（通信与信息系统专业论文）多业务pdh数字微波系统研究与应用.pdf

捅要 随着通信网的发展和用户要求的提高，微波通信中的p d h ( 准同步数字微波 通信) 体系逐渐被s d h ( 同步数字微波通信) 体系所替代，s d h 以其通信容量大， 传输性能好，接口标准，组网灵活方便，管理功能强大等强大等优点获得广泛应 用。但是在某些传输容量不大的场合，s d h 的优势无法发挥出来。相反，p d h 冈 其容量适中，配置灵活，成本低廉和功能齐全，在某些场合具有一定的优势。 本文从实际出发，提出并设计了一种基于p d h 数字微波的多业务传输系统， 该系统可同时提供1 6 路的e 1 的透明传输和一个1 0 m b p s 的以太网通道，主要的功 能由f p g a 芯片实现。该解决方案提高了p d h 微波传输设备的商用价值。 本文首先介绍数字微波通信体制，数字复接原理以及以太网的相关知识和 e 出e r n e t o v e r s d h 相关知识，然后详细阐述了本系统的方案设计，最后具体介绍了 系统硬件和f p a g 的仿真结果。 关键词：p d he 1 数字微波通信码速调整e o s a b s t r a c t a 1 0 n g 、v i t hc o 皿n l l i l i c a t i o n sn e m o r kd e v e l o p m e ma n d u s e rr e q u e s te n h a j l c e m e n t ， i nt h em i c m w a v ec o m m u n i c a t i o np d hs y s t e mi ss u b s t i t u t e db yt h es d hs y s t e m g r a d l l a 】1 y t h es d hs y s t e mw 骶、v i d e l ya p p l i e db yi t sb i gc 印a c i t y ，g o o dt r a r i s m i s s i o n p c 而n a i l c e ，s t a i l d a r dc o n n e c t i o n ，c o n v e i l i e mn e t 、v o r kn i m b l e ，p o w e r 如lm a n a g ea n d s o o n b u ti nc e r t a i n 仃a n s m i s s i o ns i t u a t i o l l s ，c 印a c i t yi sn o tb i ge n o u 曲，t h es d h s u p e r i o r i t yi su n a b l et od i s p l a y o nt h ec o n t r a 吼t h ep d hs y s t e m ，b e c a u s ei t sc 印a c i t yi s m o d e r a t e ，t 1 1 ed i s p o s i t i o ni sn e x i b l e ，t | l ec o s ti si n e x p e n s i v e a i l dm ef u n c t i o ni sc o m p l e t e ， h 够t | l ec e r t a i ns u p e r i o d t yi ns u c hs i t u a t i o n s t h et h e s i se m b a r k s 丘d mt b er e 8 1 i t y ，p r o p o s ea n dd e s i g no n ek i n dm u l t i - s e r v i c e s t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do np 【) hd i g i t a lm i c r 0 、v a v ec o m m u n i c “o n t h es y s t e mc a l l p r o v i d e1 6c h 锄e l se 1s i g n a l st 唧a r e n t 仃a 1 1 s m i s s i o na i l do n e1 0 m b p se t h e m e tc h a i l i l e l s i m l l l t a l l e o u s l yt h em a i nf h n c t i o nw a s r e a l i z e db ym ef p g a c h i p t h i ss o l u t i o ne n h a n c e d m ec o m m e r c i a lv a l u eo f 廿l ep d ht r 肌s m i t se q u i p m e n t i i lt l l e 协e s i s ，f i r s t l yi n t m d u c e sm ed i g i t a lm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h e d i g i