universitatea “politehnica”...

6/29/2004 TETHRA 1

Universitatea “Politehnica” TimişoaraFacultatea de Automatica şi Calculatoare

Toti oamenii au gânduri. Când un gând se întoarce asupra gândului, devine idee.

Constantin Noica

6/29/2004 TETHRA 2

Universitatea “Politehnica” TimişoaraFacultatea de Automatica şi Calculatoare

TETHRATdm over ETHernet Router / Analyzer

Coordonator ştiinţific UPT:Ş.l. Drd. Ing. Mihai V. MICEA

Coordonator ştiinţific Alcatel:Director Departament IT, Ing. Delia GOLCEA

Autori:Mihai FĂGĂDAR – COSMA Liviu FANICIU

6/29/2004 Mihai FAGADAR & Liviu FANICIU 3

TDM over Ethernet Router / Analyzer

IntroducereExempluHardwareInterfeţeTestarePerspective

Ce este sistemul TETHRA ?

Sistemul TETHRA reprezinta un dispozitiv numeric capabil sa execute functiile de baza ale unui router intre un numar de linii de comunicatie ce folosesc cadre PCM E1 si o retea de tipul Ethernet / IEEE 802.3.

Functiile sistemului TETHRA:managementul si configurarea rutarilor prin interfata

Ethernetrutare PCM -> Ethernetrutare Ethernet -> PCMrutare PCM -> PCMactivare / dezactivare interfete PCMmodificarea dinamica a rutarilor




Descrierea sistemului TETHRA

Sistemul TETHRA

Flux PCM E1

Flux PCM E1

Flux PCM E1

Flux PCM E1

InterfaţaPCM A

InterfaţaPCM B

InterfaţaPCM C

InterfaţaPCM D

InterfaţaFast

Ethernet

Procesorde semnal

[DSP]

ReţeaEthernet

Caracteristici hardware:procesor de semnal: Motorola MSC81014 linii PCM: formator de cadre - Infineon QuadFALCinterfata Fast-Ethernet: MII - LevelOne LXT970




Aplicatii in domeniul telefoniei:

Domenii de utilizare [1]

analizor de cadre TDM E1 (de ex. pt. protocolul SS#7)router in retele de telefonie mobila de tip UMTS

(Universal Mobile Telecommunication System)

4 x PCM E1Sistem TETHRA

PC + soft analizor

PCM E1

PCM E1

PCM E1

PCM E1

FAST – ETHERNET

CABLU UTP5 CROSSOVER

HDB3 PCM

CABLU TORSADAT




Domenii de utilizare [2]

Router pentru UMTS Release 6

NodeB

NodeB

NodeB

NodeB

RNC

SistemeTETHRA

RNC

2.048 MbpsPCM E1

2.048 MbpsPCM E1

2.048 MbpsPCM E1

Fast EthernetNetwork

(full - duplex)




Exemplu de rutare

TETHRA

Rutare canale

Rutare canale

0 1 15 16 17 31

32 33 47 48 49 63

0 1 15 16 17 31

32 33 47 48 49 63

PCM A

PCM B

00 00 00 53 30 31

00 00 00 53 30 33

00 00 00 53 30 32

SWITC

HSW

ITCH

Ethernet00 54 45 54 48 52

Ethernet00 54 45 54 48 52

Sursă Destinaţie

Canalele 0 - 15 MAC 1

Canalele 16 – 31 MAC 2

Canalele 32 – 47 MAC 3

Canalele 48 – 63 Canalele 16 – 31

MAC 1 Canalele 32 – 47






Implementarea sistemului TETHRA

Implementarea prototipului pentru sistemul TETHRA a fost efectuata folosind placa de dezvoltare Motorola MSC8101ADS (MSC8101 Application Development System), construita in jurul procesorului de semnal MSC8101.

DSP:Motorola MSC8101

Quad PCM E1:InfineonPEB-22554QuadFALC

Fast-Ethernet:LevelOneLXT970




Procesorul de semnal Motorola MSC8101

“Inima” sistemului TETHRA o constituie procesorul de semnal Motorola MSC8101, primul din familia de DSP-uri pe 16 biţi construite pe baza nucleului StarCore SC100.




Unitatea centrala SC140 StarCore

Unitatea centrală a MSC8101 este reprezentată de varianta cu 4 unităţi aritmetice şi logice a nucleului StarCore, şi anume SC140, ce prezintă o mare putere de calcul, consum redus, un preţ scăzut şi o arhitectură superscalară.

Capacităţile de procesare ale acestui nucleu ating 1200 DSP MIPS, la o frecvenţă de lucru de 300 MHz.




