南邮ch22atm物理层省公开课一等奖全国示范课微课金奖

宽带交换技术通信与信息工程学院5/5/20241第1页B-ISDN用户－网络接口(UNI)5/5/20242第2页ATM物理层物理媒体子层-PM传输会聚子层-TC5/5/20243第3页ATM物理层物理层主要任务是进行物理线路编码和信息传输。它向上为ATM层提供信元流传输，向下适配不一样传输系统。物理层能够分为两个子层：传输会聚子层TC传输会聚子层执行是与物理媒体无关协议，主要任务是确认传输正确是否；物理媒体子层PM物理媒体子层主要负责物理媒体选择、位定时和线路编码。5/5/20244第4页ATM物理层物理媒体子层PM传输会聚子层TC5/5/20245第5页比特率

I.432提议定义了两种B-ISDNUNI物理层接入速率，分别是：155.520Mb/s－STM-1接口光/电两种规范，双向对称622.080Mb/s－STM-4接口

光接口规范，双向对称（上下622），双向非对称（下行622，上行155）。注意：实际终端用户所使用接入速率＜标准接口速率，原因是要抛掉：物理层、ATM层、AAL层操作所需开销。

5/5/20246第6页接口结构两种接口结构基于SDH方式周期T＝125us就STM-1接口速率来说：帧速率＝155.520Mb/s净荷速率＝260/270×155.520＝149.760Mb/s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。

5/5/20247第7页两种接口结构图(a)表示把一个个ATM信元映射到SDH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，二是含有丰富帧开销比特，足以用来完成线路维护和操作控制。SDH帧传输开销太大，ITU-T推荐了另一个基于信元(也称Cell-by-Cell)接口结构图(b)。尽管两种接口方式不一样，但速率完全一样(包含净荷能力)。这么一来，两种接口互通便不成问题。

5/5/20248第8页物理媒体子层PM物理媒体子层提供比特流传输、定时和媒体物理接入。物理媒体未来宽带综合业务数字网主干网和用户接入网将建立在光纤传输基础上，不过这不能确定在B-ISDNUNI接口上SB和TB接口参考点使用传输媒体一定是光纤。因为UNI接口覆盖范围比接入网窄得多，大多数范围在200m以下。在这种情况下能够使用电媒体，而电气接口价格较为廉价，易于安装和维护。对于同轴电缆，155.50Mb/s传输距离能够到达200m，622.080Mb/s传输距离能够到达100m。假如在电气接口中插入光传输系统，能够取得比100m~200m更大接口范围，不过需要两次光电转换。5/5/20249第9页物理媒体子层PM比特定时和线路编码比特定时功效包含波形产生和接收以及定时信号插入和提取。ITU-T提议G.703要求，155.520Mb/s电接口采取CMI(CodedMarkInversion,码标识反转)。CMI编码采取00或11表示传输码1，采取10或01表示传输码0，传输码为1时00和11交替出现。CMI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，经过符号变换能够返现单比特错误。不过CMI编码使得编码信号传送速率加倍，对于155.520Mb/s接口影响不大，不过对于622.080Mb/s接口则这种编码方法就不适当了。对于155.520Mb/s和622.080Mb/s光接口采取了NRZ(Non-ReturntoZero,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。5/5/202410第10页接口编码5/5/202411第11页物理媒体子层PM比特定时和线路编码上面说明编码方法是基于比特操作编码。还有另一个基于信息块编码方法，这种编码方法基本概念是成组处理比特，在传输前，将比特组转换为另一个比特编码。惯用两种编码方法是4B/5B(100Mb/s)和8B/10B(155Mb/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。这两种编码方法能够取得较高传输效率和丰富定时信号。5/5/202412第12页物理媒体子层PM工作模式B-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，不过处于待命状态，这么做能够使系统功耗最小，通常为激活态50%，系统由去活态转到激活态时间为10~50ms；当电源出现故障时，系统处于紧急态，能够确保最低程度通信要求。5/5/202413第13页ATM物理层物理媒体子层PM传输会聚子层TC信元速率解耦信头差错控制信元定界5/5/202414第14页传输会聚子层TC传输会聚子层完成传输帧产生、提取及传输帧适配功效，它与详细传输系统相关。ITU-T制订了3种传输会聚子层相关协议基于同时数字网络（SDH，SynchronousDigitalHierarchy,同时数字序列）基于准同时数字网络（PDH，Plesio-chronousDigitalHierarchy，准同时数字序列）基于信元传输系统5/5/202415第15页传输会聚子层TC

