（通信与信息系统专业论文）tdm+over+epon的fpga设计与研究.pdf

摘要 随着互联网应用的不断普及，以及网络技术的迅猛发展，用户迫切地需要一 种高速且廉价的网络接入方案，e p o n 技术正是为实现这一目的而被提出的，是 一种非常有效的宽带网络接入方式。作为接入网络，在e p o n 上传输的并不应 该仅仅是来白骨干网的数据，e p o n 还必须与其他网络接入业务相结合，其中最 主要的就是与传统t d m 电信业务的结合。t d mo v e re p o n 所要实现的就是在以 e p o n 为结构的接入网内透明传输t d m 业务。它的基本实现原理就是直接把 t d m 业务信号封装入以太网帧中，与其他承载数据业务的以太网帧一起在o l t 与o n u 之间传输。 本文提出了在e p o n 网络中传输t d m 业务的系统结构以及用于该系统的局 端与用户端t d m 网关的设计方案，并对其中所传输的以太网帧结构作了明确定 义。 本文的重点内容是关于时钟同步方式的研究，在课题中主要涉及两种时钟同 步方式，一种是通用性较强的基于时戳的方式，另一种是本课题独创的专门针对 t d mo v 9 1 e p o n 特点所设计的基于频率比值计算的时钟同步方式。该技术利用 了e p o n 网络中o l t 与o n u 相同步这一特点，实现了多路异步t d m 业务在 e p o n 中透明传输时的独立时钟同步。本文的另一大创新之处是提出了在t d m o v g , re p o n 系统中扩展n x 6 4 k b p sp c m 话音信号传输功能的设想并简要概述了 相关的工作原理。 本文中相关的研究工作均通过当前较为流行的基于硬件描述语言的f p g a 设计实现。相关的研究与实验表明，本文提出的t d m o v e r e p o n 系统是完全可 行且非常有效的。 关键词：e p o n ，t d m 业务，时钟同步，p c m 话音信号，f p g a v a b s t r a c t w i mt h eh u g ep o p u l a r i z a t i o na n dr a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e m e tt r a f f i c m o r ea n d m o r es u b s c r i b e r sw a n tai n g h - s p o e da n di n e x p e n s i v en e t w o r ka c c e s ss o l u t i o n f o rt h i s p u r p o s e , t h ei d e ao fe p o nc o m e su p a sa l la c c e s sn e t w o r k , n o to n l yt h ed a t af r o m b a c k b o n en e t w o r k sa l et r a n s f e r r e di ne p o n ，b u to t h e rn e t w o r ka p 虻e s ss e r v i c e sa s w e l l s u c h 鹤t h ec o m b i n a t i o nw i t ht r a d i t i o n a lt d mt e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s 1 1 1 e a i mo ft d mo v e re p o ni st or e a l i z et h et r a n s p a r e n tt r a n s p o r t a t i o no ft d ms e r v i c e s t h r o u g he p o n ，w h e r et h et d mf r a m e sa r ee n c a p s u l a t e di n t oe t h e r n e tp a c k e t sa n d u _ a n s f e r r e da m o n go l ta n do n u s i nt h i sp a p e r , t h es y s t e ms t r u c t u r eo f t d mo v e re p o ni sp u tf o r w a r d 1 1 1 ed e s i g n o p t i o n so f h o s ta n dt e r m i n a lt d mg a t e w a y sa r eg i v e n n ef r a m es t r u c t u r ei sd e f i n e d d e f i n i t e l y t h ee m p h a s i so f t h i sp a p e ri st h es t u d yo f c l o c ks y n c h r o n i z a t i o nm e t h o do f t d m s e r v i c ei ne p o n t w