t a lm u l t i p l ec o 彻e c t i o np r i n c i p l e ，m ee t h e m e t 也e o r ya n d t h ee t h e m e to v e rt h es d h a sw e l la st h er e l a t e dk n o w i e d g ew e r ei n t r o d u c e d t h e nr e p r e s e n tt 1 1 i ss y s t e mp l a ni n d e t a i l f i n a l l yt h es y s t e mh a r d w a r ea 1 1 dt h ef f a gw e r es i m u l a t e ds p e c i a l iy ，t h er e s u l t s w e r eg i v e n k e y w o r d s ： p d he 1 d i g i t a lm j c r o w a v ec o m m u 血c a t i o np o s i t i v ej u s t i 6 c a t i o n e o s 创新性声明 y8 5 9 0 7 s 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得能 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文亡f 不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技劣 学或者其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作过的同志对席 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切责任。 本人签名：盔燮日期：尘竺亟：三：互 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研寅 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离校以后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技六 学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校有权公布论支 的全部或者部分内容，可以允许影印、缩印或者其他复制手段保留全文。( 保留能 论文在解密后遵守此规定。) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 年解密后适用本授权书。 f | 期：2 碰：立 日期： 三垒2 厶、3 ，5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字微波的发展和现状 如今，在以移动通信为龙头的无线通信系统，包括数字微波通信，无线局域 网( w l a n ) ，直播电视服务( d b s ) ，本地多点分布系统( l m d s ) 和射频识别系 统( r f i d ) 等在内，已获得了巨大发展。微波通信技术在整个无线通信系统中发 挥越来越重要的作用。而随着数字微波通信的同益完善，通信系统的更新换代， 系统容量越来越大，信息传输的速率越来越快，被传输的信息种类越来越丰富。 数字微波通信是用微波作载体传送数字信号的一种通信手段。它兼有数字通 信和微波通信两者的优点，如容量大，上下话路方便，长途传输质量较稳定，投 资较小，建站较快等特点。由于微波在空间直线传输的特点，故这种通信方式又 称为视距微波中继通信。 数字微波通信系统被广泛应用于电信、网通、移动和联通等电信运营以及电 力、煤矿、石油、军事等各种专业网络，特别是移动通信的基站互联及各类大企 业，院校的网络连接。作为一种快速连接的方法，数字微波也大量应用于临时及 应急通信。我国在八十年代后期，大量采用了数字微波这种通信手段尤其足在 移动，联通的通信系统中，g s m 的基站间信号传输大量采用为微波设备。许多国 外公司已进入国内，s t r a t e x 、爱立信、哈里斯、阿尔卡特等公司均进入围内销售设 备。而国内公司也陆续推出数字微波系统，如京信，首信、地杰也在推出国产化 的产品。 目前数字微波产品主要有以f 市场： ( 1 ) 中国移动通信网 自从电信与移动分家后，移动部门用电信的光纤网也须租用，且面临无线资 源被对手占用的危险，目前己) r 始采用数字微波设备。 ( 2 ) 联通移动通信网 联通目前是国内数字微波设备的大用户，但其网络分布尚h i 算广泛，l l 既1 i 平衡，还有较大的潜在需求。 ( 3 ) 各类专业网 如电力、油罔、水利、校园网等。通过丰富接u ，直接连接i n t e m e i 、组成蚓 像监控、电视会议以及其他的数字网络。 多业务p d h 数字微波系统研究与应用 1 2 研究的目的和意义 随着移动通信网络的快速发展，p d h 微波通信得到了广泛的应用。s d h 微波 虽然容量较大但由于其设备价格相对昂贵、设计复杂而主要应用在一些局间传输 路由上作备份电路使用。