（通信与信息系统专业论文）宽带卫星通信系统atmip转换器的设计与实现.pdf

燃 捅要 随着微电子技术、通信技术和全球个人通信的进展，卫星通信系统以其特有 的优势可提供宽带连接、通信距离不敏感性和安全可靠性等，成为地面各种传输 手段必不可少的支持和补充，而且被认为是未来发展中国家通信体系以及发达国 家建设多媒体通信和信息高速公路的关键部分。a t m 是用于i s d n 的一种交换和 复用技术，它具有很强的灵活性和适应性，能向用户提供包括语音、图像和数据 在内的综合业务，并能根据需要分配资源，提高资源的利用率。由于卫星a t m 网既继承了卫星通信的优点，又充分发挥了a t m 的技术优势，能以较少的投资就 能为更广阔的区域提供a t m 服务，所以受到广泛的关注。要实现基于星上a t m 交换技术的宽带多媒体卫星通信，就要解决如何将地面i p 网络接入卫星a t m 交 换网络的问题。 本文结合实验室承担的科研项目“宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计 与实现 ，在介绍和分析了宽带卫星通信系统、a t m i p 卫星通信技术后，论文讨 论了宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计方案，重点研究了a t m i p 转换器 的功能结构和硬件组成。然后，论文介绍了a t m i p 转换器f p g a 模块的划分、 各个模块的功能及设计方案，并重点给出了其中一些关键模块的具体f p g a 实现 和时序仿真验证分析，包括m a c 接口、卫星a t m 接口、接收处理模块、信令帧 处理模块、转发表机制、总线调度模块以及队列管理等关键模块( 接口均支持相 关的协议标准) 。 最后，结合a t m i p 转换器的具体应用，给出了相关的时序仿真与性能分析， 并利用相关测试设备及客户端软件配合对a t m i p 转换器进行了各种功能的测 试，表明本文设计的a t m i p 转换器能完成的传输链路建立与释放、数据传输等 基本功能，达到预期目标。 关键词：卫星通信a t mi p 信令砧虬5 适配 a bs t r a c t w i t i lt h ed e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d g l o b a lp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s ，s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s ，w h i c hc a np r o v i d e u n i q u ea d v a n t a g e sf o ri t sb r o a d b a n dc o n n e c t i o n , t h ei n s e n s i t i v i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n d i s t a n c e ，r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y ，h a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l es u p p o r ta n ds u p p l e m e n t f o rm e a n so fav a r i e t yo ft e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o n ，a n di sc o n s i d e r e da k e yp a r to ff u t u r e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m si nd e v e l o p i n gc o u n t r i e sa n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n sa n d t h ei n f o r m a t i o ns u p e r h i g h w a yi nd e v e l o p e dc o u n t r i e s a t mw h i c hi su s e df o ra l li s d n s w i t c h i n ga n dm u l t i p l e x i n gh a sas t r o n gf l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y , a n dp r o v i d e su s e r s w i t hm u l t i m e d i as e r v i c e si n c l u d i n gv o i c e ，v i d e oa n dd a t a a t mc a na l s oa l l o tr e s o u r c e s a sn e e d e d ，i nw h i c hw a yt h er e s o u r c eu t i l i z a t i o