（通信与信息系统专业论文）无线atm自适应差错控制技术研究.pdf

华南理 大学 f y 删删1 删8 脚1 胂4 枷9 删删0 脚6 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成 果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 作者签名： 【式# 连 日期：砂够年6 月r 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密回，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： c 胡j 古三 q 札f 彼 日期：沙扫年月，日 日期：二妒年6 月，多日 摘要 摘要 近年移动多媒体通信的迅猛发展对无线宽带接入技术提出了新的要求。无线 a t m 技术凭借其技术优势被普遍看作第三代移动通信系统( u m t s ，f p l m t s ) 的 重要补充系统。国外有文章指出，相对于3 g 系统，事实上无线a t m 技术本质上更 适用于高速率( 大于2 m b p s ) 的宽带多媒体应用。因此，对无线a t m 关键技术的研 究具有重要意义。由于传统a t m 网络基于光纤网络设计，无线a t m 面临许多新的 挑战。这些技术挑战主要围绕两个方面，即移动管理和无线接入。本文主要研究 了无线a t m 网络的差错控制技术，属于无线接入技术范畴，它是a t m 扩展到无线 领域的根本技术之一。 a t m 网络支持的不同业务类型有不同的服务质量( q o s ) 要求，服务质量通常 以最大可接受的延时和比特差错率来表示。本文设想了一种基于业务类型的无线 a t m 自适应差错控制方案，其关键技术包括分级f e c ，选择性自动反馈重传( s a r q ) 和d l c 层自适应编解码技术。该差错控制方案对不同类型业务采取了不同的差错 控制措施，比如对语音业务只应用信道级f e c 技术，对时延敏感业务采用信元级 f e c 和信道级f e c 级联的纠错编码系统，对非时延敏感业务采用信道级f e c 技术和 s a r q 。 整个a t m 协议栈基于光纤传输设计，很明显通过差错控制使无线传输链路对 a t m 高层协议呈现出接近光纤的误码率对于a t m 高层协议的有效运作具有重要 意义。本方案的f e c 方式选择了卷积码和r s 码的级联编码方案，分析表明该级联 码表现出了接近s h a n n o n 限的优秀性能。 传统f e c 方式采用一种固定的编码方式，为了获得恶劣信道下的传输性能， 只能牺牲效率而采用低效率的编码方式。针对无线信道时变的特点，本文在d l c 层设计了一个自适应编解码系统，该系统在满足要求的比特误码性能( 1 0 。6 ) 的前提 下，能够根据信道的误码特性来选择编码方式，从而改善了编码效率，提高了系 统吞吐率。本文还给出了d l c 层自适应编解码系统的软件实现。测试以及仿真表 明，该系统的编码方式能够有效跟踪信道的误码率特性。 另外，本文在介绍f p g a 设计的基础上，设计了r s 码的编译码器，并给出了 译码器的仿真结果。结果表明，该r s 译码器能够有效减少f p g a 的资源占用。 关键词：无线a t m ；自适应差错控制；级联码；r s 码；f p g a 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y ，t h er a p i d l yd e v e l o p m e n to fm o b i l em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o nh a v e p r o v o k en e wr e q u i r e m e n to nb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s w i r e l e s sa t m w a s s a wa st h ea d d o nt o3 g ( u m t s 。