（通信与信息系统专业论文）基于nisdn接入多媒体通信系统研究.pdf

y 她眦 基于n i s d n 接入的多媒体通信系统研究 通信与信息系统专业 研究生周冰指导教师徐家品 近年来，数据通信业务需求急增，然而用户接入网这一瓶颈却制约了业务 的发展，“一公里问题”是目前通信界的新课题。遍及我国城乡的铜线网是现今 话音通信的物理基础，也是潜力巨大、尚待开发的数据通信用户接入资源。本 文所研究的正是基于铜线n - - i s d n 接入的h 3 2 0 多媒体通信课题。 本文针对铜线接入技术应用的基础和现状，对v 9 0 、m o d e m 、x d s l 、i s d n 等接入方式的技术特点、接入难度、运行管理和经济性等方面进行对比分析， 结合接入的具体环境，通信需求和经济性等方面的特点，重点阐述了n i s d n 接入方案的可行性和“基于n i s d n 接入的h 3 2 0 多媒体通信系统”的实现 方案。 本文涉及视频、音频数据压缩和多媒体通信的基本理论，以及h 3 2 0 协议 栈，重点分析了n i s d n 的基本理论、相关协议和接入技术。详细地阐述丁 本人承担的硬件和软件研发工作，并对接入理论和关键技术的合理运用、软硬 件实现技巧和方法进行了重点分析。 本文把握硬件与软件相结合的原则，充分利用硬件速度快和软件节省资源 的优点。第一，选用m o t o r o l a 的m c l 4 5 5 7 2 芯片来实现终端在u 节点的n i s d n 的物理接入。提供2 b + d 信道的全双工的数字通信，速率达1 2 8 k b p s 。第 二，b 信道承载数据量大，实时性要求高，采用i n t e l8 0 c 1 5 2 作为c p u ，利用 其g s c 硬件通道实现b 信道数据的s d l c ( 同步数据链路) 装帧与解帧，以确 保通信的实时性。对通信数据量相对小的d 信道，采用软件实现装帧与解帧。 第三，采用结构简单的外部同步时钟电路实现8 0 c 15 2 和接入芯片m c l 4 5 5 7 2 的同步传输，巧妙地避开了复杂的f p g a 接口电路。第四，利用d m a 技术完 成数据快速收发，降低了数据传输时延及c p u 占用率。第五，巧妙地运用8 位c p u 的软件查表法快速实现了1 6 位c r c 校验，且节省了硬件、软件开支， 加快了处理速度。由于这些关键技术的合理运用，确保了系统快速、稳定、可 靠的接入。 本研究课题出自四川i 省彭州市远程安全生产监控与管理信息系统的多媒体 通信子系统，所用n i s d n 接入具有广泛的适用性，根据应用的具体情况， 稍作改动即可在可视电话、远程教育、交通管理、无人值守监测监控等方面发 挥作用，故在铜线网接入环境下具有较高的推广应用价值。 关键词：n i s d n 接入、多媒体通信、h 3 2 0 、m c l 4 5 5 7 2 、8 0 c 1 5 2 t h er e s e a r c ho fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do n n i s d na c c e s s 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 g r a d u a t e ：z h o u bin gt e a c h e r ：x u ji a - p i n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gn e e do fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n s e r v i c e s ，t h ep r o b l e mo fa c c e s s t oi n t e r n e ti st h eb o t t l e n e c k r e s t r ic t i n gt h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls e r v i c e s ，w h i c hi san e wis s u e t ob er e s o i v e d o nt h eo t h e rh a n dt h en e tb a s e do nc o p p e r w i r ei sw i d e l y u s e d 、p o t e n t i a la n dd e v e l o p m e n t a l t h er e s e a r c hi nt h ep a p e ri sa b o u t h ，3 2 0m u l t i - m e d i ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nc o p p e r w i r en - i s d n a c c e s s f i r s t l y ，t h ep a p e rc o m p a r e sv 9 0 、m o d e m 、x d s l 、i s d n i nt h e i r c h a r a c t e r s 、d i f f i c u l t i e s 、m a n a g e m e n ta n dc o s t s f i n a l l y ，w ec h o o s et o c o n s t r u e tt h eh 3 2 0m u l t i - m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nn 一 s d n 。 