（通信与信息系统专业论文）嵌入式基站一体化监控系统研究.pdf

摘要 摘要 随着近年来g s m ，c d m a 移动通信系统飞速发展，设备和基站越来越多，规 模也越来越大。为了保证g s m ，c d m a 系统设备安全可靠地工作，对各基站、移 动交换中心( m s c ) 机房内的电源系统、空调系统及其他环境设备进行集中监控和 管理有着迫切的需求。 目前远程嵌入式监控系统已经成为监控系统的发展趋势，现代远程监控技术， 借助于计算机，网络和通信技术，管理者可以依靠安装在现场的各种传感器，实 时了解现场状况，对现场设备进行监视诊断和维护，使整个系统具有高灵活性和 可扩展性，同时也增加了被监控系统工作的稳定性。现代远程监控系统将现场采 集的数据通过网络传送给监控中心计算机，计算机自动对收到数据进行分析处理， 对设备运行状况进行评估，当有设备工作异常时，自动产生告警，并对故障设备 进行定位，可以通过短信或者拨号呼叫方式通知维护人员进行维修。 本文的主要工作在于系统的研究了基站远程监控系统，介绍了当前国内外的 研究动态，介绍了基站监控系统的总体架构，并针对本人在嵌入式基站现场监控 子系统课题中所承担的核心模块的硬件设计，详细论述了其中的关键部分，最后 对b o o t l o a d e r 的设计及调试过程进行了详细介绍。 本文创新之处： ( 1 ) 将嵌入式技术应用到基站监控系统中。 ( 2 ) 本课题根据当前的市场需求，提供了e l 时隙分插、专用e 1 线路、公 务信道、m o d e m 拨号、短信、无线传输等多种数据传输方式，完全可以满足未 来用户的需求。 ( 3 ) 由于3 g 技术的迅速应用，传输方式将朝着网络化的方向发展，在本设 计中提供了网络接口，为未来本系统在3 g 中应用打下基础。 ( 4 ) 首次将嵌入式l i n u x 操作系统应用到基站监控系统中。 关键词：基站监控系统嵌入式处理器l i n u x a b s t r a c t a b s t r a c t t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mj u s ta sg s mc d m ah a sd e v e l o p e dq u i c k l yi n r e c e n ts e v e r a ly e a r s ，t h e r e f o r et h eq u a n t i t yo ft h e e q u i p m e n ta n db a s es t a t i o nh a s i n c r e a s e dq u i c k l y i no r d e rt om a k eg s ma n dc d m a s y s t e mw o r k i n gs t a b l l y ，i t sp o w e r s y s t e ma n dw o r k i n ge n v i r m e n ts h o u l db ea u t o m a t i c a l l ys u p e r v i s e da n dc o n t r o l l e di nt h e b a s es t a t i o na n dm o b i l es 呐t c hc e n t e r i ti st h ec u r r e n tt r e n dt ou s et h er e m o t ee m b e d d e ds u p e r v i s i o ns y s t e mf o rt h e r e m o t es u p e r v i s i o na n dc o n t r 0 1 u s i n gt h e c o m p u t e r ，n e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , t h em a n a g e rc a nm a s tt h er e m o t ee q u i p m e n tr u n n i n gs t a t i o na n dc o n t r o lt h e e q u i p m e n t s 、丽ms e n s o r si n s t a l l e di nw o r k i n gs i t e t h es u p e r v i s i o ns y s t e mh a sg o o d f l e x i b i l i t ya n de x p a n d e da b i l i t y , h e n c et h es t a b i l i t yo fm o b i l es y s t e mh a sb e e n i m p r o v e d t h ed a t ap i c k e du pb ys e n c o r sh a sb e e nt r a n s f e r r e dt ot