南邮CH22ATM物理层.ppt
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1、宽带交换技术,通信与信息工程学院,B-ISDN 用户网络接口(UNI),ATM物理层,2023/10/6,4,ATM物理层,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。物理层可以分为两个子层:传输会聚子层TC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PM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。,2023/10/6,5,ATM物理层,物理媒体子层PM传输会聚子层TC,2023/10/6,6,比特率,I.432建议定义了两种B-ISDNUNI物理层接入速率,分别是:155.520Mb/
2、sSTM-1接口光/电两种规范,双向对称622.080Mb/sSTM-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。,2023/10/6,7,接口结构,两种接口结构基于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/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。,2023/10/6,8,两种接口结构,图(a)表示把一个个的
3、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,二是含有丰富的帧开销比特,足以用来完成线路维护和操作控制。SDH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)。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。,2023/10/6,9,物理媒体子层PM,物理媒体子层提供比特流传输、定时和媒体的物理接入。物理媒体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。
4、因为UNI接口的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。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。,2023/10/6,10,物理媒体子层PM,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)。CM
5、I编码采用00或11表示传输码1,采用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,通过符号变换可以返现单比特错误。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。,2023/10/6,11,接口编码,2023/10/6,12,物理媒体子层P
6、M,比特定时和线路编码上面说明的编码方法是基于比特操作的编码。还有另一种基于信息块的编码方法,这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。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。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。,2023/10/6,13,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,但是处于
7、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;当电源出现故障时,系统处于紧急态,能够保证最低限度的通信要求。,2023/10/6,14,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,2023/10/6,15,传输会聚子层TC,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。ITU-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 Di
8、gital Hierarchy,准同步数字序列)基于信元的传输系统,2023/10/6,16,传输会聚子层TC,信元速率解耦信头差错控制信元定界,2023/10/6,17,1.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。信元速率解耦功能使ATM网在信元的产生速率和
9、发送速率方面具有极大的灵活性。,2023/10/6,18,1.信元速率解耦,空信元组成与结构,HEC=52H,6AH,CLP=1,2023/10/6,19,2.信元头差错控制,信元头差错控制(HEC,Header Error Control)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。信元差错控制采用CRC编码方式:生成多项式:x8x2x1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。在
10、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。,2023/10/6,20,2.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,2023/10/6,21,2.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,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
11、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。,2023/10/6,22,2.信元头差错控制,需要强调的是,HEC只对信元头进行差错控制,而信息域的差错控制是通过端到端来完成的。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。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。显然,含错
12、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。,2023/10/6,23,2.信元头差错控制,下面讨论HEC的性能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错误的概率高于99%。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。,2023/10/6,24,2.信元头差错控制,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
13、错误(即未能识别出信元头错误)的概率为10-20.,2023/10/6,25,3.信元定界,信元定界是指从比特流中恢复出各个信元的工作过程。ITU-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。由信元的结构可知在信元中没有特殊的定界标记,ITU-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。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。,2023/10/6,26,3.信元定界,信元定界的工作过程:
14、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。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。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。在捕捉状态,可以按比特逐个检测。在预同步和同步状态下是按信元逐个检测的,即每隔53B进行检测。,2023/10/6,27,3.信元定界,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。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
15、就越高,但同时同步的时间就越长。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。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。所以,和的值会影响信元定界的性能。ITU-T针对不同的传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。,2023/10/6,28,3.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
16、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。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。由于扰码后将信息域的数据改变得更加随机化,因此扰码同时还能提高系统的传输性能。,2023/10/6,29,3.信元定界,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。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
17、信元信头中的各字段停止解扰。基于SDH的物理层,扰码多项式为X43+1,采用自同步扰码。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。,2023/10/6,30,物理层接口,基于SDH的物理层接口基于PDH的物理层接口基于155Mb/s的光纤接口基于信元的ATM物理层接口,2023/10/6,31,基于SDH的物理层接口,基于SDH的传输技术已经成为电信传输网络的首选技术。ITU-T建议I.432规定了在SDH中传输ATM信元的方法。SDH的基本传输帧称为同步传输模式1(STM-1)。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。目前定义了两
18、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。,2023/10/6,32,基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1),2023/10/6,33,基于SDH接口的155.520 Mb/s(STM-1),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125s,传输速率是155.520Mbit/s,传输顺序为自左至右,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
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