ok i n d so ft i m i n gm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，o n ei st h e c o m m o n l y - u s e dt i m e s t a m ps c h e m e ；t h eo t h e ri st h en o v e lf r e q u e n c yr a t i ob a s e dd o c k s y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d ，w h i c ht a k i n ga d v a n t a g eo ft h es y n c h r o n i z a t i o nc h a r a c t e r a m o n go l ta n do n u si ne p o n ，s ot h a tt h ed o c ks y n c h r o n i z a t i o no f m u l t i p l et d m s e r v i c e sc a nb er e a l i z e di n d e p e n d e n t l y a n o t h e ri n n o v a t i o no f t h i sp a p e ri st h ei d e ao f n x 6 4 k b p sp c mv o i c et r a n s m i s s i o ni nt d mo v e re p o ns y s t e m n 蝣o p e r a t i o n a l p r i n c i p l eo f t h i si d e ai si n t r o d u c e d 1 1 1 ee n t i r er e s e a r c he f f o r ti sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yt h eu s eo f f p g a 1 1 1 e s t u d ya n de x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h et d mo v e re p o ns y s t e md i s c u s s e di nt h e p a p e ri sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e y w o r d s ：e p o n ，t d ms e r v i c e s ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n , p c mv o i c e ，f p g a v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：_ 蚍日期：2 出乏函 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 燧名：艇日期：塑笪12 j i i 第一章绪论 1 1 以太无源光网络e p o n 概述 1 1 1e p o n 的诞生 接入网是整个电信网最具有技术挑战性的区域之一。为了满足用户对带宽日益 增长的要求，实现接入网的高速化、宽带化和智能化，各种接入技术层出不穷，如 l a n 、x d s l 、c a b l em o d e m 等等，然而被认为最有前途的是光接入技术。p o n ( p a s s i v e o p d c a ln e t w o r k ，无源光网络) 1 1 】由于其易维护、高带宽、低成本等优点成为光接入 中的佼佼者，它是通过单一平台综合接入语音、数据、视频等多种业务的理想网络 平台。 无源光网络( p o n ) 自从在2 0 世纪8 0 年代被采用至今已历经几个发展阶段。 起初人们认为将a t m 技术和p o n 技术相结合的a p o n b p o n 技舻是实现综合接 入的理想模式。然而，由于数据业务的爆炸式增长，a t m 技术暴露出效率不高、协 议复杂等弱点，且成本过高，因此并未得到大规模的应用。在这种背景下，两个颇 为引人注目的新的p o n 标准孕育而生，其中一个是由i t u f s a n 负责制定用来替 换a p o n b p o n 标准的c a g a b i tp o n ( g p o n ) 标准删，另一个是由i e e e8 0 2 3 a h 工 作组负责制定的e t h e m e tp o n ( e i o n ) 标准f 4 l 。 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 成立了8 0 2 3 e f m ( e f m - - e t h e m e ti nt h ef i r s tm i l e ，第一 英里以太网即以太网接入网) 工作组，开始了e p o n 的技术标准化工作。