nh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d a st h e s a t e l l i t ea t mn e t w o r kn o to n l yi n h e r i t st h ea d v a n t a g e so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa n d a t m t e c h n o l o g y , b u ta l s op r o v i d e sa t m s e r v i c e st oaw i d e ra r e aw i t hl e s si n v e s t m e n t ， i th a v eb e e nc o n c e m e d w i d e l y t o a c h i e v eb r o a d b a n dm u l t i m e d i as a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o nb a s e do nt h es a t e l l i t ea t m s w i t c h i n g i ti sn e c e s s a r yt or e s o l v et h e p r o b l e mh o wt om a k et e r r e s t r i a l i pn e t w o r k sw o r kt o g e t h e r 、析t hs a t e l l i t ea t m s w i t c h i n gn e t w o r k s b a s e do nt h er e s e a r c hp r o j e c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es w i t c h sb e t w e e n a t ma n di pn e t w o r ki nb r o a d b a n da n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”，a f t e r i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i sb r o a d b a n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o na n di p a t ms a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ed e s i g nm e t h o do ft h es w i t c h sb e t w e e na t ma n di p n e t w o r ki nb r o a d b a n da n dm u l t i m e d i as a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sd i s c u s s e di n t h i sp a p e r a n dt h eh a r d w a r ec o m p o n e n t sa n df u n c t i o n a ls t r u c t u r e so ft h es w i t c h s b e t w e e na t ma n di pn e t w o r kw e r ee s p e c i a l l ya n a l y z e d a f t e r w a r d s ，t h ef u n c t i o na n d d e s i g no ft h ef p g am o d u l e so ft h es w i t c h sb e t w e e na t ma n di pn e t w o r kw e r e i n t r o d u c e d a n dt h e nt h ef p g ai m p l e m e n t a t i o na n dt i m i n gs i m u l a t i o no fs o m ek e y m o d u l e s ，s u c ha se t h e r n r tm a ci n t e r f a c e ，s a t e l l i t ea t mi n t e r f a c e ，r e c e i v i n gt r e a t i n g m o d u l e ，s i g n a l i n gp r o c e s s i n gm o d u l e ，f o r w a r d i n gt a b l em e c h a n i s m ，b u ss c h e d u l i n g m o d u l ea n dq u e u em a n a g e m e n tm o d u l ew e r ep r o v i d e di nt h i sp a p e r f i n a l l y , c o m b i n e d 、析t hs p e c i f i ca p p l i c