（信号与信息处理专业论文）aal2在第三代移动通信基站的研究与实现.pdf

摘要 ( 移动通信系统和宽带多媒体网络的发展使得在第三代移动系统中向移 动用户提供全球多媒体接入成为一种可能。在欧洲所谓的u m t s ( u n i v e r s a l m o b i l et e l e a o m m u n i c a t i o t 1s y s t e m ) 和i t u 的i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a l m o b i let e l e e o r r l m u n ic a t i o n s ) 的目标正是在于在全球的意义上提供多媒 体业务的高质量接入。对于新系统的标准化过程当前正在进行之中，制定 者主要包括i t u ts g ( s t u d yg r o u p ) 、e t s is m g ( e u r o p e a n t e le c o m m u n ic a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t es p e c i a lm o b i leg r o u p ) _ 乖n a ( n e t w o r ka s p e c t ) 组；等。j 在第三代移动系统中，接入网络将采用a t m ( 异步转移方式) 传输结构； 空中接口将采用宽带码分多址( w - c d m a ) 技术。u m t s i b l t 一2 0 0 0 的基本概 念之一是将接入功能从核心网络功能分开。接入网络向移动终端提供不依 赖于核心网络技术的接入平台。核一t l , 网络可能是基于g s m 的，提供到 i s d n p s t n 业务的接入；也可能是基于g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i 0 s e r v i c e s ) 的，提供到i n t e r n e t 或其它基于i p 的分组网络的接入。 考虑到移动电话的迅速发展和i n t e r n e t 访问的增加，其中的主要业务， 、- - _ _ _ _ - 。一 至少在3 g 移动系统中的早期阶段，将包括话音和i n t e r n e t 访问。当然这些 业务也被第二代移动系统所支持；在3 g 系统中，将以更复杂和大规模方式 地支持，同时提供不低于固定网络的服务质量( q o s ) 。接入网络中采用 了a t m 方式，和第二代系统中的s t m 方式有很大不同，所以流量控制功能也 复杂化了。了满足不同业务的q o s 需要( 特别是语音业务的延迟要求) ， 必须合理地规划传输网络，同时应该实施一定的流量控制功能。也 本文论述怎样构建基站的各种业务的交换硬件平台，以及用最近制定 了一种新的a t m 适配层：a a l 2 来适配和交换传输延迟敏感、低速率、短而 可变长度的分组( p a c k e t ) 。 关键词：a t m ，a a l ，a a l 2 ，基站，w c d m a a b s tr a c t t h ed e v o l o p e m e n ti t lm o b i l ec o n m u n i c a t i o ns y s t e ma n dw i d eb a n d m u l t i m e d i an e t w o r km a k e sp o s s i b l ef o rm o b i l eu s e f t oa c c e s st og o l b e r n u l t i m e d i as y s t e mi nt h e3 gm o b i1 ec o n m u n i c a t i o ns y s t e m u l d t sa n d i m t 一2 0 0 0a t ea i m e dt op r o v i d eh i g hq u l i t y a c c e s st om u t i l m e d i a s e r v i c e t h es t a n d a r a t i o no ft h en e ws y s t e misb e i n gp r o c e s s e db y i t u i nt h e3 gs y s t e m ，a t mt e c hi su s e df o ra c c e s s i n gn e t w o r k ，w - c d i a isu s e df o ra i ri n t e r f a c e o n eb a s icc o r l c e p t o fu m t s i m t 一2 0 0 0is t h es e p e r a t i o r lo fa c c e s sf u n c t i 0 1 2f r o mc o l en e t w o r k a c c e s sn e t w o r k p r o v i d eu ea c c e s sp l a t f o r mt e c hw h i c hisi n d e p e n tf r o mc o r et i e t w o r k i nc o r l s i d e r a t i 0 1 3o ft h eq u i c k l yd e