（通信与信息系统专业论文）宽带多媒体atm卫星mac协议研究(1).pdf

哈尔滨丁业大学t 学硕 学位论文摘要宽带卫星通信是当前通信技术最为重要的一个发展方向。宽带卫星网络的媒体接入控制协议( m a cp r o t o c 0 1 ) 在保障各类业务服务质量的同时，对提高卫星信道的利用率起着重要作用，对宽带卫星网络m a c 协议的研究是宽带卫星网络技术的重要研究课题。对于宽带地球同步轨道( g e o ) 卫星网络，较大的传播时延使得在保障卫星信道利用率的同时，减小业务的端到端时延成为宽带g e o 卫星网络m a c 协议研究的重点。本论文首先分析了当前国内外一些常用的m a c 协议的应用情况，提出了一种在宽带多媒体卫星a t m 网络下的适合多种业务传输的m a c 协议，它是基于m f t d m a ( m u l t i p l e f r e q u e n c yt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 的、通过随机预约和捎带预约结合、按需分配和自由分配结合实现的，完成了对不同业务的等级区分服务。同时也简单地介绍了这些多媒体业务的一些分类及应用。论文通过对适合于卫星网络中多媒体应用的几种常用m a c 协议的研究，如：c f d a m a r a 、c f d a m a p bm a c 协议等。简单分析讨论了这些协议的基本模型、地面接入控制和星上资源分配算法、适用范围以及优缺点等，通过它们的比较，迸一步得出了这些m a c 协议在宽带卫星网络下的应用情况。同时，本文通过对该课题的研究背景的分析，在原有基础上改进得到一种适合多媒体业务的c r r a p ( c o m b i n e dr a n d o ma n dr e s e r v a t i o na c c e s sp r o t o c 0 1 ) 协议。它是基于m f t d m a 的、由随机预约和捎带预约结合、按需分配和自由分配结合起来实现的，针对不同业务特点和q o s 性能要求实行不同的预约接入方式，不同的实时性和业务负载量实行不同的资源分配策略。论文通过对c r r a p 的协议模型和资源分配算法的进一步分析，提出了这种协议的接入控制和资源分配算法。并且，还分析了它的一些延时特性、信道利用率和吞吐量特性。最后，论文结合本课题的应用背景给出了所采用的m a c 协议分析模型，并通过仿真分析其工作过程和性能。同时，进一步总结j 该m a c 协议的适用范围及应用前景，并讨论了未来一代的宽带多媒体卫足通信网络中的m a c 协议的发展趋势。关键词卫星通信；多媒体技术；a t m ；m a c 协议：m f t d m a喻尔滨t 业人学t 学碳+ 学位论义a b s t r a c ti nr e c e n ty e a r s t h e r ei si n c r e a s i n gi n t e r e s ti nt h er e s e a r c ha r e ao fb r o a d b a n ds a t e l l i t en e t w o r k i nb r o a d b a n ds a t e l l i t en e t w o r k ，m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li se m p l o y e dt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fs a t e l l i t ec h a n n e lw h i l eg u a r a n t e e i n gt h eq u a l i t yo ft h eb r o a d b a n ds e r v i c e s r e s e a r c ho fm a cp r o t o c o lp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e i nb r o a d b a n ds a t e l l i t en e t w o r k s ot h ea p p l i c a t i o no fs o m em a cp r o t o c o ln o w a d a y sw a sa n a l y z e d aw i r e l e s sm a cp r o t o c o lw a sp r e s e n t e di nt h ep a p e r ，w h i c hc a l la d a p tt om u l t i m e d i at r a f f i ci nt h eb r o a d b a n dm u l t i m e d i as a t e l l i t ea t mn e t w o r ka n da d o p tc o m b i n e dr a n d o ma n dp i g g y b a c k e dr e s e r v a t i o n c o m b i n e dd e m a n da s s i g n m e n ta n df r e ea s s i g n m e n tb a s e do nm f t