f p l m t s ) b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s i n t e c h n o l o g y i nf a c t ，m a n yo v e r s e ap a p e r si n d i c a t e dt h a tw i r e l e s sa t mn a t u r a l l ya r e m o r es u i t a b l ef o rh i g h r a t e ( 2 m b p s ) b r o a d - b a n dm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n st h a n3 gs y s t e m h e n c e ，t h er e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yi nw i r e l e s sa t m h a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i st h e s i sf o c u so nt h ee r r o rc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rw a t m i t i st h ee s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o ra t mt oe x t e n dt ow i r e l e s se n v i r o n m e n t d i f f e r e n ts e r v i c e ss u p p o r t e db ya t mn e t w o r k sh a v ed i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n t s q o su s u a l l yi sw e i g h e db ya c c e p t a b l em a x i m u md e l a ya n db i te r r o rr a t e t h i st h e s i s b r i n gf o r w a r d at y p e o f - s e r v i c e - b a s e da d a p t i v ee r r o rc o n t r o ls c h e m ef o rw i r e l e s s a t m k e yt e c h n o l o g i e si n c l u d el e v e l c l a s s i f i e df e c ，s e l e c t i v ea u t o m a t i cr e p e a t r e q u e s t ( s a r q ) a n da d a p t i v ec o d i n gt e c h n o l o g y i nd l cl a y e r o u re r r o rc o n t r o l s c h e m ep r o v i d ed i f f e r e n te r r o rc o n t r o lm e a s u r e sf o rd i f f e r e n tt y p e so fs e r v i c e f o r v o i c e ，o n l yc h a n n e l - l e v e lf e c i su s e d f o rd e l a y s e n s i t i v et r a f f i c ，ac o m b i n a t i o no f c h a n n e l - l e v e lf e ca n dc e l l l e v e lf e ei su s e d f o rd e l a y n o n s e n s i t i v et r a f f i c a c o m b i n a t i o no fc h a n n e l l e v e lf e ca n ds a r qi su s e d t h ea t mp r o t o c o ls t a c kw a sd e s i g n e df o ro p t i c a lf i b e r ，s oi t i se v i d e n tt h a t m a k i n g t h ew i r e l e s sl i n ks o n e t l i k et h r o u g ht h eu s eo fp o w e r f u lf e ci s v e r y i m p o r t a n tf o re f f e c t i v eo p e r a t i o no fa t mh i g h - l e v e lp r o t o c o l s i no u rs c h e m e ，f e c t e c h n o l o g ys e l e c t c o n c a t e n a t e dc o d e sc o m p o s e do ft h ec o n v o l u t