s e e o n d l y ，i nt h et h e o r e t i c a lp a r t0 ft h ep a p e r ，t h eb a s i ct h e o r yo f h 3 2 0m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d s u c ha st h e c o m p r e s s i o n o fv i d e oa n da u d i od a t a 、h 3 2 0s t a c kp r o t o c o la n de s p e c i a l l yi n t r o d u c e d t h et h e o r y 、r e l a t i r ep r o t o c o la n dt h et e c h n i q u eo fa c c e s st ot h en e to f n - i s d n i nt h ea p p l i c a t i o np a r to ft h ep a p e r ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei si n t r o d u c e di nd e t a i l e m p h a s i z i n go nt h ea p p l i c a t i o no fk e y t e c h n i q u e 、s o f t w a r ew o r k t h ed e s i g nc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fh a r d w a r e sh i g h s p e e da n d s o f t w a r e sl o wr e s o u r c e s ：1 ) m c l 4 5 5 7 2i sc h o s e nt oa c c e s st h en e t p r o v i d i n g1 2 8 k b i t s 、2 b + df u 儿d u a lc h a n n e l s ：2 ) b e c a u s e0 fbc h a n n e l s l a r g ea m o u n t0 fu s e rd a t aa n di t sh i g hd e m a n d so fr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ， t h eg s ch a r d w a r ec h a n n e lo fi n t e l8 0 c 1 5 2u s e da sc u po f t h es y s t e mi s u s e dt ow r a p u n w r a pbc h a n n e l ss d l c ，e n s u r i n gt h es y s t e mr e a l t i m e w 。r k i n g a n d s o f t w a r em e t h o dc a nr e s o l v edc h a n n e l sw o r kf o ri t s l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o n ：3 ) c p u8 0 c 1 5 2iss y n c h r o n i z e dw i t hm c l 4 5 5 7 2b y a s i m p l es y n c h r o n o u sc i r e u i t ，a v o i d i n g t h ec o m p l e xf p g ai n t e r f a c ec i r c u i t ： 4 ) d a t at r a n s m i s s i o n u s ed m a ，w h i c hr e d u c e st h ed e l a yo fd a t at r a n s m i s s i o n a n dc p uo c c u p y i n g ：5 ) 8 b i ts o f t w a r el o o k u pt a b l em e t h o dc a na c h i e v e1 6 b i t c r cq u i c k l y ，w h i c hr e d u c e st h er e s o u r c eo