，依次为通道踪迹字节J1，通道BIP-8字节B3，信号标记字节C2，通道状态字节G1，通道使用者通路字节F2和F3，TU 位置指示字节H4，自动保护倒换字节K3（b1～b4），网络操作者字节N1。其中前4个字节与净负荷无关，主要用作端到端通信；F2、H4、F3与净负荷有关；K3和N1主要用于管理。这些字节的核心功能与段开销字节基本类似，只是作用的对象不同。

图8.8　VC-4 POH 位置图

5.低阶通道开销字节的功能与应用

下面以VC-12 POH 为例，说明低阶通道开销字节的功能与应用。

VC-12是由4个帧组成复帧，其管理由VC-12低阶通道开销（LPOH）实现，包括：通道状态和信号标记字节V5，通道踪迹字节J2，网络操作者字节N2，自动保护倒换字节K4（b1～b4）。

C-12复帧加上VC-12 POH 就构成了VC-12复帧，即

图8.9是VC-12复帧的帧结构，即V5、J2、N2、K4分别位于复帧中各基帧的首字节。

图8.9　VC-12复帧结构

例如，V5字节是整个复帧的首字节，具有误码检测（利用V5（b1、b2）进行BIP-2，V5（b3）为远端差错指示，V5（b4）为远端失效指示）、信号标记（利用V5（b5～b7））和通道状态（利用V5（b8））功能，V5位置由TU-12指针指示。

6.指针调整的原理与实现

在图8.7中标明了指针处理的位置，那么为什么要进行指针处理？如何实现指针处理？

（1）AU-4指针值

为实现VC-4 复用映射进STM-N 帧，在VC-4 进入AU-4 时应加上AU-4 指针（AU-4 PTR），即

当VC-4信号来源于另一个SDH 网络时，VC-4和STM-N 可能存在帧速率上的差异，即便在同一个SDH 网络内，VC-4和STM-N 也可能存在相位上的不一致。为了适应这种速率和相位上的差异，SDH 中设立了一个指针调节机制，利用AU-4指针来指示VC-4起始字节的位置。有了指针以后，无论VC-4的相位在STM-N 中如何变化，都可以方便地进行VC-4的定位。

AU-4 PTR 由处于AU-4帧第4行、第1～9列的9个字节组成（见图8.10），即

图8.10　AU-4指针偏移值

其中，Y=1001SS11，SS是未规定值的比特，1*=11111111。

含在H1、H2字节中的指针指出VC-4起始字节的位置，而H3字节用于进行负调整时携带额外的VC字节。分配给指针功能的H1和H2字节可以看作一个码字，如图8.11所示。其中指针字的最后10个比特（7～16比特）携带具体指针值（共可提供1 024个指针值）。AU-4指针值为十进制数0～782范围内所对应的二进制数，该值表示了指针和VC-4第1个字节间的相对位置。指针值每增/减“1”，代表3字节的偏移量。由于VC-4帧结构内共有2 349字节，所以需用2 349/3=783个指针值来表示。例如，指针值为0表示VC-4的首字节位于最后一个H3字节后面的那个字节。

图8.11　AU-4指针（H1、H2、H3）值

AU-4 PTR 中由H1和H2构成16 bit指针码字（见图8.11）。指针值由码字的第7～16比特表示，这10比特的奇数比特记为I比特，偶数比特记为D 比特。以5个I比特和5个D 比特中的全部或多数比特发生反转来分别指示指针值应增加和减少，因此I和D 分别称为增加比特和减少比特。图8.11也给出了一个附加的有效指针：级联指示。即当AU-4指针设成级联指示时，表示AU-4为级联状态。

如果VC-4帧速率与AU-4帧速率间有频率偏移，则AU-4指针值将需要增减，同时伴随着相应的正或负调整字节的出现或变化。当频率偏移较大，需要连续多次指针调整时，相邻两次指针调整操作之间必须至少间隔3帧（即每个第4帧有可能进行操作）。

（2）频率偏移引起的指针正调整

当VC-4帧速率比AUG 帧速率低时，则以正调整来提高VC 的帧速率，即每次调整或指针操作将在VC-4帧的真实字节J1前插入3个填充伪信息的空闲字节。由于插入了作为正调整字节的空闲字节，VC帧在时间上向后推移了一个调整单位的时隙，因而用来指示VC帧起始位置的指针值也要加1（见图8.12）。应注意的是，AU-4指针值782+1=0。

图8.12　AU-4指针正调整

进行正调整由指针值码字中的5个I比特的反转来表示（见图8.12）。在5个I比特反转的帧实施正调整，即在最后一个H3字节后面立即安排3个正调整字节，而下一帧的指针值将是调整后的新值。在接收端，将按5个I比特中是否有多数比特反转来决定是否有正调整，并去除所加的字节。

（3）频率偏移引起的指针负调整

当VC-4帧速率比AU-4帧速率高时，以负调整来降低VC 的帧速率，即设法扩大VC 字节的存放空间，相当于降低了VC帧速率。实际做法是利用H3字节来存放实际VC 净负荷起始的3个字节，使VC在时间上向前移动了一个调整单位的时隙，因而指示其起始位置的指针值也应减1。需要注意的是，AU-4指针值0-1=782。

