（通信与信息系统专业论文）级联码在watm差错控制中的应用研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 茼晏 w a t m 技术在支持多媒体业务方面具有独特优势，因此，被认为可能成 为未来无线通信的主干技术。近年来，w a t m 得到了广泛的重视，国内外大 学和科研机构都对此进行了研究与讨论。本文主要对w a t m 的信元头提出了 一种差错控制的方法。 首先，对标准a t m 的差错控制机制在高误码率信道条件下的信元丢失情 况进行了研究，发现单靠标准a t m 中的头差错控制( h e c ) 机制，难以满足多 媒体业务对信元丢失率的要求。据此提出了一种无线a t m 信元的格式，用以 改善其信道差错率高带来的误码率。 然后，根据无线a t m 的要求，提出了适合于无线a t m 的协议。并对各种 适合a t m 的前向差错控制方法进行了研究与对比。 最后，提出了一种基于q o s 无线a t m 信元头结构。其m a c 层采用 t d m a 佃d 协议，每一帧中每个时隙对应的连接都由基站动态分配，基站 根据时隙位置就可判定其对应的连接，从而在无线信道上可以部分省略 v c i v p i 的传输，所以可在信元头中加入1 6 个比特的b c h 码用于差错控制， 取代了标准a t m 信元头的v c i v p i 。还对此信元头提出了一种适合于无线 a t m 信元头的差错控制方案一一级联码。同时分别对b c h 码与卷积码构成 的级联码和b c h 码与里德一所罗门( r s ) 码构成的级联码进行了研究与比 较。采用级联码的方法可以针对无线信道差错率高的特点进行纠错，并对这 两种级联码进行了性能仿真。通过结果表明，该信元头结构和级联码纠错的 方法可以满足无线a t m 的q o s 需求。 关键词：无线a t m ；级联码；b c h 码；r s 码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t mi sr e g a r d e da sm a i n t e c h n i q u e f o rf u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，f o r i t su n i q u ea d v a n t a g et os u p p l ym u l t i m e d i as e r v i c e s l a t e l y , w a t mh a sb e e n p a i d m o r ea n dm o r e i m p o r t a n c eo n m a n yc o l l e g e s a n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h o r g a n i z a t i o n sh a v ei n v e s t i g a t i o na n dd i s c u s s i o no nw a t m ，n om a t t e rt h e ya r e d o m e s t i co ro v e r s e a s t h i sp a p e r p r o p o s e da ne f f e c t i v e e r r o rc o n t r o lt e c h n i q u ef o r w a t mh e a d c r f i r s t ，w e f o u n dt h e o r i g i n a l h e co fa t mc a l ln o ts a t i s f yt h e q o so f m u l t i m e d i as e r v i c eb yi n v e s t i g a t i n gt h eo r i g i n a le r r o rc o n t r o ls c h e m ei nt h ee a s e o fh i g he r r o rb i tr a t i o s ow ep r o p o s e dan e wc e uf o r m a t i o nt os o l v et h e p r o b l e m w h i c hi sb r o u g h ta b o u t b y w i r e l e s sc h a n n e l s e c o n d ，w ep r o p o s e daw a t m p r o t o c o lb a s e d o nt h er e q i r e m e n to fw a t m a n dw ea n y l i z e da n dc o n t r a s t e dt h ee r r o rc o n t r o lm e t h o d sw h i c ha r es u i tt o w a t m l a s t l y , ac e l l s t r u c t u r eo fw i r e l e s sa t mb a s e do nq o si sp r o p o s e d t h e t d m a t d d p r o t o c o