信元速率解耦信头差错控制信元定界5/5/202416第16页1.信元速率解耦信元速率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

在物理传输系统中其传送速率普通保持固定不变，而对于宽带业务来说，不一样业务有着不一样信元产生速率，而且业务含有突发性，所以会出现信元产生速率与传输系统传送速率不匹配情况。信元速率解耦功效使ATM网在信元产生速率和发送速率方面含有极大灵活性。5/5/202417第17页1.信元速率解耦空信元组成与结构HEC=52H6AHCLP=15/5/202418第18页2.信元头差错控制信元头差错控制（HEC，HeaderErrorControl）信元头差错控制目标是确保信元头在传输过程中可靠性。信元差错控制采取CRC编码方式：生成多项式：x8＋x2＋x＋1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）形成多项式乘8，然后除以生成多项式，所得余数就是要发送8比特HEC值。在接收端将信元头直接除以生成多项式，假如能够整除，则认为信元头正确，假如不能整除，则认为信元头发生错误。在接收端检验并校正信头中1bit错误，丢弃多bit错误信元。5/5/202419第19页2.信元头差错控制在接收端有两种工作模式：纠错模式和检错模式。一开始处于纠错模式（缺省工作模式）未检测犯错误，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，转入检错模式检错模式下：发觉错误，丢弃该信元，停留在检错模式未发觉错误，转回纠错模式5/5/202420第20页2.信元头差错控制HEC码能够纠正单个比特错误，检测到多个比特错误。在正常方式下，接收器按单比特纠错方式工作，假如检测到单比特错误，这个错误就被纠正，接收器状态转移到检错方式；假如检测到多个比特错误，信元就被丢弃，状态也转到检错方式。在检错方式状态下，凡是检测到信头错误信元一律被丢弃。直到不再发觉信头有错，接收器马上转回纠错方式状态。

5/5/202421第21页2.信元头差错控制需要强调是，HEC只对信元头进行差错控制，而信息域差错控制是经过端到端来完成。经HEC过程后，信元被划分为有效信元和无效信元。有效信元包含实际有效信元和个别有错信元。信元头有错有效信元可能是CRC算法不完善或纠错过程遗漏所致。一样，被确定为无效信元信元除包含不可纠正多比特错误或突发错误（BurstErrors）信元外，也不排除那些仅出现单比特错误而且可由HEC纠正信元。显然，含错有效信元和被丢弃无效信元将造成B-ISDN网络性能降低。不过出现这么错误概率是非常低。5/5/202422第22页2.信元头差错控制下面讨论HEC性能对于光纤传输系统来说，绝大多数错误是单比特错误。统计表明，正常工作条件下光纤传输系统发生单比特错误概率高于99%。基于这一特征，ATM中采取HEC方案是最优，HEC算法确保恢复单比特错误，同时尽可能降低在突发错误条件下误判信元头概率。5/5/202423第23页2.信元头差错控制假定传输系统误比特率为10-8（通常为光纤传输系统经典值），则丢弃信元概率为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）概率为10-20.5/5/202424第24页3.信元定界信元定界是指从比特流中恢复出各个信元工作过程。ITU-T提议I.432描述了信元定界机制，提议要求信元定界算法应该在任何网络接口上进行，和采取传输系统无关。由信元结构可知在信元中没有特殊定界标识，ITU-T提议给出信元定界方法是依据信元头中前四个字节和第五个字节HEC关系为基础设计，即在比特流中假如连续五个字节满足HEC算法，则能够认为是一个信元开始。因为信元是等长，所以当定位了一个信元后，后续信元也就能够定位了。5/5/202425第25页3.信元定界信元定界工作过程：一开始处于搜索状态，当检测到正确HEC码（即5个连续字节满足生成多项式x8+x2+x+1），进入预同时状态。在预同时状态下，若检测到不正确HEC码，则返回捕捉状态；若连续δ次检测到正确HEC码，则转移到同时状态。在同时状态下，若连续α次检测到不正确HEC码，则进入捕捉状态。在捕捉状态，能够按比特逐一检测。在预同时和同时状态下是按信元逐一检测，即每隔53B进行检测。5/5/202426第26页3.信元定界在信元定界算法中，设置δ目标是因为除了信元头外，信元其它部分也可能出现符合HEC校验五个字节，这么会出现定界错误。δ值大小决定了系统防止这种定界错误能力。δ值越大，信元定界准确性就越高，但同时同时时间就越长。设置α目标是因为信元头犯错会使信元头五个字节不能满足HEC校验，但此时系统并未是不。

