（通信与信息系统专业论文）突发信道中atm无线连接的性能分析及其改善.pdf

摘要 a s y n c h o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) 及 w i r e l e s s a s y n c h o n o u st r a n s f e rm o d e ( w a t m ) 作为今天和未来通讯技术以及 应用和业务的强有力支持，一直是国际上电信领域的研究热点。w a t m 已经 被提出作为下一代无线及个人通信网的传输解决方案。 然而，为了最终实现一种基于无线移动通信原理以及a t m 传输机制的 随时随地可以为客户提供服务的电信网必须解决无线信道中的高比特误码 率。相应地，本论文有丽个工作重点( 第3 章以及第4 章) ：a t m 无线连接的 性能分析和a t m 无线连接的差错控制。 基于有限状态马尔可夫链( 如：g i l b e r t - e l l i o t t 信道模型) 已经广泛用于表 征通信信道中经常发生的突发差错行为。这篇论文的第3 章将该信道模型应 用于无线突发信道，首先对突发信道中a t m 无线连接的各种指标：最小信 元乏失率m c l r 、最小譬元净荷差错率l i t f e r 、最，l 、f 言元净荷误比特率n l p b e r 等进行了详细的研究，为差错控制提供依据。 接着，第4 章在第3 章的基础上提出了一种a t m 无线连接的差错编码 控制机制，此方案融台丁f 言道状态估计、b c h 编码和交织技术，同时进行r 交织与无交织仿真研究。仿真结果表明采用交织方案后，差错控制性能改善 十分明显，一般可达2 3 个量级。与一般的差错控制不同，通过改变一些参 数，进行信道状态估计可以检测当前信道噪声水平，为下一步的纠错提供依 据。荚中不足的是，系统控制环节采用的是开环控制，若为闭环控制就成为 了自适应差错控制，这方面的研究工作有待进一步的研究。 大琏州：九域a i m ，伺瞅狄念与匀i j 犬链，b l l d e n e l l i o t t 佰迫俟型，佰堪 状态估计，b c h 码 a b s t r a c t a t m w a t ma sr o b u s ts u p p o r to ft o d a ya n dt o n l m o l t o wc o m m u n i c a t i o n ， a p p l i c a t i o n a n ds e r v i c e ，h a sb e e nah o t t o p i c i nt h ef i e l do fi n t e r n a t i o n a l c o m m u n i c a t i o ni nt h ew o r l dw i d e w a t mh a sb e e np r o p o s e d a sat r a n s p o r t s o l u t i o nf o rn e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sa n dp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s h o w e v e r i no r d e rt ou l t i m a t e l yr e a l i z e a u b i q u i t o u s t e l e c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kw h i c hm e r g e st h ec o n c e p t so fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dt h e u s eo fa t ma sat r a n s p o r tm e c h a n i s m ，t h ep r o b l e mo fh i g ha n dv a r i a b l eb i te r r o r r a t eo fw i r e l e s sn e t w o r km u s tb er e s o l v e d a c c o r d i n g l y , r e s e a r c hf o rw i r e dl i n ko f a t ma n de r r o rc o n t r o lm e c h a n i s ma l et w oe m p h a s i s ( c h a p t e r 3a n dc h a p t e r4 1i n t h i sp a p e r a n a l y t i c a l m o d e sb a s e do nf i n i t es t a t em a r k o v c h m n s ( s u c h a s g i l b e r t - e l l i o t tc h a n n e lm o d e l ) h a v eb e e nw i d e l yu s e dt oc h a r a c t e r i z et h eb u r s t e r r o