lh a sb e e na d o p t e d a tt h em a c l a y e r i ne a c hf r a l n e ，w h i c h c o r l n e c t i o ne a c ht i m e s l o t c o r r e s p o n d s i s d y n a m i c a l l ya l l o c a t e db yt h e b a s e s t a t i o n t h eb a s es t a t i o nc a nd e t e c ti t sc o r r e s p o n d i n gc o n n e c t i o nb yt h ep o s i t i o n o ft h et i m e s l o t t h u st h ev c i v p it r a n s m i s s i o nc a l lb ep a r t l yo m i t t e di nt h e w i r e l e s sc h a n n e l s t h e r e f o r e ，a sm a n ya s1 6b i t so fb c hc o d ea l ea d d e dt ot h e c e l lh e a df o rt h ee r r o rc o n t r 0 1 w h i c hr e p l a c e sv c i v p io ft h es t a n d a r da t mc e l l h e a d c o n c a t e n a t e dc o d ei s a p p l i e dt o a t mc e l lh e a d e ra sa ne r r o rc o n t r o l s o l u t i o n t 1 1 i sp a p e ra n a l y z e dt h ec o n c a t e n a t e dc o d ec o m b i n e db c hc o d ew i m c o n v o l u t i o nc o d ea n dc o n c a t e n a t e dc o d ee o m b i n e db c hc o d ew i t h r e e d s o l o m o n ( r s ) c o d e t h e s em e t h o d s c a l lp e r f o r me f f e c t i v e l yi np r e s e n c eo f h i g h e r6 1 t o rr a t i oi nw i r e l e s sc h a n n e l ，i nt h ee n d ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o ns h o w s t h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m e t h er e s u l ts h o w st h i sm e t h o dc a l l s a t i s f yt h e d e m a n d so fw a t m q o s k 盯w o r d s ：w a r i m ，c o n c a t e n a t e dc o d e ，b c hc o d e , r e e d - s o l o m o n c o d e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：型：必 日期：2 0 0 4 年0 2 月1 6 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 随着无线通信、有线通信和智能网络的高度发展，特别是固定( 有线) 通信网络向宽带综合业务数字网( b - - i s d n ) 的发展趋势，要求未来的移动通 信系统与b i s d n 一样，不仅可以支持话音业务，而且还应支持数据和图象 等综合业务( 亦称之为多媒体业务) 。由于目前的第二代移动通信系统不能支 持多媒体通信，不适应未来发展的需要，因此些国际组织和研究机构正着 手研究具有综合业务能力的第三代移动通信系统。 在b - i s d n 网络中成功实现多媒体业务的综合传输与交换的技术基础是 采用a t m ( 异步转移模式) “1 ，该技术已被国际电信联盟标准委员会( i t u - - t ) 确认为b i s d n 的信息转移模式，为了与固定网络向b i s d n 的发展趋势 相适应，支持多媒体业务通信和方便地实现与b i s d n a t m 固定网络地互连， 有关的国际组织已提出了以无线a t m 技术为基础的来实现第三代移动通信系 统，例如： 1i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e e o m m u n i e a t i o n su n i o n ) 提出了i m t 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ，原名f p l m t s ) ，主要任务是 在全球范围内提供中、低比特率的多媒体业务。