（通信与信息系统专业论文）宽带综合信息光网络接入节点的研究与实现.pdf

专 矗- 分类号：t n 9 1 u dc ：6 2 1 3 9 密级： 编号： 工学硕士学位论文 宽带综合信息光网络接入 节点的研究与实现 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 霍绍达 李斌 工学硕士 通信与信息系统 沈阳理工大学 2 0 0 9 年1 2 月3 0 日 2 0 1 0 年0 3 月2 2 日 沈阳理工大学 !|illll r ii l ljl ai i t t i i j f f i j i i y 18 3 1 8 3 3 u i i i b - ， 、 广 目z 7 日扫匆e f 霄 口 ：士蓊蛳台 目杌皆加南咖 预形塾：专蓊柒勤 茸砚华杂参刨 口 帚群琶抱g 千斟 茸识千避 口茸识千斟：瓦椠茸拱 1 雾芦巧郦：珥黝不南 1 罐西孽匿丽享嚣趸焉丽而瓦眄莎瓣3 目妥茸锲 。膛砰朝茸嵌擎髯璐灏砚茸翠禺哿y 牢期刨( 翕群 斜粝豳冒粤陴哲、哟夏壬刭业可辨耳) 暂酗冒马身桑冀章 群磉茸弓茸歌再杂圄中埏誊劲茸歌再杀y 章赫蝈延抱冒粤半辑 杀性国士砰群磁茸观毋哿非禁茸识百嘉y 章殴乳￥群明日爵 瞠明目孽鼙髯拦章辫磉莓弓茸歌码杂国士趔上号车y 章 。暂玛朝剜哿辫茸希群当鞘缝旧半辑髫国紧 嬖粤冒码贲鹫劲茸识百杀明军歌髫国瞽群衅暂硼瞠延地肾7 粤 辑性羽，号甥明智覃勰辑性髻国吾掐琶抱日7 掣半辑杀性圄审 斗砰群明萃戳斟毒 ，c4il。117。：14，-h+-l -illltl-it； ， r 一一 ，：。o；jf、， 。、，飞 一 ， c l a s s i f i c a t i o ni n d e x ：t n 91 u d c ：6 2 1 3 9 at h e s i sf o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fb r o a d b a n d i n t e g r a t e dd a t ao p t i c a ln e t w o r k a c c e s sn o d e c a n d i d a t e ：s h a o d ah r i o s u p e r v i s o r ：l i b i n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m d a t eo fs u b m i s s i o n ：d e c e m b e r ，2 0 0 9 d a t eo fe x a m i n a t i o n ：m a r c h 2 0l0 u n i v e r s i t y ：s h e n y a n gl i g o n gu n i v e r s i t y 一 、 声 l j 沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者 本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出， 并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识剑本 声明的法律结果由本人承担。 作者( 签铋壤勉 日期 ：幽加年弓月一2 牛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：维勉 日 期：文口7 口、弓，2 年 指导教师签名：专& 火 日 期：幽，口弓、2 够 l 户 廿 沈阳理t 大学硕f ：学位论文 摘要 宽带综合数据光同步网是以光通信、微电子等多门学科为基础而研发的一种 新型综合数据接入网络，借助f p g a 作为核心处理部件，并利用光纤作为传输媒介， 而且该网络能够根据数据流量进行带宽的动态调整，进而保证了各种数据所占带 宽的合理性与高效性。这些特点使得该网络非常适合作为工业控制网络来应用。 宽带综合数据光同步网主要由网络集中器、综合信息接入节点( i n t e g r a t e d i n f o r m a t i o na c e s sp o i n t ，简称“l a p ”) 与汇接节点构成，此次课题主要是对综合 信息接入节点部分进行了研究与设计。 文章开头介绍了国内外工业控制网络发展状况与未来发展趋势，提出了宽带 综合数据光同步网，并对该网络的系统架构、帧结构、以及一些技术特点进行了 详细讨论与研究，以便更好的理解综合信息接入节点。然后对综合信息接入节点 的系统构成与功能实现进行了重点研究。该节点主要是完成以下工作：首先在 q u a r t u s l i 开发平台上利用v e r i l o g 语言对f p g a 进行了开发对以太网网络控制器 d m 9 0 0 0 a 进行了合理的配置设计了其接口i p 核。