rb e h a v o ro fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l s t 3 1 i nc h a p t e r3 0 ft h i sp a p e r ，f i r s ta d e t m l e dr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e dt h r o u g hf o rt h ep e r f o r m a n c e ( s u c ha sm c l r r o p e ra n dm p b e r ) o fw i r e l e s sl i n ko fa t mo v e rw i r e l e s sb u r s tc h a n n e l sb a s e d o nt h i sm o d e l b a s e do i l c h a p t e r 3 ，a n e r r o rc o n t r o lc o d i n gm e c h a n i s mi s p r e s e n t e d t o a l l e v i a t et h ep r o b l e mi nw i r e l e s sa t mn e t w o r k si n c h a p t e r4 t h es c h e m e c o m b i n e sb c h c o d i n g ，i n t e r l e a v i n ga n dc h a n n e ls t a t ee s t i m a t i o nt oa c h i e v ea n a p p r o p r i a t e e r r o r c o r r e c t i o n s c h e m e m e a n w h i l e ，s i m u l a t i o ni s o p e r a t e d f o r i n t e r l e a v i n ga n du n i n t e r l e a v i n g t h er e s u l to f s i m u l a t i o ns h o wt h ee r r o rc o r r e c t i n g p e r f o r m a n c eb e c o m eb e t t e rt h a nt h a to fu n i n t e r l e a v i n gt w ot ot h r e ed e g r e e s b y c h a n g i n gs o m ep a r a m e t e r ，w e c a ne s t i m a t e p r e s e n t c h a n n e ln o i s el e v e la n dc o r r e c t e r r o rb a s e do nt h ee s t i m a t i o n 玎j cs c h e m e a d o p t so p e nl o o pc o n t r 0 1 b ya d o p t i n g c l o s e dl o o pc o n t r o lt h es c h e m ec a l lb ea u t o a d a p t e da n dt h i sw o r kn e e df u r t h e r r e s e a r c h k e yw o r d s ：w 删f i n i t es t a t em a r k o vc h a i n s ，g i l b e n e l l i o t tc h a n n e lm o d e l c h a n n e ls t a t ee s t i m a t i o n ，b c h c o d i n g 第1 章绪论 1 1w a t m 导入背景 随着电信事业的发展，人们对通信的需求已非单纯的电话业务，一些非 话业务如：数据、传真、可视图文、电子信箱、会议电视、v o d 等的需求也 越来越迫切。为满足用户需求，人们传输某一业务的网络，如传输电报信息 的电报网、传输双向话音通信业务的公用电话网以及传输数据的计算机网、 传递电视信号的c a t v ( 共用天线电视网) 等。由于这些网络都分别面向不同的 特殊用户灵活性差，不能同时满足多种业务的需求。 为避免各种网络各自为政、并行重复发展的状况，产生了建立一个与业 务无关的网络，即宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的设想。这意味着该网络 要能传输所有业务( 即业务综合传输) ，并且不同的业务能够共享网络所有可 能获得的资源。 业务综合传输的概念是在7 0 年代初提出的，但直到8 0 年代后，由于半 导体技术、光纤技术、信号处理技术的发艮，才使这种想法得以技术实现。 向b i s d n 过渡的第一步是实现窄带i s d n ( n i s d n ) 。