fb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e u s i n gt h e s et e c h n i q u e sc a ne n s u r et h es y s t e mw o r k i n gf a s t a n ds t a b l y t h em u l t i - m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e ms t u d i e di nt h ep a p e ri sa p p l i e d t os a f ep r o d u c t i o nm o n i t o ta n dm a n a g e m e n ts y s t e mi np e n g z h o u ，s i c h u a n p r o v i n c e ，w h i e h i sa l s oc a nb eu s e di nv i d e op h o n e 、l o n g d i s t a n c e e d u c a t i o n 、t r a f f i cm a n a g e m e n t 、n om a nm o r t i t o rs y s t e me t c i naw o r d ，t h e r e s e a r c hc a nb ew i d e l yu s e di nc o p p e r w i r en e ta c c e s ss y s t e m s k e yw o r d s ：i d s n 、m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n 、h 3 2 0 、m c l 4 5 5 7 2 、8 0 c 1 5 2 1 1 1 1 引言 1 i研究背景 近年来，我国的通信事业有了长足的的发展，特别是通信骨干网的建设 已达相当的规模，其容量也己超过了当前数据实际通量，数据通信业务的扩 大受到了用户接入网这一瓶颈的制约。于是，数据通信的用户接入网的建设 和“一公里问题”的研发也就成了目前通信界一个新的课题。 本课题来源于四川省彭州市远程安全生产监控与管理信息系统的多媒体 通信子系统。它要求能够实现用户与用户之间的端对端的数字通信，在控制 中心方便地通过网络实现对远程( 包括无人执守) 监控终端的控制，将远端 安全生产状况的多媒体信息采集至控制中心，并能将控制指令信息传到远程 监控端，确保安全生产。本系统实现的关键问题之一是多媒体通信的网络接 入。目前，有多种网络接入方式，诸如铜线接入方式有i s d n ( 综合业务数字 网) 接入、v 9 0m o d e m 接入、x d s l ( 用户环路) 接入，还有h f c ( 光纤同轴 电缆混合接入) 和以太网接入等。究竟选择哪一种网络接入技术更合适呢? 这就需要从系统实际的应用角度出发。 遍及我国城乡的铜线网是现今话音通信的物理基础，也是潜力巨大、尚 待开发的数据通信用户接入资源，以铜线网作为数据通信的接入网无需再投 资建设。在这一点上，以太网和h f c 等接入网是无法比拟的。所以首选以电 话铜线作为网络接入的传输媒体。 本系统所传输的数据包括h 2 6 3 视频图像数据流、g 7 2 3 音频数据流、 及一些监测和控制数据( 例如：温度、压力、液位、可燃气体等一系列数据) 。 而h 2 6 3 是一种极低码率的视频图像压缩标准，传输码率可低于6 4 k b i t s 。： 音频数据流压缩采用g 7 2 3 标准，它可根据当时所传数据量的多少状况实现 6 3 k b i t s 及5 3 k b i t s 的低码率传输；另外这些监测数据的数据量极小， 且非连续传输，由此可见该系统的实现对带宽要求较低，可以考虑窄带接入。 在控制中心进行远程监测、监控时，要求与监测端建立连接，采集的视 1 频数据、音频数据以及温度、压力等监测数据，控制中心根据传送来的数据 作出响应，对监测端进行控制，同时在控制中心要求通信结束时，拆除连接。 电信网络可以方便地实现通信呼叫、通信建立、及拆除连接过程。 针对以上应用需求及接入环境，可以考虑n i s d n ( 窄带综合业务数字 网) 接入、v 9 0 的l o d e m 接入，以及a d s l ( 非对称数字用户环线) 接入技术。 v 9 0m o d e m 在线路状况良好的情况下，上行通信速率最多能达3 3 6 k b p s 如 果在偏远地区双工通信速率一般在2 0 k b p s 以下，这样的带宽，明显偏低。那 么目前很火热的a o s l 技术能利用原有的电话铜线提供较高的通信速率，随着 用户量的增多，运营成本也在下降，很适合i n t e r n e t ( 全球互连网) 冲浪的 应用对象。目前a d s l 网络构建基础是基于实现用户端与i s p ( 服务商) 之间 的连接，对于象本系统这样的用户端与用户端之间的数据通信还显得力不从 心。当然a d s l 也可以通过v p n ( 虚拟专用网) 技术实现用户端与用户端之间 的直接通信，但是需要网络服务商提供特殊的服务。