i o n a lc o d e sw i t h v i t e r b id e c o d i n ga st h ei n n e rc o d ea n dr sc o d e sa so u t e rc o d e t h ec o n c a t e n a t e d c o d e ss h o we x c e l l e n tp e r f o r m a n c ec l o s i n gt os h a n n o nl i m i t t r a d i t i o n a l ，f e cw i l lu s eaf i x e dc o d e t om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t u n d e re r r o r p r o n ec h a n n e l ，t h i sf i x e dc o d eh a v et oc h o o s et h el o w - e f f i c i e n c yo n ew i t h p o w e r f u le r r o rc o r r e c tc a p a b i l i t y a c c o r d i n gt o t h et i m e - v a r i a b l ec h a r a c t e r so f w i r e l e s sl i n k ，w ed e s i g na na d a p t i v ec o d i n gs y s t e ma tt h ed l cl a y e r t h i sa d a p t i v e c o d i n gs y s t e mc a ns e l e c td i f f e r e n tc o d e sa c c o r d i n gt ot h es t a t eo fw i r e l e s sl i n k ，t h u s i m p r o v et h ec o d i n ge f f i c i e n c ya n ds y s t e mt h r o u g h p u tu n d e rt h ep r e m i s eo fm e e t i n g b e rr e q u i r e m e n to f1 0 一t h i st h e s i sa l s op r o v i d es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h e d l cl a y e ra d a p t i v ec o d i n gs y s t e m t e s t i n ga n ds i m u l a t i o ni n d i c a t et h a t ，t h ea d a p t i v e a b s t r a c t c o d i n gs y s t e mc a ne f f e c t i v e l yt r a c et h eb e r c h a r a c t e r so fc h a n n e l b e s i d e s ，w ed e s i g n e dt h er se n c o d e ra n dd e c o d e ro nf p g a s i m u l a t i o nr e s u l t s g i v e nl a t e rs h o wi t sv a l i d i t y k e yw o r d s ： w i r e l e s sa t m ；a d a p t i v ee r r o rc o n t r o l ；c o n c a t e n a t e dc o d e ；r sc o d e ； f p g a i i i l 目录 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1无线a t m 技术的研究背景l 1 2 差错控制技术简介3 1 3无线a t m 差错控制研究进展4 1 4本研究课题的主要内容与论文结构5 第二章无线a t m 及其增强协议模型7 2 1 无线信道的特点一7 2 2a t m 8 2 2 1 a t m 信元一8 2 2 2a t m 协议结构9 2 2 3 a t m 支持的服务类型及其q o s 要求9 2 2 4a t m 交换原理l0 2 3 无线a t m 面临的挑战及其增强协议模型1 1 2 4 无线a t m 关键技术l3 2 4 1 无线物理层14 2 4 2 无线介质访问控制( w m a c ) 1 4 2 4 3 数据链路控制1 5 