实现n i s d n 的 主要有两种方法：以电话综合数字网为依托实现n i s d n ，这种网络势必承 袭原有网络的一些特点：以电路交换为基础，这种n i s d n 只能支持特定的 几种传输速率业务，如6 4 k b s 、3 8 4 k b t s 或1 5 3 6 k b s 2 0 l ，不支持多级渐变传 输速率的业务，不能传递电视信号，业务依赖性强，不灵活，对出现的新业 务适应性差。电路交换的显著缺点是只要用户双方的电路一旦建立起来，不 管双方是否在传输信息，这条电路都不能再被其他用户占用，直到断开这条 电路为止：从这种n - i s d n 向b - i s d n 过渡无论从技术上还是经济上都有相 当难度。 也正是由于电话网在很大程度上不能有效支持用户要求的非话业务，产 生了一些专用的数据网，如公用数据网和专用数据网。i n t e r n e t 是目前最 大的数据网，向b 一 s d n 过渡的另一种方法就是在分组交换的数据网上实现 i ；宣i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i 蔷i 罩- _ - _ - - - ：。 语音，低速图像传输的综合传输。如美国军方在以分组交换方式运行的 a r p n e t 获得成功后，即着手研究在网上传输语音信息，a r p n e t 就是现在 广泛使用的i n t e r n e t 的前身。但这种以分组交换方式为依托的数据网，其 协议相当复杂，且实日于业务和速率为几十仉百m b i t s 的高速业务很难实现。 于是c c u t 设想了一种分组交换的下一代替代方式一帧中继( f r ) 和帧交 换。这种方式是x 2 5 技术的扩展，由于光纤的使用，使链路层质量大大提高。 帧中继将x 2 5 数据链路层的差错控制，流量控制等取消，由于传输质量、信 道带宽、智能终端对信息处理能力等的提高，使通信协议太大简化，实现快 速分组交换。f r 的更大吸引力在于它能支持现有公用分组交换网，从而实现 了向高速分组交换技术的平稳过渡。 帧中继以帧为单位，长度可变，且帧长度i 叮动态调整，信头开销小，传 送速率高更适合于传送大文件和突发性高速数据业务，但f r 在支持实时 业务方面有困难，不能保证所需的时间透四性，对图像和多媒体通信不理想。 于是一种新的交换技术a t m ( 异步传输模式) 技术便诞生了。 a t m 也采用快速分组技术，但与f r 不同，它以信元为单位，长度固定( 5 3 字节) ，凶此刈简化交换机的处理程序，而且口j 借助硬件逻辑电路提高处理速 度。为了支持话音和低速业务，r r u ( 国际电信联盟) 研究把5 3 字节的信元 细分成微信元，以提高效率，减少时延，因此a t m 能够处理b i s d n 传输的 各种业务，从普通的话音业务，低速数据至n 最吸引用户的多媒体业务。与f r 相比，具有更宽速率范围，更低时延，更高吞吐量，更适合话音，视像等对 时延敏感的业务，而这些业务用x 2 5 和帧中继是很难处理的。a t m 是b i s d n 的关键技术，称为异步传输方式。它被奉为万能网络，能够处理宽带网上运 行的各种各样的应用，是支持宽带组网和应用最合适的交换和复用技术。 现代通信正朝着两个不同的方向飞速发展，一个是面向全球范围日益增 长的宽带通信；另一个是基于蜂窝小区结构的通信。它们主要用来传输话音 业务以及低速率的数据业务。a t m 技术是国际公认的实现宽带网的目标模 式，其主要优点之一是保证业务的服务质量( q o s ) 和面向连接的特性，能 够灵活地支持现有的和未来可熊出现的各种各样的业务，为实现宽带实时多 媒体业务奠定了基础。特别是随着许多商用a t m 网的开通，人们对宽带多 媒体通信的兴趣也越来越浓。随着i n t e r n e t 的迅猛发展，人们对多媒体通 信的需求也日益迫切起来。近年来，移动通信以惊人的速度发展着，这主要 2 是由于它使人们摆脱了传统通信方式的束缚，使人们可以在通信的过程中自 由移动大大方便了用户，从而也使得无线通信特别是蜂窝移动通信，在近 一二十年来成为世界电信市场的一大主力。卫星通信的发展以及便携式计算 机的普遍使用，更激发了人们对移动数据通信的浓厚兴趣。这也促使着将无 线接人技术引入a t m 网，以实现无线通信网和a t m 网的结合。因此无线和 有线多媒体于一体的通信网将成为本世纪通信发展的必然方向。 在通信领域，无线a t m ( w a t m ) 作为刚刚兴起的技术已成为现在研究 的热点。由于a t m 网和无线通信网在开始研究时基于的传输媒体和面向的 业务截然不同，所以将两者综合在一起时，必然会带来一些新问题。例如， 当用户自由漫游时，如何选取路由，以及如何保证用户所需求的q o s ，另外， 选取十么样的传输协议，如何克服无线信道传输质量差等问题也一并提了出 来。 1 2 无线a t m 综述 无线a t m 的基本思路是在网络层使用标准的a t m 信元，在无线链路上 为无线信道特定的协议子层增加一个无线信头和信尾，通过标准a t m 信令 功能支持端到端的带有服务质量控制的a t m 虚通路。在无线基站上实现 a t m 信令和控制协议的无线扩展，固定网中的交换，以及终端移动有关的功 能，如切换控制和位置管理等。无线a t m 网的规范分为：无线接入层协议 和移动a t m 。 无线a t m 技术是a t m 技术和移动通信技术的融合，它将a t m 网上的 宽带业务延伸至宽带无线移动网。