h er e m o t em o n i t o r i n g c e n t e rw i t hc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s t h r o u g hp r o c e s s i n gd a t a ，t h ee q u i p m e n ts t a t u so f t h er e m o t ew o r k i n gs i t eh a sb e e nc o n t r o l l e d i fs o m ep r o b l e m sh a v eh a p p e n e d t h e s u p e r v i s i o ns y s t e mw i l lg i v ea na l a r ma n dc o n f i r mt h et r o u b l ee q u i p m e n ta n di n f o r mt h e r e l e v a n tp e o p l et od e a lw i t ht h e mw i ms h o r tm e s s a g eo rd i a l i n gn u m b e r i n t h i sd i s s e r t a t i o na r ed i s c u s s e dt h er e m o t es u p e r v i s i o ns y s t e n lo fb a s es t a t i o n ， t h eh a r d w a r eo fk e ym o d u l eo ft h ee m b e d d e db a s es t a t i o ns u p e r v i s i o ns u b s y s t e m ，t h e f r a m e w o r ko fs u p e r v i s i o ns y s t e ma n dt h ek e yt e c h n o l o g y ，t h eb o o t l o a d e rd e s i g n i n ga n d d e b u g g i n gd e t a i l l y s e v e r a lv n u a b l ea n di m p o r t a n tr e s u l t sw h i c hb r i n gf o r t hn e wi d e a sa r ea c h i e v e d a n dl i s t e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) u s et h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yt ot h eb a s es t a t i o ns u p e r v i s i o ns y s t e mf i r s tt i m e ( 2 ) b a s eo nt h em a r k e tr e q u i r e m e n t ，w ep r o v i d e dt h ee 1t i m es l o ts w i t c h ，e 1 s p e c i a lt e l e p h o n el i n e ，o r d e r w i r ew i r ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ，m o d e md i a l ，s h o r t m e s s a g e a n do t h e rw i r e l e s st r a n s m i s s i o nc h a n n e l s ( 3 ) p r o v i d et h en e t w o r ki n t e r f a c ef o rt h ef u t u r e3 ga p p l i c a t i o n s ( 4 ) u s et h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e mt o t h eb a s es t a t i o ns u p e r v i s i o n s y s t e mf i r s tt i m e k e yw o r d s ：b a s es t a t i o ns u p e r v i s i o ns y s t e m ，e m b e d d e dp r o c e s s o r , l i n u x i i 图目录 图目录 图21 以太网数据传输示意图 图2 2 以太网数据包格式 图2 3m a c 地址格式规范 图2 4h d b 3 码编码原理 图2 - 5 译码原理 图3 1 监控系统功能图： 图3 2 基站监控系统组网结构图 图3 3 嵌入式现场监控子系统硬件架构 