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atm原理

APON系统中交叉连接的研究与实现

武汉理工大学自动化学院　王暖陈迎霞

【来源:

《新疆通信》　　上传时间:

05-07-15】

摘要:

本文介绍了一种用于通信网络的APON无源光网络系统，该系统通过ATM交换模块实现信号的转换与传输，主要讨论了ATM交换的原理、交换单元的结构以及APON系统中交叉连接的实现。

关键词：

交叉连接无源光网络光线路终端交换单元

引言:

　　APON系统是基于ATM技术的无源光网络系统。

目前，通信网络终端骨干网已经实现了以光纤为主体的传输模式，具有很高的传输速率。

根据G.983.1协议，APON系统的传输速率可以达到对称的155Mb/s，或者是非对称的下行622Mb/s和上行155Mb/s，能够满足现有的业务以及可以预见的将要出现的业务要求；支持多种业务的统计复用，能够动态的进行带宽分配并且提供服务质量保证（QoS），满足不同业务的需要；通过协议转换，对IP业务也有很好的支持；由于APON系统是无源系统，因此系统的维护比较容易。

可见，APON系统无论是在传输宽带、业务支持的范围以及所提供的业务质量方面，还是在系统的可维护性方面都能满足很高的要求，是未来理想的宽带接入方案之一。

在PON中采用ATM技术，使PON携带的信息ATM化,就构成APON。

APON系统以PON的透明宽带传送能力和ＡＴＭ的多业务、多比特率支持能力相结合,因此它也代表了宽带接入网发展的方向。

APON全业务接入系统包括APON局端设备（ＢＡ2100Ｃ）和APON远端设备（ＢＡ2100Ｒ）两个组成部分。

其中局端设备（OLT）逻辑上主要完成从特定的PON接口到标准的ATM接口以及其他接口的转换、集中、交叉等功能。

OLT的一侧直接或者通过交换的数字段与业务节点相连，在另一侧实现无源光网络的ODN接口功能。

局端设备中的交叉单元完成各类用户接口的集中、复用功能及网管底层通道的物理层功能，是OLT或ONU的交叉板，因此也是APON系统的必配单元。

因此对系统交换模块的交叉连接方式进行研究是很有必要的，而且也是非常有实际意义的。

２　ATM交换单元

2．1ATM交换的基本原理

ATM交换的基本原理如图1所示，

图1ATM交换的基本原理

　　ATM交换是电交换，它以信元为单位，即以53个字节（424bit）为一个整体进行交换，但它仅对信头进行处理。

图中的交换单元有n条入线（I1～In），m条出线（O1～Om），每条入线和出线上传送的都是ATM信元流，而每个信元的信头值则表明该信元所在的逻辑信道（由VPI/VCI值确定）。

不同的入线（或出线）上可以采用相同的逻辑信道值。

ATM交换的基本任务就是将任意入线上的任意逻辑信道中的信元交换到所需的任意出线上的任意逻辑信道上去。

例如，图中入线I1的逻辑信道a被交换到出线O1的逻辑信道x上，入线I1的逻辑信道b被交换到出线Om的逻辑信道s上等等。

这里交换包含了两个方面的功能：

一是空间交换，即将信元从一条传输线（I1）传送到另一条传输线（Om）上去，这个功能又叫做路由选择；另一个功能是时隙交换，即将信元从一个逻辑信道（如I1的b）该换到另一个逻辑信道（如Om的s），这个功能又叫做信头变换。

以上空间交换和时间交换的功能可以用一张翻译表来实现，图1中的译码表列出了该交换单元当前的交换状态。

2.2ATM交换单元的阻塞及解决方案

　　由于ATM是一种异步传输方式，输入、输出线路上的信元都是统计复用的，每个逻辑信道上信元的出线是随机的，因此可能会出现在同一时刻两条或多条输入线路上的信元要求到同一输出线路上去，即存在输出的竞争（或称阻塞）。

例如图1中I1的逻辑信道a和In的逻辑信道b都要求交换到O1，前者使用O1的逻辑信道x，后者使用O1的逻辑信道y，可是在一个信元时间内，一条出线只能为一个信元服务，所以可能会造成信元丢失。