其第一阶段目标是实现最高 速率达2 m b p s 的无线多媒体通信，第二阶段目标将实现l o m b p s 的无线多媒体 通信。 2e t s i 提出了通用移动通信系统u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 和移动宽带系统( m b s ) 。其中u m t s 与i m t 2 0 0 0 类似，可支持的用户速率范围是9 6 k b p s 一2 m b p s 0 1 。w a r c 9 2 已为f p l m t s ( i m t 2 0 0 0 ) u m t s 分配了1 8 8 5 - - 2 0 2 5 m h z 和2 1 1 0 - - 2 2 0 0 唧z 的频段，频带带 宽共2 3 0 m h z 。而m b s 的覆盖范围较小( 如微微蜂窝或者室内通信) ，主要目 标是提供与b i s d n 相同的业务类型与传输效率，计划采用6 0 g h z 频段，信 哈尔滨工程大学硕士学位论文 道速率可高达1 5 5 m b p s “1 。 因此，无线a t m 是实现具有综合业务能力的第三代移动通信系统的核心 技术。采用a t m 技术的第三代移动通信网具有如下优点“1 ： 1 支持话音、数据和图象等多种业务； 2 灵活的频带分配： 3 多媒体信源的有效复用； 4 为有线用户与无线用户提供有效的端到端的服务和管理； 5 采用a t m 信元交换技术，速度快； 6 能方便地与b i s d n a t m 网络互连，等等。 图1 1w a t m 接入网实例 w a t m 接入系统可由图1 1 和图1 2 来描述。图1 1 为w a t m 接入系统的 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一实例，图1 2 为实例中不同部分的功能示意图。移动业务无线接入a t m 骨 干网由两个阶段完成，首先移动用户通过w a 掰网络接口单元( n i u ) 实现业 务信元数据的无线按入基站，然后基站通过a t m 网络接口单元( n i u ) 实现业 务信元数据移动接入骨干网。 移动无线 用户 小区基站移动交换机 图1 2w a t m 接入网功能示意图 1 2 无线宽带网和无线a t m 的研究现状 对高速i n t e r n e t 无线接入的需求，以及多媒体技术不断向便携式个人计 算机( p c ) 、个人数字代理( p d a ：p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 等便携式设 备的渗透，极大推动了移动通信系统朝着无线宽带啜络的方向发展；而移动 多媒体业务中，不同业务对服务质量( o o s ) 的不同要求，促使未来的无线宽 带网络必须提供一定的服务质量保证。 无线宽带网络发展的个重要方面是无线局域网( w i r e l e s sl a n ) ，它可 以支持用户对移动计算的需求，也可解决办公环境中网络布线带来的困难。 基于i e e e 8 0 2 1 l 标准的w l a n ，在2 4 g h z i s m ( i n d u s t r i a l 、s e i e n t i f i c 、 m e d i c a l ) 频段支持1 m b i t s 和2 m b i t s 的数据速率。欧洲e t s ir e s 1 0 标 准化组织制定的h i p e r l a nt y p el ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i o a n ) 标准， 工作在5 1 5 0 g h z - - 5 3 0 0 g h z 频段，可支持2 3 5 2 9 4 m b i t s 的数据速率，其后 续标准h i p e r l a n ( t y p e2 ) 支持无线a t m 。工作在1 7 1 9 g h z 一1 7 3 g h z 频段 的h i p e r l a n 可支持更高的数据速率。h i p e r l a n 通过采用优先级和生存时间 两机制来全面支持分组传递的服务质量( q o s ) 。无线信息网络论坛( w i r e l e s s 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i n f o r m a t i o nn e t w o r kf o r u m ) 提出的无须申请许可的s u p e r n e t ( s h a r e d u n l i c e n s e dp e r s o n a lr a d i 0n e t w o r k ) 工作在5 1 0 0 g h z 一5 3 5 0 g h z 频段，可 支持达2 0 m b i t s 的多媒体计算机应用。美国的f c c 把5 1 5 0 g h z - - 5 3 5 0 g h z 频段和5 7 2 5 g h z 一5 8 2 5 g h z 频段共3 0 0 m t h 带宽分配给无须申请许可的国家信 息基础设施u n i i ( u n l i c e n s e dn a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) ， 以w l a n a t m 方式支持达2 0 m b i t s 的多媒体应用。 