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摘要：該文分析了一個基于ATM通過衛(wèi)星通信建立寬帶廣域網(wǎng)的結構�？紤]了一網(wǎng)絡結構的業(yè)務特性，媒體接入控制方式，差錯控制等技術問題，為實現(xiàn)寬帶廣域網(wǎng)提出了一些必要的建議。
關鍵詞：衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡 寬帶廣域網(wǎng) 衛(wèi)星通信
1引言
進入21世紀，隨著社會向信息化發(fā)展，用戶對寬帶信息業(yè)務的需求越來越迫切，且業(yè)務量在Internet中也高速增長。絕大多數(shù)www的用戶都有在某一時間由于業(yè)務擁塞而感到延時的體驗。長的延時對那些家庭用戶是很不方便的，而對于一個企業(yè)來講延時即費時又增加費和。因此，為用戶提供寬帶服務以及對現(xiàn)有容量的有效利用顯得愈加重要。衛(wèi)星通信可以覆蓋很廣的地理范圍，它可以在地面系統(tǒng)很難達到的地方提供連接，還可以在很廣的地理區(qū)域提高用戶的移動性，因此，能夠更好的實現(xiàn)廣域網(wǎng)（WAN）的連接。采用ATM模式進行空中交換，利用DAMA接入技術增加網(wǎng)絡的靈活性，提高網(wǎng)絡接入和頻率管理的能力。寬帶發(fā)送業(yè)務考慮提供幾百Kbps至Mbps的服務。對應的業(yè)務有低速率數(shù)據(jù)、話音，一直到高質(zhì)量廣播視頻信號。
本文分析這種概念的潛在好處，限制，性能等問題，以及通過衛(wèi)星通信采用ATM可靠操作的需求等，討論了網(wǎng)絡體系結構，業(yè)務接入?yún)f(xié)議與基于ATM的衛(wèi)星通信系統(tǒng)特性，主要包括帶寬分配技術，ATM衛(wèi)星通信鏈路接入技術和差錯控制技術等。
2衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡結構
衛(wèi)星系統(tǒng)有一些固有的限制。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡資源尤其是衛(wèi)星和地球站非常昂貴，并且典型應用中都有少量冗余，這些資源必須有效利用。衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸可以采用TDM物理層進行，各個地球站可以在固定的時隙傳輸信息幀。這時，基于ATM層的信元必須轉(zhuǎn)換為基于衛(wèi)星層的信息幀，這里涉及到多媒體接入技術的有效帶寬分配DAMA技術。下面給出一個衛(wèi)星ATM的基本結構，以及不同的ATM業(yè)務類別。衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡的地面部分、空間部分和網(wǎng)絡控制中心。地面部分由ATM網(wǎng)絡組成，ATM網(wǎng)絡還與其它的網(wǎng)絡連接。網(wǎng)絡控制中心（NCC）完成衛(wèi)星的各種管理和資源分配功能�？臻g部分的星間鏈路（ISL）使衛(wèi)星星座提供無縫的全球連接。網(wǎng)絡準許通過衛(wèi)星傳輸ATM信元以及在上、下行鏈路對信元流進行多路復用和多路分解，并且能夠保證不同連接類型的QoS。衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡還包括一個衛(wèi)星－－ATM接口設備，它是用來連接ATM網(wǎng)絡和衛(wèi)星系統(tǒng)的，接口設備通過衛(wèi)星網(wǎng)絡的幀格式來傳輸ATM信元，并且從衛(wèi)星傳輸信息幀中多路分解出ATM信元。典型接口設備可以利用DAMA技術接入衛(wèi)星物理層，同時還進行前向糾錯，降低衛(wèi)星鏈路的誤碼率。該設備必須保持在輸入到衛(wèi)星網(wǎng)絡時的ATM的QoS參數(shù)，因此，接口設備負責資源分配、差錯控制和業(yè)務控制。
3衛(wèi)星ATM通信的特點
ATM技術已經(jīng)迅速成為信息網(wǎng)絡的干網(wǎng)技術。ATM協(xié)議是基于國際標準，并被設計為支持多媒體信息業(yè)務。靈活的帶寬分配，統(tǒng)計復用，優(yōu)先級排隊和多信道廣播技術使ATM具有比傳統(tǒng)交換技術更高的帶寬效率，盡管每個ATM信元53字節(jié)有5個字節(jié)報頭，冗余量占9.4%。但效率提高的主要原因是靈活的帶寬分配。按需分配所有可用帶寬可以彌補峰值吞吐時減小的影響。從基本概念來說犧牲峰值吞吐量能夠更靈活更好地提高帶寬利用率，為多媒體業(yè)務提供按需服務。此外，多信道廣播信息可以避免重復信息的傳輸，如電子郵件或視頻拷貝信息的傳輸，這些都對帶寬受限的衛(wèi)星鏈路產(chǎn)生很大的影響。
