南邮CH22ATM物理层课件

1、宽带交换技术通信与信息工程学院B-ISDN 用户网络接口用户网络接口(UNI)ATM物理层物理媒体子层物理媒体子层-PM传输会聚子层传输会聚子层-TCATM物理层n物理层的主要任务是进行物理线路编码和信息传输。它向上为ATM层提供信元流的传输，向下适配不同的传输系统。n物理层可以分为两个子层： 传输会聚子层TCn传输会聚子层执行的是与物理媒体无关的协议，主要任务是确认传输正确与否； 物理媒体子层PMn物理媒体子层主要负责物理媒体的选择、位定时和线路编码。ATM物理层n物理媒体子层PMn传输会聚子层TC比特率 nI.432建议定义了两种B-ISDNUNI物理层接入速率，分别是： 155.520M

2、b/sSTM-1接口n光/电两种规范，双向对称 622.080Mb/sSTM-4接口 n光接口规范，双向对称（上下622），双向非对称（下行622，上行155）。n注意：实际的终端用户所使用的接入速率标准的接口速率，原因是要抛掉：物理层、ATM层、AAL层操作所需开销。接口结构n两种接口结构n基于SDH方式 周期T125us 就STM-1接口速率来说： 帧速率155.520Mb/s 净荷速率260/270155.520149.760Mb/sn基于信元方式 每26个用户信元插入一个PL信元( OAM 信元 )，周期和速率与SDH方式相同。两种接口结构n图(a)表示把一个个的ATM信元映射到SDH

3、帧内，而后在网络中传输，SDH传输帧有两大特点：一是呈字节结构，二是含有丰富的帧开销比特，足以用来完成线路维护和操作控制。nSDH帧的传输开销太大，ITU-T推荐了另一种基于信元(也称Cell-by-Cell)的接口结构图(b)。n尽管两种接口的方式不同，但速率完全一样(包括净荷能力)。这样一来，两种接口互通便不成问题。物理媒体子层PMn物理媒体子层提供比特流传输、定时和媒体的物理接入。n 物理媒体n未来的宽带综合业务数字网的主干网和用户接入网将建立在光纤传输的基础上，但是这不能确定在B-ISDN的UNI接口上SB和TB接口参考点使用的传输媒体一定是光纤。n因为UNI接口的覆盖范围比接入网窄得

4、多，大多数范围在200m以下。n在这种情况下可以使用电媒体，而电气接口的价格较为便宜，易于安装和维护。1.对于同轴电缆，155.50Mb/s的传输距离可以达到200m，622.080Mb/s的传输距离可以达到100m。如果在电气接口中插入光传输系统，可以获得比100m200m更大的接口范围，但是需要两次光电转换。物理媒体子层PMn 比特定时和线路编码 比特定时的功能包括波形的产生和接收以及定时信号的插入和提取。 ITU-T建议G.703规定，155.520Mb/s的电接口采用CMI(Coded Mark Inversion,码标记反转)。nCMI编码采用00或11表示传输码1，采用10或01表

5、示传输码0，传输码为1时00和11交替出现。nCMI编码实现简单，便于定时信号提取，无直流分量同时低频分量少，无比特差错倍增现象，通过符号变换可以返现单比特错误。n但是CMI编码使得编码信号传送速率加倍，对于155.520Mb/s的接口影响不大，但是对于622.080Mb/s的接口则这种编码方法就不合适了。 对于155.520Mb/s和622.080Mb/s的光接口采用了NRZ(Non-Return to Zero,不归零码)编码方式，实现时使用1表示发射光，0表示不发光。接口编码物理媒体子层PMn比特定时和线路编码n上面说明的编码方法是基于比特操作的编码。n还有另一种基于信息块的编码方法，这

6、种编码方法的基本概念是成组处理比特，在传输前，将比特组转换为另一种比特编码。n常用的两种编码方法是4B/5B (100 Mb/s)和8B/10B (155 Mb/s) 。在4B/5B编码中，一组4比特信息被编码为5比特组传输在8B/10B编码中，一组8比特信息被编码为10比特传输。n这两种编码方法可以获得较高的传输效率和丰富的定时信号。物理媒体子层PMn 工作模式nB-ISDN终端设备有三种工作状态：激活态、去活态和紧急态。激活态是指终端处于工作方式；去活态指终端不再进行工作，但是处于待命状态，这样做可以使系统功耗最小，通常为激活态的50%，系统由去活态转到激活态的时间为1050ms；当电源出

