网络同步传输技术（共7篇）
网络同步传输技术 篇1
1 引言
信息网络的宽带接入成为网络技术发展的一个重要课题，有线电视(CATV)拥有丰富的带宽资源，并以其频带宽的特点被世界各国专家公认为“信息高速公路的最后一公里”的优秀解决方案，具有巨大的产业开发价值，如何充分利用CATV的宽带和交互资源，构筑基于CATV的Internet宽带信息网是现在的研究热点。传统的CATV传输的电视信号是广播式的，而数据传输强调的是双向交互，即用户在接收信息的同时，还需回传上行信息[1]。CATV网已从最初由同轴电缆组成的模拟电视分配网发展成为现在的光纤同轴混合(HFC)网。要实现基于HFC (Hybrid Fiber Coax)的CATV网络的双向通信，关键技术在于上行信道上。对CATV网络上行数据传输技术进行研究，实现可靠的数据传输，为数字广播电视交互式业务的扩展提供了技术保障，使用户能够通过有线电视网络可靠地传输IP通信量，使用视频点播、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等在上行通道中开展的CATV扩展业务和增值业务。本文将对CATV-HFC上行信道突发数据传输技术进行研究。
2 HFC网络概况
HFC网络是在传统的同轴电缆CATV网络基础上发展起来的，而CATV网络是美国从40年代末创建共用天线系统以后逐步发展起来的[2]。在CATV系统发展的早期，人们就开始考虑该网络的综合利用问题。采用双向传输技术，在CATV网络中进行计算机联网是考虑较多的例子。对于一个较大的CATV系统，尽管从原理上讲，在一个全同轴电缆网络中进行双向通信是可能的，但是上行信道(从用户到前端)存在的噪声漏斗效应使得这种方法实际上是不可行的。因此，有线电视在相当长的一段时间内几乎没有什么的突破性发展。1989年左右，高度线性的分布反馈(DFB)激光器的研制成功，使低成本的AM-VSB(幅度-残留边带调制)多频道电视光纤传输系统进入实用化阶段，从此，有线电视进入一个新的发展阶段。传统的CATV系统的干线同轴电缆逐渐被光纤取代，形成了HFC网络结构，如图1所示。
HFC网络不仅使电视传输质量有了很大的改善，网络的可靠性和稳定性有了明显的提高，更主要的是形成了一个双向通信能力极大提高了的系统基础结构，具备了导入语音和数据通信业务的基础，使上行信道具备了相应的通信能力[3]。HFC系统除了能提供数量更多、质量更好的传统电视节目外，还有足够的系统资源来提供各种新型的交互式视频娱乐业和双向话音数据通信业务。HFC网络结构的出现不仅带来了更高的网络可靠性和更好的图象质量，更为重要的是，通过减少光电节点的服务区大小，使有线电视网络具备了良好的上行通信可能性，是目前较为经济的宽带接入综合业务网平台。
用HFC这种网络结构建立宽带网的原因有很多方面。因为它既是电话网络结构，也是CATV网络结构，它能使电话和CATV两方面都充分运用该网络。HFC支持全部现存的和发展的窄带和宽带业务，可成为所谓的全业务宽带网络，而且HFC可以简单地过渡到FTTH网络，为光纤用户环路的建设提供了一种渐进的手段。双向HFC网的传输通道，按频率可划分为上行通道和下行通道，在下行通道中，传输传统的电视节目，在上行通道中则可以开展其它扩展业务和增值业务，如视频点播、远程教育、图文电视、数据通信、计算机通信等。此外HFC网络还有以下优点：HFC网具有很好的数模兼容性;HFC网能满足平滑过渡到全数字化、全光纤的远期需求;HFC网络的技术方案可以根据市场的需求分期分批地扩容和升级，还可以边建设边扩容;HFC综合信息网带宽可达1GHz，比其它宽带接入优势明显。
3 HFC网络的上行信道
3.1 HFC网络的上行多址接入信道
根据IEEE 802.14协议和DOCSIS协议，HFC网络同轴电缆域的频率配置如图2所示。同轴电缆总的频率带宽可达1 GHz，其中5～42 MHz频带用于传输多用户上行接入信号，50～860 MHz频带用于传输下行信号，包括模拟电视、数字电视及其下行语音和数据信息，860 MHz以上频带可用于将来业务拓展。
HFC网络的上行信道和下行信道是非对称的。从前端到用户端的下行信道是一对多的广播信道。下行信道条件好，一般采用频带利用率高的64QAM/256QAM调制和时分复用(Time Division Multiplex)方式传输信息，在6 MHz或8 MHz带宽内，可取得30～40 Mbit/s的数据传输速率。从用户端到前端的上行信道是多对一的多址接入信道，上行信道存在许多噪声、干扰、失真及其特有的噪声漏斗效应，通信环境非常恶劣，需要采用QPSK等抗噪声干扰性能较好的调制方式。相应地，上行信道的数据传输速率较低[5]。同时，由于连接于同一同轴电缆的所有用户共享上行信道资源，需要采用一定的多址接入方式和MAC协议来解决用户之间的有效接入，因此决定HFC网络性能的不是下行信道的性能，而是上行多址接入信道的性能。对于同轴电缆上行信道，可以采用的多址接入方式有FDMA(频分多址)，TDMA(时分多址)和CDMA(码分多址)。
3.2 HFC网络上行信道数据突发模式传输
多址接入信道的拓扑一般是点 (中心控制前端，HUB) 对多点 (用户终端) 的结构。多址接入信道的资源由所有用户共享，需要采用突发模式 (Burst Mode) 传输技术来支持随机多址接入。在多址接入信道上，采用突发模式传输技术和普通的连续模式 (Continuous Mode) 传送技术相比，前者支持包通信模式工作，因此可以获得更大的系统容量并且可以更有效地支持突发数据源的可变比特率业务。突发接收机对突发同步算法的性能有非常苛刻的要求，原因在于：一方面，与普通的连续模式传输系统不同，多址接入信道控制前端接收的相连突发数据包一般来自不同的用户终端站点，这些数据包无论是信号电平还是噪声特性都各不相同，解调前一个数据包所得到的同步信息不能为解调下一个数据包所利用，因此对每一个接收的数据包，接收机都需要重新估计同步参数。另一方面，接收机解调一个突发数据包可获得的时间是非常短的，如果不能在尽可能短的时间内有效地捕获同步参数，接收机将丢失整个数据包，这对相应的同步算法提出了很高的要求。
为了帮助接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参数，一般的处理方法是在发送的数据包前插入一个特定图案的报头，接收端以报头作为数据来先后进行载波恢复和位时钟恢复。一直以来，人们对载波和位时钟恢复算法的研究工作主要集中于经典的以锁相环路PLL为基础的递归反馈式结构。由于锁相环路存在hang-up，同步捕获和保持性能对环路带宽的要求相互矛盾等问题几乎是无法克服的。因此，这些基于PLL的同步参数恢复算法往往需要数百个符号的报头才能获得理想的性能。而突发数据包的长度一般只有几十到上千个符号。这种沉重的报头开销大大降低了信道传输效率，造成吞吐量、时延等多址接入性能下降。这种状况直到全数字接收技术的出现才得到根本改变。全数字接收机解调用的本地参考载波和采样时钟都振荡于固定的频率，不需要将信号反馈到模拟部分进行反馈控制，因此接收机对信号的响应时间大大加快，能更快地获得同步。