这就必然导致技术难度 加大，资金、设备及运行费用增高。 相比之下，i s d n 网是由i d n ( 电话综合数字网) 演变而来的，它的构建 基础使得它实现端对端( 用户对用户) 的连接相当方便，无需服务商的干预， 就如同我们现在打电话，只需拨对方的号码，通过交换机完成对对方的呼叫 以及连接建立。这是我们的系统得以实现的基础。可见，i s d n 网组网更加灵 活，能方便的实现用户端与用户端之间的直接通信。无需网络服务商提供特 殊的服务，因而费用更低廉，使用更方便。同时n i s d n 提供的1 2 8 k b i t s 的基本速率接口，对于传输监控系统所要求的音频、视频、以及监测数据已 经绰绰有余，不需要更宽的带宽。可见n i s d n 是一种合适的选择。 此外i s d n ( 综合业务数字网) 还具有以下一些特点： 传输质量商，i s d n 采用端到端的数字传输，数据传输比特误码性能比 传统的电话线路至少改普1 0 倍，为系统通信的可靠性提供了保证。适于长距 离的传输： 通信费用适宜，i s d n 网的收费标准与普通电话的收费标准相同，费用 低廉，非常经济。 提供综合的通信业务，利用对用户线可以提供电话、传真、可视图 文、多媒体信息、数据通信等多种业务。用户在每一次呼叫时，可以根据需 要选择通信速率。i s d n 与语音融合的天衣无缝，在上网的同时，可以进行接 听电话和收发传真； 使用灵活方便，用户使用一个入网接口和普通电话号码就能从网络上 得到多种服务，用户可以在接口上连接不同类型的符合i s d n 接1 ：3 标准的终 端： 同时使用i s d n 也会给管理部门带来好处，它使得各种专用网互通，网 络资源得到合理利用，效率大大提高，维护更加方便，i s d n 网符合了全球各 种通信网络合并为一的发展趋势。 综上所过，本系统采用n i s d n 接入不失为一个可行方案。 研制一种低成本、低功耗、使用方便灵活的脱机n i s d n 终端是我们的 目的。目前市场上的 s d n 产品大多都未脱离p c 机，以及n t i 和t a 终端适配 器，外形笨重而且需要人来进行操作。在很多的使用环境下不适用，特别是 在无人环境中应用更是无法实现，这限制了i s d n 产品的适用范围。本系统为 脱机系统，摆脱了价格昂贵、操作复杂的p c 机，使之应用更加灵活方便，成 本更低廉，应用范围更广范，可以胜任诸如：交通道路监控、公安部门过程 取证、水利部门远程水位监控、视频会议、安全益控、医疗看护、远程医疗 会诊、远程教学辞工作。尤其适用于那些偏远地区，或是条件恶劣的无人看 守的远程监控。由此可见，基于n 一 s d n 接入的多媒体终端具有很强应用价 值，所以有研究开发的必要。 1 2 系统构成 由图i 1 所示基于n i s d n 接入的安全生产监控与管理系统的构成。 监控终端负责对生产过程进行监控，并把通过传感器测量到的数据( 如：温 度、压力、水位等) ，以及现场状况( 视频图像及声音) 经过压缩、复接后， 经过用户端n i s d n 接入子系统，将数据封装成s d l c ( 同步数据链路) 帧， 并转换成适合在线路上传输的数字信号通过电信网络传输到控制中心。控制 中心是由p c 机来完成对多媒体数据的解复接和解压缩的，p c 机通过n t l ( 第 一类网络终端) 和t a 终端适配器接入i s d n 。控制中心根据接收豹数据，分 析后，将控制信息传送给监控端，产生相应的控制。 在参与整个系统设计的过程中，作者的工作重点放在用户端n i s d n 接 入子系统。该予系统在整个系统中起着至关重要的作用，它是监控端与控制 中心之间的桥梁。 图1 1 基于n i s d n 接人的安全生产监控与管理系统 2 基于n l s d n 接入的h 。3 2 0 多媒体终端及相关理论 2 1i s d n 终端构成 本系统的设计依赖于h 3 2 0 协议族，图2 1 1 为基于h 3 2 0 标准的i s d n 多媒体终端的功能框图。如图可知，可分为多媒体信息处理子系统、控制协 议子系统以及用户网络接口子系统。 塑璺堡苎：l 、 备 南 解 络 矗t 2 3 l 蚕 撸 托2 4 2k2 3 0 鎏 口 ： ii浦l 惴的信令。i 编 等 z q 4 # h q 4 戤l 按 i 莱列协议 人 l 系统控静j ；1 浦到网络的信令一 1 v t 图2 1 1 基于n 一1 s d n 接入的h 3 2 0 多媒体终端的功毹框圈 在发送端，语音数据通过音频输入的声卡采集，经过语音编码器的编码 后送给h 2 2 1 模块，封装成帧，然后送入h 2 2 1 的复用层。视频数据由用做 视频输入的视频采集卡，经过h 2 6 3 编码器的编码后，送给后送给h 2 2 1 模 块，封装成帧，送入h 2 2 1 的复用层。h 2 2 1 则根据当前传送的控制数据、 语音数据、视频数据的状况选择复用模式，加入适当的复用层控制数据发 送到用户一网络接口子系统，再发送到对端。 接收端，网络一用户接1 ：3 将收到的编码比特流送给h 2 2 1 的复用层，然 后按照复用层的语法，从该比特流中恢复出不同逻辑信道的数据，将控制信 息去掉，将信息数据上传给相应的解码器，对语音数据经解码器解码后，将 波形数据送给系统酶播放缓冲区，由系统播放。