SDH数字交叉连接系统的设计与实现(实验报告).doc

SDH数字交叉连接系统的设计与实现摘 要 论文介绍了同步数字体系SDH的基本知识，包括SDH的基本原理、特点、帧结构以及复用分类，同时对SDXC的基本概念做了简单介绍;重点对SDH数字交叉连接系统设计的工作原理、系统结构、模块划分等方面进行了深入探讨。关键词 同步数字体系; 同步数字交叉连接设备; 数字交叉连接系统；1. 论文背景随着当代通信和网络的进一步发展，话音、数据和图像等多媒体通信成为当前研究的热点，数据传输量以指数形式增加，这对通信传输系统的处理能力和吞吐能力提出了更高的要求，使同步数字体系(SDH)网络趋于复杂，容量也越来越大。SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体，可实现网络保护管理、实时业务监控等多项功能，能大大提高网络资源利用率、实现灵活可靠和高效的网络运行与维护，成为当今世界信息领域在传输技术方面的发展和应用的热点。SDH数字交叉连接设备(SDXC)作为SDH传输系统的重要组成部分，是一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能传输设备，对整个光纤系统的传输能力有着直接的影响，己经成为评价SDH系统传输能力的一个重要指标。2. 同步数字体系(SDH)本节对同步数字体系(SDH)的技术基础进行简单介绍，主要包括SDH的基本原理、主要特点、SDH的帧结构以及复用分类等。2.1. SDH的基本原理SDH采用的信息结构等级称为同步传送模块STM - N (SynchronousTransport ，N=1，4，16，64)，最基本的模块为STM-1，四个STM -1同步复用构成STM-4， 16个STM-1或四个STM-4同步复用构成STM-16。SDH采用块状的帧结构来承载信息，每帧由纵向9行和横向270*N列字节组成，每个字节含8bit，整个帧结构分成段开销(Section OverHead，SDH)区、STM-N净负荷区和管理单元指针(AU PTR)区三个区域。其中段开销区主要用于网络的运行、管理、维护及指配以保证信息能够正常灵活地传送，它又分为再生段开销(Regenerator Section OverHead，RSOH)和复用段开销(MultiplexSection OverHead， MSOH);净负荷区用于存放真正用于信息业务的比特和少量的用于通道维护管理的通道开销字节;管理单元指针用来指示净负荷区内的信息首字节在STM-N帧内的准确位置以便接收时能正确分离净负荷。SDH的帧传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串型码流依次传输，每帧传输时间为125us，每秒传输1/125*1000000帧。SDH传输业务信号时各种业务信号要进入SDH的帧都要经过映射、定位和复用三个步骤:映射是将各种速率的信号先经过码速调整装入相应的标准容器(C)，再加入通道开销(POH)形成虚容器(VC)的过程，帧相位发生偏差称为帧偏移;定位即是将帧偏移信息收进支路单元(TU)或管理单元(AU)的过程，它通过支路单元指针(TU PTR)或管理单元指针(AU PTR )的功能来实现;复用则是将多个低价通道层信号通过码速调整使之进入高价通道或将多个高价通道层信号通过码速调整使之进入复用层的过程。2.2 SDH帧结构国际电联在ITU-T 6.707中，对STM-1信号的帧结构作了规定，规定STM-N帧由9行、270*N列字节(8bit/字节)组成，为矩形块状帧结构。传输时按由左到右、由上到下的顺序排成串行码流逐字节传输，帧周期为125us。如上图所示，STM-N的帧结构由3部分组成:段开销、管理单元指针和信息净负荷。段开销(SOH)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、管理和维护使用的字节。段开销又分为再生段开销(RSOH)和复用段开销(MSOH)，分别对相应的段层进行监控。