简单地说，t 通过在a t m 数据平台上采用 新的特殊无线子层协议，就可以用标准的a t m 协议支持有线网和无线网的 无缝互连，并把移动性扩展到现存的a t m 控制协议层。无线a t m 的总体目 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 基于光纤的a t m 网的无线延伸。这意味着系统应支持与a t m 有关的业务等 级、比特率和服务质量控制的合理范围。由于无线介质的基本限制，完成的 业务特性可能有所不同。但是，可通过革新技术的方法使差异达到最小。 无线a t m 系统必须符合未来无线数据通信用户的想象，必须为终端用 户提供增值，为应用提供灵活的平台。a t m b i s b n 网提供一个可支持不同 业务类别的应用平台。目前a t m 论坛定义的话务管理规范4 o 如下：可用比 特率( a r b ) 、非实时可变速率( n r - v b r ) 、实时可变速率( n v b r ) 、恒定 比特率( c b r ) 和非特定比特率( u b r ) 。为了能提供最佳的无线应用平台， 无线链路也应支持固定a t m 网定义的所有各类业务。另外，无线a t m 的系 统设计包括系统功能、提供的业务、支持环境和固定网络接人。从技术上讲， 主要有两种方法实现无线a t m 连接：一互通，二是无线和有线部分的无缝 融合。 理想的无线a t m 系统有一个全球通用的高比特率空中接口，但不论在 技术上或商业上，这都是不可能的。由于不是每个人都需要有线宽带网的无 线接人，其覆盖范围也不需要遍布各处。因此，我们必须选择无线a t m 的 目标市场。现在需要采用的无线a t m 目标市场是用户驻地网络。需要在用 户驻地网上实现的功能基本上和有线网上的相同，例如呼叫允许控制、呼叫 控制等。此外，无线线路和用户的移动性还必须增加新的功能和特点。移动 性是终端用户的一个重要方面，在用户驻地网中，无线a t m “岛”至少应能 提供步行速度无缝切换。域间漫游将被放置到主网中提供。 在引入无线连接之后，业务和资源管理变得非常重要。由于a t m b i s d n 话务的有限带宽得到了有效的利用，因此固定a t m 已有的业务营理和拥塞 管理功能，在无线a t m 网上也被充分的利用。在网络接入系统的规划阶段， 用户驻地资源管理就应考虑到无线资源的优化使用。 此外，业务管辖必须确保所有正在进行的呼叫符合业务规范，并且确保 所有信元与正确的虚通道标识( v p i ) 和虚通路标识( v c i ) 相关联。在无线 接入网中除了典型的业务不符合规范外，还可能有重复或信元的错误路由。 有选择地丢弃一些信元是确保延伸到无线链路的连接质量的一种方法。移动 终端和接入点可以有选择地丢弃那些呼叫丢失优先置”l 信元，以确保连接质 量。无线a t m 除具有资源利用率高、高度的灵活性等特点外，还具有下列 优点“4 】： 可实现灵活分配带宽和进行业务类型选择； 。 可有效的复接从突发数据到多媒体信源的多种业务； 可通过无线、有线网提供端到端宽带业务； 可将现有的a t m 交换设备用于蜂窝小区间的交换； 易于与电信骨干b i s d n 互连。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 无线a t m 的网络简析 无线a t m 的网络与有线a t m 网络相比，服务的用户是移动用户，网络 与用户之间建立的是无线连接。因此，在无线a t m 网络中，增加了基站和 具有支持移动功能的边缘a t m 交换机来实现。图1 1 所示为一典型的a t m 网络结构。使用无线a t m 可以在有线和无线网络之间提供透明的数据传输， 这样数据中的信头处理时间将可以减到最小，而这正是无线通信所希望的。 因此，在无线a t m 中传输的数据是由a t m 格式再加上无线信头封装而成， 如图1 2 所示。 图1 1 无线a t m 网络结构切换 图1 2 无线a t m 的典型信元格式 5 在无线a t m 中，如何提高信道的利用率一直是一个讨论的热点。a t m 的净荷相对较小，只有4 8 个字节，因此无线a r m 信头的长度对信道的利用 率影响较大，如何设计无线a t m 信头非常重要。目前一种方案是，为了减 少数据的开销比特，可以对原先的a t m 信头加以压缩。但是压缩将使有线 a t m 和无线a t m 之间的接口变得复杂。还有一种方案是在无线传输时，改 变a t m 的信元格式，增加其中净荷的长度，例如将净荷的长度从4 8 字节增 加到9 6 字节，以提高信道的利用率。但是，这样将在无线a t m 和有线a t m 之间的空中接口中增加大量的数据格式处理时延，同样也增加了接口的复杂 性。 1 3 1 w a t m 整体技术方案 在无线a t m 研究中，具有代表性的方案有美国普林斯顿n e c 为首的， 它是实现一个独立的小规模的独立无线a t m 演示系统，其介质访问控制技 术和网管系统简单，侧重点放在业务质量控制及信令系统上；而以德国g m d 为代表的方案则应用t c p i p 叠加在无线a t m 层上，提供有线和无线宽带 i n t e m e t 业务，方案重点在于介质访问控制技术、移动控制技术和网管系统。 ( 1 ) 美国酱林斯顿n e c 方案一在无线a t m 网中用一个协议栈来协调标 准的a t m ，这种思想是把新的特定的无线信道物理子层、介质访问子层、数 据链路控制子层和无线网络控制子层综合在a t m 协议栈中。 基于上述设计思路，可以确定一个通用的无线a t m 参考结构。整个的 系统规范由无线接人部分和固定网络部分组成。固定网络部分按照任选的移 动a t m 用户网络接口和网间接口规范定义，这将合并现存的a t m 用户网络 接口和网间接口规范以支持移动扩展。端到端a t m 的无线部分包括无线介 质访问控制子层、数据链路控制子层、无线控制子层和高速无线物理子层。 可以按照任选的冗线接入层协议分别定义。这些任选的移动a t m 与冗浅接 入层规范结合，定义完整的无线a t m 规范。 上述定义的无线a t m 系统参考结构的主要组成部分如下： 无线a t m 终端：终端用户装覆； 无线a t m 终端适配器：面向终端用户的无线a t m 网络接口： 无线a t m 基站：固定a t m 网的无线接口； 6 移动a t m 交换机：具有移动支持特性的接入交换机； a t m 网：标准的固定a t m 网； a t m 主机：一种标准的a t m 终端用户设备及服务设备。 ( 2 ) 德国g m d 长期方案。德国g m d 的科研小组完成的系统框架设计 采用的协议栈如图1 3 所示。其中e m a c 为增强 幽1 3 德国g m d 长期方集盼议栈 型介质访问控制；移动t c p i p 负责t c p i p 的无线延伸，并实现动态网络配 置、切换等功能；a n m c 为a t m 网管核心，负责a t m 网络的全面管理、虚 通路管理和差错管理；m m i b 为移动管理信息基站，通过与a t m 网管核心 的衔接完成无线a t m 的整个网管系统；g a t m 为无线a t m 的信令系统。作 为无线a t m 的应用环境，设计的移动x 窗口( m x w i n d o w ) 与通用x 窗口兼 容。 无线层是整个无线a t m 系统中的一个重要组成部分。充分利用现有的、 有限的无线资源来发展无线a t m 是非常重要的。在这个方案中，将m 个无 线信道复用成一个高速无线总线。其中m 1 个信道作为用户信道，另外一个 信道作为控制信道，以传送所有的控制信息、状态信息及信令信息。这种设 计与i s d n 具有良好的兼容性。 1 4 实现无线删的关键技术 数字移动技术方面的进展加快了无线通信技术的发展与应用。由于a t m 和b i s d n 技术进入无线领域，a t m 端到端的连接性能将主要由无线信道的 性能决定。a t m 技术加上无线特征后，存在两大技术难题，即如何共亭不可 靠的无线信道及如何解决终端的可移动性。人们尤其对无线网络服务的接入 技术尤其是宽带接人技术的研究兴趣也大为增加。无线异步传输模式 ( w a t m ) 已经被提出作为解决下一代宽带无线和个人通信网络的传输方案。 然而，在a t m 成功地应用于无线媒体层之前有许多技术难题必须得到解决。 由于无线信道和光纤传输系统具有不同的特点，光纤传输系统的误码率很低， 其误比特率通常低于1 0 ，传输速率很高。相比之下无线传输的误比特率较 高，通常在i o 一1 0 “之间，而传输速率很低，这使得在无线a t m 中不能 照搬常规a t m 的标准及实现方案。加上无线信道中固有的信号衰落和时变 特性以及噪声干扰，导致突发差错经常发生。由于a t m 以及a t m 适配层本 身对无线连接的错误的纠错能力有限，因此这些错误对a t m 以及a t m 适配 层的性能会产生显著的影响。无线连接的另一个显著特点是带宽有限，因此 它的效率又显得非常重要。 1 4 1 差错控制问题 ( 1 ) 信元头差错控制0 - i e c ) 物理层的性能对a t m 的传输性能有很大的 影响，因此需要采用差错控制措施来提高物理层的传输性能，例如，无线中 常采用f e c 编码。而a t m 中有一个功能是h e c ，其中使用c r c 对a i m 信 头进行保护。正如前文所述，它能够纠一个单比特错和检测其它错误模式。 如果a t m 信元头中发生可检测、但不可恢复的错误模式，翔弛丢弃该信元。 物理层f e c 和a t m h e c 的配置产生了“级联码”效果。每当f e c 发生 解码错误，解码器输出端将产生突发错误。如果该突发错误发生在信元头， 叉很可能在h e c 申产生不可检测的错误。由于h e c 用于监测随机错误，而 不是突发错误，所以在这种环境下，其性能会很差。产生上述问题的原因在 于两层的差错控制作为一个级联码没有很好地协同工作。 ( 2 ) t c p i p o v e r a t m 存在的问题一a t m 网络的协议都是为高质量的数据 链路没汁的。事实上，a t m 可以实现高速交欹的一个重要原因就是省去了链 路层差错控制( 假设链路的错误率为0 ) 而简化了协议。与a t m 类似，t c p 协 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 议同样假设具有高质量的数据传输链路，并认为分组丢失的概率很小。所以， 当这些协议用于低质量链路时，性能将变得很差。 t c p i p o v e r a t m 所存在的问题是，作为高层协议的t c p 不能确定网络是 否发生拥塞。