图3 - 4 现场监控子系统功能框图 图35 这个监控系统协议分层 图3 6 现场监控子系统协议分层 图4 1 核心板系统硬件框图 图4 2m p c 8 5 2 内部架构 图4 3m p c 8 5 2 和f l a s h 接口 图4 4m p c 8 5 2 与s d r a m 连接关系 图4 5m p c 8 5 2 串口连接方式 图4 6s m cu a r t 模式数据帧格式 图4 7 以太网接口 图4 - 8m f c 8 5 2 与p e b 2 2 5 4 微处理器接口 图4 9m p c 8 5 2 与p e b 2 2 5 4 通信接口 图4 1 0e l 接口雷击浪涌保护电路 图5 一lm p c 8 5 2 开发环境组成 图5 2p p c i 3 0 0 t 烧写界面 图6 1 以太网功能测试平台 图6 2e 1 时隙分插通信方式测试平台 图6 3e l 接口测试数据流程图 图6 4 以太网转e 1 通信接口测试平台 图6 5 以太网转e 1 接口测试流程图 图6 6 串口转e l 测试平台 图6 7 串口转e 1 接口测试流程图 图6 8 静电放电实验平台 图6 9 静电实验冲击波形 图6 一l o 电快速瞬变脉冲群波形图 图6 一1 1 雷击浪涌实验平台 图6 1 2 雷击浪涌冲击波形 v qn地均嬲孔丛折勰弛弘盯们盯鼹加仡他似巧伯阳伯伯舳虬跗 表目录 表目录 表21h d b 3 码取代规则，1 】 表4 一ll x t 9 7 2 功能表4 1 表42l x t 9 7 2 与m p c 8 5 2 连接关系表4 2 表4 3p e b 2 2 5 4 命令寄存器4 4 表4 4p e b 2 2 5 4 模式寄存器4 5 表4 5p e b 2 2 5 4 中断端口配置寄存器4 5 表4 - 6p e b 2 2 5 4 中断配置功能选择表4 6 表4 7p e b 2 2 5 4 普通寄存器i 4 6 表4 8r f i f o 配置功能表4 7 表4 9p e b 2 2 5 4 普通寄存器3 4 7 表4 1 0p e b 2 2 5 4 前导码寄存器4 8 表4 1 1p e b 2 2 5 4 传输服务字脉冲帧寄存器。，4 8 表4 1 2 传输空闲位寄存器4 8 表4 1 3p e b 2 2 5 4 接收控制0 寄存器4 9 表4 1 4p e b 2 2 5 4 接收控制1 寄存器5 0 表4 1 5p e b 2 2 5 4 信道回环寄存器5 l 表4 1 6p e b 2 2 5 4 帧模式寄存器2 5 2 表4 1 7p e b 2 2 5 4 帧模式寄存器3 5 3 表4 1 8 线路接口模式寄存器o 5 4 表4 1 9p e b 2 2 5 4 线路接口模式寄存器1 5 5 表4 2 0p e b 2 2 5 4 脉冲计数检测寄存器。，。5 6 表42 1m p c 8 5 2h d l c 工作模式配置表6 0 表4 2 2m p c 8 5 2t s a 寄存器初始化表6 1 表4 2 3p e b 2 2 5 4 寄存器初始化表6 2 表4 2 4 可靠性预计计算6 4 v i 缩略语 g s m c d m a m s c 3 g g p r s p p c b o o t c s m a c d l s b m a c p c m c c i t t t c p i p d d n 1 v a n p d n h d b 3 e m p u m c u e d s p r o m 缩略语 g 1 0 b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o a ac o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s m o b il es w i t c h i n gc e n t e r 3 r dg e n e r a t i o n g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e p o w e r p cb o o t l o a d e r c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t l e a s ts i g n i f i c a n tb i t m e d i aa c e e s s p u l s ec o d em o d u l a t i o n c o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ei n t e r n a t i o n a l t e l e p h o n ea n dt e l e g r a p h t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 i n t e r n e t p r o