然后在f p g a 中嵌入了n i o s i i 软核 处理器作为以太网数据收发的控制器，完成以太网数据和宽带综合数据光同步网 的互通。其次通过f p g a 对视频解码芯片a d v 7 18 1 b 的合理配置使其输出 y u v 4 ：2 ：2 格式的数据流，并在f p g a i 为部对视频图像的解交织、插值以及格式转 换变为r g b 格式等进行了详细设计最后利用n i o s i i 处理器对图像接入宽带综合数 据光同步网进行了控制。此外我们对综合信息节点的扩展功能语音接入进行了理 论上的一些研究。 宽带综合数据光同步网属于一种独特的新型网络，对综合信息接入节点的研 究可能存在不足处还需要在以后的工作中不断的改进完善。 关键词：综合信息接入节点，f p g a ，i pc o r e 沈阳理t 人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t w i d e b a n di n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r k ，w h i c hi sb a s e do nt h e o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nm i c r oe l e c t r o na n do t h e rd i s c i p l i n e s ，i san e wa c c e s sn e t w o r ko f i n t e g r a t e dd a t a i nt h i sn e t w o r k ，f p g ao fa l t e r ac o r p o r a t i o n si st a k e na st h ec o r e p r o c e s s i n gu n i ta n du s i n gt h eo p t i c a lf i b e ra st h et r a n s m i s s i o nm e d i u m m o r e o v e r , t h e b a n d w i d t ho ft h i sn e t w o r ki sd y n a m i c a l l ya l i g n e da c c o r d i n gt ot h ef l o w so fd a t a ，w h i c h g u a r a n t e e d t h e r a t i o n a l i t y a n dh i g h l ye f f e c t i v eo ft h ed a t ab a n d w i d t h t h e s e c h a r a c t e r i s t i c sm a k et h ew i d e b a n di n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r k v e r ys u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k w i d e b a n di n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r km a i n l yc o n s i s t so f c o n c e n t r a t o r , i n t e g r a t e di n f o r m a t i o na c e s sp o i n t ( 1 a p ) a n dj u n c t i o nn o d e s i a pi sm a i n l y r e s e a r c h e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , d e v e l o p m e n ts t a t u sa n df u t u r et r e n do fi n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r ka th o m e a n da b r o a di s i n t r o d u c e d ，t h e np r o p o s et h ew i d e b a n di n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a l s y n c h r o n o u sn e t w o r k