SDH帧结构细解析

教学内容

(1)SDH帧结构；

(2)SDH开销字节。

技能要求

(1)能理解SDH帧结构；

(2)能理解SDH开销功能。

任务描述

团队(4～6人)完成SDH帧结构和开销功能的学习。

任务分析

让学生完成SDH帧结构、速率计算和开销功能的学习。

知识准备

1.SDH帧结构

图3-44　STM－N帧结构

为便于实现支路的同步复用、交叉连接、分/插和交换(方便从高速信号中直接上/下低速支路信号)，STM－N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀地、有规律地分布。ITU－T规定的STM－N帧结构如图3-44所示。它是以字节(B＝8 bit)为单位的矩形块状帧结构。

从图3-44可以看出，STM－N的信号是9行×270×N列的矩形块状帧结构。此处的N与STM－N的N一致，取值范围:1，4，16，64，……。这表示此信号由N个STM－1信号通过字节间插复用而成。帧周期为125μs。当N个STM－1信号通过字节间插复用成STM－N信号时，仅仅是将STM－1信号的列按字节间插复用，行数恒定为9行。

我们知道，信号在线路上传输是一个比特一个比特地进行传输的，同样，STM－N信号的传输也遵循按比特传输的方式，SDH信号帧传输的原则是:帧结构中的字节(8 bit)从左到右，从上到下按行一个字节一个字节地传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧，如此一帧一帧地传送，每秒共传8 000帧。

对于STM－N信号的帧频(也就是每秒传送的帧数)，ITU－T规定对于任何级别的STM等级，帧频都是8 000帧/s，也就是帧长或帧周期为恒定的125μs。对于STM－1而言，帧长度为9×270字节＝2 430字节，相当于19 440 bit，帧周期为125μs，由此可算出其比特速率为(9×270×8)bit/(125×10－6)s＝155.520 Mb/s。

帧周期的恒定是SDH信号的又一大特点。帧周期的恒定使STM－N信号的速率有其规律性。例如STM－4信号传输速率恒等于STM－1信号传输速率的4倍，STM－16信号传输速率恒等于STM－4信号传输速率的4倍，等于STM－1信号传输速率的16倍。而PDH中的E2信号速率不等于E1信号速率的4倍。SDH信号的这种规律性使高速SDH信号直接分/插出低速SDH信号成为可能，特别适用于大容量的传输情况。

2.SDH帧结构组成功能

从图3-44看出，STM－N帧结构由段开销[包括再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)]、管理单元指针(AU－PTR)和信息净负荷(payload)三部分组成。

1)段开销(SOH)

段开销是为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护(OAM)所使用的字节。在STM－N帧结构中，段开销位于横向第1～3行、纵向第1～9×N列和横向第5～9行、纵向第1～9×N列，共8×9×N＝72×N个字节。段开销又分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)，其分别对相应的段层进行监控。每经过一个再生段更换一次RSOH，每经过一个复用段更换一次MSOH。RSOH和MSOH的区别简单地说在于二者的监管范围不同。举个简单的例子，若光纤上传输的是2.5G信号，那么，RSOH监控的是STM－16整体的传输性能，而MSOH则是监控STM－16信号中每一个STM－1的性能。RSOH在STM－N帧中的位置是第1～3行的第1～9×N列，共3×9×N个字节。MSOH在STM－N帧中的位置是第5～9行的第1～9×N列，共5×9×N个字节。与PDH信号的帧结构相比较，段开销丰富是SDH信号帧结构的一个重要的特点。

2)管理单元指针(AU－PTR)

管理单元指针位于STM－N帧中的第4行的第9×N个字节。AU－PTR是用来指示信号净负荷的第一个字节在STM－N帧内的准确位置的指示符，以便接收端能根据这个位置指示符的值(指针值)正确分离信息净负荷。采用指针方式，可以使SDH在准同步环境中完成复用同步和STM－N信号的帧定位。

