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无线交互电视系统关键技术研究 摘要 交互业务是数字电视业务中非常吸引人的业务。d v b 组织提出的d v b r c t 标准，利用 地面回传信道来实现交互业务，构建无线交互式电视系统。无线交互式地面电视系统是类蜂 窝网络，无线地面信道共享接入，不同的接入控制协议对其性能有直接影响：为了实现接入 的公平性，必须采用公平灵活的调度算法；为了提高吞吐量，降低信道错误的影响，差错控 制机制也不可缺少。本论文主要对这三个方面进行了研究。 论文首先介绍了交互式电视系统 i i d v b r c t 协议，并概述了无线协议设计的主要内容 及该领域的一些相关工作。根据无线交互式地面电视系统的特点，本论文分别为信道接入协 议、无线调度算法和无线差错控制机制建立了系统仿真模型。这些模型是分析本文提出的动 态随机信道预约协议、无线公平调度算法和无线差错控制机制的基础。 在第三章研究了用于无线交互式地面电视系统的媒介接入控制( m a c ) 协议。由于无 线交互信道频带非常有限，而且备用户共享，所以必须要设计有效的m a c 协议来支持各种 业务。此外，多媒体应用要求保证网络的延迟和抖动，这就要求设计可以支持多媒体业务的 m a c 协议。本文提出了动态随机信道预约( d r c r ) 协议，此协议是针对按需分配协议的信 道预约机制。按需分配协议有建立连接的包头和呼叫接纳，非常适合支持有服务质量保证的 多媒体业务。为了提高按需分配m a c 协议的效率提高信道利用率，本文引入了发送几率 的概念。不同的业务具有不同优先级，一个请求时隙按概率分给不同业务使用，这样可以提 高空闲请求时隙的利用率。根据发送几率的概念，提出t d r c r 协议。d r c r 协议观察业务 条件，利用当前业务条件的信息为不同的请求时隙分配发送几率。根据发送几率，用户终端 可以选择利用率较低的请求时隙，因而大大提高了空闲请求时隙的利用率。对d r c r 协议和 按类分配请求时隙( r s c a ) 机制进行了仿真比较，仿真结果表明，- 与r s c a 机制相比，d r c r 协议对请求响应的速度更快，并且在业务流繁忙时能够更高放地处理业务。 由于无线网络中的链路错误率和容量是不断变化的，因而需要为交互式电视系统设计无 i 线调度算法，实时调度业务流传输，以保证业务的q o s 要求。在蜂窝环境下，已经提出了很 多方法，在解决无线信道突发错误的同时，达到系统公平的目的。但针对无线交互式电视系 统环境提出的无线调度方法还比较少。本文提出了基于自适应f e c 的公平调度( a f w f s ) 算法，这一调度算法考虑到无线媒介突发和时变的信道错误，以及变化的信道容量，能够提 高无线信道上的吞吐量，在不同优先级的业务流之间保证公平，同时满足不同业务的q o s 要 求。a f w f s 算法由自适应f e c 算法，无线包调度算法( 包括a r q 机制) ，及单步信道预测 三部分组成。核心是自适应f e c 算法。f e c 算法可咀在信道预测的基础上自适应地改变f e c 比率，以提离系统吞吐量。本文针对a f w f s 算法及其它四种不同的机制进行了仿真比较， 仿真结果显示，a f w f s 算法在五种机制中性能最优越，大大提高了系统的公平性和吞吐量。 其中自适应f e c 算法提高了系统的吞吐量，w p s 调度算法保证了系统范围的公平性，k c q 机制保证了包的可靠传输，而单步预测算法提高了 f e c 自适应的准确度，降低了传输错误。 无线交互式地面电视系统应当支持多媒体业务( 话音、图像和数据等) 的综合传输，但 是无线信道的突发和时变特性限制了无线链路中的数据传输速率，数据传输误码率高，错误 呈突发分布，这些对系统的- 陛能有很大的影响，因此，有效而适合多媒体业务在无线信道传 输的差错控制机制，对于交互式地面电视系统的通信来说是十分重要的。在无线交互式电视 系统中，为了在无线信道上完成高可靠性的数据传输，在第五章提出了一种比率自适应i 类 混合a r q ( h a r q ) 机制，可以根据不同的信道条件，自适应地改变f e c 编码比率。将这种 机制的吞吐量和延迟性能与固定比率i 类h a r q 机制及渐增冗余重传( i r r ) 1 1 类h a r q 机$ 4 进行了比较，仿真结果表明。与固定比率i 类h a r q 机制相比，比率自适应i 类h a r q 机制的 吞吐量性能有显著提高延迟也较低。与i r ei i 类i - l 虹r q 机制相比，尽管吞吐量略低，但延 迟性能较好，缓冲要求也较低更适合于无线交互式电视系统的实时业务。 关键词： 无线交互地面电视系统发送几率信道预约自适应f e c 无线调度差错控制 i i r e s e a r c ho nt h ek e y t e c h n o l o g i e so f w i r e l e s si n t e r a c t i v et e l e v i s i o ns y s t e m a b s t r a c t i n t e r a c t i v es e r v i c ei st h eq u i t ea t t r a c t i v es e r v i c eo f d i g i t a lt e l e v i s i o n d v b - r c t , p r e s e n t e db y d v bc o n s o r t i n m ，m a k eu s eo ft e r r e s t r i a lr e t u mi n t e r a c t i o nc h a n n e l t o o r g a n i s e w i r e l e s s i n t e r a c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n ，a n ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fi n t e r a c t i v es e r v i c e w i r e l e s s i n t e m c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e mi ss i m i l a r t ot h eh o n e y c o m bn e t w o r k ，t h ew i r e l e s s t e r r e s ；t r i a lc h a n n e li ss h a r e dt oa c c e s s ，i t sp e r f o r m a n c ei sd i r e c t l yi m p a c t e db ym e d i aa c c e s s c o n t r o ld r o t o c 0 1 f o rt h ef a i r n e s so fa c c e s s ，i ti sn e c e s s a r yt oi m p l e m e n tf a i ra n df l e x i b l e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ee r r o rc o n t r o l m e c h a n i s mi s i m p o r t a n t t oi n c r e a s et h r o u g h p u ta n d d e c r e a s et h ei m p a c to fc h a n n e le r r o r s t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni s f o c u s e do nt h e s e t h r e ea s p e c t s a tt h eb e g i n n i n go fd i s s e r t a t i o n ，t h ei n t e r a c t i v et e l e v i s i o ni si n t r o d u c e d ，t h e nd v b _ r c t , t h e w i r e l e s s d r o t o c o la n di t sr e l e v a n t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fw i r e l e s sh a t e m c t i v et e r r e s t r i a l t e l e v i s i o ns y s t e m ，t h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l sf o rc h a n n e la c c e s sp r o t o c o l ，w i r e l e s ss c h e d u l i n g a l g o r i t h m a n dw i r e l e s se r r o rc o n t r o lm e c h a n i s ma r e f o u n da st h eb a s i so fa n a i y z i n gd y n a m i 。 r a n d o mc h a n n e lr e s e r v a t i o np r o t o c o l ，w i r e l e s s f a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a n dw i r e l e s se r r o r c o n t r o lm e c h a n i s m ，w h i c hp r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o n m e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lu s e di nw i r e l e s si n t e r a c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e mi s r e s e a r c hi nc h a p t e r3 s i n c et h ew i r e l e s si n t e r a c t i v ec h a n n e li sb a n d - l i m i t e da n ds h a r e dt oa c c e s s ， i ti sn e c e s s a r yf o rm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o lt os u p p o r td i f f e r e n tk i n d so ft r a f f i c s t h ed e l a y a n dj i t t e rp e r f o r m a n c eo fn e t w o r ka r er e q u i r e df o rm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n t h es p e c i a lm a c p r o t o c o l sa r ee s s e n t i a l t os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i as e r v i c e s d y n a m i cr a n d o m c h a n n e lr e s e