再生段开销(RSOH)在STM-N帧中的位置是第1到第3行的第1到第9*N列，共3*9*N个字节。复用段开销( MSOH)在STM-N帧中的位置是第5到第9行的第1到第9*N列，共5*9*N个字节。与PDH信号的帧结构相比，段开销丰富是SDH信号帧结构的一个重要的特点。管理单元指针(AU-PTR)位于STM-N帧中第4行的9*N列，共9*N个字节。AU-PTR是用来指示信息净负荷的第一个字节在STM-N帧内准确位置的指示符，以便接收端能根据这个位置指示符的值正确分离信息净负荷。 信息净负荷(Payload是在STM-N帧中存放各种信息码块的地方，其中还含有监控开销字节通道开销字节(POH)。SDH的基本传输单元STM-1帧共有9*270个字节，帧周期125us，所以比特率为155.52Mbit/s。2.1 SDH复用分类SDH的复用包括两类:一类是低阶的SDH信号复用成高阶SDH信号;另一类是低速支路信号复用成SDH信号STM-N。第一类复用，主要通过字节间插复用方式来完成.复用的个数是四合一，即4个STM-1复用成1个STM-4 ,4个STM-4复用成1个STM-16。在复用过程中，保持帧频(8000帧/秒)不变。这就意味着高一级的STM-N信号是低一级的STM-N信号速率的4倍。在进行字节间插复用时，各帧的信息净负荷和指针字节按原值进行间插复用，而段开销则会有所取舍(会舍弃部分低阶信号帧中的段开销)。第二类复用，用得最多的是将PDH信号复用进STM-N信号中。ITU-T Rec. G.707/Y.I322规定了一套完整的复用结构(即复用路线)，通过这些路线可将PDH的3个系列的数字信号以多种方法复用成STM-N信号，其具体复用过程如下图所示。从图中可以看出，此复用结构包括了一些基本的复用单元:容器(C),虚容器(VC)、支路单元(TU)、支路单元组(TUG )、管理单元(AU)、管理单元组(AUG)，这些复用单元的下标表示与此复用单元相应的信号级别。在图中还可以看出，一个有效负荷到STM-N的复用路线不是唯一的，有多条路线，也就是说可以有多种复用方法。3. SDH数字交叉连接系统DXC是同步数字体系(SDH，SynchrounousDigitalHierarchy)设备大家族中的一员，是一种具有一个或多个ITU-T建议G.702(PDH)或G.707(SDH)定义的信号速率端口，并可以在任何端口信号速率与其它端口信号速率间实现可控连接和再连接的设备。在自动配线、路由调度、通信保护/恢复、网络资源优化配置和网络管理等方面发挥着重要的作用，并可使网络具有更高的智能化。适用于SDH的数字交叉连接(DXC)则能进一步在接口端口间提供可控的VC透明连接和再连接，这些接口端口信号既可以是SDH速率，也可以是PDH速率。SDXC除了具有核心的交叉连接功能外，还能支持6.784所规定的控制和管理功能。SDXC可以用上图的简化结构来表示，其接入端口(即输入输出端口)与传输系统相连。SDXC的核心部分是交叉连接功能，参与交叉连接的速率一般等于或者低于接入速率。交叉连接速率和接入速率之间的转换需要由复接和分接功能来完成。首先，每个输入信号被分接成m个并行的交叉连接信号。然后，内部的交叉连接网采用时隙交换技术(TSI)，按照预先存放的交叉连接图或者动态计算的交叉连接图对这些交叉连接通道进行重新安排，最后再利用复接功能将这些重新安排后的信号复接成高速信号输出。整个交叉连接过程由连至SDXC的本地操作系统或者连至TMN的支持设备控制和维护。由于SDH特定的VC总是处于净负荷帧中的特定列数，因而对VC实施交叉连接只需对特定的列进行交换即可。因而SDXC实际是一种列交换机，利用外部编程命令即可实现交叉连接功能。3.1 SDXC的基本用途SDXC在传输网中的基本用途是进行自动化网络管理，着眼点在网络。主要功能有:(1)分离本地交换业务和非本地交换业务，为非本地交换业务(例如专用电路)迅速提供路由;(2)为临时重要事件迅速提供电路;(3)当网络出故时，迅速提供网络的重新配置;(4)按业务流量的季节性变化使网络最佳化;(5)网络运营者可以自由的在网中混合使用不同的数字体系(PDH或SDH)，并作为PDH与SDH的网关使用。