对视频数据经解码器解码后， 将数据送给系统的显示缓冲区，由系统显示。 在实际传输处理过程中，语音处理比图像处理有更高的优先权。当图像 编码速率不能满足要求时，按某种规则填充无效比特。图像编码的延迟总是 大于语音编码的延迟。语音延迟在l s 左右，而图像在2 s 左右。所以要做唇 同步控制。可在语音编码后加入延迟实现。 2 2 多媒体信息处理子系统 2 2 1 音频信号的压缩 本系统语音压缩选用i t u t 己制定的语音压缩标准中码率最低的一 种一一g 7 2 3 1 ，它可以根据情况，采用6 3 k b i t s 和5 3 k b i t s 两种编码速 奎。 7 2 3 i 末示准采用线性预测的合成分析法。对激励信号进行量化时，高码率 算法采用多脉冲最大似然量化( m p m l q ) ，而低码率算法则采用算术码本激励 线性预测( a c e l p ) 。语音信号的参数模型是用激励信号激励一个系统模型来模 仿气流冲激声道产生的声音。线性预测法基于全极点模型假定，采用时域均方 误差最小准则来估计模型参数。分析过程中要提取的参数包括声道系统的 l s p 参数、自适应码本的延迟和增益，以及固定码本中脉冲的位置和符号。 g 7 2 3 1 编码器能对以8 k l l z 采样的话带语音信号进行压缩。为了降低码 率，g 7 2 3 1 采用了较长的帧尺寸，每帧2 4 0 个样值，即3 0 毫秒帧长。每帧输 入信号首先通过一阶商通滤波器滤除直流分量，然后将之分成四个6 0 个样值 的子帧，每个子帧独立进行l p c 分析。为了提高l p c 系数的连续性，采用了长 度为1 8 0 个样值的重叠窗，即同时包含前后两个子帧，这使算法引入6 0 介样值 的超前时延，因此算法的总时延为3 7 5 毫秒。l p c 系数用线性谱频率( l s f ) 表 示，l s f 参数采用预测分裂矢量量化，只对第四子帧进行。为了提高量化感知 质量，高通滤波后的语音信号需通过共振峰感知加权滤波器和谐振峰噪声整 形滤波器以生成初始目标信号。前者参数由各子帧的未量化l p c 系数构成， 后者通过对每两子帧进行开环基音周期估计得到。其中基音周期的范围为1 8 到1 4 2 个样值。l p c 合成滤波器、共振峰感知加权滤波器和谐振峰噪声整形 滤波器用于系统零输入响应计算和最佳激励估计。g 7 2 3 1 编码器还包括一 个五阶基音预测器，其参数根据开环基音估计值和脉冲响应进行闭环基音搜 寻得到。在进行最佳激励估计时，需从初始目标信号中减去系统零输入响应和 基音预测器贡献以得到最终目标信号，然后针对高低码率分别采用m p m l q 和 a c e l p 方法进行量化。其中，l s f 参数、基音值和激励参数需传送给解码器。 解码器首先根据得到的l s f 参数重建l p c 合成滤波器，然后根据基音值和 激励参数得到自适应码本激励信号和固定码本激励信号。 2 2 2 视频信号的压缩 视频压缩采用低码率压缩标准h 2 6 3 协议。它可以支持q c i f ( 1 7 6 1 4 4 ) 和c l f ( 3 5 2 x2 8 8 ) 格式，q c i f 格式可提供1 5 帧s 2 0 帧s 的帧率，c i f 格式可提供l o 帧s 1 5 帧s 的帧率。 h 2 6 3 其核心技术是基于块的d c t 变换和运动估计与预测技术。前者是通 过正交变换消除图像8 x 8 像素子块数据中存在的空间冗余而得到一定的数 据压缩( 大约为4 ：1 ) ；对于后者，首先对输入的每一图像进行层次划分， 直到分为8 8 的像素的块作为运动估计算法的基本处理单元，然后进行运动 信计与预测。其编码器的原理框图如图2 2 1 所示。 图2 2 ih 2 8 8 编码器原理框固 但是h2 6 3 是在h 2 6 1 基础上的性能的提高，h 2 6 3 的运动补偿可达到 半个像素的精度，同时它吸收了m p e g 的一些特点提供了4 个可选新特性：非 约束运动向量模式、基于句法的算术编码模式、高级预测模式、p b 帧模式。 因此使得h ，2 6 3 只需5 0 一1 0 0 的比特率就可达到与h 2 6 1 相同的视频质量， 当l 2 6 3 用于低比特率情况时，这种改进尤为明显，但h 2 6 3 用于高比特率 情况时，与h 2 6 1 差别很小，同时h 2 6 3 还包括更广范的图像格式。 h 2 6 3 能得到较高压缩比的原因是它采用了多种技术从3 个方面消除冗 余： 第一是视觉冗余，h 2 6 3 充分利用了人眼对亮度信号比对色度信号敏感 的特性，对视频信源中对色度信号进行了亚采样，形成了y u v l 2 ( 即y ：u ：v - - - 4 ：1 ：1 ) 格式，使得平均每个像素的数据量由原来的2 4 b i t ( y 、u 、v 各 占8 b i t ) 降低为1 2 b i t ( y 8 位，u 、v 各2 位) ，从而使数据量5 0 ，从而达 到了消除视觉冗余。 第二是空间冗余，采用d c t 变换技术，并对d c t 变换量化的系数进行编 码iv l s 、，及熵编码。有效地消除图像内相邻数据的强相关性。 