（信号与信息处理专业论文）基于以太网的电路仿真接口研究.pdf

摘要 摘要 目前，话音等实时业务主要是通过t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) l 网络传送的。 t d m 网络可以提供可靠的服务质量，但是价格比较昂贵，不能降低成本适应未来大量 的数据业务，而且其技术复杂性也阻碍了新业务的发展。相比，以太网具有传输数率 高、成本低、技术相对简单等诸多的优势，是全球使用最广泛的局域网技术之一。基 于i p e t h e m e t 的分组网络凭借其优势使得t d m 业务正向分组网络汇聚，但是运营商 的原有t d m 网络设备数量多，一次性更换成本高，故如何实现在保留原有运营设备 的同时，通过廉价的以太网来承载t d m 业务( t d mo v e re t h e m e t ) 成为新的研究方向。 t d mo v e re t h e m e t 作为一种新技术，相关协议正在逐步完善。为适应协议的升 级，本文提出了一种可升级的t d mo v e re t h e m e t 技术实验平台，本文的重点在于系 统方案设计和仿真开发平台的实现，重点在于时钟恢复算法实现，网络延时抖动、帧 丢失及包乱序处理，f i f o 设计，任务调度操作，中断处理等关键问题的解决方法。 本论文主要的研究工作概括如下： 1 ) 本文介绍了t d mo v e re t h e m e t 技术背景、现状、理论及应用，分析了课题 实现过程中的关键问题，并在本方案设计中给出了可行的解决方法。 2 ) 根据m e f 相关标准，本文提出了软硬件相结合的t d mo v e re t h e m e t 技术实 验平台，完成了实验平台的方案设计。 3 ) 基于提出的实验平台，本文设计了一路e 1 非结构化仿真的具体硬件实现方 案，完成了仿真开发平台的系统模块划分和算法的实现，解决了设计中存在的关键问 题并给出了可行的实现方案。 4 ) 本文使用c 语言，完成了系统接1 2 1 模块驱动程序和部分应用程序的编写，完 成了f p g a 电路v e r i l o g 代码的编写和测试，并对仿真开发平台及各模块的功能进行 验证。 关键词：t d mo v e re t h e m e t ；电路仿真；以太网；f p g a ；时钟恢复 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e a l - t i m es e r v i c e s ，s u c h 嬲v o i c e ，a r em a i n l yt r a n s m i t t e dt h r o u g ht h e t d mn e t w o r k t h et d mn e t w o r kc a r lp r o v i d er e l i a b l es e r v i c eq u a l i t y , b u tt h ep r i c ei s m o r ee x p e n s i v e i nt h i sn e t w o r k ，al a r g ea m o u n to fd a t ab u s i n e s sc a l ln o tb ep r o v i d e db y l o w e rc o s t s t h et e c h n i c a lc o m p l e x i t yo ft h en e t w o r kh i n d e r sd e v e l o p m e n to fn e wb u s i n e s s c o m p a r e d 谢t l lt d mn e t w o r k ，e t h e r n e th a sal o to fa d v a n t a g e s ( e g h i g h - s p e e d ，l o w - c o s t ， s i m p l et e c h n o l o g y , e t c ) b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e s ，t d ms e r v i c e sa r eb e i n gt r a n s f e r r e d f r o mc i r c u i t s w i t c h e dn e t w o r k st op a c k e tn e t w o r k s h o w e v e r , t h ec o s tw i l lb ev e r yh i g ht o r e p l a c eal a r g en u m b e ro fe x i s t i n gt d mn e t w o r ke q u i p m e n t t h e r e f o r e ，h o wt or e t a i nt h e e x i s t i n ge q u i p m e n ta n dc a l t yt d ms e r v i c e st h r o u g hl o w - c o s te t h e m e tb r i n g