以太网 ( e t h e r n e t ) 技术经过2 0 年的发展，以其简便实用，价格低廉的特性，几乎已经完 全统治了局域网，并在事实上被证明是承载坤数据包的最佳载体。随着口业务在 城域网和干线传输中所占的比例不断攀升，以太网也在通过传输速率、可管理性等 方面的改进，逐渐向接入网、城域网甚至骨干网上渗透。而以太网与p o n 的结合， 便产生了e p o n 。它同时具备了p o n 和以太网的优点，成为f 1 砷伊兀h 领域中的 热门技术。目前8 0 2 ，3 a h 协议的正式版已于2 0 0 4 年6 月2 4 日发布。 1 1 2e p o n 的结构与工作原理 一套典型e p o n 系统主要由o l t ( o d c a ll i n et e r m i n a l ，光线路终端) 、o n u ( 0 p t i c a ln e t w o r ku n i t ，光网络单元) 和p o s ( p a s s i v eo p t i c a ls p l i t t e r ，无源光分路 器偶合器) 等构成。o l t 位于c o ( 中心局) ，提供e p o n 系统与服务提供商核心 数据、视频和电话网络之间的接口。o n u 位于用户端，提供用户的数据、视频和电 话网络与e p o n 之间的接口。p o s 是一个连接o l t 和o n u 的无源设备，它的功能 是分发下行数据和集中上行数据。 e p o n 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 r i m ) ，仅需一根主干光 纤和一个o l t ，传输距离可达2 0 k i n 。在o n u 侧通过光分路器分送给最多3 2 个用 户，因此可大大降低o l t 和主干光纤的成本压力。由于采用了点对多点的工作方式， e p o n 的上下行的工作方式是不同的。 e p o n 的下行工作方式为广播方式。各个o n u 通过l l i d ( l o g i cl i n ki d ，逻 辑链路标识) 来判别帧的归属，并接收属于本o n u 的帧和丢弃不属于本o n u 的帧。 下行工作方式示意图如图l - 1 所示。 图1 - 1e p o n 下行工作示意图 e p o n 的上行工作方式采用t d m a ( t n n ed i v i s i o nm u l t i p l e a d d r e s s ，时分多址) 的方式来使各个o n u 共享链路，o l t 为各个o n u 分配时隙，而每个o n u 只有在 自己分配到的时隙中才能向o l t 发送数据。上行工作方式示意图如图1 - 2 所示。 2 图1 2e p o n 上行工作示意图 e p o n 通过全网时戳( t m a e s t a m p ) 和测距来保持整个网络的同步。全网时戳由 o l t 的计数器值给出，并通过控制帧来将该时钟发送给每个o n u 。o n u 接收到该 时戳后调整本地时钟的偏差。 为了实现对各o n u 上行带宽资源分配，e p o n 要求每个o n u 都要向o l t 注 册。注册过程和动态带宽过程是通过i e e e8 0 2 3 a h 中增加的m p c p ( m u l t i - p o i n t c o n t r o lp r o t o c o l ，多点控制协议) 帧来实现的，而这些帧都是基于i e e e8 0 2 3 1 5 】的帧 格式。 1 1 3e p o n 中承载的各种业务 e p o n 作为一种新型的宽带接入技术，可以为用户提供几十兆甚至上千兆比特 的上下行对称带宽，可以满足宽带上网、视频点播、在线游戏、可视电话、数字高 清电视等各种业务的带宽需求，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活地 根据用户需求的变化动态分配带宽。e p o n 的光路设计使用3 个波长。上行波长为 1 3 1 0 n m ，用来传输v o d ( v i d e oo nd e m a n d ，数字视频点播) 、上行用户语音信号 和下载数据的请求信息。下行波长为1 5 1 0 n m ，用来携带下行数据、数字视频和语 音业务。另外增加1 5 4 0 1 5 6 0 n m 窗口的1 5 5 0 r a n 波长，用来直接传输模拟视频信 号。 在数据、语音、视频三大基本业务中，语音业务是最传统、使用人群最多、使 用范围最广的，本文所要讨论的主要内容正是致力于在e p o n 中实现模拟语音业务 的实时传输。 1 2t d mo v e l e p o n 研究的目的和意义 1 2 1 在分组网络中传输语音业务的主要技术 v o i c eo v e ri p ( v o l p ) 1 6 是当前应用极为广泛的一种语音传输技术，其基本原理 是：通过语音压缩算法对语音数据进行压缩编码处理，然后把这些语音数据按p 等 相关协议进行打包，经过口网络把数据包传输到接收地，再把这些语音数据包串起 来，经过解码解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由碑网络传送语音的 目的。m 电话系统把普通电话的模拟信号转换成计算机可按入因特网传送的口数 据包，同时也将收到的口数据包转换成模拟的语音信号。