v 0 1 e p m e n to fm o b i l ep h o n e ， a n dt h eir l c l e a s eo fi n t e r n e ta c c e s s ，t h em a i nt a s ko fn e ws y s t e l t l w i l lir l c l u d ev o i c ea n di n t e r n e ta c c e s s o fc o u r s e ，t h e s es e i v ic e s a r ea ln o s u p p o r t e db y 2 g i n3 gs y s t e m ，t h e s es e r v ic e sw i1l b e s u i 3 1 3 0 r 。c e dt l l o r ec o m l 3 1 e xa n d1 a r g e r a tt h es a m e 。c i m ei q _ e s y s t e r nw i l l p r o v i d es e i v i c eq u li 1 ；y a t1 e a s e e q u a l t op s t n b e c a u s eo ft h e i n t r o d u c t io i lo fa t m ，t h ef u c t i o no fo o sis m o r e c o m p l e x h o wt 0b u i l dt h es w i t c hp l a t f o r mw a sd is c u s s e di nt h ep a p e r ， a l s oar l e h a t ma d a p t i v el a y e ri si n t r o d u c e di nt h e p a p e r k e y w o r d s ：a t m ，a a l ，a a l 2 ，w c d m a ，1 3 t s n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 签名：兰阻裂l 日期：汶棚年；月午日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔! 由趁导师签名： 彩伊p 日期：沁饵月叶目 电子科技大学硕士学位论文 第一章引言 移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服 务。由于网络的发展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以 第三代移动通信的目标就是宽带多媒体通信。 第三代移动通信系统( 简称为3 g ) 是一种能提供多种类型、高质量 的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网 络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类 的通信系统。由于其诸多优点，全世界各个运营商、生产厂家与广大 用户对此产生浓厚的兴趣。第三代移动通信系统的目标可以概括为： ( 1 ) 能实现全球漫游：用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游， 且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务； ( 2 ) 能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频非 话等业务，特别是多媒体业务； ( 3 ) 能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、 综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统，来 提供无缝隙的覆盖； ( 4 ) 足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高 质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术 t e c h n o l o g y ) 提出了以下要求： ( 1 ) 高速传输以支持多媒体业务。 室内环境至少2 mb i t s ： 室内外步行环境至少3 8 4 k b i t s ： 室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s ： 卫星移动环境至少9 6 k b i t s 。 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 电子科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 传输速率能够按需分配。 ( 3 ) 上下行链路能适应不对称需求。 i t u r 第8 研究组的t g 8 l 任务组负责推进i m t 一2 0 0 0 无线电传输技术 ( r t t ) 的评估、融合工作。至1 9 9 8 年9 月，r t t 提案包括对m s s ( 移动 卫星业务) 在内多达1 6 个，到目前被国际电联采纳的有w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 。 