α值越大，因为HEC犯错而造成系统认为失步可能性就越小，但同时系统觉察出系统失步时间就越长。所以，δ和α值会影响信元定界性能。ITU-T针对不一样传输系统定义了不一样δ和α值。对于SDH，δ=6和α=7对于基于信元传输系统，δ=7和α=8对于一个速率为155Mb/sATM系统，当α=7时，系统失步可能一年小于一次。5/5/202427第27页3.信元定界ATM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关联性而巧妙地实现了信元定界功效。而且，信元定界和信元头差错控制是同时进行，这符合ATM高速传输要求，降低了在中间节点处理时间，是一个非常高效方法。为了预防信息段中假冒正确HEC，提升定界过程安全性和坚固性，信元信息域比特被随机化。这一过程称为信元信息域扰码。接收端完成相反过程称为解扰码。因为扰码后将信息域数据改变得愈加随机化，所以扰码同时还能提升系统传输性能。5/5/202428第28页3.信元定界最有代表性扰码技术有三种：分别是自同时扰码、帧同时扰码和分散抽样扰码。扰码、解扰码算法中标准：在信头中不加扰码（只对信息域字段进行扰码处理）在信元定界搜索状态下停顿解扰。在预同时状态下，只对相当于信息域字段长度比特进行解扰，对下一个信元信头中各字段停顿解扰。基于SDH物理层，扰码多项式为X43+1，采取自同时扰码。基于信元传输物理层，扰码多项式为X31+X28+1，采取分散抽样扰码。5/5/202429第29页物理层接口基于SDH物理层接口基于PDH物理层接口基于155Mb/s光纤接口基于信元ATM物理层接口5/5/202430第30页基于SDH物理层接口基于SDH传输技术已经成为电信传输网络首选技术。ITU-T提议I.432要求了在SDH中传输ATM信元方法。SDH基本传输帧称为同时传输模式1(STM-1)。多个STM-1帧能够复用为高速信号，STM-N速率是STM-1N倍。当前定义了两种用于ATM传输STM：STM-1和STM-4，速率分别为155.520Mb/s和622.080Mb/s。5/5/202431第31页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)5/5/202432第32页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)一个STM-1帧是由9行、270列（每行270字节）组成块状帧结构，帧长度为9X270=2430个字节（19440比特），传送周期是125μs，传输速率是155.520Mbit/s，传输次序为自左至右，自上而下。

STM-1帧分为三个区域：

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，是确保信息净荷正常灵活传送所必须附加字节，信息净荷（Payload）区域：是帧结构中存放各种信息地方。图３中第10至第270列、第1至第9行，共261×9=2349个字节都属于净负荷区域，可用于装载ＡＴＭ信息。管理单元指针（AU-4PTR）区域：第1至第9列，第4行9个字节属于AU-4PTR。AU-4PTR是一个指示符，主要用来指示信息净荷第一个字节在STM-1帧结构内准确位置，方便在接收端正确地分解。5/5/202433第33页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)ATM信元映射到SDH帧结构中方法，是经过将每个信元字节结构与所用虚容器字节结构进行定位对准方法来完成。在STM-1结构中有261×9字节信息净荷区域，被称为虚容器VC-4。