7、现故障时，系统处于紧急态，能够保证最低限度的通信要求。ATM物理层n物理媒体子层PMn传输会聚子层TC 信元速率解耦 信头差错控制 信元定界传输会聚子层TCn传输会聚子层完成传输帧的产生、提取及传输帧的适配功能，它与具体的传输系统有关。nITU-T制定了3种传输会聚子层的相关协议 基于同步数字网络（SDH， Synchronous Digital Hierarchy,同步数字序列） 基于准同步数字网络（PDH，Plesio-chronous Digital Hierarchy，准同步数字序列） 基于信元的传输系统传输会聚子层TCn信元速率解耦n信头差错控制n信元定界1. 信元速率解耦n信元速率

8、解耦是指在没有已分配信元、未分配信元和物理层OAM信元存在时，将向信元流中插入空信元以适配物理媒体的传输速率，空信元在接收侧被丢弃。 物理层信元速率适配空信元 ATM层信元速率适配未分配信元n在物理传输系统中其传送速率一般保持固定不变，而对于宽带业务来说，不同的业务有着不同的信元产生速率，并且业务具有突发性，所以会出现信元产生速率与传输系统传送速率不匹配的情况。n信元速率解耦功能使ATM网在信元的产生速率和发送速率方面具有极大的灵活性。1. 信元速率解耦n空信元组成与结构HEC=52H6AHCLP=12. 信元头差错控制信元头差错控制（HEC，Header Error ControlHeade

9、r Error Control ）n信元头差错控制的目的是保证信元头在传输过程中的可靠性。n信元差错控制采用CRC编码方式：n生成多项式：x x8 8x x2 2x x1 1n纠检错能力：纠一位错，检多位错发送端将信元头比特（不含HEC字段）形成的多项式乘8，然后除以生成多项式，所得的余数就是要发送的8比特HEC值。在接收端将信元头直接除以生成多项式，如果可以整除，则认为信元头正确，如果不能整除，则认为信元头发生错误。n在接收端检查并校正信头中 1 bit的错误，丢弃多bit错误的信元。2. 信元头差错控制n在接收端有两种工作模式：纠错模式和检错模式。n一开始处于纠错模式（缺省工作模式）未检测

10、出错误，不进行差错处理，停留在纠错模式查出1位错误，纠正后，转入检错模式查出多位错误，丢弃后，转入检错模式n检错模式下：发现错误，丢弃该信元，停留在检错模式未发现错误，转回纠错模式2. 信元头差错控制nHEC码能够纠正单个比特错误，检测到多个比特错误。n在正常方式下，接收器按单比特纠错方式工作，如果检测到单比特错误，这个错误就被纠正，接收器的状态转移到检错方式；如果检测到多个比特错误，信元就被丢弃，状态也转到检错方式。n在检错方式状态下，凡是检测到信头错误的信元一律被丢弃。直到不再发现信头有错，接收器立即转回纠错方式状态。2. 信元头差错控制n需要强调的是，HEC只对信元头进行差错控制，而信息

11、域的差错控制是通过端到端来完成的。n经HEC过程后，信元被划分为有效信元和无效信元。n有效信元包括实际的有效信元和个别有错的信元。信元头有错的有效信元可能是CRC算法的不完善或纠错过程遗漏所致。n同样，被确定为无效信元的信元除包含不可纠正的多比特错误或突发错误（Burst Errors）的信元外，也不排除那些仅出现单比特错误并且可由HEC纠正的信元。n显然，含错的有效信元和被丢弃的无效信元将导致B-ISDN网络性能的降低。但是出现这样错误的概率是非常低的。2. 信元头差错控制n下面讨论HEC的性能n对于光纤传输系统来说，绝大多数的错误是单比特错误。统计表明，正常工作条件下光纤传输系统发生单比特

12、错误的概率高于99%。n基于这一特征，ATM中采用的HEC方案是最优的，HEC算法保证恢复单比特错误，同时尽量减少在突发错误条件下误判信元头的概率。2. 信元头差错控制n假定传输系统的误比特率为10-8（通常为光纤传输系统的典型值），则丢弃信元的概率为10-13（即识别到信元头错但未能纠正），而有效信元中含有信元头错误（即未能识别出信元头错误）的概率为10-20.3. 信元定界n信元定界是指从比特流中恢复出各个信元的工作过程。nITU-T建议I.432描述了信元定界的机制，建议要求信元定界的算法应该在任何网络接口上进行，和采取的传输系统无关。n由信元的结构可知在信元中没有特殊的定界标记，ITU

