(整理)数字电视宽带交换技术

数字电视宽带交换技术
在多媒体宽带通信网中交换技术起着举足轻重的作用，它决定网络的总体运行方式及网络性能，它不仅使多台通信终端共享传输媒介，而且可实现网络中任意两个或多个用户的相互连接。

1 信息交换技带
信息交换技术是现代通信系统的核心技术，其基本任务就是提供信息流动的通路，实现用户信息、控制信息的交互。

信息交换技术主要包括电路交换、报文交换、分组交换、快速分组交换，它们均有自己的特点和应用领域。

1．电路交换
在电路交换中，交换网需要为一对用户在通信过程中建立一条专用的物理传输通路，并且在整个通信过程中一直维持不变，通信完毕后这条通路即行断开。

电路交换包括两种方式：即空分交换与时分交换，前者是指不同通信信道占用空间不同的电路，后者则是指多路信息以时分方式进行复用。

电路交换方式系统结构简单、通信时延小、支持实时信息传输，并且能够提供可靠的带宽保证，因而非常适合于公用电话交换网、运动图像传输以及高速数据传输等实时通信应用。

但是电路交换也有不足，其线路利用率低，一旦通信线路建立起来，不管是否传输信息、也不管线路上信息量有多大，信道在连接期间始终专用，始终独占预先分配好的信道资源，直至通路被释放，因而不适合于宽带交换，此外通信的建立与拆除也要消耗一定时间。

2．报文交换
报文交换与电路交换不同，它是采用存储一转发机制将发送端的全部数据以报文形式存储在交换机中，等到有合适线路时再根据报头中的地址将报文转发到接收端，它可对不同类型的信息设置不同的优先级，其中优先级高的数据可以优先发送。

报文交换中每个报文都是作为一个独立的信息传输实体，在准备发送报文之前，在用户报文前加上报头，指明此信息的目的地址、源地址等。

报文交换不需要在源站与目的站之间建立一条专用线路，一个信道可为多个报文用户使用，因此线路利用率高，同时还可减少由于网络中部分线路特别繁忙而引起的拥塞。

报文交换系统中采用反馈重发机制来保证报文的正确传输，因而其可靠性很高，但由于数据经过存储转发，因此网络延时大、延时变化也大，它无法满足宽带交换的要求，不能用于语音、视频等实时信息交换。

3．分组交换
分组交换融合了电路交换与报文交换的优点，其基本原理是将要传送的数据分解成若干个较短长度的分组，对每个分组附加上地址信息、传输控制信息、校验信息以及头尾标识信息，它先将这些要传送的分组存储起来，等到线路空闲时再发送出去、传至接收端，因而分组交换是一种非实时交换方式。

在通信线路中，数据分组作为一个整体进行交换，而在传输时，各个分组可以经不同路由到达目的地，因而到达顺序不一定与发送端相同，当分组到达目的地后，再将它们按照原有顺序重新装配起来。

分组交换主要有以下两个优点：首先是多用户可以同时共享线路，即采用统计时分复用的方式，因而提高了线路利用率、同时也降低了通信费用；其次是各个分组能够动态选择路由，因而分组交换广泛应用在数据通信网、计算机通信网中，而且它已成为通信发展的一大趋势。

但是分组交换也有一些不足：由于要执行复杂的协议以实现差错控制与流量控制功能，因而网络时延增加，不适合于语音与运动图像等实时传输业务；而且分组长度可变，网络内部需要进行复杂的缓冲区管理，从而限制了高速大容量实时业务的应用；此外，由于不同分组可通过不同路由到达接收端，系统延时可能相差较大、延时抖动相应增加，因而也不适于对延时抖动敏感的业务。

4．快速分组交换
快速分组交换是在分组交换技术的基础之上发展起来的一种信息交换方式，它通过简化通信协议、最大限度地提供并行处理能力，以实现提高分组吞吐量、减小分组传输时延的目的。