v o i p 技术采用了语音压 缩算法，虽然能节省网络带宽，但却影响了话音的传输质量，o o s 难以得到保证。 此外，口对信令的支持也不甚理想，协议和信令的转换相当复杂。这两大因素成 为了普及、b p 的主要技术障碍。 为此，以色列的r a d 数据通讯公司率先提出了t d mo v a l i p ( t d m o 坤) 的概 念【7 】。它的工作原理是在发送端的t d m o i p 设备将接入的e i f f i 等t d m 业务流加 上包头转换为p 数据流，同时插入同步比特信息，通过口网络将碑数据流传 送到目的地；目的地的t d m o i p 设备去掉口包头并利用同步比特流再生同步时钟， 将口数据流转化为e 1 f f l 业务流输出。因为t d m o i p 对e l t 1 来说是透明传输， 所以它对传统的电信网络兼容性非常好，所有传统的协议、信令、数据、语音、图 像等等业务都能够原封不动地使用该项新技术，相关的设备不需要做任 可改动。与 v o i p 技术相比，t d m o l p 采用透明传输的方式省却了协议和信令的转换，能够完全 兼容原有的电信设备。此外，由于不对t d m 业务进行任何压缩处理，话音质量大 大优于v o i p 。目前，i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ，互联网工程任务组) 下 属的p w e 3 ( p s e u d ow i r ee m u l a t i o ne d g et oe d g e ) 工作组致力于相关协议、标准的 4 研究和制定。 但是，为了提供完善的时钟恢复能力以及保证t d m 业务传输的实时性，在采 用t d mo v e l i p 方案的情况下，原始t d m 业务数据流还需要封装r t p 报头与u d p 报头，这样最终成帧后报头所占比重较大。另外，在口网络中，经不同路由传输的 数据包的延时情况不尽相同，数据包到达的先后顺序可能会发生错乱，接收设备还 需要对数据包按产生的先后顺序进行重组，额外增加了延时。综合考虑到t d m 业 务传输对网络带宽以及服务质量要求非常严格，现有的m 网络一般难以满足要求。 于是，又提出了一种基于局域网的t d m 业务解决方案) mo v e re t h e m e t 技术 嘲。它的工作原理是将完整的t d m 码流作为纯串行数据流在发送侧不作任何翻译和 解释封装到以太网数据包的数据区，接收侧再从数据包中提取串行数据，经过数据 排序、时钟恢复等处理，还原出完整的符合标准的t d m 码流。t d mo v e re t h e m e t 与t d m o v e r i p 的根本区别在于采用了二层封装协议。比较口协议，以太网协议相 对简单，报头占用比重低，带宽利用率更高。从应用角度看，目前以太局域网的应 用广泛程度远高于经过路由器的复杂口网络。对大多数用户而言，二层协议已经能 够满足要求。t d mo v e re t h e m e t 技术可以在以太网中提供e l t 1 等t d m 透明仿真 通道，实现以太网与p b x ( p r i v a t eb r a n c he x c h a n g e ，用户交换机) 等t d m 终端设 备的完全无缝连接。与现有的电路交换网络比较，该技术能够支持目前t d m 网络 提供的各类业务到以太网的适配，例如p s t n 接入、基站互联、帧中继等等。i 司时 由于采用了以太网物理链路，降低了服务成本，充分利用了丰富的以太网资源。 e p o n 是以太网( e t h e m e t ) 和无源光网络( p o n ) 两种网络技术相结合的产物， 与现有的以太网完全兼容。因此，t d mo v e re p o n 技术t 9 1 t 州的实质就是一种经过改 进的，根据e p o n 的特点，专为e p o n 而设计的t d m o v e re t h e m e t 技术。 目前，国内的格林威尔公司开发了一套电信级的多业务e p o n 系统 e a s y p a t h ，它把e 1 业务数据封装成标准的以太帧，与承载数据业务的以太帧一起在 e p o n 网络中传输，并综合考虑适配封装效率和保证t d m 业务严格的时延特性要 求。在定时同步上，其自主设计开发了与o l t 与o n u 之间系统同步独立的e 1 时 钟标签同步方法，完成e l 信号的同步定时。在e 1 电路业务的q o s 保证上，通过 区分业务的优先级，以及相关的动态带宽分配机制，来控制并保证t d m 业务的q o s 5 要求。 此外，美国a l l o 皿c 公司也开发了一套完整的e p o n 系统，它采用速率为 4 4 7 3 6 m b p s 的d $ 3 数字系列作为o l t 端t d m 信号接入端口，采用电路仿真的方 式传输t d m 信号，通过划分v l a n 来区分不同用户和业务，各o n u 根据用户类 型的不同，可以提供e l j t i 口和p o t s 口。同时，该系统也支持各o n u 用户间的 交叉连接。 