a t i o nt h es w i t c h sb e t w e e na t ma n di p n e t w o r ki s f u n c t i o n a l l yt e s t e dw i t ht h eu s eo fr e l e v a n tt e s te q u i p m e n ta n dc l i e n t s o f t w a r e a n dt h eb o a r dl e v e lt e s tr e s u l ti si nl i n e 晰t ht i m i n gs i m u l a t i o n s ot h er e s u l t p r o v e st h a tt h ed e s i g nh a si m p l e m e n t e de s t a b l i s h m e n ta n dr e l e a s eo ft r a n s m i s s i o nl i n k s ， d a t aa n dm e d i at r a n s i m i s s i o na n do t h e rb a s i cf u n c t i o n s a saw h o l e ，t h ed e s i g na c h i e v e s t h ed e s i r e dg o a l s k e y w o r d ：s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n a t mi p s i g n a l i n g a a l 5 a d a p t a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 1 1宽带卫星通信系统简介 宽带卫星通信是指利用通信卫星作为中继站在地面站之间转发高速率通信业 务，是宽带业务需求与现代卫星通信技术相结合的产物，也是当前卫星通信的主 要发展方向之一。 宽带卫星通信系统是与互联网技术相联系的，运行t c p i p 协议族卫星通信系 统。它是数字多媒体、卫星广播、互联网的有机结合，为一系列新的应用提供了 统一的服务平台，是卫星通信宽带化的一个方向。宽带卫星通信网络结构是地面 宽带i p 技术在通信领域内的演变和应用，是适应卫星分组业务和降低系统复杂性 的一种尝试，目的在于廉价地提供用户满意的大流量分组数据业务，而无须a t m 的干预。它以卫星系统为基础，以m 为网络服务平台，以i n t e m e t 应用为服务对 象。宽带是通信的发展方向，卫星通信在卫星产业中占主导地位，因此，宽带卫 星通信对卫星应用产业讲可为举足轻重【l j 。 传输多媒体信息要求通信网络具有足够的带宽、实时性可靠性、同步性和交 互性。多媒体卫星通信系统有别于广播电视卫星系统和移动通信卫星系统。广播 电视系统针对一个区域发送同样的节目而多媒体卫星系统能够为每一用户提供特 别服务允许用户之间实时交换信息，是双向交互式的通信。移动通信卫星系统是 完成窄带传输而多媒体系统需要传输声音、图形、图像以及视频等，是宽带传输。 因此多媒体卫星系统的服务灵活性更好使用的新技术也更多。宽带多媒体卫星通 信系统的优点如下1 2 j ： ( 1 ) 覆盖面大。一颗卫星的波束覆盖范围可达数千公里，提供处处可以使用 的通信。 ( 2 ) 可部署性。宽带卫星系统既可以和地面系统相结合，又可绕开复杂的地 面网建立独立的卫星网络。后一个特点可快速部署，卫星通信终端可即插即用， 迅速实现全球通信。 ( 3 ) 大容量，高功率，高频段，可与陆地光纤容量相比美，地面终端小型化， 价格可以被大多数用户所接受，增加了卫星在通信市场中的竞争力。 ( 4 ) 星上处理和交换功能先进，新传输技术的开发和应用，充分发掘卫星传 输不对称性所带来的优势，带宽按需动态分配，满足广播、多点传送和多媒体通 信需求。 ( 5 ) 成本低廉。随着新的宽带卫星数据业务扩大到更多的商业、企业、政府 机构和家庭用户，以及新卫星技术的应用，将进一步降低每月的接入费用，有利 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 于扩展用户数。 ( 6 ) 提供一体化网络。数字卫星网络因其覆盖面广、易部署等特点，在将来 有可能取代目前传输速率参差不齐、接入方式复杂的地面网络，并提供全球宽带 主干系统。企业用户还可以有选择地把多种应用统一到一个卫星网络上。 通过上一节的介绍，可以看到，宽带卫星通信系统虽然优点很多，但需要很 高的可靠性才能保证服务质量。近几年随着计算机技术的发展以及i p 应用的深入， 无论是对终端应用还是传输网络都提出了更高的要求，不但要求要有快速的处理 转发能力，还需要对数据处理转发的质量有保障。而a t m 作为重要的网络技术， 虽然目前的纯应用越来越少，但它可以提供空前的可伸缩性和性价比，以及对将 来的实时业务、多媒体业务等的支持。在将来的信息体系中，a t m 将继续扮演重 要的角色。因此，需要把a t m 和i p 结合起来，给高层协议和应用提供快速稳定 的服务是其主要目标p j 。 因此，宽带卫星通信系统的星上交换及无线链路传输单元采用a t m ( 异步传 输模式) 是一个较好的选择，而其地面系统主要采用有着广泛应用的i p 。