3)信息净负荷(payload)

信息净负荷是在STM－N帧结构中存放由STM－N传送的各种信息码块的地方。在图3-44所示STM－N帧结构中，信息净负荷位于横向第1～9行、纵向第(9×N＋1)～第(270×N)列，共9×261×N个字节＝2 349×N个字节。在信息净负荷中，还存放着少量用于通道性能监视、管理和控制的通道开销(POH)字节，将通道开销作为信息净负荷的一部分与信息码块一起在网络中传送。

图3-45　STM－N帧的段开销字节示意

3.段开销

STM－N帧的段开销位于帧结构的(1～3)行×(1～9N)列和(5～9)行×(1～9N)列。现以STM－1信号为例来讲述段开销各字节的用途。对于STM－1信号，段开销包括位于帧中的(1～3)行×(1～9)列的RSOH和位于(5～9)行×(1～9)列的MSOH。STM－N帧的段开销字节示意如图3-45所示。

(1)定帧字节A1和A2。定帧字节有点类似指针，起定位的作用。我们知道SDH可从高速信号中直接分/插出低速支路信号，原因就是接收端能通过指针——AU－PTR和TU－PTR在高速信号中定位低速信号的位置。但这个过程的第一步是要定位每个STM－N帧的起始位置，然后再在各帧中定位相应的低速信号的位置，A1、A2字节就起到定位一个STM－N帧的作用，通过它们，接收端可从信息流中定位、分离出STM－N帧，再通过指针定位帧中的某一个低速信号。

接收端怎样通过A1、A2字节定位呢?A1、A2有固定的值，也就是有固定的比特图案——A1:11110110(f6H)，A2:00101000(28H)。接收端检测信号流中的各个字节，当发现连续出现3N个6H，又紧跟着出现3N个28H字节时(在STM－N帧中A1和A2字节各有3个)，就断定从现在开始收到一个STM－N帧，接收端通过定位每个STM－N帧的起点来区分不同的STM－N帧，以达到分离不同帧的目的，当N＝1时，区分的是STM－1帧。

当连续5帧以上(625μs)收不到正确的A1、A2字节，即连续5帧以上无法判别帧头(区分出不同的帧)时，那么接收端进入帧失步状态，产生帧失步告警——OOF。若OOF持续了3 ms，则进入帧丢失状态——设备产生帧丢失告警LOF，下插AIS信号，整个业务中断。在LOF状态下若接收端连续1 ms以上又处于定帧状态，那么设备回到正常状态。

STM－N信号在线路上传输要经过扰码以便接收端提取线路定时信号，但又为了在接收端能正确定位帧头A1、A2，又不能将A1、A2扰码。于是STM－N信号对段开销第一行的所有字节(不仅是A1、A2字节)不扰码，而进行透明传输。当收信正常时，再生器直接转发该字节；当收信故障时，再生器重新产生该字节。

(2)再生段踪迹字节J0。该字节被用来重复地发送“段接入点标识符”，以便让接收端能据此确认与指定的发送端是否处于持续连接状态。在同一个运营商的网络内该字节可为任意字符，而在不同两个运营商的网络边界处要使设备收、发两端的J0字节相同——匹配。通过J0字节可使运营商提前发现和解决故障，缩短网络恢复时间。

J0字节还有一个用法。在STM－N帧中每一个STM－1帧的J0字节定义为STM的标识符C1，用来指示每个STM－1在STM－N中的位置——指示该STM－1是STM－N中的第几个STM－1(间插层数)和该C1在该STM－1帧中的第几列(复列数)，这可帮助A1、A2字节进行帧识别。

