（通信与信息系统专业论文）卫星交换与组网关键技术研究.pdf

_ 、 上 l i i ii ii ii il l lli i iii iitl y 1812 0 8 7 上a t m 交换和信 通信系统的用户容 量和具有共享缓存的a t m 交换结构及其缓存策略。 本文首先讨论了卫星通信系统、星上交换、星际链路、基于a t m 的卫星网 络和卫星网络时延，并在此基础上，根据爱尔兰b 公式，在简化路由与均匀业务 分布条件下，提出了一种估算具有星际链路的卫星通信系统的用户容量的计算公 式，并举例计算了相关性能，实例包括一个具有4 8 颗卫星的通信系统和铱星系统。 其次，讨论了基于a t m 的交换结构，深入地研究了共享缓存交换结构与c r o s s b a r 交换结构的交换机制、参数选择、缓存策略等，并研究了几种不同的缓存管理方 式。最后，利用o p n e t 仿真软件，设计与实现了完全共享策略的共享缓存a t m 交换机的仿真软件，分析了不同场景下得到的仿真结果。论文结尾总结全文，并 提出了下一步研究工作的方向。 关键词：容量计算交换结构缓存策略星际链路卫星网络 a b s t r a c t s p o n s o r e db yt h er e s e a r c hp r o j e c t sn a m e d “v e r i f i c a t i o na n ds o l u t i o n sf o rm o b i l e c o n s t e l l a t i o ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n d “i m p l e m e n t a t i o no fo n b o a r da t m s w i t c h i n ga n ds i g n a l i n gs y s t e m ”，as t u d yi sm a d ei nt h i sd i s s e r t a t i o nf o rt h eu s e r c a p a c i t yo fs a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mw i t hi n t e r - s a t e l l i t el i n k ，a n dt h e a t ms w i t c hf a b r i cw i t ht h es h a r e dm e m o r ya n dt h eb u f f e rs t r a t e g y t h ed i s s e r t a t i o nb e g i n sw i t hd i s c u s s i n gt h ei s s u e so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，o n b r o a ds w i t c h i n g ，i n t e r - s a t e l l i t el i n k ，s a t e l l i t en e t w o r kb a s e d o nt h ea t ma n d t h ed e l a yo ft h es a t e l l i t en e t w o r k o nt h eb a s i so fe r l a n gbf o r m u l a ，af o r m u l ao f c a l c u l a t e i n gt h ec a p a c i t ya n dr e l a yc h a n n e l so fs a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s p r e s e n t e d w i t ht h e s i m p l i f i e dr o u t i n g a n du n i f o r md i s t r i b u t i o nt r a f f i c t h e p e r f o r m a n c e so ft w oe x a m p l e sa r eg i v e nb yu s i n g t h a tf o r m u l a ，i n c l u d i n ga4 8 一s a t e l l i t e c o n s t e l l a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h ei r i d i u mc o n s t e l l a t i o n s e c o n d ，a