t c p 假设网络中分组丢失的概率很小，并假设分组重传都是由 于拥塞引起。因此，当用于无线环境肘，由于信道差错而损坏的a t m 信元 使a a l 层中的分组丢失，进而启动t c p a r q 协议进行重传。此时，作为高 层协议的t c p 则认为重传是由于网络拥塞造成，从而启动拥塞控制机制，导 致网络吞吐最降低。 ( 3 ) 适合w a t m 中的差错控制结构一为了减轻a t m 在无线环境中的性 能降低，可以用一种适用于w a t m 的差错控制结构。其中主要有以下成分： a ：信道交织，其作用是随机化信道突发错误，使其对性能降低的影响最 小； b ：a t m 交织，其作用是随机化f e c 输出端的突发错误，使其对a t m h e c 造成的性能降低程度最小； c ：f e c ，其作用是降低信道差错率和所要求的信噪比； d ：数据链路a r q ，其作用是提供可靠的数据传送，减轻较差链路质量 对t c p 的影响。在链路层使用a r q 协议，把重传机制建立在链路层。从而 减轻t c p 端到端协议的重传负荷，可以避免由于链路层错误引起t c p 拥塞 机制； ” e ：基于a t m 信元v p i v c i 的分解和合成功能，其作用是使数据链路 舭炮协议只用于那些对延时和延时抖动不敏感的业务，怛最终需要可靠传输 的业务，如数据业务。 1 4 2 a t m h e c 工作方式和性能 a t m 信元包括鸫字节的信息域和5 字节的信元头4 剐。其中，信元头包 括4 字节的头信息和1 字节的c r c ( i - i e c ) 。c r c 是( 4 0 ，3 2 ) 循环码，能够纠单 比特错误，检测所有2 比特错误和大部分的多比特错误。该c r c ( h e c ) 保护 信元头，以便进行正确的路由选择和信元定界( c d 功能) 。 a t m h e c 解码器使用个2 状态的检错，纠错过程。在q 错模式中所 啥尔滨工程大学硕士学位论文 有单比特错误都被纠正。但是，当检测到一个错误时，转换到检错模式。在 检错模式中，不进行纠错( 所有检测到错误的信元都被丢弃) 。一旦接收到无 错误信元，返回到纠错模式。 由于信元头中的大部分对应于虚电路或虚通道标识符，信元头中的错误 绝大多数情况导致信元误插。所以，a t m 信元h e c 通常只工作于检错模式 以避免纠错模式中由于未检测到信元错误而增加信元误插概率。此时，信元 头中的任何错误都引起信元丢弃。这种方式适合高质量的光纤链路使用。在 高误码率的无线射频链路中，这种方法将使信元丢失概率严重增加。 w a t m 中有一种基于h e c c r c 检验的信元定界方法，该方法的基本思 想是：如果h e c 在多数情况下正确，则信元定界正确；h e c 在多数情况下 不正确，则信元定界错误。当检测到一定数量的连续的无错误h e c 时，则认 为进入正确同步。在进入同步以后，检测到一定数量的连续h e c 错误时，认 为同步丢失。 h e c 用于对抗随机错误，在突发错误环境中将有严重的性能降低。此时 需要对信元头使用交织，使得突发错误分散在足够宽的范围内。 1 4 3 w a t m 中的前向纠错( f e c ) 技术 使用强纠错能力的f e c 是优化w a t m 性能的一个重要问题。在选择f e c 编码方案时，功率和带宽的折中是一个重要的因素。对于具体的链路，f e c 的选择要根据无线信道是带宽受限还是功率受隈的信道，则需要用较低的编 码效率达到较高的传输速率，但同时需要较高的信噪比为代价。f e c 编码技 术的性能与码率和约束长度有关。其性能极限由s h 姗o n 信道容量公式决定。 w a t m 中f e c 技术的一种方法是在物理层使用卷积编码，并使用v i t e r b i 解码。此时对于a t m 信元头中h e c ，其输入b e r 等于f e c 解码器的输出 b e r 。此时需要使用a t m 交织器解交织器使v i t e r b i 解码器输出端的突发错 误随机化， 1 4 4 交织 w a t m 中的交织包括两部分：信道交织，使突发错误随机化，从而使由 于信道突发错误对性能产生的影响最小；a t m 交织，使f e c 解码后产生的 突发错误随机化，从而使由此对a t m h e c 造成的性能降低程度最小。 ( 1 ) 信道交织只在存在突发错误的信道中需要。交织类型和参数的最佳 选择依赖于几个因素，如数据链路是以连续方式发送，还是以突发方式发送， 以及突发错误的类型等。 交织器的类型有周期交织和伪随机交织，分组交织和卷积交织等口。伪 随机交织通常只用于存在人为干扰的情况，以便在发送数据中引入随机性， 避免人为干扰。在其他情况下，周期交织的性能都优于伪随机交织，因为对 于给定的交织间隔，周期交织使发生错误的符号间距离最大，从而使f e c 解 码容易。周期交织器的卷积形式通常优予分组形式，因为对于给定的交织间 隔，前者要求较少的存储区。对于连续方式的传输，则交织器必须使用分组 交织，且交织间隔不能大于传输突发的时隙长度。 交织长度的选择依赖于信道突发错误特性和信元传送延时要求。 ( 2 ) a t m 交织一当由于信道突发错误超出f e c 和信道交织组合的纠错能 力而在f e c 勰码器输出端出现解码错误时，这种错误将呈突发分布，突发的 长度一般小于卷积码约束长度的4 倍。