J0也不经扰码，进行透明传输。

(3)数据通信通路(DCC)字节D1～D12。SDH的一大特点就是OAM功能的自动化程度很高，可通过网管终端对网元进行命令的下发、数据的查询，完成PDH系统所无法完成的业务实时调配、告警故障定位、性能在线测试等功能。这些用于OAM功能的数据信息是通过STM－N帧中的D1～D12字节传送的。也就是说用于OAM功能的相关数据是放在STM－N帧中的D1～D12字节处，由STM－N信号在SDH网络上传输的。这样D1～D12字节提供了所有SDH网元都可接入的通用数据通信通路，作为嵌入式控制通路(ECC)的物理层，在网元之间传输操作、管理、维护(OAM)信息，构成SDH管理网(SMN)的传送通路。

其中D1～D3为再生段数据通路字节(DCCR)，速率为3×64 kb/s＝192 kb/s，用于再生段终端之间传送OAM信息；D4～D12是复用段数据通路字节(DCCM)，共9×64 kb/s＝576 kb/s，用于复用段终端间传送OAM信息。DCC通道速率总共768 kb/s，它为SDH网络管理提供了强大的通信基础。

(4)公务联络字节E1和E2。E1和E2分别提供一个64 kb/s的公务联络语音通路，语音信息放在这两个字节中传输。E1属于RSOH，用于再生段的公务联络；E2属于MSOH，用于终端间直达公务联络。

(5)使用者通路字节F1。该字节提供速率为64 kb/s的数据/语音通路，保留给使用者(通常指网络提供者)专用，主要为特定维护目的提供临时公务联络通路。

(6)比特间插奇偶检验8位码(BIP－8)B1。该字节用于再生段误码监测。为理解监测的机理，先讲一讲BIP－8奇偶校验，BIP－8奇偶校验示意如图3-46所示。

图3-46　BIP－8奇偶校验示意

若某信号帧有4个字节A1＝00110011、A2＝11001100、A3＝10101010、A4＝00001111，那么将这个帧进行BIP－8奇偶校验的方法是以8 bit为一个校验单位(1个字节)，将此帧分成4块(每一个字节为一块，因为1个字节为8 bit，正好是一个校验单元)，按图3-46所示的方式摆放整齐。依次计算每一列中1的个数，若为奇数，则得数(B)的相应位填1，否则填0。也就是B的相应位的值使A1、A2、A3、A4摆放的块的相应列的1的个数为偶数。这种校验方法就是BIP－8奇偶校验，实际上是偶校验，因为它保证的是1的个数为偶数。B的值就是将A1、A2、A3、A4进行BIP－8奇偶校验所得的结果。

B1字节的工作机理是:发送端对本帧(第N帧)加扰后所有字节进行BIP－8奇偶校验，将结果放在下一个待扰帧(第N＋1帧)中的B1字节；接收端将当前待解扰帧(第N帧)的所有比特进行BIP－8奇偶校验，所得的结果与下一帧(第N＋1帧)的B1字节的值相异或比较，若这两个值不一致，相异或后有“1”出现，根据出现多少个“1”，则可检测出第N帧在传输中出现了多少个误码块。

(7)比特间插奇偶校验N×24位的(BIP－N×24)字节B2。B2的工作机理与B1类似，只不过它检测的是复用段的误码情况。B1字节是对整个STM－N帧信号进行传输误码检测，一个STM－N帧中只有一个B1字节，而B2字节是对STM－N帧中的每一个STM－1帧的传输误码情况进行检测，STM－N帧中有N×3个B2字节，每三个B2对应一个STM－1帧。其检测机理是发送端B2字节对前一个待扰的STM－1帧中RSOH(RSOH包括在B1对整个STM-N帧的校验中了)以外的全部比特进行BIP－24计算，结果放于本帧待扰STM－1帧的B2字节位置。接收端对当前解扰后的STM－1(RSOH以外的全部比特)进行BIP－24校验，其结果与下一STM－1帧解扰后的B2字节相异或，根据异或后出现“1”的个数来判断该STM－1帧在STM－N帧中的传输过程中出现了多少个误码块。可检测出的最大误码块个数是24个。在发送端写完B2字节后，相应的N个STM－1帧按字节间插复用成STM－N信号后有3N个B2，在接收端先将STM－N信号分间插成N×STM－1信号，再校验这N组B2字节。