d i s c u s s i o no fa t ms w i t c hf a b r i ci sm a d e ，a n dt h es w i t c hf a b r i c so fs h a r e dm e m o r ya n d c r o s s b a rs w i t c hf a b r i ca r ea d d r e s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es w i t c h i n gm e c h a n i s m s ， p a r a m e t e rc h o i c ea n db u f f e r i n gs t r a t e g y i na d d i t i o n ，s e v e r a l m e a n so fb u f f e r m a n a g e m e n ta r es t u d i e d f i n a l l y , a na t ms w i t c ho ft h ec o m p l e t e s h a r e d b u f f e r s t r a t e g yi sm o d e l e da n ds i m u l a t e dw i t ht h eo p n e t m o d e l e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t s o b t a i n e di nd i f f e r e n ts c e n a r i o sa r ea n a l y z e d t h ed i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da ti t se n d a n dt h ei s s u e st ob es t u d i e df u r t h e ra r ep o i n t e do u t k e y w o r d ：c a p a c i t yc a l c u l a t i o n i n t e r - s a t e l l i t el i n k s w i t c hf a b r i cb u f f e rs t r a t e g y s a t e l l i t en e t w o r k 1 1 1 2 本文研究内容3 第二章卫星的交换与组网及容量估算5 2 1 卫星通信概况5 2 1 1 现有卫星通信系统5 2 1 2 未来发展趋势一6 2 2 星上交换8 2 2 1 透明中继转发8 2 2 2 星上处理转发8 2 2 3 星上交换形式1 0 2 3 星际链路。1 1 2 3 1 星际链路带来的优势1 1 2 3 2 星际链路的特点1 1 2 3 3 星际链路与星座的关系1 2 2 4 卫星a t m 网络技术1 3 2 4 1a t m 技术1 3 2 4 2 卫星a t m 网络结构1 3 2 4 3 卫星a t m 协议栈1 4 2 5 卫星网络时延分析。1 6 2 5 1 卫星网络时延构成1 6 2 5 2 卫星网络时延计算1 7 2 6 卫星用户容量估算2 0 2 6 1 呼损率计算。2 0 2 6 2 卫星星座系统模型2 1 2 6 3 路由计算2 3 2 6 4 公式推导2 3 2 6 5 实例计算与分析2 4 2 6 6 ，j 、结2 8 第三章星上a t m 交换2 9 3 1a t m 交换结构与基本原理2 9 3 1 1a t m 交换原理。2 9 3 1 2a t m 交换结构2 9 3 1 3 共享缓存交换结构3 0 3 1 4c r o s s b a r 交换结构3 2 3 2a t m 交换的缓存策略3 5 3 3a t m 交换的缓存管理一3 7 第四章星上共享缓存交换性能仿真软件设计与实现。3 9 4 1o p n e t 简介3 9 4 2 仿真总体方案概述4 0 4 3a t m 交换仿真模型设计与实现4 0 4 3 1 网络模型4 0 4 3 2 业务源节点模型。4 1 4 3 3 交换节点模型4 6 4 3 4 接收节点模型5 4 4 3 5 链路模型。5 6 4 3 6 分组模型5 7 4 4 仿真目标与场景5 7 4 4 1 仿真目标一5 7 4 4 1 仿真场景与预期仿真结果。5 7 第五章仿真结果及分析5 9 5 1 在均匀业务下仿真结果及分析5 9 5 2 在突发业务下仿真结果及分析6 0 全文总结。6 3 致谢6 1 ； 参考文献6 7 作者在读期间的研究成果6 9 1 1 研究背景及意义 卫星通信是现代通信的主要方式之一，它在军事上和航天科技上有特殊的地 位，是实现现代信息社会的核心科技内容之一。