t o c o l d i g i t a ld a t an e t w o r k w i d ea r e an e t p u b li cd a t an e t w o r k h i g hd e n s i t yb i p o l a r e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t m i c r o c o n t r o l l e ru n i t e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r r e a do n l ym e m o r y v i i 全球移动通信系统 码分多址蜂窝系统 移动交换中心 第3 代移动通信网 通用无线分组业务 p o w e r p c 处理器启动 代码 多路存取载波侦听 冲突检测 最低位 介质存取控制层 脉冲编码调制 国际电话电报咨询委 员会 控制协议网间协议 数字数据网 广域网络 公用数据网络 三阶高密度双极性 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式d s p 处理器 只读存储器 缩略语 e p r o me r a s a b l ep r o g r a m m a b l er e a d o n l ym e m o r y r a m s o c v l s i u p s c s p s t n a i d i d o u d p p p p u a r t c p m s c c s m c p c m c i a h d l c m m u s i u u p m d m a s d m a l a n r a n d o ma c c e s sm e m o r y s y s t e mo nc h i p v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m c l i e n t s e v e r p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k a n a l o g yi n p u t d i g i t a li n p u t d i g i t a lo u t p u t u s e rd a t a p r o t o c o l p o i n tt op o i n tp r o t o c o l u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r c o m m u n i c a t i o np r o c e s s o rm o d u l e s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc o n t r o l l e r s e r i a lm a n a g e m e n tc o n t r o l l e r p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r d i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o l m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t s y s t e mi n t e r f a c eu n i t u s e rp r o g r a m m a b l em a c h i n e d i r e c tm e m o r ya c c e s s s e r i a ld i r e c tm e m o r ya c c e s s l o c a la r e an e t w o r k v i i l 可擦可编程只读存储 器 随机存取存储器 片上系统 超大规模集成电路 不间断电源 客户端服务器 公共电话交换网 模拟输入 数字输入 数字输出 用户数据报协议 点对点通信协议 全局异步收发传输器 内嵌通信处理模块 串行通信控制器 串行管理控制器 个人计算机存储卡国 际联盟 高级链路控制协议 内存管理单元 系统接口单元 用户可编程器 直接存储器存取 串行直接存储器存取 局域网 缩略语 i r d a b i s y n c g c i t d m t s a f e c g p c m i n f r a r e d d a t aa s s o c i a t i o n b i n a r ys y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n s p r o t o c ol 红外线数据标准协会 二进制同步通信协议 g e n e r a lc i r c u i ti n t e r f a c e通用电路接口控制器 