第三是消除时间冗余，由于视频序列两帧之间的时间很短，两者一般相 差不大，存在着很强的相关性，采用已编码的图像对后来待编码的图像进行 运动估计与预测，再对差值进行编码，能充分消除两帧图像之间的强相关性， 得到较高的压缩b b 。 2 3 多媒体终端控制子系统 多媒体终端控制主要包括实现端对端控制的协议h 2 4 2 和h 2 3 0 ，以及 实现多媒体信息流和控制流复接和解复接的h 2 2 1 协议。 2 3 1 复接和解复接协议h 2 2 1 在此标准中，每8 0 b ( 1 m s ) 的数据构成l 帧。每字节中的o 7 位，分 别被分配至相应的子信道中，每个子信道的传输率为8 k b p s 。例如：所有字 节的第1 比特被分配至第1 个子信道信道号为0 。信道号为7 的子信道称 为公务子信道s c 。看图2 2 1 在s c 中，前8 个比特作为帧较准信号f a s 。f a s 给出帧的较准信息，告警信号，以及错误检测等。s c 的第2 个8 比特称为比 特率分配信号b a s ，b a s 实际上是通信控制信息，用来描述终端具备的能力， 信道的构成，控制与指示信号( c i ) 等。s c 的第3 个8 比特可以作加密控 制信号e c s 。s c 的剩余带宽可以由用户数据占用。 如图2 3 1 所示为n i s d n 基本速率接口的两个b 信道( 1 2 8 k b i t s ) 共 同使用时，子信道的占用情况。从图中可以看出这实际上是一种同步时分复 用的方法。不同媒体的数据分别在所分配的固定的时隙中传送。因而它们各 自所用的带宽是固定的。 。 s c 予信道s c 千信遵 ql234567ql2 345 6 7 p ， a la 2 a 3a 4a 5a 6的 f a s b ib 2b 31 5 48 5b 6b 7 f a s a 8a yb 8b 9 b a b a s e c se c s 图2 3 1h 2 2 1 帧结构图 2 3 2 端对端的控制协议( h 2 4 2 h 2 3 0 ) h 2 4 2 h 2 3 0 的控制功能主要包括：通信能力的交换( 指双方将自己的 能力，如总传输速率，是否具备语音和视频信号同时通信的能力，可处理的 压缩编码解码方式等) 互相交换，协商，确定此次通信采用哪些模式；子信 道( 逻辑信道) 的管理；身份认证，密钥分发：动态模式转换( 参加、退出、 转换速率等) ；远程控制功能等。 在前面对h 2 2 1 的分析中，我们知道公务子信道s c 中的b a s 码携带着通 信控制消息，而h 2 4 2 h 2 3 0 协议规定了实现控制的过程，二者必须结合使 用。由于一个b a s 码只有8 比特，所能表达的信息有限，要传送复杂的控制 信息时，需要采用单字节扩展( s b e ) 或多字节扩展( m b e ) 的b a s 码。 9 由于b a s 码是与连续媒体复接在一个帧内传输的，连续媒体对误码的要 求不高，但控制信息的传输，需要保证其可靠性，故同一个b a s 码除了8 个 信n , u g 特c , b ，还应加上8 个纠错比特，使其在一定误码条件下能正常工作。 2 4n l s d n 接入技术 本论文将对n i s d n 接口部分作以重点介绍。 2 4 1l s d n 网络基本结构及能力 i s d n 的基本结构如图2 4 1 所示，由该图可以看到i s d n 的用户一网络 接口、网络功能和i s d n 的信令系统。 ；一一一一一一。 。一_ 一- 一；一一一。 i ： 一一_ 一_ - 一- _ _ - 一_ 一一_ 一一- 一_ 一- _ - 一_ 一。 图2 4 。1i s o n 结构功能图 i s d n 终端设备通过标准的网络一用户接口接入i s d n 网络。n i s d n 有两种不同速率的标准接口：一种是基本入口( b a s i ca c c e s s ) ，速率为 1 4 4 k b i t s ，支持两条6 4 k b i t s 的用户信道和一条1 6 k b i t s 的信令信道：另一种 是一次群速率入口( p r i m a r yr a t ea c c e s s ) 其速率和p c m 一次群速率相同 ( 2 0 4 8 k b i t s 或1 5 4 4 k b i t s ) ，支持3 0 或2 4 条6 4 k b i t s 的用户信道和l 条1 6 k b i t s 的信令信道。这两种接口都可以用双绞电缆作为传输媒体。 i s d n 具有多种能力，包括电路交换能力，分组交换能力，无交换连接 1 0 能力和公共信道能力。 i s d n 具有三种不同的信令：用户一网络信令，网络内部信令和用户一 用户信令。这三种信令工作范围不同：用户一网络信令是用户终端设备和网 络之间的控制信号；网络内部信令是交换机之间的控制信号；用户一用户信 令则透明地穿过网络，在用户之间传送，是用户终端设备之间的控制信号。 i s d n 的全部信令都采用公共信道信令方式，因此在用户一网络接口及网络 内部都存在单独的信令信道，和用户信息信道分开。 