快速分组交换目前主要有两种实现方式：帧中继(FR，Relay)与异步转移模式(ATM，Asynchronous Transfer Mode)。

帧中继是一种快速分组交换技术，它以X.25技术为基础，通过简化X.25协议，并采用流水线方式进行数据处理，以提高速度与效率、同时减少网络延时。

帧中继只进行检错处理、不进行纠错处理，它将纠错处理以及流量控制交给智能终端来完成，因而大大简化了信息交换过程，其用户速率一般为64 kb／s～2 Mb／s，进一步改进可达到8～10 Mb／s。

帧中继可以满足简单的多媒体应用要求，它不适合于高速运动图像的传输。

ATM在下一节中详细介绍。

2 ATM技术
ATM(Asynchronous Transfer Mode)即异步转移模式，它是在电路交换与分组交换的基础之上发展而来，融合了电路交换的实时性与分组交换的灵活性等优点，因而具有很大的业务灵活性，能够适应不同速率、不同突发度的实时与非实时性业务，而且可实现将多种不同的业务集中于一个网络中进行传输与交换并保证业务质量。

此外，A TM具有统计复用特性，因而能够有效利用网络资源、节省网络资金。

由于A TM具备了许多现代通信网所必需的特点，因此被ITU(国际电信联盟)推荐为未来宽带综合业务数字网(B-ISDN)的理想传输和交换方式，B-ISDN中定义的A TM协议参考模型如图9-17所示。

1．ATM信元结构
ATM以信元作为信息传输的基本单位，ATM信元是一种固定长度的数据分组，其长度为53字节，包括5字节信元头与48字节净荷，如图9-18所示，其中信元头包含了流量控制信息、虚通道与虚通路标识符、信元丢失优先级以及信头误码控制等信息。

ITU建议中规定：当删信元在用户一网络接口(UNI，User-Network Interface)传输及网络一网络接口(NNI，Network-Network Interface)传输时，其信元头结构稍有不同，如图9-19所示。

2．ATM传输与交换原理
在ATM中，一个物理传输信道被分成若干个虚通路(VP，Virtual Path)，每个虚通路又由上千个虚通道(VC，Virtual Channel)所复用，其中虚通道和虚通路都是用来描述ATM 信元单向传输的路由。

每个虚通道可以用复用方式容纳多达65536个虚通道，属于同一虚通道的信元群拥有相同的虚通道识别号(VCI，VCIdentifier)，属于同一虚通道的不同虚通路拥有相同的虚通路识别号(VPI，VPIdentifier)，VCI和VPI都作为信元头的一部分与信元同时传输。

ATM信元交换既可在VP级进行，又可在VC级进行，传输通道、虚通路(VP)和虚通道(VC)是ATM技术中的三个重要概念，其关系如图9-20所示。

ATM的呼叫接续与分组交换中的虚电路连接相同，其具体连接过程是：当发送端要和接收端通信时，首先通过用户网络接口(IYNI)发送一个请求建立连接的控制信号，接收端通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，网络中的各个交换节点经过一系列信令交换后就会在发送端与接收端之间建立起一个虚电路，虚电路用一系列VPI／VCI来表示。