(8)自动保护倒换(APS)通路字节K1和K2(b1～b5)。这两个字节用作传送自动保护倒换(APS)信令，用于保证设备能在故障时自动切换，使网络业务恢复——自愈，用于复用段保护倒换自愈情况。其中K1作为倒换请求字节，K2(b1～b5)作为证实字节。

(9)复用段远端失效指示(MS－RDI)字节K2(b6～b8)。这是一个对告的信息，由接收端(信宿)回送给发送端(信源)，表示接收端检测到上游段故障或收到复用段告警指示信号(MS－AIS)。也就是说当接收端收信劣化时，回送给发送端MS－RDI告警信号，以使发送端知道接收端的状态。若收到解扰后K2的b6～b8为110码，则此信号为对端对告的MS－RDI告警信号；若收到解扰后K2的b6～b8为111码，则此信号为本端收到MS－AIS的信号，此时要向对端发送MS－RDI信号，即在发往对端的信号帧STM－N的K2的b6～b8中放入110比特图案。

(10)同步状态字节S1(b5～b8)。该字节表示同步状态信息，不同的比特图案表示ITU－T的不同时钟质量级别，设备能据此判定接收的时钟信号的质量，以此决定是否切换时钟源，即切换到较高质量的时钟源上。S1(b5～b8)的值越小，表示相应的时钟质量级别越高。

(11)复用段远端误块指示(MS－REI)字节M1。这是个对告信息，由接收端回发给发送端。M1字节用来传送接收端由BIP－N×24(B2)所检出的误块数，以便发送端据此了解接收端的收信误码情况。

(12)与传输媒质有关的字节△。△字节专用于具体传输媒质的特殊功能，例如用单根光纤作双向传输时，可用此字节来实现辨明信号方向的功能。

(13)国内保留使用的字节×。

其他所有未作标记的字节的用途待由将来的国际标准确定。

以上讲述了STM－N帧中的段开销——RSOH、MSOH的各字节的使用方法，正是这些字节，实现了STM－N信号的段层的OAM功能。

下面讲述N个STM－1帧通过字节间插复用成STM－N帧时，段开销的复用情况。(www.xing528.com)

N个STM－1帧通过字节间插复用成STM－N帧时各STM－1帧的管理单元指针(AUPTR)和信息净负荷(payload)的所有字节原封不动地按字节间插复用方式复用，而段开销的复用方式就有所区别。段开销的复用规则是N个STM－1帧以字节间插复用STM－N帧时，只有段开销中的A1、A2、B2字节，指针和信息净负荷按字节间插复用成STM－N帧，各STM－1帧中的其他开销字节作终结处理，再重新插入STM－N相应的开销字节中。例如4个STM－1帧复用后形成的STM－4帧的段开销结构如图3-47所示。

图3-47　STM－4帧的段开销结构

在STM－N中只有一个B1字节，有N×3个B2字节[因为B2字节为BIP－24检验的结果，故每个STM－1帧有3个B2字节，3×8＝24(位)]。STM－N帧中有D1～D12各一个字节；E1、E2各一个字节；一个M1字节；K1、K2各一个字节。

4.通道开销

段开销负责段层的OAM功能，而通道开销(POH)负责的是通道层的OAM功能。根据监测通道的“宽窄”，通道开销又分为高阶通道开销(HPOH)和低阶通道开销(LPOH)两种(所谓“高阶”是指高速的信号，“低阶”是指低速的信号)。VC3中的POH依34 Mb/s复用路线选取的不同，可划在高阶或低阶通道开销范畴，其字节结构和作用与VC4的通道开销相同，加之其使用较少，在此不进行专门讲述。本教材中所指高阶通道开销是对VC4级别的通道进行监测，可对140 Mb/s在STM－N帧中的传输情况进行监测；低阶通道开销是完成VC12通道级别的OAM功能，也就是监测2 Mb/s在STM－N帧中的传输性能。