d m a i tr e a l i z e dt h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e dt h es o r ta n da p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i at r a f f i c s o m ec o i i u t i o nm a cp r o t o c o li nt h ew i r e l e s sm u l t i m e d i an e t w o r kw a sa n a l y z e di dt h ep a p e r , s u c ha sc f d a m a r a ，c f d a m a p ba n ds oo n ，t h ea r t i c l ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e dt h e i rm o d e l s ，a c c e s sc o n t r o lo ng r o u n d ，r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mo nb o a r da n dt h ec h a r a c t e r i s t i c ，a n dm o r ea n a l y z e dt h e i ra p p l i c a t i o n sb yc o n t r a s t i n gt h o s em a cp r o t o c o l 。a n db ya n a l y z i n gt h eb a c k g r o u n dam u l t i s e r v i c em a cp r o t o c o lc a l l e dc r r a pi nt h ew i r e l e s sn e t w o r kw a sa l s op r e s e n t e db a s e do np r e s e n tp r o t o c 0 1 i ta d o p t sc o m b i n e dr a n d o ma n dp i g g y b a c k e dr e s e r v a t i o n ，c o m b i n e dd e m a n da s s i g n m e n ta n df r e ea s s i g n m e n tb a s e do nm f t d m a ，a n du s e sd i f f e r e n tr e s e r v a t i o na c c e s sa c c o r d i n gt od i f f e r e n ts e r v i c ec h a r a c t e r sa n dq o s ，a n dd i f f e r e n tr e s o u r c ea l l o c a t i o ns t r a t e g ya c c o r d i n gt od i f f e r e n td e l a yp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n ta n dt e r m i n a ll o a d s c r r a pm o d e l sr e a l i z a t i o na n dr e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mue r eg o ti nt h ea r t i c l e ，a n di t sd e l a y ，c h a n n e lu t i l i z a t i o na n dt h r o u g h p u tp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e d a tl a s t ，t h em a cp r o t o c o lm o d e lw a sp r e s e n t e di nt h i sb a c k g r o u n d ；a c c o r d i n gt ot h e s es i m u l a t i o nr e s u l t si ta l s oa n a l y z e dt h ew o r k i n gp r o c e s sa n dp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m ew es u m m a l i z e di t sa p p l i c a t i o na n df o r e g r o u n d i nt h ec o n c l u s i o nw ea l s od i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n to fm a cp r o t o c o lf o r t h en e x te r ab r o a d b a n dm u l t i m e d i as a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k k e y w o r d ss a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，m u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，a t m m a cp r o t o c o l ，m f t d m a哈尔滨_ 业人学工学坝二l 学化论文1 1 课题背景第1 章绪论宽带多媒体通信卫星系统是我国未来发展的新一代通信卫星系统。