s 啪an e w r e s e a r c hd i r e c t i o n t d mo v e re t h e r n e ti san e wa d v a n c e dt e c h n o l o g y t h er e l e v a n ta g r e e m e n t sa l ei n c o u r s eo fp e r f e c t i no r d e rt o s u i tt h ei m p r o v i n ga g r e e m e n t s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa l l u p g r a d a b l ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ft d mo v e re t h e m e tt e c h n o l o g y t h i sp a p e rf o c u s e s o ns y s t e md e s i g na n dt h er e a l i z a t i o no fs i m u l a t i o np l a t f o r m ，a sw e l l 雒t h es o l u t i o nt o c r u c i a lp r o b l e m s ( i e c l o c kr e c o v e r y , n e t w o r kd e l a y , j i t t e ra n df r a m el o s sa n dr e - s e q u e n c e p r o c e s s i n g ，f i f od e s i g n ，t a s ko p e r a t i o n ，s y s t e mi n t e r r u p t i o n ，e t c ) 乃em a i nw o r kt ot h ep a p e rc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n g ： 1 ) t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st e c h n o l o g yo ft h et d mo v e re t h e r n e t ( t h ep a r ti n c l u d e s t e c h n i c a lb a c k g r o u n d ，s t a t u s ，t h e o r ya n da p p l i c a t i o n s ) i na d d i t i o n , t h i sd e s i g np r o v i d e sa f e a s i b l ew a yt or e s o l v ei m p l e m e n t a t i o no ft h ek e yp r o b l e m s 2 ) a c c o r d i n g t om e fs t a n d a r d s ，t h i sp a p e rp r e s e n t se x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ft d m o v e re t h e m e tt e c h n o l o g ya n dc o m p l e t e st h ed e s i g n t 1 1 i si n c l u d st h ed e s i g no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 3 ) b a s e d o nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h i sp a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g nf o rc a r r y i n g o n eu n s t r u c t u r e de 1t h r o u g ht h ee t h e m e tn e t w o r ka n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h m i n a d d i t i o n , t h ep a p e rg i v e saf e a s i b l em e t h o dt or e a l i z a t i o no fk e yi s s u e se x i s t e di nt h e d e s i g n 4 ) m d r i v e rp r o g r a mo fe a c hi n t e r f a c em o d u l ei nt h es y s t e ma n dp a r to ft h e a p p l i c a t i o np r o g r a mc a l lb ep e r f o r m e db yu s i n gcl a n g u a g e b e s i d e s ，v e r i l o gc o d ef o rt h e w h o l ef p g ac i r c u i tc a nb ew r i t t e na n dt e s t e d t h e n ，t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l ei s v e r i f i e da n dt e s t e d 。