i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h el a pb e t t e r , t h ea r c h i t e c t u r e ，f r a m e s t r u c t u r ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i d e b a n di n t e r g r a t e d d i g i t a lo p t i c a l s y n c h r o n o u s n e t w o r ka r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e di nd e t a i l t h e nt h e s y s t e m c o m p o n e n t sa n dt h ef u n c t i o nr e a l i z a t i o no f t h el a pi sr e s e a r c h e dp r i o r i t y i a pi sm a i n l y t oc o m p l e t et h ef o l l o w i n gw o r k f i r s t l yt h ed m 9 0 0 0 af a s te t h e r n e tc o n t r o l l e rc h i pi s c o n d u c t e dar e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o no nt h eq u a r t u s l id e v e l o p m e n tp l a t f o r mu s i n g f p g aa n dv e r i l o gl a n g u a g ea n dd e s i g n e di t si n t e r f a c ei pc o r e ；a n dt h e na c h i e v i n gt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ne t h e m e td a t aa n dw i d e b a n d i n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a l s y n c h r o n o u sn e t w o r kt h r o u g hb e i n ge m b e d d e dn i o si i e m b e d d e dp r o c e s s o ra s c o n t r o l l e ri nt h ef p g a s e c o n d l y , t h ev i d e od e c o d e ra d v 7181bw h i c hi sc o n d u c t e da r e a s o n a b l ec o n f i g u r a t i o nb yf p g ap r o d u c e say u v 4 ：2 ：2 d i g i t a lv i d e od a t as t r e a m ， a n dt h ev i d e od e i n t e r l e a v e ，i n t e r p o l a t i o na n dc o n v e r s i o ni n t or g bf o r m a t 沈阳理_ t 人学硕l j 学位论文 a r ed e s i g n e di nf p g af o rd e t a i l t ot h ee n da c c e s s e di m a g et ow i d e b a n di n t e r g r a t e d d i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r ki sc o n t r o l e db yn i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o r i n a d d i t i o n ，w eh a v ec o n d u c t e ds o m er e s e a r c hi nt h e o r yt ot h ev o i c e ，w h i c hi sa c c e s s e dt o i a pa sa ne x t e n d e df u n c t i o n w i d e b a n di n t e r g r a t e dd i g i t a lo