2 4 2n i s o n 接入子系统 2 4 2 1 i s d n 用户一网络参考配置 用户一网络接口提供用户进入网络的手段，它对于i s d n 是至关重要的。 对于目前不同的通信网中存在不同的用户一网络接口，例如模拟电话、用户 电报接口，及x 2 5 接口、局域网接口等等，这些接口都是为某一种特定的业 务设计的，用于专门的通信网。而i s d n 用户一网络接口标准不同于任何现 有通信网使用的标准，i s d n 的目标是使用少数几个兼容的接口来实现大量 的应用，所以它的接口应具有一些特殊要求： l 、通用性：不同类型的终端和应用能使用同一接口。 2 、隔离性：在维持接口不变的条件下，终端和网络的设备、技术和配 置可以单独改进和革新。使开发工作简单化。 3 、可移动性：终端可以从一个场所搬到另一个场所，不需要接入时的 登记注册手续，只要插到i s d n 的插座上，立即就能通信。 为了定义i s d n 用户一网络接口的配置，c c i t t 建立采用相应的接口标 准，采用了功能群和参考点的概念。 功能群：用户接入i s d n 所需的一组功能，这些功能可以由一个或多个 设备来完成。 参考点：用于分割功能群的概念上的点。 应该注意的是，功能群和参考点都是抽象的概念，它们可能映射实际的 物理结构，但又不同于物理的设备和接口。 根据功能群和参考点的概念，c c i t t 4 1 1 建议提出了i s d n 用户一网 络接口的参考配置。见图2 4 2 。 如图2 4 2 的配置，用户接入i s d n 网的功能可划分成以下几个功能群： a 、网络终端l ( n t i ) ：它包含o s i 第l 层的功能，即用户线传输终端 的有关功能。 嘲 ：f 里! hi ：携 * - 、_ 图2 4 2i s d n 用户一网络接口的参考配置 b 、网络终端2 ( n t 2 ) ：n t 2 又叫作智能的网络终端，它可以包含o s i1 - 3 层的功能。n t 2 可以完成交换和集中的功能。n t 2 的例子有数字p b x ，集中 器，它可以将一定数量的终端设备连接成局部专区的专用网络，提供本地交 换功能，并经t 参考点和n t l 将局部网络和i s d n 沟通。 c 、l 类终端设备：( t e l ) 又g q 做i s d n 标准终端设备，它是符合i s d n 接口标准的用户设备。它完成用户侧l 3 层的功能以及面向某种应用的高层 功能。 d 、2 类终端设备：( t e 2 ) 又叫做非i s d n 标准终端设备，它是不符合 i s d n 是接口标准的用户设备。它包含了现有通信网中的终端设备，例如： 具有r s - - 2 3 2 物理接口的终端和具有x 2 5 接口的终端；也可以是其他任何 非标准设备。t e 2 需要经过终端适配器t a 的转换，才能接入i s d n 的标准接 口。t e 2 完成面向某种应用的高层功能以及非标准接口有关的低层功能。 e 、终端适配器：( 1 a ) 它完成适配功能( 包括速率适配及协议转换) ， 使t e 2 能接入i s d n 的标准接口。t a 具有o s i 第l 层的功能以及高层功能。 见图2 4 1l t 为线路终端，e t 是i s d n 交换机终端。图中还标出了用 户一网络接口上的参考点：图中两个不同功能群连接处的点为参考点。在参 1 2 考点s 或t 处的接口特性，c c i t t 进行了标准化，有明确的规定。参考点r 涉及所有的非标准i s d n 终端设备与适配器t a 的连接a 因涉及范围极广， 其接口特性没有统一的规定，但在典型情况下，这个接口一般符合c c i t t 系 列或v 系列建议。参考点v 是网络侧线路终端u 与交换机e t 之间的分界 点。u 参考点对应于l t 及n t i 之间的点。 本课题中所研究的终端设备，既要完成n t l 的功能，也要完成n t 2 的功 能。同时做为一个t e l ( 标准的i s d n 终端设备) ，也应实现高层功能。我的 工作重点放在底层功能的实现。 、 2 4 2 1u 接口 综合业务数字网发展初期都是由电话综合数字网( i d n ) 演变而成，为用 户提供端到端的数字连接，当前世界各国已实现的电话综合数字网均由程控 数字交换机为变换接点，以p c m 数字微波或光缆等为数字传输链路所组成， 即通信网内部实现了数字化。但是在用户与数字网络接口上仍然为模拟传输。 因此，在i d n 向i s d n 过渡中的首要任务就是实现用户线数字化。u 接口正是 实现模拟用户线数字化的关键部件。由于用户线改造投资巨大，难以统一实 旅。各国的情况又各有不同用户业务器求也不尽相同，无全都统一改造的 必要。所以一时很难对u 接口规定统一的标准。各国可根据本国实际制定u 接口规范。但是从上圉中可以看出u 接口是用户秘网络的天然的分界点，实 现起来更方便。所以在本系统中，采用了u 接口实现i s d n 接入。 参考点u 对应于用户线路接口，用以描述在用户线上的全双工数据信号， 它采用了用户平衡线对上全双工数字信号传输方式，既是克服用户环路近端 串音、远端串音和自噪声的方法，也是减小桥接抽头反射的方法。在选择用 户线数字传输方式时，应考虑市话电缆的串音特性以及传输距离等因素。