a sw e l l 笛t h ef u n c t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t 。 k e ，rw o r d s ：t d mo v e re t h e m e t ；c i r c u i te m u l a t i o n ；e t h e m e t ；f p g a ；c l o c kr e c o v e r y i i i 西安邮电学院 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的论文是本人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：至墨整日期：丝! = 竺年土月旦日 西安邮电学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安邮电学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安邮电学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律署名单位为西安邮电学院。 本人签名：至丝毖 导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1t d mo v 6 1 e t h e r n e t 技术概述 1 1 1t d mo v o re t h e r n e t 技术发展的历史背景 随着i p e t h e m e t 网络技术的飞速发展与广泛应用，基于i p e t h e m e t 网络传输数 据的成本越来越低，m 业务价格己低于传统t d m 业务价格，全球范围内m 网络的 数据业务量已经超过了电话网络。i p e t h e m e t 网络凭借价格和技术优势，使整个通信 业务的重心逐渐向分组网络过渡。如今口网已被i t u t 定义为下一代基础网络架构 的首选。很多研究人员也把目标重点放在了以i p e t h e m e t 网络技术为基础的研究上。 同时，电信运营企业希望能够降低电话开销，以较低成本发展新业务。数据业务 提供商也希望能充分利用i p 网资源，来支持语音业务，从中获得利益。因此，如何 保留现有的t d m 业务和数据业务同时，实现i p e t h e m e t 网和t d m 网之间快速、透 明的对接，完成向下一代网络平稳过渡，成为这个研究和应用领域的热点问题。 目前，有两种方式支持综合t d m 业务向i p e t h e m e t 网过渡。一种是用新的设 施完全替代t d m 网和用户终端设备，为话音传送和信令提供新的机制，如v o i p 技 术【1 】；另一种是保留用户终端设备，将t d m 数据通过分组网透明承载。第一种方 式，实现较为复杂，因要完全更换新设备，投入很高，不易受电信运营商及相关企业 机构立即支持。后一种方式，是以色列r a d 数据通信公司最早提出的，称为“t d m o v e ri p 技术”【2 】。它是基于t d m 和口基础上发展起来的一项新技术，在分组交换网 上透明地传输电路交换业务，不解析t d m 具体的信令和协议，并且能仿真出t d m 原有的特性。该技术提供了一种简单的网络演进方式，使服务供应商能够过渡到下一 代网络，而且保留了原有终端设备，继续支持现有的话音、数据业务，大大降低了更 新设备的高投资风险，因而得到了许多公司和研究机构的重视。 t d mo v e re t h e m e t 技术与t d mo v e ri p 3 技术相近。但以太网协议比i p 协议相 对简单，包头占用率低，带宽利用率高。本文主要研究t d mo v e r e t h e m e t 接1 ：3 技术。 1 1 2t d mo v e re t h e r n e t 技术发展的国内外研究现状 有关t d mo v e ri p e t h e m e t 技术，国外研究比较多，如以色列的r a d 公司，美 国的z a r l i n k 半导体公司等。r a d 与互联网工程任务组( i e t f ) 的其他业界领导者合 作，共同制定了t d mo v e ri p 协议标准。该公司已经推出了i p m u x 1 ，i p m u x 8 ， i p m u x 一1 6 等一系列t d mo v c ti p e t h e m e t 网关，可支持1 路，8 路，1 6 路e l t 1 电 路向i p e t h e m e t 网络扩展。