1 2 2 本课题研究的目的和意义 虽然目前数据业务占据了网络流量的绝大部分并且数据业务对带宽的需求正 在快速增长，但无论是在我国还是世界上的其他发达国家，t d m 话音业务收入依 旧占据了电信运营商收入的很大部分。t d m 作为一项应用历史悠久的技术，至今 在网络中仍占有极其重要的地位，特别是建设周期最长、投资最大、设备数量及种 类最多的接入网层，是不可能短时间内改变这种局面的。而同时由于以太网技术和 数据业务的高速发展，有必要将这两种技术有机地结合起来。t d mo v 9 1 e p o n 作为 一种新兴的传输技术，使我们在建设宽带数据接入网的同时，可以充分利用旧有的 t d m 设备和现有的电路交换资源，向用户提供更好的语音和数据业务，解决了现 有t d m 终端设备与数据网络的无缝连接问题。因此，在新型的宽带接入网e p o n 中提供具有q o s 保证的t d m 业务是非常必要的，这有利于e p o n 的市场应用和满 足用户对不同业务的需要。 以太网是为传输数据业务应运而生的，数据业务对延时和抖动并不十分敏感。 另外，以太网本身也不提供端到端的包延时、包丢失率以及带宽控制的能力。而对 于e p o n 来说，除了传输非实时的数据业务以外，还需要支持包括t d m 业务在内 的实时业务的传输。从i e e e8 0 2 3 a h 工作组制定e p o n 标准的原则来看，具体的业 务封装由高层协议支持。因此，我们需要设计一种合理有效的t d mo v e re p o n 解 决方案，并且需要着重解决如下问题： ( 1 ) t d m 信号与以太网之间高效合理的适配封装； ( 2 ) t d m 信号的严格同步定时； ( 3 ) t d m 业务的q o s 的保证。 6 1 3 课题研究主要内容与论文结构安排 1 3 1 课题研究过程中的主要工作 本课题来源于上海市科委项目基金资助，编号：7 a 1 7 7 4 6 。本人负责在e p o n 中传输t d m 业务的网关的研究与设计工作，采用基于v a i 1 0 9 硬件描述语言【1 1 1 的 f p g a 设计实现，主要工作情况如下： ( 1 ) 收集并阅读了大量e f mt 作组成员关于e p o n 标准的公开建议和相关论 文，仔细研读和理解了i e e e8 0 2 3 a h 正式版协议： ( 2 ) 收集并阅读了大量的国内外关于在分组网络中传输t d m 业务的论文和资 料，重点研究了各自所采用的时钟同步方式； ( 3 ) 致力于有关在e p o n 网络中传输t d m 业务的研究与设计工作，并针对 e p o n 网络的特点，提出了一种适用于t d mo v e r e p o n 的时钟同步方式； ( 4 ) 申请了一项专利在以太无源光网络中传输电信时分复用业务的网关设 备，申请号：2 0 0 5 1 0 0 2 8 2 2 7 8 【1 2 】； ( 5 ) 研究了在t d mo v e re p o n 系统中实现n 6 4 k b p s 的p c m 话路传输功能并 分析了其传输性能； ( 6 ) 完成t d m o v e re p o n 系统的互连与调试工作。 1 3 2 论文的结构安排 本文分为以下几个部分： 第一章首先回顾了以太无源光网络_ | 弹o n 的诞生历程，然后列举并比较了 m ，t d mo v e ri p ，t d mo v e re t h e m e t 等当今在分组网络中传输语音业务的主要技 术，从而引出了在e p o n 中承载t d m 业务的解决方案，即t d mo v e re p o n 。 第二章接着提出了在e p o n 网络中传输t d m 业务的系统结构以及用于该系统 的局端与用户端t d m 网关的设计方案，对其中所传输的以太网帧结构作了明确定 义，并且简单介绍了当前较为流行的，也是本课题所采用的基于硬件描述语言的 f p g a 设计方法及流程。 7 第三章重点阐述了关于时钟同步方式的研究，在课题中主要涉及两种时钟同步 方式，一种是通用性较强的基于时戳的方式，另一种是本课题独创的专门针对t d m o v e re p o n 特点所设计的基于频率比值计算的时钟同步方式。在特定的e p o n 网络 结构中，采用后一种方式将简便而准确地恢复得到源端的同步时钟。 第四章提出了在t d m o v o r e p o n 系统中扩展n x 6 4 k b p s p c m 话音信号传输功 能的设想，这是本文的另一大创新之处。 第五章对t d mo v e r e p o n 系统中涉及的串并与并串转换、数据包发送与接收 等核心功能模块给出了f p g a 设计以及仿真试验结果，并在最后进行了系统的整体 调试。 第六章是论文的总结以及对未来工作的展望。 文章最后列举了作者在攻读硕士学位期间发表的论文以及本文的参考文献。 本课题的研究得到上海市科委项目基金资助，编号：7 a 1 7 7 4 6 。 第二章t d m o v e re p o n 的总体设计 2 1 电信时分复用业务的介绍 2 1 1t d m 业务简介 t d m 技术是指采用时间分割多路复用的方法对多路数字化的语音信号进行组 合，这些数字化的语音信号是通过对原始的模拟语音信号进行p c m 调制( p u l s ec o d e m o d u l a l i o i l ，脉冲编码调制) 所得到的。 