VC-4中每一行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作为净荷一部分。VC-4中除去POH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。装载时ATM信元以字节排列，其边界应和STM-1中字节边界对齐。5/5/202434第34页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)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。第二行开始是第一行第五个信元剩下5字节，然后是4个完整信元，最终以某信元43字节结束，如这类推进行排列。如此下去，20帧以后第21帧开始将重复该过程。因为C-4长度为9×260字节（2340字节），而一个ATM信元长度为53字节，C-4容量（9×260字节）不等于整数个ATM信元长度〔N×（48+5）字节〕，最终一行最终一个ATM信元会跨过C-4边界延伸到下一帧C-4。在STM-1帧中对信元定界采取下述方式：首先利用STM-1指针AU-4PTR找到VC-4起始位置，然后利用信元定界HEC机理在VC-4中寻找信元起始位置，这么即使信元跨越STM-1帧也不会影响信元读取。5/5/202435第35页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)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。因为SDH帧包含了用于完成再生段、数字段、传输路径OAM功效字段，所以基于SDHATM物理层中不需要再传输PL-OAM信元。

STM-1标准速率为155.520Mbit/s，去掉各种开销信元传送速率为155.520×260/270＝149.760Mbit/s。5/5/202436第36页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)用通道开销POH中H4对ATM信元定界。C-4与POH一起组成虚容器VC－4，此时，每一帧中信元开始点统计在POHH4中。注意到9行×260列(2340byte)并不是53byte整倍数，所以ATM信元会跨越C-4边界，那么下一帧C-4开始字段将是上一帧最终一个ATM信元剩下部分。为了表明下一帧中第一个ATM信元开始位置，特设置了H4byte作为指针。因为一个信元长度不超出64byte，而且SDH帧呈字节结构，所以启用了H4byte六个比特，即3-8bit指示从H4之后第一个字节到第一个ATM信元开始字节之间距离。这么，ATM信元边界便在识别到SDH帧后读到H4byte就可知晓。

5/5/202437第37页基于SDH接口155.520Mb/s(STM-1)STM-1帧周期为125us，共有9行270列字节（9×270×8/（125×10-6）＝155.520Mb/s）前9列是段开销（SectionOverhead,SOH）和管理单元指针（AdministrationUnit,AU指针），第10列是通道开销（PathOverhead,POH），这些开销中包含了功效强大管理信息。剩下9行260列（VC-4）可装载信元流。所以，STM-1用于传输信元流带宽只有149.760Mb/s（26×155.520/27）。5/5/202438第38页基于SDH接口622.080Mb/s(STM-4)5/5/202439第39页基于SDH接口622.080Mb/s(STM-4)Byte-structured:9×270×4FourSTM-1'sinfigureabove=622.080Mb/s4×VC-4(orasasingleblock=599.040Mb/s)

上图示出了基于SDHSTM－4速率(622.080Mbit/s)帧结构。按照ITU－TI.708提议，622.080Mbit/s帧是四倍STM－1后直接得到，不过STM－4净荷能够组成不一样工作方式，或为4×VC－4，或为一个独立完整块。后一个工作方式优点是用户能够不受限制地占用STM－4最大净荷空间。5/5/202440第40页基于SDH接口622.080Mb/s(STM-4)对于要求超出VC－4容量应用，用户信道能够位于600Mbit/s净荷空间任意位置。实际上，STM－4净荷能力为4×149.760Mbit/s＝599.040Mbit/s。注意到，仅需要一POH列有效字节，而其它相邻列都不可用，因为它们被硬性地指定为固定填充(fixedstuff)字节。这么做允许ATM网络在还没有建成STM－4传输系统时将622.080Mbit/s信号分在4个STM－1上传送。除了帧大小不一样外，STM－4与STM－1工作原理很相同，这里不做过多介绍。更详细细节请查阅相关专门介绍SDH文件。

5/5/202441第41页基于SDH接口2.5Gb/s(STM-16)关于基于SDHSTM－16(2.5Gb/s)接口，被定义为与上述类似方式操作，这里也不再详述。