r v a t i o n ( d r c r ) p r o t o c o li sp r e s e n t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n a sc h a n n e lr e s e r v a t i o n t p o l i c yo fd e m a n da s s i g n m e n tm a cp r o t o c 0 1 t h ed e m a n da s s i g n m e n tm a cp r o t o c o l s ，w h i c h h a v ec a l la d m i s s i o na n dp a c k e th e a d e rt os e tu pc o n n e c t ，a r es u i tt os u p p o r tm u l t i m e d i at r a f f i c s ， w h i c hr e q u i r eq u a l i t yo fs e r v i c e f o ri n c r e a s i n gt h ep e r f o r m a n c eo fd e m a n da s s i g n m e n tm a c p r o t o c o l s ，a n di n c r e a s i n gt h ec h a n n e lu s a g e ，t h ec o n c e p to ft r a n s m i tp r o b a b i l i t yi si n t r o d u c e d a c c o r d i n g l y ，d i f f e r e n tp r i o r i t ya s s i g n e dt od i f f e r e n tt r a f f i c et y p e s o n er e q u e s ts l o tc a r lb eu s e db y d i f f e r e n tk i n d so ft r a f f i ct y p e s ，w h i c hi n c r e a s et h eu s a g eo fi d l er e q u e s ts l o t s b a s e do nt r a n s m i t p r o b a b i l i t y ，d r c rp r o t o c o li sp r e s e n t e d d r c rp r o t o c o lo b s e r v et h es e r v i c eh i s t o r ya n da s s i g n t h et r a n s m i tp r o b a b i l i t yt or e q u e s ts l o t sb a s e do nc u r r e n tc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h et r a n s m i t p r o b a b i l i t y ，u s e rt e r m i n a l sc a nc h o o s et h er e q u e s ts l o t t h a th a sl o w e ru s a g e ，t h u si n c r e a s et h e u s a g eo fr e q u e s ts l o t t h ep e r f o r m a n c ea r ec o m p a r e db e t w e e nd r c rp r o t o c o la n dr e q u e s ts l o t c l a s sa s s i g n m e n t ( r s c a ) s c h e m e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hr s c as c h e m e ， d r c rp r o t o c o lo f f e r sf a s t e rr e s p o n s et or e q u e s t sa n dh i g h e re f f i c i e n c yw h e nh e a v i l ys t r e s s e d t r a f f i cf l o w s s i n c et h ev a r i a b l ee r r o rr a t ea n dv a r i a b l ec a p a b i l i t yo fw i r e l e s sn e t w o r k ，t h ew i r e l e s s s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi si m p o r t a n tt ow i r e l e s si n t e r a c t i v et e l e v i s i o ns y s t e m i tc a ns c h e d u l et h e t r a n s m i s s i o no f t r a f f i cf l o wr e a lt i m et oe n s u r et h eq o sr e q u i r e m e n to f t r a f f i c m a n ym e t h o d sh a v e b e e np r e s e n t e du n d e rh o n e y c o m be n v i r o n m e n t ，t os o l v eb u r s t e r r o ro fw i r e l e s sc h a n n e la n d a c h i e v