目前，传统的电话业务都是通过p c m 复用设备以t d m 业务的形式来接入p s t n ( p u b l i cs w i t c h e d t e l e p h o n e n e t w o r k ，公众交换电话网络) ，并通过各中心局内部或 各中心局之问的电路交换来实现不同地区的电话用户之间的互相通信。 国际上存在两种标准数字速率系列，如表2 1 所示。我国和欧洲各国采用以 2 0 4 8 m b s 为基群速率的数字系列( e l ，e 2 ，) ，每个基群包含3 0 路话音；而 北美和日本则采用以1 5 4 4 m b s 为基群速率的数字系列( t 1 ，t 2 ，) ，每个基 群包含2 4 路话音。其中，高次群系统是由若干个低次群的数字信号通过数字复用设 备汇总而成。 群基群二次群三次群四次群五次群 中国路数3 0 路 4 1 2 0 路 x 4 4 8 0 路x 41 9 2 0 路 x 4 7 6 8 0 路 欧洲码速2 t 0 4 8 m b s8 4 4 8 m b s3 4 3 醯m 呐1 3 9 2 6 4 m h i s5 6 4 9 9 2 m b s 北美路数2 4 路x 49 6 路x 54 舳路x 31 4 4 0 路 d 5 7 6 0 路 日本 码速 1 5 4 4 m b s 6 3 t 2 m 呐3 2 , 0 6 4 m b s9 7 7 2 8 m b s 3 9 7 2 0 0 1 眦 表2 - 1p c m 数字速率系列【1 3 】 t d m 业务作为目前语音业务的主要实现方法，具有以下特点：( 1 ) t d m 设备 的成本低，易于安装和维护；( 2 ) 由于t d m 业务占用固定的带宽，因此它具有优 秀的话音质量，延时低，抖动小；( 3 ) 成熟的技术和解决方案；( 4 ) 基于标准的多 用户功能。 9 2 1 2e 1 一次群信号简介 e l 一次群信号是我国所采用的基群数字速率系列，广泛应用于邮电通信部门、 军队、电力、铁路等系统的传输网络中。删- t ( 1 7 0 4 f 1 棚和r 兀- 1 g 7 3 2 1 5 1 详细定义 了e 1 一次群信号的帧结构、帧同步机制等相关信息。e l 一次群信号的帧结构如图 2 1 所示。 i f 0 lf ， ri bibl 如ir i bi f ff ，lf 一。l f i t lf l ：if ，if l if - ，i i ， l 帧= 3 2 路时隙：1 2 5 1 s ，2 5 6 b i t 1 除 t s鹊 iil ”t s x s 卜l t s liiiiilli 旧阳i 12 l 一一 ， 同步时隙 e 二二信合时照岛路时隙l x0 oll0il 偶帧 001 01 0 l1l a ：i1 i 1 f o i x - l x ：i x ，i ) ( 4 i x ，l i x ，j j ： 1 卜幅度码一i ab lc i d l a | b lc ld 极性码 xi a xxxxx奇帧卜第1 路叫_ 第1 6 路。 口五日皿 卜- 第1 5 路一卜_ 第3 0 路叫 图2 - 1e 1 一次群信号的帧结构 从图中可见，一个复帧由1 6 帧组成；一帧由3 2 个时隙组成；一个时隙为8 位 码组。时隙1 1 5 、1 7 3 l 共3 0 个时隙用来作话路，传送话音信号。时隙0 ( t s o ) 是“帧定位码组”，用于发收端同步。图中表示出偶数帧和奇数帧的具体内容。偶 数帧的2 8 位为帧定位码组，规定内容为0 0 1 1 0 1 1 。奇数帧的4 8 位是备用码组， 用于国内通信，第3 位是帧对告码，用于指示远端失步告警，非告警状态为“0 ”， 告警状态为“1 ”。奇、偶数帧的第1 位是留作国际通信的备用比特。奇数帧的第2 位用来区别偶数帧或奇数帧，因偶数帧第2 位为“0 ”，则奇数帧第2 位固定为“1 ”， 以示区别。时隙1 6 用于传送各话路的标志信号码。标志信号码按复帧传输，即每隔 2 m s 传输一次。一个复帧有1 6 个帧，即有1 6 个“时隙1 6 ”( 8 位码组) 。除了帧0 ( f o ) 之外，其余帧1 帧1 5 ( f 1 - f 1 5 ) 的时隙1 6 用来传送3 0 个话路的标志信号。 如图所示，每帧8 位码组传送2 个话路的标志信号，每路标志信号占4 个比特，以 1 0 a ，b ，c ，d 表示。帧0 ( f o ) 的时隙1 6 为复帧定位码组。其中第1 至第4 位是复帧 定位码组本身，编码为“0 0 0 0 ”；第6 位为复帧对告码，用于复帧失步告警指示，失 步为“l ”；同步为“0 ”。其余3 比特为备用比特，如不用则为“l ”。要说明的是标 志信号码a ，b ，c ，d 不能为全“0 ”，否则就要和复帧定位码组混淆了。 从时间上讲，l 复帧为2 m s ，1 帧占1 2 5 雌，而一个时隙占3 9 归，每时隙8 位 码，即每位占4 8 8 n s 。从码率上讲，由于抽样重复频率为8 0 0 0 h z ，也就是每秒钟传 送8 0 0 0 帧，每帧有3 2 x 8 = 2 5 6 b i t ，因此总码率为2 5 6 b i t c p 贞x 8 0 0 0 “| 贞s = 2 1 m s k b p s 。 