i p 作为 i n t e r a c t 的基础无处不在，而能够与其兼容的信息网络很可能是基于i p 或其未来的 某个版本，如i p v 6 。i p 技术的最大特点是灵活和兼容性强。人们一度认为，i p 、 a t m 或两者的结合会成为未来高效率的多媒体信息网络的核心技术。这种结合的 方式之一就是i po v e ra t m 技术，即利用高效可靠并且具有服务质量保证q o s 的 a t m 网络来承载用户i p 分组【4 】。本文所介绍的卫星通信系统便是利用该模式进行 组网的，即星上交换及无线链路采用a t m 网络，通过a t m 信元承载地面系统局 域网以太网帧来承载用户i p 分组。 1 2 1a t m 技术 1 a t m 信元结构 a t m 的信元结构根据a t m 接口的不同而有所区别，a t m 端点与其所连接的 a t m 交换机之间的接口称为用户网络接口u n i ( u s e r - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 。网络中 两个a t m 交换机之间或两个a t m 网络之间的接口称为网络节点接口n n i ( n e t w o r k - n o d ei n t e r f a c e ) 。针对这两种网络接口，a t m 信元有两种不同的信元头 分别与之对应拉j 。这两种接口上的a t m 信元头仅仅是前两个字段不同。信元头包 含a t m 信元在网络中传递信息所需的信息。信元的结构如下图1 1 所示： 第一章绪论 字节 g f cv p i v p i v c i v c i v c i” c l p h e c 信息域 字节 v p l v p iv c i v a v c ip t c l p 既c 信息域 ( a ) 用户网络接口( b ) 网络节点接口 图1 1a t m 信元格式 以下介绍信元头中各字段的作用【6 】： ( 1 ) 一般流量控制g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) ：长度为4 位，现在基本不 需要该字段的接入控制功能，通常将其设置为0 。 ( 2 ) 虚通路标识符v p i 虚信道标识符v c i ( r n l a lp a t hi d e m i f i e r v i r t u a l c h a n n e li d e n t i f i e r ) - 提供路由信息，用来标识a t m 信元所属的虚通路虚信道。 ( 3 ) 信息类型p t ( p a y l o a dt y p e ) ：长度为3 位，用来区分该信元是用户信 息还是管理信息。第一个比特为0 表示是用户数据信元，为1 表示是管理数据信 元，第二个比特表示有无遭受到拥塞，第三个比特用来区分服务数据单元s d u 的 类型。 ( 4 ) 信元丢失优先级c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) ：长度为l 位，指示信元的丢 失优先级。 ( 5 ) 首部差错控制h e c ( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) ：长度为8 位，提供信元头 除h e c 外所有字段的差错控制，该字段由a t mp h y 器件提供。 2 a t m 协议参考模型 a t m 协议参考模型分为四层，即物理层、a t m 层、a t m 适配层和高层( 应 用层) 。以下主要介绍下三层的功能【7 】： ( 1 ) 物理层 物理层主要提供线路编解码、比特定时以及光电转换，信元流和比特流的转 换，信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等功能。 ( 2 ) a t m 层 a t m 层的主要功能有：传送各种类型的信息包括用户信息、控制信息和管理 信息；信元的复用与分用；信元的v p i v c i 转换；信元头的产生与提取；一般的 流量控制。 ( 3 ) a t m 适配层 4 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 a t m 适配层即为a a l ( a t ma d a p t a t i o nl a y e r ) ，其作用是增强a t m 层所提 供的服务，并向高层应用提供各种不同的服务。根据不同业务的特点，如比特率 是否恒定，是否需要同步，是否面向连接等，i t u t 规定a a l 层要提供四种类别 的服务a 、b 、c 、d 类，并规定了四种类型的a a l ，以支持这四类服务，这四种 a a l 分别是a a l l ，a a l 2 ，a a l 3 4 和a a l 5 。 从l 层可分为两个子层：汇聚子层c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 和拆装子层 s t r ( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) 。 c s 子层：使a t m 系统可以对不同的应用( 如文件传送、点播视像等) 提供不同的服务。在c s 子层形成的协议数据单元叫做c s p d u 。 s t r 子层：在发送时，将c s 子层传下来的协议数据单元c s p d u 划分成 长度为4 8 字节的单元，交给a t m 层作为信元的净负荷。