在虚电路的建立过程中，虚电路上所有的交换节点都会建立线路映射表，以完成输入信元VPI／VCI值到输出信元VPI／VCI值的转换。

虚电路建立之后，需要发送的信息被分割打包，形成包含5个字节信元头、48个字节信息的信元，经过网络传送到对方。

若发送端有一个以上的信息要同时发送给不同的接收端，则可按照上述相同程序建立到达各自接收端的不同虚电路，并将信元交替送出。

在虚电路中，相邻两个交换节点间信元的VPI／VCI值保持不变，此两点间形成一VC链，一串VC链相连形成VC连接，VP链和VP连接也以类似方式形成。

当信元经过某交换节点时，该节点根据事先建立的线路映射表，将输入信元的VPI 值改为可导向接收端的新VPI值，并赋予信元后输出，这一过程称为VP交换。

VP交换过程中，VCI值保持不变。

3．ATM技术优势
ATM技术具有以下优势：
· ATM采用固定长度信元，不仅传输延迟固定，而且使用统一的信息单位易于实现各种信息流混合在一起的多媒体通信；
· ATM采用虚电路连接，一方面通过多条虚电路复用一条真正的物理链路来提高通信链路的利用率，另一方面通过在建立连接时为虚电路预
留资源，来保证虚电路连接的传输质量，从而为多媒体应用提供保障；
· ATM使用统计时分复用技术进行传输与交换，它能支持不同速率的各种业务，并能根据业务类型、速率需要动态分配有效容量；
· ATM网络底层以面向连接方式的电路交换方式传送信息，以适于实时业务传送；
·由于光纤信道误码率极低、容量很大，因此ATM网络中不必在数据链路层进行差错控制与流量控制，从而大大提高了信元在网络中的
传送速率。

总之，ATM技术是实现宽带多媒体通信网的关键和核心，它具有高带宽、固定延迟、能够较好满足多媒体传输的服务质量要求三大优势。

ATM技术的追求目标就是对任何业务形式的数据传输都能达到最佳的资源利用率，因此它可广泛应用在从窄带话音、低速数据传输到多媒体通信、数字高清晰度电视传输等领域。

3 IP技术
IP(Internet Protocol)即互联网协议，又称网际协议，是关于数据在主机间传送时如何进行路由选择的协议。

IP协议以信息包为基础，位于OSI七层模型中的网络层，与IP 协议在同一层中配套使用的还有三个协议：地址解析协议(ARP，Address ResolutionProtocol)、反向地址解析协议(RARP，Reverse Address Resolution
Protocol)、因特网报文控制协议(IMCP，Internet。

Message Control Protocol)。

在Intemet中采用TCP／IP(Transmission Control Protocol／Intemet Protocol)协议进行数据传送，TCP／IP是由100多个网络传输协议构成的庞大协议族，其中最重要的两个协议就是TCP协议与IP协议，其中IP协议是无连接协议，负责信息传送，而TCP协议是面向连接的协议，用来保证信息传送的正确性。

TCPfIP协议分层模型如图9-2l所示。

传统IP网重于传输效率而不是可靠性，它是一个无连接、未进行资源预留、尽力而为型的网络，其带宽与延时抖动均无保障，因而不适合视频、音频等多媒体数据传输。

在现代通信技术、计算机技术、网络技术的高速发展以及有机结合，IP技术日益成熟完善的背景下，宽带IP网出现并迅速发展。

宽带IP网是新一代宽带、能够提供端到端连接、有OoS 保证能力的IP网，它采用以IP技术为核心的千兆位交换路由器，运用动态分组传输技术，通过IP over SDH或千兆位以太网方式联网，其实现关键是高性能路由器与密集波分复用技术。

其中宽带IP城域网的发展趋势是将以太网技术与密集波分复用技术相结合，在光缆网上实现IP over DWDM。

由此可见，随着技术进步，利用IP技术实现信息汇集以及整合现有网络完全可能，IP over Everything已成为现实。

数字电视系统中传送的是携带有大量视频、音频、动画、文本等多媒体信息的数字电视信号，这些多媒体信息对传送的实时性要求很高，而且视频、音频信息必须严格同步，因此将IP技术应用在数字电视传输及组
网领域具有非常重要的意义，而且可行性及可操作性极强，目前在数字电视传输网络中已经成功使用了IPover ATM、IPover SDH及IPoverDWDM三种技术，如图9-22所示。

1．1P over ATM
ATM技术是一种高速率、低时延的多路复用交换技术，由电路交换及分组交换发展而来。

在ATM技术的发展过程中，通过不断汲取、整合电路交换与分组交换的优势，并克服其不足，最终形成了面向连接、保证服务质量(QOS)以及统计时分复用等技术特征，从而可实现高带宽、高可靠性。

