（信号与信息处理专业论文）ieee+1588时间同步协议在同步数字传送网中的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文首先建立了一种用于同步系统的传输模型。传输模型的能够完全兼容过 去通讯系统的接入信号，并能方便的进行上下行业务。同时引入了大量的管理开 销，用于网络设备的运行管理维护。文中详细分析了同步系统的信号交叉模型。 介绍了经典的组播交叉算法，c l o s 矩阵算法。对交叉矩阵的完全非阻塞条件进行 了深入分析。同时分析了在网络可调整路由的情况下的非阻塞条件。在波组较多 的条件下，完全非阻塞条件将浪费大量资源。对可调整路由的情况下的非阻塞条 件的分析，为多波组应用场景提供了依据和解决方案，并以一个交叉应用实例详 细描述了同步系统交叉实现方法。 接着，本文详细分析了3 g 应用场景下时间同步原理，并将其应用于同步系 统中，组成了时间同步数字系统。时间同步原理借鉴了通常用于以太网组网条件 下的i e e e1 5 8 8 时钟同步协议，创新的使用同步系统通道发送以太网1 5 8 8 同步报 文，实现了同步系统的时间同步。与i e e e1 5 8 8 时间同步协议相比，在实现方法 上充分的应用了同步网的相位同步特性，精简了i e e e1 5 8 8 时间同步协议报文， 使同步机理更加有效。 然后，本文详细介绍了时间同步协议的实现方法。时间同步协议分为时间源 选择和报文处理两个方面。时间源选择方式i e e e1 5 8 8 时间同步协议并没有进行 约束，仍然沿用同步网经典的s s m 协议实现。因此本文重点对报文处理方式进行 了详细描述。 同步系统的传输模型和i e e e1 5 8 8 时间同步协议共同组成了时间同步系统。 为3 g 网络的网络层传输提供了一种同步网实现方法。同时，时间同步网络能够 代替g p s 等时间同步设备。在战争条件下，更是一种可靠了时间同步设备。 关键词：同步系统，时间同步协议，c l o s 矩阵算法 a b s t r a c t t l u sd i s s e r t a t i o n ，f i r s to fa l l ，s e tu pat r a n s m i s s i o nm o d e lf 0 rt 1 1 e s y n c h r o n i z a t i o n s y s t e m t r a n s m i s s i o nm o d e li sf u l l yc o m p a t i b l ew i t ht h ep a s t s i g n a le o m m u n i c a t i o n s y s t e ma n df a c i l i t a t e st h ec o n d u c to fb u s i n e s sf r o mt o pt ob o t t o ms i g n a l a tt h es a m e t i m e ，t h ei n t r o d u c t i o no fal a r g ea m o u n to fa d m i n i s t r a t i v eo v e r h e a di sp r o v i d e df o rt h e o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fn e t w o r ke q u i p m e n tm a i n t e n a n c e t h i sp a p e r e x p r e s s e sa d e t a i l e da n a l y s i so ft h es y n c h r o n o u ss y s t e mm o d e la b o u tt h es i g n a lc r o s sm o d e la n dt l l e c l a s s i ce r o s s - m u l t i c a s ta l g o r i t h m ，c l o sm a t r i xa l g o r i t h m t h i sp a p e rp r o v i d e si n d e p t h a n a l y s i su n d e rt h ef u l l yn o n b l o c k i n gc r o s s m a t r i xc o n d i t i o n s a tt h es a m et i m e a 1 1 a n a l y s i so fr o u t i n gi nt h en e t w o r kt oa d j u s tt h ec a s eo ft h eb l o c k i n gc o n d i t i o n si s p r o v i d e d al o to fr e s o u r c e sw i l lb ew a s t e df o rc o m p l e t e l y n o n b l o c k i n gu n d e r m u l t i 。