2 4 4 移动管理l5 2 5本章小结16 第三章基于业务类型的无线a t m 自适应差错控制方案1 7 3 1设计依据l7 3 2 基于业务类型的无线a t m 自适应差错控制方案1 8 3 2 1 分层f e c 1 9 3 2 2 信元级a r q 2 0 3 2 3d l c 层自适应纠错编码技术2 2 3 3纠错编码方式的选择2 2 3 3 1信道编码定理和s h a n n o n 限2 2 3 3 2 卷积码2 3 3 3 3 r s 码2 5 3 3 4 级联码2 6 3 3 5 性能分析及编码方式的选择2 7 华南理t 火学硕+ 学位论文 3 4 本章小结3 1 第四章d l c 层自适应纠错编码系统的设计与实现3 2 4 1功能设计3 2 4 2 系统总体结构一3 2 4 3 不等保护( u n e q u a lp r o t e c t ) 及其实现3 4 4 4纠错编码方式3 5 4 4 1信头的编码方式及其性能分析3 5 4 4 2 净荷的编码方式及其性能分析3 6 4 4 3 各编码方式纠错性能的仿真结果一3 7 4 4 4r s 码纠突发错误性能分析3 7 4 5 数据链路层帧结构定义3 9 4 6 链路状态的估计4 0 4 6 1 c r c 的选择4 0 4 6 2 误帧统计周期一4l 4 6 3信道误码率与码率更新周期内错帧数目的关系一4 1 4 7 自适应编码控制机制4 2 4 8d l c 层自适应编码系统的软件实现4 5 4 8 1控制子模块4 7 4 8 2自适应编码子模块4 7 4 8 3自适应解码子模块4 8 4 9d l c 层自适应编码系统有效性的验证4 9 4 9 1基于s o c k e t 的网络编程4 9 4 9 2基于网络的自适应编解码系统仿真软件的设计与实现5 1 4 9 3d l c 层自适应编码系统有效性的测试和验证5 6 4 1 0d l c 层自适应编码系统的性能分析5 7 4 1 1 本章小结5 8 第五章f p g a 实现r s 码编译码器的研究5 9 5 1f p g a 设计简介一5 9 5 2r s 码的编码器实现一6 3 5 3r s 码的译码器实现6 3 5 3 1r s 码译码算法及译码器结构6 4 5 3 2仿真6 7 5 4 本章小结6 8 结论6 9 参考文献7l 目录 攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文7 4 致谢7 5 第一章绪论 第一章绪论 当今世界正处于一个飞速发展的时代，通信市场展现出蓬勃发展的势头。就 我国而言，截至2 0 0 3 年，我国固定电话用户和移动电话用户数已经位居世界首位， 互联网上网用户数位居全球第二。根据预测，至1 j 2 0 2 0 年我国的移动电话用户规模 将达到7 3 亿户左右。 同时，人们对通信业务的需求也呈现出新的特点，即移动性和高带宽。宽带 网络和无线通信已经成为目前两大热门的研究方向。随着无线通信技术的发展， “任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间( w h e n e v e r ) 可以同任何人 ( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e r ) 的通信 的5 w 目标正在由理想变成现 实。 1 1 无线a t m 技术的研究背景 随着社会的发展，固定电话业务趋于饱和，人们对通信的需求己不仅仅局限 于传统的话音和数据通信而希望有一个统一的宽带通信网络平台，能够支持集话 音、图像和数据为一体的多媒体通信服务( 比如视频会议( v i d e oc o n f e r e n c e ) 、区 域网络互连( l a ni n t e r c o n n e c t i o n ) 、多媒体通信、视频点播( v i d e oo nd e m a n d ) 、 网络电话等等) 。从目前的发展来看，这种需求与日俱增，宽带多媒体业务的需 求必将成为2 1 世纪电信业务发展的主流。据统比1 9 9 9 年全球宽带通信的收益达到 2 0 亿美元，己经与电话通信持平：而预计到2 0 0 5 年，宽带通信的收益将达到3 4 0 亿美元，将占到所有通信收益的8 3 。显然，无论是传统的以电路交换为为基础 的电话网还是窄带的综含业务数字网n i s d n 都不能满足这种需求，必须要有一 个全新的网络平台。宽带综合业务数字网b i s d n 正是为了满足这种需要而提出 的。1 9 8 8 年c c i t t 通过建议i 1 2 l ，给出了宽带i s d n 的概貌。为了以高效和高质 量方式支持各种业务，b i s d n 必须摈弃n i s d n 从现有网络演变而成的技术路线， 其技术核心需选用高效的传输、交换和复用方式。