2 0 0 4 年7 月，欧洲历史悠久的大学一维也纳大学宣布： 最近部署的r a dt d m o i p 网关正在为其带来显著的经济效益。该校园网连接2 3 个独 立园区，r a d 设备通过千兆以太网( g b e ) 基础设施实现了语音和数据的融合传输。 国内对t d mo v e ri p e t h e m e t 技术的研究也日趋活跃。中兴通信，深圳远大舟公 西安邮电学院硕士学位论文 司等相继推出了自主研发的t d m o v e r i p 网关设备【4 】。另有一部分企业代理r a d 公 司的i p m u x 系列设备。 早在2 0 0 1 年，城域以太网论坛( m e f ) 就开始了有关运营商级以太网架构的研 究，并达成了共识。由于e l t 1 等专线业务现在很普遍，为使以太网也能够提供这 些基于电路交换的业务，m e f 在2 0 0 2 年开始定义在城域以太网上提供电路仿真业务 的需求。最初发展是用于在a t m 上仿真e l t 1 ，现在可以将c e s 扩展到 i p e t h e m e t 5 。这里，将以太网电路仿真技术统称为t d mo v e re t h e m e t ，即：c h 血 e m u l a t i o ns e r v i c e so v e re t h e m e t 。 m e f 3 给出了t d mo v e re t h e m e t 的业务定义、框架和要求，于2 0 0 4 年4 月正式 发布。它参考了其他标准化组织( 特别是i t u ，a n s i ，i e t fp w e 3 和a t m 论坛) 所提 出的要求和规范，并采纳了他们对m e n 提出的特定需求。m e f 8 给出了t d mo v e r e t h e m e t 的实现协议，于2 0 0 4 年l o 月正式发布。 t d mo v e re t h e m e t 的应用刚起步，技术相对较新，许多细节问题还处于讨论阶 段。m e f ，i e t f 等国际标准化组织正在努力完善该技术的标准。随着技术的进步以 及以太网的发展，该技术的应用将会越来越广泛【6 】。 1 1 3t d mo v e re t h e r n e t 技术应用 7 8 t d mo v e re t h e m e t 技术可以在以太网中提供透明的t d m 仿真通道，比如在以太 网中仿真e l t 1 业务。该技术在继承了以太网简单、廉价的优点的同时，可以和现有 的t d m 终端设备实现无缝的连接。t d m 作为一种传统技术，在本地环路中仍占有 很大的比重。与此同时，p 接入的廉价以及高速的带宽又对用户具有绝对的吸引力。 传统运营商可以利用该技术和现有的i p 核心网络进行t d m 传输，从而降低基 础设施成本。 对于新兴的本地运营商来说，可以通过t d mo v e re t h e m e t 技术为用户提供e l t 1 和e 3 t 3 等传统租用线路和专用线路业务，从而迅速、简洁、低成本的扩展其市场份 额，利用p 或以太接入网络创造新的收入来源。 企业用户可以利用该技术在以太局域网上传输t d m 话音，降低网络开支，节省 电话费。 图1 1 为t d mo v e re t h e m e t 技术应用的一个例子，在城域以太网中通过电路仿 真的方式连接远端设备( r e m o t et e r m i n a l ) 到本地中心局( l o c a lc o ) 的e l t 1 电路。 2 图1 - 1t d mo v e re t h e m e t 技术应用【7 】 第1 章绪论 t d mo v e re t h e m e t 技术还可以用于无线接入领域。在无线接入网络中，基站( b ts ) 、基站控制器( b s c ) 之间传统上是通过e l 厂r l 租用线路连接的，基站控制器再 通过核心网络连接到以太局域网或公用电话交换网，如图1 2 所示。e l 厂r l 租用线路 价格昂贵而且需要时钟同步，如果采用了t d mo v a l e t h e m e t 技术，就可以用包交换 网络( 以太网) 来代替连接基站、基站控制器和移动交换中心的租用线路，从而进一 步降低成本同时又不必更换原有的t d m 设备。如图1 3 所示，对于第3 代移动通信 系统( 3 g ) ，可以通过采用t d mo v e r e t h c r u e t 技术来实现3 g 网络的全i p 化。 图1 - 2 传统的无线接入网络结构【7 】 图1 3 采用t d mo v e re t h e m e t 技术后的无线接入网络结构【7 】 1 2 本文的主要工作和内容安排 作为一种新的传输技术，t d mo v e re t h e m e t 的相关标准还在不断的完善，有4 个标准化组织正在从事t d mo v c l re t h e m e t 技术相关的标准化工作，每个组织专注于 自己专长的领域。为此我们需要研究t d mo v e re t h e m e t 技术实验平台，要求它能够 提供方便的升级，适应各种具体的实现方法，解决t d mo v e re t h e m e t 的技术关键问 题。针对上述要求，根据m e f 相关标准，本文提出了一种可升级的t d mo v e re t h e m e t 技术实验平台。