“新一代宽带多媒体通信卫星系统”被列为将来重点发展的民用通信卫星项目。2 0 0 1 年正式启动该项目的前期准备工作，2 0 0 2 年9 月1 2 日该项目的论证报告通过了由国防科工委组织的评审验收。2 0 0 2 年1 1 月该项目被困防科工委批准正式立项，由此该项目转入预研阶段。本课题研究的是通过具有星上处理和交换能力的同步卫星系统为全球提供高速数据、图像、电话、电视会议及多媒体等业务过程中媒体接入控$ 1 j ( m a c ) 问题。1 2 宽带多媒体卫星通信研究的目的和意义多媒体卫星通信，也称宽带卫星通信，指的是通过卫星进行语音、数据、图像和视像的处理和传送。它将成为未来全球信息结构的一个主要支柱。宽带多媒体卫星通信是当前卫星通信最为重要的一个发展方向，它一方面是社会需求的推动，另一方面又是现代卫星通信技术发展的结果。如果设计适当，一个卫星系统可以覆盖整个地球表面，非常有利于航空和海上的用户及偏远地区缺乏地球通信基础结构的用户，甚至适合于世界卜高密度电线区域，这给f 1 益拥挤的陆地连接提供了很好的通信保证，比起地面网络更能经济有效地提供宽带服务【2 】。卫星作为唯一能够实现全球无缝隙覆盖的通信手段，已成为人们关注的重点。卫星通信相对于其它通信方式而言还具有以卜特点：具有覆盖令球范围、按需分配带宽的灵活性、组播( m u l t i c a s t ) 和广播能力，它是给全球分散用户提供宽频带综合i n t e r n e t 业务的一个极好的系统，随着信息资源呈指数爆炸性增长，组播和广播方式是解决带宽资源不足的有效手段。通信费用与距离无关，不受地面自然灾害的影响，在地而网络出现故障时可以作为有效的通路保证通f i l ；的不间断1 3 1 。卫星地面站安装简单、快捷，可迅速在世界的任何角落实现多媒体通信。发展宽带多媒体卫星系统已成为当前通信的新热点之一。但要满足未米的需要，必须解决卫星通信网j 服务质量( q o s ) 有关的系统设计问题。为有效哈尔滨= ：= 业大学工学碰士学位论文传送i n t e r n e t 业务，有必要分析一下端到端的t c p 性能。同时，为了适合多媒体业务的应用，新的i n t e r n e t 结构和技术则需要提供高速和高质量的服务。地面终端通过星上交换机建立虚通道( v c ) 来传输a t m 信元。为实现有效的拥塞控制，除流控制和v c 管理外，地面终端还必须提供i p 网和a t m ；i 4 之间拥塞控制的机制，星上的a t m 交换机必须采用信元和v c 级的业务量管理机制，同时也要利用各种拥塞控制机制来实现有效的带宽利用，也要找到一种适合多媒体传输的m a c 协议来确保其服务质量，但是目前在算法上还在进行研究，这也正是研究本课题的目的和意义所在。1 3 宽带卫星网络及其m a c 协议的研究现状从世界卫星通信发展来看，i n t e r n e t 接入和企业内部网的发展是推动宽带卫星业务迅速发展的主要因素。商用卫星业务、直播卫星业务、甚小口径卫星终端( v s a t ) 以及分组数据传输、专用网络通信和移动卫星通信的应用都已获得成功。宽带卫星网络在满足i n t e r n e t 接入需求方面占有特殊的地位，在未来宽带网络市场占有重要份额，到2 0 0 8 年，全球多媒体卫星通信市场收入预计将达到4 4 0 亿美元。根据i n t e l s a t 统计，它的l5 空间段已用于1 n t e r n e t 骨干网。根据不同的分类标准，可以把宽带卫星通信系统进行如下分类：( 1 ) 中继型和面向用户型为了弥补地面高速链路的不足，中继型卫星可作为中继链路为分布在不同区域或国家间的宽带网络提供互连的能力，这就是所谓的“宽带岛互连”。面向用户型卫星通过用户网络接口( u n i ) 直接为大量的终端用户提供b i s d n 网的接入链路，尤其是对移动用户提供宽带接入能力，这时的卫星成为面向用户的“空中交换机”。( 2 ) 静止轨道、低轨道采用静止轨道具有卫星数量少、星座结构简单等优点，而低轨道卫星具有信道传输延时小、适合实时业务的优点。( 3 ) “透明”卫星通信系统和具有星上处理能力宽带卫星通信系统“透明”卫星对信号只是进行频率变换和功率放大，并不涉及到对信息本身进行处理，这种卫星缺乏网络灵活性。新一代的卫星将采用信道化处理、星上再生、信道的编译码和信息存储交换等多种处理能力，以大大提高信息传输质量和系统灵活性。卫星通信技术的发展与全球经济的发展是同步的，随着全球信息化的到来，交互式多媒体业务量迅速增加，全球卫星宽带多媒体通信成为国际 ：许2 啃尔灏业人学工学坝1 学位论义多有远见的公司注目的焦点，多种全球宽带卫星通信系统的出现将使卫星通信发生一次质的飞跃，目前出现的宽带卫星通信系统有s p a c e w a y 、t e l e d e s i c 、s k y b r i d g e 和i p s t a r 等。