es y s t e ml e v e lf a i r n e s s ，b u tf e wf o rw i r e l e s si n t e r a c t i v et e l e v i s i o ns y s t e m a c c o r d i n gt o t h ef e a 乜】r e so fw i r e l e s si n t e r a c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e m ，t h ea d a p t i v ef e cb a s e df a i r s c h e d u l i n g ( a f w f s ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d i n t h i sd i s s e r t a t i o n i tc a r ld e a lw i t ht h eb u r s t ， t i m e - v a r i a b l ee r r o ra n dv a r i a b l ec a p a b i l i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l ，a n di n c r e a s et h et h r o u g h p u to f w i r e l e s sc h a n n e l a l s oi te n s u r e sf a i m e s sb e t w e e nd i f f e r e n tt r a f f i cf l o w s ，a n ds a t i s f i e st h eq o s r e q u i r e m e n to fd i f f e r e n tt r a f f i c si nt h e s a r l l et i m e a f w f si sc o m p o s e db ya d a p t i v ef e cr a t i o a d j u s t w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( i n c l u d ea r qs c h e m e ) ，a n do n e s t e p c h a n n e l p r e d i c t i o n t h ea d a p t i v ef e ca l g o r i t h mi st h ec o r eo fa f w f s ，c a na d a p t i v e l yc h a n g ef e er a t e b a s e do nt h er e s u l to fc h a n n e lp r e d i c t i o nt oi n c r e a s es y s t e mt h r o u g h p u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f a f w f sa l g o r i t h ma n do t h e rf o u rd i f f e r e n ts c h e m e ss h o wt h a ta f w f sa l g o r i t h mi n c r e a s e st h e s y s t e m f a i r n e s sa n dt h r o u g h p u t t h ea d a p t i v ef e ci n c r e a s e t h e s y s t e mt h r o u g h p u t ，聊s s c h e d u l i n ga l g o r i t h me n s u r e s t h es y s t e ml e v e lf a i m e s s ，a g qs c h e m ea s s u r e st h er e l i a b l e t r a n s m i s s i o no fp a c k e t ，a n dt h eo n e s t e pp r e d i c t i o na l g o r i t h mi m p r o v e st h ea c c u r a c yo fa d a p t i v e t v f e c ，a n dd e c r e a s e st h et r a n s m i s s i o ne r r o r s i ti sn e c e s s a r yt os u p p o r tm u l t i m e d i at r a f f i c s ( i n c l u d ev o i c e ，i m a g ea n dd a t ae t c ) f o rw i r e l e s s i n t e r a c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e m ，b u tt h ed a t ar a t eo fw i r e l e s sl i n ki sl i m i t e db ，t h eb u r s t a n dt i m e v a r i a b l ee r r o ro fw i r e l e s sc h a n n e l t h eh i g h l yd a t ae l r o rr a t ea n db u r s te l t o r sg r e a t l y a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m t h e r e f o r e ，t h ee f f e c t i v ee r r o rc o