简言之，SDXC是一种兼有复用、配线、保护/恢复、监控和网管的多功能传输设备。它不仅直接代替了复用器和数字配线架(DDF)，具有尺寸小可靠性高的特点，而且可以为网络提供迅速有效的连接和网络保护/恢复功能，并能经济有效的提供各种业务，尤其是租用业务，增加运营收入，具有很好的经济效益。4. SDH数字交叉连接矩阵的设计数字交叉连接矩阵是整个SDH数字交叉连接系统的核心，对其本身的研究将是这个方案设计的重中之重。因此本章将系统、详细的介绍数字交叉矩阵设计方案。4.1 数字交叉连接矩阵的设计对于交叉连接矩阵模块的设计，第一步就是对交换结构进行确定。单级交换结构由于工艺的限制，己经很难满足大规模交叉连接电路的设计;按Clos结构来进行设计的电路规模相当大而且有时硬件成本很高，因此虽然可行但不很理想。相对而言，两级结构更适合我们的设计要求，因此对SDH交叉连接矩阵模块采用两级交换结构进行设计。把三级Clos网络的第一级省掉，就构成了一个新的两级结构网络，下图是一个两级交换网络的一般结构图。这个网络有N1个输入通道，N2个输出通道，每个第一级交换单元有n1个输入端口，每个第二级交换单元有n2个输出端口，M是输入的复用因子，表示输入通道将在第一级交换单元上出现M次。有M*N1/nl个第一级交换单元，有N2/n2个第二级交换单元。由此可计算出这个网络的交叉点数为: C=N1 *N2*MX(1/nl+1/n2)在输入输出通道数N1和N2确定的情况下，这个网络的交叉点数取决于n1, n2, M。为了使设计的网络成本最低，应对网络的参数n1, n2, M进行合理的选取。4.2 两级结构实现2X2交叉连接矩阵的设计下图是两级结构实现2X2 SDXC交叉连接矩阵的结构图。由图可知，第一级为空分交换单元，第二级为时分交换单位。空分单元完成输入信号选择输出到第二级，用来实现不同VC-4信号线之间的交换功能，每一条VC-4信号线都被看作一个独立的整体进行交换，而不改变其时隙位置。时分单元可以实现两路不同VC-4信号之间的时隙交换功能。4.2.1 空分交换单元空分交换单元包括一个2X2的电子交叉矩阵，2个控制存储器( CM)和一个时序发生器。其结构框图如下图所示。由图可知，2X2电子交叉矩阵有分别有两路VC-4信号输入和两路VC-4信号输出，任一条输入VC-4信号线可以选通任一条输出VC-4信号线。各个交叉点在哪些总线应闭合，在哪些总线应断开，决定于MCU通过控制存储器所完成的选择功能。在电路实现上，其交叉点开关是由多路选择器组成的，其控制信号来源于控制存储器。4.2.2 时分交换单元该交换单元采用控制读出的方法来实现时隙的交叉连接。它包括一个数据存储器，一个控制存储器和一个时序发生器。上图是2X2交叉连接矩阵中一个时分交换单元的结构框图，下面分别对各单元模块进行介绍。数据存储器:是由两页270*8bit的双口RAM组成一个双缓存的交叉连接核心。在每一个交换帧周期中，输入数据在时序发生器产生的写地址的控制下，被顺序地写入数据存储器的一页RAM(非激活页)中。同时按照控制存储器提供的地址表，将上一个交换帧所写入的码流数据从数据存储器的另一页RAM(激活页)中读出来。这两页RAM的功能(读、写)将在每个交换帧的边界翻转，这样可以使每个交换帧输出的码流具有固定的帧延迟，以便最终形成完整连续的输出数据码流。控制存储器:是由两页容量均为270*13bit的双口RAM构成。其中低9位用来存放数据存储器的单元地址，其余的4位有输出使能位(对输出驱动器进行控制)，控制ST-BUS输出位，延时选择位(可变延时、固定延时)，数据回送控制位(对回送路线进行选择)等。在每一个交换帧周期内，交换信息在时序发生器产生的读地址的控制下，被顺序地由控制存储器的激活页中读出来，作为数据存储器的读地址。通过一条共同的总线接口，可读写控制存储器，因此控制存储器具有可编程性。通过编程即可对数据存储器的交叉动作进行配置，这种配置以时隙为单位。我们可以将预定的交叉连接信息写入控制存储器的非激活页，而后在交换帧的边界对这两页RAM的功能(读、写)进行翻转。时序发生器:该时序发生器与空分单元中的时序发生器类似，但它可分别完成对控制存储器和数据存储器的读、写控制。