1 1 三种体制比较 表1 13 种主要技术体制比较 制式 w c d m ac d m a 2 0 0 0t ds c d m a 采用国家欧洲、日本美国、韩国中国 继承基础 g s m 窄带c d m a g s m 预计试用期日本2 0 0 1 年韩国2 0 0 0 年底 同步方式异步同步异步 码片速率3 8 4 m c p s n 1 2 2 8 8 m o p s 1 2 8 m c p s 信号带宽 5 m h z n 1 2 5 m h z 1 6 m h z 空中接口 w c d m a c d m a 2 0 0 0 兼容 t d s c d m a i s 一9 5 核心网 g s m m a pa n s i 4 1g s m m a p 1 2u m t s 系统 u m t s ( u n iv e r s a lm o b i let e le c o m m u n ic a t i o n ss y s t e m 、通用移 动通信系统) 是采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，通 常也把u m t s 系统称为w c d m a 通信系统。u m t s 系统采用了与第二代移动 通信系统类似的结构，包括无线接入网络( r a d i oa c c e ssn e t w o r k ， r a n ) 和核心网络( c o r en e t w o e k ，c n ) 。其中无线接入网络用于处 理所有与无线有关的功能，而c n 处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数 据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。c n 从逻辑上分为电路 交换域( c i r c u i ts w i t c h e dd o m a in ，c s ) 和分组交换域( p a c k e t s w itc h e dd o f f l a ir l ，p s ) 。u t r a n 、c n 与用户设备( u s e re q u i p m e i q t ， u e ) 一起构成了整个u m t s 系统。其系统结构如图卜l 所示。 皇王型堇奎兰堡主堂垡堡苎 图1 1u m t s 的系统结构 从3 g p pr 9 9 标准的角度来看，u e 并i ju t r a n ( u m t s 的陆地无线接入网 络) 由全新的协议构成，其设计基于w c d m a 无线技术。而c n 则采用了 g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过度，此外在第三代网络 建设的初期可以实现全球漫游。 1 2 1u m t s 系统网络构成 u m t s 网络单元构成如图l 一2 所示。 鬯j “一一 l n o d eb i , l n o d e b p 爿r n cl - 霹 i u b 卞l i n o d eb 卜 r 未雄 k o d eb p i y ! 型：i 一- c 垡j 蟹竺竺型 图1 - 2u m t 8 网络单元构成示意图 从图l 一2 的u m t s 系统网络构成示意图中可以看出，u m t s 系统的网络 单元包括如下部分： 1 u e ( u s e te q u i p m e n t ) 篱坐 皇王型垫查堂堡圭堂垡堡苎 u e 包括两部分： m e ( t h em o b i lee q u i p m e n t ) ，提供应用和服务 u s i m ( t h eu m t ss u b s r i b e tm o d u le ) ，提供用户身份识别 2 u t r a n ( u m t st e r r es t r i a lr a d i 0 a c c e ssn e t w o r k ，u m t s ) u t r a n ，即陆地无线接入网，分为基站和无线网络控制器两部分。 基站： 基站包括无线收发信机和基带处理部件。通过标准的i u b 接口和无 线网络控制器互连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功 能是扩频、调制、信道编码及解扩、解调、信道解码，还包括基带信 号和射频信号的相互转换等功能。 基站由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大，射频收发系统 ( t r x ) ，基带部分( b b ) ，传输接口单元，基站控制部分。 无线网络控制器： 无线网络控制器主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、 无线资源管理控制等功能。具体如下： ( 1 ) 执行系统信息广播与系统接入控制功能； ( 2 ) 切换和无线网络控制器迁移等移动性管理功能； ( 3 ) 宏分集合并、功率控制、无线承载分配等无线资源管理和控 制功能。 3 c n ( c o r en e t w o r k ) c n ，即核心网络，负责与其他网络的连接和对u e 的通信和管理。 主要功能实体：m s c v l r ，g m s c ，s g s n ，g g s n ，h l r 。 