p t i c a ls y n c h r o n o u sn e t w o r ka sau n i q u ek i n do f n e wn e t w o r k ，t h e r em a yb es o m ed e f i c i e n c yt ot h ei a pr e s e a r c ha n dn e e dt ob e c o n s t a n t l yi m p r o v e da n dp e r f e c t e di nt h el a t e rw o r k k e yw o r d s ：i n t e g r a t e di n f o r m a t i o na c e s sp o i n t ，f p g a ，i p - c o r e - 目录 日旱 日纠k 第1 章绪论l 1 1 课题背景与意义1 1 2 国内外发展概况及趋势2 1 2 1 计算机集中控制系统2 1 2 2 分散控制系统( d c s ) 2 1 2 3 现场总线控制系统( f c s ) 2 1 2 4 工业以太网3 1 2 5 宽带综合数据光同步网4 1 3 论文研究内容及论文结构4 1 3 1 论文研究内容4 1 3 2 论文结构4 第2 章宽带综合数据光同步网简介6 2 1 宽带综合数据光同步网原理概述6 2 2 宽带综合数据光同步网模型架构7 2 2 1 集中器结构与功能一8 2 2 2 汇接节点部分9 2 2 3 综合信息接入节点1 0 2 3 宽带综合数据光同步网的技术特点1 0 2 4 宽带综合数据光同步网的帧结构1 1 2 4 1 上行帧结构1 2 2 4 2 下行帧结构1 2 2 5 本章小结1 3 第3 章综合信息光网络接入节点研究1 4 3 1 接入节点结构与功能1 4 3 1 1 接入节点结构图1 4 沈| ；丌理t 人学硕i j 学位论文 3 1 2 各种业务单元接入模块1 5 3 1 3 逻辑发送单元1 5 3 1 4 各业务单元优先级申请1 6 3 1 5 逻辑接收单元17 3 1 6 综合信息接入节点功能1 7 3 2 下一代网络中的综合接入设备1 7 3 3 综合信息接入节点i a p 优势18 3 4 总结1 9 第4 章综合信息接入节点硬件电路设计2 0 4 1 主控芯片选择f p g a 2 0 4 1 1 c y c l o n ei i 系列f p g a 简要介绍。2 l 4 1 2f p g a 丌发流程2 2 4 2 电路模块设计2 5 4 2 1 电源模块部分2 5 4 2 2f p g a 电路模块部分2 6 4 2 3 网络数据处理模块2 9 4 2 4i p 地址显示模块31 4 2 5 图像采集处理模块3 2 4 2 6s d r a m 缓存模块3 4 4 2 7i a p 总线接口模块3 5 4 3 本章小结3 6 第5 章综合信息接入节点内部功能模块研究与嵌入式设计3 7 5 1q u a r t u si i 开发环境介绍3 7 5 2s o p c 技术及其开发流程3 7 5 2 1s o p cb u i l d e r 3 8 5 2 2n i o si i 处理器及其开发流程3 8 5 2 3s o p c 系统丌发流程3 9 5 3 综合信息接入节点中以太网数据处理4 0 5 3 1d m 9 0 0 0 a 在综合信息接入节点的工作过程4 0 一 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 随着通信、微电子和网络技术的发展，可以说我们已经进入了数字化、网络 化与电子设备微型化的新时代。其中网络技术的发展对我们的r 常生活起了重要 的作用。人们对其功能需求也有了巨大的变化，以往以单一技术为核心的通信网 络已经无法承担人们提出的数据、语音、图像等多功能为一体的综合网络技术， 为此人们提出了下一代网络( n g n ) ，它是有别于现有网络的一种网络，该网络的 突出特征是能够承载综合电信业射1 。 通信网络技术迅速发展，但是工业控制网络作为自动化领域的一种网络技术 却发展缓慢。这主要是由于其自身的一些特殊性，如实时性要求强、工作环境恶 劣等。而工业控制网络主要是由一些工业企业大集团推出，他们各自制定了自己 的协议和总线类型，导致了彼此之间很难兼容。虽然在一定程度上保护了各自利 益但却严重阻碍了工业控制网络技术的发展。 从上个世纪5 0 年代后期开始，计算机控制网络技术经过了以下几个发展阶段： 早期的控制网络、分布式网络控制系统( d c s ) 、现场总线控制网络系统( f c s ) 、 以太网、工业以太网，控制网络技术经历了从模拟到数字、从集中控制到分散控 制的过程【2 l 。 目前网络正朝着三网融合的方向发展，将会有更加高性能、优越的网络技术 供我们选择。