i t u t 最终选定了a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步传输模式) 作为b i s d n 的核心技术。 a t m 传输的优点使得其成为b i s d n 的支撑技术。a t m 技术综合了电路交换 方式实时性的特点和分组交换方式灵活适配的特点，固定了传送分组长度，使分 组传输开始时间离散化，并简化了分组头部，简化了交换节点功能，可以实现 高速信息传输和交换。同时，a t m 具有动态带宽分配与连接管理能力，实现了对 服务质量( q o s ) 的支持，具备综合多种业务的能力。从1 9 8 8 年国际电联正式命 华南理工大学硕+ 学位论文 名a t m 技术并推荐其为宽带综合业务数据网b i s d n 的信息传输模式，到九十年代 中期a t m 技术已基本成熟，由i t u 和a t m 论坛制定的相关国际标准也基本齐全， 很多电信设备厂商和计算机网络设备厂商均推出了商用化的a t m 设备。此后， a t m 网络的建设也得到了长足发展，全世界许多网络( 公用网或专用网) 都已安 装并使用了a t m 网络设备。到目前为止，a t m 技术已经日臻完善，已全面应用于 固定网中的骨干网( 光纤通信网) 中。 近年，除了有线领域多媒体业务的蓬勃发展，无线通信市场也显示强劲的发 展势头。特别是8 0 年代末第二代无线通信网( 数字蜂窝网) 的出现，将无线通信市 场推向空前繁荣。就我国而言，截至2 0 0 3 年6 月底，全国移动电话用户已达2 3 4 4 7 亿户，普及率为每1 0 0 人拥有1 8 3 部。经济发达地区移动电话普及率更高，如北京、 上海、深圳等城市达6 0 一8 0 。预计2 0 1 0 年全球移动用户将超过2 3 亿，其中中 国用户将超过5 4 亿，普及率接近4 0 。同时，随着多媒体和计算机应用的发展， 人们越来越关注移动通信业务的扩展以及设计一种新的下一代无线通信个人网 络，能够支持各种语音、视频及数据业务。用户对于更高的传输速度、多媒体能 力以及移动计算的要求越来越显著了。 无线通信的蓬勃发展，导致了系列无线通信网络技术标准的研制；其中一个 研究课题，就是如何将在有线网络中广泛应用的a t m 技术透明、无缝且有效地扩 展扩展到无线部分。人们希望b i s d n 的无线接入系统应该与a t m 主干网及智能网 相结合，利用固定的a t m 网络高效的、宽带的、综合的传输性能承载便携式移动 终端设备的无线接入，从而可以拥有一个统一的传输平台实现各种类型( c b r 、 v b r 、a b r 、u b r ) 和各种形式( 有线无线、固定移动) 的灵活的( 不受任 何时间、地域限制的) 信息交换。无线a t m ( w a t m ，w i r e l e s sa t m ) 就是在这样的 背景下提出的，并且成为了近年的一个研究热点。 无线a t m 的概念最先在1 9 9 2 年提出【引，现在已经被认为是能够支持集成的、 基于q o s 基础的多媒体业务的下一代无线网络的一种潜在技术。国内外学者普遍 认为，由于a t m 技术已全面应用于固定网中的骨干网( 光纤通信网) 之中，无线 a t m 技术在已有光纤通信系统的无线延拓中将大有用武之地。 为了推动无线a t m 技术的发展，i t u t 从1 9 9 8 年就开始做了大量的工作， 制定了无线a t m 的一些基本标准，形成了一系列的建议。与此同时，众多公司参 与的a t m 论坛( a t mf o r u m ) 也成立了专门的工作小组来制定无线a t m 相关标准。 a t m 论坛在2 0 0 0 年5 月推出了w a t m 规范1 o 的草案。i e e e 和e t s i 早在8 0 年代末就 在进行宽带无线局域网的标准化工作，并分别推出了各自的标准i e e e8 0 2 1 l 和 h i p e r l a n 。现在也准备修订其协议，以便于无线a t m 技术兼容。最近几年世界 上一些比较大的公司和研究机构也相继开展了无线a t m 技术的研究工作，如 b e l l 实验室的b a h a m a 系统，n e c 的w a t m n e t ，欧洲的m a g i cw a n d ，日本n t t 2 第一章绪论 的a w a 等。 w a t m 的总目标是设计整体的无线业务网络，以相对透明的、无缝的、有效 的方式提供无线业务，这种业务是基于光纤的a t m 网的延伸，系统应有业务等级、 比特率和服务质量等方面的控制能力。 无线信道是时变、频变信道，频率资源使用受限，因为传播损耗、多经衰落 以及外界干扰，具有误码率高、传输速率受限等特点，因而以a t m 为基础，开发 无线a t m 还需要探索和解决很多新的问题。