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 时分复用 t i m es l o ta s s i g n e r时隙分配器 f a s te t h e r n e tc o n t r o l l e r快速以太网 g e n e r a l p u r p o s ec h i p s e l e c tm a c h i n e通用片选存储控制器 i x 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：趋查日期j 撕6 年3 月f 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：叠查叠导师签名 日期：2 0 06 年3 月1 日 第一章引论 1 1 本课题来源及研究任务 第一章引论 随着通信业的迅猛发展。近年来尤其是g s m 、c d m a 移动通信系统得到了飞 速发展，设备和基站越来越多，规模也越来越大。众多的高科技设备，使得通信机 房对其电源设备、空调设备、其他环境设备的正常运行有严格的要求。如果机房 电源和环境设备出现故障，就必然造成系统设备停止运行，影响正常工作。当发 生严重事故时，还会造成机房内通信设备毁坏，将会影响到一个区域、一个城市甚 至更大范围的地区。因此，为了保证g s m 、c d m a 系统设备安全可靠地工作，对 各基站、移动交换中，g , f m s c ) 机房内的电源系统、空调系统及其他环境设备进行 集中监控维护是极其必要的。 而移动通信基站所处的大多数地区，其电力网情况不稳定，同时机房基本上 都是无人值守，所以对基站进行集中监控比本地网集中监控有着更为迫切的需求。 本课题正是根据当前的市场需求，而开发基站集中监控系统。它主要利用e 1 时隙 分插、专用e 1 线路、公务信道、m o d e m 拨号、短信、无线等方式对基站的环境 和动力设备进行监控。同时由于3 g 技术的迅速应用，传输方式将朝着网络化的方 向发展，t c p i p 协议将在多种传输方式中采用；本课题所设计的基站监控系统是 一套功能相对齐全，成本相对低廉，组网方式灵活，可满足不同用户需求的基站 监控系统。采用嵌入式l i n u x 操作系统，它具有当前市面基站集中监控系统的绝大 部分功能：即a i ，d i 采集，d o 控制，透明串口在e 1 上的传输；工作电源可选； 采用e 1 时隙分插、专用e 1 线路、公务信道、m o d e m 拨号、短信、无线等通讯 方式；同时增加t c p i p 接口，g p r s c d m a 无线接入功能，透明串口到t c p i p 的转换等功能等。 基站监控系统从网络结构上一般划分为三部份：前端采集系统、监控中心接 入设备和为两者提供传输链路的传输系统，一般传输系统由用户提供，因此监控 系统中需要开发的为前端采集系统和中心接入设备。 本课题的主要任务是基站监控系统的前端采集系统，本人在此课题中主要承担 电子科技大学硕士学位论文 前端采集系统中核心模块硬件的设计与开发，以及嵌入式p o w e r p c 8 5 2 处理器 b o o t l o a d e r 设计与开发。 1 2 国内外相关技术发展动态 在国内，监控系统起源于上世纪8 0 年代，电源设备生产厂家根据自身产品而 开发的功能单一监控设备，这就造成了一个监控中心要运行开关电源、油机和空 调等多套监控系统，甚至单开关电源就包括了不同品牌的多套监控系统。而电信 运营商不可能采购单一设备制造商设备，这么多不同制式系统难以很好的进行统 一管理和集中监控。此外，各系统的功能、机制、协议、接口也存在较大差异， 很难进行互联。针对这种情况，建设基站电源集中监控管理系统的思路和要求就 相应的被提出来了1 9 1 。 监控系统经过了这2 0 来年的发展，可以说，目前通信电源集中监控技术的发 展与监控系统的实施已进入一个新时代，主要表现在： ( 1 ) 监控系统随着计算机和通信技术的发展，正朝着更加灵活和具有强扩展性方 向发展。 ( 2 ) 以太网和互联网网络技术的发展，传统的串口通信方式正在被互联网架构所 取代。 ( 3 ) 近几年随着嵌入式技术的迅猛发展，基于嵌入式的i n t e r n e t 技术开始走入 监控领域。尤其是嵌入式w e b 浏览器技术的应用，使每个监控点都成为一个独立 节点，这样用户可以直接通过浏览器实时浏览设备运行状况。采用这种方式具有 直接、快捷、经济、高效、不需要专门的w e b 服务器，减少了开发工作量，节约 成本等优点“。2 7 1 。 ( 4 ) 现在的监控系统基于网络化、模块化、开放性等原则，正由传统的集中模式 转变为分布模式，成为具有开放性、可互操作性、分散性、网络化、智能化的监 控系统。 ( 5 ) 同时3 g 网络建设即将开始，3 g 对监控数据的传送提出了新的要求。 一塑二! ! | 笙 1 3 本论文内容安排 本论文首先介绍了一些本课题涉及到的一些基本理论知识，然后描述了一下 基站髓控系统的整体组织架构，并指出本人所做设计在整个监控系统中处于一个 什么样的位置，最后详细讲解本人如何最终具体实现嵌入式现场采集系统核心模 块设计。