4 HFC上行信道突发数据传输技术研究
在HFC网络交互系统中，前端的CMTS面对众多的CABLE MODEM，在MAC控制下，下行传输多为稳定信息，即下行信道属于媒介共享。而CM上行的任何操作亦受控于CMTS，即CM采用突发的数据传送模式。为了快速有效地解调CM的突发信息，HFC网络支持带有报头的数据包业务。报头部分的码字及长度在CATV网络传输的头端是可以编程的，不同特性的报头检测算法也不同。
为了提高多址接入信道的性能，在多址接入信道上，往往需要实现两级同步：网络同步和突发同步[5]。网络同步是要求各用户发送的突发信号在多址接入信道中心控制前端突发接收机的输出处保持同步。网络同步操作可以减少时隙间的保护时间，从而提高时隙信道的传送效率。突发同步是指系统在取得网络同步后，突发接收机将在一个个时隙窗口内接收突发数据包，如图3所示。由于信号传输时延以及发射机和接收机时钟频率漂移变化等因素，到达接收机的突发数据包在时隙窗口内的位置是不确定的。因此需要对突发数据包进行有效解调并确定其在时隙窗口内的具体位置也即突发同步。突发同步主要包括载波同步、位时钟同步和数据包3个过程。
因此，快速、有效地进行同步参数恢复是突发同步的关键因素。为帮助接收机更快地捕获载波、位时钟等同步参数，一般的处理方法是在发送数据包前插入一个特定图案的报头，接收端以它作为辅助数据来先后进行载波恢复和位定时恢复。当然也可以采用联合载波恢复和时钟恢复技术，此时的报头中的CR和BTR子串不进行严格区分。然而，对仅含数十到上百个符号的突发数据包，这种报头开销是不合理的，它将大大降低信道的传送效率。此时，往往采用无报头突发模式数据传送系统。由于不存在作为辅助数据的报头，无报头突发接收机一般先需要存储整个突发数据包，然后进行载波恢复、位时钟恢复等同步工作。因此接收机的复杂度与数据包长度密切相关，并且整个突发同步过程会引入较大的处理延时 (1～2个时隙左右) ，但此时信道传送效率得到提高。无报头的突发模式传送系统一般适合于突发数据包应用场合，其已在卫星系统中得到应用。
5 结束语
在HFC-CATV网络的多用户接入信道上，需要采用突发模式传送技术来支持随机多址接入。为提高多址接入性能，在多址接入信道上，往往需要实现两级同步，也即网络同步和突发同步。本文给出了突发同步问题的解决思路，为下一步的具体工程实现提供了方向。
参考文献
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网络同步传输技术 篇2
近年来，随着电力系统信息通信灾备中心的不断扩大，光通信技术在电力数据传输网中的应用得到了迅速发展。随着通信网络业务的IP(网际协议)化，网络业务颗粒度也逐渐加大，相继出现了GE(千兆以太网)、10GE甚至是100GE的大颗粒网络业务，以语音为主的SDH(同步数字体系)网络作为骨干网络已经无法承载大颗粒度、高速率的复杂业务。因此，以OTN(光传送网)+PTN(分组传送网)技术为基础的光通信网络应运而生。在OTN中，ODUk(光信道数据单元)的交叉颗粒比SDH的VC4(虚拟容器)颗粒度大，弥补了SDH和传统波分复用设备在传送体制上的空缺[1]。
1 光传输同步模式分析
OTN设备可以通过PTP(精确时钟同步协议)同步、物理层同步和同步透传3种方式进行同步信号传输。在实现同步以太网功能的基础之上，利用IEEE 1588v2标准通过带内开销或者OSC(光监控通道)方式传输PTP同步报文，实现OTN及下层的PTN端到端的频率同步和时间同步。
目前全国区域内的电力数据通信网由骨干网、汇聚网和接入网组成。OTN设备将逐步在骨干网和汇聚网上替代SDH设备，同时在接入层上部署PTN设备，为调度、继保和测控业务提供接入和汇聚数据，形成大容量骨干传输网，形成省级汇聚点、省级第2汇聚点、市级汇聚点和地县接入点。
根据OTN中信号同步的要求，需要增加相应的时钟处理单板，通过时钟板和线路板的传送单元实现打时间戳的功能[2]，与现存的SDH网络完成同步，在全网设备更新、网络充足之后再实现OTN+PTN的全网同步。
OTN设备内部时钟传送如图1所示。进行GE传输时，支路板接收到封装了GE业务和时钟的ODU1信息帧，信号接入到GE业务端口，通过GMP(通用映射规程)将1.25Gbit/s速率的数据流封装到ODU0，对应的ODU1进入支路板的PTP端口。
RTC Time(实时时间)和提取恢复的时间戳信息可以通过XCS(交叉板)分发到各个业务板，再通过ESC(带内监控)和OSC方式[3]，经合波光放传输到远端。在接收端，时钟信息在业务板上直接上报时钟板，对GMP帧缓冲跟踪恢复出GE线路时钟。
2 组网模型及同步技术分析
在电力通信网中构建OTN+PTN组网模型，设置OC(中间时钟)-BC(边界时钟)进行频率、时间同步，OTN设备相当于时钟中继器，既可以恢复时钟信号，也可以作为基准时钟源向下游节点传递时钟信号。
BC节点具有逐级跟踪的特点，当外部设备与同步网的边缘节点通过带内PTP方式进行同步时，骨干网和接入网业务侧的网络界限清晰，有利于故障的定位。OC节点用于首末端节点，OC大多处于PTN接入层。在接入层中，通过1PPS+TOD(秒脉冲+天时间)接口从GPS接收时钟信息，PTN通过IEEE 1588v2标准将时钟信息分发到其他网元，再通过以太网接口或其他接口到达变电站设备，从而实现各变电站之间的时钟同步。变电站侧需要支持IEEE 1588v2标准或者支持时钟接口，如不支持，PTN需要工作在BC方式，既可以恢复时钟，又可以作为时钟源向下层传递时钟信号，同时对时钟报文做出延时修正，消除网络波动的影响。整体的组网拓扑结构如图2所示。
在同步系统网络中，位于骨干层的OTN设备与接入层的PTN之间采用GE/1PPS+TOD等以太接口，在OTN设备和基准时钟之间采用2M/1PPS+TOD的外时钟接口，用以引入稳定的同步时钟源。在网络中设置两台高精度时钟源，增强时间源的冗余备份能力。同时，在网络中的每个节点设备上连接两条不同时钟跟踪链路，当发生保护倒换和环路断纤时，能够确保同步信号的有效传输[4]。
OC和BC均支持IEEE 1588v2标准。主时钟和从时钟可内置于电力公司机房中，也可以单独设置。现有的网络已经形成了多路径拓扑结构，为了保证下层网络不会成为上层网络的时间基准，在网络中引入优先级限制来设定网络的时间等级，避免复杂网络产生路径环回现象。