为了避免阻塞引起信元丢失，交换单元中应提供一系列缓冲区，供信元排队用。

网络阻塞有两种：

外部阻塞和内部阻塞。

前者指多个信元争用同一输出端口造成的出线冲突，后者指交换机的入线和出线虽然都空闲，但交换单元内部部分交换的路由被其他交换过程占用造成的连接失败，也即多个信元竞争同一个交换元素的出口造成的出线冲突。

　　为了避免阻塞引起信元丢失，交换结构中应提供一系列缓冲区，供同时到达的信元排队用。

排队队列将造成信元在交换结构内的时延，这个时延是随机的，它与缓冲器的位置、结构以及缓冲能力有关。

当缓冲区存满后，仍然会产生信元丢失。

缓冲能力可用交换机能够存储的信元数来衡量。

其中，缓冲排队方式直接影响交换结构性能的好坏。

依照交换单元的结构及内部的交换速度不同，信元可能需要在入线、出线处排队，或在交换单元内部排队。

目前，跟据缓冲器的位置可将缓冲排队方式分为五类：

输入缓冲方式、输出缓冲方式、中央缓冲方式、输入输出缓冲方式以及重环回缓冲方式，其具体内容就不在此赘述。

以上几种缓冲排队方式的性能比较一般从以下几个方面考虑：

1）吞吐率；2）缓冲器的利用率；3）排队时延抖动；4）控制方式；5）存储器规模；6）存储器存取速度；7）点到多点的实现。

2.3ATM交换单元的结构

　　ATM交换模块给输入口和输出口之间提供信元交换功能，我们所设计的系统选用LUCENT公司提供的芯片，采用16×16的交叉连接，实现信元的交换，同时还给系统提供1+1的冗余保护。

该系统中ATM交换结构由三个部分组成，第一层是ASX（LUC4ASO1），第二层是ACE（LUC4AC01），第三层也是ASX。

该系统要求ATM交换模块以10Gbps的速度提供16×16的存储器-空间-存储器的三层交叉连接交换，如图2所示。

它是由输入到输出的非模块、多层、多种路由方式的网络连接。

每个输入/输出能支持622Mbps的数据传输率。

交换结构将16条入线中的任意一条线上的任意逻辑信道中的信元交换到所需的16条出线中的任意一条线上的任意逻辑信道上去，即由上述的三层交换结构来实现。

ASX的工作依它用于哪一层而定，而这又由GCFG的引脚状态决定。

输入层是第一层（扩展器），输出层是第三层（集中器），中间层由ACE芯片组成。

一般来说，由第一层ASX扩展交换数据所需的路数，第三层则从中间层收集数据。

ASX芯片支持4：

8、5：

8、6：

8的扩展模式，这些扩展模式在结构寄存器GCFG里形成，具体用哪一个模式取决于成本、性能、目的以及所需要的传输类型。

在该系统中，我们选用6：

8的扩展模式。

2．4交叉连接的实现

　　这种三层基本交换结构在622Mbps的I/O传输率下最多能支持40门的交换，传输速度可达到25Gbps。

按规定，第一层ASX的数目必须和第三层ASX的数目相同，但ACE的数目可以不同。

要想整个结构正常工作，必须遵循以下规则：

（1）在n：

8：

n的扩展模式里，n=4、5或6，需要8个交叉连接（但不是8个ACE）；

（2）交叉连接（不是ACE，而是单个的交叉连接应按一定规则连至第一层和第三层，即每个交叉连接从第一层的每个ASX获取一个输入，并给第三层的每个ASX提供一个输出。

简单的说就是，如果第一层M个ASX模块（第三层一样）,那么所需要的8个交叉连接的大小就必须是M×M；（3）任何一个交叉连接都不能提供给多个ACE，但是一个ACE却可以形成多个交叉连接，有以下三种情况：