4 o l d c o m c 功能实体包括设备管理系统和网络管理系统。 设备管理系统完成对各独立网元的维护和管理，包括性能管理、 配置管理、故障管理、计费管理和安全管理等功能。 5 e x te f n a ln e t w o r k s e x t e r n a ln e t w o r k s ，即外部网络，可以分为两类： 皇王型垫奎堂堡主堂焦笙苎 电路交换网络( c sn e t w o r k s ) ：提供电路交换的连接，象通话服 务。is d n 和p s t n 均属于电路交换网络。 分组交换网络( p sn e t w o r k s ) ：提供数据包的连接服务，i n t e y n e t 属于分组数据交换网络。 1 2 2 基站 基站通过标准的l u b 接口和无线网络控制器互连，主要完成u u 接口 物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码及解扩、 解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。 同 时它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑上 对应于g s m 网络中基站( b t s ) 。 基站由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大，射频收发系统 ( t r x ) ，基带部分( b a s eb a n d ) ，传输接口单元，基站控制部分。 如下图卜3 所示： 1 3 本文主要工作 图1 3 基站的逻辑组成框图 本文主要的工作在传输接口单元部分，具体是a t m 交换平台的硬件 构建。负责交换模块的硬件开发。我全程参与了整个单板的设计：包 括需求的提出到规格的制定，以及器件的选型，原理图的绘制，p c b 板图的布局、布线，以及单板的加工，单板的调试，单元测试，系统 电子科技大学硕士学位论文 的联调，以及这个过程中过程文档的写作。这一系列的工作使我在硬 件技术上有了长足的进步，更重要的是对单板开发流程以及工作方法 上有了全新的认识。 皇王型堇盔堂堡主堂堡笙苎 2 1a t m 技术简述 第二章a i m 传输技术 u m t $ 系统u t r a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向i p 方 向发展。各个接i s 问传输技术都采用的是a t m 技术，可以说a t m 技术是 u m t s 系统传输的核心技术，如下图所示： 图2 1a t m 在u m t s 系统中的位置 在a t m 技术出现前通信网主要使用电路交换和分组交换两种方式。 电路交换是在收发端之间建立起具有一定速率的信道，且不论双方 是否在传送信息，此信道一直被双方占用，直到双方拆除信道为止。 因为信道是按时隙周期分配的，时隙的插入、分解比较简单，用高速 的硬件可以实现，更重要的是时延低、处理速度快，可提供高速的、 实时的信息连续传输的业务。由于存在速率固定及网络资源利用率低 的缺点，即使技术上可以实现多速率、高速的电路交换，但难免造成 处理、控制的复杂性。 分组交换的特点，采用统计复用技术，可变比特率传送的信息分成 “组”，以“信息组”为单位进行复用和交换。动态分配网路资源， 因而网路资源利用率高，适合于象c a d 和c a m 的中心计算机与远程工作 电子科技大学硕士学位论文 站间非连续性、突发性、低速信息的传送。但x 2 5 协议复杂，处理时 间长、时延大、传送速率受到很大的限制。尽管帧中继简化了协议， 提高了速率，但帧长度过长且可变，尽管带宽效率高，同时造成了装 拆、传送长帧的时间长，因而又不适合于实时性要求高的业务。 a t m 是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换。它综合吸取了 分组交换的高效率和电路交换的高速率的优点，针对分组交换速率低 的弱点，用电路交换与协议处理无关的特点，通过高性能l s i 的硬件 设备来提高处理速度，以实现高速化，因此，也可以说a t m 技术是在 克服了分组交换和电路交换方式的局限性的基础上产生的。 2 2a t m 基本技术 2 2 1a t m 参考模型 在i t u t 的i 3 2 l 建议中定义了b is d n 协议参考模型，如图2 2 所 示。它包括三个面：用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分 层的，分为物理层、a t m 层、a a l 层和高层。 图2 2a t m 协议模型 协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能： 用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有 一定的控制功能，如流量控制、差错控制等。 电子科技大学硕士学位论文 控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用 信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放。 管理平面：包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完 成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。