在接收时，功能相反， s t r 将a t m 层交上来的4 8 字节长的净负荷装配成c s p d u 。 5 字节锹 图1 2a a l 5 适配过程的不意图 图1 2 为a a l 5 将用户数据分割为4 8 字节的数据块传递给a t m 层的过程【3 l 。 如图，c s 子层将从应用层接到数据作为本子层的净负荷，并加上尾部组成一个完 整的c p c s p d u 。s t r 子层将c p c s p d u 拆分成4 8 字节固定长度的s t r - p d u 单 元，并由a t m 层在s t r p d u 前加上5 字节的信元头，组成5 3 字节的a t m 信元 进行传输。由于a t m 网络采用了面向连接的传输方式，信元在传输过程中顺序不 会改变，因此，在s t r 子层将一个c p c s p d u 拆分成多个信元时，只需在最后一 个信元的信元头做上标记，即能区分两个不同的分组。利用标记信元头的p t 字段 可完成此功能。若为一个分组中的最后一个信元，则p t 设为0 0 1 ，而其他信元的 p t 设为0 0 0 。 在c p c s p d u 中，为了保证c p c s p d u 的长度为4 8 字节的整数倍，需在净 负荷和尾部之间加入0 4 7 字节的填充字段p a d 。尾部由四个部分8 字节组成。 c p c s u u 是用户到用户字段，用于透明传输上层用户的端到端信息，不属于a a l 第一章绪论 层；c p i 字段目前保留不用；净负荷长度字段用来标识净负荷的长度，使得接收端 可根据其值正确删除p a d ，由于该字段长度为两个字节，因此净负荷的最大长度 为6 5 5 3 5 字节；c r c 字段为3 2 位差错校验，校验c p c s p d u 中除c r c 域外的所 有的字段。 1 2 2 i p a t m 卫星通信协议 i p a t m 卫星通信协议如图1 3 所示。实际当中以利用a a l 5 协议的t c p i p 应 用较为普遍，此处以它为例。宽带卫星系统星上交换采用a t m 方式，地面网络采 用应用最为广泛的以太网。i t u t 定义了四种a a l 协议：a a l l 适用于固定比特 流服务( 例如话音业务) ，a a l 2 适用于可变比特率的服务，a a l 3 4 适用于对丢失 信息敏感的服务( 不是时延) ，a a l 5 适用于高速数据服掣叭。a a l 5 现已成为最 重要和最普遍应用的a a l 协议类型，本文中设计的a t m i p 转换器的以太网帧适 配就是基于a a l 5 协议的【1o j 【l l j 。 a p p l i c a t i o n t c p ，u d p 口 以太网帧 a a l 5 a t m d a t a h e a d e rd a t a h e a d e rd a t a 一，。- 一。、 h e a d e rd a t ac r ch e a d e rd a t ac r c a a l 5 c p c sp a y l o a dp a du uc p i l e n g t h c r c j j j j “ h e a d e r 4 8 - b y t ec e l lp a y l o a d h e a d e r 4 8 - b y t ec e l lp a y l o a d 图1 3i p a t m 卫星通信协议包示意图 1 2 3a t m 技术与卫星通信系统相结合的优势 a t m 技术的主要特点有：标准统一、带宽分配灵活并可按需分配、高速率、 支持多媒体业务、支持多播和不同优先级的服务策略。a t m 技术与卫星通信系统 结合则具有以下优势【1 2 】： 1 ) 卫星通信可以覆盖很广的地理范围，可以为地面系统很难到达的地方提供 通信服务，还可以在很广的地理区域为用户提供移动性，利用卫星，a t m 业务可 以在更广泛的地理区域应用，包括城市、农村、难以进入偏僻地区以及实现远程 接入； 2 ) 在网络配置和容量分配方面，卫星可以提供多种机动性，可以区分使用 a t m 网络的不同地理区域； 6 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 3 ) 可以根据用户的需要，为不同的业务提供不同的服务速率，可以提供几十 k b p s 至几十m b p s 的服务速率： 4 ) 卫星通信系统具有可以满足各种需求带宽的能力，配合a t m 网络能够按 需提供带宽和支持多媒体业务的特点，为多种业务提供综合传输服务，如话音、 数据和视频信息； 5 ) 卫星提供宽带和多点到多点通信和快速组网功能，这有助于配置a t m 网 络的多点到多点通信； 6 ) a t m 技术与卫星通信系统结合可以减少信息转发跳数，降低传输时延。 星上采用a t m 交换模式，不仅能够增加网络的灵活性，而且还能充分发挥分 组交换网的优点，提高网络资源的利用率，所以卫星a t m 交换不仅可以继承卫星 通信的优点，还可以充分发挥a t m 技术的特点，使两种技术达到完美的结合。但 是要真正实现卫星通信系统和a t m 技术相结合后能够发挥出两者各自的优势，还 有很多关键问题需要解决。 1 3论文内容及安排 论文介绍了宽带卫星通信系统的相关知识及其设计方案，分析了a t m i p 转换 器的功能需求，并给出了a t m i p 转换器的功能结构及硬件电路设计。