众所周知，a t m 用单一的网络来灵活地支持任何类型的业务，并提供高 速传送能力和满意的端到端服务质量。而无线a t m ( w a t m ：w i r e l e s sa t m ) 则通过无线方式将a t m 无缝地扩展到移动终端，使用户通过无线的方式接入 多媒体信息业务。因此，无线a t m 系统应提供与a t m 相关地相当范围地业务 种类、比特率和服务质量等级。目前，光纤a t m 遇到地主要挑战来自宽带i p ， 这主要由于a t m 具有复杂的接入控制，流量控制等机制，使得a t m 系统地软 硬件太贵而无法普及到用户的桌面。而另一方面，全光网络的迅猛发展，单 光纤己可以提供达t b i t s 级的系统容量，因此传输容量将不再是信息传输的 主要瓶颈，这无疑淡化了a t m 统计复接的优点。但与有线系统相比，无线系 统的频率资源十分有限，因此在无线网络中采用a t m 那样的统计复用机制来 按需地为用户提供带宽，在综合多种业务的同时，将能更加有效地利用无线 频率资源。目前，无线a t m 已成为无线宽带网络研究的一个重要领域。 对w a n 进行标准化的机构主要有四个”1 ：a t m 论坛的w a n 工作组、i e t f ， i t u 和e t s i 的b r a n ( b r o a d b a n dr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 。其中，a t m 论坛 的w a n 工作组、i e t f 和i t u 主要侧重于核心网络的标准化，b r a n 侧重于宽 带无线接入网络的标准化。a m 论坛的b r a n 的无线a t d 工作组保持紧密的协 作，以保证规定的标准的兼容性。对应地，日本的b t a c 促迸会( m u l t i m e d i a m o b i l ea c c e s sc o m m u n i c a t i o np r o m o t i o nc o a n c i l ) 正在对面向移动地高速 无线接入网( 室外应用，最高速率为2 m b i t s ) 和面向服务质量的超高速无 线l a n ( 室内应用，最高速率为1 5 6 m b i t s ) 进行研究。 到目前为止，已有一些大学和研究机构提出了各自的w a t m 方案，这其中 主要有 7 1 1 n e cu s ac c 实验室的w a t m n e t1 0 2 0 ，a t & tb e l l 实验室的 b a h a m a 无线a t ml a n 和s w a n ( s e a m l e s sw i r e l e s sa r mn e t w o r k s ) ，德国g m d 的无线移动a t m ( w m a t m ) ，加拿大c a r l e t o n 大学提出的宽带毫米波接入 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a t m l a n ，欧洲r a c ei i ( r & di na d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e si n e u r o p e ) 计划中的m b s ( m o b i l eb r o a d b a n ds y s t e m ) 系统，以及欧盟a c t s 计划中的m a g i cw a n d ( w i r e l e s sa t mn e t w o r kd e m o n s t r a t o r ) 、a w a c s ( a t m w i r e l s sa c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a w a c s 涵盖了日本得n t t 的a w a 系 统) 、s a m b a ( s y s t e mf o ra d v a n c e dm o b i l eb r o a d b a n da p p l i c a t i o n s ) 、m e d l a n 等。w h t m n e t 是最早提出的w a t m 系统之一，用以支持未来的个人通信业务， 它建议在无线接入部分采用信元中继( c e l l r e l a y ) 或a t m 信元透明传输的 方案，来最大限度地兼容a t m 协议框架。w a t m n e t l 0 工作在2 4 g h z 频段， 空中接口速率为8 m b i t s ；w a t m n e t 2 0 工作在5 g h z 频段，空中接口速率为 2 5 m b i t s 。 m a g i cw a n d 是一个为期三年的项目，它覆盖了从无线数据传输到网络和 共享媒体应用的整个领域，其目标是建立一个展示平台，证明可以在5 g h z 频段提供2 0 m b i t s 的数据速率，利用无缝接入w a t m 向移动用户提供多媒体 服务。该项目定义和实现了支持无线a t m 网络用户所需的物理层，m a c 层， 以及a t m 信令扩展。 