同时层 管理还处理与各层相关的o a m 信息流；面管理不分层，它完成与整个 系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。 2 2 2 物理层 物理层位于a t m 层之下，分为传输汇聚子层( t c ) 和物理媒体子层 ( p m ) ，如下图所示。所完成的的功能： 1 传输汇聚子层( t c ) 信元速率解耦 信元定界 传输帧产生和提取 传输帧适配 h e c 产生和检查 2 物理媒体子层( p m ) 比特传输能力 物理媒体 2 2 3a t m 层 a t m 层完成的功能： 1 一般流量控制 图2 3 物理层 皇王型垫盔堂堡主堂垡笙茎 2 信元头产生和提取 3 v p i v c i 翻译 4 信元多路复用和分用 5 信元速率解耦 6 信元辨识 7 选择性信元丢弃 8 业务量整形 在a t m 层，有两个接口是非常重要的，即用户一网络接口u n i ( u s e r r l e t w o r ki t i te r f a ce ) 和网络一网络接口n n i ( 1 3 e t w o r k f i e t w o f k i n t e r f a c e ) 。前者定义了主机和a t m 网络之间的边界( 在很多情况下 是在客户和载体之间) ，后者应用于两台a t m 交换机( a t m 意义上的路 由器) 之间。两种格式的a t m 信元头部如下图。信元传输是最左边的 字节优先，在一个字节内部是最左边的比特优先。在a t m 信元格式中， 信元头占5 个字节，信息净荷占4 8 个字节。从图中可以看出，u n i 信元 格式有g f c 域，而n n i 信元格式没有g f c 域，在n n i 信元格式中，g f c 域 被扩充成v p i 。 4 0 位 iii lii liil i i ( t ) ( b ) g f c 通用流量控制p t i ：有效载荷类型 v p i ：虚通路标识符c l p ：信元丢弃优先权 v c i ：虚通道标识符m c ：信头错误校验 图2 - 4 ( a ) u n l 中的a t m 信元头( b ) n n l 中的a t m 信元头 下面分别对各个字段做简要的说明。 g f c 一般流量控制：该域一般情况下不使用，设置为缺省值。 v p i v c i ：在a t m 中，引入了虚通路( v c ) 的概念，指的是a t m 信元 皇王型垫奎堂堡主堂垡丝苎 一 的单向通信能力，它是一个抽象的概念，与其相联系的两个实在概念 是虚通路链路和虚通路连接( v c c ) ，虚通路链路是两个相邻a t m 实体 间传递a t m 信元的单向通信能力，用一个v c i 来标识，级连的v c 链路组 成v c c 。 v c c 有三种，一种称为永久v c c ，保证了网络两端点间的固定连接。 一种称为半永久v c c ，可通过管理功能来修改。另一种称为交换v c c ， 通过信令系统来建立，每次建立时都可能不一样。 在a t m 网络中，如果直接对虚通路进行管理，工作量很大，因此采 用分级思想，引入虚通道( v p 概念，一个v p 是多个v c 的集合。与v c 相似，定义了v p 链路和v p c 两个概念，v p 链路用v p i 来标识，级连的v p 链路组成v p c 。 v p i 和v c i 作为路径标识，它们都只是局部有效的，也就是说，每 个v p i 和v c i 的作用范只局限在链路级。 下面的图示出了v p 和v c 的关系。 图2 5v p 与v c 关系 在a t m 通信中，a t m 交换机将根据输入信元的v p i v c i 标识，以及在 连接建立时产生的路由表来将到达的信元交换到相应的输出端口，同 时，将信元中的v p i v c i 改变，即完成v p 交换或v c 交换以及其他一些 相关处理。这里需要提及的是，对于一些特定的v p i v c i 值，已经保 留作为特殊信元使用。 p t ( 净荷类型) ：该域占据3 个比特。用于标识信息域( 净荷) 的 类型。下面列出的是i t u ti 3 6 1 已定义的p t 值及其含义。 p t = 0 0 0 ，用户数据信元，未经历拥塞，a t m 层用户到a t m 层用户指 示( 简称a u u ) 为0 。 当信元用作装载用户数据时，p t 第一位为0 ，第二位标识信元是否 经历拥塞，这一位可通过处于拥塞的网络节点设置。第3 位是a u u 指示， 电子科技大学硕士学位论文 其中，a u u = 0 表明对应的s a r p d u 是起始段或中间段，a u u = 1 表明为 结束段。 c l p ( 信元丢失优先级) ：标识在网络发生拥塞时，哪些信元可以 丢弃( c l p = 1 ) ，哪些信元最好不要丢弃( c l p = 0 。c l p 位的设置 可以由用户根据信息类型、服务质量要求和重要性来设置。 h e c ：h e c 用作保护整个信元头中的信息，并作信元定界用，这一 功能不在a t m 层中实现，而在物理层中实现。 2 2 4a t m 适配层 2 2 4 1a t m 适配层的结构 图2 - 6a t m 适配层结构 a t m 适配层的上面部分称为会聚子层( c e n v e r g e n c es u b l a y e r ) 。 