对于每个话路来说，每秒钟8 0 0 0 个时隙，每时隙8 b i t ，所以可得8 8 0 0 0 = 6 4 k b p s 。 2 2t d mo v e re p o n 的系统结构 2 2 1t d mo v e re p o n 整体设计 t d m o v e r e p o n 主要工作在o s i 七层参考模型的第二层数据链路层( m a c 层) ，局端设备与上一级网络的接口以及用户端设备与下一级网络的接口均为以太 网，在系统运行过程中要涉及t d m 业务信号与以太网帧结构适配的问题，因此必 须在o l t 端与o n u 端分别建立t d m 网关，以实现t d m 业务在e p o n 中的透明 传输。在e p o n 体系中，一个o l t 往往要管理多个o n u ，如果考虑给每个o n u 分配一路t d m 业务，那么在o n u 端的t d m 网关只需处理单路t d m 业务即可， 而在o l t 端的t d m 网关则要具有处理多路t d m 业务的能力。此外，在本课题的 研究过程中局端t d m 网关还扩展了话路分接复接的功能，o n u 可直接获得单路或 多路6 4 k b p s 的p c m 话音信号。基本的t d m o v e r e p o n 系统结构如图2 - 2 所示。 在下行数据传输方向，来自电信局的多路t d m 业务数据流送至局端t d m 网 关后，局端t d m 网关根据这些数据流所要到达的不同目的地，分别对它们按i e e e 8 0 2 3 以太网帧结构进行封装，加入相关的定时信息，并通过g m i i 接口发送到局端 交换机，经局端交换机的存储转发到达o l t 。在o l t 内，这些t d m 业务数据包重 新封装成为符合i e e e8 0 2 3 a h 标准的e p o n 数据包并广播发送至各个o n u 。各o n u 只接收目的地址与自身地址相同的数据包，并将它们再次转换为标准的i e e e8 0 2 3 以太网帧结构，将其中的普通数据包直接发送到用户终端进行处理，而将t d m 业 务数据包通过m i i 接口发送到隶属的用户端t d m 网关。用户端t d m 网关对这些 数据包进行解封装，恢复出原始的t d m 业务数据流，并根据包内的定时信息获得 同步时钟，以该时钟速率将t d m 业务数据流发送至用户驻地的p a b x ( p r i v a t e a u t o m a t i cb r a n c he x c h a n g e ，专用自动用户交换机) ，完成t d mo v e re p o n 的下行 数据传输过程。 图2 - 2t d mo v e re p o n 系统结构 在上行数据传输方向，用户端t d m 网关接收来自用户驻地p a b x 的t d m 业 务数据流，按i e e e8 0 2 3 以太网帧结构进行封装，并通过m i 接口发送到所属的 o n u 。在o n u 内，t d m 业务数据包与来自用户终端的数据包重新封装成为符合 i e e e8 0 2 3 a h 标准的e p o n 数据包，并根据系统所采用的动态带宽分配算法，在指 定的发送时隙内发送至o l t 。o l t 接收到这些数据包后，将它们再次转换为标准的 i e e e8 0 2 3 以太网帧结构，发送至局端交换机。局端交换机将其中的普通数据包直 接发送到上级骨干网，而将t d m 业务数据包通过g m 接口发送到局端t d m 网关。 局端t d m 网关根据这些数据包各自不同的源地址将它们分配到对应的通道中进行 解封装处理，恢复出各自的t d m 业务数据流发送至公众交换电话网络，完成t d m o v e re p o n 的上行数据传输过程。 2 2 2t d mo v e re p o n 的帧结构 t d mo v e re p o n 的帧结构与i e e e8 0 2 3 标准所定义的以太网帧结构完全兼容， 略有区别的是需要在数据区自行加入一些用于检错、定时的信息，具体的帧结构如 图2 - 3 所示。 图2 - 3t d m o v e r e p o n 的m a c 帧结构 其中，p r e a m b l e 是前导码，固定内容为7 字节1 0 1 0 1 0 1 0 二进制码，s f d ( s t a r t f r a m e d e l i m i t e r ) 是帧起始分隔符，固定内容为8 比特1 0 1 0 1 0 1 1 二进制码，它们用 来供接收端检测帧头，建立帧同步关系。d a ( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 和s a ( s o u r c e a d d r e s s ) 分别是目的端与源端的m a c 地址，各占4 8 比特。 由于t d m 业务是实时业务，传输时需要获得较高的优先级，因此在帧结构中 设置了v l a n ( v m u a ll o c a la r e an e t w o r k ，虚拟局域网) 信息。