由于a t m i p 转换器结构复杂，模块较多，因此首先介绍了a t m i p 转换器f p g a 的各个模块的 功能及设计方案，然后给出了其中一些关键模块的具体f p g a 实现，包括 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m a c 接口、s t 接口、c p u 接口、转发表机制、接收处理模块、发送控 制模块以及队列管理等关键模块，并对这些模块进行了时序仿真验证与分析。最 后，论文介绍了对a t m i p 转换器的板级测试情况及最终与星上交换机联合调试情 况。 第一章简要叙述了宽带卫星通信系统的相关知识，并介绍了i p a t m 卫星通信 技术，指出了a t m 技术在宽带卫星通信中应用的重要性与优越性。 第二章给出了基于a t m 技术的宽带卫星通信系统( s t t m 系统) 的总体构架， 并根据需求分析对a t m i p 转换器进行了总体设计。 第三章首先详细介绍了a t m i p 转换器的f p g a 部分的功能模块划分，然后论 述了f p g a 实现a a l 5 适配的原理和过程，深入分析了a t m i p 转换器的f p g a 部分关键模块，包括1 0 1 0 0 1 0 0 0 m a c 接口、s t 接口、c p u 接口、接收处理模块、 发送控制模块、转发表机制及队列管理等，并给出了它们的f p g a 实现，并利用 i s e 、m o d e l s i m 等工具对这些关键模块进行了时序仿真分析，验证了设计的可行 性。 第四章通过搭建测试平台，对本文设计的a t m i p 转换器进行了相关的板级测 第一章绪论7 试，在无星载a t m 交换机联合测试时，通过各种回环测试验证了以太网帧非标 a t m 信元适配等功能的正确性，然后在主机客户端配合下与星载a t m 交换机进 行了联合测试，结果表明a t m i p 转换器及星载a t m 交换机的相关性能均符合要 求。与星上a t m 交换机的联合测试充分验证了本文设计的a t m i p 转换器功能正 确，达到了预期目标。 第二章宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的总体设计 9 第二章宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的总体设计 根据论文所依托的科研项目对宽带卫星通信系统的功能及性能要求，本章对 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的总体框架进行介绍，并对a t m i p 转换器进 行了需求分析，描述了它的功能结构和硬件组成。 2 1宽带卫星通信系统总体框架 具有星上a t m 交换功能的宽带卫星通信系统总体框架如图2 1 所示。它由若 干个地面接入网、地球同步轨道卫星组成。每个地面接入网络为一个独立的 b i s d n 业务接入点，a t m i p 转换器将卫星a t m 网络系统与多个以太网互联， 而星载a t m 交换机负责各个a t m i p 转换器之间的相互通信，通过卫星a t m 信 元承载以太网数据帧，保证多个以太网之间的正常通信。我们采用从m a c 层接入 卫星a t m 网络的方法，对整体的以太网隐藏了卫星a t m 网络的工作细节，使之 成为一条透明传输链路，以太网终端用户感觉不到卫星a t m 网络的存在。这样无 需修改终端设备的软硬件，便可支持任何以太网的高层协议。 卫星a t m 交换网络 姒腿 售心 卫星a t m 信元 王 以太网m a c 帧 了 星载a t m 交换机 终 图2 1宽带卫星通信系统总体框架 由图2 1 可以看出，地面接入网传输的是以太网m a c 帧，无线链路传输的是 卫星a t m 信元，整个卫星通信系统分为地面有线局域网和卫星a t m 网络两个部 l o 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 分： 在局域网即用户接入侧，主要采用现在广泛应用的以太网。这样不仅减少 网络改造的成本，使网络具有良好的平滑过渡性，而且对终端用户系统几乎没有 影响： 在卫星无线链路传输侧，根据前面章节的分析，由于a t m 技术比较适合数 据、视频等多媒体业务的综合传输，故通信卫星采用a t m 传输和交换技术。 作为系统的重要组成，a t m i p 转换器将两个子系统连通，其主要功能包括： 地面用户终端通过a t m i p 转换器和星上a t m 交换机之间的信令处理通道 建立与释放传输链路； 无连接网络( 以太网) 和有连接网络( 卫星a t m 网络) 之间的协议转换， a t m i p 转换器支持这两个网络通信的1 2 8 条虚连接； 不定长的以太网帧和定长的卫星a t m 信元之间的转换。 2 2a t m i p 转换器的需求分析 a t m i p 转换器是连接地面网络和卫星a t m 交换系统的桥梁。在连接控制方 面，它要作为代理建立a t m 虚连接；在数据传输方面，它要完成以太网帧的a a l 5 适配。