g r o u pw a v ec o n d i t i o n s a n a l y s i so ft h en o n b l o c k i n gc o n d i t i o n sf o rm u l t i g r o u p w a v ep r o v i d eab a s i sa n ds o l u t i o n sa n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fc r o s s a p p l i c a t i o n c r o s s s y n c h r o n o u ss y s t e mi m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s t h e n ，t h ed i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l ya n a l y z e st h ep r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n s y s t e mc a nb ea p p l i e di n3 ga n da n a l y z e st h a tap r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n p r i n c i p l ei e e e15 8 8 t h ep r i n c i p l ec a nb ea p p l i e di ns y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y a n di ti ss h o w nt h a ts y n c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h ys i m p l i f i e dt h ea p p l i c a t i o no fc l o c k s y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l ei e e e15 8 8w h i c hi su s e di ne t h e r n e t t h e nt h ed i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l yd e s c r i b e st h a tap r e c i s i o nc l o c ks y n c h r o n i z a t i o n a p p l i c a t i o n t h ew a yo fc h o o s i n gt i m es o u r c es t i l lu s et h ep r i n c i p l ei nc l a s s i c a l s i m u l t a n e o u si m p l e m e n t a t i o no ft h es s m p r o t o c 0 1 t h e r e f o r et h ed i s s e r t a t i o nf o c u so n t h em e s s a g ea n dm e t h o d so fm e s s a g eh a n d l i n g s y n c h r o n o u ss y s t e mt r a n s m i s s i o nm o d e la n di e e e15 8 8t i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o lf o r m sat i m es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m t h et i m es y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m p r o v i d e saw a yt oa c h i e v es y n c h r o n i z a t i o nn e t w o r kf o r3 gn e t w o r k 乜a n s m i s s i o n o f n e t w o r kl a y e r a tt h es a m et i m e ，n e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o nc a l lr e p l a c et h eg p s t i m es y n c h r o n i z a t i o ne q u i p m e n ta n ds o o n c o n d i t i o n si nt h ew a r , t h et i m e s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sa l s oar e l i a b l et i m es y n c h r o n i z a t i o ne q u i p m e n t 1 1 a b s t r a c t k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u ss y s t e m ，t i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l ，c l o s m a t r i x a l g o r i t h m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：醚! 