n t r o ls c h e m et h a t s u i tt o m u l t i m e d i at r a f f i ci nw i r e l e s sc h a n n e li sv e r yi m p o r t a n tt ot h et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s si n t e r a c t i v e t e r r e s t r i a lt e l e v i s i o ns y s t e m f o rt h ep u r p o s eo fh i g h - r e l i a b l et r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s sc h a n n e l s ， t h er a t e a d a p t i v e ( r a ) t y p e ih y b r i da r qs c h e m ei sp r o p o s e di nc h a p t e r5 i nt h i sm e c h a n i s m ， t h ef e cr a t i oc a na d a p t i v et ot h ec h a n n e lc o n d i t i o n s i t sp e r f o r m a n c eo ft h r o u g h p u ta n dd e l a yi s c o m p a r e dw i t hf i x e dr a t eh a r qm e c h a n i s ma n di n c r e m e n t a lr e d u n d a n c yr e t r a n s m i s s i o n ( i r r ) t y p e i ih a r qm e c h a n i s m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti th a sh i g h e rt h r o u g h p u ta n dl o w e r d e l a yw h e nc o m p a r e dw i t hf i x e dr a t eh a r qm e c h a n i s m w h e nc o m p a r e dw i t hi r rt y p e i i h a r qm e c h a n i s m ，e v e nt h o u g hi t st h r o u g h p u ti sal i t t l el o w e r , b u tt h ep e r f o r m a n c eo fd e l a yi s b e t t e ra n dh a v el o wr e q u e s tf o rb u f f e r i ti sm o r es u i t a b l et or e a l - t i m et r a f f i ci nw i r e l e s si n t e r a c t i v e t e l e v i s i o ns y s t e m k e y w o r d s ： w i r e l e s si n t e r a c t i v et e r r e s t r i a lt e l e v i s i o n s y s t e m ，t r a n s m i tp r o b a b i l i t y ，c h a n n e lr e s e r v a t i o n ， a d a p t i v ef e c ，w i r e l e s ss c h e d u l i n g ，e r r o rc o n t r o l v 上海交通大学学位论文答辩决议书 jl p 清者 任艳颖 i 所在学利( 专业)8 通信与信息系统 l i 论文题日f | 无线交鱼：电丰见系统芙键技术研究h i 答辩开期l l 2 0 0 5 0 9 2 9 0 答辩地点 i i 图像通信所 i i 答辩委员会成员 l l j ! 仆彤l 务l i 姓名i i i 韵；i l 所f l ：j r ：作单位备铂：签名 l 卜席 | | 张兆扬教授：海人学通信学院 无 s 弓帕稠 l 委员 0 毕厚杰教授6 南京i | 1 1 5 t 乜大学 无 堵螟刭 i 委员0 米文涛 教投| | l ：海交人l 乜ri ：程系 无 0 盘工唰 委员 f il i 治俐i i 研究员i 航灭集8 0 9 f i j | = 究j 昕 无 w 仇棚 l 委员 j l 周源华教授0 上海交人图像通信所 无 刚席矧 i 委员i i 徐友云教授i 瞰放军理_ | 1 人学i 无 彳参友三l l 蚕觇i i 蒯鹏飞 教授：渤交通人。尹 尤 l k “歹l 许诰平决议： 沦艾对丸线殳n 一i u 眦糸统。 工迫接八j l e 训趣算 上段差锚撺；l m 铸* 诎技术工! l = rr 较为深几的州觅， 返，l 均址：。1 | 1 i i 热ij f l + f l # l x 淋地。【- 证迅地 j ! i j i tj 【：1 1 哦川j 均f l - ie 蜚心义。 论文0 i 八发送儿牛的概念，) ln 此址i l i | i 。键j 础盘| ；i f i 制【 61 约汉( i ) r c r ) 匕使借请求延i i 、j 业m ， 拼j 晒舯l 】j 能性烨f i t ；挺j j ；j j j 站i vf e f 并”。，0 j l l 聃槲“j m 并 j 话h 9 j l 也剃按f e ci l 半，从 町抛, r hj 采鳓的仆| 鞋水i 稳出忡：摊j 7a i w f s 讨弘，一l ij u 抛糸统f i - 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r c t 是在v h f u h f 频带的无线地面回传信道系统，该系统采用多址接入正交频 分复用( m a o f d m ) 的接入方式。 