同时，ATM采用固定长度信元在网络中传送各种信息，便于利用专用集成电路(ASIC)来实现高速、大容量的宽带数据交换。

此外，ATM具有相当完善的流量控制与拥塞控制机制，能够保证高带宽利用率、保证网络的安全性与可靠性。

在数字电视有线广播中，应用删的流量控制功能可实现视频传输的可分级服务以及电视节目的实时非对称传输，因此ATM技术已经广泛应用在数字电视有线传输网中。

IP over ATM是IP与ATM的结合，其实现方案有重叠技术、集成技术两种方式。

重叠技术是将IP网络层协议重叠在ATM之上，即ATM网与现有IP网重叠，在ATM端点同时使用ATM与IP两种地址映射功能，发送端在得到接收端ATM的地址后，便可建立 ATM／SVC连接，传送LAN数据包；集成技术是将IP路由器
的智能与管理性能集成到ATM交换机，形成一体化平台，它仅要求标识IP地址，不需要ATM地址解析协议，因而简化了ATM路由选择功能、提高了IP转发效率，同时保留了路由灵活性。

IPoverATM技术具有优点：
·可充分利用ATM的快速交换以及完善的QoS功能，从而保证网络服务质量；
·网络具有很好的扩展性和灵活性；
·支持将数据、语音、视频等多种业务汇集到同一网络中，并为不同业务类型提供不同的服务质量保证；
·具有很好的网络流量管理及控制性能，表现为ATM流量控制非常精细，这对带宽资源极为宝贵、通信线路费用高昂的广域网非常重要，因
而ATM在广域网中广泛使用。

IP over ATM技术也具有一些不足，如：
·由于IP数据包必须映射成ATM信元，因此增加了传输开销，使传输效率降低；
·网络管理比较复杂、设备昂贵；
·不太适用于特大型IP骨干网。

2．IP over SDH
IP技术已成为多媒体通信网络的核心技术，数据、语音、视频等业务均可由IP承载。

因此，ATM可支持多种业务的优势不再突出，特别是当数据业务量超过语音、视频时，采用ATM的必要性更加受到质疑，而且使用ATM会使传输效率降低。

在此背景下，IP overSDH技术出现并不断完善，使ATM在广域网中的地位受到极大挑战。

SDH传输网技术能够有效提高网络资源的利用率，能够满足数字电视干线传输网的信息传输及交换要求，使数字电视传输质量发生了质的飞跃。

IP over SDH是IP与SDH的结合，又称PACKET over SDH(PoS)，它保留了IP面向无连接的特征，其基本原理是以SDH网作为IP数据网的物理传输网络，使用链路及点到点协议(PPP，Point to Point Protoc01)对数据包进行封装，并按照RFCl662规范将IP分组简单插入到PPP帧中的信息段，然后由SDH通道层的业务适配器将封装后的IP数据包映射到SDH同步净荷中，随后经过SDH传输层和段层，加上相应开销，将净荷装入一个SDH帧中，最后到达光网络，在光纤中进行传输。

IP over SDH技术具有以下优点：
·对IP路由支持能力强，具有很高的IP传输效率；
·符合因特网业务特点，有利于实现数据多播；
·能利用SDH技术自身环路及网络自愈合能力实现链路纠错；
·利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高了网络稳定性及可靠性；
·将IP网络技术建立在SDH传输平台之上，易于跨越地区与国家，兼容不同技术标准，以实现全球联网；
· IP over。

SDH省略了ATM层，使网络结构简化、运行成本降低，因此非常适合数字有线电视省际与省内网络上的IP传输。

IP over SDH技术也有不足，具体如下：
·它目前不支持虚拟专用网(VPN)与电路仿真；
·在所有的分组交换技术中，ATM的QoS最好，能够进行电路仿真，而IP over SDH 只能进行业务分级，不能提供较好的QoS；
·对于大规模网络，IP over SDH必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难、路由信息占用带宽较大。