盘日期：沁7 年厂月f7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技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、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章引言 1 1 课题背景及意义 我们知道当今社会是信息社会。高度发达的信息社会要求通信网能提供多种 多样的电信业务。通过通信网传输，交换，处理的信息量将不断增大。这就要求 现代化的通信网向数字化，综合化，智能化和个人化方向发展。 传输系统是通信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接制约着通信网的发 展。当前世界各国大力发展的信息高速公路。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，就好比一条不断 扩展的能容纳大量车流的高速公路。同时用户希望传输网能有世界范围的接口标 准。能实现我们这个地球村中的每一个用户能随时随地便捷地通信。 目前传统的传输体制组建的传输网，由于其复用的方式很明显不能满足信号 大容量传输的要求。 传统的体制中，只有1 5 m b i t s 和2 m b i t s 速率的信号( 包括日本系列 6 3 m b i t s 速率的信号) 是同步的，其他速率的信号都是异步的，需要通过码速 的调整来匹配和容纳时钟的差异，由于传统的体制中采用异步复用方式。那么就 导致当低速信号复用到高速信号时，其在高速信号的帧结构中的位置没规律性和 固定性，也就是说在高速信号中不能确认低速信号的位置，而这一点正是能否从 高速信号中直接分插出低速信号的关键所在。正如你在一堆人中寻找一个没见过 的人时，若这一堆人排成整齐的队列，那么你只要知道所要找的人站在这堆人中 的第几排和第几列，就可以将他找了出来。若这一堆人杂乱无章的站在一起，若 要找到你想找的人，就只能一个一个的按照片去寻找了。 时间同步数字系统概念的核心是从统一的国家电信网和国际互通的高度来组 建数字通信网，是构成综合业务数字网i s d n 。特别是宽带综合业务数字网b - i s d n 的重要组成部分。因为与传统的体制不同，按时间同步数字系统组建的网是一个 高度统一的标准化的，智能化的网络，它采用全球统一的接口以实现设备多环境 的兼容。在全程全网范围实现高效的协调一致的管理和操作，实现灵活的组网与 业务调度，实现网络自愈功能，提高网络资源利用率。 时问同步数字系统是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一 电子科技大学硕士学位论文 网管系统操作的综合信息传送网络，参考的是美国贝尔通信技术研究所提出来的 同步光网络。 1 2 国内外发展方向 当今国外，普遍采用时间同步数字系统传送平台构建3 g 传输网，在接入层 可以对业务进行透传保证业务的高质量接入和传输，并实现低成本建网；在核心、 汇聚层通过信元交换进行带宽统计复用，可提高传输网络带宽的利用率；时间同 步数字系统良好的可扩展性和多业务支持能力可以满足3 g 目前和日后的演进要 求；双重保护机制可大大提高3 g 业务的安全性。 国内3 g 接入传输网络建网思路是在3 g 传输网络的接入层面，规模引入时间 同步数字系统多业务传送节点设备，形成本地综合业务传送网络，提高现有网络 的利用率，同时避免重复建设，优化投资回报率；同时考虑到3 g 基站时间同步 要求，直接增加i e e e1 5 8 8 时间同步处理单元的方式，以支持3 g 业务传送。在 此升级过程需要保证对现有业务的影响最小化。 现有g s m 和w c d m a 基站可以从与时间同步数字系统等同步传送网连接的 e l t 1 线路上提取同步信息。但为了适应w l a n 、3 g 、w i m a x 等无线业务需求， 包括降成本的g p s 替代解决方案，需要时间同步数字系统网络解决相位和绝对时 间的同步，加快业务投放进程。i e e e1 5 8 8 是被一致看好的时间同步技术。 i e e e l 5 8 8 的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”， i e e e l 5 8 8 标准的草案基础来自惠普公司的1 9 9 0 至1 9 9 8 年的有关成果。换句语说， 安捷伦科技对i e e e l 5 8 8 标准作出重要贡献。安捷伦实验室的资深研究员j o h n e i d s o n 被网络业界视为专家，他的“i e e e l 5 8 8 在测试和测量系统的应用”，以及 “i e e e l 5 8 8 ：在测控和通信的应用”两篇论文对i e e e l 5 8 8 协议有精辟和全面的介 绍。