1)高阶通道开销

图3-48　高阶通道开销的结构

高阶通道开销的位置在VC4帧中的第1列，共9个字节，依次为J1、B3、C2、G1、F2、H4、F3、K3、N1。其中J1、B3、C2、G1与信息净负荷无关，主要用作端到端的通信；F2、H4、F3与信息净负荷有关；K3和N1主要用于管理。高阶通道开销的结构如图3-48所示。

下面介绍这些字节的功能。

(1)J1:通道踪迹字节。J1是VC4的第一个字节(即起点)，AU－PTR指针指的是VC4的起点在AU－4中的具体位置，即VC4的第一个字节的位置，以使收信端能据此AU－PTR的值，正确地在AU－4中分离出VC4。AU－PTR所指向的正是J1字节的位置。

该字节的作用与J0字节类似，被用来重复发送高阶通道接入识别符，使通道接收端能据此确认与指定的发送端是否处于持续的连续状态。其要求也是收发两端J1字节相匹配，否则在接收端设备会出现高阶通道踪迹字节失配(HP－TIM)告警。

(2)B3:通道BIP－8码。通道BIP－8码B3字节负责监测VC4在STM－N帧中传输的误码性能，也就是监测140 Mb/s的信号在STM－N帧中传输的误码性能。其检测机理与B1、B2字节相类似，只不过B3字节是对VC4帧进行BIP－8奇偶校验。

(3)C2:信号标记字节。C2用来指示VC帧的复接结构和信息净负荷的性质，如通道是否已装载、所载业务种类和它们的映射方式。例如C2＝00H表示未装载信号，这时要往这个VC4通道的信息净负荷TUG3中插全“1”码——TU－AIS，设备出现高阶通道未装载告警:HP－UNEQ。C2＝02H表示VC4所装载的净负荷是按TUG结构的复用路线复用来的，C2＝15H表示VC4的信息净负荷是FDDI(光纤分布式数据接口)。C2字节的设置也要使收发两端匹配，否则在接收端设备会出现高阶通道信号标记字节失配(HPSLM)告警。

(4)G1:通道状态字节。G1用来将通道终端状态和性能情况回送给VC4通道源设备，从而允许在通道的任一端或通道中任一点对整个双向通道的状态和性能进行监视。G1字节实际上传送对告信息，即由接收端发往发送端信息，使发送端能据此了解接收端接收相应VC4通道信息的情况。

G1字节中各比特的安排如下:

b1～b4回传给发送端由B3(BIP－8)检测出的VC4通道的误码块数，也就是HP－REI。当接收端收到AIS、误码超限、J1、C2失配时，由G1字节的b5回送发送端一个HP－RDI(高阶通道远程劣化指示)，使发送端了解接收端接收相应VC4的状态，以便及时发现、定位故障。G1字节的b6～b8暂时未使用。

(5)F2、F3:使用者通路字节。这两个字节为使用者提供与信息净负荷有关的通道单元之间的通信。

(6)H4:TU位置指示字节。H4字节指示有效负荷的复帧类别和信息净负荷的位置，例如作为TU12复帧指示字节或ATM净负荷进入一个VC4时的信元边界指示器。

只有当2 Mb/s PDH信号复用进VC4时，H4字节才有意义，因为2 Mb/s的信号装进C12时是以4个基帧组成一个复帧的形式装入的，那么在接收端为正确定位分离出E1信号就必须知道当前的基帧是复帧中的第几个基帧。H4字节就是指示当前的TU12(VC12或C12)是当前复帧中的第几个基帧，起着位置指示的作用。H4字节的范围是01H～04H，若在接收端收到的H4字节不在此范围内，则接收端会产生一个支路单元复帧丢失(TULOM)告警。