本文的重点在于系统方案和仿真开发平台的实现，在于设计中关键问 题的解决方法。具体内容如下： ( 1 ) 本文主要讨论研究t d mo v e re t h e m e t 的接口技术。对t d mo v e re t h e m e t 技 术背景、现状、理论及应用等相关理论知识进行介绍，对其实现的关键问 题进行了分析，对本文涉及的软硬件峨t c o si i 嵌入式操作系统相关理 论知识做了简要的叙述。 ( 2 ) 在前人设计开发的基础上，本文提出了t d mo v e re t h e m e t 接口电路实现的 西安邮电学院硕士学位论文 系统结构，并设计出一种方便可升级的实验开发平台。 ( 3 ) 基于提出的实验开发平台，本文设计了一路e 1 非结构化仿真的具体硬件实 现方案，完成一路e 1 的非结构化仿真软实验平台的设计实现，详细分析了 设计中的关键问题( 如：时钟恢复算法的实现，网络抖动延时处理，接口 元件的定制，接口驱动的实现，f i f o 的设计，中断处理以及任务调度等。) ， 给出了可行的解决方案，并在设计中加以实现。 ( 4 ) 本文对仿真开发平台系统各模块进行了仿真验证，对整体电路的部分功能 进行了测试。仿真结果表明本文所设计的方案达到了预期的要求，符合相 关协议标准。 本文的章节安排如下： 第一章：绪论。本章主要介绍t d mo v e re t h e m e t 技术的背景，国内外研究现状， 简述了该技术的优势所在，以及在相关领域的应用，简要介绍本文的主要工作和文章 结构。 第二章：t d mo v e re t h e m e t 技术理论。本章主要介绍了该技术的相关理论知识， 包括概念、原理、相关协议以及实现的关键技术问题，概述本项目涉及到的软硬件 以及g c o sl i 嵌入式操作系统等相关理论知识。 第三章：t d mo v e re t h e m e t 实验平台设计。以第二章的理论为依据，本章提出 了接口电路实现的系统结构，设计出一种方便可升级的实验仿真平台，详细介绍了实 验平台的系统设计方案，以及各模块的功能。简要介绍了方案的灵活升级、优势以及 应用。 第四章：一路e 1 非结构化仿真实验平台设计与实现。基于第三章提出的方案， 本章给出了一路e 1 非结构化仿真实验平台的设计方案，详细介绍了仿真开发平台的 设计与实现( 包括：系统模块划分，各模块功能介绍，关键算法实现，以及对设计中 需要解决的关键技术问题做了详细分析，并给出了合理的实现方法。) 。 第五章：仿真开发平台测试。本章介绍了项目的主要测试工具和测试方法，给出 了两侧接口电路的测试方法和测试结果，对整体电路的部分测试结果进行了说明。 第六章：总结与展望。本章总结了论文已经完成的主要工作以及还可以继续研究 的工作，并对t d mo v e re t h e m e t 技术的研究进行了展望。 作为项目的主要成员，本人负责实验平台的总体方案设计，f p g a 总体详细方 案的设计与实现以及软件方案的设计；负责f p g a 模块v e r i l o g 代码的编写、仿真与 综合：负责接口电路驱动和部分应用程序的编写；负责接口模块的软硬件仿真调试以 及整个仿真平台系统的部分功能测试。 4 第2 章t d mo v e r e t h e m e t 技术理论 第2 章t d mo v e re t h e r n e t 技术 2 0 0 1 年，城域以太网论坛( m e f ) 开始了有关运营商级以太网架构的研究。m e f 公布了新的电信级以太网技术规范m e fx ( x _ l ，1 2 ) 。其中，m e f 3 9 】( 全称为城域 以太网中的电路仿真业务的定义、框架与要求，于2 0 0 4 年4 月正式发布。) 概述了可 以在m e n 中提供的t d m 业务类型，以及这类业务的要求。m e f 8 规定了基于城 域以太网的p d h 电路仿真的实现方法。m e f 8 将和针对以太网测试步骤与网络管理 的新规范一起，促使城域以太网发展成为电信级传输技术 1 0 】。本文将以m e fx ( x = 1 ，1 2 ) 规范为基础进行讨论和研究。 2 1t d mo v e re t h e r n e t 概念解释 2 1 1 概念 所谓t d mo v e re t h e m e t 技术，就是通过以太网透明的传送t d m 业务( 比如话 音、图像和数据业务) 。m e f 8 协议支持n x 6 4k b i t s ，d s l ，e 1 ，d s 3 和e 3 的电路 仿真的实现。 2 1 2 相关标准 目前有4 个标准化组织正在从事c e so v e ri p e t h e m e t 技术的标准化工作，每个 组织分别专注于自己专长的领域，这4 个标准组织是： ( 1 ) 国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a i o n s 嘶o n ) 。 ( 2 ) 互联网工程任务组( i e t f , i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 。 ( 3 ) m p l s 与帧中继联盟( m f a ，m p l sa n df r a m er e l a y a l l i a n c e ) 。 ( 4 ) 城域以太论坛( m e f , m e t r oe t h e m e tf o r u m ) 。 i e t f 下属的边缘到边缘的伪线仿真( p w e 3 ，p s e u d ow i r ee m u l a t i o ne d g e - t o e d g e ) 工作组负责制定分组交换网( p s n ) 上仿真第一层( l 1 ) 和第二层( l 2 ) 网络业务的 机制。p s n 可以包括i p v 4 、i p v 6 和m p l s 网络。被仿真的网络业务包括数字t d m 专线、帧中继( f r ) 、a t m 信元和a t m 适配( 丸虬) 、e t h e m e t 和e t l l e m e tv l a n 、 h d l c 、p p p 等网络业务。 1 1 1 j 新的i t u t 建议y 1 4 1 3 ( 原名y t d m p l s ) ：“网络互通。用户平面互通 ( t d m m p l s ) ”定义了通过m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，多协议标签交换) 网络承载电路业务的格式。该建议主要规定t d m m p l s 网络互通的必要功能要求， 互通速率可达到e 3 。该建议主要是描述用户平面互通机制和规程等，详细描述了网 络互通模型和必须的互通功能。该标准支持结构化t d m 仿真和非结构化t d m 仿真。 m p l s 与帧中继联盟( m f a ) 发布了t d m 仿真的实现协议m f a 8 0 0 ，该协议规 定了通过m p l s 网络承载t d m 电路仿真的封装格式、连接的建立与拆除等。m f a 5 西安邮电学院硕士学位论文 的新协议简化了通过m p l s 承载t d m 传输的问题，允许运营商向同时提供语音、视 频和数据业务的单一、融合的网络转移【1l 】。 城域以太网论坛( m e f ) 批准了新的电信级以太网技术规范m e fx ( x = 1 ，1 2 ) 。 其中，m e f 8 规范规定了基于城域以太网的p d h ( 准同步数据系列) 电路仿真的实现 方法，并概述了m e f 3 技术规范中规定的基于城域以太网承载c e s 的要求。 四个标准化组织所涉及的各种t d m 仿真技术的具体内容比较可参考图2 。l 。 功能层 网络层 适配层 t d mo v e rm p l $ n t ui e t f m f a ) m p l s 陛道标记 标签 控制字 p t p ( 可选) t 蹦净荷 图2 1 各种t d m 仿真技术的具体内容比较 1 2 1 3 1 1 4 】 2 2t d mo v e re t h e r n e t 原理 1 5 t d mo v e re t h e m e t 技术基本原理就是将t d m 数据不做任何翻译和解释，封装为 以太网数据包，然后通过基于分组交换的以太网传送到目的端，目的端将收到的数据 包打开并恢复出原始的t d m 数据流，如图2 2 所示。 t d m 数据 t d mt op a c k e t 呻c i 【d t o t d m 1 d m 数据 匝口皿、皿皿 a ， 一 k 1 分组7 、： 1 分组7 p a c i 【眦t o t d mt d mt op a c k e t 图2 2t d mo v e re t h e m e t 通信流图 2 2 1t d mo v e re t h e r n e t 帧的封装格式 t d mo v e re t h e m e t 帧的封装格式，如表2 1 所示。 表2 1t d mo v e re t h e m e t 的帧结构 6 字节 6 字节l 4 字节4 字节 j 4 字节 1 2 字节l4 字节l i目的地址i 源地址l 以太网类型l e c i d i 控制字jr t p ( 可选) jt d m 载荷if c s t d mo v e re t h e m e t 数据包只需封装到二层( 数据链路层) ，与t d mo v e ri p 相比， 包的封装效率高，包头占用率低。与a t m 相比，载荷长度不固定，传输效率更高【1 6 】。 以太网的源地址是本地设备的m a c 地址。以太网目的地址为远端设备的m a c 地址。i e e e 将以太网帧类型设置为0 x 8 8 d 8 ，用来识别是以太网电路仿真帧。适配头 有三个模块：仿真电路识别符e c i d ( e m u l a t e x lc i r c u i ti d e n t i f i e r , 用于对多路数据的识 别) ，t d m o v e r e t h e m e t 控制字( 提供序列信息和信令信息，如t d m 电路中的告警 6 一映一一一一一一一薹兰。一 第2 章t d m o v e r e t h e m e t 技术理论 或以太网中的分组丢失检测) ，实时传输协议r t p ( r e a l t i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 包头 ( 可提供合适的序号域和时间戳域，缺省情况不使用r t p ) 。