而h e c 只能纠正随机错误。 a t m 交织器懈交织器的作用就是分散其输入端( 即f e c 解码器输出端) 的突发错误，使得h e c 解码器输入中的错误相且独立。a t m 父i 裕时数据 流中的信元头进行交织( 每信元5 字节) ，使得h e c 解码器输入端得到的仍然 是随机性错误。a t m 交织器可以使用交织长度较短的、简单的卷积交织器。 1 4 5 自动请求重发( a r q ) 圜 ( 1 ) a r q 及其性能a r q 用于需要保证可靠传输、同时对延时和延时抖 动不敏感的业务，典型业务如数据业务。常用的a r q 有g o - b a c k na r q 和 选择重发a r q 。使用g o b a c k - n a r q “o ，重传丢失和错误分组及其以后的所 有分组。选择重发a r q 机制只重传丢失的和发生错误的分组，其实现较为 复杂，但效率较高。 对丁g u b a c k n a r q ，若分组长度较0 则分纪中的开锵比学占用率较 高，分组效率较低。若分组长度较大，由于信道错误引起的重传成为效率降 低的主要原因，而这种影响随分组长度的增加迅速增加。g o b a c k n 的性能 对b e r 非常敏感，因为任何分组错误都会引起整个窗口的分组重传。 由于信道比特错误引起的重传概率随分组长度而增加。如果分组太长， 使得分组发生传输错误的概率太大，则重传将造成效率的太幅度降低。 ( 2 ) a r q 与t c p t c p 是一种可靠的端到端的传输协议，使用c r c 码和a r q 机制，确保 发送的所有数据都能在目标端正确接收。t c p 协议的性能度量是可实现的吞 吐量和效率。该协议用于高噪声、高差错率的链路时会出现许多问题，并使 上述两方面性能都受到影响。主要原因是，t c p 中的窗口协议机制本来是用 于避免网络拥塞的：t c p 假设分组重传都足由于网络拥塞引起的延时造成的二 所以，当由于分组错误而被重传时，t c p 同时启动其拥塞控制机制，t c p 窗 口尺寸减小，吞吐量下降。另一个问题是，较高的链路错误率将大大降低协 议效率。如果采用g o b a c k na r q ，只有检测到分组错误，随之就会有整个 窗口的数据重传。因此，在w a t m 中使用选择重发a r q 比较合理。 为了减轻t c p 用于高错误率链路的网络中出现的上述问题，可以采用以 下方法：对所有的无线链路上传输的t c p 业务都使用数据链路层a r q 协议； 在t c p 层之下使用可靠的a a l 层，执行端到端a r q ，纠正所有出错的分组， 使t c p 的分组丢失最少，从而尽可能减少由于分组丢失引发的吞吐量降低。 第2 章a t m 及无线a t m 的协议分 层与参考模型 无线a t m 技术是a t m 技术和移动通信技术的融合，它将a t m 网上的 宽带业务延伸至宽带兀线移动网。简单地说，通过在a t m 数据平台上采用 新的特殊无线予层协议，就可以用标准的a t m 协议支持有线网和无线网的 无缝互连，并把移动性扩展到现存的a t m 控制协议层。无线a t m 的总体目 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 基于光纤的a t m 网的无线延伸。这意味着系统应支持与a t m 有关的业务等 级、比特率和服务质量控制的合理范围。同时研究w a t m ，必须首先了解a t m 的有关标准和规范。 2 1a 1 m 协议参考模型 a i m 协议参考模型生u 图2 i 所示。 图2 ia t m i g j j 汉参考模型 a t m 协议参考模型由3 个平面组成：用户面、控制面与管理面。用户面负责 用户信息的传送，采用分层结构。控制面提供呼叫和连接的控制功能，主要 涉及信令功能，也采用分层结构。管理面提供面管理与层管理两种管理功能。 面管理实现与整个系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能；层 管理实现网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与维护信息流。 面管理不分层，层管理是分层的。 2 1 1a t m 物理层 物理层是a t m 协议模型最下面的一层，物理层为上层a t m 层提供以下 服务： 传送有效信元； 传送定时信息，以实现较高层的服务。 物理层又进一步劈为2 个子层：物理媒体( p m ) 子层和传输汇聚( t c ) 子层。 p m 子层。p m 子层与实际的物理介质接口，与物理媒体( 光的、电的) 密切相关。提供比特流传输、定时以及媒介的物理接入，并将收到的比特流 传给t c 子层。 t c 子层一t c 子层的功能主要是h e c 控制、传输帧适配、信元定界、 信元速率耦合、扰码等。 ( 1 ) 传输帧产生和适配：t c 予层的一个主要功能就是完成a t m 信元的定 时于物理介质的比特流之间的转换。在发送侧，t c 从a t m 层接收信元，组 装：e 适当的掐式并在物理媒体予层上传输。在接收复 ，t c 从来自p m 子层的 比特或字节流中提取信元，验证信元把有效信元传递给a t m 层。 ( 2 ) 信元率耦合：t c 子层还完成信元率的耦合功能，即速度匹配功能。 具育同步时隙的物理介质( 如d s 3 、s o n e t 、s d h ) 需要该功能，而异步介质 如f d d i p m 则不需要。为了使信元流适应于传输比特率，引入空信元的概念。 空信元在发送端插入和在接收端剔除称为信元耦合。空信元不传给a t m 层， 它们用特定的信元头标识。 、 ( 3 ) 信头差错控制( r m c ) ：信头最后一个字节设置为h e c 字段，它的功 能是检测多比特错误，纠正单比特错误。h e c 是利用生成多项式( x 8 + x 2 + x + 1 ) 对信头前4 个字节进行除法运算，将其余数与0 1 0 1 0 0 1 模2 相加( 提高在发 主：；码对豹洁冗定界径自i ，所得到的渣。在接收端，莉甬返一算_ ；去i ； j 逆过径， 即可检测出多比特误码，纠正单比特误码。接收端差错控制过程如图2 2 所 示， 检测到多个误码【丢弃信元) 检测到单个误码( 纠正) 图2 2h e c 接收器的操作模式 接收端一般处于单比特校正状态。一旦检测到误码，则予以纠正；如为 多比特误码，则将信元丢弃，并转至检测模式。在检测模式下，所有检测到 信头出错的信元( 无论单比特或多比特) 均被丢弃。只有未检测出误码时，才 转至校正模式。 ( 4 ) 信元定界：从p m 子层传到t c 子层的是以比特率或字节流的形式形成 的信元流，因此需要识别出其中的信元，即信元定界。信元定界方法建立在 信头比特和t t e c 比特特定关系的基础上，可利用i - i e c 和信头的前4 个字节 的相关性来进行信元定界。信元定界过程如图2 ：所示? 图2 3 信元定界过程 信元定界开始时处于捕获态，此时进行比特搜索。如果h e c 正确，就进 入预同步状态，然后进行逐信元验证。如果发现有连接b 次正确的h e c ，则 认为完成定界，进人同步状态；旦发现错误的h e c ，则返回到捕获态。在 同步态，如果发现a 次不正确的h e c ，则作为失界并返回捕获态。 ( 5 ) 就码：为防止信息段中有意或无意的出现正确h e c 仿真，提高定界 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 过程的安全性和可靠性，信息段比特通过扰码使信元中的数据随机化。对 s d h 方式扰码采用自同步扰码。对基于信元方式的扰码采用分散抽样扰码方 式。前者仅对信元净荷进行扰码，对信头( 包括h e c 字段) 不进行扰码。后者 对信头也扰码，因此信元流的随机性更好。 2 1 2 删层 a t m 最突出的特点之一就是采用了信元结构作为信息传输和交换的单 元。删一t 定义了两类信元结构：u n i 和n n i 。如图2 4 和2 5 所示。 u n i 和n n i 的格式基本相同，只有以下两点不同：一是n n i 信头中不 包括一般流量控制( g f c ) 域；二是n n i 将格式中使用的4 比特g f c 域作为 v p i 的另4 位码，将n n i 的v p i 域扩展到1 2 位。 信息的发送顺序是从信头的第一个字节开始，然后按 b i t 比特借输顺序 图2 4a t m 用户网络信元结构 b i t 比蒋传输顺序 _ ， 图2 5 a t m 网络节点接口信元结构 顺序增加；在第一个字节内发送的顺序是从第8 个比特开始，然后递减。对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a t m 信元的所有段，首先发送的比特总是最高位( v i s a ) 。 a t m 层和用来传送a t m 信元的物理媒体完全无关，且与服务无关。a t m 层的主要功能是： 信元复用与分路将不同连接( 用不同v c i 和v p i 值区分) 的信元复用 成物理层的单一信元流，并在相反的方向上进行分路处理。 信元v p i v c i 值转换该功能发生在a t m 交换和交叉连接点。每一 个输入的v p i v c i 值转换成输出的v p i v c i 值，这就实现了a t m 交换。 信头的产生和提取一该功能应用在a t m 层终点上。在发送方向，a t m 层接收较高层提供的信元载体，并产生个适当的a t m 信头附给载体，信 元方可成功地通过网络传输。在接收方，信元提取功能去掉a t m 信头并将 信元信息送给接收的a a l 层。 为了区别a t m 层使用的信元和那些在物理层上使用的信元，并确认未 分配信元和空信元，r r u - t 为u u i 定义了固有的信元信头值。 流最控制一该功能由信头中的g f c 比特支持，在用户一网络接口上实 现控制。 信元优先级处理c l p 是在网络据塞期问管理信元丢失的一种手段 对于某些业务，要求确较高的业务质量( q o s ) ，其c l p = g 。而有些业务则允 许较低的业务质量，其c l p = i ，视网络情况可以被丢弃。c l p 位可由用户或 业务提供者设置。 2 1 3a 1 m 连接 a t m 是面向连接的业务。采用了虚连接技术，设置虚通道( v p ) 和虚信道 ( v c ) 两级寻址。因此a 1 m 连接分为虚通道连接( v p c ) 和虚信道连接( v c c ) 。 虚