以下是各章节的具体安排： 第一章：引论，主要介绍了本课题研究的意义，及当前基站监控的发展动态。 第二章：本课题所涉及基础知识，讲解了什么是以太网，什么是e 1 什么是 嵌入式系统。 第三章：讲述了动力环境一体化监控系统主要实现什么功能，整个监控系统 体系架构是什么样，有哪几个主要部分组成。各部分都有什么功能，如何实现等。 第四章：嵌入式基站现场监控系统核心模块设计，及介绍各主要功能子模块 实现方式及作用。 第五章：嵌入式3 a p c 8 5 2b o o t l o a d e r 设计，即如何根据核心板硬件设计修改 p p c b o o t ，最终实现对r p c 8 5 2 的启动引导。 p p c i j o o t ，最终实现对 _ 1 p c 8 5 2 的启动引导。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 以太网 第二章课题所涉及基础知识 2 1 1 以太网技术 以太网是一种流行的分组交换局域网技术，最早由x e r o x 公司的p a r c 在2 0 世纪7 0 年代发明。以太网为共享总线技术，支持广播，并使用最大努力交付机制， 采用分布式接入控制。采用共享总线，即所有网点连接到一个共享的单一通信信 道。所有网点都能收到每次发送，同时把一个分组传输到所有网点。在以太网中， 所有计算机被连接一条总线上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问( c s 姒c d ) 方法，采用竞争机制和总线拓扑结构。基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞 线电缆或问轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。 2 1 2 载波侦听冲突检测与恢复 由于以太网使用总线拓扑，它要求多台计算机同步接入以太网，发送计算机传 输调制过的载波，载波从发送计算机向电缆的两端传播。图2 - 1 表明数据如何在以 太网上传播1 4 1 0 图2 - 1 蚍太网数据传输示意图 如图2 - 1 所示，信号从发送计算机向共享电缆的两端传播，在帧的传输过程中 发送计算机独占使用整个电缆，其他计算机必须等待在此计算机完成帧传输后， 共享电缆才能为其他计算机使用。以太网具有协调传输的机制，它不使用中央控 制器来通知每台计算机怎样按顺序使用共享电缆，相反所有连接在以太网上的计 4 文蘸一蒸鞴骥糕囊壤篱 第二章课题所涉及基础知识 算机都参与一种叫做多路存取载波侦听( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 简称c s m a ) 的分布协调方案。这种方案使用电缆上的电子信号来确定状态，当没有计算机发 送帧时，线路中没有电子信号，而在帧的传输过程中发送计算机传输对位串进行 编码的电子信号。尽管这种信号与载波有细微的差别，但还是把它们也称为载波， 这样为了确定电缆当前是否正被使用，计算机可以检测载波，如果当前没有载波， 计算机就能传输一帧，如果当前存在载波，计算机必须等待其他计算机发送完成。 检测载波叫做载波侦听，并且这种利用信号的存在性来确定何时传输的想法，叫 做多路存取载波侦听c s m a 。 因为c s m a 允许每台计算机分别确定共享线路是否己被其他计算机使用，所 以它能防止计算机打断一个正在进行的传输，然而c s m a 不能防止所有可能的冲 突，如果两台分别位于空闲电缆两端的计算机，同时准备发送帧。两台计算机将 同时检测载波，同时发现电缆是空闲的，然后同时开始发送帧，电子信号的传播 速度大约为光速的7 0 ，当两台计算机发送的电子信号在电缆上同一点相遇时， 它们将会相互干扰，两个信号的相互干扰称为冲突。尽管冲突不会损坏硬件，但 是它产生了混淆的传输，阻止了任何一个帧的正确接收，为了确保没有其他计算 机同时传输，以太网标准要求每个发送站监测电缆上的信号，如果电缆上的信号 不同于该站发送出去的信号，即意味着出现了冲突，为确保冲突在停止发送前到 达所有的计算机，以太网标准规定了最大的电缆长度和最小的帧尺寸。当一台正 在发送的计算机检测到冲突，它立即停止传输，这种在传输的过程中监测电缆的 方法称为冲突检测( c o l l i s i o n d e t e c t 简称c d ) 。这种以太网机制称为载波侦听多路 存取冲突检测( c s m a c d ) 。不仅仅只检测冲突，它也能从冲突中自动恢复， 在一个冲突发生后，计算机必须等待电缆再次空闲后才能传输帧。然而，如果以 太网空闲，计算机就开始传输。那么另一次冲突就会发生，为了防止多次冲突， 以太网要求每台计算机在冲突后，延迟一段时间才尝试传输标准指定了最大延迟 d ，并且要求每台计算机选择一个小于d 的随机延迟。