Modulul de comunicatii (CPM) al MSC8101

compatibil cu procesorul de comunicatii MPC8260 destinat aplicatiilor bazate pe protocoale de comunicatiecapabil sa lucreze in paralel cu unitatea centrala SC140prezinta interfete pentru diverse medii: ATM, Fast-Ethernet, TDM,

RS-232, I2C s.a.




Caracteristici:

Interfata cu fluxurile PCM E1Ierarhii digitale plesiocrone

sunt structurate pe mai multe nivele ierarhicefiecare nivel realizeaza multiplexarea in timp a semnalelor

provenite de la nivelele inferioarefolosite in cazul retelelor de telefonie fixa si mobila

…

…

.

.

.

1

1

1…

30

30 4

Căi de voce

Nivelul 1(E1)

Nivelul 2(E2)

Nivelul 3(E3)

Nivelul 4(E4)

Nivelul 5

E12.048 Mbps30 canale voce




CODECTDMUX

CODECTDMUX

1…

4

1…

4

1…

4

Voce64 kbps / canal

Nivelul 5565.148 Mbps 7680 canale voce




Structura cadrului PCM E1:

Interfata cu fluxurile PCM E1Cadrul primar PCM E1

32 de sloturi de timp (TS – time slot)30 de TS folosite pentru canale de voce (codate folosind

legea A de conversie)TS0 folosit pentru sincronizareTS16 folosit pentru semnalizare (SS#7)

1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8

125 µs

SincronizareTS 0

Canal 1TS 1

Canal 30TS 31

256 biţi (32 x 8)

3.9 µs

SemnalizareTS 16

… … … … … …




Componentele interfetelor PCM:

Interfata cu fluxurile PCM E1Schema bloc a interfetelor PCM ale sistemului TETHRA

interfata fizica: formator de cadre + transformatoare de linieelemente pentru procesarea semnalului TDM digital: blocurile

CPM (SI / TSA + MCC)

TDM A

PCM B

PCM C

PCM D

PCM A

TDM B

TDM C

TDM D

Formatorde cadre

SI / TSA 1

SI / TSA 2

MCC 1

MCC 2

Modulul de comunicaţii Magistrala Pow

erPC internă

Interfaţa fizicăProcesorul de semnal

Motorola MSC8101




Functii:

Interfata cu fluxurile PCM E1Interfata seriala cu multiplexare in domeniul timp (SI / TSA) [1]

conectare la linii TDM digitale externe (TDMA in cazul SI1 / TDMB-D in cazul SI2)

conectare interna la controlerele MCC sau alte blocuri ale CPM, in functie de modul de programare

rutarea canalelor TDM catre controlerele din CPM pe baza intrarilor din memoria SI RAM

sincronizare la nivel de bit si de cadru

MCCMCC LOOP/ECHOLOOP/ECHO SUPERSUPER MCSELMCSEL CNTCNT BYTBYT LSTLST

Bitul 0 1 2 3 – 10 11 – 13 14 15

1 bit 1 bit 1 bit 8 biţi 3 biţi 1 bit 1 bit

Structura intrarilor in memoria SI RAM




Sincronizarea cu semnalul TDM digital


fiecare interfata TDM lucreaza independent, avand propriile semnale de date, sincronizare si tact

partile de transmisie si receptie ale unei interfete pot folosi semnale de tact si sincronizare comune (cazul TETHRA) sau distincte

1 2 3 4 5 6 7 8

L1 SYNC

L1 CLK

L1 RXD / TXD

TS 0 TS 31

Cadru TDM




Modul de lucru in bucla inchisa (loopback)


semnalele de sincronizare si tact sunt generate de catre MSC8101 cu ajutorul blocurilor BRG si TIMER ale CPM

Modulul de comunicaţii al MSC8101

MCCMCC SISI TDMxTDMx

BRG 6BRG 6

TIMER 4TIMER 4

BRGCLK

TIN4

/TOUT4

BRGO6

CLKx

L1RSYNC

L1TSYNC

L1RSYNC

L1RXD

L1TXD

L1TCLK

L1RCLK




Caracteristici:

Interfata cu fluxurile PCM E1Controlerele multicanal (MCC) [1]

lucrul cu pana la 128 de canale full-duplex, grupate in 4 seturi a cate 32 de canale MCC

conectare la liniile TDM prin intermediul interfetelor SI/TSA (MCC1 la TDMA, MCC2 la TDMB, TDMC si TDMD)

configurare prin intermediul parametrilor continuti in memoria DPRAM a CPM

transfer de date direct cu memoria prin canale DMA, folosind tabele cu descriptori pentru memoriile tampon asociate canalelorMCC

generare de intreruperi catre unitatea centrala si cozi de intreruperi pentru inregistrarea evenimentelor la nivel de canal

suport pentru modul de lucru normal sau loopbackmod de lucru transparent (cazul TETHRA) sau HDLC, selectabil

la nivel de canal





Structuri de date:parametri globali ai MCCparametrii specifici si suplimentari ai canaluluitabelele cu descriptori pentru memoriile tampon