总的来说，设计无线a t m 接入技术时， 我们应针对无线特性对常规a t m 技术作以下考虑； 1 无线资源极其匮乏，设计协议时应注意提高资源利用率： 2 无线通信环境恶劣，误码率高且具时变性，应自适应地采取不同编码策略 降低误码率以达到不同业务要求； 3 用户移动引起的位置管理和越区切换等问题。 本文主要是针对无线a t m 的差错控制机制进行了研究。 1 2差错控制技术简介 从信息量的观点考虑，人类语言的多余度是相当大的。由于语言的句与句之 间及每一句的各个字之间存在相关性，交流时无须接收对方的全部消息，就能判 断出哪一句、哪一句有错，从而判断出正确的含义。同时，如果由于错误很多而 难以理解，则可以要求对方重述一遍，从而正确理解对方的意思。在数据传输中 我们也可以借鉴这种思想，在发信端对欲传输数据序列按一定的规律加入多余码 元，使原来不相关的数据序列变为相关( 编码) ，并把信息元及其相关多余码元 一起传送。收信端根据信息元与多余码元之间的规则进行检验( 译码) ，从而发 现错误。然后，或者通过反馈信道要求对方重发有错的数据，以进行纠错，或者 由收信端的译码器自动把错误纠正。根据以上的信息交流思想，很自然就产主了 两种最基本的差错控制方法：前向纠错控韦i j f e c ，自动检错重传控锌j l j a r q , 4 1 1 5 s i 。 前向纠错f e c 控制是在发信端将数据信息按一定规则附加多余码元，组成纠 错编码；收信端收到码后，按预先规定的规则进行译码，以确定接收码组中有无 错误，若有错则确定其位置并进行纠正。这种方式的优点是：不需要反馈信道， 适用于单向通信，也适用于一点对多点的同播系统：译码迟延固定，较适用于实 时传输系统；控制系统简单。但该方式的译码设备比较复杂，并且所选择的纠错 码必须与所用信道的差错统计特性相一致，因此必须事先测定数据通信信道的差 错统计特性，选择合适的码，否则最终误码率很难达到要求。为了纠正比较多的 错误，则要求附加较多的多余码元；因而传输效率较低。 3 华南理t 大学硕士学位论文 自动检错重传a r q 又称判诀反馈或反馈纠错，发信端对数据信息进行编码， 加入一定多余码元使之具有一定的检错能力；收信端接收到码组后，按规则进行 检错判别，并把结果( 应答信号) 通过反馈信道送回到发信端。发信端根据应答 信号把收信端认为有错的那组数据再次传输。这种方式的优点是：因为只用检错 码，所以只需要少量的多余码元；理论上可以获得极低的输出误码率；所使用的 检错码基本上与信道的差错统计特性无关，对各种信道的不同差错特性，有一定 自适应能力，只要设计得好，都能达到设计中所要求的误码率；与f e c 的纠错译 码器相比，一般来说其成本和复杂性均要低。此种方式的主要缺点是必须有反馈 信道，因而不能用于单向传输系统，也难以用于同播系统；实现控制比较复杂； 对存储器的要求比较高：当信道误码率很高时，整个a r q 系统容易出现阻塞甚至 瘫痪；由于反馈重传的随机性，收信端数据随机到达，因此不适用于实时传输系 统l5 l 。 事实上，由于各种差错控制方法自身的优缺点，实际应用中很难单独采取某 种技术，而是采用各种技术互补结合豹办法来实现系统的性能提高，比如采用将 f e c 和a r q 这两种方法结合在一起的混合纠错方式( h e c ，h y b i de r r o rc o r r e c t ) 。 对于无线a t m 网络传输系统，其设计目的是提供无线方式的宽带综合数据业 务，这就决定了在无线a t m 差错控制研究中的两个基本出发点：解决无线信道误 码率高、时变、突发错误的特性；突出综合业务，其中涵盖的v b r 、u b r 、a b r 业务等具有不同的服务质量要求，新的技术方案应能具体处理。 1 3无线a t m 差错控制研究进展 国外有不少文献对无线a t m 网络的差错控制技术做了一定的研究分析，比较 典型有以下几种1 5 6 1 ： 日本n t t 无线接入实验室在1 9 9 6 年提出了一种新无线a t m 信元结构，在传统 a t m 信元结构的基础上，针对不同业务中信头、净荷差错对信元传输影响不同， 提出各自独立纠错的概念，在信头、净荷比特序列之后紧跟冗余编码。由于该信 元结构在保持原a t m 优势的前提下有效克服了无线信道干扰问题，新结构提出后 很快得到大家的认可，并产生了很多基于该信元结构无线a t m 系统差错控制方案 【1 o 1 9 9 7 年，j b i b bc a i n 和d e n n i sn m c g r e g o r 在文献【l o 】中提出了一种应用于 w a t m 的差错控制方案，方案中将a t m 信元头( 含h e c ) 经过交织再送到信道编 码器中以离散解码器输出端的突发差错。