i e e e l 5 8 8 协议是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，在起草过程中主 要参考以太网来编制，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步，并且应用于 工业自动化系统。基本构思是通过硬件和软件将网络设备( 客户机) 的内时钟与 主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于1 0 t s 的运用，与未执行 i e e e l 5 8 8 协议的以太网延迟时间1 ，0 0 0 9 s 相比，整个网络的定时同步指标有显 著的改善。 1 3 本文的主要工作 2 第一章引言 ， 本文说明了时间同步数字系统的基本原理和实现方法。详细分析了同步系统 的信号交叉模型。介绍了经典的组播交叉算法，c l o s 矩阵算法。对交叉矩阵的完 全非阻塞条件进行了深入分析。同时分析了在网络可调整路由的情况下的非阻塞。 条件。对可调整路由的情况下的非阻塞条件的分析，为多波组应用场景提供了依 据和解决方案另一方面，本文详细描述i e e e l 5 8 8 时间同步协议在时间同步数字系 统中的应用过程。并详细描述了用于实际应用的解决方案。 电子科技大学硕士学位论文 第二章时间同步数字系统中的传输方式 2 1 时间同步数字系统信号的帧结构 传输系统是通信网的重要组成部分，传输系统的好坏直接制约着通信网的发 展。当前世界各国大力发展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，就好比一条不断扩展的能容纳大量车流的高速公路，能实 现我们这个地球村中的每一个用户能随时随地便捷地通信。 时间同步数字系统信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀 地，有规律的分布，因为这样便于实现支路的同步复用，交叉连接。 交叉连接，说到底就是为了方便的从高速信号中直接上下低速支路信号。鉴 于此，时间同步数字系统设计为8 b i t 为单位的矩形块状帧结构。 图2 - 1 矩形块状帧结构 从图2 1 看出时间同步数字系统的信号是9 行2 7 0 列的帧结构，字节间插复 用而成。由此可知，信号的帧结构是9 行2 7 0 列的块状帧。块状帧的传输方式是， 8 b i t 为单位从左到右，从上到下一个字节一个字节，一个比特一个比特的传输。 传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。 时间同步数字系统信号的帧频是8 0 0 0 帧秒，也就是帧长或帧周期为恒定的 值。这是t d m 数字系统信号的一大特点。由于帧周期的恒定使时间同步数字系 统信号的速率有其规律性，这种规律性使高速时间同步数字系统信号直接分插出 低速时间同步数字系统信号成为可能，特别适用于大容量的传输情况。 4 第二章时间同步数字系统中的传输方式 从图2 1 中看出，时间同步数字系统的帧结构由3 部分组成，段开销( 包括 再生段开销r s o h 和复用段开销) ，m s o h 管理单元指针，a u p t r 信息净负荷 p a y l o a d 。 下面我们讲述这三大部分的功能。 信息净负荷p a y l o a d 是在时间同步数字系统帧结构中存放将由时间同步数字 系统传送的各种信息码块的地方，信息净负荷区相当于时间同步数字系统这辆运 货车的车箱，车箱内装载的货物就是经过打包的低速信号，待运输的货物。为了 实时监测货物，打包的低速信号，在传输过程中是否有损坏。在将低速信号打包 的过程中，加入了监控开销字节。 段开销s o h 是为了保证信息净负荷正常灵活传送所必须附加的供网络运行， 管理和维护，o a m 使用的字节。例如段开销可进行对时间同步数字系统中的所 有货物在运输中是否有损坏进行监控。 段开销又分为再生段开销r s o h 和复用段开销m s o h ，分别对相应的段层 进行监控。我们讲过段其实也相当于一条大的传输通道r s o h 和m s o h 的作用 也就是对这一条大的传输通道进行监控。 2 2 时间同步数字系统信号的复用方法 时间同步数字系统的复用包括两种情况： 一种是低阶的时间同步数字系统信号复用成高阶时间同步数字系统信号。 另一种是低速支路信号，例如2 m b i t s3 4 m b i t s1 4 0 m b i t s 复用成时间同步数 字系统信号。 第一种情况主要通过字节间插复用方式来完成的。在复用过程中保持帧频不 变8 0 0 0 帧秒。这就意味着高一级的时间同步数字系统信号，是低一级的时间同 步数字系统信号速率的n 倍。 第二种情况，传统的将低速信号复用成高速信号的方法有两种： l 、比特塞入法，又叫做码速调整法。 这种方法利用固定位置的比特塞入指示来显示塞入的比特是否载有信号数据， 允许被复用的净负荷有较大的频率差异。异步复用，因为存在一个比特塞入和去 塞入的过程，码速调整，而不能将支路信号直接接入高速复用信号。或从高速信 号中分出低速支路信号，也就是说不能直接从高速信号中上下低速支路信号，要 一级一级的进行，这也就是p d h 的复用方式。