13、-T建议给出的信元定界方法是根据信元头中的前四个字节和第五个字节的HEC关系为基础设计的，即在比特流中如果连续的五个字节满足HEC算法，则可以认为是一个信元的开始。n由于信元是等长的，所以当定位了一个信元后，后续的信元也就可以定位了。3. 信元定界信元定界的工作过程：n一开始处于搜索状态，当检测到正确的HEC码（即5个连续的字节满足生成多项式x8+x2+x+1），进入预同步状态。n在预同步状态下，若检测到不正确的HEC码，则返回捕捉状态；若连续次检测到正确的HEC码，则转移到同步状态。n在同步状态下，若连续次检测到不正确的HEC码，则进入捕捉状态。n在捕捉状态，可以按比特逐个检测捕捉状态，可以

14、按比特逐个检测。在预同步和同步状态下是按信元预同步和同步状态下是按信元逐个检测的逐个检测的，即每隔53B进行检测。3. 信元定界n在信元定界算法中，设置的目的是由于除了信元头外，信元的其他部分也可能出现符合HEC校验的五个字节，这样会出现定界错误。n值的大小决定了系统避免这种定界错误的能力。 值越大，信元定界的准确性就越高，但同时同步的时间就越长。n设置的目的是由于信元头的出错会使信元头的五个字节不能满足HEC校验，但此时系统并未是不。 n的值越大，由于HEC出错而导致系统认为失步的可能性就越小，但同时系统察觉出系统失步的时间就越长。n所以，和的值会影响信元定界的性能。nITU-T针对不同的传

15、输系统定义了不同的和值。对于SDH， =6和=7对于基于信元的传输系统， =7和=8对于一个速率为155Mb/s的ATM系统，当=7时，系统失步的可能一年小于一次。3. 信元定界nATM信元定界在信元中没有增加任何开销，而只是利用了信元头中的关联性而巧妙地实现了信元定界功能。而且，信元定界和信元头差错控制是同时进行的，这符合ATM高速传输的要求，减少了在中间节点的处理时间，是一种非常高效的方法。n为了防止信息段中假冒的正确HEC，提高定界过程的安全性和坚固性，信元信息域比特被随机化。这一过程称为信元信息域扰码。接收端完成的相反过程称为解扰码。n由于扰码后将信息域的数据改变得更加随机化，因此扰码

16、同时还能提高系统的传输性能。3. 信元定界n最有代表性的扰码技术有三种：分别是自同步扰码、帧同步扰码和分散抽样扰码。n扰码、解扰码算法中的原则：在信头中不加扰码（只对信息域字段进行扰码处理）在信元定界的搜索状态下停止解扰。在预同步状态下，只对相当于信息域字段长度的比特进行解扰，对下一个信元信头中的各字段停止解扰。n基于SDH的物理层，扰码多项式为X43+1，采用自同步扰码。n基于信元传输的物理层，扰码多项式为X31+X28+1，采用分散抽样扰码。物理层接口n基于SDH的物理层接口n基于PDH的物理层接口n基于155Mb/s的光纤接口n基于信元的ATM物理层接口基于SDH的物理层接口n基于SDH

17、的传输技术已经成为电信传输网络的首选技术。nITU-T建议I.432规定了在SDH中传输ATM信元的方法。nSDH的基本传输帧称为同步传输模式1(STM-1)。n多个STM-1帧可以复用为高速信号，STM-N的速率是STM-1的N倍。n目前定义了两种用于ATM传输的STM：STM-1和STM-4，速率分别为155.520Mb/s和622.080Mb/s。基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)n一个STM-1帧是由9行、270列（每行270字节）组成的块状帧结构，帧长度为9X270=2430个字节（19440比特），传送周期是

18、125s，传输速率是155.520Mbit/s，传输顺序为自左至右，自上而下。 nSTM-1帧分为三个区域： n 段开销（SOH）区域： 第1至9列，第1至3行和第5至9行，共9（3+5）=72字节为段开销，主要是为了运行、管理、维护使用，是保证信息净荷正常灵活传送所必须的附加字节， n 信息净荷（Payload）区域： 是帧结构中存放各种信息的地方。图中第10至第270列、第1至第9行，共2619=2349个字节都属于净负荷区域，可用于装载信息。 n 管理单元指针（AU-4PTR）区域：1. 第1至第9列，第4行的9个字节属于AU-4PTR 。 AU-4PTR是一种指示符，主要用来指示信息净

19、荷的第一个字节在STM-1帧结构内的准确位置，以便在接收端正确地分解。 基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)nATM信元的映射到SDH帧结构中的方法，是通过将每个信元的字节结构与所用虚容器字节结构进行定位对准的方法来完成的。n在STM-1结构中有2619字节的信息净荷区域，被称为虚容器VC-4。 nVC-4中每一行的第一字节称为通道开销（POH），用于通道性能监视、管理和控制，通常POH作为净荷的一部分。nVC-4中除去POH的部分叫容器C-4，用于装载ATM信元。 ATM信元装入C-4后，再加上POH包装成VC-4容器。n装载时ATM信元以字节排列，其边界应和STM-1中字