进行负调整由指针值码字中的5个D 比特反转来表示（见图8.13）。在5个D 比特反转的帧实施负调整，即在H3字节中立即存放3个负调整字节（数据），而下一帧的指针值将是调整后的新值。在接收端，将按5个D 比特中是否有多数比特反转来决定是否有负调整，并去除。

图8.13　AU-4指针负调整

实际上，指针调整并不经常出现，因而H3字节大部分时间内是填充伪信息字节。

（4）指针中的新数据标帜

AU-4或TU-3指针码字的第1～4比特（图8.13中用N 表示的比特）称为新数据标帜（NDF，New Data Flag），它可指示由于净负荷的改变（如从一种VC变成另一种VC）而引起的指针值的任意变化和TU 规格的可能变化。

当指针调整按前述指针值加或减1方式作正常操作时，NNNN 置为“0110”（止能），而10 bit指针值表示VC的起始位置。若净负荷发生变化，则NNNN 反转为“1001”（使能），即是新数据标帜（NDF）。由于NDF 有4 比特，因而有误码校正功能，即只要其中至少有3 比特与“1001”相符时，就认为净负荷有新数据，此时，10 bit指针值应按变化的净负荷重新取值。除接收机处于指针丢失状态外，符合新情况的新指针值将取代当前的指针值。所以说，新数据就是指这一新指针值，它表示净负荷变化后VC的新起始位置，而不是指针调整过程中随VC浮动作增减的指针值。

NDF只在含有新数据的第1帧出现，并在后续帧中反转回正常值“0110”，指针操作在NDF出现的那帧进行，且至少隔3帧才允许再次进行任何指针操作。若NDF出现其他值，如“0000”“0011”“0101”“1010”“1100”和“1111”，则解释为无效。

（5）指针值的解读

接收端对指针解码时，除仅对以下3种情况进行解读外，将忽略任何变化的指针：①连续3次以上收到前后一致的新的指针值；②指针变化之前多数I或D 比特已被反转；③随后的指针值将被加“1”或减“1”。NDF被解释为“使能”，与变化后的偏移值相吻合的新指针值将代替当前值。在这3种情况中，第一种情况的优先级最高。

（6）指针产生规则小结

①在正常运行期间，指针确定了在AU-n帧内VC-n的起始位置。NDF被设置为“0110”。

②指针值的改变仅能靠③、④或⑤规则操作。

③若需正调整，发送带有I比特反转的当前指针值，且其后的正调整机会由伪信息所填充，随后指针等于原先指针值加“1”。若前一个指针值为最大值，那么后随指针值应置为“0”。在此操作后，至少连续3个帧不能进行指针的增、减。

④若需负调整，发送带有D 比特反转的当前指针值，且其后的负调整机会被实际数据所重写，随后指针等于原先指针值减“1”。若前一个指针值为“0”，那么后随的指针应置为最大值。同样，在此操作以后，至少连续3个帧不能进行指针的增、减。

⑤若VC-n 的定位除上述③、④规则以外的其他原因而改变，新指针值将伴随着NDF置为“1001”而发送。NDF仅出现在含有新值的第1帧中，新VC-n 的位置起始于首次出现由新指针所指示的偏移处。同样，在此操作以后，至少连续3个帧不能进行指针的增、减。

7.实例说明

为便于理解如图8.11所示的结构和前面所讲的基本原理，下面举两个实例做进一步说明。

（1）PDH 四次群信号至STM-1的形成过程

如图8.14所示，PDH 四次群信号（139.264 Mbit/s）首先进入C-4容器，经速率调整后，输出149.760 Mbit/s的数字信号；在VC-4 内加入POH（9 字节/帧，即576 kbit/s）后，输出150.336 Mbit/s的信号；在AU-4 内加入指针AU PTR（9 字节/帧，即576 kbit/s）后，输出150.912 Mbit/s的信号；因为N=1，所以由一个AUG 加入段开销SOH（4.608 Mbit/s）后，输出155.520 Mbit/s的信号，即STM-1信号。

图8.14　139.264 Mbit/s信号至STM-1的形成过程

（2）PDH 基群信号至STM-1的形成过程

如图8.15所示，标称速率为2.048 Mbit/s的PDH 基群信号先进入C-12作适配处理，再加上VC-12 POH 便构成了VC-12（2.240 Mbit/s）。设置TU-12 PTR（说明VC-12 相对于TU-12的相位），经速率调整和相位对准后的TU-12速率为2.304 Mbit/s，再经均匀字节间插组成TUG-2（3×2.304 Mbit/s）。7个TUG-2经同样的单字节间插组成TUG-3（加上塞入字节后速率达49.536 Mbit/s）。进而，由3个TUG-3经单字节间插并加上高阶POH 和塞入字节后构成VC-4净负荷，速率为150.336 Mbit/s。再加上576 kbit/s AU-4 PTR 就组成了AU-4，速率为150.912 Mbit/s。单个AU-4直接置入AUG，N 个AUG通过单字节间插并加上段开销便得到了STM-N 信号。当N=1时，一个AUG加上容量为4.608 Mbit/s的段开销即形成了STM-1的标称速率155.520 Mbit/s。

图8.15　2.048 Mbit/s信号至STM-1的形成过程