其作用是向应用程序提供一个接口。它又是由两个子部分组成：一个 是对所有应用程序都通用的公共部分( 相对于给定的a a l 协议) ，另 一个是与应用程序相关的子部分。其中每个部分的作用都是与协议相 关的，但是可以包括报文分帧和错误检测。 在发送端，会聚子层负责接收来自于应用程序的比特流( 数据) 或随机长度的报文，并将它们分为4 4 4 8 字节的单元以便传输。确切 的大小依赖于所用的协议，因为一些协议要占用4 8 字节a t m 载荷中的 一部分作为自己的头。在接收端，该子层将信元重组为原始的报文。 通常情况下，报文分界( 如果存在) 是要保留的。 a a l 下面的部分称为分割和重组s a r ( s e g m e n t a t i 0 na n d reass e m b l y ) 子层。它将会聚子层交给它的数据单元加上头和尾从而 构成信元有效载荷。接着，这些载荷被交给a t m 层进行传送。在接收 皇至型垫奎兰堡主堂垡笙圣 端，s a r 子层将信元重组为报文。s a r 子层基本上只涉及信元，而会聚 子层则与报文打交道。 s a r 子层对于某些( 但不是所有的) 服务类来说，还有另外一些功 能。特别是，它有时候可以进行错误检测和多路复用。s a r 子层对于 所有服务类都是存在的但功能的强弱则依赖于其特定的协议。 2 2 4 2 a a l l a a l l 是用于a 类传输的协议。a 类传输是指实时的、恒定比特率的、 面向连接的传输，例如非压缩的音频和视频数据。输入的是比特流， 不存在报文分界。对于这种传输，并没有使用像停等这样的错误检 测协议，因为由超时和重发机制引入的延迟是不能接受的。但是，丢 失信元时会通知应用程序，由它采取措旌( 如果可能的话) 来进行弥 补。 a a l l 使用了一个会聚子层和s a r 子层。会聚子层检测丢失和误入的 信元，平缓输入的数据速率从而以恒定的速度发送信元。最后，会聚 子层将输入的报文或比特流分解为4 6 字节或4 7 字节的单元，然后交给 s a r 子层处理。在另一端( 接收方) 它取出这些数据单元，重组为原 始的输入。a a l l 的会聚子层没有自己的协议头信息。 2 2 。4 3a a l 2 异步转移模式a t m 可以在固定网络中有效地传输多中不同特性的业 务，例如高速多媒体业务。对于低速率的语音业务，如果将语音数据 打包成a t m 信元( c e l l ) 的话，会产生比较大的延迟。假设语音速率 为10 k b s ，那么每产生一个a t m 信元需要4 8 8 10 = 3 8 4 m s 。对于实时 业务来说，这个延迟太大了。为了解决这个问题，1 t u t 制定了一个 新的a t m 适配层a a l 2 ，协议包括i 3 6 3 2 ( c p s ) 、i 3 6 6 1 ( s e g s s c s ， 针对于短数据包) 、i 3 6 6 2 ( s s c s ，针对于语音和语音带数据) ， 以及一个新的信令协议q 2 6 3 0 1 。利用a a l 2 ，可以将多个低速率语音 业务复用在同一个a t mv c 上进行传输，不同语音业务的数据包可以放 在同一个a t m 信元内传输。本章不打算对a a l 2 协议作一个完整的叙述， 而将重点放在a a l 2 对低速率语音业务支持的描述上。 皇王型堡奎堂堡主堂焦丝墨 语音处理： 发送功能： 编码、静音 抑制等： 接收功能： 解码、静默 期的噪音 填充等 网络 图2 7a t ms s c s i c p s 系统框图 图2 7 为a t m 适配层a a l 2 的公共部分子层( c p s ) 和业务特定会聚子 层( s s c s ) 的系统框图。语音信号以6 4 k b s 的速率从p b x 发送接收。 在无线网络中，由基站b s 通过空中接口接收语音数据，然后在b s 中使 用a a l 2 复用到一个或多个a t m 虚通道v c 上，并向无线网络控制器发送。 图2 7 中，语音压缩使用低速率编码器，例如差分自适应脉冲编码 调整( a d p c m ) ；或低延迟码激励线性预测( l d c e l p ) 等。在这一步， 静音( s il e n c e ) 被检测并被去除( 即在静默期无信号传输) 。相应 地，在接收时以与发送端相同的背景噪音来填充静默间断。 在图2 7 的a a l 2 s s c s 处理中，执行以下的发送功能：语音数据打 成a a l 2 包；给每个a a l 包分配序列号；在静默期间产生非常短的数据 包来表示背景噪音。执行的接收功能为：a a l 2 分组头处理；解包；缓 冲语音数据以消除延迟抖动；使用序列号来检测丢失的和迟到的数据 包( 迟到的数据包将被丢弃) 。 在图2 7 的a a l 2 c p s 处理中，发送功能为：使用a a l 2 数据包填充a t m 信元净荷；当净荷填充完或定时器超时时( a a l 2c p s 层的一个定时器， 电子科技大学硕士学位论文 称为t i m e r c u ：超时时间例如2 m s ) 净荷至少保护一个a a l 2 数据包， 那么就形成一个完整的4 8 字节的a t m 信元净荷( 不满4 8 字节的部分填 充空字节) ；信元净荷送往a t m 层加上信元头，输出到信元队列中。 其中的定时器的作用是保证每个信元的产生时间不超过一个最大值。 c p s 接收功能为：a a l 2 包的提取；解复用；并将a a l 2 包送往s s c s 。 