d v b r c t 具有如下特点【5 ： d v b r c t 采用多址接入o f d m 方式，非常节省频谱，费用低，有效且灵活。 d v b r c t 可以配置很大的单元( 最高半径达6 5 千米) 。这种大单元所覆盖的区域与数 字电视广播信号的下行覆盖区域非常接近。在大单元配置下，其性能也能满足一般用户 的要求。甚至在覆盖区域的边界，也能为每个电视用户提供几千比特每秒的服务。 d v b r c t 也可以配置较小的单元，组成半径3 5 千米的稠密网络，为用户提供几兆比 特每秒的服务。 d v b 。r c t 可以处理突发率极高的业务。 d v b r c t 可以用于便携机器，可以在能接收到地面数字广播信号的任意地方提供交互 服务。 d v b - r c t 系统所用的频谱与基本的模拟和数字广播服务不发生冲突。 d v b r c t 能适用于不同的d v b - t 系统，如6 m 、7 m 、和8 m h z 信道。 d v b r c t 遵从交互式数字电视系统的模型，其系统功能框图如图1 2 所示 5 】。 由图1 2 可知，在d v b - r c t 中，交互的双方( 服务提供商与终端用户) 通过基站、机 项盒进行通信。播业务通过广播网络适配器( b n a ) ，经地面信道送到终端用户机项盒中 的广播接口模块( b i m ) 中。而用户在向服务提供商发送信息时，通过机顶盒中的交互接口 模块( i d “) 将信息发出，信息经过地面回传信道送到交互网络适配器( i n a ) 中，最终 送到服务提供商处。 d v b r c t 定义为两层，物理层和媒介接入控制( m a c ) 层。在进行系统仿真时，需要 根据物理层规范和m a c 层规范来构造系统模型。下面对物理层规范及m a c 层规范进行概 述。 1 2 1 物理层规范 d v b r c t 的物理层特性如下 j 翌生燮望查兰竖圭堂垡堡苎 图1 2d v b r c t 系统模型 f i g1 2d v b - r c ts y s t e mm o d e l 传输帧允许在d v b t 覆盖区内的多个用户同时接入； 在用户机顶盒和基站间的传输高容量、高频谱效率： 低发送功率( 低于l w ) ； 对电气干扰和一般干扰具有强鲁棒性； 机项盒单元的复杂度低( 即低费用) 。 d v b r c t 的物理层参数如表1 1 所示。 1 2 2m a c 层规范 d v b r c tm a c 层建在物理层之上，在交互式机顶盒和交互网络适配器之间提供可靠 和j g 享的传输链路。 m a c 规范规定了二种接入模式： 包模式，这是随机请求接入协议，由荩站根据所请求的数据速率进行资源分配： 连接模式，可以提供长明的资源保留。连接在应用前建立，在应用完成后解除，速率 # | 基站控制； 控制模式。在该模式下，基站发出轮询，并根据_ l j 户的响应米确定用户是否需要某种服 务。 4 第一章无线交互式电视系统 表1 1d v b r c t 物理层参数概要 t a b l e1 1s u m m a r yo fd v b - r c tp h y s i c a ll a y e rp a r a m e t e r s 下行信道( d s ) o f d m ，遵从e t s3 0 07 4 4 ( d v b t ) 6 2 回传交互信道多址接入o f d m 前向交互信道嵌在d s 中，遵从e t s3 0 07 4 4 ( d v b t ) o f d m 载波设置 1 0 2 4 ( i k ) ，2 0 4 8 ( 2 k ) o f d m 载波间隔( c s )约1 k ，2 k ，4 k 传输模式 6 种模式( 3 种c s 和2 种载波设置的组合) 载波形状 n y q u i s t ，矩形 保护间隔 1 4 ，1 8 ，1 1 6 。1 3 2 ( 仅对矩形载波) 传输帧 t f l ，t f 2 数据随机化伪随机二元序列( p r b s ) ，多项式为i + x 1 4 + x ” 调制 q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m 编码速率 1 2 ，3 4 每b u r s t 有用数据负载 1 8 ，2 7 ，3 6 ，5 4 ，8 1 字节( 1 b u r s t = 1 4 4 m o d u l 符号) 信道编码 t u r b o 或连接码( 里德，所罗门+ 卷积) 交织随机交织- p r b s ，多项式为i + x 3 + x ” b u r s t 结构 b s l ，b s 2 ，b s 3 频率跳跃仅对b s l ( 可选) 媒介接入机制m a s l ，m a s 2 ，m a s 3 ( b s 和t f 的组合) 每个载波的净比特率 0 6 k b s 一1 5 k b s ( 与模式有关) 每个用户可用的载波的最大数目 无限制 服务范围 最高达6 5 k i n ( 单元半径) 信道类型 支持6 、7 、8 m h z 信道 表12 列出了d v b r c t 系统m a c 层的主要参数。 在m a c 层，d v b r c t 系统应将上行流带宽按需要分配给有效用户。因此，在用户终 端和基站之间的基本协议如下： 1 协议使用t d m a 。 2 ，所有上行流传输可用的时间分为固定微时隙( m s ) 。 3 在f 行流，基站周期胜地发送后续帧微时隙的分配信息。 4 传输帧内包括用户终端发送到基站的请求，以及实际数据。用户通过竞争时隙发送请求 s 申请上海交通大学溥士学位论文 并通过预约得到的数据时隙发送数据。 5 为了确保公平，帧的长度必须大于或等于最远终端的延迟。延迟包括传播延迟，处理延 迟和在两端发