在网络中，相对于物理层频率同步和透传同步来说，PTP频率同步组网模式灵活，支持BMC(最佳时钟算法)，可以实现对于时钟源的智能选择，在无法获取主时钟源时，还可以从网络中直接获取BITS源中的标准时钟信号来完成网络同步。
3 同步功能测试
在组网模型的基础上，我们对系统的同步功能进行了相应的测试。我们选取位于华北分部的主时钟和位于下层接入点的一个变电站的继保设备作为测试点。同步网络的实验环境主要包含以下3个部分：时钟的同步源(主从时钟互备)、光传输网络(OTN+PTN)和电力继电保护装置。测试流程如图3所示。
系统测试采用PPS信号对比的方式，将主时钟输出的1PPS信号和接入网终端的继保设备的1PPS进行对比[5]。通过时间间隔计数器接收两路信号，对比两组信号上升沿之间的差值，计算出每个PPS的时间间隔值。通过数据采集软件导入计算机，利用MATLAB软件进行数据处理。
本系统通过从时钟实现电力保护设备的频率锁定，测试的同步间隔为2s，时钟采用高精准铷原子钟。在上述测试条件下连续测试2h，得到同步精度平均值为63.391 2ns，标准差为4.618 7ns，测试结果如图4所示。从实验结果看出，通过该标准可以达到亚微秒级的同步精度，并且有可能达到更高的精度，解决了通用以太网延迟时间长和同步能力差的“瓶颈”问题。
在实际传输过程中，传输路径变换是时常出现的，因此，路由改变时，对于同步信号的跟踪接收时间偏差是重要的性能指标。通过网管和人工拔纤对网络实现路径变换，在倒换过程中测量网络末端设备时间输出的精度(1PPS)，切换主备路由，图5所示为传输路径倒换时示波器的测试波形。
从路由倒换情况下同步信号输出结果来看，同步信号抖动范围为±105ns，满足电力业务微秒级的要求。为消除变电站侧和时钟源之间存在的210ns固定相差，通常要求在变电站内光传输设备开通前对设备性能进行相应的改进，以消除固定相变带来的影响。
4 结束语
本文探讨了基于OTN+PTN组网模式的同步系统，对光传输模式和OTN设备同步技术进行了研究分析，并进行了组网测试，测得的同步精度值满足实际网络应用中的同步要求。但随着大规模OTN设备的部署，网络结构将变得日益复杂，同步网络中存在的问题还很多，还需要进一步的研究。
摘要：随着电力系统信息通信灾备中心的建立,电力业务对时钟同步提出了更高的要求,时钟同步网对于电力通信网络起着至关重要的支撑作用。文章说明了未来OTN(光传送网)设备在电力通信网中大规模部署逐步替代SDH(同步数字体系)网络之后,OTN支持时钟同步传递的必要性。在进行同步技术分析的基础上,提出了基于OTN+PTN(分组传送网)的统一同步网络组网模型,并进行了相应的系统测试,测试结果表明,OTN+PTN组网模型能够满足电力业务的同步需求。
关键词：同步网络,IEEE 1588标准,光传送网
参考文献
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网络同步传输技术 篇3
所谓同步是指收发双方在时间上步调一致, 故又称定时。在数字通信中, 同步按照功能可以分为载波同步、位同步、帧同步和网同步。同步性能的好坏直接影响着通信系统 (存在起始相位偏差、Doppler频偏、采样偏差等) 的性能。如果出现同步误差或失去同步, 就会导致通信系统性能下降或通信中断。因此, 同步系统应具有更高的可靠性和更好的质量指标, 如相位抖动、同步建立的时间长短。位同步就是在接收端的系带信号中提取码元定时的过程。在无人机下行数据链图像传输系统中, 由于发射端的和接收端晶振不同, 采样率难以一致, 存在偏差, 所以要使用位同步单元来跟踪正确解调所需的最佳采样点的位置。位同步技术是全数字接收机中最关键的技术之一。
1位同步技术
在本工程所涉及的全数字接收机中, 接收到的信号经过混频、数字下变频以后, 经过信号能量到达检测, 可以确定图像信息的到达与否并得到起始最佳采样点, 这时信号将传送至位同步单元, 可得到后续符号的最佳采样位置。本文采用Farrow内插滤波器、Gardner算法 (用数控振荡器NCO实现定时控制器) 、Ted定时误差检测算法来实现无人机图传系统的位同步[3]。具体结构框图如图1所示。下面还将简单介绍一下内插滤波、误差检测环路的各部分。
1.1Farrow内插滤波
先从模拟推导数字, 假设滤波器输入为x (t) , 经过采样得到x (mTs) , 然后经过内插滤波器。设内插滤波器的冲击响应的连续形式为hI (t) 。输出为:
undefined。 (1)
经过重采样:
undefined。 (2)
再对序号进行重新排序[5], 进行以下定义:
i=int (kTi/Ts) -m; mk=int (kTi/Ts) ;
μk=kTi/Ts-mk。
式中, μk (小数插值点间隔) 为插值相位, 满足μk∈[0, 1) ;mk为插值基点, 重新采样后输出的采样点为 (mk+uk) Ti。
采用基于Lagrange多项式的内插方法, 即滤波器可以写成系数为μk的多项式:
undefined。 (3)
将式 (3) 带入式 (2) 可得:
undefined。 (4)
通常性能比较好的多项式内插有立方内插和四项分段拟合内插。又因为四项拟合内插系数可取0.5, 比较容易实现。bm (i) 的选取请参考文献[5] 完成内插要计算出正确的内差值基点mk和小数差值间隔μk, 这2个数是由插值控制器决定。
1.2Ted定时误差检测算法
Ted定时误差估计算法是1986年F.M.Gardner提出的一种不需要先进行载波同步的定时误差估计算法。在QPSK调制的系统中, 重采样后一个符号用2个抽样点表示, 定时误差的计算方法为:
ted (k) =I (mk-1) *[I (mk) -I (mk-2) ]+
Q (mk-1) *[Q (mk) -Q (mk-2) ] 。 (9)
1.3环路滤波器
环路滤波器采用有源比例积分滤波器, 其离散域的形式为:
undefined。 (10)
滤波器等效噪声带宽 (与K1、K2有关) 的选取对同步性能的好坏、速度的快慢有一定影响, 有以下结论:环路的捕获带宽和环路等效噪声带宽成正比, 而环路锁定时间与等效噪声带宽成反比, 与频偏成正比。环路跟踪误差与等效噪声带宽成正比。所以环路噪声带宽的设定很重要, 一般需要考虑上面两方面的需要。Matlab仿真时我取等效噪声带宽为0.01 fc (符号速率) 左右, 环路增益取为1。
1.4内插控制器