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 、固定位置映射法。 这种方法利用低速信号在高速信号中的特殊位置来携带低速同步信号，要求 低速信号与高速信号同步，也就是说帧频相一致，可方便的从高速信号中直接上 下低速支路信号。但当高速信号和低速信号间出现频差和相差不同步时，要用1 2 5 s 、8 0 0 0 帧秒的缓存器来进行频率校正和相位对准，导致信号较大延时和滑动损 伤。 从上面看出这两种复用方式都有一些缺陷，比特塞入法无法从高速信号中上 下低速支路信号，固定位置映射法引入的信号时延过大。 时间同步数字系统网的兼容性要求时间同步数字系统的复用方式既能满足异 步复用。例如，将p d h 信号复用进时间同步数字系统，又能满足同步复用。方便 地由高速时间同步数字系统信号分插出低速信号，同时不造成较大的信号时延和 滑动损伤，这就要求时间同步数字系统需采用自己独特的一套复用步骤和复用结 构，在这种复用结构中，通过指针调整定位技术来取代1 2 5 s 缓存器用以校正支路 信号频差和实现相位对准。 各种业务信号复用进时间同步数字系统帧的过程都要经历映射( 相当于信号 打包) ，定位( 相当于指针调整) 复用( 相当于字节间插复用) 三个步骤。 时间同步数字系统，规定了一整套完整的复用结构，也就是复用路线。通过 这些路线，可将p d h 的3 个系列的数字信号以多种方法复用成时间同步数字系统 信号规定的复用路线如图2 2 所示。 图2 - 2p o h 信号复用路线 2 3 时间同步数字系统信号的复用步骤 下面我们分别讲述2 m b i t s3 4 m b i t s1 4 0 m b i t s 的p d h 信号是如何复用进时间 6 第二章时间同步数字系统中的传输方式 同步数字系统信号中的。 2 。3 11 4 0 m b i t s 复用进时间同步数字系统信号 首先将1 4 0 m b i f f s 的p d h 信号经过码速调整，比特塞入法，适配进c 4 。c 4 是用来装载1 4 0 m b i f f s 的p d h 信号的标准信息结构，参与时间同步数字系统复用 的各种速率的业务信号都应首先通过码速调整适配技术装进一个与信号速率级别 相对应的标准容器2 1 v l b i f f sc 1 2 、3 4 m b i f f sc 3 、1 4 0 m b i f f sc 4 。 容器的主要作用就是进行速率调整1 4 0 m b i f f s 的信号装入c 4 也就相当于将其 打了个包封，使1 4 0 m b i f f s 信号的速率调整为标准的c 4 速率，c 4 的帧结构是以 字节为单位的块状帧，帧频是8 0 0 0 帧秒。也就是说经过速率适配1 4 0 m b i t s 的信 号在适配成c 4 信号时已经与时间同步数字系统传输网同步了，这个过程也就相 当于c 4 装入异步1 4 0 m b i f f s 的信号，c a 的帧结构如图2 3 所示。 图2 3c 4 的帧结构 c 4 信号的帧有2 6 0 列，9 行。p d h 信号在复用进时间同步数字系统中时，其 块状帧一直保持是9 行，那么e 4 信号适配速率后的信号速率，也就是c 4 信号的 速率为8 0 0 0 帧秒，9 行，2 6 0 列。8 b i 仁1 4 9 7 6 0 1 v l b i f f s 所谓对异步信号进行速率 适配，其实际含义就是指当异步信号的速率在一定范围内变动时，通过码速调整 可将其速率转换为标准速率。在这里e 4 信号的速率范围是1 3 9 2 6 4 m b i f f s 正负 1 5 p p m ，g 7 0 3 规范标准( 1 3 9 2 6 11 3 9 2 6 6 ) 御0 i f f s 。那么通过速率适配可将这个速 率范围的e 4 信号，调整成标准的c 4 速率1 4 9 7 6 0 m b i f f s ，也就是说能够装入c 4 容器。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 4c 4 容器 2 3 23 4 m bit s 复用进时间同步数字系统信号 同样，3 4 m b i t s 的信号先经过码速调整将其适配到相应的标准容器c 3 中， 然后加上相应的通道开销c 3 打包成v c 3 此时的帧结构是9 行，8 5 列。 此时的信息结构是支路单元t u 3 与3 4 m b i t s 的信号相应的信息结构，支路 单元提供低阶通道层，低阶v c 。例如v c 3 和高阶通道层之间的桥梁，也就是说 是高阶通道。高阶v c 拆分成低阶通道，低阶v c 或低阶通道复用成高阶通道的 中间过渡信息结构。 图2 5 中r 为塞入的伪随机信息，这时的信息结构为l r l j g 3 。支路单元组三 个t u g 3 通过字节间插复用方式，复合成c 4 信号结构。 图2 5c 4 帧结构图 因为t u g 3 是9 行8 6 列的信息结构，所以3 个1 1 j g 3 通过字节间插复用方 式复合后的信息结构是9 行2 5 8 列的块状帧结构。而c 4 是9 行2 6 0 列的块状帧 结构。于是在31 1 j g 3 的合成结构前面加两列塞入比特，使其成为c 4 的信息结构。 这时剩下的工作就是将c 4 同步到数字系统中去了，过程同前面所讲的。