由于卫星处在太空中这样一个特 殊的位置，使得卫星通信具有许多明显的竞争优势： 1 ) 覆盖面积巨大，只需要3 颗近似等间隔的静止轨道( g e o ，g e o s t a t i o n a r y o b r i t ) 卫星，即可对整个地球实行无缝隙覆盖，卫星通信几乎与地球站之间的距离 无关。因此，就广域服务和全球通信而言，卫星通信是非常经济的。 2 ) 卫星具有收集信息和广播特性，它们建立的网络本来就带有星形拓扑结 构，因此卫星适合用于多个固定用户之间、多个移动用户之间或固定用户和移动 用户之间进行通信。 3 ) 卫星网络可以在很短时间建立，而且网络结构灵活机动，设备随时可以 搬迁。 随着科技的不断发展，越来越多的新技术被用到卫星上，使得卫星的优势更 加明显，竞争力进一步加强。 目前，也界上有两大著名的低轨道( l e o ，l o we a r t ho r b i t ) 卫星通信系统，一 个是全球星( g l o b a l s t a r ) 系统，它采用倾斜星座设计，有8 个轨道，4 8 颗卫星，另 一个则是铱星( i r i d i u m ) 系统，它采用极轨道星座设计，有6 个轨道，6 6 颗卫星。 这两大低轨卫星通信系统最重要的区别之一就是铱星具有星际链路0 s l , i n t e r - s a t e l l i t el i n k ) ，而全球星却没有。使用星际链路具有许多的优点，它能将星 座中的各个卫星有机地联结为一体，使得系统内任何用户通信链路的建立都不需 要地面通信网的支持，从而可以构成一个无缝的全球通信网络。在具有星上处理 和星上交换功能的卫星网络中，星际链路还能有效的减少信息传输的时延和时延 抖动等。目前，新一代的宽带卫星移动通信系统都倾向使用星际链路。 自从1 9 6 5 年，第一颗商业卫星( i n t e l s a t - 1 ) 丌始投入运行以来，卫星通信 已有4 0 多年的历史。在这期问，通信技术有了飞速的发展，出现了许多新的技术。 其中，异步传输模式( a t m ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 技术是典型的代表。a t m 采用的是a t m 交换方式，它能实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换， 提供灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求。a t m 交换具有如下几个特点： 1 ) 固定长度的信元中继，有利于简化交换控制和缓冲器管理； 2 一 卫星交换与组网关键技术研究 2 ) 采用面向连接的方式。面向连接引入了建立时延，但一旦通路建立后， 信息交换的过程就比较简便，减小了选路开销； 3 ) 采用异步时分交换方式，各个呼叫连接的信元不占有固定的位置，因此 具有灵活的带宽分配，可以适应各种不同带宽业务的要求。 将a t m 技术的灵活性与卫星通信覆盖面广的特点相结合，有利于提高广域 网的效率，可提高整个系统的带宽利用效率，增加系统的互操作性，提高系统的 性能价格比。1 9 9 6 年，美国n a s a 的a c t s 卫星( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ys a t e l l i t e ) 进行了6 2 2 m b i t s s 的a t m 试验，验证了t c p i p 协议在卫星 a t m 平台上的可行性。目前，有一些卫星通信系统采用了a t m 方式，基本实现 了在卫星链路上传送a t m 信元。 a t m 与卫星相结合有两种方式，一种是透明中继型卫星，也称“弯管( b e n t p i p e ) 式卫星，它是一种透明的a t m 网络，不改变a t m 的高层协议，卫星转发 器只完成信号放大和频率转换，传统的通信卫星多采用这种方式。信号检测、解 码和协议转换等都不在星上进行。另一种是具有星上处理( o b p , o n b o a r d p r o c e s s i n g ) 功能的a t m 卫星，此时的卫星具有完全的星上信号再生能力，星上处 理单元完成多路复用分用、信道编码解码和利用多波束配置的星上快速分组交 换等功能。由于将必要的用户终端协议转换到了卫星平台上，因此可以提供小而 便宜的用户终端。 在具有星上a t m 交换机的卫星系统中，卫星已是一个a t m 节点。如果是在 一个具有星际链路的卫星系统中，空中卫星网中的每一颗卫星都是一个a t m 节 点，并且还能实现基于信元的星上交换和路由选择功能，从而可以真正实现个人 移动通信的无缝覆盖。