由于卫星网络设备昂贵，且卫星链路带宽资源紧张，所以在保障宽带网络各类业务服务质量的同时，如何有效地利用卫星链路的带宽资源，是宽带卫星网络技术所应解决的重要课题。宽带卫星网络的媒体接入控制协议m a cp r o t o c o l ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 的目标是高效、合理地分配各类型的业务连接，在保障各类业务服务质量的同时，使卫星信道的利用率达到最佳【4 “】。卫星网络的特有环境对媒体接入控制协议造成的影响主要有下面几方面：( 1 ) 卫星信道的长传播时延；( 2 ) 卫星信道的时变特征；( 3 ) 星上调度器的处理能力。卫星网络的特有特征，使得很多地面适用的媒体接入控制协议并不能有效的移植到卫星网络【6 j ：由于卫星信道的较大的传播延时，使得诸如地面局域网、广域网的媒体接八控制协议不再适合卫星网络；由于卫星信道与地面无线信道间较大的差异，使得以往在地面无线网络得到评估的媒体接入控制协议移植到卫星网络时，性能出现较大的改变，需要对移植的协议进行重新评估；由于卫星的星上处理能力有限，复杂的m a c 协议并不适合卫星网络。1 3 1 宽带卫星网络所支持的业务( 1 ) 实时可变比特率业务( r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t es e r v i c e ) 它用于承载实时话音及视频，要求较小的时延、时延抖动及分组丢失率。通常采片! j 固定带宽分配承载该类业务，当对端一端时延的要求可以较大时，可以采用按需分配d a m a ( d e m a n da s s i g n m e n tm u l t i p l ea c c e s s ) 方式。d a m a 方式可以提供几乎恒定的时延，时延抖动接近0 。( 2 ) 非实时可变比特率业务( n o n r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t es e r v i c e ) 它要求低的分组丢失率，没有时延及时延抖动的限定。d a m a 可高效的承载该业务。( 3 ) 恒定比特率业务铂：连接的持续期间，一般采用固定信道分配来承载恒定比特率业务( c o n s t a n tb i tr a t es e r v i c e ) 。( 4 ) p - i 用比特率业务( a v a i l a b l eb i tr a t es e r v i c e ) 它容忍较低的分组丢失，有时延限制，但要求没有实时可变比特率业务严格。1 _ 3 2 信源模型信源模型的选取对m a c 协议的性能评估及设计起着极其重要的作用。信源模型分为短时相关模型( s h o r t r a n g ed e p e n d e n tm o d e l ) 及长时相关模型( l o n g r a n g ed e p e n d e n tm o d e l ) ，短时相关模型的相关结构f c o r r e l a t i o ns t r u c t u r e ) 以指数或快于指数的速率衰减，而长时相关模型的相关结构以慢于指数的速率衰减。短时相关模型包括r e n e w a lm o d e l 、m a r k o vm o d e l 、m a r k o v m o d u l a t e dp r o c e s s e sm o d e l 及r e g r e s s i o nm o d e l 等。长时相关模型包括f r a c t i o n a la r i m a 、f r a c t i o n a lb r o w n i a nm o t i o n 及s u p e r p o s i t i o no fh i g hv a r i a b i l i t yo n o f f 等。采用离散事件驱动的计算机仿真时，信源模型可以尽可能精确描述真实的信源。关于信源模型的论述可见文献【9 1 3 】。1 3 3m a c 协议的分类m a c 协议在卫星通信应用中，主要分为5 类，分别是固定带宽分配方式、按需带宽分配方式、随机接入方式、联合接入方式以及自适应分配方式。下面分别作一下介绍。( 1 ) 固定带宽分配m a c 协议在固定带宽分配f a m a 协议( f i x e da s s i g n m e n tm u l t i p l ea c c e s sp r o t o c 0 1 ) 中，各个地面站的信道带宽分配是一个静态分配。固定分配技术主要有f d m a 、t d m a 和c d m a 。时分复用( t d m a ) ，频分复用( f d m a ) 属于e 交f a m a 协议，码分复用( c d m a ) 属准正交f a m a 协议。目前出现了较多采用c d m a 方式的m a c 协议1 1 4 。“。固定分配的优点是简单，而且延时小。但是，对于具有峰值平均比特率的v b r 信源来浣，如果分配的带宽等于峰值速率，那么当信源产生业务的速率低于峰值速率时，就会造成带宽资源的大量浪费，利用率非常低。