与 将1 4 0 m b i t s 信号复用进时间同步数字系统信号的过程类似。 2 3 32 a bi t s 复用进时间同步数字系统信号 第二章时间同步数字系统中的传输方式 当前运用得最多的复用方式是将2 m b i t s 信号复用进时间同步数字系统信号 中，它也是p d h 信号复用进时间同步数字系统信号最复杂的一种复用方式。 首先，将2 m b i t s 的p d h 信号经过速率适配装载到对应的标准容器c 1 2 中。 为了便于速率的适配采用了复帧的概念，即将4 个c 1 2 基帧组成一个复帧。 c 1 2 的基帧帧频也是8 0 0 0 帧秒，那么c 1 2 复帧的帧频就成了2 0 0 0 帧秒。 采用复帧纯粹是为了码速适配的方便，例如若e 1 信号的速率是标准的 2 0 4 8 m b i t s ，那么装入c 1 2 时正好是每个基帧装入3 2 个字节2 5 6 比特有效信息。 因为c 1 2 帧频为8 0 0 0 帧秒。 3 个t u l 2 经过字节间插复用合成t u g 一2 ，此时的帧结构是9 行1 2 列。7 个 t u g 2 经过字节间插复用合成t u g 3 的信息结构。请注意7 个t u g 2 合成的信 息结构是9 行8 4 列，为满足t u g 3 的信息结构9 行8 6 列，则需在7 个t u g 一2 合成的信息结构前加入两列固定塞入比特，如图2 - 6 所示。 图2 6t u g 3 结构 从2 m b i t s 复用进时间同步数字系统信号的复用步骤可以看出，3 个t u l 2 复 用成一个t u g 2 ，7 个t u g 2 复用成一个t u g 3 ，3 个t u g 3 复用进一个v c 4 ，一 个v c 4 复用进1 个时间同步系统帧。也就是说2 m b i t s 的复用结构是3 、7 、3 结 构。由于复用的方式是字节间插方式，所在在一个v c 4 中的6 3 个v c l 2 的排列 方式不是顺序来排列的，头一个t u l 2 的序号和紧跟其后的t u l 2 的序号相差2 1 。 9 电子科技大学硕士学位论文 g 3 2 t u g 3 3 t u g 3 t u l 2 l l 一一j j 。h 。 一 t u l 2 i2 ，j _ _ _ 。_ h _ 。一 t u l 23 。一 t u l 2 il 一- - j _ - 。- 。+ 1 。一 t u l 2 l2 此处指的是位置编号 t u l 2 13 。1 。一 t u l 2 l1 、，_ j 。- - 。一 t u l 2 l2 - - - - 。- j _ 。- 。一 t u l 2 | 3 图2 - 7t u g 2 编号 t u g 2 编号范围l 7 ，t u l 2 编号范围l 3 ，t u l 2 序号是指本t u l 2 是v c 4 帧6 3 个t u l 2 的按复用先后顺序的第几个t u l 2 。 p d h 数字系列复用到时间同步数字系统帧中的方法和步骤。整个过程如下图 2 8 所示。 图2 - 8p d h 信号复用方式 2 4 时间同步数字系统管理开销 开销的功能是完成对s d h 信号提供层层细化的监控管理功能。监控的分类可 分为段层监控，通道层监控，段层的监控又分为再生段层和复用段层的监控，通 道层监控分为高阶通道层和低阶通道层的监控。由此实现了对时间同步数字系统 层层细化的监控。 1 0 ，一一 ：一一一 7 第二章时间同步数字系统中的传输方式 时间同步数字系统段开销位于帧结构的1 , - 9 行，1 - 9 列。 对于时间同步数字系统信号，段开销包括位于帧中的1 3 行1 - 9 列的r s o h 和位于5 9 行1 - 9 列的m s o h 如图2 - 9 所示。 卜一9 例一 a l b l d l a 1 1 a 1i a 2 十 | l e l 五眩赢 管理单元指针 b 2 i b 2 i b 2 l k l d 4 d 7 d l o s l d 5 d 8 d l l d 6 d 9 图2 9 段开销字节不意图 图2 - 9 中表示了再生段开销和复用段开销，它们的区别在于监控的范围不同。 r s o h 对应一个大范围时间同步数字系统，m s o h 对应这个时间同步数字系统的 一个小的范围。 l 、定帧字节a 1 和a 2 。 定帧字节的作用有点类似于指针，起定位的作用。我们知道s d h 可从高速信 号中直接分插出低速支路信号。原因就是收端能通过指针a u p t r 、t u p t r 在 高速信号中定位低速信号的位置。但这个过程的第一步是收端必须在收到的信号 流中正确地选择分离出各个帧。也就是先要定位每个帧的起始位置在哪里，然后 再在各帧中定位相应的低速信号的位置。就象在长长的队列中定位一个人时，要 先定位到某一个方队，然后在本方队中再通过这个人的所处行列数定位到他。a 1 a 2 字节就是起到定位一个方队的作用。通过它，收端可从信息流中定位，分离出 帧，再通过指针定位到帧中的某一个低速信号。 收端通过a 1a 2 固定的比特图案，a 1 ：1 1 1 1 0 1 1 0 ，a 2 - 0 0 1 0 1 0 0 0 做收端检 测。 当连续5 帧以上6 2 5 s 收不到正确的a 1 a 2 字节，即连续5 帧以上无法判别帧 头，区分出不同的帧，那么收端进入帧失步状态，产生帧失步告警o o f 。