星上交换已经成为新一代卫星通信发展的重要方向。 对于具有星际链路的卫星通信系统，由于其星际链路不断的随时间变化，使 得卫星网络拓扑结构也随时间连续变化，但是卫星网络也具有周期性、规律性、 可预知性等一些简化网络路由计算的特性。本文从上述角度出发，对具有星际链 路的卫星通信系统的星际链路数以及用户容量进行了估算，并进行了实例分析与 计算，为设计具有星际链路的卫星通信系统提供参考。 对于设计一个星上a t m 交换机，必然涉及到交换结构的选择，缓存容量的 设计等，由于共享缓存具有缓存利用率高，设计简单，并能达到1 0 0 的吞吐量， 因此本文结合“星上a t m 交换和信令系统实施方案”项目，对具有共享缓存的 a t m 交换结构及其缓存策略进行了研究，并以o p n e t 仿真软件，对采用完全共 享缓存策略的交换结构进行了性能仿真研究。 第一章绪论 3 1 2 本文研究内容 本文主要内容安排如下： 第一章绪论，简要分析了目前卫星通信的发展现状，以及星际链路与星上交 换所带来的优势，阐述论文的研究背景及意义，并说明论文的主要内容。 第二章卫星的交换与组网及容量估算，介绍了论文相关的技术背景。重点介 绍了星上交换原理和星际链路的特点，以及两者结合所带来的优势。并对卫星 a t m 网络技术进行了研究。最后一节详细研究了具有星际链路卫星通信系统的星 际链路数和用户容量的估算。 第三章星上a t m 交换，首先详细介绍了a t m 交换结构与基本原理，并详细 讨论了共享缓存交换结构与c r o s s b a r 交换结构，对常用的共享缓存策略进行了分 析比较。 第四章星上共享缓存交换性能仿真软件设计与实现，首先介绍了o p n e t 仿 真工具，然后研究本仿真的原理框图、业务源模型、交换节点模型、进程模型等， 并设计了仿真场景。 第五章仿真结果及分析，在均匀业务环境和非均匀业务环境下，分析了共享 缓存交换机的仿真结果。 4 一卫星交换与组网关键技术研究 5 一 l s t a r ) 系 低轨道 。全球 星系统不具备单独组网能力，只可与地面公共网联合组网，其联接接口设在关口 站。全球星系统的目的只是保证全球范围内任意移动用户可随时通过该系统接入 地面网。它的基本设计思想是利用低轨道卫星组成一个连续覆盖全球的移动通信 卫星系统，向世界各地提供话音、数据或传真、无线电定位业务，它只是作为陆 地蜂窝移动通信系统和其他移动通信系统的延伸。与铱星系统相比，全球星系统 具有成本低的优势。 全球星系统采用倾斜轨道设计，有8 条倾斜轨道，每个轨道均匀分布着6 颗 卫星，因此一共有4 8 颗卫星，其轨道高度为1 3 8 9 k m 。全球星系统由卫星、关口 站、星座控制设备和网络中一t ：, ( n c c ，n e t w o r kc o n t r o lc e n t e r ) 以及用户终端所组成。 与铱星系统相比，全球星系统不具备星际链路，也没有星上处理与星上交换 能力。系统中卫星的作用相当于一个透明转发器，所有交换、处理功能均由关口 站完成。全球星系统采用了码分多址( c d m a , c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术， 因此可以用软切换的方法完成信道切换。全球星系统只存在两种切换，即同一卫 星内的波束间的切换和卫星间的信道切换。 全球星系统以高技术、低成本作为设计思想，没有星上处理与星上交换，也 没有星际链路，从而减少了卫星的复杂度。 ( 2 ) 铱星系纠1 1 1 7 j 1 8 l 铱星系统是美国m o t o r o l a 公司提出的一种利用低轨道卫星群实现全球卫星移 动通信的方案，它也足目f ； 世界上唯一具有星际链路的低轨道卫星通信系统。铱 星系统采用极轨道星座设计，采用分组交换技术以及f d m 椰m a 混合多址方 式，它一共由6 6 颗卫星组成，均匀有序地分布在6 条极轨道上，每条极地轨道上 有1 l 颗卫星，轨道高度为7 6 5 k m 。铱星系统由卫星星座、地面控制设施、关口站 及用户终端( 话音、数据、传真) 几部分所组成。每颗卫星能提供4 8 个点波束， 6 一卫星交换与组网关键技术研究 每个波束平均包含8 0 个信道，因此，每颗卫星可提供3 8 4 0 个全双工电路信道。 铱星系统最大的特点是具有星际链路。铱星系统中的每颗卫星具有4 条星际 链路，其中两条与前后两颗卫星相联，属相同轨道面内的星际链路，其余两条与 左右两颗卫星相联，属不同轨道间的星际链路。星际链路使用k a 频段，频率为 2 2 5 5 2 3 5 5 g h z ，其工作速率高达2 5 m b s 。