移动通信基站中继传输网络中使用的p d h 微波容量一般 在1 1 6 个e l 之间，属于中小容量。p d h 中小容量微波传输具有技术成熟，设备 价格便宜、建设速度快和机动灵活等特点，但也存在传输容量小、单位容量的造 价要远高于光传输等缺点。但p d h 的优点决定了它微波在移动通信传输网络建设 中的地位和作用。 除了承载普通的语音业务外，数据业务对于日常的商业运作越来越重要。而 传统的数字微波通信设备不能提供高速率、低成本的数据业务；而以太网技术的 优势是成本低、灵活，在接入领域使用以太网技术作为产品开发已经成为一个必 然的发展趋势，以太网技术与s d h 技术的融合可以解决运营商的困境，高带宽的 数据业务可以在现有的s d h 设备上很容易的实现。以太网与s d h 融合技术不仅 可以应用于地域上被分开的公司和分部之间的局域网互联业务，而且还可以提供 其他应用；如公司办公室到因特网业务提供商的高速局域网接入。以太网和p d h 微波融合技术克服了传统p d h 、s d h 数字微波在数据传送上的局限性，拓宽了数 字微波的应用范围，提高了商用价值。 1 3 本文的主要工作 为了配合多业务传输平台( m s t p ) ，p d h 数字微波也向高集成度，高稳定性， 多功能型发展，并达到了一个新的水平。p d h 数字设备发展的一个重要方面是传 统的时分复用技术与以太网技术相融合。 本课题研究了数字微波的接入技术。根据实际需要，提出并设计了一种基于 数字微波p d h 技术的多业务传输系统。它可以同时提供1 6 e l 的透明传输和一个 线速为1 0 m 以太网通道。本文主要由探讨了由f p a g 来完成以太网融合s d h ( e t h e m e t o v e r s d h ) 的功能。f p a g 是现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m a b l e g a t e a 啪y ) 的简称，在这个平台上我们可以通过硬件描述语言进行自由的设计，而通 过软件仿真，可以事先验证设计的真确性。在p c b 完成以后，还可以利用f p g a 的在线修改功能，随时修改设计而不必改动硬件电路，具有很大的灵活性。该系 统方案在集成度、功耗、成本以及灵活性等方面都具有明显的优势。对p d h 数字 微波满足不同用户需要，提高设备的商用价值，设计各种多业务数字微波p d h 复 接设备有一定的借鉴意。 第二章基本理论 第二章基本理论 数字微波通信是基于时分复用技术的一类多路数字通信体制。它可以用来传 输电话信号，也可以用来传输数据信号与图像信号。与数字微波通信相对应的是 它的前身模拟微波通信，它是基于频分复用技术的一类多路通信体制，主要 用来传输模拟电话信号和模拟电视信号( 见载波通信) 。数字微波通信具有两大技术 特征： ( 1 ) 它所传送的信号是按照时隙位置分列复用而成的统一数字流，具有综合传 输的性质。 ( 2 ) 它利用微波信道来传送信息，拥有很宽的通过频带，可以复用大量的数字 电话信号，可以传送电视图像或高速数据等宽带信号3 。 由于微波电磁信号按直线传播，数字微波( 模拟微波也如此) 通信u 以按直视距 离设站( 站距约5 0 千米) ，因此，建设起来比较容易。特别在丘陵山区或其他地理 条件比较恶劣的地区，数字微波通信具有一定的优越性。在整个国家通信的传输 体系中，数字微波通信也是重要的辅助通信手段。 目前常用的数字微波通信系统是p d h 微波和s d h 微波系统。 2 2p d h 数字微波通信系统 p d h 点对点微波在移动网中的典型应用如图2 ，1 所示。 各丫麓 图2 1p 叫微波住萆站接入巾的麻h j 示意1 冬| 爹 啦 生溉祟蕊 | ；| 竺一 燮 羹一 备 设 磊 4 多业务p d h 数字微波系统研究与应用 目前可供使用的微波频段主要有4 g h z 、5 g h z 、6 g h z 、7 g h z 、8 g h z 、13 g h z 、 1 5 g h z 、1 8 g h z 、2 3 g h z 和3 8 g h z 等几个频段【3 】，4 、5 、6 g h z 频段目前已用在干 线微波传输中，可供移动运营商使用的频段主要是7 g h z 、8 g h z 、1 3 g h z 、1 5 g h z 、 l8 g h z 、2 3 g h z 和3 8 g h z 等几个频段。 p d h 的主要缺陷： ( 1 ) 没有全世界统一的标准。p d h 只有地区性数字信号速率和帧结构标准， 而没有世界性标准。 ( 2 ) 没有世界性标准接口规范。各厂家自行开发的专用光接口大量出现，致 使各厂家的设备在光链路上无法直接互通。 ( 3 ) 采用异步复用，复用结构缺乏灵活性。p d h 准同步系统的复用结构，除了 几个低等级信号( 如2 0 4 8 m b i 以，1 5 4 4 m b i t ，s ) 采用同步复用外，其它多数等级信 号采用异步复用，即靠塞入一些额外的比特使支路信号与复用设备同步，并复用 成高速信号。这种方式难以从高速信号中识别和提取低速支路信号。 ( 4 ) 采用按位复接。按位复接破坏了一个字节的完整性，不利于以字节为单位 的现代信息交换。 ( 5 ) 网路管理能力不强。复用信号的结构中用于网络运行、管理、维护( o a m ) 的比特很少。网络的o a m 主要靠人工的数字交叉连接和停止业务检查。 数字通道设备利用率低，基于传统的准同步数字体系上的弱点，它已不能适 应现代电信网和用户对传输的新要求，必须从技术体制上对传输系统进行根本改 革，找到一种有机地结合高速大容量光纤传输技术和智能网络技术的新体制。 2 3s d h 数字微波通信系统 当前世界各国大力发展信息高速公路，其中一个重点就是组建大容量的传输 光纤网络，不断提高传输线路上的信号速率，扩宽传输频带。 最初，光同步数字这一体制是由美国贝尔通信研究所提出来的，称为s 0 n e t ( 同步光网络) 。国际电信联盟标准部( i t u t ) 于1 9 8 8 年接受了s o n e t 概念， 并重新命名为s d h ，使之成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技 术机制。为了建立世界性的统一标准，i t u t 对s d h 的光电接口、设备功能和性 能、管理控制以及协议和信令方面进行了重要修改和扩展，并于1 9 8 8 年至1 9 9 5 年分别通过了有关s d h 的1 5 个标准，涉及比特率、网络节点接口、复用结构、 复用设备、网络管理、线路系统和光接口、s d h 信息模型、传送网结构、抖动性 能、误码性能、定时性能和环形网路等内容。至此，在世界范围内就s d h 的基本 软硬件问题已经达成了一致协议。 所谓s d h 指的是。1 种数字传输体制，称为同步数字体系，它是由一些s d h 第二章基本理论 网络单元( n e ) 组成，在光纤( 或卫星，微波) 上进行同步信息传输、复用、分 插和交叉连接的网络。它具有国际标准化的借口速率和信号的帧结构。 s d h 是一个将复接、线路传输及交叉功能结合在一起并由统一网管系统进行 管理操作的综合信息网络技术。引入和使用该体系设备组成的网络，可以实现高 效、高灵活性和高生存力的电信网，从而大大提高网络资源的利用率，显著的降 低管理和维护费用，给网络运营者和使用者带来极大的好处。目前，s d h 在电信 网的各个网络层次上都得到了广泛应用。 与p d h ( 准同步数字体系) 相比，s d h 具有以下特点： ( 1 ) 有全世界统一的数字信号速率和帧结构标准： ( 2 ) 采用同步复用，可以从高速信号中一次分接出支路信号： ( 3 ) 有强大的网管能力： ( 4 ) 有标准的光接口； ( 5 ) 能够兼容各种信号； ( 6 ) 采用字节复用，信号互联简单。 2 3 1s d h 网的基本网络单元简介 s d h 传输网是由不同类型的网元通过光缆线路的连接组成的，通过不同的网 元完成s d h 网的传送功能：上下路业务、交叉连接业务、网络故障自愈等。目前 实际应用的基本网元有4 类：即终端复用器( t i m ) 、分插复用器( a d m ) 、再生中 继器( i 洹g ) 和s d h 数字交叉连接设备( s d x c ) 。 终端复用器( t m ) 的主要任务是将低速支路信号纳入s t m n 帧结构，并经 电光转换成为s t m n 光线路信号，其逆过程正好相反。 分插复用器( a d m ) 将同步复用和数字交叉连接功能综合于体，具有灵活 的分插任意支路信号的能力，在网络设计上有很大的灵活性。分插复用器用= 二s d h 传输网络的转接站点处，例如链的中间节点或环上节点，是s d h 刚上使用最多的 一种网元。a d m 当然也具有电光、光电转换功能。 再生中继器( r e g ) 是光中继器，其作用是将光纤长距离传输后受到较大衰 减及色散畸变的光脉冲信号转换成电信号后进行放大、整形、再定时、 ；，l 三为规 划的电脉冲信号，并调制光源变换为光脉冲信号送入光纤继续传输，以延长通信 距离。 数字交叉连接设备( s d x c ) 的主要作用是实现支路之问的交叉连接。交义连 接的支路可以是各同步传递模块s t m n ，也可以是低等级的信i ；，包括p d h 的符 支路信号及各种虚容器。 多业务p d h 数字微波系统研究与应用 2 3 2s d h 网的基本网络拓扑结构 s d h 网是出s d h 网元设备通过光缆互连而成的。网络节点、网元和传输线路 的几何排列就构成了网络的拓扑结构”j 。网络的有效性，新信道利用率、可靠性和 经济性在很大程度上与其拓扑结构有关。利用s d h 网的4 种基本网元可以组成各 种实际网络拓扑，其中最基本的拓扑类型有链形、星形、树形、环形和网孔形等5 种，如图2 2 所示。当前用得最多的网络拓扑是链形和环形，通过它们的灵活组 合可构成更加复杂的网络。 链形阔 星型时 环形同 嘲孔形网 2 3 3s d h 的速率与帧结构 隧型1l 型羔【l 里坚i 匦 寰兰多 8 r 面百 3 一 丽谪霹3 ( 百面匦 蒿聂豪三三辜夏翥 l 埘m 蚺e j i p 埘( c z 蛐mj | 图2 2s d h 网的基本网络拓扑 s d h 传送信息的结构是同步传送模块( s t m ) ，最基本的传送模块是s t m 2 l ， 信号速率是1 5 55 2 0k b i t ，s 嘲。