Descriptorii pentru memoriile tampon




Interfata cu fluxurile PCM E1Interfata fizica

Componente:formatorul de cadre PEB - 22554 QuadFALCtransformatoare de linie + conectori RJ45

MSC8101MSC8101Infineon QuadFALCInfineon QuadFALC

L1RCLKL1RSYNC

L1TXDL1RXD

RCLK_xRDO_x

RPC_x_RFM

XDI_x

A [9:0]BD [7:0]

/BHEIM

DBWALE

/INT/RD/WR/CS

BA [22:31]BD [0:7]

/IRQ7/POE/PSDWE/CS_4

RDIP_xRDIN_xXDOP_xXDON_x

Interfaţă TDMdigitală

Transformatorde

linie

RX

TX

Linie PC

M analogică

3.3V

GND




Interfata Fast EthernetRetele Ethernet

Caracteristici:folosite pentru retele locale de calculatoareating viteze de 10, 100 sau 1000 Mbpstopologii existente: bus sau steaorganizate conform cu modelul de referinta OSI

1 2

34

HUB

1 2

34

SWITCH

DateFizic

DateFizicFizic

DateFizic

DateFizic

DateFizic

7 Aplicaţie

6 Prezentare

5 Sesiune

4 Transport

3 Reţea

LLC2 Date

MAC

1 Fizic




Interfata Fast EthernetCadrul Ethernet / IEEE 802.3

Structura:Preambul: 7 octeti cu valoarea AAh, pentru sincronizareSFD: Start Frame Delimiter, cu valoarea 10101011bAdresele MAC destinatie si sursa: 6 octetiTip (Ethernet) / Lungime (IEEE 802.3) Date: minim 46 octeti, maxim 1500 octetiFCS: Frame Control Sequence, contine rezultatul CRC32

pe 4 octeti

Delimitator început (SFD)

Adresa destinaţie

Adresa sursa

Tip / LungimePreambul Date Secvenţa de

control (FCS)

7 octeţi 1 octet 6 octeţi 6 octeţi 2 octeţi 46 – 1500 octeţi 4 octeţi




Structura:

Interfata Fast EthernetSchema bloc a interfetei Ethernet pentru sistemul TETHRA

nivelul de control al interfetei hardware (nivelul legatura de date)

nivelul aplicatie: controlul sistemului TETHRA si rutarea datelor

Comutare pachete

Sincronizare

Interfaţa PCM

Buffere Ethernet

Controler Ethernet

Reţea Ethernet

Interpretor comenzi

Interfaţa PCM Control sistem Interfaţa Ethernet




Interfata Fast EthernetConectarea sistemului TETHRA la o retea Fast-Ethernet

Elemente:interfata fizica: MII + transformatoare de liniecontroler Fast Ethernet: blocurile FCC ale MSC8101 CPM

FCC

Magistrala Pow

erPC

Transceiver Fast

Ethernet (LXT970)

MSC8101

MII

Interfaţa fizică

Transformatoare

linie




Caracteristici:

Interfata Fast EthernetControlerul FCC (Fast Communications Controller) [1]

suport pentru protocoale standard: ATM, Ethernet si Fast Ethernet, E3/T3 (HDLC sau Transparent)

configurare prin intermediul parametrilor continuti in memoria DPRAM

transfer de date in rafala cu memoria, prin intermediul canalelor DMA

folosirea unei structuri de date multibuffer pentru stocarea datelor la transmisie / receptie, ce poate fi modificata dinamic pe durata functionarii

suport pentru modul de lucru normal sau loopbackposibilitatea de implementare a unor protocoale non-standard,

prin suportul HDLC / SDLCposibilitatea de comunicare prin pini dedicati (cazul TETHRA)

sau prin intermediul interfetelor TDM




Interfata Fast EthernetControlerul FCC (Fast Communications Controller) [2]

Descriptorii memoriilor tampon




Interfata Fast EthernetInterfata fizica

Componente:circuit MII – Media Independent Interface (LevelOne LXT970)transformatoare de linie + conector RJ45 + led-uri de stare




Interfata Fast EthernetProtocolul de comunicatie pe interfata Ethernet [1]

Cadrul TETHRA de comanda

Adresa sursăAdresa sursă Tip 1

Tip 1 Cod ComandăCod Comandă Parametri comandăParametri comandă FCSFCS

6 2 1 1 0 – 1499 4

Comandă Cod Parametri Descriere

Init 1Dimensiune

bloc(1 octet)

Cadrul este folosit pentru iniţializarea sistemului. Parametrul precizează dimensiunea blocurilor în care se transferă datele corespunzătoare canalelor TDM.