铱星系统具有星上处理和星上交换 能力，它能实现呼叫处理、路由分配和交换、移动管理、频率资源管理、安全保 密、网络管理等网络功能，再加上星际链路，使得铱星系统内的卫星之间具有空 间交换和路由选择的功能。 此外，由于卫星高速的运行，使得铱星系统在越区切换和漫游的概念上与地 面蜂窝移动系统有很大的不同，在地面蜂窝系统中，基站及小区覆盖是固定的， 交换局覆盖的服务区也是固定的，当移动用户从一小区进入另一小区时发生切换， 当移动用户从交换服务区内的小区进入另一交换服务区的小区时发生漫游切换。 但对于铱系统而言，空间段的星座是相对于地面移动用户作高速运动，可看作整 个蜂窝覆盖区以高速掠过地球表面，而地面移动用户是相对静止的。因此不论地 面用户是否移动，都存在越区及漫游切换问题。在铱系统中有如下几种切换：( 1 ) 在同一颗卫星覆盖区内，移动用户从一个小区移入相邻小区时发生的切换，相当 于越区切换。( 2 ) 移动用户从一颗卫星的覆盖区内的小区移入相邻卫星覆盖区内的 小区发生的切换，即越星切换。( 3 ) 当关口站作为交换局时，由于卫星的移动而引 起卫星关口站问的链路切换。 铱星系统应该是目前最为成功的低轨道卫星通信系统，它采用了当时最为先 进的技术，实现了全球无缝覆盖，使它到现在依然发挥着巨大的、无法替代的作 用，特别是在军事上的应用价值，更是巨大。 2 1 2 未来发展趋势 随着多媒体业务和因特网业务的不断增长，宽带卫星通信系统已成为当前通 信发展的新热点之一。传统的卫星通信系统使用价格昂贵，而且不能适应目前多 媒体业务和因特网业务发展的需要。早期的电路交换已经不能适应宽带卫星对多 业务的高效支持，由于a t m 技术具有动态带宽管理并保证带宽分配、支持多媒 体通信、可根据业务类型和服务质量进行优先级排队、多点广播等特点，将卫星 通信与a t m 技术相结合已成为一种趋势。1 9 9 6 年，美国n a s a 利用a c t s 卫星 ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ys a t e l l i t e ) ，进行了6 2 2 0 8 m b s 的a t m 试验 1 1 2 】。a t m 技术与卫星通信相结合，可提高系统的带宽利用率，增加系统的互操作 性，提高系统的性能价格比，并且具有星上交换处理的卫星a t m 系统还有着比 光纤网络更突出的优势。 由于a t m 技术是为误码率极低的光纤网而设计，而卫星宽带系统的误码率 第二章卫星的交换与组网及容最估算 7 一 较高，所以在提供多媒体业务时，需要考虑保证服务质量( o o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的问题。一些国家，如美国、欧洲、日本、澳大利亚对卫星a t m 层和物理层性 能测试的结果表明，a t m 的性能可以满足i t u t g 8 2 6 和1 3 5 6 的目标要求p j 。 如果系统采用r s 块状编码、交织、前向纠错( f e c ，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 技术， 卫星链路可以达到准光纤链路质量，a t m 可以作为卫星系统的数据传输技术。目 前，世界各国提出了许多卫星通信方案，其中的大部分卫星通信系统采用的是 a t m 技术，有关这些系统的简况如表2 1 所示。 表2 1 止在建设或提出的a t m - p 星系统1 2 i 带宽 系统名称卫星类型服务类型特点 g h z o b p ，s s ， 高速率的多媒体业 3 8 4 k b p s ( 9 0 c m 天线) ， a s t r o l i n k9g e o3 0 2 0 务 9 2 m b p s ( 1 8 m 天线) ， 1 5 5 m b p s ( 3 m 天线) s r b e r 传输时延乙( t d ，t r a n s m i s s i o nd e l a y ) 传输时延是指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特至发完该分 组的最后一个比特所需的时间，它由发送速率和分组大小所决定。 装包时延l ( p d ，p a c k e t i z a t i o nd e l a y ) 和拆包时延乃( d d ，d e p a c k e t i z a t i o n d e l a y ) 分组交换引入了装包与拆包时延，当实时数据流被发送到卫星上时，打包成 a t m 信元或i p 包时将产生装包时延；接收端把a t m 信元或i p 包还原成数据流 时将产生拆包时延，装包时延和拆包时延的大小与具体业务有关。 