对 幅员较少、用户线短、且采用纸绝缘电缆的国家，如日本等国，采用时间压 缩法( t c h l ) ；而对于幅员广大、用户线较长、采用塑料绝缘电缆的国家则采 用回波抵消法( e c ) 为宜。我国也采用回波抵消法。 由于各国的用户线特性和配置有差异，所采用的线路码也有所不同，码 型的选择在很大程度上决定了设备的复杂性e 回波抵消法一般采用4 8 3 t 码和 2 b t q 码。本课题中采用的u 接口发送接收器采用2 b i q 线路码，支持在一条 金属双绞线对上以1 6 0 k b i t s 速率全双工传送数字信息，传输距离可达6 k m ， 并可包括桥接去路。 u 接口发送接收器传送的数据信息由各个复帧构成。一个复帧长1 2 m s ， 包括9 6 0 b a u d ，每个复帧8 个基本帧。每个基本帧长1 5 m s 、1 2 0 b a u d 。每基 本帧的前9 b a u d 是一个同步字，接着由1 0 8 b a u d 组成1 2 个2 b + d 数据，每个 2 b + o 数据由9 b a u d 构成。最后3 b a u d 用于组成维护通道数据，包括循环冗余 校验。复帧的第一帧由其正在被转换复原的同步字识别。 2 4 。3 信道结构 i s d n 用户和中心局之间是以数字管道形式连接的，这个管道包含了多个 通信信道。管道的容量和信道的数量根据用户的要求而改变。管道包含以下 几种不同速率的信道。 b 信道：6 4 k b i t s d 信道：1 6 k b i t s 或6 4 k b i t s h 信道：3 8 4 ，1 5 3 6 或1 9 2 0 k b i t s a 、b 信道 b 信道是用户信道，用来传送语音、数据等用户信息，传输速率是 6 4 k b i t s ，一个b 信道可以包含多个低速的用户信息，但是这些信息必须传 往同一目的地。即b 信道是电路交换的基本单位。b 信道上可以建立三种连 接： 电路交换连接：这相当于目前电话网中的数字交换连接，即当用户产 生呼叫请求时，建立一条电路，使其和网络另个用户接通。这种呼叫建立 的过程并不在b 信道上进行，而是利用公共信道信令来完成。 分组交换连接：b 信道可以用来将用户连接到分组交换节点，用户通 过向b 信道上发送x 2 5 分组信息来和另一个用户通信。 半固定连接：事先建立两个用户之间的连接，而不需要在每次呼叫时 再使用呼叫建立规程，这等效于租用线路。 b 、d 信道 d 信道有两个用途，首先，它可以传送公共信遵信令而这些信令用来控 制同一接口上的b 信道上的呼叫，其次，当没有信令需要传送时，d 信道可 用来传送分组数据或低速的遥测数据。d 信遭的速率是1 6 k b i _ t s 或6 4 k b i t s 。 c 、h 信道 h 信道是用来传送高速的用户信息的。本课题中未采用此信道。 在设计过程中采用2 b + d 信道，1 2 8 k b i t s 的数据传输速率。其中b 信 道用来传送用户数据，d 信道用来传送控制信令。 2 4 4 用户一网络接口协议 用户一网络接口主要有两类信道，b 信道和d 信道。每个信道上可以传 送不同的信息，每种信息传送有不同的协议。其协议结构如图2 4 3 所示。 在物理层上，b 信道和d 信道复用在同一个物理传输媒体上，所以这两 种信道遵循相同的u 界面接口协议。从第2 层开始数据链路层开始，b 信道 和d 信道开始使用不同的协议。 应吊层 疆；q 表示层 端用 会话层 户信 传输层 今 网络层 i 4 5 1x 2 5x ，2 5 链路层 l 心一d ( i 4 4 1 q 9 2 i )工_ 啦一bx 2 5 物理层 i 4 3 0 礞口协议 信令分组 遥测电路租用分组 d i l 道日信道 图2 4 3 用户一网络接口协议结构 一1 5 对于d 信道，第2 层使用的协议是1 4 4 1 ，即q 9 2 1 ，这是一种新的数据 链路层标准，专为d 信道设计，又称l a p d ，即d 信道的链路接入协议a 第3 层的网络协议和d 信道上传送的信息种类有关：呼叫控制协议是i 4 5 1 ， 即0 9 3 1 。b 信道可以提供不同的业务类型，对于电路交换业务来说，只要 两个用户之间建立了在b 信道上的电路连接他们之间就存在一条透明通路， 在这条通路上，他们可以约定任何一种通信协议。 2 4 4 1 数据链路层协议l a p d l a p d 是d 信道数据链路层协议，它定义了用户一网络接口上第2 层实 体经d 信道交换信息的规则。 l a p d 的主要功能如下： a 帧的分割、同步、和透明传送： b 同一d 信道上多个数据链路的复用； c 保持接收帧顺序和发送顺序一致； d 检测数据链路上的传输错误，格式错误和操作错误： e 用重发的方法来纠正传输错误： 当发生了不可纠正的错误时通知管理实体； g 进行流量控制。 一l a p d 的帧结构 比特数81 68 或1 6n 8 i 68 图2 ，44l a p d 的帧结构 l a p - - d 的帧结构如图2 4 4 所示，一帧由5 种字段组成，标志段f ，她 址段a ，控制段c ，信息段i ，和帧检验序列段f c s ，下面分别介绍这些字段 的内容及用途： f 一标志段 标志段是