Start 2 -Trece sistemul în starea ACTIV. Sistemul începe transferul datelor. Această comandă este acceptată doar după ce sistemul a fost iniţializat.

Stop 3 - Opreşte transferul datelor. Sistemul trece în starea INACTIV.

Stare 4 - Cere raportarea stării prin intermediul unui cadru de stare.





Cadrul TETHRA de stare

Adresa sursăAdresa sursă Lungime0x0004

Lungime0x0004 Tip

1

Tip 1 Cod

4

Cod4 StareStare Dimensiune blocDimensiune bloc FCSFCS

6 2 1 1 1 1 4

Dimensiune[oct]Câmp Valoare Descriere

1 Neiniţializat. Sistemul nu a primit nici o comandă de tip init, deci nu va accepta comanda START.

2 INACTIV. Sistemul a fost iniţializat, dar transferul de date este inactiv,

3 ACTIV. Sistemul efectuează transferul datelor conform definiţiilor de rutare.

Stare 1

Dim. bloc. 1 N*8 Câmpul reprezintă dimensiunea curentă a blocului de date

transferat.





Cadrul TETHRA de rutare

Adresa sursăAdresa sursă LungimeLungime Tip 2

Tip 2 Definiţie 1Definiţie 1

6 2 1 4

Definiţie 2Definiţie 2 …… FCSFCS

AcţiuneAcţiune SursăSursă DestinaţieDestinaţie1 1 / 2 1 / 6

Dimens.[octeti]Câmp Descriere

Acest câmp specifică acţiunea dorită (adăugare sau ştergere) şi parametrii acesteia.

Bit Semnificaţie

0 Poziţionarea acestui bit pe valoarea 0 semnifică adăugarea rutei de la sursă spredestinaţie, iar valoarea 1 semnifică eliminarea rutării de la sursă spre destinaţie.

1 Dacă acest bit are valoarea 0 atunci câmpul destinaţie reprezintă o adresă MAC. Valoarea 1 specifică o destinaţie de tip canal (rutare internă).

2 Bitul specifică tipul sursei. Valoarea 0 semnifică o sursă pe 1 octet care reprezintă numărul unui canal. Valoarea 1 semnifică un grup de canale ca şi sursă, reprezentate pe 2 octeţi sub forma c1,c2 cu semnificaţia „toate canalele de la c1 până la c2 (inclusiv)”.

Acţiune

1

Sursă 1 sau 2Reprezentat pe un octet, câmpul reprezintă un singur canal sursă. Pe doi octeţi câmpul reprezintă un grup de canale, de la canalul reprezentat de primul octet (inclusiv) până la cel reprezentat de al doilea (inclusiv).

Destinaţie 1 sau 6 Acest câmp reprezintă destinaţia datelor. Poate fi un canal (1 oct.) sau o adresă MAC, (6 oct.)





Cadrul TETHRA de date

Adresa sursăAdresa sursă LungimeLungime Tip 3

Tip 3 Pachet 1Pachet 1

6 2 1 4

Pachet 2Pachet 2 …… FCSFCS

CanalCanal Bloc de dateBloc de date1 N*8




Strategia de testare:

Testarea in conditii de laborator [1]

interfata PCM a sistemului TETHRA lucreaza in modul bucla inchisa, dictat de necesitatea cunoasterii cu exactitate a continutului datelor continute in sloturile de timp ale cadrelor TDM E1

optional, bufferele partii de transmisie a canalelor MCC sunt umplute cu un set de date de test

prin intermediul interfetei Ethernet a sistemului, conectata la un PC, sunt transmise cadrele de comanda si rutare, generate cu programul NetworkSpy 2.0

cadrele trimise de catre interfata Fast Ethernet sunt capturate pe PC cu ajutorul programului Ethereal, ce permite analiza datelor continute in aceste cadre (care trebuie sa coincida cu datele transmise de catre canalele MCC)




Testarea in conditii de laborator [2]

Conectarea sistemului TETHRA pentru testarea in modul loopback

Sistem TETHRA

Software ce ruleaza pe PC

FAST – ETHERNET

CABLU UTP5 CROSSOVER

TDM / PCM

LOOPBACK




Testarea in conditii reale de functionare

Sistemul TETHRA este conectat la liniile PCM E1 ale unui echipament de tip BSC si la interfata Fast-Ethernet a unui calculator PC

Nu se cunoaste aprioric natura datelor receptionate de catre sistemPC-ul ruleaza un software specializat pentru analiza protocolului

SS#7, denumit PCMonLAN.