交换时延乙( s d ，s w i t c h i n gd e l a y ) 交换机的交换时延由固定交换时延和排队时延乙组成，后者是可变的， 由交换机中的队列长度决定。 令固定交换时延乙 固定交换时延由经过硬件的内部传递产生，和交换系统的实现有关。这是交 换机在零负荷时的时延，即只有一个信元或l p 包通过交换机时的时延。由于交换 机的速度非常的快，因此这个时延一般可以忽略。 夺排队时延。 对于采用统计复用方式的系统，为了防止过多丢弃信息，有必要在网络设置 队列，因此引入了排队时延，这个时延随着网络负荷的变化而变化，并取决于队 列的统计行为特征。 附加时延乙( a d ，a f f i x a t i o nd e l a y ) 实时业务在目的节点处需加上一个附加时延，以便填平网络引入的随机时延 ( 即时延抖动) 以保证原始同步比特流的重建。附加时延可以看作是在终端处的 第二章卫星的交换与组网及容鼙估算 1 7 某些网络调节功能，其目的是除去网络时延的抖动。 将上述几种时延相加，即可得出一个端到端的总时延。将其应用在卫星环境 下，取每个参数在最坏情况下的值相加( t 为总时延所能得到的最大值) ，即可得 出卫星网络的端到端时延公式。 z - 乙+ k + ( + 乙+ + 乙) + 弓+ 乃 式( 2 - 1 ) 公式( 2 1 ) 中，t 是卫星网络的端到端总时延，乙、瓦。受卫星高度和传输信 道特性影响，n 为源宿用户经过的星际链路数，瓦让受卫星之间距离和信道影响， 虽然每条星际链路的距离和信道参量差别较大，造成瓦盯不同，但可从统计角度 出发，取其统计平均进行计算，乙由发送速率和分组载荷大小决定，、乙的 值与交换机当时的状态有关，网络负荷越重时延也就越大，l 、乃由语音编码速 率和分组载荷大小决定。 从公式( 2 1 ) 中可以看出，总时延与星际链路数n 有非常紧密的关系，n 越大 总时延越大，因此，应该以最小跳数路由进行选路，以保证总时延最小。此外， 公式中没有附加时延乙，这是因为在计算时，所有参数都是在最坏情况下取得的， 附加时延乙已经等价包括在排队时延中了。 2 5 2 卫星网络时延计算 ( 1 ) 平均等待时间 为了获得一个简单的又能很好地逼近实际情况的分析公式，我们假设一个输 入链路上分组到达的简化模型，即在每条入线上的分组到达基于不相关的一致性 贝努! | ! ( b e r n o u l l i ) 过程。即在给定时隙内，分组到达某一特定入线的概率为 p ( 0 sps1 ) ，即每条入线的平均利用率为p 。对于一个有九条入线和n 条出线的 系统，每一个分组被寻址到任何一个给定的输出，概率都等于1 n ，因此，任一 分组到达任一条入线的概率为p n 。 在上述条件下，可计算得到的平均队列长度q 1 1 5 j q 一掣南 郁- 2 ) 当n 趋于无穷大时，平均队列长度符合m d 1 排队模型。根据l i t t l e 理论很容 易计算出系统的平均等待时l 日j ( 此处为归一化时间，单位为服务时间) ： - q 吉- 掣南 都q 从公式( 2 3 ) 可以得出，对于不同的门值，平均等待时间w 是平均利用率p 的 函数。 1 8 卫星交换与组网关键技术研究 ( 2 ) 实例计算与分析 假设有一个低轨道卫星通信系统，该系统一共有4 8 颗卫星，分为6 个轨道， 每个轨道均匀分布有8 颗卫星，卫星距离地面的平均高度为1 4 5 0 k m ，星间距离 约为2 ( 6 3 7 0 + 1 4 5 0 ) s i n ( 3 6 0 0 2 8 ) = 5 9 8 5 k m ，每颗卫星最大中继数为6 0 0 0 ， 乙= = ( 1 4 5 0 3 0 0 ) m s = 4 8 m s ，= ( 5 9 8 5 3 0 0 ) m s = 1 9 9 5 m s ：假定为0 2 5 m s ： 死为分组大小与发送速率的比值，因为与其他时延相比所得值较小，对总时延的 影响可近似忽略；l 、乃和毛与语音编码器、交换机交换速率、分组所带负载 有关1 1 8 】。下面在语音编码器为g 7 2 3 的条件下，对a t m 和i p 网络时延分别进行 分析。g 7 2 3 的采样速率为6 4 k b p s ，采样帧长为3 0 m s ，每一帧由4 个7 5 m s ( 6b y t e s ) 子帧所组成。 在源宿用户经过的星际链路数目一定( 这里假定n 为2 ) 时，分析交换机速 率、负载大小对总时延的影响。设a t m 信息载荷为x 字节，采用a a l 2 方式封 装，以此降低装包时延，则可推得a t m 信元的发送速率为( 5 3 x ) 6 4 k b p s ，系 统总到达率为6 0 0 0 ( 5 3 x ) 6 4 k b p s 。假定有两种8 端口交换机，其交换速率分 别为：1 5 5 5 2 m b p s 、6 2 2 0 8 m b p s ，则a t m 网络的总时延与负载的关系见图2 7 。 