该文论述了通过编码使无线信道对a t m 高层协议呈现出接近光纤的误码率特性的重要性，建议信道编码方式采用级联码。 4 第一章绪论 新加坡国立大学无线接入研究中心于1 9 9 8 年提出一种多级别混合差错方案。 该方案采用信元分组的方式，发信端将若干信元集合成一个信元组并进行简单检 错c r c 编码，然后对信元组进行交织编码以抵抗移动通信中深度衰落特性，最后 对交织后的信元组采用b c h 前向纠错编码，纠错码单独位于发送帧的尾部。收信 端接收过程进行解交织处理，同时对己接收信无组进行c r c 检错校验，当该接收 帧中的信息信元组接收完毕并校验无错时，收信端将反馈信号指示发信端剩余冗 余信无组丢弃处理，不必占用信遁资源。当发砚错误时，接收端将利用已陆续接 收的冗余信元组进行纠错，如果当前的冗余信息能够纠正己发现错误，收信端依 然反馈信号指示发信端剩余冗余信元组丢弃处理。该方案在保证信元丢失率的前 提下有效提高了信道资源利用率，有很高的实用性，其缺点在于实现的复杂性及 由此带来的较长的传输时延 1 。 美国a t l a n t a 大学1 9 9 9 年提出一种综合性增强型w a t m 差错控制力案，无线信 元结构较其它方案有很大的不一致，由m a c 域、信元序列号、压缩信头、宏信元 净荷、纠检错冗余编码五部分组成。在传输过程中，该方案综合了分集、检错重 传、前向纠错等多种手段来保证信元传输质量。事实上，由于该方案信元结构的 变化，可能满足了无线传输的要求，但从与实现光纤a t m 骨干网互联的角度来讲， 极大的增加了实际应用的控制复杂性1 。 美国k a n s a s 大学研究的无线a t m 系统r d r n 系统( t h er a p i d l yd e p l o y a b l e r a d i on e t w o r k s ) ，在r d r n 系统中使用了一种自适应数据链路控制协议，无线帧 由一个或多个a t m 信元组成，对于时延非敏感业务在d l c 层使用了a r q 技术，时 延敏感业务的误帧在接收端检错出来后被丢弃。该系统简单地把链路状态分为高 误码和低误码两种状态，当低误码时，无线帧打包多个信元以提高吞吐率，当高 误码时，差错重传每次传送n 个复制的无线帧。该系统对链路状态的估计根据一定 周期内接收的误帧数目1 9 l 。 此外，近年国内也有一些文献对无线a t m 的差错控制方案做了研究2 3 h 1 。 本文针对无线信道的特点以及无线a t m 支持的各种业务的q o s 要求设想了 一种基于业务类型的无线a t m 自适应差错控制方案。详见论文阐述。 1 4 本研究课题的主要内容与论文结构 无线a t m 广泛的应用背景使得其成为了通信领域近年的研究热点之一。大多 数的研究围绕着无线a t m 对传统a t m 网络的两个方面的增强技术：即移动性支持 相关技术和差错控制技术。本文的主要研究对象是w a t m 的差错控制技术，它是 a t m 扩展到无线领域的根本技术之一。 传统f e c 方式采用一种固定的编码方式，为了获得恶劣信道下的传输性能， 5 华南理工大学硕士学位论文 只能牺牲效率而采用低效率的编码方式。本文就应用于无线a t m 的自适应差错控 制技术做了研究。针对无线信道的特点以及无线a t m 支持的各种业务的q o s 要 求，本文设想了一种基于业务类型的无线a t m 自适应差错控制方案，该差错控制 方案能够满足a t m 网络支持的各种类型业务的不同要求，并且使无线a t m 信道对 高层协议呈现出接近光纤的低误码率。该方案中信道编码方式基于卷积码和r s 码 的级联码，卷积码位于物理层，而r s 码位于数据链路控制层( d l c ) 层。在此基 础上，本文相对独立地在无线a t md l c 层设计了一个自适应纠错编解码系统，该 系统适用于时延敏感业务，并且易于实现。该d l c 层自适应纠错编解码系统能够 评估无线信道的状态，自适应的采取不同的r s 编码方式，在保证解码后误码率低 于1 0 。6 的前提下，最大化传输通道的吞吐量。信道的状态评估采用了较简单的方 式，即通过c r c 校验判断一定时间内的错帧数目来实现。本文还设计并实现了一 种基于网络的验证无线通信系统性能的仿真软件，并论证了自适应编码系统的性 能和可行性。最后，本文还就r s 码的f p g a 实现做了探讨。 本文按如下方式组织： 第一章是绪论，主要介绍了无线a t m 的研究背景和无线a t m 差错控制技术的 研究进展，还就差错控制技术做了简要介绍。 第二章首先描述了无线信道的特点，然后简要介绍了a t m 协议、支持的业务 类型及a t m 传输的特点，之后主要就无线a t m 相对于固定a t m 网络的不同之处 以及无线a t m 的关键技术做了描述。 