在大多数情况下，当计算 机随机选择一个延迟时间，它将选一个与其他计算机所选的值都不相同的值，选 择到最小延迟的计算机将开始发送帧，网络将恢复正常运行。如果有两台或多台 电子科技大学硕士学位论文 计算机在冲突后恰好选择几乎相同的延迟，那么它们将几乎同时开始传输，导致 第二次冲突，为了防止一连串的冲突，以太网要求每台计算机在每次冲突后把选 择延迟的范围加倍。这样，计算机在第一次冲突后从0 到d 之间选择一个随机延 迟，在第二次冲突后从0 到2d 之间选择，在第三次冲突后从0 到4d 之间选择， 依此类推，在几次冲突后，选择随机值的范围变得很大。一些计算机选择了较短 的延迟，而无冲突传输的概率就变得很大。从技术上讲，每次冲突后随机延迟的 范围加倍，就是所谓的二进制幂重发。从本质上来说，幂重发意味着以太网能在 冲突后迅速恢复，因为每台计算机都同意当电缆繁忙时，在两次尝试之间等待更 长时间，在两台或多台计算机几乎选择相同延迟的极少数事件发生可能性很小。 幂重发保证了在几次冲突后电缆的竞争将会降低。可以总结为，连接在以太网上 的计算机使用冲突检测机制，即计算机在传输帧以前要等待以太网空闲，如果两 台计算机同时传输，冲突就会发生，计算机将使用指数重发来选择让哪台计算机 发送，每台计算机在试图再次传输之前要延迟一段随机时间，并在随后的每次冲 突后，延迟都加倍。 2 1 3 以太网数据格式 局域网具有计算机通信系统的所有特点，而以太网是局域网的典型形式。以 太网帧长可变，但最小长度不可小于6 4 个八位组。所有分组交换网络中，每个 以太网帧都包含目的地址字段。以太网数据包格式如图2 2 i l o i 。 前同步码目的地址源地址 帧类型帧数据 c r c 8 八位组i6 八位组l6 八位组i2 八位组l4 6 1 5 0 0 八位组4 八位组i 图2 - 2 以太网数据包格式 前同步码：数据包开始于一个由交替的l ，o 构成的前导序列。前同步码在每 一个数据包开始时，在网络上形成一个频率为5 m h z 的序列，用来使接收端锁定即 将到来的位流，前同步码仅被曼彻斯特编译码器用来恢复时钟使译码能正确进行， 网络上接收到的前同步码，不会穿过m a c 层送到主机系统，m a c 层要为发送的数 据包产生前同步码，前同步码后面跟着一个同步标志，表示消息的数据部分开始。 第二章课题所涉及基础知识 目的地址：目的地址是一个以最低位l s b 在前方式发送的4 8 位值，目的地 址被接收方m a c 用来判断接下来的数据包是否是给该节点的，如果接收节点检测 到自己的唯一节点地址与域中的地址相匹配，它将接收该数据包，如果检测到地 址不匹配，则它忽略该数据包，以太网中支持三种地址： ( 1 ) 个别地址：即在目的地址域包含一个赋予网络上某一节点的单独且唯一的地 址。 ( 2 ) 目的地址：目的地址域的第一位置l ，表明所使用的是一个组地址，该组中 将被寻址的节点由高层的功能来决定。 ( 3 ) 广播地址：这种地址是一种特殊形式的多目地址，其目的地址被全部置1 ， 全l 地址被保留为广播地址，并且网络上所有的m a c 装置都必须能够接收广播消 息。 4 8 位的m a c 地址是以特定的规范格式书写的，这样保证了即使由不同的局 域网技术使用不同的位顺序规则来交换信息，但至少地址是以相同的格式书写。 格式规范如下图2 3 ： 0 表示单目的地址 1 表示组地址 0 表示全局维护 1 表示局部维护 i g 第4 7 位u c 第4 6 位由i e e e 分配的唯由提供商分配共 2 4 位 标志共2 2 位 图2 - 3m a c 地址格式规范 网络地址维护既可以是局部的，也可是全局的。如果目的地址的第二位被置1 ， 则为局部维护，这样的地址分配将由局域网管理员来管理，置0 则为全局维护， 地址将由i s oi e e e 这样的机构全局管理。 源地址：源地址是以最低位在前的方式发送的4 8 位值，源地址域由发送方的 m a c 提供，发送方m a c 在发送时将其自身的唯一地址填充到该域中，用以表明它 是起始站点。接收方m a c 不需要基于源地址域作出动作，应注意的是广播地址和 多目地址的最低位永远不会置1 。 电子科技大学硕士学位论文 长度类型：紧跟源地址域的是2 个字节的长度，或者类型域8 0 2 3 帧格式 表示长度，以太网帧格式表示类型。 数据：该域包含真正被传输的帧数据，为4 6 到1 5 0 0 字节b y t e 长。 帧校验序列：帧校验序列是一个包含整个帧的循环冗余校验码，c r c 由发送站 根据目的地址，源地址，长度类型和数据域计算并作为最后4 字节，接收站采用 同样的c r c 算法来计算它接收到的帧的c r c 值，计算所得值将和帧后面的c r c 值 相比较，以此提供一种对毁坏数据的错误检测机制，帧校验序列内的c r c 位按照 高位到低位的顺序进行发送。 介质存取控制层( m a c 层) 负责执行冲突检测协议，其主要完成的功能有帧处 理，帧定界，帧同步寻址，源地址和目的地址处理，错误检测，物理介质传输错 误，介质分配，竞争化解。