假设g 7 2 3 编码时，l p 包的载荷为y 字节，则i p 包的发送速率为6 4 x ( y + 4 0 ) yk b p s ，系统总到达率为6 0 0 0 6 4 ( y + 4 0 ) yk b p s 。同样假定有两种8 端口交换机，且交换速率与a t m 方式下相同，则i p 网络的总时延与负载的关系 见图2 8 。 豢羔糍 - - 曩恸：“一薯 。：i 二：i ： 一日6 挖o + b l o - 5 2 d p + 一：一一一：一 一一l o 一：一二l 幽2 7 a t m 网络中时延与信元载荷关系( n = 2 ) 一一一：气 j ：一 一一： 。- i t 一 ”- “6 役0 8 d 一 o 。1 5 55 2 b 一 喵一i l 二告一占r 咭一嘉二宙。一 r 乜t 膏f b ， 图2 8l p 网络中时延与载荷关系( n = 2 ) 由图2 7 和图2 8 ( 由于g 7 2 3 编码器不是连续比特流输出，而是以帧为单位 进行发送，所以打包过程是以每6 字节为单位进行装载，曲线由离散点构成) 可 知，在分组负载较小时，随着负载的下降总时延并不是线形下降，而是到一定值 时有所减缓，特别是交换机速率较低的情况下，反而迅速上升。这是因为：信息 源以恒定速率向网络发送数据，分组负载越小携带数据就越少，所需分组数就越 多，当负载和开销比例相当或开销比负载还大时( 如l p 方式下，开销有4 0 b y t e s ) ， 分组是原来的几倍，网络负载加重，等待时延增加，当负载小到一定程度，网络 第二章卫星的交换与组网及容龉估算 1 9 出现拥塞，时延无限大，如交换机速率为1 5 5 5 2 m b p s 曲线的左边所示。而在分 组负载较大时，时延随着负载的增加而缓慢上升，这是由于网络空闲时间增多， 分组等待时延减小，而装包时延缓慢增加，最终比起乙可忽略，如曲线右边 所示。 从图中还可以得知，交换速率不同对时延也有很大影响，交换速率越高则时 延越小，特别是当负载较小时，网络分组较多，交换机速率越高处理分组就越快， 等待时延越小；而随着负载增加网络分组减少，等待时延相差降低，装包时延起 主要作用( 装包时延与交换速率无关) ，两条曲线缓慢靠近，最终趋近重合。 在交换机交换速率一定( 这里选取6 2 2 0 8 m b p s ) 时，分析源宿用户经过的星 际链路数目n 对时延的影响。 信_ l t 荷啊幢) 图2 9 a t m 网络中时延与信元载荷关系 p 乜膏i 时 图2 1 0i p 网络中时延与载荷关系 由图2 9 和图2 1 0 可知，随着源宿用户经过的星际链路数目n 的增加，总时 延跳跃式上升，这是由传播时延增加所引起的。当星际链路数n 增加，传播距离 跳跃式增长，传播时延加大从而使总时延上升，每增加一条星际链路，总时延增 加大约2 0 m s 。此外，在负载较小时可看见图中曲线随着n 的增大，尾部缓慢上 翘，这是因为交换次数增加，交换时延成倍增长，特别是负载较小时交换时延对 总时延影响明显；而负载较大时，比起装包时延和传播时延，交换时延影响可忽 略，曲线近乎平行。 ( 3 ) 小结 综上所述，在星际链路数一定，网络负荷较低时，网络总时延主要是受装包 时延影响，与负载大小呈f 比关系；而网络负荷较高时，总时延受到交换时延影 响，不再是线性变化，特别是分组负载达到临界值，再减少负载则总时延非但不 会下降反而迅速上升。对于星际链路数，要选择最小跳数路由来传输分组，以降 低所通过的链路数。此外，卫星网络中a t m 方式与i p 方式在相同条件下时延基 本相同，但a t m 方式效率更高。 蜡 卫星交换与组网关键技术研究 2 6 卫星用户容量估算 对于具有星际链路的低轨道卫星移动通信系统，由于卫星高速运行，其星际 链路不断的随时间连续变化，使得卫星网络拓扑结构随时间连续变化，星上路由 极其复杂，因此，其星际链路数以及用户容量计算比较困难。本节将具体讨论如 何估算这些问题。 2 6 1 呼损率计算 ( 1 ) 呼损率 呼损率又称阻塞概率( b l o c k i n gp r o b a b i l i t y ) ，是指一个业务呼叫( 即顾客) 到 达时发现所有服务器都忙( 即甩 胁，肌为服务器) 的概率，即呼叫被拒绝的概 率，可表示为： 忍懒= 式( 2 - 4 ) 在理想系统中，队列长度为无限大，阻塞概率为零。但实际系统中队列长度 是有限的，这就意味着等待的队列长度是有限的，阻塞概率不为零。在卫星通信 系统中，卫星上的存储能力是有限的，地面终端的存储能力也是有限的，因此阻 塞概率也不为零。 ( 2 ) 爱尔兰b 公式【1 5 l 爱尔兰( e r l a n 曲b 公式是计算呼损率的一个经典公式。