更高阶的s t m 2 n 模块，由n 个s t m 2 1 按同步复用方 式产生。对于光纤传输系统，特别是核心网的光纤传输系统来说，把s t m 2 1 作为 s d h 的最低速率完全没有问题。但是，对于无线传输系统，例如中、小容量微波 传输系统和卫星传输系统来说，1 5 55 2 0 k b 彬s 这一速率就显得太高了。在许多实 际应用的场合，需要采用比1 5 55 2 0 k b s 低得多的速率。由此在1 9 9 6 年再版g 7 0 7 时，增加了第6 7 节，允许使用s t m 2 1 的子速率5 18 4 0k b 彬s 【。可是由于在 s o n e t 中的s t s 一1 f 好对应于5 l8 4 0k b s ，所以在应用过程中，为了方便起见， 人们逐渐把5 18 4 0 k b s 这一速率称为s t m 0 1 6 j 。 为了便于实现支路信号的同步复用、交叉连接、上下电路和交换，s d h 帧结 构是以1 2 5 肛的帧同步周期，以6 4 k p b s 的帧同步信道为基础的【7 i 。图2 3 给出了 i t u t 采用的一种以字节为基础的s t m n 的帧结构。 第二章基本理论 91 01 11 42 7 0 j p s ( 搬 州p 攘o i 尊 “? s 0 麟 h 蔓 s t m 一1 d 挣负荷区 一 2 5 u s a up t r ：管理单元指针s o h ：段开销p o h ：通道开销 图2 _ 3s t m - n 帧结构 s t m n 的帧结构是由9 行、2 7 0 x n 列的8 比特字节组成的码块，故帧跃为9 2 7 0 n 8 = 1 9 4 4 0 n 比特。对于s t m - n ( 1 ) 等级，其帧周期均为1 2 5 脚。 这样s t m - n 传输数据的速率为1 9 4 4 0 n 8 k = 1 5 5 5 2 0 nm b p s 。帧周期恒定是 s d h 的帧结构的一大特点。 s d h 的帧结构如图2 3 所示。虽然从表面上看它是一种与传统的p d h 信号的 条形帧结构完全不同的矩形块状结构，其实它仍然是以网络同步的速率按照从左 到右，从上到下的顺序逐行串行输出的。 由图2 3 中可以看出，一个s t m n 帧主要可以分为3 个区域：段丌销( s o h ) 、 管理单元指针( a up t r ) 和净负荷。 段开销由复用段开销和再生段开销组成，是用来指示信息净负荷l f 常传送所 必需的附加字节，供网络运营、管理和维护( o a m ) 使用。 管理单元指针( a up t r ) 是一种指示符，用来指示信息净负荷的第1 个字节 在s t m n 帧中的准确位置，以便在接收端正确分离信息净负荷。 信息净负荷区域是帧结构中存放待s t m n 传送的各种信息码块的地方，除少 量为用于监视、管理和通道控制的通道开销( p o h ) 外，绝大部分为用户信息。 2 3 4 我国的s d h 基本复用结构 i t u tg 7 0 7 建议对各种不同速率的信号复用进s d h 的映射结构做了详细规 定。在该建议中，从一个有效负荷到s t m n 的复用线路不是唯一的吼但是对于 一个国家和地区来说，为了降低设备的复杂性，通常只使用唯一的复用线路。s d h 技术发展以来，我国的光同步传输网技术体制规定以2 m b p s 为基础的p d h 系列作 为s d h 的有效负荷，并采用v c 一4 复用线路，如图2 4 所示。 多业务p d h 数字微波系统研究与麻用 ：糕f 建设+ 定义 图2 4 复用映射线路 透明传输以及投资低、运营成本低、带宽分配颗粒小及利用率高的特点，s d h 数字微波有与s d h 光通信相似之处。因此，借鉴s d h 光通信的发展思路，开发 新型的多数据业务的数字微波系统，必将增加其市场竞争力。 2 4 以太网基本知识 以太网( e t l l e m e t ) 是x e m x 、d i g i t a le q u e p m e n t 和i n t e l 三家公司开发的局域 网组网规范，并于8 0 年代初首次出版，称为d i x l o 1 9 8 2 年修改后的版本为d i ) ( 2 o 。 这三家公司将此规范提交给i e e e ( 电子电气工程师协会) 8 0 2 委员会，经过i e e e 会员的修改并通过，变成了i e e e 的正式标准，编号为i e e e 8 0 2 3 。 以太网和i e e e 8 0 2 3 虽然有很多规定不同，但术语以太网通常被认为与 i e e e 8 0 2 3 是兼容的，在不涉及到网络的协议细节时，许多人愿意将i e e e 8 0 2 - 3 局 域网简称为以太网。 2 4 10 s i 参考模型 i e e e 8 0 2 3 在制定时突出的一个基本思想是将系统进行逻辑划分，并研究如 何将其连接在一起。我们知道，i s 0 组织将网络按其功能划分为7 个功能层，每 层完成一特定功能。如图2 5 所示，o s i 参考模型。 第二章基本理论 网络管理o s l 层功能 7 应用层为应用选择适当的服务 6表示层提供编码格式转换数据重新格式化 5 会话层协调应用程序之间的交互动作 4 传输层 提供端到端数据完整 3 网络层提供交换功能何路由选择信息 !