若o o f 持续了3 m s 则进入帧丢失状态，设备产生帧丢失告警l o f ，下插a i s 信号。整个 业务中断。在l o f 状态下若收端连续l m s 以上又处于定帧状态，那么设备回到 正常状态。 时间同步数字系统在线路上传输要经过扰码，主要是为了便于收端能提取线 tll晰l一 电子科技大学硕士学位论文 路定时信号。但又为了在收端能正确的定位帧头a 1 a 2 又不能将a 1 a 2 扰码为兼 顾这两种需求，于是时间同步数字系统信号对段开销第一行的所有字节上l 行9 n 列不扰码，而进行透明传输。时间同步数字系统帧中的其余字节进行扰码后再上 线路传输。这样又便于提取s t m n 信号的定时，又便于收端分离s t m n 信号。 2 、再生段踪迹字节j o 。 该字节被用来重复地发送段接入点标识符，以便使接收端能据此确认与指定 的发送端处于持续连接状态。在同一个网络内该字节可为任意字符，而在不同两 个的网络边界处，要使设备收发两端的j o 字节相同，匹配。通过j o 字节可使提 前发现和解决故障，缩短网络恢复时间。 j o 字节还有一个用法，在时间同步数字系统帧中每一个帧的j 0 字节定义为 标识符c 1 ，用来指示每个帧在时间同步数字系统中的位置。指示该帧是间插层数， 和该c l 在该帧中的第几列。复列数，可帮助a 1 a 2 字节进行帧识别。 3 、数据通信通路d c c 字节d 1 d 1 2 。 s d h 的一大特点就是o a m 功能的自动化程度很高，可通过网管终端对网元 进行命令的下发，数据的查询，完成p d h 系统所无法完成的业务实时调配。告警 故障定位，性能在线测试等功能。 用于o a m 功能的数据信息，下发的命令，查询上来的告警性能数据等，是 通过帧中的d 1 d 1 2 字节传送的。也就是说用于o a m 功能的相关数据是放在帧 中的d i d 1 2 字节处，在时间同步数字系统网络上传输的。这样d 1 - d 1 2 字节提 供了所有网元都可接入的通用数据通信通路。 作为嵌入式控制通路e c c 的物理层，在网元之间传输操作、管理、维护o a m 信息，构成s d h 管理网s m n 的传送通路。 其中d i d 3 是再生段数据通路字节d c c r 速率为36 4 k b i t s 。1 9 2 k b i t s 用 于再生段终端间传送o a m 信息，d 4 d 1 2 是复用段数据通路字节。 d c c m 共9 6 4 k b i f f s = 5 7 6 k b i f f s ，用于在复用段终端间传送o a m 信息。d c c 通道速率总共7 6 8 k b i f f s 它为网络管理提供了强大的通信基础。 4 、公务联络字节e 1 和e 2 。 分别提供一个6 4 k b i t s 的公务联络语声通道，语音信息放于这两个字节中传 输。e l 属于r s o h 。用于再生段的公务联络，e 2 属于m s o h 用于终端间直达公 务联络。 5 、使用者通路字节f l 。 提供速率为6 4 k b i t s 数据语音通路，保留给使用者，通常指网络提供者。用 1 2 第二章时间同步数字系统中的传输方式 于特定维护目的的临时公务联络。 6 、比特问插奇偶校验8 位码b i p 8b l 。 这个字节就是用于再生段层误码监测的，b l 位于再生段开销中。 首先我们先讲一讲b i p 8 奇偶校验，若某信号帧由4 个字节a 1 - 0 0 110 0 11 ， a 2 = l1 0 0 11 0 0 ，a 3 = 1 0 1 0 1 0 1 0 ，a 4 = 0 0 0 0 11 il 那么将这个帧进行b i p 8 奇偶校验的 方法是以8 b i t 为一个校验单位。1 个字节将此帧分成4 块，每字节为一块，因1 个字节为8 b i t 正好是一个校验单元。 按下图2 1 0 方式摆放整齐： a 1 0 0 1 1 0 0 1 1 a 2 l l o o l l o o a 31 0 1 0 1 0 1 0 a 40 0 0 0 1 1 1 1 b0 1 0 1 1 0 1 0 图2 1 0b i p 一8 奇偶校验示意图 依次计算每一列中l 的个数，若为奇数，则在得数b 的相应位填1 ，否则， 填0 。也就是b 的相应位的值，使a 1 a 2 a 3 a 4 摆放的块的相应列的l 的个数为偶 数。这种校验方法就是b i p 8 奇偶校验，实际上是偶校验。因为保证的是l 的个 数为偶，b 的值就是将a 1 a 2 a 3 a 4 进行b i p 8 校验所得的结果。 b 1 字节的工作机理是发送端对本帧第n 帧加扰后的所有字节进行，b i p 8 偶 校验。将结果放在下一个待扰码帧，第n + l 帧中的b l 字节。接收端将当前待解 扰帧，第n 帧的所有比特进行b i p 8 校验。所得的结果与下一帧第n + i 帧解扰后， 的b l 字节的值相异或比较。若这两个值不一致则异或有1 出现，根据出现多少 个1 则可监测出第n 帧在传输中出现了多少个误码块。 高速信号的误码性能是用误码块来反映的，因此s t m - n 信号的误码情况实 际上是误码块的情况。从b i p 8 校验方式可看出，校验结果的每一位都对应一个 比特块。 7 、比特间插奇偶校验2 4 位字节b 2 。 