4个大小为2×2的交叉连接,2个大小为4×4或3×3的交叉连接,1个大小为5×5、6×6、7×7或8×8的交叉连接。

由规则，就可以选择适合我们的扩展模式。

在设计中，我们要达到10Gbps的传输速率，就应采用16×16的交换结构。

从成本以及其他方面考虑，这里选用6：

8：

6的模式。

于是，第一层和第三层分别需要3个ASX芯片，因此交叉连接的大小就是3×3，也就是说每个ACE要有2个交叉连接，所以中间层共需要4个ACE。

并且在第一层和第三层的ASX中，我们空有2路不用，这两路可作备用。

3结束语

　　APON系统中信元传送速率为155.52Mb/s和622.08Mb/s，这主要受限于可供用户共享的带宽和分路后各ONU得到的光功率。

由于主干网传输速率越来越快，相应地要求接入网作一些变化。

未来的APON（也称为SuperPON）跨度将达100公里，一个OLT可接多达2000个用户。

而其交换模块所承担的主要任务就是实现信元的转换与传输，并决定其传输速率。

总之，APON技术的发展依赖于交换技术等关键技术的改进。

参考文献：

1．光纤通信．原荣著．电子工业出版社．2002

2．网络与ATM技术．莫锦军著．人民邮电出版社．2002

3．ATM网络原理与应用．卢锡城著．电子工业出版社．1999

4．光同步传输网技术．曹甫金．李勇著．北京邮电大学出版社．1996

5．B-ISDN与ATM基础理论及应用．王杰．中国铁道出版社．2001．5

6．APON系统终端ONT物理媒介层的设计．迟泽英等．光通信技术．200４．４

7．APON宽带接入系统的关键技术．尹树华等．半导体光电．2003．1

8．APON系统终端TC子层的设计．董大圣等．光通信技术．2004．2

9．ProvidingGFRGuaranteesforTCP/IPTrafficoverAPONAccessSystems.Saso　　 Stojanovski.MauriceGagnaire.RudyHoebeke.Springer-VerlagHeidelberg.2002

ATM技术基本原理

1术语、定义和缩略语

1.1术语、定义

术语/定义

说   明

ATM层

位于B-ISDN/ATM网络协议参考模型的第二层，完成交换、路由选择和信元复用功能。

ATM层的基本处理单位是信元。

AAL层

位于B-ISDN/ATM网络信元参考模型的第三层，完成将业务流适配成ATM信元流。

前向

ForwardDirection

被监视的用户信元流向。

后向

BackwordDirection

前向的反向。

入向（ingress）

出向（egress）

E1

欧洲的30路脉码调制PCM简称E1，速率是2.048Mbit/s。

数字中继即为E1接口，是一对引自交换机的同轴电缆线，在电缆线上数据传输速率是2.048Mbit/s，可同时容纳32时隙*64Kbit/s的语音数据。

E1有成帧、成复帧与不成帧三种方式。

在成帧的E1中，第0时隙用于传输帧同步数据，其余31个时隙可用于传输有效数据（话路）；在成复帧的E1中，除第0时隙外，第16时隙用于传输信令，只有第1~15和第17~31共30个时隙可用于传输有效数据；而在不成帧的E1中,所有32个时隙都可用于传输有效数据。