壁堕星 蕉塞盛型盛壁堕：塑盛堕 !塑堡星堡塑些挂煎 2 4 2c s m a c d 技术 图2 5 0 s i 参考模型 以太网泛指采用带冲突检测的载波侦听多路访问控制技术( c s m c d - c a e r s c n s e m u l t i d l e a c c e s s 谢t l l c 0 1 1 i s i o n d e t e c t j o n ) 的局域网。c s m 彤c d 技术用于以太 网的介质访问控制( m a c ) 。 c s m c d 中的c d 的意思足指冲突检测，即指节点在发送数据的同时进行侦 听，一旦侦听到冲突，便立即放弃冲突报文分组的发送，从而缩短无效传输时间， 并且等待冲突平息后，再进行c s m a c d ，直到将数据成功的发送完毕。 节点冲突检测的方法是将发送的信息和从总线上接收到的信息进行比较，若 一致，则表明无冲突；若两者不一致，这说明冲突已经发生，发送到总线上的信 号已经因冲突而被破坏了。在每个节点的收发器中都有一个冲突检测器，它将发 往总线的信息和从总线上接收到的信息进行逐位比较，当发现冲突时给出冲突指 示信号。 采用c s m a ，c d 访问控制方式向总线发送信息时，进行一下步骤： ( 1 ) 侦听总线，若总线“空闲，该节点便发送信息； ( 2 ) 若总线“忙”，该节点继续侦听知道总线“空闲”才丌始发送信息： ( 3 ) 发送时对冲突进行侦听，若发现冲突，便立即停止对信息的发送，并接 着发送一串阻塞码。然后退让一段时间，再重新发信息。重发也从操作( 1 ) 丌始， 重复上述过程。 c s m c d 技术用于半双工以太网，在全双工以太网中不需要进行冲突检测和 载波侦听。 2 4 3m a c 帧 图2 6 所示为各种以太网技术所采用的帧结构，从1 0 m 以久h 阿到令投t j g e 和1 0 g e 都采用一样的帧格式，即8 0 2 3 的帧格式l ，帧长为6 4 ，1 强01 5 l8 ，竹 1 0 多业务p d h 数字微波系统研究与应用 ( 指从目的地址到f c s 之间的字节数) ，它们之间可以以最小的代价实现互联，以 太网的m a c 帧由以下字段组成： h 一 生成f c s 医域 图2 6 以太网的m a c 帧 帧起始定界符( s f d ) ：m a c 正的第2 个字段，其编码形式为“1 0 1 叭0 1 1 ” 序列。该字段的功能是指示一帧的开始。使得接收器能够对帧的剩下部分的第一 位进行定位。 目的地址( d a ) ；m a c 帧的第3 个字段，长度为6 个字节。该字段用来 指出帧要发往的工作站。最高位为“o ”时的表示唯一地址或单播地址；最高位为“l ” 时表示组地址或组播地址；全“1 ”时为广播地址。 源地址( s a ) ：处于目的地址字段之后，其长度也为6 个字节。该字段功 能是指示发送该帧的工作站地址。 长度：m a c 帧的第5 个字段，长度为2 个字节，用来指示紧随其后的逻 辑链路控制( l l c ) 数据字节的长度。 填充( p a d ) ：用来对l l c 数据进行填加，以保证帧有足够长度来满足冲突 检测。 帧检验序列( f c s ) ：处于帧的最后。其长度为4 个字节，用于检验帧在传 输过程中有无差错。它是3 2 位的循环冗余码，由除了帧前导、帧起始定界符和帧 校验序列本身以外的所有字段产生。 2 4 4 以太网数据的发送和接收 m i i ( m e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r 蠡l c e ) 提供了m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和 p h y ( p h y s i c a ll a y e r ) 之间的连接，m i i 通过四比特( n i b b l e ) 的发送接收路径， 支持1 0 m b ，s 和l o o m b s 的传输数据。m i i 向m a c 层屏蔽了各种不同介质间的区 别，提供了一个透明的界面。 m i i 提供一个1 8 个信号的标准界面用于连接p h y 和m a c ，发送数据包时， m a c 层置t ，( e n 为l ，将比特数据转换为4 位n i b b l e ，通过t x d 传给p h y ，在 t x e n 为高电平的情况下，p h y 与t xc l k 同步对t x d 进行采样。接收数据包， p h y 置r xe n 为l ，将与r xc l k 同步的i t x d 接收下米。下面对这18 个信号 洋细描述。图2 7 所示是i e e e 8 0 2 | 3 协议里r s 字层和m i i 层接口转换的信号示意 一正 言一 一一 去一 五 第二章基本理论 图。 p l s r v i c ep r i m m v e sr 涨i l i a t i o ns u b l a ”rm i is i g m l s 一| 。 l 一 卜 | 卜l ! 