t d m 载荷域，用来填 充e 1 数据，若e 1 数据丢失，该区域为填充字节，用来保证以太网帧的最小帧长( 6 4 字节) 。本文采用填充字节为全“1 ”，采用一次封装2 5 6 字节e l 数据作为载荷域填充。 f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 为以太网数据帧的校验序列( 可选) ，本文不采用f c s 序 列，具体描述如下。 2 2 1 1 仿真电路识别符( e c i d ) e c i d 由包含电路仿真标识符的2 0 b i t 无符号的二进制域组成，如下表2 2 所示。 表2 2 仿真电路标识符e c i d 01 92 03 1 l仿真电路标识c z 。- t t ，预留( 设置0 x 1 0 2 ) 仿真电路标识符仅在本地有意义，并且和具体的m a c 地址相联系。因此，仿真 电路会在每个电路方向上给出不同的e c i d ，在仿真电路建立的时侯选择e c i d 。 2 2 1 2t d mo v e re t h e r n e t 控制字 t d mo v e re t h e r n e t 控制字是由t d mt op a c k e t 添加的。它的结构遵从【y 1 4 1 3 中 所描述的“共路互通指示器”，其结构如下表2 - 3 所示。 表2 3t d mo v e re t h e m e t 控制字结构 篇i l l r i ( 2 m b i t ) i ( 踟2 b r ) i 警l 洲捌呲， 设置oi i ( 6 b i t ) i v “。“” 在本图中： ll o c a lt d m f a i l u r e ( 本地t d m 失效) ：置“1 ”，说明p a c k e t t ot d m 端已 经检测到或被告知存在影响t d m 数据的t d m 故障。当设置了l 位，帧的 内容是没有意义的，同时为了节省带宽，载荷可以缩减。 rr e m o t el o s so f f r a m e si n d i c a t i o n ( 远程的帧丢失指示) ：t d mt op a c k e t 端设定该指示时，r 位表示其本地的p a c k e tt ot d m 端接收不到来自以太网 的帧，进入了帧丢失状态。因此，r 的设置说明了对端连接失效，表明可能 存在网络拥塞或其他相关的网络故障。 mm o d i f i e rb i t s ( 修改比特位) 它由t d mt op a c k e t 端设定，用来补充l 位的意义，( m 位缺省值为0 0 ) 。 f r g ( 分割比特位) ：用来将复帧结构分割成多个t d mo v e re t h e m e t 帧。 l e n ( 长度) ：表示载荷长度的无符号二进制数字。t d mo v e re t h e m e t 帧应 该满足6 4 字节的最小帧长。载荷的长度定义为下列八位比特组之和： 1 t d mo v e re t h e m e t 控制字长度( 4 字节) 。2 可选的r t p 包头大小( 如果存 在，则为1 2 字节) 。3 t d m 载荷大小。当长度等于或超过4 2 字节时，长 7 西安邮电学院硕士学位论文 度域置“0 ”，非零长度域说明存在填充( 注意：净荷长度不包括e c i d 大小) 。 s n ( 序列号) ：十六位无符号二进制数字。初始值随机，以后每发送一帧 该数加1 。p a c k e tt ot d m 端主要用它来检测帧的丢失和恢复帧序列。 2 2 1 3 可选的r t p 包头 当选用r t p 时，t d mo v e re t h e m e t 使用r t p 包头域的结构，如表2 - 4 所示。 表2 - 4r 1 1 p 包头的结构 l 2347891 51 63 l v = 2px c c ( 4 b i t s ) m p t ( 7 b i t s )s n ( 序列- 号) ( 1 6 b i t s ) t s ( 时间戳) ( 3 2 b i t s ) s s r c ( 同步源) ( 3 2 b i t s ) 2 2 2 i d mo v e r e t h e r n e t 载荷格式以及业务类型 2 2 2 1 载荷格式 m e f 8 定义了t d mo v e re t h e m e t 载荷的传送格式，主要包括以下两种：非结构 化t d m 格式，结构化t d m 格式。 非结构化t d m 的传输称为非结构化仿真。这种仿真机制不考虑t d m 内部结构， 将t d m 数据的所有比特位直接填充到t d mo v e re t h e m e t 帧的有效载荷区域。对于 非结构化e 1 数据，填充的载荷大小至少为2 5 6 字节。 结构化t d m 的传输称为结构化仿真。该仿真机制在封装数据包时，应考虑一些 t d m 的结构标准( 如t d m 信令和帧同步信号f a s ( f t a m ea l i g n m e n ts i g n a l ) ) 。对于 这种传送方式，以太网不需要承载t d m 数据的所有比特位。