一个E1时分复用帧（帧长256bit，T=125us）共划分为32个相等的时隙。

每个时隙传送8bit，因此共用256bit。

每秒传送8K个帧，因此PCM一次群E1的数据率就是2.048Mbit/s。

每个时隙在E1帧中占8bit，即一条E1中含有32个64Kbit/s。

1.2缩略语

   本文使用以下缩略语（包括但不限于）：

英文缩写

英文全称

中文全称

ABR

AvailableBitRate

可利用比特率

APC

ATMPortController

ATM端口控制器

ATM

AsynchronousTransferMode

异步传输模式

CBR

ConstantBitRate

恒定比特率

CDV

CellDelayVariation

信元时延抖动

CDVT

CellDelayVariationTolerance

有效延时抖动容差

CER

CellErrorRatio

信元错误率

CLP

CellLossPriority

信元丢失优先级

CLR

CellLossRatio

信元丢失率

CMR

CellMisinsertionRatio

信元误插入率

CPCS

CommonPartConvergenceSublayer

公共部分会聚子层

CPI

CommonPartIndicator

公共部分指示

CPS

CellPerSlot

每时隙信元数

CS

ConvergenceSublayer

汇聚子层

GFC

GenericFlowControl

一般流量控制

HDLC

High-levelDataLinkControl

高级数据链路控制

HEC

HeaderErrorControl

信元差错控制

HLR

HomeLocationRegister

归属位置登记器

HSL

HighSignalingLink/High-SpeedSignallingLink

高速信令连接

ISDN

IntegratedServiceDigitalNetwork     

综合业务数字网

MaxCTD

Maximumend-to-endCellDelay

最大信元传送时延

MBS

MaximumBurstSize

最大突发长度

MCC

Multi-ChannelController

多通道控制器

MCR

MinimumCellRate

最小信元速率

MSCS

MassStorageControlSystem

大容量存储器控制系统

MTP3B

MessageTransferPart（Broadband）

宽带消息传递部分

NNI

NetworkNodeInterface

网络节点接口

nrt-VBR

Non-Real-TimeVariableBitRate

非实时可变比特率

OAM

Operation,Administration,Maintenance

操作维护管理

PCR

PeakCellRate

峰值信元速率

PDU

ProtocolDataUnit

协议数据单元

PM

PhysicalMediaSublayer

物理媒介子层

PT

PayloadType

净荷类型

PVC**

PermanentVirtualCircuit/Connection

永久虚电路/虚连接

QoS

QualityofService

服务质量

rt-VBR

Real-TimeVariableBitRate

实时可变比特率

SAAL

SignalingATMAdaptationLayer

ATM信令适配层

SAR

SegmentationandReassemblySublayer

拆装子层（分片重组）

SCR

SustainableCellRate

可维持（可持续）信元速率

SDU

ServiceDataUnit

业务数据单元

SECBR

SeverelyErroredCellBlockRatio

严重信元误块比

SSCF

ServiceSpecificCo-ordinationFunction

业务特定协调功能

SSCOP

ServiceSpecificConnectionOrientedProtocol

业务特定面向连接协议

SSCS

ServiceSpecificConvergenceSublayer

业务特定汇聚子层

SVC**

SwitchedVirtualCircuit/Connection

交换虚电路/虚连接

TC

TransmissionConvergenceSublayer

传输会聚（传输积聚）子层

TS

TimeSlot

时隙

UBR

UnspecifiedBitRate

未指定比特率业务

UNI

UserNetworkInterface

用户-网络接口

UTOPIA

UniversalTest&OperationPHYInterfaceforATM

通用ATM物理层测试操作接口

VC*

VirtualChannel

虚信道

VCI

VirtualChannelIdentifier

虚信道标识

VCS

VirtualChannelSwitching

虚信道交换

VP*

VirtualPath

虚通路

VPI

VirtualPathIdentifier

虚通路标识

VPS

VirtualPathSwitching

虚通路交换

   *有些资料也把VP翻译为“虚通道”，VC翻译为“虚通路”。

   **ATM连接是“临时”的，是逻辑上的“虚连接”，故称“虚电路”。

从此意义上讲，“虚连接”即“虚电路”。

2ATM基础知识

   ATM（AsynchronousTransferMode）是一种以信元为单位的异步转移模式。

它是基于B-ISDN宽带综合服务数字网标准而设计的用来提高用户综合访问速度的一项技术。

在交换形式上而言，ATM是面向连接的链路，任何一个ATM终端与另一个用户通信的时候都需要建立连接。

   “信元”是ATM所特有的分组，话音、数据、视像等所有的数字信息被分成长度固定的数据块。

   “异步”则意味着来自任一用户的信息信元流不必是周期性的，主要指异步时分复用和异步交换。

   ①异步时分复用：

将一条线路按照传输速率所确定的时间周期将时间划分成为帧的形式，一帧又划分成若干时隙来承载用户数据，但ATM中的用户数据不再固定占用各帧中某个时隙，而是由网络根据用户的请求和网络的资源来动态分配。

在接收端，不再按固定时隙关系来提取相应用户数据，而是根据所传输数据的目的信息来接收信息。

在ATM中，用户数据并不固定地占用某一时隙，而是具有一定的随机性。

   ②异步交换：

在ATM中，交换是非固定时隙的，当输入帧进入ATM交换机时，先在缓存器中缓存，交换机根据输出帧中时隙的空闲情况，随机地占用某一个或若干个时隙，而且时隙的位置也是随机的。

   ATM交换是一种融合电路交换和分组交换的优点而形成的一种新型交换技术，能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证Qos。