卜 l ： l l 一 卜l l |卜 s t a t i o nm a n a g e m e n t 降_ _ 1 m d c 卜 卜_ + m d l o 图2 7r e c o n c i l i a t i o ns u b l a y e r ( r s ) 的输入输出 t ) ( c l k 一个连续的时钟信号，为传输过程中的t x e n ，t x d ，和t xe r 信号提供时钟参考。d ( c l k 频率是正常传输频率的2 5 ，如果p h y 工作在 1 0 0 m b s ，则应提供2 5 m 的时钟。如果p h y 工作在1 0 m b s ，则应提供2 5 m 的时钟。 r xc l k 一个连续时钟信号，为来自p h y 的r xd v ，r x d ，r xe r 提供 传输时钟参考。r xc l k 由p h y 提供，p h y 可以从接收信号中提取时钟信号。 t xe n 一一表示r s 子层已经将n i b b l e 提交给m i i 等待传输，它由r s 字层 置一，与第一个i l i b b l e 的p r e a n l b l e 同步，当数据传输过程中，保持为商电平。图 2 8 所示的是无冲突时，t xe n 的行为。 一一c 。x i 几门nnnn _ _ nnnn 几 一一“_ n 。，压k x 亟亟习j e 函 一 恐一 ( o l 幽2 8 无冲突的传输 t x d 一 由r s 字层驱动，与t x c l k 同步的4 位数抓信l j ，“1t x e n 自 多业务p d h 数字微波系统研究与应用 效时，可以被p h y 接收。 哪r 一一传输编码错误，与t x 二c l k 同步，当t x e n 为有效，t ) ( - e r 为高时，p h y 可能会发出一个或多个不属于原来有效数据的信号。图2 9 所示为 发生编码错误情况。 t x _ c l k 1 | t x 刚 、。一 一i 压臣匠固砸墨弦疆西 一 几 t x 职 图2 9 有错误传输 r ) ( - d v 一一由p h y 驱动，表示p h y 已经提交出解码后的i d ，r x 。d v 与哪l k 同步，r x d v 必须覆盖整个帧，即开始要早于s f d ，结束要晚于帧 结束分隔符。 i u 一一由p h y 驱动，与( - c l k 同步，对每一个时钟周期，r x _ _ d v 为 有效，l u ( d 可以从p h y 接收有效数据。图2 1 0 所示为无错误发生情况。 吼c 。x 厂 厂 厂 厂 厂 r 厂 厂 厂 广 广 厂 厂 厂 厂- 仁二厂 ，一压三臣延臣压匝疆匠强e 图 r xe r 圈2 1 0 无错误的接收 l t x 二e r 由p h y 驱动，当r s 字层发生错误时，i - e r 置为高电平一个 或多个时钟周期。当r x d v 为低电平时r x e r 无效。图2 1 1 所示为接收发生错 误时的错误。 第二章基本理论 r xc l k r xd v _ 门n 几nr 门r nf n 几厂u _ 1 凡 上_ _ 一m 压三臣延臣臣匝匿匿圈固啜 m n 八 图2 1 l 有错误的接收 c r s 一一当传输或接收时，当介质不为空闲状态时，p h y 置c r s 为1 ，当传 输和接收介质均为空闲时，p h y 置c r s 为o 。 c 0 l 一一当检测到介质发生冲突时p h y 发出c 0 l 信号，并在整个冲突过 程保持有效，如图2 1 2 所示。 一广u _ r 厂1 门几刚 _ 一l n l u 仉 7 。一e “ 一* 咫叉砸臣臣殂国珏一c n s 历 碰 “i 。何 图2 1 2 有冲突的传输 m d c 一为非周期信号，由s t a t i o n m a n a g e m e m 提供给p h y 作为传输m d l 0 的时间参考。 m d i o 一一是p h y 和s t a 之间的双向信号。在p h y 和s t a 之间传输控制 和状态信号。 通过m i i 发送的数据帧结构如图2 1 3 所示。 图2 1 3 m i i 帧结构 对于m i i ，每一八位字节的发送和接收都是以n i b b l e 为单位的，如图2 1 4 所 每个字节都都分为两个n i b b l e ，字节的o 到3 位对应着第一个n i b b l e ，4 到7 对应着第二个n i b b l e 。当m i i 没有数据活动时，i n t e r f r a m e 提供了个4 ：确定时 叫的观察窗，当r x d v 和t x e n 均无效时，表明m i l 卜没有数抓发送缄接收。 发送数掘时的p r c 锄b l e 标志着一个帧的丌始传输，对于m i i 的p r e a m b l e 仃荷定 的规定，比特顺序如下： 1 0 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 l o1 0 1 叭0 1 01 0 1 0 l0 1 01 0 1 0 1 0 】o 】o 1 0 1 ( ) 1 01 ( ) 1 0 1 0 1 ( ) 图2 1 4n i b b l e 传输和接收顺序 s f d ( 帧开始分隔符) 紧接在p r e a m b l e 之后标志着一个帧数据的开始，s f d 也是有固定的比特顺序，如下：1 0 l o l o l l 。所以，当t k e n 有效时，发送的p r e a l l l b l e 和s f d 见表2 1 。 