而且，吐l 下带宽是固定分配的，协议不能适应信源的变化，而且在很长一段时间上信道只为个专门用户服务，这样就使得同时接入系统的用户数受到限制。但任传输静态或可预测的信源及系统中的地面站数目较少的情形下，f a m a 叻议可取甜很好的效果。( 2 ) 按需分配按需分配是根据地面站的【占求对带宽容量进行动态地分配，这种算法的旌本思慰是基于终端的需求别带宽进行预约，山此保证了带宽的高利用率。它由基本的两种方式，固定速率d a _ 乖e i 可变速率d a 。预约方式本身可以是固定的，也可以是随机的。按需分配技术主要有面向优先级的按需分配( p o d a ) s g l 面向f i f o 的按需分配( f o d a ) ，按需分配最适用于抖动容限可排队业务。尽管这种接入方式的利用率很高，但其缺陷却是来自地面终端发送带宽请求信令到卫星，直到目的地地面终端接收到数据这个时间段排队中的数据要经历大约0 5 s ( 在g e o 卫星中) 的长延时。但是，具有某种程度的延时和抖动容限的实时v b r 应用却能够使用这种技术。( 3 ) 随机接入m a c 协议在非竞争协议( c o n t e n t i o n f r e ep r o t o c 0 1 ) 中，每一个由调度器分配的传输都将是成功的。对于随机接入m a c 协议，并不能预先保证每一次传输的成功性，地面站采用自己的策略决定什么时候向信道传输分组。随机接入m a c 协议在信道负荷较低的情形下，能较好地满足地面站对信道资源的动态需求，但在信道负荷较高的情形下，由于分组碰撞的加剧，会浪费较多的信道资源。在最早的卫星分组网络中，业务分组、控制分组都以随机接入的方式接入信道。随机接入m a c 协议实现了较低的信道吞吐量性能，它主要包括a l o h a 和s l o t t e d a l o h a ，对于单纯的a l o h a 协议，能实现1 8 的信道吞吐量性能，时隙a l o h a 协议能实现3 7 的信道吞吐量性能1 1 7 。9 1 。随机接入m a c 协议不能承载实时业务，不能保障业务的服务质量( q o s ) 。f 4 1 联合接入技术多媒体业务既包括实时业务( 如话音和视频) ，又包括抖动容限业务( 如数据和图片) ，因此需要一种联合技术进行高效传送。联合技术的目的是为低负载条件和短消息( 如交互式数据会话中的询问消息) 提供快速接入，而在高业务负载时能获得卫星资源的高利用率。下面介绍几种典型的联合技术。联合随机预约接入综合了d a m a 预约和随机接入两种方式的优点，在这样一个系统中，卫星调度器根据终端的请求，将m f t d m a 槽分配给终端，终端可以随机接入未被预约的槽。随机预约方式利用预约方式的高利用率能够在低负载情况下得到较低的延时，在高负载情况下获得较高的信道利用率增益。带宽可被分为预约和非预约时隙，抖动容限业务可以在两种时隙上进行传递。这种接入技术的主要缺点就是调度器需要对可能发生碰转的随机接入信道进行监视，并且还需要一个可靠的碰撞检测机制，从而产生大处理时问和w 靠性的问题。联合固定按需分配接入，它指的是在系统中终端总是被确保一定量的i 链路带宽，剩f 的带宽则由d a m a 分配。分配给终端的固定带宽奄是晴尔滨t 业大学t 学顿十学位论文一个重要的因素，如果太少，与纯的d a m a 系统相比，就不会得到太大的改善；如果固定带宽太大，所分配的槽不被利用的可能性就会增加，从而造成带宽浪费。该系统的效率取决于系统负载和分配给终端的固定带宽量。联合自由按需分配接入( c f d a m a ) ，它是在具有固定分配或自由分配的联合按需分配中，未预约时隙或者是固定的，或者是自由分配的。c f d a m a 以其动态特性提供了较好的性能，通过将自由分配与按需分配结合起来，使得该协议在低业务负载和中等业务负载情况下提供了较短的延时，同时保留了d a m a 技术的高信道利用率1 1 ”2 l j 。在这些系统中，预约可以使预先分配的请求时隙，d a m a 根据终端的请求，将已预约的时隙分配给终端，剩下未被使用的时隙则将在地面终端之间，按照轮询方式或一些加权算法进行分配。( 5 ) 自适应分配协议信道的获取方式有非竞争与面向竞争预约两种协议，它们各有各的优点与缺点。评价协议的性能就是在低负载实现低时延，高负载情况下实现高的信道利用率。在自适应协议中，不但可以通过自适应子程序来控制竞争用户数，以此来减小碰撞，而且信道接入可以在随机接入与预约模式间动态切换。在竞争有限的协议中，地面站可以分为好几组，只有同一组的成员允许竞争接入分配给他们的时隙。如果某个成员接入成功，那么它将获取信道，并发送数据帧。只要没有碰撞，此用户在时隙a l o h a方式下连续的发送信息包。一旦有检测到碰撞，那么用户重传此数据包，并在紧接下来的数据包传输均采用预约协议。目前的宽带多媒体卫星网络，由于有些是实时性要求高的( 时延敏感)多媒体业务，如话音、视频、电视会议、远程教育和医疗等，必须采用预约接入，其他数据业务可以采用时隙a l o h a 接入方式；星上资源分配采用按需分配。由于按需分配还会有剩余带宽，那么为了充分利用空闲的信道资源，可以采用自由分配来满足其他未预约的用厂r 。所以说联合接入分配技术与自适应分配协议应该就是以后的重点发展方向，因为它们能联合随机接入与预约方式、按需分配和自由分配方式，能达到在低负载实现低时延，高负载情况下实现高的信道利用率。