这样，通过两级交换结构即可对两条输入STM-1码流中的信号进行任意的时隙交换和交叉连接。4.2.3 小结采用两级结构实现的2X2交叉连接矩阵的设计是在传统的采用两个交换单元结构的基础上进行的，但与传统结构相比，功能更加灵活，不但可以实现两路信号内的时隙交换，还可实现两路信号间的时隙交换及交叉输出，且所用RAM的总容量有所减小。4.3 两级结构实现4X4交叉连接矩阵的设计 采用两级结构对2X2交叉连接矩阵的设计实现，比传统的设计方法更灵活，且所用RAM的总容量更小，现采用两级结构对4X4交叉连接矩阵进行设计。 结构图如上图所示。第一级由一个空分交换单元组成，第二级由四个时分交换单元组成。每个空分单元及时分单元的功能与2X2交叉连接矩阵中相应单元的功能相同。下图是4X4交叉连接矩阵中空分交换单元的结构框图。由图可知，从结构上看，该空分交换单元包括一个4X4的电子交叉矩阵，4个控制存储器和一个时序发生器。4x4的电子交叉矩阵有4条输入VC-4信号线和4条输出VC-4信号线，任一条输入VC-4信号线可以选通任一条输出V C-4信号线。与2x2电子交叉矩阵相似，各个交叉点在哪些总线应闭合，在哪些总线应断开，决定于MCU通过控制存储器所完成的选择功能。在电路实现上，其交叉点开关是由多路选择器组成的，其控制信号来源于控制存储器。由于SDXC交叉的信号等级至少是基群信号，所以交叉连接矩阵的连接关系将是半固定的，即较长时间内不变，而且由于携带业务量大，实现无阻塞的交叉是很重要的。另一方面，延时也是一个重要的指标。本交叉连接矩阵的延时由时分交换单元部分及空分交换单元部分的延时构成。由于空分部分是由物理连接实现，延时很小。而时分部分由缓冲存储器实现，具有较大范围的延时变化。所以交叉连接矩阵的延时主要由时分部分所决定。4.3.1 4*4交叉连接矩阵的工作原理本文所设计的SDXC交叉连接矩阵中的空分交换单元和时分交换单元都将采用输出控制方式对空分交换单元而言，即控制存储器是接在输出线上，控制输出线上各结点的闭合，在控制存储器的存储单元内写入的是输入线号;对时分交换单元而言，即数据存储器的写入是由时序发生器产生的写地址控制按顺序进行地，而读出则要受到控制存储器的控制，由控制存储器提供读出地址。两种交换单元中的控制存储器都只有一种工作方式，它所提供的读出地址是由MCU处理机控制写入，按顺序读出的。4.3.2 设计总结及结构剖析本论文设计的两级结构4x4交叉连接矩阵功能灵活，实现了四路信号之间的时隙交换及交叉输出;而且与由2X2交叉连接矩阵单元构成的4X4交叉连接矩阵相比，所用RAM较少，硬件实现成本较低，延时也较小。但是相对来说，该设计所用RAM仍可进一步减少。在原设计的基础上我们作了适当的修改。首先，采用字节重组模块将每个VC-12中所包含的L列字节重新组合成一个32bit的新字，这样输入数据变成了由63个新字组成的数据流;然后，采用上述4X4交叉连接矩阵结构进行交叉连接;最后，输出数据流再经过字节恢复模块就可得到四条支路重组的输出码流。其原理图如下。字节重组电路模块:由于VC-12 (1，1，1)是VC-4内的第一个VC-12，它位于VC-4内的第10, 73, 136和199列，因此把该四列内的数据提取出来，按顺序组成一个32bit的新字，作为新数据流的第一个字;同理，VC-12 (3，7，3)即第63个VC-12所对应的72, 135, 198和261列内的数据也按顺序组成一个32bit的新字，作为新数据流的第63个字等等。空分交换单元: 各个模块的结构及功能特点等基本不变，只是控制存储器中每页RAM的容量变为63*2bit。时分交换单元：每个时分交换单元的结构及功能特点等也基本不变，改变的是数据存储器与控制存储器中RAM的容量。数据存储器中RAM的容量变为63*32bit，控制存储器中RAM的容量变为63 *7bit。字节恢复电路模块：主要完成与字节重组电路模块相反的功能。例如将收到的第一个字按字节顺序依次放在输出VC-4码流中的第10, 73, 136和199列，将收到的第63个字按字节顺序依次放在输出VC