将来的网络能够为实时数据流提供良好的质量服务保证，为各种数 据流包括语音、以太网与计算机数据、视频监控图像以及数字电视图像等综合数 据的多媒体通信业务传输提供很好的安全性、高速率保证。工业控制网络借鉴了 三网融合的发展思想也j 下朝着数字化、多功能化、集成化、统一化的方向发展， 要求能够传输控制数据、管理数据以及对实时性要求较高的语音、图像等信息， 并使网络具有调度管理与控制功能。这将会是未来工业控制网络与计算机网络发 展的一种主流趋势。 沈阳理t 人学硕f ：学位论文 为了实现这种目标我们提出了一种全新的网络技术即宽带综合数据光同步 网，该网络是我们课题组经过多年实践努力自主研发的一种多媒体综合数据传输 网络。宽带综合数据光同步网借鉴了e p o n 和g p o n 的设计思想在很好的满足数据 传输实时性的同时又满足指挥、调度、管理为一体，达到底层统一。可见宽带综 合数据光同步网不仅能作为工业控制网络使用也能作为接入网来进行应用，它的 研发成功将会具有广泛的市场前景。 1 2 国内外发展概况及趋势 工业控制网络的发展主要可以分为4 大阶段。 1 2 1 计算机集中控制系统 计算机集中控制系统( c c s ) 由计算机加上扩展i o 接口构成。控制中心是一 台计算机，也可以是单片机，或是通用型工业控制机，其扩展的i o 接口模板按适 用总线的不同分成不同的系列。这明显降低了系统工作的可靠性，而且在计算机 机端采用了模拟信号数字化的工作方式，也降低了抗干扰性能。为此需要开发一 种全新的系统来解决这些问题。 1 2 2 分散控制系统( d c s ) 进入8 0 年代以后，以微处理器为基础的分散式计算机控制系统问世，它以多 台微处理器共同分散控制，并通过数据通信网络实现集中管理，被称为集散控制 系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 其核心思想是集中管理、分散控制。该套 体系结构有力的克服了集中式数字控制系统对控制器处理能力和可靠性要求高的 缺陷。但是n 8 0 年代中后期，随着工业系统的同益复杂，控制回路的进一步增多， 单一的d d c 控制系统已经不能满足现场的生产控制要求和生产工作管理要求【，1 ，迫 切需要一种全新的控制系统出现。 1 2 3 现场总线控制系统( f c s ) 为了解决d c s 自身的一些缺点，人们提出了现场总线控制系统。它打破了传 统控制系统结构模型，采用了智能处理技术解决了传统一对一的设备连线问题。 而且现场总线控制系统中采用的是数字信号处理，因此可以实现多个信号在一堆 电缆上传输，简化了设备结构、节约了成本。 现场总线技术具有一些自身的优势所在，如协议的公开性、设备的互用性和 2 第1 章绪论 互操作性以及对工业恶劣环境的适应性。这些特点导致了世界不少大集团都推出 了自己的现场总线技术，目前主要存在8 种协议类型，每种类型都有产生的背景和 应用的具体领域以及各自的技术特点，这使得它们在各自领域形成了自己的优势。 但是在利益驱动下很难实现一种统一严重阻碍了工控网络技术的发展。 1 2 4 工业以太网 网络技术发展迅速走进了人们生活，加大了以太网的应用。企业为了实现高效 率、高效益与柔性控制就必须有一个统一的网络支持。将信息话和控制网络相结 合，来克服以往现场总线的各种问题，除了研究现场总线控制技术之外还需要不 断的对网络技术进行新的研究，由此出现了工业控制网络与以太网相结合工业以 太网控制技术。 工业以太网技术是应用比较广泛的一种局域网接入技术，它具有自身的一些 优势如开放性强、兼容性强、成本低等，而且实现了工业控制的远程监控、设备 的远程维护及故障诊断等。为工业控制的发展提供了一定的方便性。 但是随着通信数据量的增大，目前工业以太网的发展显现了一些问题需要解 决主要体现在以下2 个方面。】【3 7 】。 ( 1 ) 数据通信的实时性和延时的确定性难以保障。工业以太网由于其应用环 境的最大的特点就是实时性要求较高。这种实时性要求往往对一些指令、控制命 令要求准确到达，但是工业以太网的研发是建立在以太网基础之上的。以太网采 用了c s m a c d 技术，这种技术是一种碰撞检测技术。也就是说在网络负荷比较大 的情况下，将可能产生网络数据冲突和延时的不确定性。可见以传统的以太网技 术为架构研发的工业控制网络是有天生缺陷的。 ( 2 ) 协议的复杂性难以实现多种数据的综合传输。工业以太网不仅仅是数据 传输这么简单，主要是借助网络完成一种控制功能，而且要传多种数据如语音和 图像。而且目前应用在以太网的应用层上面的协议进行的信息的透明访问是不适 合在工控领域做实时通信的。针对这种情况，必须在已有的以太网协议t c p i p 基 础上建立一套新的有效的通信服务模型，这就出现了各种不同的协议标准导致了 设备的兼容性低、标准不统一。 