1 4 本文研究内容及结构本文在绪论部分介绍了该课题的一些应用背景，宽带多媒体卫星通信发哈匀 滨工业人学工学硕士学位论文展的意义和前景，国内外在该课题上的一些发展应用情况，同时也介绍了宽带卫星m a c 协议研究现状；在第2 章先是a t m 业务的基本介绍，针对本课题背景下所传输的多媒体业务的分类，简单介绍了常用的a t m 业务的分类，以及业务的性能指标要求；并对信道划分方案、接入技术方案和资源分配进行分析，为第3 章提出m a c 协议和资源分配方案打下基础。第3 章介绍了采用的帧格式和信道结构。并提出m a c 协议方案和资源分配方案。第4 章通过采用o p n e t 8 1 仿真软件对本课题中的m a c 协议进行仿真，分析了它的实现过程，并且得出了一定的结论：最后，对本课题的研究内容及结果做了一个全面的总结，同时对未来的m a c 协议和资源分配算法也提出了要求。本论文的结构安排如下：第1 章绪论；第2 章m a c 协议和资源分配分析；第3 章c r r a pm a c 协议及资源分配算法；第4 章m a c 协议仿真结果及性能分析；结论。喻尔滨t 业大学t 学坝十学位论文第2 章m a c 协议及资源分配算法分析2 1a t m 业务本课题研究的是针对多媒体业务的m a c 协议，其业务分类依据a t m业务的分类，所以，在此有必要简单地介绍一下a t m 业务。针对各种业务的不同特性，从通信质量上来划分，a t m 业务可以分为以下五类【2 2 1 。2 1 1a t m 业务分类( 1 ) 恒定比特率业务c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e s ) 业务是主要用于对时延和时延抖动要求严格的业务，比如实时话音和视频业务。c b r 业务要求网络能提供一种均匀带宽和低时延抖动的服务。而对于网络是否提供c b r 服务，主要是由接纳控制c a c f c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 来决定。网络有足够的空闲带宽，c b r 服务就被接纳入网：否则拒绝。c b r 的业务管理主要在业务连接时刻。同时，为了保证某一个连接的“非敌意性”，网络中应采用“漏桶法( 1 e a k yb u c k e t ) ”来监控c b r 业务流量。( 2 ) 实时可变比特流业务r t v b r ( r e a lt i m ev a r i a b l eb i tr a t e s ) 是主要用于对时延敏感、突发性大的业务，如m p e g 实时视频业务，由于a t m 业务常常具有较高的突发性，利用r t v b r 进行传输具有较大的复接增益，带宽利用率也很高。( 3 ) 非实时可变比特流业务n r t v b r ( n o n r e a lt i m ev a r i a b l eb i tr a t e s ) 业务是适用于对时延要求不严格的高突发性业务，n r t v b r 与r t v b r 一样也具有较大的复接增益和较高的带宽利用率。可变比特流v b r 服务也需要网络提供一定的带宽。接纳控制( c a c ) 的复杂程度与挑选一个小于业务峰值速率p c r ( p e a kc e l lr a t e ) 、大j 二业务平均速率s c r ( s u s t a i n e dc e l lr a t e ) 的值有密切的关系。只有当网络能提供该有效带宽( e q u i v a l e n tc a p a c i t y ) 时，v b r 、务 能进入a t m 网络。l 目为v b r 业务并没有直以峰值速率传输，所以其发送时可能剩余的带宽枕可分配给u b r 和a b r 业务。类似于c b r ，为- 8 了保证一个连接的“非敌意性”，网络中应该采用“双漏桶法( d u a ll e a k yb u c k e t ) ”来监控v b r 业务流量。由上面可知，如果网络中仅有c b r 和v b r 业务，那么该网络就可能不需要捌塞控制策略( t r a f f i cc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s ) 来保证业务流的有效传输，尽管如此，由于a t m 网络中还存在u b r 和a b r 业务，所以网络中应该采用相应的优先级方案来首先保证c b r 和v b r 业务的服务质量。( 4 ) 无特定比特流业务u b r ( u n s p e c i f i e db i tr a t e s ) 业务适用于一些数据业务流，它们没有严格的延时和丢失率要求。使用u b r 的业务无需定义自己的服务要求。u b r 业务也称为“尽最大可能服务( b e s te f f o r ts e r v i c e ) ”。出于u b r 服务不需要网络的任何监控措施，c a c 接纳控制时能更没有带宽要求，所以只要目的地址可达到且有空闲的v c i 连接标记，那么业务源总可以在a t m 网络中建立u b r 连接服务，由以上可以知道，u b r 连接可能会导致网络拥塞，所以u b r 的服务性能主要由网络对拥塞的处理策略来决定。