从硬件实现的角度来描述, 该模块主要有累加器 (NCO) 和一个控制信号 (高电平时置η (m) 为初值1) 。w (m) (负数) 为步进控制, 累加器输出为η (m) , η (m+1) =η (m) - w (m) 。η (m+1) <0时则把控制信号置为高电平1, 就表示NCO溢出。NCO每溢出一次, 表示当前滤波器要计算一次内插, 这就是找出插值基点mk的过程。
根据NCO寄存器值的变化[3], 可解出μk得:
undefined。 (11)
2Matlab仿真验证
为仿真验证搭建的系统结构框图如图2所示 (调制方式为Pi/4-QPSK) , 接收端输入信号的比特率为16 M。4 Mbps/s图像信号 (信道编码以后) 经串并转换、相位映射、内插、匹配滤波 (成型滤波器) 、混频以后发射出去, 信号经仿真模拟信道传至接收端。在接收端, 信号经混频滤波 (提取系带信号) 、位同步、载波同步、逆映射 (对应相位映射且消除Pi/2相位模糊) 、并串转换, 输出送至解码 (解信道编码) 模块。
本次仿真与分析采用的基本思想是:在Doppler频偏为15 k时, 使载波同步模块 (Costas锁相环路) 处于同步锁定状态。分析在加采样偏差时, Costas锁相环路的输入信号、输出信号的星座图, 以及环路锁定情况 (相位抖动) , 并根据结果分析该位定时单元性能的优劣。
① 图3 (a) , 在Doppler频偏15 k, 10 ppm的采样偏差时, 锁相环环路锁定情况;
② 图3 (b) , 在Doppler频偏15 k, 10 ppm的采样偏差, Eb/N0=5时, 锁相环环路锁定情况;
③ 图4 (a) , 在Doppler频偏0 k, 10 ppm的采样偏差, 锁相环输入信号星座图;
④ 图4 (b) , 在Doppler频偏15 k, 10 ppm的采样偏差, 锁相环输出信号的星座。
3结束语
经过仿真分析可以得出, 在没有位同步跟踪环路时, 系统由于存在定时偏差, 导致环路的抖动偏差逐渐加剧, 误差很大;在加入位同步跟踪环路以后, 锁相环环路的相位抖动明显降低, 误差较小, 并且在加高斯白噪声的情况下环路锁定也比较好。因此该方法可以满足无人机图像传输系统设计的要求, 便于硬件实现。
参考文献
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高带宽传输网络搭建技术研究 篇4
搭建系统网络的关键在于建设可靠的互动前端平台, 这主要是因为互动前端平台的编码格式、传输模式和节目内容与双向网络建设的通道容量密不可分。笔者以我国广东珠江某数码集团建设的互动电视平台-Mediaroom为例进行了互动前端平台的详细建设过程。该集团根据自身的实际发展情况开发了一系列的集成业务, 并通过IP网络将这些集成业务以交互式数字电视服务的模式提供给用户。这些业务主要包含以下几种:第一, 回看;第二, 时移;第三, 点播。该集团将这些数据通过城域网传送至不同的分前端, 再按照各用户的不同需求通过本地的CMTS分发至各用户的机顶盒。至今, 该互动前端平台已为用户提供了如下服务:第一, 标清直播频道90套的直播;第二, 高清直播频道19套直播;第三, 72小时频道回看;第四, 45套的节目4小时时移。该平台的节目内容的基本参数如下:第一, 高清节目带宽为9M;第二, 编码格式为H.264;第三, 标清节目带宽为4M。而在该互动前端平台中, 直播节目则采用了全新的组播模式, 并采用先进的DOCISIS 3.0技术对区域进行全覆。该平台在全网采用了CMTS对全网节目进行分发, 并通过配置16个直播专用频点将广播分发至全网的所有用户。
2 用户行为分析
众所周知, 互动电视的出现给用户提供了诸如回看和点播等在内的丰富多彩的交互性便利功能, 从而改变了单向视频服务的传统传输模式, 这是传输网络发展质的飞跃。而这些交互性功能在双向数字网络的传输过程中均单独占用一定的网路资源, 这种用户的行为直接关系到网路的建设过程。笔者通过调查各不同层次的用户的户均占用带宽、开机并发率和用户开机率等关键性的基础数据, 得出了如下基本结论:第一, 大多数用户习惯在晚上八点至十点之间开机, 星期天晚上为收视高峰时段, 每周平均开机率接近60%, 单季度的开机峰值接近70%, 因此, 笔者建议选择70%的开机率作为设计模型的基本参数。第二, 开机并发率在一定程度上显示了在线用户的点播节目占用带宽的几率, 如单周峰值接近11%, 而在免费试看的推广时段内, 该数据一度攀升至30%, 因此, 笔者建议选择15%的开机并发率作为设计模型的基本参数。第三, 户均带宽在一定程度上显示了全网点播标清或高清节目的带宽平均值, 而当前我国高清内容视频点播的数量在逐年增加, 因此, 笔者建议选择户均带宽5M作为设计模型的基本参数。
3 基于DOCSIS技术的解决方案
众所周知, 同轴电缆仍然是当前我国有限网路电视的信号传输的主要承载体。而DOCSIS技术是当前发同轴网络资源的主流技术选择。当前, DOCSIS 3.0技术的主要创新点在于扩充了数据传输带宽, 并通过采用上下行多信道捆绑技术, 具备了与FTTH技术直接竞争的带宽优势。笔者认为, 对于已经部署的CMTS的网络, 可通过如下三种方式对网路进行优化。第一, 尽可能的使发射机所带光站的数量降低。已有经验表明, 前端设备的固定资产的折旧期为10年, 因而原有的CMTS的资产保值和设备性能均有较大价值。而可以通过减少单位频点覆盖的双向用户数来降低CMTS密度。主要的解决方案如下:首先, 将前端单台光发射机所带光机数量由1:1调整为1:1;其次, 降低原单位光机覆盖的用户数量, 将原光站分配网络进行分割改造, 这种方案的成本和周期均不甚理想。第二, 使互动双业务和宽带共享CMTS。为了保证业务的可持续发展, 该数码集团在早期网路建设过程中奖互动双业务和宽带分别部署在不同的CMTS上, 而伴随着用户数量和习惯的不断改变, 出现了CMTS上的互动双业务的下行带宽资源和宽带业务的上行带宽资源均不足的现象。因此, 为使频点资源利用率进一步提高, 并使单一终端进行发放的市场基本要求得到满足, 该数码集团对全网的CMTS进行了融合改造, 具体的改造流程如下:首先, 尽力外传CMTS的双向业务融合系统的配置;其次, 逐步改造前端射频分配网络;最后, 对单台CMTS进行割接。第三, 使原有光发射机分配CMTS频点得到增加。众所周知, 传统的广电网络结构中, 单个光发射最多可覆盖4个光站。虽然不同光站的覆盖用户数量有所不同, 但该数码集团的多数光站仍然按照400户进行了规划改造。在此网路环境内, 一个光发射机覆盖用户可提高至最少1600户, 而在互动业务基础上, 分配CMTS的下行频点可提高至2个, 最多可支持200Mbps的下行流量, 而在支持互动业务40户进行同时点播, 对满足互动业务的务400户报装, 因此, 使得互动报装率降至25%。而在区域内双向业务发展较好的小区, 报装率高至30%。在此背景下, 增加CMTS的下行频点资源是进行快速扩容的有效措施。利用目前现有机房CMTS机框, 快速更换高密度板块进行改造升级, 可使单一物理口对应频点升至32个, 鉴于频率资源有限, 一般能使用到12个下行频点, 可使得互动报装率提升至75%。