介质存取控制层负责格式化传输帧，这要求帧的相应 域以正确的顺序发送，最开始是正确的前同步码，接着是目的地址，源地址，长 度数据，及校验序列。m a c 层应有效的将主机传递给它的面向字节的数据进行转 化，并将其串行化成可在网络介质上进行传输的位流。当进行接收时，m a c 层必须 将位流转化为由字节构成的帧，当一个接收数据包开始时，m a c 层的接收功能要检 查到来的位流以找出帧起始，前导帧起始将被接收m a c 丢弃。一旦检测到同步， m a c 层将接收帧中目的地址与相应所存储的地址进行比较，如果不匹配，m a c 层将 丢弃接收帧。并等待介质变得不活动。如果匹配则接收到来的帧，独立计算其c r c 并将其与帧中的c r c 相比较，如果c r c 值不匹配，则m a c 层报告一个错误；如果 字节数正确，则报告c r c 错误。如果字节数不正确，则报告对齐错误。在网络运 行中，会产生流位现象，这是由于收发器容许的偏差所引起的，对于网络运行来 说，有l 到7 位的流位是不会影响正常运行的，但流位如果有8 位甚至更多，接 收器将检测到一个完整的字节，从而引发c r c 错误。通常情况下，正常配置和运 行的网络不会增加8 个流位，m a c 层负责实现发送和接收过程中的关键特性，并 负责向上层或某一管理实体报告其在接收端检测到的各种由介质引起的错误。 所有处于同一以太网的设备，都必须同时共享公用通信介质，所以要进行介 质存取管理，网络中的所有节点对介质拥有相同的存取优先权。多个节点可以从 第二章课题所涉及基础知识 介质上同时接收数据，但任何时候只能有一个发送，想要发送的站点必须先探测 介质当前是否位于活动状态。物理层信号功能负责检测并向m a c 层报告载波侦听 状态，如果网络当前处于忙状态，载波侦听将处于活动状态，这时站点推迟其发 送，直到活动停止，再加上一段预定的寂静期。这段非活动期叫包间间隔。包间 间隔将每一数据包分开，采用9 6 微秒的间隙以使所有站点可以探测到不活动的 载波侦听状态，包间问隔最小9 6 微秒这一点非常重要，也就是说明以太网数据 每一包和每一包之间有较大的间隔，通常通过i o b a s e t 传输的以太网数据，其数 据的物理速率是l o m b p s ，但有效的平均速率是1 5 m b p s 左右，峰值速率不高于 2 5 m b p s ，由于冲突检测机制的作用，当m a c 层检查到线路拥挤时，有延迟重发 的功能。则我们如果用2 m 时钟来读出有效的数据，在理论上是可行的。 2 2e 1 编解码 2 2 1e 1 在通信中应用 c c i t t 在各国大量的理论和实验研究中经过充分研究，推荐了两种数字复用 系统，分别为p c m 数字终端2 4 路系统和3 0 3 2 路系统，称为p c m 基群一次群。 北美和日本采用2 4 路系统，码率为1 5 4 4 4 m b p s 称为t 1 。我国和欧洲采用3 0 3 2 路系统，码率为2 0 4 8 m b p s 称为e 1 。e l 线路本身的通信可靠性有保障，利用电 信部门本身的传输网络和成熟技术，e 1 线路上的数据可以在几十千米到几千千米 的距离上传送，甚至可以进行跨国传送。目前e l 线路在我国长时间的发展，有 着较多较富余的线路，随着d d n 网络的发展e l 线路也得到了极大的应用。 e l 在w a n ( 广域网络) 中有重要的应用，广域网络的连接方法主要有四种： ( 1 ) 通过公用数据网络( p d n ) x 2 5 来实现远程连接。 ( 2 ) e 1 数字线路连接，在这种连接方式中e l 可提供数字电话线连接，与公 用数据网x2 5 不同，e 1 可在两个节点之间建立和维护专用线，其全双工传输速 率可达1 5 4 4 4 m bs ( 美国) 或2 0 4 8 m bs ( 欧洲中国) 。这种方式较适于远程数据库 访问和建立实时l a nw a n 连接等应用环境。 ( 3 ) e 3 高速数字线连接，这种方法在e 1 的基础上进一步增强了其服务功能， 电子科技大学硕士学位论文 它可分成1 6 个e l 通道，其传输速率可达3 4 3 6 8 m b s ，这种方式较适于高速w a n 应用环境。 数字数据网d d n ，是利用数字信道传输数据信号的网络，它主要向用户提供端 到端的数字型数据传输信道。既可用于计算机远程通信，也可传送数字化传真， 数字话音图像等。各种数字化信号，还可以为公用分组交换数据网提供用户与网 络连接的信道，以及公用分组交换数据网交换节点间所需要的数据传输信道。由 2 m 的e l 节点组成核心层，主要完成转接功能，由接人节点组成接人层，主要完成 各类业务接入，2 m 节点用于网上的骨干节点，执行网络业务的转换功能，就是通 过2 0 4 8 m b i t s 的e 1 数字通道接口，并且可以将2 0 4 8 m b i t s 数字通道的交叉连 接。 2 2 2e 1 线路编码及解码 在数字通信系统中，为了使信息适合于在信道上传输，由终端机发出的数字