20、节的边界对齐。基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)n信元在每行一个接一个排列，在第一行可排4个完整信元，第五个信元只能占据48字节位。n第二行开始是第一行第五个信元剩余的5字节，然后是4个完整信元，最后以某信元的43字节结束，如此类推进行排列。如此下去，20帧以后的第21帧开始将重复该过程。n由于C-4的长度为9260字节（2340字节），而一个ATM信元的长度为53字节，C-4的容量（ 9260字节）不等于整数个ATM信元的长度N（48+5）字节，最后一行的最后一个ATM信元会跨过C-4边界延伸到下一帧的C-4 。n在STM-1帧中对信元定界采用下述方式：首先利用STM-1

21、的指针AU-4PTR找到VC-4的起始位置，然后利用信元定界HEC机理在VC-4中寻找信元的起始位置，这样即使信元跨越STM-1帧也不会影响信元的读取。基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)n用STM-1在传送ATM信息时，段开销（SOH）和通道开销（POH）保持不便，利用虚容器VC-4（净荷区）传送ATM信息。n由于SDH帧包括了用于完成再生段、数字段、传输路径的OAM功能的字段，因此基于SDH的ATM物理层中不需要再传输PL-OAM信元。 nSTM-1的标准速率为155.520Mbit/s，去掉各种开销信元的传送速率为155.520260/270149.760Mbit/s。

22、基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)n用通道开销POH中的H4对ATM信元定界。nC-4与POH一起组成虚容器VC4，此时，每一帧中信元的开始点记录在POH的H4中。n注意到9行260列(2340byte)并不是53byte的整倍数，所以ATM信元会跨越C-4的边界，那么下一帧C-4的开始字段将是上一帧最后一个ATM信元的剩余部分。n为了表明下一帧中第一个ATM信元的开始位置，特设置了H4 byte作为指针。n由于一个信元的长度不超过64 byte，并且SDH帧呈字节结构，所以启用了H4 byte的六个比特，即3-8 bit指示从H4之后第一个字节到第一个ATM信元的开始字节

23、之间的距离。这样，ATM信元的边界便在识别到SDH帧后读到H4 byte就可知晓。基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1)nSTM-1帧的周期为125us，共有9行270列的字节n（92708/（12510-6）155.520Mb/s）n前9列是段开销（Section Overhead,SOH）和管理单元指针（Administration Unit,AU指针），第10列是通道开销（Path Overhead,POH），这些开销中包含了功能强大的管理信息。n剩余的9行260列（VC-4）可装载信元流。n因此，STM-1用于传输信元流的带宽传输信元流的带宽只有n149.760Mb/s

24、（26155.520/27）。基于SDH接口的622.080 Mb/s (STM-4)基于SDH接口的622.080 Mb/s (STM-4)nByte-structured: 92704nFour STM-1s in figure above = 622.080 Mb/sn4 VC-4 (or as a single block= 599.040 Mb/s)n上图示出了基于SDH STM4速率(622.080Mbit/s)的帧结构。n按照ITUT I.708建议，622.080Mbit/s帧是四倍STM1后直接得到的，但是STM4净荷可以构成不同的工作方式，或为4VC4，或为一个独立的完整块

25、。n后一种工作方式的优点是用户可以不受限制地占用STM4的最大净荷空间。基于SDH接口的622.080 Mb/s (STM-4)n对于要求超过VC4容量的应用，用户信道可以位于600Mbit/s净荷空间的任意位置。n实际上，STM4的净荷能力为4149.760Mbit/s599.040Mbit/s。n注意到，仅需要一POH列有效字节，而其它的相邻列都不可用，因为它们被硬性地指定为固定填充(fixed stuff)字节。n这样做允许ATM网络在还没有建成STM4传输系统时将622.080Mbit/s的信号分在4个STM1上传送。n除了帧大小不同外，STM4与STM1的工作原理很相似，这里不做过多