可支持数据速率( m b i t s ) 图1 3 移动通信系统的特征 m b s 是与u m t s 同时进行的研究项目，其目标是对b - i s d n 进行无线扩展， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 以提供m b s 移动终端直接连接到b i s d n 的通信能力。m b s 的工作频段是 4 0 g h z 或6 0 g h z ，采用0 q 埘( o f f s e tq a m ) 调制方式，最高信道速率为 1 6 0 m b i t s ，为运动场，工厂等微蜂窝场所提供宽带无线覆盖。作为m b s 的后 续基站，两个移动终端及与a t m 网络的互连。该试验平台用以演示4 0 g h z 频 段，3 4 m b i t s 的全双工无线a i m 接入，其中终端最大移动速度为每小时5 0 公里。s a m b a 包含对物理层，m a c 层，链路控制层，移动管理功能等的设计和 实施，以及一些单片微波集成电路( m m i c ) 和专用集成电路( a s i c ) 的设计。 m e d i l a n 的目标是建立和评估一个1 5 5 m b i t s 的甚高速无线用户驻地局 域网( c u s t o m e rp r e m i s e sl o c a la r e an e t w o r k ) 的先导系统，用以支持用 户的多媒体业务。该系统采用基于正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 的多载波调制技术和t d d 接入技术，利用 无须申请许可的6 0 g h z 频段，通过a t m 与第三代移动系统相连。与a t m 的兼 容性通过透明地传输a t m 信元来实现。 图1 3 对主要的移动通信系统( 窄带宽带) 的特征进行了概括，包括终 端的可移动性、系统的工作频段和可支持的数据速率等。 1 3 无线a i m 系统地关键技术 无线a r m 本质上是对a t m 网络的无线扩展，其基本技术是无线接入和移 动a t m 部分。其中，无线接入通过无线介质扩展a t m 业务，而移动a t m 的功 能则是支持用户终端的移动性。在无线a t m 网络中，增加了基站( b s ：b a s e s t a t i o n ) 和具有支持移动功能的边缘a t m 交换机( 类似于传统蜂窝网中的基 站控制器) ，其中基站提供与移动终端之间的无线连接，而与有线a t m 网络的 连接通过边缘a t m 交换机来实现。这种结构的特点是可以充分利用光纤a t m 骨干网的传送和交换速度。 标准的a r m 基于低误码率，高带宽的光纤链路，而无线信道的频带有限、 误码率很高，且信道的特性随时间而变化，因此要在w a t m 中支持与a t m 相似 的高速多媒体业务，且支持业务特定的端到端服务质量，则必须在a t m 协议 栈中增加介质接入控制( m a c ：m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 层和数据链路控制 ( d l c ：d a t a l i n k c o n t r 0 1 ) 层，以确保业务的q o s 要求。另一方面，为了支 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 持终端的移动性，必须在网管方面增加位置管理和越区切换控制功能。 1 3 1 介质接入控制层 m a c 层要求支持多个终端对无线信道的共享。m a c 必须支持现有a t m 标准 中定义的标准业务，包括c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 、v b r ( v a r i a b l eb i tr a t e ) 、 a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) ，u b r ( u n s p e c i f l e db i tr a t e ) 等。选择m a c 协议 的关键因素是在保持无线信道的高效率的基础上，以合理的q o s 等级支持这 些业务。目前，基于t d m a 的无线a t m 接入的主要方法有分组预约多址( p r 鼢： p a c k e tr e s e r v a t i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 及其变形，动态t d m a ( d y n a m i ct d 姒) 及其变形，自适应轮询( a d a p t i v ep o l l i n g ) 等。在无线a t m 的c d m a 接入方 面，目前主要采用多码c d m a ( m u l t i c o d ec d m a ) 、可变扩频增益c d m a ( v a r i a b l e s p r e a d i n g g a i nc d m a ) 和多载波c d m a ( m u l t i c a r r i rc d m a ) 等。 1 3 2 数据链路控制层 光纤信道的误码率很低( l o 。) ，因此基于光纤的a t m 本身不对用户业务 进行差错保护，只是在a t m 信元头中加入一个字节的头差错控制( h e c ：h e a d e r e r r o rc o n t r 0 1 ) 。