a t m i p 转换器提供支持一个1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 的标准以太网接口和一个 s t 多速率8 3 4 1 0 8 1 5 5 3 1 1 6 2 2 m b p s 的卫星a t m 接口，同时达到对星上交换网络 进行性能测试的目的。 网络系统的整体结构如图2 2 所示。 用户终端用户终端 图2 2 网络系统的整体结构图 由图2 2 可见，为了对星载宽带处理交换机进行功能调试与演示，完成星载 a t m 交换机的信令链路功能的调试与星上交换机的多媒体传输功能，系统主要由 主机侧的客户端软件及a t m i p 转换器组成。a t m i p 转换器一端连接星载a t m 交 换机，另一端通过以太网接口连接计算机终端。为完成测试任务，a t m i p 转换器 主要完成两个任务：一是信令帧和数据帧的分流及信令帧的提交处理，及通信链 路的建立、释放；二是卫星a t m 信元与i p 分组的转换。 根据以上分析，a t m i p 转换器具体设计需求及主要技术指标如下： 1 ) 1 个1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 的标准以太网接口； 2 ) 1 个s t 卫星a t m 接口： 第二章宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的总体设计1l 3 ) 完成i p 分组与非标的卫星a t m 信元格式的适配； 4 ) s t 卫星a t m 接口速率可变，即支持8 3 4 1 0 8 1 5 5 3 l l 6 2 2 m b p s ( 3 1 1 与6 2 2 m b p s 满足一种即可) ： 5 ) 支持信令处理软件，负责卫星a t m 信令的发起、释放、处理和维护； 6 ) 支持s v c 、p v c 连接，及入网注册、地址解析等协议的处理和维护； 7 ) 提供配置管理软件； 8 ) 界面友好，可配置a t m 信元格式，可显示s v c 、p v c 连接状态。 2 3 a t m i p 转换器的总体设计 2 3 1功能结构 根据前面的需求分析，设计的a t m i p 转换器的功能结构如图2 3 所示： 、 图2 3a t m i p 转换器的功能结构框图 各模块的主要功能如下： l o 1 0 0 1 0 0 0 mm a c 接口：提供标准的1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 以太网的m a c 层功能，包 括前导码和帧定界符的产生、帧尾部填充的产生去除、收端的c r c 校验和发 端的c r c 产生、可以产生流量控制帧、支持单播、多播和广播业务； e t h 数据流信令流分流合流模块的功能是将从以太网p h y 接收来自主机的以太 网帧并对其进行分流处理，分为数据流和信令流，将信令流交由c p u 进行进一 步的处理，数据流交由数据流处理模块进行进一步处理；将经c p u 处接收处理 后的信令流和经数据流处理模块处理后的数据流进行合流处理，合成为数据信 令流，经过以太网p h y 发送至主机。 1 2 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 s t 数据流信令流分流合流模块：将从s t 接口处接收到的来自星上交换机的信元 对其进行分流处理，分为数据流和信令流，将信令流交f l j c p u 进行进一步的处 理，数据流交由数据流处理模块进行进一步处理；将经c p u 处接收处理后的指 令流和经数据流处理模块处理后的数据流进行合流处理，合成为数据信令流， 经过s t 接口发送至星上交换机。 数据流处理模块：对于经过分流后的数据流进行相应处理，即完成以太网帧与 卫星a t m 信元的转换。 p o w e r p cc p u 模块：对f p g a 逻辑与c p u 之间交互的数据接口d p r a m 进行控制与 管理，读取或者写入处理后的信令，动态的创建并且维护查找表，并提供串口 控制台，方便调试。 s t 接口：卫星a t m 接口，提供与卫星a t m 网络的高速互联互通的l v d s 制式信 号，主要完成串并转换功能。它是一种非标a t m 信元，本文所描述的非标信 元即是卫星a t m 信元。结合项目中实际的运用，非标信元的格式如图2 4 所示。 与第一章介绍的标准a t m 信元格式相比，不同之处如下： 1 ) s t 代替了g f c 用于标识业务类型； 2 12 4 位的v p i v c i 中，高6 位标识输入端口号( 波束号) ，其余1 8 位用于标 识a t m 连接； 由此可见，上述卫星a t m 信元格式是在标准信元的基础上将信元头进行了重 新的定义，它不仅可以最大程度地降低星载a t m 交换机的设计复杂度，而且保证 了宽带卫星系统的保密性与可靠性。 2 3 2硬件组成 765 432l0 比特 唇节 s t ( s e r v et y p e ) v p il v p i v c i2 v c i3 v c ip tc l p4 h e c5 p a y l o a d 6 5 3 图2 4 卫星a t m 信元格式 为缩短研发周期及有利于后续的开发，决定采用开发板与扩展板相结合的方 式实现a t m i p 转换器的功能。