其推导过程如下，对于 一个m m m m 排队系纠1 4 】( 第一个字母m 表示是无记忆的p o i s s o n 过程，第二 个字母m 表示服务时间的概率服从指数分布，第三个字母m 表示线路数，第四个 字母m 表示系统容量) ，系统中的容量为小，即有m 条线路。m m m m 系统的状 态转移图如图2 1 1 所示，其中九为系统到达速率，1 胁为系统服务时间， p 。( n = 0 ，1 , - - - , m ) 为状态转移概率。 i 一九l - k - 1 al - k - ( m - 1 ) i - 九- m l a。i - k - m i t p2 p ( m 1 ) l am l am l i 图2 1 1m m m m 排队系统的状态转移图 由系统的平衡方程可以得到 a 以一l 一l l n p 刀= 1 ，9 - i 朋式( 2 5 ) 可以推出 2 l 式( 2 - 6 ) 式( 2 - 7 ) 呼损率就是所有m 条线路都忙的概率，即 b ，以挈丛霉 式( 2 - 8 ) 丫f x u ) “厶! 翩一 公式( 2 8 ) 即为e r l a n gb 公式，b 即为呼损率。它不仅适用于服务时间指数分 布的系统，而且同样适用于服务时间服从均值为1 g 的一般性分布的系统。爱尔 兰b 公式只适用于基于电路交换的业务和单一类型的业务。 ( 3 ) 话务量 e r l a n gb 公式中的x 0 , 被定义为话务量，它表示在一个平均占用时长内电话 用户发生的平均呼叫数( 数学期望) 1 2 】。话务量反映了电话用户在电话通信上的 数量要求，计量单位用e r l a n g ( 爱尔兰) 表示，简写为e 或e 。用爱尔兰表示话 务量非常的方便。一个爱尔兰的话务量表示1 h 内有两个3 0 r a i n 占用时长的呼叫， 或者6 个1 0 m i n 占用时长的呼叫。爱尔兰一直用于话音业务，也可以用于远程通 信和数据通信系统。 2 6 2 卫星星座系统模型 假设一个低轨道星座卫星通信系统，卫星与卫星之间具有星际链路，类似铱 星系统，每颗卫星通过星际链路与前后左右4 颗卫星相连，即每颗卫星有4 条星 际链路，两条轨道内星际链路，两条不同轨道i n j 的星际链路。每颗卫星下面有一 个犬口站，地面网关与固定电话网、移动电话网互连互通。由于卫星网络具有周 期性、规则性、可预知性等一些简化网络路由的特性，所以可制定相应的路由算 法。下几节内容将根据卫星的这些特性，利用经典的爱尔兰b 公式，考虑单一的 电路域业务，对星际链路数和用户容量进行估算。 根据前面对星座卫星系统的假设，图2 1 2 给出了星座卫星链路分析模型示意 图。为分析方便，设手持机到卫星间的c d m a 通道数为m 。，将手持机到卫星| 日j 的c d m a 通道看作一个虚拟交换机，设交换机到卫星的信道数为m 。，关口站到 卫星的信道数为m ，单颗卫星本身业务需要的中继信道数为小，。，单颗卫星为转 发其余卫星业务需要的中继信道数为m ，单颗卫星需要的总中继信道数为 卫星交换与组网关键技术研究 m 3 = 肌3 l + 肌3 2 。其他参数含义如下： n t ： 卫星下等效虚拟交换机处用户数 n 疗： 卫星下关口站处用户数 ：等效虚拟交换机处用户的呼叫强度 1 纷：等效虚拟交换机处用户的通话时间 厶：关口站处用户的呼叫强度 】盹：关口站处用户的通话时间 a l ： 等效虚拟交换机处用户呼叫等效虚拟交换机内用户的比例 a ，：等效虚拟交换机处用户呼叫等效虚拟交换机外用户的比例 屈： ( 等效虚拟交换机处用户) 通过等效虚拟交换机呼叫星外用户的比例 反：( 等效虚拟交换机处用户) 通过等效虚拟交换机呼叫关口站用户的比 例 ：( 关口站处用户) 呼叫等效虚拟交换机用户的比例 ) ，： ( 关口站处用户) 呼叫星外用户的比例 只，：交换机处的呼损率 只，：关口站处的呼损率 ： 卫星处的呼损率 根据该模型，上述定义的参数满足： a l + o f 2 1 式( 2 - 9 ) 卢。+ 成tl 式( 2 - 1 0 ) ) ，1 + ) ，2 1 式( 2 - 1 1 ) _ ，1 1 一兰一式(2-12mo)l l 一三一了、u 。j 口l 十a 2 从图2 1 2 中可以看出卫星下的任何一个用户可以通过卫星和星际链路访问 系统中的任何其他用户。等效虚拟交换机下的用户可以访问等效虚拟交换机内的 用户，其比例为o f ，也可以通过它访问同一卫星下与关口站相联的公共交换电话 n 络( p s t n ，p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e m o r k ) 处的用户，其比例为口2 芦2 ，还可 以通过卫星，经由星际