h e c 能纠i b i t 错，它主要用于对a t m 重要的地址信息 ( v p i v c i ) 进行保护。而无线信道的误码率很高，且突发错和随机错都存在， 因此，必须对无线a t m 信元进行差错保护，以满足所需的q o s 。目前对无线 a t m 信元进行保护的主要方法是对每一个虚拟连接( v c ：v i r t u a lc o n n e c t i o n ) 都建立一个差错控制机制，然后根据用户业务对信元丢失率、时延时延抖动 等q o s 的不同要求分别采用前向差错控制( f e c ：f o r w a r de r r o rc o n t r 0 1 ) 和 自动重传请求( a r q ：a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 。 1 3 3 位置管理 位置管理利用移动设备“名”和“路由选择标识符”之间的唯一映射， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 确定移动终端当前所归属的a t m 节点，它是网络管理移动性终端的一般能力。 在a t m 鼹络中，每个终端有一个网络地址来标识，这个地址有两个用途：作 为终端标识，传输协议用它们来建立传输层连接；作为位置标识，它们隐含 了到达终端的网络路由。因为传统的终端相对于网络的位置是不变的，单一 标识都可以完成上述两种用途。但是，在无线a t m 网络中，移动终端的位置 是不断改变的，所以用来寻址的位置标识也要随之改变，而鉴别身份的终端 标识可以保持不变。i e t f 提出了一种位置管理方案，该方案通过扩展a t m 的 信令帧结构，从而使移动终端的位置识别和连接建立过程融为一体。 1 3 4 越区切换控制 w a t m 在为用户提供高带宽的同时，必须支持终端的移动性。因此，如何 快速、有效地处理移动用户在w a t m 系统中在各蜂窝小区间发生的越区切换， 保证无线连接的q o s ，成为w a t m 研究的一个热点。w a t m 系统对越区切换过程 的主要要求是：1 ) 越区切换处理时间短；2 ) 保持网络资源的有效利用；3 ) 信元丢失、错插( m i s s i n s e r t i o n ) 和重叠的概率极小，满足呼叫连接的q o s 要求：4 ) 极少更换路由中的网络节点。目前，典型的越区切换方案是a c a m p o r a 等人提出的虚连接树( v c t ：v i r t u a lc o n n e c t i o nt r e e ) 。该方案中，当无线 连接建立之后，基站控锘4 器在移动终端当前所处的小区周围，在那些该移动 终端可能移入的小区中预先分配资源，产生被称为v c 树的v c 集合，因此移 动终端可自由地在v c t 所覆盖地范围内漫游而不用执行呼叫接入控制( c a o 。 该方案能够快速地进行越区切换。并能保证在网络越区切换情况下连按的 q o s 要求。 1 4 本文主要工作及安排 本文主要针对无线a t m 系统地数据链路控制( d l c ) 和介质接入控制( m a c ) 进行研究，同时提出了相应地差错控制方案和m a c 方案，并对他们的性能进 行了理论分析和计算机仿真。 首先，在本文的绪论部分，我们对宽带综合业务网络和移动通信系统的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发展趋势和研究现状进行了综述，指出研究无线a t m 无线宽带网络的意义和 重要性，并对无线a t m 的关键技术进行了概述。 在第2 章中，我们首先对标准a t m 的差错控制机制在高误码率信道条件 下的信元丢失情况进行了研究，发现单靠标准a t m 中的头差错控制( h e c ) 机 制，难以满足数据和图象业务对信元丢失率的要求。据此我们提出了一种无 线a t m 信元头的格式，用以改善其信道差错率高带来的误码率。 在第3 章中，我们根据无线a t m 的要求，提出了适合于无线a t m 的协议。 在第4 章中，我们分析了一些纠错的常用方法，为最后无线a t m 信元头 的纠错方法的选择进行性能对比。 在第5 章中，我们对提出的用级联码保护w a t m 信元头的方法进行了仿真， 并与其他方法进行了对比。其中，采用了两种级联码，一种是分组码与卷积 码构成的级联码，另一种是r s 码与b c h 码构成的级联码。 最后，我们对全文进行了总结。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章无线接入网的a t m 技术 2 1 无线接入中的a t m 原理 无线a t m 的最终目标是通过无线方式将a t m 无缝地扩展到移动终端，使 用户通过无线的方式接入多媒体信息业务。无线a t m 的发展分为两个阶段： 第一阶段是利用现有的无线接入技术，将移动终端连接到a t m 骨干网。重点 放在a t m 网络对移动性的支持和自适应应用。在该阶段，最重要的是设计多 分辨率的应用，能够适用在无线介质可用带宽的慢速和快速变化。第二阶段 加强无线链路( 在传输速度、误比特率、可靠性等方面) ，为大量的移动用户 提供高速的无线和多媒体应用。 