采用f p g a 开发板与扩展板相结合实现链路的建立 和释放、i p 分组与非标卫星a t m 信元格式的适配及非标信元的并串转换、发送 第二章宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的总体设计 1 3 速率适配等工作，并利用c p u 来实现信令的处理和查找表的动态维护。扩展板主 要提供s t 卫星接口和以太网接口。 m l 5 0 7 开发板 编程口匡i 卜 器i1 0 裂钟 f p g a r 篙口售 e = 电源 p r o m 令 文乡彳卜之乡 x g i 接口 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m a c 接口：提供标准的1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 以太网的m a c 层功能， 包括前导码和帧定界符的产生、帧尾部填充的产生去除、收端的c r c 校验和发端 的c r c 产生、可以产生流量控制帧、支持单播、多播和广播业务。 1 6 宽带卫星通信系统a t m i p 转换器的设计与实现 s t 接口：卫星a t m 接口，提供与卫星a t m 网络的高速互联互通的l v d s 制式信号，主要完成串并转换、空信元检测、插入及抛弃等功能。 p o w e r p cc p u 模块：对f p g a 逻辑与c p u 之间交互的d p r a m 进行控制与 管理，读取信令或者写入c p u 处理后的信令，动态的创建并且维护查找表，并提 供串口调试控制台，方便调试。 接收预处理单元：e t 端口和s t 端口都各有一个接收预处理单元，实现信 令帧与数据帧的分流，信令帧送往c p u 进行处理，数据接收同时进行以太网帧或 信元的处理，如连接查找、c r c 计算、h e c 校验等，满足端口线速工作的要求， 包含一个接收缓存r xb u f f e r ( 包含两个相同的接收f i f 0 ，采用乒乓操作) 。 总线：连接接收缓存、发送缓存和存储单元，并与调度器相配合，完成 数据由接收缓存经存储单元至发送缓存的转移。 调度器：根据来自队列管理模块的信息，采用收发交替的机制将读写指 令、内存地址、端口位置、b u f f e r 号及长度信息递交b u sm a s t e r 处理。 存储队列管理：该模块负责管理e t 、s t 两个端口之间的存储队列信息。 转发表：通过a t m i p 转换器与星上交换机的信令传输来建立a t m i p 转 换器的转发表，从而完成数据的传输。 发送控制单元：e t 端口和s t 端口都各有一个发送控制单元，每个发送控 制单元含1 个发送缓存t xb u f f e r ( 包含两个相同的发送f i f o ，采用乒乓操作) ， 主要功能是检测各自端口的t xb u f f e r ，将可用信息通知总线调度器，同时将c p u 处理后的信令发送出去。 3 1 11 0 1 0 0 1 0 0 0 mm a c 接口 m a c 接口模块作为f p g a 芯片与外部以太网p h y 的接口，在f p g a 中占据 着非常重要的地位。根据i e e e 8 0 2 3 协议，m a c 模块的具体功能包捌1 5 】： 1 ) m i i 接口( 1 0 1 0 0m b p s ) 通过一个4 b i t s 的m i i 接口( 工作频率2 5 m h z 2 5 m h z ) 与以太网p h y 进行无缝连接。能够以正确的帧间隔( i f g ) 进行数据帧的背靠背发送，为发 送帧加上前导字节和s f d ，在发送过程中对长度不足的帧进行填充。 1 0 1 0 0m b p s 模式下，可以工作在全双工或半双工方式。在发送数据的过 程中进行循环冗余校验码( c r c ) 的计算，在数据末端加上计算出来的c r c 校验码。在接收时同样进行c r c 计算，丢弃c r c 校验出错的数据帧。 m i i 数据接口总共需要1 6 个信号，包括t xe r ，t x d ，t xe n ，t xc l k ， c o l ，i d ，l e x ，r xc l k ，c r s ，r xd v 等。 m i i 以4 位半字节方式传送数据双向传输，1 0 0 m b p s 速率下时的时钟速率 第三章a t m i p 转换器的关键技术与设计实现1 7 2 5 m h z ，其工作速率可达1 0 0 m b s ；1 0 m b p s 速率下时的时钟速率2 5 m h z ， 其工作速率可达1 0 m b s 。 以太网m a c 与p h y 接口如图3 2 、图3 3 所示。 一t x e l k m t 【e n t xe l l m t x d 7 ：0 】 m a c t x c t r l m 奴 t x d 3 ：0 】 m t xe r t xe r 图3 2m i i 发送模块接口图 r xc l k m r xd v r xd v m r x d 7 ：0 、 m a c r x c t r l m i ir x r x d 3 ：0 】 m l 呶e r r xe l e p h y 图3 3m i i 接收模块接口图 2 ) g m i i 接i ：l ( 1 0 0 0 m b p s ) g m i i 是8 b i t 并行同步收发接口，采用8 位接口数据，工作时钟1 2 5 m h z ， 因此传输速率可达1 0 0 0 m b p s 。同时兼容m i i 所规定的1