例如，在入口处可将f a s 剥离，在出口将f a s 重建。 2 2 2 2 业务类型 为使以太网能够提供多种业务，m e f 标准化组织提出了一个业务定义框架。m e f 采用e v c ( e t h e m e tv i r t u a lc o n n e c t i o n ) 的概念定义了两种业务类型：e l i n e 和e l a b ，分别对应点到点和多点到多点的业务类型。 2 2 3 应用信令 对于t d mo v e re t h e m e t 业务，除了t d m 数据，相互连接的用户设备之间可相 互交换信令。典型的例子是电话应用，它除了交换载有p c m 语音编码的t d m 数据 外，还交换它们的状态( 如摘机挂机) 。 对于非结构化的仿真，不需要处理用户设备信令，信令一般嵌在t d m 数据流之 中，因此，在仿真电路中，信令是端到端的传送。 对于结构化仿真，共路信令传输可由传输具有仿真业务的信令信道( d s i 的信道 2 3 ，e 1 的信道1 6 中的信令) 来实现。但是，随路信令( 如e 1 的c a s ) 的传输要求 8 第2 章t d m o v e r e t h e m e t 技术理论 知道时隙和复帧结构之间的关系。 本文主要讨论的是非结构化的电路仿真。 2 2 4 告警机制 t d mo v e re t h e m e t 接口电路的告警机制主要包括以下几个方面： t d mo v e re t h e r n e t 帧的错误连接告警。 帧的丢失告警。 迟到帧告警。 畸变帧告警。 抖动缓冲器o v e r r u n 和u n d e r r u n 告警。 2 3t d mo v ( 孝re t h e r n e t 关键技术 t d m 网络是同步网，采用时分复用技术，对时延、抖动有严格要求。而以太网 是异步网，采用统计复用技术，没有有效的定时传送机制，对时延、抖动很难控制，这 对t d mo v e re t h e m e t 的q o s 影响很大。两个网络的差异决定了通过可变比特率的以 太网承载恒定比特率的t d m 业务将面临很多技术挑战 7 1 1 7 ，尤其是时钟同步问题， 具体内容如下所述。 ( 1 ) 分组 为保证质量，打包时延要尽可能小。但为提高传输效率，需要将多个e 1 帧封装 到一个以太网帧中，这又增加了打包时延。因此，包的大小设置要适中，可以采用多 路e 1 帧的复接技术来协调效率和延迟之间的矛盾。 ( 2 ) 时延和抖动 为使t d mo v e re t h e m e 系统能正常工作，必须控制全程时延。可采用i e e e 8 0 2 1 q 协议为t d mo v e re t h e m e t 包设定较高的转发优先级，同时采用r s v p ( 资源预留协 议：r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议来保证t d m 业务所需带宽。帧的抖动是指由 网络引入的帧的时延变化，可通过目的端的帧缓冲器来减小抖动的影响。 ( 3 ) 帧丢失 一般采用“生成替代数据”法对帧丢失的影响进行补偿。 ( 4 ) 同步 在电路仿真方案中，同步是非常重要的。同步机制必须适应不同网络应用环境， 保证时钟抖动和漂移满足不同的业务要求。一般有两种时钟同步方式：1 网络两端具 有共同时钟同步网。2 从以太网接口提取时钟。不论哪种时钟同步方案，恢复出来的 时钟特性必须符合i t u t 的相关标准。 9 西安邮电学院硕士学位论文 2 4f p g a 和嵌入式软核处理器简介及其在本系统中的应用 2 4 1 支持s o p o 的f p g a 技术简介及应用 2 4 1 1 概述 1 8 】 s o p c 技术最早是由美国a l t e r a 公司于2 0 0 0 年提出的，是现代计算机辅助设计技 术、电子设计自动化e d a ( e l e c t r o n i c sd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术和大规模集成电路技术 高度发展的产物。s o p c 技术的目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块f p g a 中 实现，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市周期、开发 成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。s o p c 的设计以i p 为基础，以硬 件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的e d a 工具，自动化、智能化地 自顶向下地进行。 系统级芯片设计是一种高层次的电子设计方法，设计人员针对设计目标进行系统 功能描述，定义系统的行为特性，生成系统级的规格描述。这一过程中可以不涉及实 现工艺。一旦目标系统以高层次描述的形式输入计算机后，e d a 系统就能以规则驱 动的方式自动完成整个设计。为了满足上市时间和性能要求，系统级芯片设计广泛采 用软硬件协同设计的方法进行。支持s o p c 软硬件协同设计的工具主