q t a g 是i e e e8 0 2 1 q 标准【16 】定义的标签头，用于标识v l a n ，它包括t p i d ( t a gp r o t o c o li d e n t i f i e r ，标 签协议标识) 和t c i ( t a gc o n t r o li n f o r m a t i o n ，标签控制信息) 两部分内容，各占2 字节。其中，1 p d 的值为8 1 0 0 十六进制码，表示该帧封装了i e e e8 0 2 1 q 标签， 而t c i 依次包含了3 比特的优先级信息( 可以指定8 种优先级) ，1 比特的c f i ( c a n o n i c a l f o r m a t i n d i c a t o r ) 和1 2 比特的v l a n d ( 总共可以划分4 0 9 6 个v l a n ) 。 t y p e 定义了帧的类型，占2 字节，通过设置用来供目的端对接收到的封装t d m 业务的帧与其他数据业务帧予以区别，从而进行相应的处理。 i e e e 8 0 2 3 标准定义的d a t a 区是用于封装所要传输的有效载荷的，但由于t d m 业务在传输过程中涉及定时同步等相关问题，因此不能直接将其封装入内，必须额 外加入一些信息以便接收端能有效处理。s n ( s e q u e n e en u m b e r ) 是帧的序列号， 占4 字节，每封装一个数据包，该值加l ，这样接收端就能根据序列号来判断在传 输过程中有无丢包情况并进行相应处理。c l o c ki n f o 是时钟同步信息，占4 字节， 由发送端产生，供接收端恢复同步时钟用，具体的工作机制详见第三章。在s n 和 c l o c ki n f o 之后的就是所要传输的t d m 业务数据流，根据不同的t y p e 字段定义， 分两种情况进行讨论。第一种情况( 透明传输多个t d m 帧) ，此时为了保证传输的 可靠性以及处理的便捷性，t d m 网关对业务数据流采用固定长度的封装方式，并 且这一固定长度应该正好是单个t d m 帧长的整数倍( k ) 。采用整数倍的好处是， 即使在传输过程中发生了丢包，接收端对t d m 帧的定位也不会遭到破坏。而这一 倍数( 置) 的取值应根据所传输的t d m 信号速率以及相关的传输延时要求来综合决 定。如果置取值太大，会使得数据包太长，延时太大；反之，如果足取值太小，则 开销所占比重太大，造成带宽浪费。第二种情况( 传输单路6 4 k b p s 的p c m 话音信 号) ，以e 1 一次群信号为例，1 路e l 信号复接了3 0 路6 4 k b p s 的p c m 话音信号， 这些话音信号分别位于每个e 1 帧的时隙1 1 5 、1 7 3 l ，此时传输的内容包括该路 p c m 话音信号所对应的时隙号( t h n e s l o tn t a n b e r ) ，对应的t s l 6 中的信令信息， 及其本身的码流。 最后，f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 是帧校验序列，占4 字节，是一个包含整 个帧的3 2 位c r c ( c y c l i cr o d u a d a n c yc h e c k ，循环冗余校验) 码，它通过对d a 、 s a 、q t a g 、t y p e 和d a t a 区域按循环冗余算法计算得到，接收端采用同样算法来计 算所接收到的帧的c r c 值，并将计算结果和该帧的f c s 值进行比较，以判断数据 在传输过程中是否遭到破坏。 2 2 3 局端t i ) m 网关的设计 局端t d m 网关负责中心局内多路t d m 业务到e p o n 网络之间的适配工作， 所支持的t d m 业务的路数与e p o n 网络的规模以及接入网覆盖范围内用户的需求 量有关。局端t d m 网关主要由多通道l i u ( l i n ei n t e r f a c eu n i t ，线路接口单元) ， h d b 3 n r z 码型转换，分接复接，串并转换，恸发缓存，封澍解封装，啊发控 制，时钟同步，回环控制，以太交换等模块和部件组成，具体的结构框图如图2 - 4 所示。 在下行数据传输方向，多通道l i u 从多路t d m 业务传输线路中提取出数据与 时钟信号，其中数据信号经i - i d b 3 n r z 码型转换与串并转换后，送入发送缓存区， 时钟信号则送入时钟同步模块进行计算得到一个与其速率相关的数值( c l o c kl i f o ) ， 具体算法详见第三章。当发送缓存区的容量达到一定程度，即暂存了置个t d m 业 务帧之后，向封装模块发送一个使能信号。然后，封装模块根据先到先发的原则依 1 4 次封装并发送各通道缓存区中的数据以及对应的时钟信息，最后经以太交换芯片发 送数据包至局端交换机。 = j ：竺竺爿竺竺 = _ - ti ) b 3 n r z 卜 分接 il 1 码型转换l 复接 - - 1再司f 砷 封装，收发回环以太 多通道 i i= ：l l i l i 解封装控制控制交换 |； = j h 码d b 型3 转n 换r z 17 l 耕撒 j 恸发酾 ： _ 。厂丽研 _ 图2 - 4 局端t d m 网关 在上行数据传输方