(7)K3:空闲字节。留待将来应用，要求接收端忽略该字节的值。

(8)N1:网络运营商字节。用于特定的管理目的。

2)低阶通道开销

低阶通道开销在这里指的是VC12中的通道开销，当然它监控的是VC12通道级别的传输性能，也就是监控2 Mb/s的PDH信号在STM－N帧中传输的情况。

低阶通道开销由V5、J2、N2和K4字节组成。一个VC12的复帧结构由4个VC12基帧组成，低阶通道开销这四个字节就放在每个VC12基帧的第一个字节。低阶通道开销的结构如图3-49所示。

图3-49　低阶通道开销的结构

这些字节的功能如下:

(1)V5:通道状态和信号标记字节。V5是VC12复帧的第一个字节(即起点)，TUPTR指示的是VC12复帧的起点在TU12复帧中的具体位置，也就是TU－PTR指示的是V5字节在TU12复帧中的具体位置。

V5字节具有误码监测、信号标记和VC12通道状态表示等功能，从这可看出V5字节具有高阶通道开销G1和C2两个字节的功能。V5字节的结构如图3-50所示。

图3-50　V5字节的结构

若接收端通过BIP－2检测到误码块，在本端性能事件由低阶通道背景误码块(LPBBE)中显示由BIP－2检测出的误码块数，同时由V5的b3回送给发送端低阶通道远程失效指示(LP－REI)，这时可在发送端的性能事件LP－REI中显示相应的误码块数。V5的b8是VC12通道远程失效指示，当接收端收到TU12的AIS信号，或信号失效条件时，回送给发送端一个低阶通道远程劣化指示(LP－RDI)。当劣化(失效)条件持续期过了传输系统保护机制设定的门限时，劣化转变为故障，这时发送端通过V5的b4回送给发送端低阶通道远端故障指示(LP－RFI)，告之发送端此时接收端相应的VC12通道出现接收故障。

b5～b7提供信号标记功能，只要收到的值不是0就表示VC12通道已装载，即VC12货包不是空的。若b5～b7为“000”，其表示VC12为空包，这时接收端设备出现低阶通道未装载(LP－UNEQ)告警，此时下插全“0”码(而不是全“1”码—AIS)。若收发两端V5的b5～b7不匹配，则接收端出现低阶通道信息标记失配(LP－SLM)告警。

(2)J2:VC12通道踪迹字节。J2的作用类似J0、J1，它被用来重复发送内容，由收发两端商定的低级通道接入识别符，使接收端能据此确认与发送端在此通道上处于持续接续状态。

(3)N2:网络运营商字节。用于特定的管理目的。

(4)K4:备用字节。留待将来应用。

任务实施

1.SDH帧结构

各团队采用小组互学的方式开展对SDH帧结构的学习，由团队说明SOH帧结构各部分的功能，例如:画出STM－4帧结构。

2.计算SDH帧结构速率及各组成部分速率

STM－1，N就取1，SDH平均传一帧耗时为125μs；STM－1每帧所含的字节为8 bit×9×1×270＝19 440 bit，STM－1的速率为19 440 bit÷125μs＝155.520 Mb/s。

请各团队分别计算STM－4中再生段、复用段、管理单元指针和信息净负荷的速率，同时写出计算过程。

3.SDH开销

各团队采用小组互学的方式开展对SDH开销的学习，由团队相互提问，开展对SDH开销内容的学习。

4.研讨

若将STM－N信号帧比作一辆货车，其信息净负荷区即该货车的车厢，信号为待运输的货物(衣服、手机等)，货物需要打包，如何对货物、货物包(2M小货物包、34M中货物包、140 Mb/s STM－N大货物包，例如STM－N中的某一个STM－1信号、STM－N整体信号)进行管理?请各团队开展讨论，用货物、货物包、车厢、位置更好地说明SDH帧结构和开销功能。

任务总结(拓展)

各团队研讨STM－N段开销排列关系(N个STM－1帧结构中开销的位置)。