4 结论
综上所述, 当前我国政府正在大力推进三网融合, 在此背景下, 建设双向传输网络通道已成为我国宽带业务发展的基础。将市场规律和我国网路现状结合起来, 将DOCSIS技术覆盖至我国双向网路业务发展较薄弱的地区。而在我国双向网路业务发展较好的地区, 用光传输和C-DOCSIS技术来不断提升宽带质量。
参考文献
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HFC网络双向传输关键技术分析 篇5
随着“三网”融合的进程加快, 电信、广电业务逐步相互进入。广电网络在传统的视频业务, 下行传输占优势, 电信运营商则在互联网接入具有起步早、技术成熟、用户广的优势, 广电网络在互联网接入起步迟, 明显处于弱势, 但广电网络的HFC网, 电轴电缆入户也具有基础好, 用户广、带宽宽的优势, HFC网资源用的好, 广电互联网业务发展会大大加快, 然而, HFC网是树形结构, 双向传输, 实现共享通信时, 会产生澡声汇聚, 即漏斗效应, 出现冲突, 极大影响上行传输的效率, 怎样有效解决冲突, 本文将MAC层协议 (多址接入技术) 引用到HFC网络双向传输中, 可有效克服漏斗效应产生的冲突, 可以充分发挥HFC网的优势。本文就HFC网双向传输中的多址接入技术的引用进行分析和探讨。
2 多址接入技术接入模式、时隙同步以及解决冲突的基本原理
2.1 多址接入技术
电信互联网应用较多以太网就是一种比较具有代表性的共享信通。利用同一个信道将不同用户进行连接, 不同为用户设置单独连接, 可以实现网络建设成本的有效控制。但需要避免不同用户在同一时间占用公用信道所导致的干扰问题。
多点线路中, 公用系电脑共享主要是由主机进行集中控制;总线网及环线网中, 全部用户连接是平等的, 选则分散式信道共享控制方式, 需要设计多址接入协议, 作为用户通信的依据。多点线路、总线网及环线网详见下图所示。
受控接入及随机接入是多址接入协议的两种主要类型, 其中, 受控接入协议中, 所有用户必须按照一定的规则与信道建立连接, 主要涉及集中式及分散式两种控制方式。
多点线路轮询是集中控制的一种, 主机依顺序对用户是否需要重送信息进行询问, 如果用户有需要重送的信息, 则及时向主机发送刚被询问的用户;如果没有, 随即对下一站进行询问。令牌环形网是分散式控制的一种, 令牌是存在于环路中的一个特殊帧。站点要想进行信息发送操作, 必须先得到令牌。在发送信息之后, 将令牌向下一站进行传输。
全部用户可以自由进行信息发送时随即接入的显著特征。如果总线中有两个以上的用户在同一时间进行信息发送, 就会导致帧冲突, 这样用户无法成功发送信息。从本质上讲, 随即接入就是竞争接入, 只有获胜才能得到总线, 完成信息发送。
多址接入并非一个新的研究课题, 然而由于HFC网络在结构方面具有一定特殊性, 从而使得HFC网络MAC层协议的设计依然是摆在眼前的一大重要课题。HFC网络与以太网相比较而言, 其特点主要体现为:
(1) 在拓扑结构方面主要是点对多点以及多点对点, 其中, 点对多点的树状分支结构主要存在于下行信道;多点对点的总线接入结构则主要存在于上行信道。
(2) 上行及下行信道带宽不一致, 上行信道带宽小于下行信道带宽。
(3) 主要的用户集中于距离前端最远的一公里范围内, 分布呈现出不均匀特点。
(4) 网络时延大, 最高为400~800us。
对于不同用户而言, 即使是所在频率点不一致, 只要与HFC网络连接, 均可以顺利实现收发。下行信道传输频率通常不低于80MHz;上行信道传输频率为5~65MHz。鉴于收发频率的区别, 用户站点无法对别的用户上行信道的发送状态进行监听, 同时也无法检测冲突及自行完成彼此间的协调工作, 所以, 有必要设计媒体访问控制协议, 以便位于相同网络分支的不同用户可以实现对上行信道的共享。HFC网络MAC层协议所需解决的问题主要有确定上行信道接入模式、时隙同步及功率控制, 还有就是解决彼此间冲突问题。
2.2 接入模式
(1) 随机接入。随即接入是一种难度最低的上行信道接入方式, 关于随机接入的研究已经较为透彻, 并得出纯随机接入最大吞吐量为0.184。实现全部站点时间的同步性, 同时对时间进行时隙划分, 规定, 不管什么时候产生的帧, 只能在时隙开始时才可以成功发送, 此种纯随机接入系统称作时隙随机接入, 有助于促进随机接入系统吞吐量的进一步提升。
下图是两个站点时隙随机接入工作原理示意图。
上图中, 指向上的箭头表示帧的到达。假定在一个时隙内可以完成所有帧的发送。从上述示意图不难得出, 每个帧达到之后, 通常都需要先留在缓冲区中一会才能被发送。如果有两个或更多帧达到一个时隙, 就会在下一个时隙出现冲突, 必须对双方进行重新发送。为实现对重发冲突发生率的有效控制, 所有站点需等待一段随机时间后在重新发送。
(2) 预约接入。相比较于时隙随机接入, 预约接入的性能稍逊一筹。原因在于, 在竞争时隙空闲出现冲突的情况下, 获胜的站如果并非该时隙站的拥有者, 需先对该时隙站的拥有者是否存在需要发送的数据进行查看, 这样在下一个复用帧的时隙停止发送。
在HFC网络中, 上行信道与下行信道之间是互相独立的, 在速度方面, 下行信道明显快于上行信道;并且网络中全部用户站点都受控于一个中心端。下行信道会定时对信息进行广播, 以确保全网同步, 全部用户站点的预约请求会集中到中心端, 中心端结合当前网络实际状况实施分析, 在此基础之上对时隙进行分配, 并通过下行信道将分配结果告知全部站点, 以确保各个站点可以及时了解上行信道的分配状况, 在属于自己的时隙中完成数据发送操作。
(3) 同步接入, 该模式主要是想恒定比特率业务提供支持。用户在进行数据传输之前需先向前端发送连接请求, 前端收到请求后及时作出答复, 如果同意, 便持续向该用户分配时隙, 确保用户带宽需求得到切实满足, 同时将可用时隙的开始时间及具体长度通知该用户。如果用户已经建立起恒定比特率连接, 则无需再为该连接上的业务实施带宽请求, 可以向前端发送连接终止请求, 前端收到请求后及时停止分配。
2.3 时隙同步