26、的介绍。更详细的细节请查阅有关专门介绍SDH的文献。基于SDH接口的2.5Gb/s (STM-16)n关于基于SDH的STM16(2.5Gb/s)接口，被定义为与上述类似的方式操作，这里也不再详述。物理层接口n基于SDH的物理层接口n基于PDH的物理层接口n基于155Mb/s的光纤接口n基于信元的ATM物理层接口基于PDH的物理层接口n准同步数字系列（PDH）虽然与SDH相比在传输速率、网络管理等功能具有一定差距，但仍然是目前广泛使用的传输技术，为了增强ATM技术的兼容性，因此定义了基于PDH的物理层接口。nPDH传输系统分为美国、日本和欧洲三种体系，具有不同的帧格式。因此将ATM信元适配到不

27、同的体系帧中，采用的格式也不相同。nITU-T为每种PDH传输速率定义了ATM适配格式，采用三种方法：直接在PDH帧结构中传输ATM信元；重建传输帧格式以传输ATM信元；在PDH帧的基础上构建ATM传输帧。基于PDH的物理层接口n直接在PDH帧结构中传输ATM信元nE1是我国和欧洲采用的PDH第一级接口速率，E1的帧格式由ITU-T G.704规定，一条E1传输链路有32条64Kbit/s信道，其中TS0用于传送同步信息，TS16用于传送信令信息，TS1TS15和TS17TS31用于传送语音信息。nE1传输帧长为256b(328b)，总传输速率为2.048Mbit/s，采用HDB3编码，传输媒

28、体为75同轴电缆或120的双绞线，电平为2.37V。 基于PDH的物理层接口n 直接在PDH帧结构中传输ATM信元nE1帧格式的信元映射由ITU-T G.804规定。ATM信元到E1传输帧的映射采用字节同步，而不是帧同步，即一个信元可以跨越两个传输帧，信元传输速率与E1传输速率通过在有效ATM信元之间插入空信元实现匹配。n由于E1帧长和ATM信元长度没有整数倍关系，所以使用ATM信元定界算法进行信元定界。n由于E1中信道0和信道16作为专用，只有信道115和信道1731用来传输信息，所以ATM信元将插入信道115和信道1731。nATM信元吞吐率为2.048(30/32)=1.920Mbit/

29、s，nATM信元通过E1传输的实际净荷带宽为2.048(30/32)(48/53)=1.739Mbit/s，约占总传输带宽的85%。直接在PDH帧结构中传输ATM信元基于PDH的物理层接口n 重建传输帧格式用以传输ATM信元n这种方法使用PDH高次群传输ATM信元，下面以E3为例介绍这种方法。n仿照SDH帧结构，可以将帧定义为9行60列的帧结构，其中控制信息字段的后三个字节不存在。n采用这种方法，可以比较好地完成ATM的传输帧适配。 重建传输帧格式用以传输ATM信元nE3的帧格式nE3是我国和欧洲采用的PDH第三级接口速率，ITU-T G.751规定的E3帧格式。nE3是由4个E2(8.448

30、Mbit/s)经正码速调整后按逐比特复接方式产生的，而E2信道又是由4个E1(2.048Mbit/s)信道多路复用产生的。nE3的传输帧长为1536b(3844)，总传输速率为34.368Mbit/s，也采用HDB3编码，双向传输媒体都为75同轴电缆，电平为1.0V。 重建传输帧格式用以传输ATM信元nE3帧格式的信元映射nE3帧格式的信元映射与E1一样，都由ITU-T G.804规定。但是使用的E3帧格式G.832规定的格式。nG.832规定的帧长为537B，其中7B用于附加功能，这就使ATM信元在530B净荷上实现了字节同步传输(10个ATM信元精确对应530B)。信元传输速率与E3净荷传

31、输速率也通过插入空信元实现匹配。ATM信元吞吐率为34.368530/537=33.920Mbit/sATM信元通过E3传输的实际净荷带宽为34.368(530/537)(48/53)=30.72Mbit/s，约占总传输带宽的89.3%。 重建传输帧格式用以传输ATM信元n 由于E3的传输速率为34.368Mb/s，537个字节，将537个字节定义为一帧，其中7字节为帧控制信息，其余530字节为负载区，可以传输10个ATM信元。n帧周期为125us，每帧10个ATM信元n信元带宽为： 33.920Mbit/s（53108 /（12510-6）基于PDH的物理层接口n在PDH帧的基础上构建ATM传输帧n这种方法是前面两种方法的折中，保持原有PDH的帧结构不变，重新构建ATM的帧结构。n这种方法又称为物理层会聚协议（Physical Layer Convergence Protocol,PLCP）。n这种方法的优点是不对PDH系统做修改，可以直接传送ATM数据，但存在的问题是开销较大。物理层接口n基于SDH的物理层接口n基于PDH的物理层接口n基于155Mb/s的光纤接口n基于信元的ATM物理层接口基于155Mb/s的光纤接口n这种接口