无线a t m 近年来受到了广泛的重视，许多大学和工业实验室对其进行 了广泛地研究，a t m 论坛于1 9 9 6 年6 月成立了无线a t m 工作小组( w a t m w g ) ，负责其标准化工作和系统规划。 2 1 1a t m 的目的 a t m 基于信元的交换技术为具有统一结构的网络提供了一种通用的且 适用于不同业务的面向连接型的转移模式。a t m 既可以直接( 或通过适配层) 处理面向连接型业务，也可以通过适配层处理无线连接型业务。a t m 虚拟连 接既可以运营于均匀比特率业务。也可运营于可变比特率业务。每个a t m 信元根据信头的地址信息，建立从起点到终点的虚拟连接。所有信元可在指 定的虚拟连接上有序地传递。a t m 提供永久虚连接( p v c ) 或交换虚连接 ( s v c ) 。当任何形式的信息输入a t m 网络时即转化成信元格式，非周期地 在网络上传递，而不是像同步转移方式( s i m ) 那样按特定时隙或批次周期 性地传递，这就是“异步”的含义。 a t m 为未来具有统一结构的网络定义了复用和交换方法，而该网络的物 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 理传输层得到高速大容量的同步光纤网( s o n e t ) 或同步数字系列( s d h ) 的支持aa t m 具有很好的语义透明性和时间透明性，可以根据不同应用的特 性要求( 如延迟，丢失率) 提供多个业务质量( q o s ) 类别。因此a t m 的复 用和交换方法将支持广泛的业务，包括： 语音 分组数据 电视 图象 电路仿真 2 1 2a i m 的特性 b - - i s d n 选择的转移模式应具有下列特性： 支持现有的全部业务，并且还要支持尚未了解的新业务； 应最有效地利用未来资源； 应最大程度地减少交换的复杂性： 应最大程度地减小网络中间节点的处理时间，从而能够支持更高的传 输速率； - 应最大程度她减少网络中间节点的缓存器数目，以减少延迟和缓存器 管理的复杂性； 应保证现有应用和所期望应用的性能要求。 a t m 试图用统一的方式满足上述要求。由于它综合了电路交换的简单性 和分组交换的灵活性，因而被c c i t t 选为宽带i s d n 的交换方式。下面，从 灵活性与高速性这两方面来分析一下a t m 技术的特点。 在灵活性方面，a t m 属于统计型的时分复用方式，也就是按需要来动态 分配各电路带宽。a t m 方式中虽然是以虚电路方式建立连接的，但并不是把 一条虚电路同固定带宽对应起来，而是根据各虚电路中所要传送的数据量大 小的变化情况及时地、动态地分配带宽。这样当某条虚电路上无数据要传送 时可暂不为其提供带宽，余下的带宽可供其他有传送要求的虚电路使用。这 种带宽分配机制可以把一条物理传输通道动态地分配成若干个子信道，而每 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个子信道的大小是根据实际情况而变化的，以适应各种不同速率变化的业务， 同时对通信过程中不断变化的突发性业务也有很高的资源利用率。从这个角 度讲，a t m 技术最适合于在b - - i s d n 中综合各类业务的要求。 在高速性方面，a t m 技术主要有以下几个特点。 ( 1 ) 取消了每条链路上的差错保护和流量控制在分组交换模式网络 中，反馈重传的差错控制与窗控机制，拥塞状态信息反馈机制等复杂的流量 控制协议是引起分组传输时延过大的一个重要原因。针对这一点，a t m 技术 将原来x 2 5 分组协议中每条链路都进行的差错控制、流量控制处理取消了， 在网络中仅完成保证协议内用户信息透明度传输的最基本功能。这样做在目 前通信网以光纤作为中继线路传输媒质的条件下是合理的，因为在这种情况 下传输过程中的误码率可以很低( 可达1 0 母) ，故而不必每条链路都对整个协 议内容进行差错控制，端到端的差错控制即可满足大部分业务的要求。在 a t m 网络的各级链路上仅对信元进行差错控制，这是因为信头中的v p i ，v c i 等控制信元传递方向的信息如果出错，将发生差错多重效应。即便如此，当 发现信头中有错误时也不是反馈重传而是尽可能纠错，若无法纠正则将此信 元丢弃。 ( 2 ) 采用面向连接的方式在信息由终端传送到网络之前，网络首先要 为其逻辑虚连接的建立预留必要的资源。如果没有必要的资源，终端要求的 连接则被拒绝。当用户提出的呼叫请求被接纳后，网络即为该呼叫建立一条 虚连接。这样，在通信过程中属于这一呼叫的所有信元均沿这条虚连接传送 而不必在进行路由选择了。当信息传输完毕，网络释放资源。采用面向连接 的方式允许网络在各种情况下保证最小的信元丢失率。 ( 3 ) 减少了信头功能为了确保网络中的高速处理能力，a t m 中信头 的功能大大减少。它主要起标识符的作用，以确定虚连接的地址信息，保证 每个信元沿正确的路由传递。另外，它允许不同虚连接较容易地复用到单个 链路上来。同时，为了减小信头误码造成的多重误码效应，信头应具有检错 纠错的功能。信头还支持另外一些有限的功能，主要是网络维护功能。信头 功能的减少，a t m 的硬件实现得到简化，处理速度大大提高。 ( 4 ) 短小的净荷长度短小的净荷长度可以减小组装、拆卸信元以及信 元在网络中排队等待所引入的时延，从而提高了传输效率。