同一树形网络中的不同用户站点和前端之间的距离并不一致, 网络传输时延明显, 命令由前端箱用户站点发送过程中以及用户站点向前端进行反馈的过程中均存在时延, 优于每个站点和前端之间的距离有所区别, 因此, 所有站点的往返时延也不尽一致。要在全网同步前提下进行TDMA时隙划分, 通常借助在下行通道对信息的定时广播完成, 站点时隙划分因不同站点往返时延的区别而有所不同。不同站点相邻的时隙帧在前端接受位置存在出现重叠的可能性, 会导致冲突现象。
2.4 冲突解决
一旦上行通道出现冲突, 相关方需要重新安排发送数据帧的时间, 冲突解决算法并非一个新的研究课题, 相关的算法也有很多种, 实践中应用较多的有分割子集的n元树形算法, CSMA/CD中的非坚持、p坚持以及t坚持三种算法, 此外还有截断的二进制指数退避算法。
截断二进制指数退避算法对退避时间做出规定, 退避时间的长度不应低于冲突时长。截断二进制指数退避算法属于自适应算法的范畴, 随着冲突出现次数的增加, 退避数随机范围指数也相应变大, 一方面, 在冲突站点数量不多的时候可以实现对接入时延的有小白控制, 另一方面, 如果冲突节点数量较多, 可以及时妥善解决冲突, 维持系统的稳定性。
在实践中应注意根据具体的应用场合选择相应的冲突解决算法, 在HFC网络MAC层协议中, 通常选择二进制指数退避算法, 在IEEE802.14中进行首次发送一般选择设置优先级或者先进先出策略。
3 结语
综上所述, HFC网络主要包括前端到用户的下行广播信道以及用户到前端的上行多址信道两大类信道。通过多址接入技术, 可以实现利用一个公共信道在数个用户之间建立联系, 从而为多个用户相互之间进行顺畅通信提供有力保障。在随机接入技术中, 比较具有代表性的是ALOHA, 由于HFC网络结构方面所存在的特殊性, 导致当前的多址接入协议的有效运行受到一定程度的影响。在HFC网络MAC协议设计过程中需要对上行接入模式、时隙同步以及冲突解决等三方面予以特殊关注。
随机接入、预约接入以及同步接入是三种比较具有代表性、同时也是实践中应用较多的三种接入模式, 其各自具有专属的业务类型, 通过适当延长保护时间, 或者利用提前量保护法可以将时隙同步问题予以有效解决, 其中, 提前量保护法优势在于其可以有效节约系统资源, 但也存在一定的不足, 主要是需要对用户站点和前端之间往返传输的时延进行测量。通过测距, 一方面可以对不同站点相互间往返传输时延进行测量, 另一方面还可以有效控制功率。
参考文献
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数字电视传输网络技术分析 篇6
(1) 数字电视的定义。数字电视正在逐步的进入全新的数字网络化。其数字电视主系统, 是通过电视节目的采集、编辑、制作、播出、传输、接受、显示等全过程实施数字化而实现的。最简单的解释可以说成上述的全过程是由“0、1”等数字共同组合转化而成的。数字电视不仅仅是传统意义上的电视, 而是从整个图像、数据、语音效果、清晰度等全方位的进行改善与提升的有效融合。它是利用了计算机、传输媒介、电子平台等三方面共同而成的。
(2) 数字电视的优势。1) 传送速度快:现在的数字电视的模拟信号占带宽为8MHz, 由于数字电视的应用, 这样的带宽数可以同时接受八套数字电视节目, 大大的提升了接收信号的频率。2) 高HD清晰画面:数字电视的整体性能具有高清晰度、占频效果好、抗干扰性能强、影音文件的接受率速度加快。3) 便携式的接收:由于现代的数字电视不仅具有高性能、高清晰的画面与音效, 更加完善的是其可移动接受信号, 便携程度逐步加强。4) 可与计算机相连接:新的数字电视接收主要是依靠着计算机网络服务与应用, 这样在链接计算机时, 可以整体的提升其使用性能, 还能够不断的根据需求进行升级、更新。 (5) 易于信号储存:新型的数字电视传输网络技术的应用, 很方便的实现了接收信号的储存, 致使接收不再受到储存的时间、信号等影响, 更加快速的易于多种业务的开设。
(3) 数字电视应用范围。1) 基本业务:数字电视现在的基本业务已经由以往的收看几十套电视节目等, 升级为能够观看数百套的数字电视节目, 并且还增加了相应的广播节目、时尚、旅游的那个节目。2) 扩展业务:数字电视新的扩展业务包含着加密、点播、电视会议等多方面的使用需求。而且, 新的扩展业务不仅是更加的完善了数字电视的娱乐性, 更加在功能上进行了补充, 例如远程遥控、医疗、接收邮件、监控等多项多媒体信息服务。
(4) 数字电视的弱点。我国的数字化电视网络传输还处在于发展中的阶段存在着一些弱点, 例如在进行接受的过程中会存在着误差、解析碼的错误、语音与图像不同步等现象。因此, 我们必须逐步的分析数字电视传输网络的技术分析, 力求能够逐步的完善我国数字电视网络服务效能。
2、数字电视网络支持与传输
(1) 数字电视传输网络。地面数字电视广播网络通过电视台指定的高点进行天线发射无线电波, 让已经被数字电视覆盖的电视用户, 通过接收数字化的信号及转化而实现收看电视节目。这种是数字电视传输的最基本的形式。由于现在的数字模拟信号对于电视的传输网络有时存在一定的不稳定性, 通过利用光纤为干、同轴电缆为支的树形光纤分布, 进一步的完善混合型数字电视传输网络技术的分析与使用。让其能够逐渐演的进化成为脱离地面电视系统而独立存在的数字电视传输网络, 并且拥有绝大多数的使用者。 (2) 数字电视的网络支持。数字电视的传输, 无论哪种形式都是按照实时的方式进行传播的, 其整体的宽带性质始终受于网络的支持, 经过数字化改造后的网络技术传播更加具有意义化的完善性, 其整体的传输效果被进一步的强化了。
3、数字电视传输的网络技术分析
依靠现代国际三大数字电视传输网络技术分析参照标准, 即美国的ATSC、欧洲的DVB和日本的ISDB, 而总结我国的自有数字电视传输网络技术。以此, 帮助我国逐步的完善与提升自主的数字电视传输网络技术。
(1) ATSC技术分析:ATSC数字电视传输网络技术标准在于经由层面的组成与层级的清晰度构成。第一层, 也可以说成是定像层, 主要是通过确定图像的形式。第二层, 整体的图像压缩层是采用了MPEG的模式进行压缩标准的。最后一层, 是经由传输层确定数据传输后调制而成的。对于地面的数字系统传输模式采用了较高的传输速率, 其速率值可达19.3Mbps。由最高的两层所确定的数据经由数字电视传输网络进行技术运行配置, 例如HDTV、SDTV等形式的具体图像都会被安正的接收与置换、播放。
(2) DVB技术分析:欧洲的DVB技术主要是经由卫星、数字电视、地面等进行交换传输形成的。其除能够接收、传送视频、音频等文件信号外, 还能够接收、传送IRD等节目, 或是字幕、图标、图像等信息。有些DVB业务的传送条件是受到限制的, 其如果想通过接收使用IRD就必须支付其相应的基本费用。这样, 就使得DVB业务的开展与完善既有弊端又有积极的一面。