沈阳理t 人学硕：f j 学位论文 1 2 5 宽带综合数据光同步网 针对这种情况，我们课题组提出了宽带综合数据光同步网，它借鉴了下一代 网络( n g n ) 与e p o n 和g p o n 的设计思想，采用数字同步体系结构，并用光纤作 为通信媒介，其帧结构也是由我们提出的一种独特的传输结构，可以完美的将以 太网数据、视频监控图像与语音电话进行结合使它们都能在网络中进行传输。关 键是该网络的数据延迟是可控的，因此特别适合传输这些实时性要求较高的控制 信息。可见我们提出的宽带综合数据光同步网前景是非常好的，是工业控制网络 与接入网未来发展的趋势。 1 3 论文研究内容及论文结构 1 3 1 论文研究内容 宽带综合数据光同步网结构上主要由集中器、综合信息接入节点和汇接节点 三大部分组成。其中综合信息接入节点主要是由以太网数据、语音、视频监控图 像等几个部分构成。此次课题宽带综合信息光网络接入节点的研究与实现其实就 是综合信息接入节点的研究。主要是完成以太网数据与视频监控图像传输的电路 设计以及相关嵌入式处理器设计，并在理论上对语音接入进行了一定研究。 1 3 2 论文结构 本论文共分为6 章，具体结构如下： 第1 章为“绪论”，对目前国内外计算机网络与工控网络技术的状况及发展前景 进行了分析，并针对上述的分析提出一个新型的控制网络即宽带综合数据光同步 网，通过与现有网络的对比阐述了宽带综合数据光同步网特点、研究的社会经济 意义以及本文的主要内容。 第2 章为“宽带综合数据光同步网简介”介绍了宽带综合数据光同步网的网络组 成、技术特点、以及帧结构等，为更好的理解我们的课题综合信息接入节点打下 了基础。 第3 章为“综合信息光网络接入节点研究”分析阐述了综合信息接入节点所具有 的各种功能、特点，并结合现有的接入技术对比了宽带综合数据光同步网网络中 综合信息接入节点来展示它本身所具有的一些优势。 第4 章为“综合信息接入节点硬件电路设计”，简要介绍了f p g a 开发流程让大 4 一 、 第1 章绪论 家对其有一定了解然后详细阐述了综合信息接入节点的电路设计原理与各个电路 构成模块实现的功能及特点。 第5 章为“综合信息接入节点内部功能模块研究与嵌入式设计”，详细的阐述了 综合信息接入节点的内部功能模块设计，包括了基于s o p c 的以太网数据接入的网 关设计以及视频传输模块的设计与配置等功能，最后对语音数据的接入进行了部 分理论研究。 第6 章为“板级设计与调试”，简要了综合信息接入节点系统硬件电路设计过程 中需要注意的问题以及系统软硬件的调试方法及过程。 文章最后对此次的研究课题进行了一定总结，并提出了一些需要完善的地方。 为以后宽带综合数据光同步网网络的研发和系统功能完善做好了铺垫。 沈l ；丌理丁人学硕i j 学位论文 第2 章宽带综合数据光同步网简介 宽带综合数据光同步网是由我们课题组提出的一种新型网络系统，不同于目 前的任何一种网络。该网络不但可以和现有的以太网互联进行以太网数据的接入、 也能传输语音、视频监控图像等多种业务信息，而且具有较高的实时性、可靠性、 、 - 灵活性以及高效性等特点。可以说是一种能够进行多媒体信息传输的新型网络。 宽带综合数据光同步网研发的初衷是将其应用在工业控制领域，它吸取了工 业控制网络技术的优势并将对数据的经营管理与系统调度进行了融合，完美的实 现了系统经营、管理、调度、控制的相结合，使其非常适合应用在计算机集成制 造系统中。另外该网络借鉴了无源光网络的设计思维模式，采用了传输与控制相 分离、业务与呼叫分离等多项新型技术。以及其采用的特殊的帧结构使得我们设 计的宽带综合数据光同步网也能够作为一种小型的本地接入网来应用，如小区管 理或者楼宇控制系统中。 2 1 宽带综合数据光同步网原理概述 近些年光通信、微电子技术发展迅速，给通信网络带来了一个全新的变革。 以单一技术为核心的网络已经无法承担越来越多的各种高速率与综合业务需求， 于是人们将希望寄托在融合多种网络、具备多种信息接入能力、具有分层体系结 构的下一代网络身上【。 通过分析以往的通信网络架构，我们发现应用在工业控制领域的工业以太网 由于是基于传统的以太网架使得它构始终存在这样或那样的缺点首先在数据量大 ， 的时候实时性和确定性是很难保障的要想解决这些问题，我们就得寻求一种新型 的体系架构从根本上来解决。为此提出了宽带综合数据光同步网( 宽带综合数据 光同步网) ，它是建立在无源光网络、微电子、智能控制、下一代接入网等多项技 术之上，并且借助了a l t e r a 公司的s o p c 技术在f p g a 中嵌入了软核处理器使得本网 络设备开发简单且易于维护。 7 宽带综合数据光同步网将对数据的集中交换变为了部分集中处理、交换分散 第2 章宽带综合数据光同步阳简介 处理的模式；将传统的交换变为了选择，也就是将交换机从网络的中心移到用户 端，实际就是将所有数据交给了用户让用户选择自己需要的。