而且短信元经网 哈尔滨工程大学硕士学位论文 络后形成的时延抖动也比长信元小，这样更适合于话音、图象等对时延变化 有苛刻要求的业务。 2 1 3a t m 的基本原理 a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ，即异步转移模式) 是在电路交换， 多速率交换、快速电路交换、分组交换，帧中继和帧交换基础上发站起来的 一种快速分组交换。a t m 采用单一的网路来提供所有的业务并高度灵活地适 应任何种类的业务，现有的业务也都可阻通过a t m 来提供( 如图2 1 所示) 。 而且不论其速率的高低、突发性的大小以及实时性与质量的要求如何，a t m 都能提供满意的服务和有效地利用网路资源。 帧中继l a n 壬喜 通信通信岫目 图2 1a t m 提供网络业务示意图 a t m 将信息分为信元( c e l l ) 进行传输( 包括复用和交换) 。a t m 信元长 度是5 3 个字节的分组，其中s 个字节为信头( h e a d e r ) ，4 8 个字节是信息段 或者叫做净荷( p a y l o a d ) ，如图2 2 所示。从图中可以看出信头分别由一般流 哈尔滨工程大学硕士学位论文 量控n i j ( g f c ) 比特、虚通道标识( v p i ) 比特，虚信道标识( v c i ) 比特，净 荷类型( p t ) 比特，备用( r e s ) 比特，丢失优先级( c l p ) 比特和信头差 错控制( h e c ) 比特组成。 图中所示的为u n i 的信元结构。a t mn n i 的信元头格式与u n i 格式的 不同点在于它不包括一般流量控制( g f c ) 域，n n i 将u n i 格式中使用的 4 b “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。u n i 是用 户或用户住宅设备( c p e ) 和网络交换机之间的接口。n n i 是交换机之间或网 络之间的接口。下面对信元头的组成做一下分析： lv p i v c i ：a t m 的核心技术就是利用v p i 和v c i 进行信元的中继和交 换。a t m 还可以有效地对具有不同业务质量的多个逻辑连接进行复用和分 用。a t m 信头中的比特数限制为每个物理u n l 支持的最多虚通道为2 8 = 2 5 6 个，每个物理n n l 支持的虚通道不超过2 1 2 = 6 5 5 3 6 个。 87654321 g f cv p i v p iv c i v c i v c ip tc l p 皿c 3 字节 4 5 图2 2a i m 信元头格式 尽管u n i 和n n i 信元格式分别规定v p i 为8 位和1 2 位，规定它们的 v c i 为1 6 位，但真正实现时只需支持很少的一组v p i 和v c i ，即只使用v p i 和v c i 的低位。因此一个实际a t m 网络中能支持的虚通道和虚信道数目远 远小于上面定义的最大值。这在互操作性方面有重要的作用。 2 固有的信头值：为了区别a t m 层使用的信元和那些只在物理层上使 用的信元，并确认未分配( u n a s s i g n e d ) 信元和空( i d l e ) 信元，i t u t 为u n i 定义了固有的信元信头值，其中物理层信元和未分配均用信头中5 位至2 8 位的全零模式刻画。 3 净荷类型( p t ) ：信头中设置的p t 用于指明净荷类型。用户信息信元 的净荷不仅包括用户信息，而且还包括业务适配功能。在网络信息信元中， 净荷用来承载网络所需的运营和维护信息。这里p t 用来区别属于同一v c c 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的用户和f 5 信元，p t 的编码中的第一位表示a t m 层用户到a t m 层指示。 用户( a u u ) 指示用于适配层。p t 编码的第二位拥塞指示( c i ) ，它通知终 端用户上行拥塞；第三位用来区分数据信元和运营信元，承载用户信息的净 荷类型可用前向显拥塞指示( e f c i ) 指示信元是否经历了拥塞，也可以用 a u u 指示信元包括了a a l 协议。管理信息净荷类型用来表示信元是段还是 端到端的运营管理和维护，或者表示快速资源管理( f r m ) 信元。 4 信元丢失优先级( c l p ) ：对于某些业务，要求有较高的业务质量( q o s ) ， 而其他一些业务则允许较低的业务质量。信头中的c l p 用于指示这种优先 级。q o s 要求高者，c l p = 0 。业务质量要求低者，c l p = 1 。c l p = 0 的信元 将在呼叫建立时确定并可以再协商；c l p = l 的信元到达时，只有缓冲队列 长度低于给定门限的情况下才被接收，否则就丢弃，而门限以上的部分只高 优先级信元使用。c l p 位可以由用户或业务提供者设置。属于一个c b r 连 接的信元总是具有高的优先级，很多v b r 业务既要求保证最小容量，又要 求保证峰值容量。些业务利用c l p 比特位的优点，区分高丢失敏感性信元 和低丢失敏感性信元。 5 一般流量控制：b - - i s d n 的u n i 所连接终端的配置，种类和数量都 很多。