(3) ISDB技术分析:近年来日本的数字电视传输网络技术的研究与发展, 正在不断的逼近美国与欧洲。其主体的数字电视传输技术正在利用网络逐步的趋近于无线技术, 不仅在数字电视传输方面具有新的起点, 在移动业务例如新一代的3G, 乃至4G业务都是超强的, 其整体的移动通信与宽带无线局域网已经开始领导市场, 成为主流文化。
(4) DMB-T的技术优势:我国的DMB-T网络技术具有超标准的比较, 能够较好的调整与完善我国的数字电视的接受与传导。其采用以FJL项为主要技术的同时, 整个数字电视传输网络领域正在逐步的转变成为多载波技术。地面的网络宽带的最大困难在于其频率的选择性逐步的进入衰落, OFDM技术在这方面则具有超独特的优势。然而, 为了能够在多径时拖延其信号的扩散避免乱码的干扰, DVB采用了循环前缀填充的O FDM保护间隔的措施。DMB-T则发明了基于PN序列扩频技术的高保护同步传输技术, 并用其填充OFDM保护间隔, 使数字电视传输的整体利用效率提高10%, 并有20d B以上同步保护增益。
4、结语
综上所述, 经过解析数字电视的概念, 让其明确数字电视的基本内涵。再通过分析数字电视网络支持与传输, 了解数字电视的基本情况。利用数字电视传输网络技术分析, 来对比美国、欧洲、日本与我国之间的数字电视传输技术的差异性。以此表明, 我国的整体数字电视传输网络技术正一步步的提升与完善并逐渐的趋于成熟化。相信在未来的整体数字电视传输网络技术研究中, 我国的数字电视传输能够更上一个新的高度完善其量的积累, 达到质的飞跃。
摘要：随着我国经济的不断发展与完善, 整体的科教文卫事业正在逐步的提升。针对于新兴的数字电视传输网络技术进行分析与研究, 力求在最大化的程度上普及与完善数字电视网络传输的技术应用与分析。通过新型的网络信号覆盖手段, 让我国的数字电视能够得到大力的推广与百姓的认可。
关键词：数字电视,传输,网络,技术
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铁路视频监控网络传输技术研究 篇7
在对整个网络架构的性能分析中, 重要的是对系统各部分组成的分解和制定相对一致的测试模型及方案。结合技术理论, 逐步深入对数据的分析, 重点对在网设备进行测试, 获取其工作性能数据的同时, 找出端到端测试数据所占比重。
目前大部分视频编码器、视频服务器直接连接至数据交换机, 只有部分编码器通过MSTP汇聚 (见图1) 。在交换机上直接对在网设备的网络工作性能进行检测。
设备工作正常时, 流量应保持在端口速率范围内, 且时延为网络传输最低值。在某高速铁路网络视频质量测试中, 对重要节点电路的流量和时延进行检测 (见图2, 图3) , 可清晰看出在20:30—7:00有长时间的流量, 且流量已十分饱和, 达到3条2 Mb/s的带宽容量。对应期间内时延水平明显上升, 从平均40 ms上升至100 ms。
数据网络设备作为电信级产品在正常流量情况下完全具有线速转发性能。随着流量达到端口满载速率且队列产生拥塞后, 时延水平呈明显上升趋势。通过这种监控手段, 可以迅速发现网络流量的变化, 同时直观清晰的看到流量给网络质量所带来的影响, 有助于迅速分析网络内部情况, 快速排除影响视频质量的问题。
2 MSTP承载视频带宽效率计算
高质量视频业务要求承载网提供充裕而有效的传输通道, 目前铁路视频系统组网环境中大量使用MSTP, 如图4所示, IEEE802.3以太网帧去除8 B前置字符和帧起始定界字符后, 映射入GFP帧中。可清晰计算出以太网帧协议开销字节数为26 B, EoS帧协议开销字节数将随负载头部的变化在30~90 B间变化。
由此可见, 当进行64 B, 128 B, 256 B, 512 B, 1 024 B, 1 280 B, 1 518 B帧长测试时, 协议开销字节数也占到整个帧长度的相当比例, 鉴于MSTP存在VC12级联的灵活性和设备厂家优化处理了级联间隙, 还不能简单通过除法计算出实际负载的有效利用率。因此, 验证测试中重点研究实际负载的效率问题, 考察固定带宽内实际可通过的视频流大小。
图5所示测试环境中, 在传输1和传输2间构建端到端100 Mb/s通道, 传输1和传输2的业务端口分别连接至SmartBits的Tx和Rx端口, 通过SmartBits测试无丢包满载带宽效率。测试结果完全反映出协议开销对效率的影响, 测试帧长只有64 B时, 效率只有72.66%;当帧长度达到1 518 B时, 效率提高至94.12%。带宽效率随帧大小呈明显递增趋势, 平均带宽效率达88.13%。但实际应用网络中数据包并不单一, 因此使用应用层测试仪发送TCP数据包, 通过TCP自动调整滑动窗口的机制测试出实际最大可用带宽。
图6所示测试环境中, MSTP继续提供透传模式的点对点电路, 2个测试终端分别连接传输2个业务端口。测试中首先以8 kB为TCP的滑动窗口大小, 此窗口大小根据TCP协议所侦测的传送质量逐步调整到最大带宽吞吐率。
以上两次数据取平均值后, 最大吞吐率为83 284.5 kb/s, 即带宽效率达到83.28%。可见, 应用层实际流量测试与标准帧传送性能有明显差别, 效率下降近5个百分点。
3 MSTP交换功能性能研究
在铁路传输环网和汇聚结构中, 传输所承载的业务更多的使用到MSTP的交换功能, 不同节点间经过交换功能相互连通, 形成贯通的局域网结构。在处理视频图像质量问题的故障排查中, 发现启用交换功能的传输链路质量较不稳定, 时延及抖动较大, 对视频传输造成一定影响。实际使用中单向视频传送要比视频会议对时延要求低的多, 但两者都对抖动指标有着较高的要求, 端到端抖动时延不能超过80 ms。
在整个端到端时延抖动中, 主要由设备转发抖动和传输链路抖动两部分组成。在各编/解码器、路由/交换设备负载较低情况下, 传输链路对抖动影响较大。考虑对现网流量的影响, 实验环境中重点监控检测MSTP的交换时延。如图7所示, 分别在3台传输设备上启用端口的汇聚和交换功能, 测试带宽为10 Mb/s, 分别采用SmartBits在D1和C3间进行测试, 用IT-Watching在D2和C4间进行测试。
根据传输交叉原理, 上述结构形成3个交换, 因此测试中的数据是以3个交换为单位的时延和抖动水平。RFC2544规定测试中, 时延最低7.3 ms, 最高38.7 ms, 平均时延达18.97 ms, 一级交换时延为6.3 ms。可见, 在条件较好的实验环境中单跳交换时延都达到了6.3 ms, 在运营环状网及受到复合数据流的影响, 端到端时延将更大。同时测试中显示了无丢包双向对冲流量的数据统计, 正向抖动为3.197 ms, 反向抖动为3.774 ms, 合计平均抖动为3.485 ms, 平均单跳抖动为1.16 ms。利用MSTP进行交换时有较大的时延和抖动现象, 还不能达到数据网交换机的转发性能, 应用于铁路通信网络时要特别注意多节点累加交换后的总时延问题。