5/5/202442第42页物理层接口基于SDH物理层接口基于PDH物理层接口基于155Mb/s光纤接口基于信元ATM物理层接口5/5/202443第43页基于PDH物理层接口准同时数字系列（PDH）即使与SDH相比在传输速率、网络管理等功效含有一定差距，但依然是当前广泛使用传输技术，为了增强ATM技术兼容性，所以定义了基于PDH物理层接口。PDH传输系统分为美国、日本和欧洲三种体系，含有不一样帧格式。所以将ATM信元适配到不一样体系帧中，采取格式也不相同。ITU-T为每种PDH传输速率定义了ATM适配格式，采取三种方法：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帧基础上构建ATM传输帧。5/5/202444第44页基于PDH物理层接口直接在PDH帧结构中传输ATM信元E1是我国和欧洲采取PDH第一级接口速率，E1帧格式由ITU-TG.704要求，一条E1传输链路有32条64Kbit/s信道，其中TS0用于传送同时信息，TS16用于传送信令信息，TS1~TS15和TS17~TS31用于传送语音信息。E1传输帧长为256b(32×8b)，总传输速率为2.048Mbit/s，采取HDB3编码，传输媒体为75Ω同轴电缆或120Ω双绞线，电平为±2.37V。

5/5/202445第45页基于PDH物理层接口直接在PDH帧结构中传输ATM信元E1帧格式信元映射由ITU-TG.804要求。ATM信元到E1传输帧映射采取字节同时，而不是帧同时，即一个信元能够跨越两个传输帧，信元传输速率与E1传输速率经过在有效ATM信元之间插入空信元实现匹配。因为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。因为E1中信道0和信道16作为专用，只有信道1~15和信道17~31用来传输信息，所以ATM信元将插入信道1~15和信道17~31。ATM信元吞吐率为2.048×(30/32)=1.920Mbit/s，ATM信元经过E1传输实际净荷带宽为2.048×(30/32)×(48/53)=1.739Mbit/s，约占总传输带宽85%。5/5/202446第46页直接在PDH帧结构中传输ATM信元5/5/202447第47页基于PDH物理层接口重建传输帧格式用以传输ATM信元这种方法使用PDH高次群传输ATM信元，下面以E3为例介绍这种方法。仿照SDH帧结构，能够将帧定义为9行60列帧结构，其中控制信息字段后三个字节不存在。采取这种方法，能够比很好地完成ATM传输帧适配。5/5/202448第48页②重建传输帧格式用以传输ATM信元E3帧格式E3是我国和欧洲采取PDH第三级接口速率，ITU-TG.751要求E3帧格式。E3是由4个E2(8.448Mbit/s)经正码速调整后按逐比特复接方式产生，而E2信道又是由4个E1(2.048Mbit/s)信道多路复用产生。E3传输帧长为1536b(384×4)，总传输速率为34.368Mbit/s，也采取HDB3编码，双向传输媒体都为75Ω同轴电缆，电平为1.0V。5/5/202449第49页②重建传输帧格式用以传输ATM信元E3帧格式信元映射E3帧格式信元映射与E1一样，都由ITU-TG.804要求。不过使用E3帧格式G.832要求格式。G.832要求帧长为537B，其中7B用于附加功效，这就使ATM信元在530B净荷上实现了字节同时传输(10个ATM信元准确对应530B)。信元传输速率与E3净荷传输速率也经过插入空信元实现匹配。ATM信元吞吐率为34.368×530/537=33.920Mbit/sATM信元经过E3传输实际净荷带宽为34.368×(530/537)×(48/53)=30.72Mbit/s，约占总传输带宽89.3%。5/5/202450第50页②重建传输帧格式用以传输ATM信元因为E3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，能够传输10个ATM信元。帧周期为125us，每帧10个ATM信元信元带宽为：33.920Mbit/s（53×10×8/（125×10-6）5/5/202451第51页基于PDH物理层接口在PDH帧基础上构建ATM传输帧这种方法是前面两种方法折中，保持原有PDH帧结构不变，重新构建ATM帧结构。这种方法又称为物理层会聚协议（PhysicalLayerConvergenceProtocol,PLCP）。这种方法优点是不对PDH系统做修改，能够直接传送ATM数据，但存在问题是开销较大。5/5/202452第52页物理层接口基于SDH物理层接口基于PDH物理层接口基于155Mb/s光纤接口基于信元ATM物理层接口5/5/202453第53页基于155Mb/s光纤接口这种接口采取多模光纤，传输速率为155Mb/s，采取了8B/10B编码方式，用于当地ATM连接，实际线路速率为194.40Mb/s。这种速率与SDHSTM-1传输速率一致。信元在传输时被封装为帧格式。一帧中包含27个信元。其中第一个信元含有特殊格式，有5个字节同时信息和4