4 x PCM E1 Sistem TETHRAPC + soft analizor

PCM E1

PCM E1

PCM E1

PCM E1

ETHERNET

HDB3 PCM




Avantajele sistemului TETHRA:

Concluzii [1]

Controlul de la distanta, prin intermediul interfetei EthernetPosibilitatea configurarii din mers a mecanismului de rutare, ce

permite o adaptare imediata la cerintele de moment ale aplicatieiCapacitatea de filtrare a datelor transferate intre interfete, prin

adaugarea sau stergerea de ruteGabaritul redus, datorita gradului mare de integrare al

componentelor utilizate, si costul redus de implementarePuterea mare de procesare a datelor, datorita folosirii

paralelismului oferit de procesorul de semnal MSC8101 (CPM + SC140)

Usurinta in programare, data de folosirea unui limbaj de nivel inalt (C) si a posibilitatilor de depanare si rulare a programelor oferite de mediul de dezvoltare CodeWarrior for StarCore




Dezavantajele sistemului TETHRA:

Concluzii [2]

in varianta de implementare cu placa de dezvoltare MSC8101ADS, modul de plasare a componentelor placii impiedica folosirea simultana a tuturor celor 4 interfete TDM si a interfetei Fast-Ethernet

solutia la problema de mai sus, o constituie plasarea circuitului MII al interfetei Fast-Ethernet pe terminalele corespunzatoare controlerului FCC1, in loc de cele ale FCC2, cum este in cazul MSC8101ADS.




Perspective [1]Constructia placii pentru sistemul TETHRA

Interfaţa JTAG / OnCE

MotorolaMSC8101 LXT970

PEF22554

HT

Magistrala PowerPC externă

MemorieFLASH

TDM

A -D

FCC

1

4 x RJ45

RJ45

Cuplă 14 pini

TransformatorTransformator

Caracteristici: compatibilitate cu MSC8101ADS: componente + driver softwarecontine doar circuitele necesare sistemului TETHRA si rezolva

dezavantajele mentionate anterior




Premize:

Perspective [2]Extinderea capacitatilor de procesare a fluxurilor PCM

modulul de comunicatii al MSC8101 reprezinta un subset al procesorului de comunicatii MPC8260 PowerQUICC II, care insa prezinta un numar dublu de interfete TDM (8)

capacitatea de procesare a MSC8101 permite gestionarea unui numar de pana la 3 ori mai mare de fluxuri PCM decat in prezent

MPC8260 prezinta o interfata ce permite conectarea sa la magistrala PowerPC externa a MSC8101

Concluzii:MSC8101 + MPC8260 = posibilitatea de gestionare a pana la 12

fluxuri PCM E1/T1 sau 3 fluxuri PCM E3/T3, fara schimbari majorein structura driverelor software deja existente

MPC8260 poate fi adaugat in schema prezentata anterior, ceea ce duce la triplarea numarului de fluxuri PCM ale sistemului TETHRA




Premize:

Perspective [3]Utilizarea ca ruter in retele de tipul UMTS R6

se preconizeaza ca UMTS R6 va folosi retele bazate pe IP in loc de ATM pe partea de UTRAN

o versiune ulterioara a sistemului TETHRA ar putea fi folosita ca si ruter intre echipamentele NodeB si RNC ale retelei UMTS, pe conexiunea Iub

NodeB

NodeB

NodeB

RNC

SistemeTETHRA

RNC

2.048 MbpsPCM E1

2.048 MbpsPCM E1

2.048 MbpsPCM E1

Fast EthernetNetwork

(full - duplex)




Multumiri

Prezenta lucrare este rezultatul activitatii desfasurate in laboratoarele DSPLabs ale Facultatii de Automatica si Calculatoare in stransa colaborare cu compania Alcatel Romania, sub coordonarea Domnului S.L. Drd. Ing. Mihai V. Micea si a Directorului Departamentului IT, Doamna Ing. Delia Golcea, carora le suntem recunoscatori pentru generozitate si intregul sprijin acordat.

Aducem multumirile noastre distinsilor domni profesori si intregului corp didactic al Facultatii de Automatica si Calculatoare, de a caror speciala si competenta indrumare am beneficiat pe durata anilor de studiu.

universitatea “politehnica”...

Documents