总之，从光通信技术的发展趋势看，SDH／SONET未来将让位于DWDM，因此，IP overSDH将最终发展成为IP over DWDM(即IP ovei OPTICAL)。

3．IP over DWDM
波分复用(WDM)技术是指在一根光纤中实现同时传输多个波长光信号，其原理是在发送端将不同波长的光信号组合，在接收端再将组合的光信号分离送入不同终端。

DWDM技术则是16波分以上的WDM技术，它具有组网灵活的特点，对开发宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力、实现高速通信具有重要意义。

IP over DWDM就是让IP数据包直接在光通路上传输，从而减少网络层之间的冗余部分，由于省去了中间的ATM和SDH层，因而IP over DWDM传输效率最高，不但节省了网络运行成本，同时也降低了用户费用，是一种最直接、最经济的IP网络结构体系，非常适用于特大型IP骨干网。

随着光通信技术的不断发展，IP over DWDM技术将是对以IP业务为主的网络进行更深层次优化的最佳选择。

IP over DWDM技术具有如下优点：
·它充分利用了光纤的低损耗波段带宽资源，增加了光纤的传输容量，极大提高了带宽和传输效率；
·对传输码率、数据格式、调制方式透明，可以传送不同码率的ATM、SDH ／SONET 以及千兆以太网格式的业务，可实现在一根光纤中同时进
行双向多媒体信息传输；
·不仅与现有通信网络兼容，而且支持未来的宽带业务网，能够进行网络升级，在网络设计中具有很大的灵活性，并具有可推广性、高度生存性
等特点；
·对器件性能要求不高，使用的主要器件——密集波分复用器可靠性高、故障率低、便于维护。

IP over DWDM技术也有一些不足，具体如下：
·未实现波长的标准化，DWDM系统的网络管理应与其传输信号及网管分离；
·DWDM系统的网络管理还不成熟；
·当前的DWDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点方式，还未形成全光网络。

总之，IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM这三种基于IP的传输方案各有优缺点，在数字电视广播传送网中需要具体分析，以便作出正确选择：
·若主干网已采用了ATM设备，则应采用IP over ATM方案，由于ATM 端口速率高，有完善的服务质量保证，产品成熟，因而可提高IP网交换
速率，保证IP网的服务质量；
·若主干网尚未涉及ATM，则应采用IPoverSDH方案，由于去除了ATM设备，投资少、见效快而且线路利用率高；
·在城域主干网中，IP over SDH技术相对投入较高，采用IP over DWDM 技术会更实用，IP over DWDM的技术优势是减少了网络各层之间的冗
余部分，减少了SDH、ATM、IP各层之间的功能重叠，减少了设备操作、
维护及管理费用，而且IP oveR DWDM能够极大拓展现有的网络带宽，
最大限度地提高线路利用率，特别是在外围网络千兆以太网成为主流的
情况下，它能够真正实现无缝接入，因而代表着宽带IP主干网的发展
方向并主宰其未来。

宽带通信传输与交换网是宽带综合业务数字网(B-ISDN)的发展方向，ATM技术与SDH技术、IN(Intelligent Network，智能网)技术作为B-ISDN的三大技术支柱，对宽带综合业务数字网的发展占据举足轻重的地位。

作为B-ISDN三大技术支柱之一的ATM技术从其诞生之日起，就担负起电话、电视、数据、专线通信等多业务融合的使命，但在实际发展中，由于技术复杂、价格昂贵，大大阻碍了A TM技术的发展。

毕竟市场及应用需求决定技术发展，技术不能脱离市场需求。

而IP技术由于具有组网简单、实现灵活、应用广泛、价格低廉等特性，在计算机互联网、局域网、城域网、广域网等方面得到了广泛运用，是宽带通信网络技术的
一种理想选择。

因此，将IP技术应用在数字电视传输网络中，将会给数字高清晰度电视带来极大的发展机遇。

重庆电子工程职业学院电子信息系林涛。