图2 8 分组语音的a a l 2 a a l 2 语音打包和复用的细节如图2 8 所示。v o ic e 】，2 ，3 代表 来自不同语音源的信息段，它们将在同一个a t mv c 上参加复用。将每 个语音信息段加上一个分组头。c i d 为通道i d ，表示该a a l 2 包是和哪 一个语音源相联系的。 图2 - 9a a t m 信元中的s t f 结构：b a a l 2 分组头结构 如图2 9 a ，在a t m 信元中还包含一个起始域字段s t f 。s t f 包含一个 电子科技大学硕士学位论文 6 b i t 的偏移段，1 b i t 序列指示s i ( 为同一v c 上的a t m 信元所用) ，和1 b i t 的奇校验位。每个信元内的o s f 指向第一个a a l 2 包的起始处，o s f 取值 范围为0 4 7 ，主要用处是在发生信元丢失时，用于辨别a a l 2 包。a a l 2 分组头如图2 9 b 所示。1 字节的c i d ( 通道i d ) 可以标识至多2 4 8 个m i l 2 连接，6 b i t 的长度指示l i 为a a l 2 包的长度( 最多6 4 字节) 。5 b i t 的用 户一用户指示u u i 可以用来传送u u i 消息，如语音编码类型和a a l 2 包的 序列号。可以使用序列号来检测丢失和迟到的a a l 2 包。 2 2 4 4 a a l 3 ，4 开始时，i t u 为服务类c 和d 制订了不同的协议( 服务类c 和d 分别是 对数据丢失或出错敏感，但不具有实时性的面向连接和非连接的数据 传输服务类) 。后来i t u 发现没有必要指定两套协议，于是便将它们 合二为一，形成了一个单独的协议，即a a l 3 4 。 a a l 3 4 可以按两种模式进行操作，即流和报文。在流模式中不保 留报文分界信息。以下将集中讨论流模式。在每种模式中都可能出现 可靠的传输和不可靠的( 即不保证可靠性) 的传输。 a a l 3 4 具有一个其他协议中没有的性能支持多路复用。a a l 3 4 的这一功能允许来自于一台主机的多个会话( 如远程登录) 沿着同一 条虚电路传输并在目的端分离出来。使用一条虚电路的所有会话得到 相同质量的服务，因为这是由虚电路本身性质所决定的。 和a a l l 、a a l 2 不一样，a a l 3 4 具有会聚子层协议和s a r 子层协议。 从应用程序到达会聚子层的报文最大可达6 5 5 3 5 字节。首先将其填充 为4 的整数倍字节。接着加上头和尾信息。在会聚子层对保温进行了 重构，并加上了头和尾信息后，便将报文传送给s a r 子层，由s a r 子层 将报文分为最大4 4 字节的数据片。 a a l 3 4 具有两层协议开销：每个报文需要增加8 字节，每个信元增 加4 字节。总之，它是一种开销极大的机制，尤其是对短的报文。 2 2 4 5a a l 5 从a a l l 到a a l 3 4 协议主要是由电信工业设计的并被i t u 标准化，它 电子科技大学硕士学位论文 没有太多地考虑计算机工业的要求。由于两个协议层所导致的复杂性 及低效性，再加上校验和字段十分短( 仅10 位) ，使一些研究人员萌 生了一个制订新的适配层协议的念头。该协议被称为简单有效的适配 层s e a l ( s i m p ee f f ic ie n ta d a p t a t i o n1 a y e r ) ，经过论证，a t m 论 坛接受了s e a l ，并为它起名叫a a l 5 。 a a l 5 向其应用程序提供了几种服务。一种选择是可靠服务( 即采 用流控机制来保证传输，以防过载) ；另一种选择是不可靠服务( 即 不提供数据传输保证措施) ，通过选项使校验错的信元或者丢失或者 传送给应用程序( 但被标识为坏信元) 。a a l 5 支持点到点方式和多点 播送方式的传输，但多点播送方式未提供数据传输的保证措施。 像a a l 3 4 一样，a a l 5 支持报文模式和流模式。在报文模式中，应 用程序可以将长度从l 字节到6 5 5 3 5 字节的数据报传送到a a l 层。当到 达会聚子层时，将报文填充至有效载荷字段并加上尾部信息，选择填 充数据( 0 字节、4 7 字节) ，以使整个报文( 包括填补的数据和尾部信 息) 为4 8 字一节的整数倍。a a l 5 没有会聚子层头，只有一个8 字节的 尾。 用户到用户u u ( u s e rt ou s e r ) 字段不用于a a l 层本身，而是为了 自己的目的供更高一层( 可能是会聚子层的特定服务子部分) 使用， 例如，排序或者多路复用。长度( l e n g t h ) 字段指出真正的有效载荷 是多少，以字节为单位，不包括填充的字节数。0 值用于终止未传送 完毕的报文。c r c 字段是基于整个报文的标准3 2 位校验和，包括填充 数据和尾部信息( c r c 字段设置为0 ) 。尾部的一个8 位的字段留作将 来使用。 报文交给s a r 子层，然后发送出去。在s a r 子层不增加任何头、尾 信息，而是将报文分成4 8 字节的单元，并将每个单元送到a t m 层进行 传输。它还通知a t m 层将最后信元的p t i 字段置为1 ，以便保留报文分 界。( 这时出现了一个问题：这是一种不正确的协议层混合体，因为 a a l 层不该使用a t m 层的头部信息。) a a l 5 较a a l 3 4 的主要优点是更加高效。