该系统表面上看它 将中心一台交换机对n 个用户变成中心一台简单的传输业务控制器对n 台交换机 的复杂系统，将原来用户独立的信道变为充斥“冗余信息”的公共信道。实际上，本 系统的开发是建立在目前廉价的高性能i c 芯片上并且以光纤为传输媒介的基础之 上的，这使得系统带宽对于单个用户来说是无限的、数据处理效率也是非常高的。 我们知道语音数据的采样周期为1 2 5 1 t s ，宽带综合数据光同步网也是以1 2 5 9 s 为周期进行数据传输的这使得该网络很容易实现语音通信功能，从而与现存的同 步数字体系网络进行互连，因此它可以作为接入网来应用。当作为一种新型的接 入网的时候，宽带综合数据光同步网具有它独特的优势，它解决了目前接入网存 在的实时性差、容易出现数据碰撞的问题。该网络具有固定的延迟性，它的延迟 主要由两部分构成数据传输延迟与数据处理延迟。由于本网络采用了光纤作为传 输媒介其损耗是非常小的，当应用在接入网时候其数据传输延时是可以忽略的。 另外在数据处理方面我们采用了高性能的f p g a 处理芯片，在数据处理延迟可以容 忍的情况下，可以认为宽带综合数据光同步网是一种时延完全确定的实时网络， 不仅适合传输实时数据、语音等，更适合传输实时性要求较高的控制信息及视频 监控图象。 另外光纤具有良好的的抗干扰性，使得宽带综合数据光同步网特别适合应用 在那些环境恶劣、实时性要求特高的工业控制场合。 2 2 宽带综合数据光同步网模型架构 宽带综合数据光同步网主要由综合信息接入节点、集中器、汇接节点子系统 三大部分构成。综合信息接入节点部分主要包括语音、视频监控图像以及以太网 数据等，是一种多媒体数据接入节点；汇接节点主要是将由综合数据接入节点送 来的数据进行管理；集中器则主要是对系统上行下行数据进行统一管理、调度。 宽带综合数据光同步网的网络系统结构如下图2 1 所示，从图中我们可以看出宽带 综合数据光同步网的工作原理各种传输数据( 电话语音、视频监控图象、以太网 数据等) 通过节点控制器1 - n 将数据传送到汇接节点，由汇接节点将来自各个节 点的数据按特定的帧结构打包发往集中器，集中器经过处理以后以广播的形式转 发下来。每个节点会将自己需要的数据接收从而完成数据传输。可以认为宽带综 7 沈阳理丁人学硕1 二学位论义 合数据光同步网的通信模式是一种面向连接及面向事件的通信。宽带综合数据光 同步网采用了同步通信时隙的固定信道进行面向连接的各种数据传输并借鉴了， 信息管理、速率控制、呼叫连接与传输分离的下一代网络思想，使得通信的灵活 性大大提高，它可以传输任意类型、任意结构的数据，特别是对新增业务只需把 它看作是数据流按照宽带综合数据光同步网自己的帧结构打包就可以完成通信。 图2 1 网络系统结构图 面向事件的通信，是指系统的数据传输不像其它网络一样将区分数据的类型 交由网络的高层协议来完成，而是在底层将其进行区分。如将数据分为话音、视 频监控图象、以太网数据等几大类，进行分类管理与分类传输，因此在宽带综合 数据光同步网上对于不同数据的传输是非常容易的。这也是未来网络发展的一个 方向。 2 2 1 集中器结构与功能 集中器可以说是宽带综合数据光同步网网络的根，它对整个网络数据进行管 理与调度，同时采用了双机热备技术进而保障了宽带综合数据光同步网网络运行 8 第2 帝宽带综合数据光同步网简介 的可靠性。集中器的结构如图2 2 所示。它的主要功能可以概述为6 点： ( 1 ) 将汇接节点传送来的各种多媒体数据流整理成帧。在各个接口处建立分 布式缓冲器用于中央处理器与接口数据流的数据缓存。这些缓存器能够根据数据 流大小进行动念调整，提高了信道利用率与数据调度的高效性。 ( 2 ) 数据资源管理与调度功能，如：信道资源的控制与管理( 网络流量的动态 调整) 功能、语音及视频监控图像客户端认证与授权功能、以太网数据接入节点i p 管理及转换功能、接入的多媒体信息密钥管理功能等。 ( 3 ) 系统管理与维护：对网络数据流进行分析管理、系统功能模块划分与功 能设计、数据流量统计、系统运行状态记录与系统维护等。 ( 4 ) 路由功能：与现存的局域网( 以太网、工业以太网与现场总线) 及其它 网络( 广域网：i s d n 、x d s l 、a d s l 、a t m 等) 进行互通的功能。 ( 5 ) 宽带综合数据光同步网安全性保证功能：可以建立硬件防火墙，来保障 系统数据流的安全性。 ( 6 ) 集中器光电转换功能：汇接节点到集中器采用了光纤为传输媒介需要在 集中器与汇接节点端加入光电转换模块。 图2 2 集中器结构框图 2 2 2 汇接节点部分 汇接节点部分直接对集中器负责，是综合信息接入节点和集中器的桥梁。它 主要具有如下功能。 沈阳理t 人学硕_ f 学位论文 ( 1 ) 把综合信息接入节点送来的数据打包成帧发往集中器。 ( 2 ) 从集中器下放的数据流中提取同步时钟传往综合信息接入节点，并对集 中器下放的数据流进行合理分配。 ( 3 ) 数据校验( 可以采用c r c 方式) 和数据压缩。 2 2 3 综合信息接入节点 这里我们只给出功能架构图，如图2 3 所示，具体的研究将在第三章进行。 图2 3 综合数据仃点功能架构图 2 3 宽带综合数据光同步网的技术特点 宽带综合数据光同步网是我们课题组经过多年努力实践自主研发的一种全新 架构的综合数据传输网络。它具有一些自身的特点主要可以概括为以下7 点： ( 1 ) 宽带综合数据光同步网在数据交换方面将传统的硬件交换变为了软交 换，将集中处理变为分散处理。使得过去非常难实现的任务变的简单，如：多任 务种类、多信息速率复杂结构的交换机，利用节点分散处理方式，使系统结构非 ， 常简单。又如：在其它系统中非常难实现的电视会议系统及电话会议系统在宽带 综合数据光同步网上实现起来非常容易。 ( 2 ) 宽带综合数据光同步网在系统体系结构方面借鉴了非同步数字体系，每 秒8 0 0 0 个时隙，每个时隙1 2 5 p s ，每个标准帧为1 0 2 4 b i t 。上行为点对点传输模式， 下行为一点对多点。同时具有下行比特率可远大于上行比特率的特点，可提高网 络的效率及灵活性。 ( 3 ) 宽带综合数据光同步网虽然每个标准时隙为1 2 5 p s ，1 0 2 4 x 4 x n b i t ，但每 1 0 第2 章宽带综合数据光同步网简介 个标准帧又由4 个分帧组成，每个分帧为3 1 2 5 i - t s ，2 5 6 b i t 组成，而4 个标准帧又组成 一复帧，每4 个复帧又组成二阶复帧以次类推。分帧、标准帧及各阶复帧不同的时隙， 不同的结构，满足各种不同的信令及不同l 、日j 隔周期的数据传输。分帧结构使处理 时间提高了4 倍( 宽带综合数据光同步网的数据延迟主要为处理延迟，传输延迟很 小，没有排队延迟，一般响应时间小于1 0 0 9 ) ，能满足高速控制数据传输的要求。 交换指令在一个标准帧完成( 指令过长，如i p v 6 ，采用偏移指针准确的指出偏移地址) 以减少指令处理的等待时i 、日j 及减少存储器的长度。周期与标准帧周期不同步的数 据可用虚数据代替，这样又使位同步恢复更加容易。 ( 4 ) 系统控制方面采用了可配置的软化处理器n i o s i i ，利用系统改进。 ( 5 ) 宽带综合数据光同步网采用动态数据流调节技术，大大提高了网络带宽 利用率。如：语音数据流传输完毕就会释放其占用的信道，提高了信道利用率； 对于其他数据按照其优先级排列即便是优先级低的数据流也会占有较小的带宽进 行数据传输，保证了数据传输的有效性。 ( 6 ) 宽带综合数据光同步网以光纤为传输媒介，利用无源光耦合器分配技术， 具有线路简单，抗电磁干扰，特别适合强电磁干扰的工业环境。 ( 7 ) 和目前的工控网络系统相比，宽带综合数据光同步网完全能够保证数据 流传输的实时性，其网络延迟是固定的。 2 4 宽带综合数据光同步网的帧结构 帧( f r a m e ) 的严格定义是指这样一组相邻接的数字时隙，其中各数字时隙的 位置可以根据帧定位信号来加以识别1 5 l 。 我们知道宽带综合数据光同步网的标准时隙是1 2 5 u s ，既每秒8 0 0 0 次采样速率。 在数据的上行和下行传输方面借鉴了以太网无源光网络( e p o n ) 的数据传输思想， 在上行方向采样了点到点的网络传输模式，上行传输如图2 4 所示。 图2 4 上行传输 1 1 沈阳理t 火学硕i ：学位论义 宽带综合数据光同步网传输的数据帧结构在上行和下行方向是不一样的，下 面我们分别给出概述。 2 4 1 上行帧结构 上行帧结构由两部分组成控制部分和数据部分，如图2 5 所示为控制部分。 ，二二二二二二1 图2 5 控制帧帧结构 其中f 作为帧头占了一个字节，为1 0 1 0 1 x 1 x 0 0 ，1 0 1 0 1 为帧标示符，x 1 x o 为 控制位由节点控制器填充，x 1 是起始控制标记位，x o 是数据传输位。 x i = i 时：表示后面字节有起始链接控制描述帧，起始链接信令帧包括：语音 信令帧，图像控制信令帧，连接信令帧等链接信令；单时隙数据( 包括实时控制数 据等) ；不能一个时隙传送完的起始i p 包部分及以太网帧等多时隙数据帧的起始时 隙。任何新的业务链接，单时隙数据或多时隙数据的帧起始时隙都要将x o 置l 。 x o = - i 时，表示有数据传输。 传输的数据可以分为两种类型：定长和不定长数据。定长数据包括语音、图 像等短字节数据建立虚拟连接的数据。不定长的数据包括i p 包、以太网帧等长字节 数据，一般超过一个时隙。 p i d 为节点识别符，p l 为包长度指示为l 3 + l