4 RPR环境传送视频性能研究
弹性分组环技术 (RPR) 是一种在双纤双向环形结构上, 融合SDH/SONET和以太网的优势, 形成完全基于分组的新二层协议。结合了优化的协议与环形网络的特点, 解决了在传输上进行带宽共享、传输保护及QoS保障, 是适用于城域网汇聚层到接入层的技术, 主要面向用户数据业务的需要。
图8所示测试环境中, 在传输1、传输2和传输3间构建100 Mb/s的RPR环, 传输2、传输3的业务端口分别连接至SmartBits的Tx和Rx端口, 通过SmartBits测试无丢包满载带宽效率。测试结果完全反映出协议开销对效率的影响, 并且测试结果与MSTP模式下数值完全一样。测试帧长只有64 B时, 效率只有72.66%;帧长达到1 518 B时, 效率提高至94.12%。测试中带宽效率随帧大小呈明显递增趋势, 平均带宽效率达88.13%。在时延指标测试中最大时延为0.2 ms, 平均时延约为0.1 ms, 解决了MSTP交换模式下的转发时延问题。
5 视频交换机与传输系统间重要电路优化方案
5.1 IEEE802.3-compliant Ethernet协议方案
目前铁路较多使用到MSTP的汇聚和交换功能, 当大站MSTP汇聚超过100 Mb/s带宽时, 只能采用1 000 Mb/s连接或点对点透传2种方案。单端口1 000 Mb/s连接虽然增加容量, 但在现网运行中已经发现有单点故障影响范围大以及MSTP交换时延问题。
如图9所示, 3个小站MSTP分别以100 Mb/s连接至大站MSTP传输设备, 由于每条电路都达到100 Mb/s带宽, 因此大站传输通过透传模式以3个FE端口与车站交换机连接。但在实际使用中发现大站MSTP与交换机间只有1条电路在进行转发工作, 另外2条电路处于生成树协议的阻塞状态, 不但影响项目现场施工进度, 而且带来极大的技术难题, 直接影响传输通道规划和传输设备配置的变更。
经过对现场问题的排查及验证实验, 确定问题在于3个F E电路不能同时连接至大站MSTP的同一块传输板卡。由于一块传输板卡仅具备一个MAC地址, 当与交换机间的多条电路连接至同一块板卡时, 交换机检测到同一设备, 生成树协议, 为避免存在环路而启动阻塞机制, 关闭其中的两个端口。
在上述情况下, 将电路分配至不同传输板卡可以解决此问题, 但随之带来的是不停的对传输板卡进行扩容, 单板利用效率很低。因此在传输设备和交换机间启用IEEE802.3-compliant Ethernet中所定义的传输组协议, 验证传输与交换设备间协议一致性、多通道负载均衡和故障备份功能。
如图10所示, 交换机与传输1间通过两条FE电路连接, 并启动Ethernet Channel链路捆绑协议。两设备业务端口以1 000 Mb/s速率连接测试仪, 观察流量在两条电路上的负载情况。经过以上连接与配置, 传输设备与交换机协议协商成功, 交换机虚拟生成一个Port-Channel端口, 该端口流量为两条传输电路流量总和。测试仪表显示接收速率为21 563 347 B/s, 即为164.5 Mb/s, 带宽利用率为82.25%, 这个速率也较接近前带宽测试中83.28%的利用率。进一步测试, 中断其中1条电路, 验证是否另1条电路仍然可以承担传输任务。电路传输速率达到10 811 227 B/s, 达到82.48%的带宽利用率。
根据该优化方案, 加强重要上联电路的承载能力, 传输系统与数据网交换机间成功通过IEEE802.3-compliant Ethernet中所定义的Ethernet Channel功能实现容量扩容和冗余负载均衡功能, 同时也解决了厂家板卡关于同一类业务不能在同一块板卡上的问题。整个测试中的传输带宽利用率82.25%也基本等同于MSTP点对点电路的带宽效率水平。
5.2 IEEE802.1Q协议方案
为避免MSTP在各车站节点启用交换功能后的大累计时延, 当同一业务由不同环路组网且相互联通时, 将传输与交换功能分开完成。此优化方案通过MSTP传输系统构成传输网中多个相互隔离的VLAN, 通过IEEE802.1Q协议与数据网交换机连接, 完成交换任务。
优化方案在充分利用点对点传输性能的同时, 结合MSTP对IEEE802.1Q的支持特性, 与交换机联合进行承载网组网, 合理利用各通信系统的优点, 为构成高质量铁路通信网奠定技术基础。
测试需要MSTP传输系统传送以太网帧的同时携带VLAN信息, 通过IEEE802.1Q封装与交换机进行通信, 链路带宽50 Mb/s, 到交换机侧后数据对应至相应的VLAN中。即传输中配置的VLAN ID必须与交换机上的VLAN ID一致。测试仪接入传输和交换机两侧的用户端口, 分别接入不同的VLAN端口进行流量测试, 同步验证不同的VLAN数据是否可穿越与传输设备间的Trunk链路及其转发差异性。
如图1 1所示, 传输系统成功与交换机进行IEEE802.1Q协商, 并且测试过程所有VLAN端口均能顺利通过流量, 时延水平与MSTP系统提供点对点型链路时完全一致, 测试结果均未超过1 ms。这点也正是此优化方案所希望MSTP体现的, 充分利用其点对点型链路的技术成熟和稳定性。
在抖动测试过程中, 满载无丢包抖动测试值为0, 性能十分稳定。此时链路有效带宽为41 457 kb/s, 约为80.97%的带宽利用率。传输1和交换机间具有较好的IEEE802.1Q协议一致性, 成功建立起Trunk通道, 并且通过此架构方案, 传输可以完全发挥出其很好的透传通道性能, 由交换机侧完成其高效的交换转发性能, 两系统发挥各自优势, 配合构成性能最佳的数据承载网。
6 结束语
铁路视频系统对网络传输的要求不仅体现在对数据设备的要求, 更体现在终端编/解码、传输通道、传输设备及路由交换设备的系统综合要求。根据对网络传输各组件部分的研究和分析, 完全可以达到甚至超出目前制定的时延及抖动等指标要求, 经过组网优化更可以确保满足逐步展开应用的高清视频传送及部署的质量要求。
参考文献
[1]YD/T1238-2002基于SDH的MSTP技术要求[S]
[2]YD/T1276-2003基于SDH的MSTP测试规范[S]
[3]GA/T367-2001视频安防监控系统技术要求[S]
[4]TB 10006-2005铁路运输通信设计规范[S]
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