第三章提出了一种基于业务类型的无线a t m 自适应差错控制方案，简要阐 述了该方案的几个关键技术，如分级f e c 、信元级a r q 和d l c 层自适应编解码 技术。本章还在分析几种编码方式性能的基础上选择了系统整体的f e c 方式。 第四章主要讨论d l c 层自适应纠错编解码系统的设计和软件实现，分析了d l c 层自适应纠错编解码系统的性能，并给出了测试和仿真实验结果。本章还介绍了 测试自适应编解码系统有效性的基于i n t e n e t 的仿真软件的实现。 第五章在介绍f p g a 设计的基础上，设计了r s 码的编译码器。最后给出了译码 器的仿真结果。 最后是结论、参考文献和致谢。 6 第二章无线a t m 及其增强协议模型 第二章无线a t m 及其增强协议模型 光纤与无线信道是两种截然不同的传输媒介，将基于光纤设计的a t m 延拓到 无线领域必然面临很多问题。本章将重点叙述无线a t m 与传统a t m 的不同之处。 2 1无线信道的特点 在移动通信中，移动台甚至基站都可以是移动的，移动通信的移动性特点导 致了接收信号的多普勒频移，即接收信号频率的移动，它与基站与移动台之间的 相对运动速度成正比。另外，移动台处于复杂地形或城市建筑群之中，电磁传播 的形式很复杂，有直射、反射、绕射、散射、折射等等各种传播形式，一个通过 无线信道传播的信号往往会沿着一些不同的路径到达接收端，这一现象称为信号 的多径传输。多径传输导致了信号在不同维( 时间、频率、空间) 的扩展，即称 为多经效应。多经效应体现为：各个多经分量产生了不同的多普勒频移( 对于运 动的移动台或基站) ，从而引起接收信号的随机频率调制：不同径的接收信号时 延不同，从而在时域上造成接收信号波形的展宽，即时延扩展；多经信号到达天 线阵列的到达角度得以展宽，引起信号的空间选择性衰落。 无线信道体现为一种时变信道，对无线电信号场强的衰落影响可以归纳为三 类1 1 5 1 ： 1 ) 自由空间的路径损失或传输损失，与距离有关： 2 ) 阴影衰落：常称为慢衰落，也称为长期衰落，主要由于传输环境中地形的起伏、 建筑物和其它障碍物对电波的阻塞而引起； 3 ) 多径衰落：常称为快衰落，又称为短期衰落或r a y l e i g h 衰落，主要由于信号的 多径传输而引起。 无线通信环境是一个开放的环境，无线信号受到各种外界噪声和干扰的影响， 同时也作为干扰影响其它用户通信或其它无线电通信系统。无线信道是一个干扰 受限信道，频率资源异常珍贵。 因此，无线通信环境是非常恶劣的，无线信道与有线信道差别很大，体现出 了高误码率( 突发错误以及随机错误) 、带宽受限、时变的特点。无线通信的差 错控制技术应当针对这些特点来设计。 7 华南理工大学硕十学位论文 2 2a t m a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，即异步传输模式) 是一种面向连接的快 速分组交换技术。a t m 具有各种综合能力，包括业务综合( 话音、数据和图象) ， 网络综合( 从桌面、局域网到广域网) 和技术综合( 传输、复用、交叉连接和交 换的综合) ，它集中了电路交换和分组交换的特点，具有端到端的连接性，可以 保证语音、数据、图象以及多媒体信息传输的服务质量( q o s ) ，同时它还有完 善的流量控制和拥塞控制，灵活的动态带宽分配与管理，自愈能力强以及安全等 优点。a t m 虽然结构复杂而且价格昂贵，但它可以综合所有的电信业务( 包括话 音、数据和图象) ，并可实现到桌面。 2 2 1a t m 信元 a t m 基于光纤设计，数据包采用等长的信元形式，信元长度为5 3 字节，其中 5 字节信头，4 8 字节是信息段。a t m 信元结构如图2 一l 所示。 v p i 、伊iw i v a 、，c if r r i c l p 麟 ( a ) u n i 的信元接口的结构( b ) n n i 接1 2 1 的信元结构 图2 1a t m 信元结构 f i 9 2 一l a t mc e l l 各字段说明如下： g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) ：4 位，只用于u n i ( 用户网络接口) ，进行一般 流量控制，防止信道过载。 v p h 虚路径对于u n i 为8 位，每个主机可以定义2 5 6 条虚路径。n n i ( 网 络网络接口) 使用的v p i 为1 2 位，每个a t m 交换机可以定义4 0 9 6 条虚路径。 v c h 虚信道一1 6 位。 p t ( p a y l o a dt y p e ) ：3 位，净荷类型。 c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) ：i s ，发生信元冲突时