表2 1 传输前导和帧开始分隔符 s i g i l a l b i tv a i u e s0 f n - b b l e 仃a i l s m i n e dt h o u g hm i i t x d 0x1l111l】l】 1l 11l1 1d 0d 4 t x d lxoo000ooooooo0o0od 1d 5 t x d 2x1ll1lll1111i1l1 1 d 2d 6 t x d 3、x00 0o000o000oo001d 3d 7 t xe n011111 1 lll l1 1 11 111 l 当接收时，分为有完整p r c 锄b l e 情况和无完整p r e 跚b l e 情况，接收到的n i b b l e 见表2 2 。 表2 2 无前导字节的接收 s i 酬 b i tv a l u e so f n i b b i ef e c e i v e dt h r o u 曲m i i r x d oxx xxxxxl1d 0d 4 r x d lxx xxxxx0od 1d 5 r x d 2xxxxxxx11 d 2 d 6 r x d 3xxxxxxxo1d 3d 7 r xd v0oo 0 o 0o1lil 码速变换原理及设计： 根据以上分析，以太网数据是1 0 0 m b i 佻，经过m i i 接口后变为2 5 m b i “s 的4 位 数据。而1 2 路的e 1 复接后的数据为2 1 1 2 + 1 2 = 2 5 3 4 4 m b i “s ，要一起编码传输，必 须将m i i 接口的信号从2 5 m b i “s 变换到2 5 - 3 4 4 m b i t s 。接收时，为了恢复m i i 接口 信号，也需要将2 5 3 4 4 m b i t s 的信号变化到2 5 m b i t s 。 由于接口两段数率不等，所以必须采用f i f o 作为缓冲区。另外，因为以太网 数据是成帧的，考虑数据的完整性，接口实现的一般思路是： 1 2 5 m b i t s 到2 5 3 4 4 m b i t s 速率变化端，由于读取时钟比写时钟数牢低。为 了避免在帧的中间读空，将数据包拆乱。所以必须对整个帧的数据进行缓存，保 第二章基本理论 证缓冲区中至少还存有一帧数据的时候才允许读取。 2 2 5 3 4 4 m b i t s 到2 5 m b i “s 速率变换端，由于读取时钟比写时钟速率低。为 了避免缓冲区写满，必须对异步f i f 0 进行控制。当缓冲区空间小于最大帧长度时， 停止写入。由于读取时钟比写时钟数率低。为了避免缓冲区写满，必须对异步f i f o 进行控制。当缓冲区空间小于最大帧长度时，停止写入。由于写入的速度快，读 出的速度慢，因此，只要缓冲区有数据就可以读出去。 具体设计和仿真可参见第五章节的介绍。 第二章e o s 技术 第三章e o s 技术 s d h 的高市场占有率以及城域网的巨大增值潜力使s d h 的倡导者们费尽心 思，在原有s d h 的基础上加入对数据业务层的处理，比如以太网的二层处理统计 复用等功能，使其更适合数据业务的传送。 对于以太网业务，其在映射到v c 之前需要经历处理的过程有：二层交换、协 议封装、映射前的处理等。将以太网数据通过专用协议映射到s d h 帧结构中，目 前有三种方案： ( 1 ) 通过点到点协议p p p 转换成h d l c 帧结构，再映射到s d h 的虚容器v c 中，简称p o s 。 ( 2 ) 将数据包转换成l a p s 结构映射到s d h 虚容器v c 中，这是我幽提出的j p o v e rs d h 提案，已被正式批准作为国际电联标准，其标准号为x 8 5 ，y 13 2 1 i p o v e r s d h 【9 1 。 ( 3 ) 将数据包通过简化数据链路协议s d l 的方式映射到s d h 虚容器v c 中。 p 0 s 技术比较成熟，适于多协议环境；但由于p p p 并不是专为s d h 运载 设计的，p o s 效率并不理想；l a p s 在h d l c 净荷中省去填充字节p a d ，因而 对于短数据包，l a p s 比p p p 效率要高，并将扰码作为强制要求，而不像p p p 那样是可选功能；s d l 技术主要针对高容量的数据包及传输系统，效率很高。以 太网端口在接收到数据业务之后，需经过二层交换处理( 可选) ，保障其高效传输。 另外，为了增强承载业务的灵活性，级联( c o n c a t e n a t i o n ) 技术在数据业务进入v c 之前缛到应用。级联技术又分为连续( c o m i g u o 嘲级联或虚( v i r t u a i ) 级联两种。以 1 0 0 m 以太网的v c 1 2 级联为例说明其原理：该技术n 个v c 一1 2 。捆绑在起形成 一个整体v c - 1 2 一n ，在v c 1 2 一n 所支持的净负荷c 1 2 一n 中建立一个l a p s ( 或h d l c ) 链路在s d h 网中传送。当n 个v c 一1 2 连续排列时为连续级联，通常以v c 1 2 一n 中第一个v c 一1 2 的p o h 作为级联后整体的p o h ，其缺点是n 个v