虽然a a l 3 4 对每个报文只 增加4 字节的头信息，但它还要为每个信元增加4 字节的头信息，因而 使有效载荷的容量减少到4 4 字节，对于长的报文，无效数据占8 。a a l 5 电子科技大学硕士学位论文 的每个报文有一个稍大的尾部( 8 字节) ，但每个信元无额外开销。 信元中没有顺序号，可以通过长的校验和来弥补，从而可阻检测丢失 的、误插的或错误的信元，而不需要使用顺序号。 在因特网中，与a t m 网接口的一般方法是使用a a l 5 的有效载荷字段 来传输i p 分组。与这种方法相关的各种问题在r f c1 4 8 3 和r f c 15 7 7 中 进行了讨论。 2 2 5a a l 2 在第三代移动通信中的位置 在e t s i 和i t u t 推动u m t s i m t 一2 0 0 标准发展的过程中，在空中接口 使用w - c d m a 这一点上取得了共识。因为a t m 可以支持多种业务，例如 固定网中的高速多媒体业务，所以通常被认为是下一代移动系统中的 理想传输方式。但是，由于以前的a t m 不能高效地用于低速率移动语 音业务流的传输，i t u t 又制定了一个新的a t m 适配层标准a a l 2 。目前 i t u t 正致力于a a l 2 的信令和交换能力的标准化。 图2 1 0 是使用a t m a a l 2 交换的接入网络示意图。在基于w c d m a 的 接入网络中，m t s 通过u u 接口和b s s 进行通信。w c d m a 的一个重要特征 是功率控制，使用功率控制可以使系统性能到达一个适当的水平。但 是，使用功率控制就需要s h o ( 软切换) 。在软切换时，m t 同时和多 个b s 通信。 图2 - 1 0u m t s i m t 一2 0 0 0 中的a t m 在接入网络中，无线网络控制器( 无线网络控制器) 负责无线资 源管理和切换控制。在图2 一1 0 中，当进行s h 0 时，m t 可能会和属于不 同无线网络控制器的b s 同时通信。其中的一个无线网络控制器的作用 相于一个锚点( a n c h o fp o in t ) ，执行两个s h 0 支路( 1e g ) 的合并。 在u m t s i m t 一2 0 0 0 的术语中，此无线网络控制器称为s e t v i n g 无线网 络控制器( s 无线网络控制器) 。当m t 和一个b s 通信时，先要建立一 条s 一无线网络控制器到b s 的a a l 2 连接。当s h 0 时，m t 同时和几个b s 通 信，相应地，要建立几个从s 无线网络控制器到b s 的s h 0 支路。这样的 s h 0 状态可能会持续的时间，依赖于m t 的移动模式和无线资源的状态 变化，等等。s h 0 状态对连接s 无线网络控制器的a a l 2 连接提出了特定 的q o s 要求。由于s h 0 支路间的无线级同步的需要，要求这些a a l 2 支路 满足严格的延迟和抖动。 s 无线网络控制器在w - c d m a 接入网络中的地位可总结如下： 电子科技大学硕士学位论文 s 无线网络控制器控制活动集中的b s ； s 无线网络控制器建立和释放到活动集中的b s 的支路，并执行下行 数据流的分裂和上行数据流的合并； s 无线网络控制器控制传输和无线资源，使得s 无线网络控制器和b s 问以及b s 和m t 间的延迟要求得到满足。这包括无线信道的适当选择和 带宽的设置。 w c d m a 中的s h o 对于传输网络的设计有4 点要求，如下所述。注意 到，当s h o 时，这些要求影响到语音和数据应用两者。 在一般接入网中，要求能够从任意无线网络控制器建立和拆除到 任意b s 或无线网络控制器间的传输路径。这又要求无线网络控制器能 够进行a a l 2 连接的交换； 为了s h o 的无缝工作，传输路径应该能够迅速建立( 例如，1 0 0 m s 之内) ： 因为c d m a 固有的s h o 路径同步的要求，所有的s h o 路径间应达到严 格的延迟和抖动； 长数据包要切割成短数据包，以便和其它时间要求严格的短时间 包进行交织。 这些要求需求由一个面向连接的接入网执行严格的o o s 控制；可以 由a t m a a l 2 技术来完成。注意到s 无线网络控制器也可能会连接到其 它的核心网，而上述要求并没有牵涉到i u 接口，所有对每个应用也可 以使用其它的传输方式。例如，将a a l 5 用于传输i p $ 1 j 数据业务，而将 a a l 2 用于传输语音一类的业务。 从上所述可知，a a l 2 交换在接入网中有着重要作用。a a l 2 网络和 相关的协议堆栈分别如图2 10 、图2 1 1 所示。 皇三型垫盔兰堕主堂焦堡苎 一一 图2 1 1u m t s i m t 一2 0 0 0 中的a a l 2 交换 图2 一l1 、图2 12 显示了a a l 2 交换和信令协议并不到达用户面，所 以不需要定义a a l 2 的用户一网络接口。a a l 2 传输网络应有效地接入网 络的节点，对用户而言，它是透明的。 a p p l i c a t i o n s ( v o i c e ，i p ，) c d m a c d m a l l c l l c c o m a c d m a r l c a a l 2 r l c c d m a c d m a m a c