f 5 ) 可用比特流业务早期的网络经验表明，a t m 层的拥塞控制方案可以较大幅度地提高网络资源的利用率，a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e s ) 业务是一种对网络环境变化而相应调整源业务进网比特速率的方案。它的引入可以有效地防止网络拥塞，提供低延时、低丢失的服务质量。a b r 业务主要是用于比u b r 业务要求更可靠的服务环境，如重要短数据传输和计算机服务器应用等。a b r 服务的每个连接可以规定一个最低服务速率m c r ( m i n i m u mc e l lr a t e ) 平d 一个峰值服务速率p c r ，而网络通过c a c 来决定是否接纳该a b r连接。- 玎以预见的是，将来的数据传输业务将主要采用a b r 服务模式。2 1 2a t m 业务的描述参数对于一个应用而言，a t m 网络提供的服务性能可以用下述的参数来表示【2 3j ：f a l 吞吐量：在每秒内网络发送给应用分组的比特数；( b ) 时延：通过网络各个部件( 交换机、交叉连接设备等) 的发送延时( 由网络的速率决定) 、传播延时( 由物理媒质决定) 和排队延时之和；( c ) 时延抖动：在一条连接卜分组延时的最大变化量；( d ) 信元丢失率：该j 、v 用所能忍受的最大信丢失率。( 1 ) 吞吐量网络吞吐量( t h r o u g h o u t ) 是指有效的网络带宽，通常定义为物理链路的传输速率减去各种传输开销，如物理传输开销及网络冲突、瓶颈、拥塞和差错等开销，它反映了网络的最大极限容量，测量内容与具体的对象相关。例如：在网络层，吞吐量可以表示为单位时间内接受、处理和通过网络的分组数或比特数。它是一种静态参数，反映了网络的负载情况。( 2 ) 延时这是衡量网络性能的重要参数，它可以采用多种方式来表示，这里主要是从端到端的延时。端到端延时是指发送一个分组到接收端正确接收到该分组所经历的时间，端到端延时包含了以下延时时间：传播延时、发送延时、接口延时。与延时有关的另一个性能参数是延时抖动( d e l a yj i t t e r ) ，它是指在一条连接上分组延时的最大变化量，即端到端延时的最大值与最小值之差。在理想情况下，端到端延时为一个恒定值( 零抖动) 。然而，延时抖动是不能避免的。对于连续媒体流的传输来说，应将延时抖动限制在一定的范围之内。这样，有利于改善所接收的音频和视频流的质量。( 3 ) 差错率它反映了网络传输的可靠性，它可以用三种方法来定义：第一种是位差错率( b e r ) ，即出错的位数与所传输的总位数之比；第二种是帧差错率( f e r ) ，即出错的帧数与所传输的总帧数之比；第三种是分组差错率f p e r ) ，即出错的分组数与所传输的总分组数之比。它们分别用于不同的网络协议层次上计算差错率。例如：在分组交换网中，其传输单位是分组，通常用p e r 计算差错率。服务质量( q o s ) 是一种抽象概念，用于说明网络服务的“良好”程度。由于不同的应用对网络性能的要求不同，对网络所提供的服务的期望值也才i同，这种期望值可以用一种统一的q o s 概念来描述。在不同的应用系统中，q o s 参数集的定义方法是不同的，例如可以使用以上的网络性能参数来定义q o s ，即q o s = 吞吐量，端到端延时，延时抖动，差错率l 。2 2 信道划分2 2 1 信道划分方法及多址接入方式刘通信资源的切割与分配也就是对多维无线信号空间的划分，在不同的维l 进行不同的划分就对应着不同的多址技术。常见的为有信号的时域，频域，1 、域以及各种扩展维，也就是对应着时分、频分、空分信道划分。信号哈尔滨t 业大学t 学硕十学位论文空间划分的目标是要使得各用户的无线信号之间在所划分的维上达到正交，这样这些用户就可以共享有限的通信资源而不会相互干扰。在实际应用中，往往不可能达到完全正交，只要准正交，即积分值趋近于零即可。多址技术所要解决问题的特点是：通信( 子) 网中的登记用户数常常远大于同一时刻实际请求服务的用户数。其实就是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。对应于常见的信道划分方法，多址技术为t d m a ，f d m a ，s d m a ，c d m a u 。( 1 ) 时分多址t d m a 它是指以时间为分割维度的一种多址接入方式。在卫星通信中，以上行链路为例，地球站只在规定的时隙内以突发的形式发射他的己调信号，这些信号在时间上严格按次序排列，互不重复。以实现不同的地球站在特定的时间内占用同一转发器。t d m a 系统中的各用户仅在所分配的时隙工作，可以共享频带资源，因此频谱利用率高，系统容量较大。同样是由于用户工作的非连续性，所以电源效率高。t d m a 系统的发射和接收均在不同的时隙，所以无须双工器。而且t d m a 系统还可以根据用户需求灵活地进行时隙分配。t d m a 系统的缺陷是由于发射速率较高，为了消除码闻干扰的影响需要采用自适应均衡；此外就是用于同步控制等的系统开销较大。( 2 ) 频分多址f d m a 它是应用最早的一种多址技术，每个f d m a 信道每次只能承载一路业务信息，在信道空闲时也不能被其他用户共享，频谱利用率较低，系统容量较小。f d m a 的路由通常由以下两种，即每条链路一个载波和每个发射站一个载波。