   对电路交换，它采用异步时分复用代替同步时分复用，解决了电路交换信道利用率低和不适于突发业务的问题。

吸取了电路交换低时延的优点，摒弃了电路交换信道利用率低的缺点。

   对于分组交换，它采用固定分组方式，吸取了分组交换信息分组带来的传输灵活、信道利用率高的优点，摒弃了分组交换时延大、协议复杂的缺点。

2.1ATM协议栈

   ATM技术是支持多媒体通信的核心技术，它是为实现下一代的宽带ISDN（B-ISDN）而开发的，即后者采用ATM作为信令与话音、数据、视频等业务信息的传递模式。

下图即为B-ISDN协议参考模型。

图2.1B-ISDN协议参考模型

   该模型由三个平面和四层组成，三个面为用户面（UserPlane）、控制面（ControlPlane）和管理面（ManagementPlane），四个功能层是物理层、ATM层、ATM适配层AAL（ATMAdaptationLayer）和高层。

其中，U面和C面符合OSI基本参考模型。

   三个面的主要功能为：

∙用户面：

提供用户信息的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等。

采用分层结构，分为四层；

∙控制面：

提供呼叫和连接的控制功能，处理网络与终端间ATM呼叫和ATM连接的建立、保持与释放的信息。

也采用分层结构，分为四层；

∙管理面：

提供性能管理、故障管理及各个面间综合的网络管理协议，它又分为层管理和面管理。

    - 层管理：

监控各层的操作，提供网络资源和协议参数的管理，处理操作维护OAM信息流。

采用分层结构，将来面管理和层管理的功能可能会合并。

    - 面管理：

对系统整体和各个面间的信息进行综合管理，并对所有平面起协调作用。

面管理不分层。

   控制面和用户面只是高层和AAL层不同，而ATM层和物理层并不区分用户面和控制面，对这两个平面的处理是完全相同的。

   四层的主要功能为：

∙物理层：

传输比特信息，规定传输信息的物理媒体的种类、比特定时、传输帧结构及信元在传输帧内的位置。

∙ATM层：

只负责信元的传输，规定了信元复用传输方法、信头的生成/删除/校验及信元类型指示。

∙AAL层：

规定了多种协议以适配不同的高层业务，利用ATM层的信元传送能力来提供高层各种业务所需的功能。

AAL以上的协议全部由ATM终端处理。

∙高层：

根据不同业务特点完成高层功能。

2.2ATM物理层

   物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。

   为实现信元无差错传输，物理层从下至上被分为物理媒介子层（PM）和传输会聚子层（TC），由它们分别保证在光、电信号级和信元级上对信元的正确传送。

表3-1中列出了各子层的基本功能。

表2-1物理层的基本功能

物理层

传输会聚子层（TC）

·信头差错校正

·信元同步

·信元速率适配

·传输帧的生成

物理媒介子层（PM）

·比特定时

·物理媒体

   B-ISDN用户-网络接口UNI的基本传输速率为155.52Mbit/s或622.08Mbit/s，其传输媒介不采用平衡双绞线而使用高频特性良好的同轴电缆和光缆。

其中，楼宇内部的布线主要采用多模光纤，公用网的接口则多采用单模光纤。

2.3ATM层

   ATM层在物理层之上，利用物理层提供的服务，与对等层间进行以信元为信息单位的通信。

同时为AAL层提供服务。

ATM层与物理媒介的类型以及物理层具体传送的业务类型也是无关的，ATM层只识别和处理信头。

   如上，ATM层提供与业务类型无关的、统一的信元传送功能。

即网络只提供到ATM层为止的功能，流控、差错控制等与业务有关的功能均交给终端系统的高层去完成，从而尽量缩短网内处理时间，实现高速通信（见图2.2所示）。

图2.2B-ISDN传输层协议

   参照上图，ATM的基本处理过程如下：

   高层的语音、视频、数据、图像等业务先送到ATM适配层，用AAL协议（如AAL5适配），即用AAL的帧格式来封装上层数据，然后分割成48字节长的ATM业务数据单元。

ATM业务数据单元被送到ATM层，在此加上5字节的信元头，信元头中要标识出VPI和VCI（VPI和VCI在连接建立时已分配好）。

ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层。

在物理层将ATM信元封装到传输帧中，然后经物理接口送出。

   ATM层功能可以分为三大类：

信元复用/解复用，有关信头的操作和一般流量控制功能。

   信元复用/解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交由控制面处理，若为OAM等管理信元则交由管理面处理。

   信头操作在用户终端为填写VPI/VCI和PT，在网络节点中为VPI/VCI翻译。

用户信息的VPI/VCI值在连接建立时可由主叫方设置，并经过信令的SETUP消息通知网络节点，由网络节点认可，也要由网络侧分配。

   一般流量