b 2 的工作机理与b 1 类似，只不过它检测的是复用段层的误码情况。 b l 字节是对整个帧信号进行传输误码检测的，一个帧中只有一个b 1 字节， 而b 2 字节是对s t m n 帧中的每一个s t m 1 帧的传输误码情况进行监测帧中有3 电子科技大学硕士学位论文 个b 2 字节。每三个b 2 对应一个帧。检测机理是发端b 2 字节对前一个待扰的整 个帧中的全部比特进行b i p - 2 4 校验。结果放于本帧待扰帧的b 2 字节位置。收端 对当前解扰后除了r s o h 的全部比特进行b i p 2 4 校验，其结果与下一帧解扰后 的b 2 字节相异或，根据异或后出现1 的个数来判断该帧中的传输过程中出现了 多少个误码块，可检测出的最大误码块个数是2 4 个。 在发端写完b 2 字节后，相应的n 个帧按字节间插复用成信号。有3 n 个b 2 在收端先将信号分间插成帧信号，再校验这n 组b 2 字节。 8 、自动保护倒换a p s 通路字节k 1 、k 2 ：b l b 5 。 这两个字节用作传送自动保护倒换a p s 信令，用于保证设备能在故障时自动 切换，使网络业务恢复，自愈，用于复用段保护倒换自愈情况。 9 、复用段远端失效指示m s r d i 字节k 2 ：b 6 - , b 8 。 这是一个对告的信息，由收端信宿回送给发端信源表示收信端检测到来话故 障或正收到复用段告警指示信号，也就是说当收端收信劣化，这时回送给发端 m s r d i 告警信号，以使发端知道收端的状态。若收到的k 2 的b 6 - - b 8 为1 1 0 码， 则此信号为对端对告的m s r d i 告警信号，若收到的k 2 的b 6 , - - b 8 为1 1 1 则此信 号为本端收到m s a i s 信号。此时要向对端发m s r d i 信号，即在发往对端的信 号帧的k 2 的b 6 - - - b 8 放入1 1 0 比特图案。 1 0 、同步状态字节s 1 ：b 5 - b 8 。 不同的比特图案表示不同时钟质量级别，使设备能据此判定接收的时钟信号 的质量。以此决定是否切换时钟源，即切换到较高质量的时钟源上。s l ：b 5 b 8 的值越小，表示相应的时钟质量级别越高。 1 1 、复用段远端误码块指示m s r e i 字节m 1 。 这是个对告信息，由接收端回发给发送端m 1 字节用来传送接收端由b i p - n 2 4b 2 所检出的误块数，以便发送端据此了解接收端的收信误码情况。 1 4 第三章时间同步数字系统交叉功能 第三章时间同步数字系统交叉功能 时间同步数字系统的传输核心是将映射进帧结构的各个通道，交叉到系统各 个传输路径上。 此论文所涉及时间同步数字系统网元，完成2 6 个v c 4 的低阶时分交叉，完 成2 6 个v c 4 的按v c 4 交叉( 按路交叉) 。每个v c 4 可以选择按v c 4 交叉( 按 路交叉) 还是按低阶时分交叉。低阶时分交叉时按v c 3 v c l 2 交叉可选，根据配 置不同在每个t u g 3 可以选择是按v c 3 交叉还是按v c l 2 交叉。 时间同步数字系统交叉逻辑f p g a 大约需要2 3 0 0 0 个l e 9 1 个4 k b i t r a m ， 采用e p 2 c 3 5 实现，采用e p 2 c 3 5 后由于其r a m 的b u g ，需要多用1 3 个4 k b i t r a m 。 这样在e p 2 c 3 5 上需要的的资源大约为2 3 0 0 0 个l e 1 0 4 个4 k b i t r a m 。 时间同步数字系统交叉逻辑采用c l o s 矩阵，完成整个路径选择过程。 3 1clo s 矩阵算法 为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，c l o sc 很早就提出一 种多级结构，推出了严格无阻塞的条件，这就是著名的c l o s 网络。下图3 1 是 3 级c l o s 的结构。由图3 1 可知，在最坏情况下，中间级会有( n - 1 ) x2 个交 换单元被占用，因此中间级至少要有( n - 1 ) 2 + 1 = 2 n - 1 个交换单元，即m 2 n 1 时，可确保无阻塞( 严格无阻塞) 。 假设c l o s 网络有m 条入线与n 条出线，如果m = n ，我们称这样的c l o s 网络为对称的c l o s 网络，否则为非对称的c l o s 网络。对称的c l o s 网络使用 广泛，在这里我们主要介绍对称的c l o s 网络，下面所介绍的c l o s 网络除非特 别说明一般指对称的c l o s 网络。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 图3 1c l o s 网络 3 级c l o s 网络非常容易理解，而且应用广泛，除非特别指明，我们一般说 c l o s 网络也指3 级c l o s 网络，更多级的c l o s 网络可以由3 级c l o s 网络递 归构造而成。一个n n 的3 级c l o s 网络的基本结构，如图3 1 所示，n 为入 线数与出线数。其中，入线n 被划分为r 组，每组有n 条入线，即n = r n 。第 一级共有r 个n x m 的交换单元，r 组入线正好分别接入交换网络中第一级r 个交 换单元；假