( 3 ) 空分多址s d m a 它是一种新发展的多址技术，s d m a 实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束；这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位嚣的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。实际上，s d m a 通常都不是独j 使用的，而是与其他多址方式如f d m a 、t d m a 和c d m a 等结合使用：也就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些害址方式加以区分。( 4 ) 码分多址c d m a 它是种扩频多址数字式通信技术，通过独特的代码序列来建立信道，彼此信道间可以在频率和时间上重叠，但由于独特码良好晌l f 交性，彼此洲可以达到相互独立，互不t 扰。2 2 2 频率复用方法频率复用方法有很多种，有四色复用、极化等，下面就介绍一下这两种。( 1 ) l 五l 色复用在蜂窝通信系统中，为了避免相邻小区使用同一频率造成电波相互干扰( 即同频干扰) ，往往把各相邻小区采用两个频率a 、b 组成一组。当业务区域为面状时，无线电区域的组成方式就很多。若干小区按一定图形方案排列组合成整个服务区，按照重叠区的中心所围成的面积形状，可分为正方形、正三角形和正六边形1 2 ”，如图2 - 4 所示。为了确保相邻小区不干扰所需的最少频率数目如表2 一l 所示。表2 1 所需最少频率数单个区域形状所需最少频率数f 2 角形6正方形4正六边形3在进行蜂房网状的频率分配时，每个小区分给一个信道组，每个单位无线区群分给一组信道组。为了实现频率复用，不同的单位无线区群可以使用相同 v b r a b r ，在通信过程中采用a t m 技术，对所发送的信息统一采用字长为5 3 个字节的a t m 信元格式，每个信息包由相同数目的信元组成。针对本文中a t m 所定义的业务分类：c b r 、v b r 、a b r ，本文的c r r a p 协议采用的是带内预约信道结构，前面第2 章时分信道结构划分里已经介绍了。从捕获同步开始，当连接通过c a c ( c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 建立后，即用户成功接入以后，星上处理调度器根据其资源分配算法给每个连接分配带宽，资源分配算法包括s l o ta l l o c a t i o na l g o r i t h m 和s l o ta s s i g n m e n ta l g o r i t h m 前者是决定某个终端应得的时隙数，而后者是决定哪些时隙分配给终端，即哪个频率和时隙在一帧中的位置。3 2c r r a pm a c 协议方案c r r a pm a c 协议里包括协议层结构、采用的帧格式、定时捕获、信道结构及协议的算法。3 2 1c r r a pm a c 协议层结构卫星a t m 网络与地面的点对点a t m 网络的重要差别在于卫星网络使用了多址接入技术，而地面网络没有1 2 。多址接入方案对于卫星网络的性能起着举足轻重的重要作用。时隙分配进程的主要目标就是满足用户的q o s要求和i 链路利用率的最大化。一旦某个连接的一个信元被选择分配到m f t d m a 帧，那么剩下的工作就是网络的底层功能来分配特定的m f t d m a 时隙给信元。这些底层的功能就是所谓的m a c 协议的实现。卫星号喻尔滨工业人学工学硕上学位论义用的协议模型如图3 1 所示，主要分为a t m 标准层和卫星专用层，它们之间的接口采用v c i 和时隙分配功能。卫星专用层由物理层和卫星a t m 层组成，它们之问通过m f t d m a 信道和上行链路信道接入进行交互；而a t m标准层由a t m 层、a t m 适配层( a a l ) 还有用户层组成，其中适配层还是采用标准的a a l 适配。图3 1 卫星专用的a t m 子层3 2 2c r r a p 采用的帧格式( 1 ) 预约申请帧它的格式如图3 2 所示，纠错码用的是b c h ( 6 3 ，4 5 ，3 ) 。源地斛目的地址业务优先级预约申请时隙数b c h 编码( 18 b i t s )( 18 b i t s )( 2 b i t s )( 7 b i t s )( 1 8 b i t s )图3 - 2 预约申请帧格式( 2 ) 数据帧它的格式如图3 3 所示，采用分开保护方式。信元头纠错码采用b c h ( 6 3 ，3 9 ，4 ) ，信息部分采用r s ( 5 6 ，4 8 ) 8 。畸尔滨丁业大学工学硕十学位论文a t m 信元头捎带时隙数连接结束符b c h 编码信息段r s 编码( 3 2 b i t s )( 6 b i t s )( 1 b i t s )( 2 4 b i t s )( 3 8 4 b i t s )( 6 4 b i t s )图3 - 3 数据帧格式( 3 ) 下行应答帧它的格式如图3 - 4 所示，信元头纠错码采用b c h ( 6 3 ，3 6 ，5 ) 。其中f o r d 为区分按需分配、自由分配和随机接入应答的标志；a c k 为应答标志。l 时隙分配目的地l帧号l 时隙号f o r da c kb c h 编码( 18 b i t s