ATM這一新技術所帶來的好處已體現(xiàn)出來，而從傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信方面來看可能還沒有表現(xiàn)出來。ATM對衛(wèi)星通信的接入、效率、互操作和費用產(chǎn)生很大影響，尤其是當技術已成熟且所有性能都被很好利用的時候。目前，ATM技術并沒有完全成熟。未來的發(fā)展主要由一些新的業(yè)務和帶寬增加業(yè)務需求決定，ATM技術會繼續(xù)發(fā)展，業(yè)務和擁塞控制技術需進一步研究開發(fā)，與現(xiàn)有的網(wǎng)絡的綜合技術也有待進一步研究。ATM業(yè)務和擁塞控制的作用是根據(jù)信元損失率，信元延時，和信元延時變化得到相應的性能。如果相應業(yè)務的QoS不能滿足，這個連接將被拒絕。對于一個確定的QoS業(yè)務要想知道可用的信道容量也不是容易的事情，另外，通過衛(wèi)星通信鏈路滿足業(yè)務QoS的要求只是問題的一部分。主要問題是有關滿足端對端業(yè)務QoS的要求。與業(yè)務擁塞控制和QoS確定的有關問題是很復雜的，它需要ATM技術與現(xiàn)有不支持業(yè)務優(yōu)先級和基于QoS業(yè)務與擁塞控制網(wǎng)絡相結合。這對于通過衛(wèi)星鏈路的傳輸顯得尤其重要，因為這種結合是相對低傳輸速率和大延時鏈路與ATM的結合。
同樣，了解業(yè)務情況也是重要的。對于衛(wèi)星與ATM的連接處理必須是對信息流簡明的，可以是點對點，點對多點或是二者的組合方式。每種解決方法對其中一種情況適合即可，不需滿足所有連接方式。通過衛(wèi)星與ATM的綜合連接，使ATM本地網(wǎng)與利用衛(wèi)星通信的廣域網(wǎng)相結合，由于擴展了地理位置上的通信距離而具有顯見的優(yōu)點，但是由于它的長傳輸延時，延時抖動以及通過衛(wèi)星鏈路造成的較高誤碼率是這種連接方式需要解決的主要問題。所以要采用有效的差錯控制的ATM與衛(wèi)星通信的協(xié)議連接。另外，因為衛(wèi)星通信鏈路不支持陸地光纖鏈路的高信息速率傳輸，還需考慮接口和速率的變換。
靈活的帶寬分配是ATM的主要特性�？梢钥紤]用戶QoS和帶寬需求的復雜資源分配技術。從ATM技術來看，不論是固定帶寬分配還是動態(tài)帶寬分配都有其優(yōu)點。但對衛(wèi)星鏈路的資源分配會更復雜一些，其鏈路接入常受限于預先決定的速率。
4業(yè)務特性和衛(wèi)星與ATM連接
ATM信元特性可以用排隊論推導得到，延時、延時抖動、誤碼率和隊列長度是決定信元丟失率的主要因素。一般而言，延時隨業(yè)務強度增加而加大，若可以得到可接受的最低誤碼率，延時和延時抖動就成為影響性能的基本因素。ATM協(xié)議特性是由業(yè)務情況決定的，這其中包括業(yè)務混合，業(yè)務強度，業(yè)務流量。這些都決定了所需的衛(wèi)星鏈路。
通過衛(wèi)星鏈路可以使LAN組合為WAN，但其傳輸速率達不到陸地光纖網(wǎng)絡的高速率，這就限制了LAN之間端到端的傳輸速率。對空閑信元可以刪除，但用戶業(yè)務不能。帶寬壓縮類似于增加了一個固定到達率的業(yè)務強度，經(jīng)過衛(wèi)星鏈路傳輸?shù)臉I(yè)務其排隊延時會迅速增加。傳輸速率的降低并不意味著性能的下降，如果在此種情況下業(yè)務到達率減少，業(yè)務強度將保持不變，不會影響系統(tǒng)性。描述業(yè)務分布的另一個主要方面是業(yè)務流，它所說明的不僅僅是連接關系。業(yè)務流可以是對稱的、非對稱的或是混合的。對稱業(yè)務的衛(wèi)星鏈路地面終端希望兩端設備處理能力相同，業(yè)務復用和接入可采用TDM和FDMA技術。支持對稱業(yè)務的最佳系統(tǒng)不需保證對非對稱業(yè)務或混合業(yè)務流系統(tǒng)也是最好的。非對稱業(yè)務流包括對一個或一組用戶的多信道視頻或數(shù)據(jù)傳輸。從一個大容量的衛(wèi)星地球終端經(jīng)下行鏈路進行低速傳輸。這種情況很適合大量低成本移動終端的系統(tǒng)。下行鏈路的最大傳輸速率受限于衛(wèi)星小終端的接收噪聲。
為了有效地設計通信系統(tǒng)，了解用戶的業(yè)務分布是很重要的。對基于業(yè)務混合、業(yè)務強度敏感的衛(wèi)星ATM通信系統(tǒng)尤其重要。雖然，ATM提供了一個有效的綜合話音、數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務技術，為了更好地分配可用容量，還需清楚業(yè)務混合和業(yè)務強度，以及合適的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。業(yè)務分布是決定衛(wèi)星ATM通信是否合適的一個關鍵參數(shù)。
5衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡體系結構設計考慮
在設計衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡體系結構時，對于衛(wèi)星面網(wǎng)絡有幾種設計選擇：1）沒有星載處理和交換；2）星載處理與地面ATM交換；3）星載處理與星載ATM交換。
在沒有星載處理或交換的簡單衛(wèi)星模型中，只需要最小的星上緩沖器。但如果進行星上處理，星上緩沖可以得到由ATM提供的多路復用增益。星上處理可以用來進行資源分配和媒體接入控制（MAC），MAC選擇包括TDMA、CDMA、和FDMA，可以采用競爭接入、預約接入或固定媒體接入控制。DAMA技術可以與任何一種MAC協(xié)議配合使用。如果不進行星上處理，DAMA必須在網(wǎng)絡控制中心（NCC）完成。星上DAMA方式可以減少一半的媒體接入響應時間。另外，對媒體接入控制，ABR業(yè)務實際速率分配、緩存管理等也可以在星上完成，利用自適應路由、交換算法，星上交換可以使網(wǎng)絡更有效地利用。雖然星上處理有許多優(yōu)點，但也需要在對衛(wèi)星網(wǎng)絡提供星載緩存、交換和處理能力與衛(wèi)星的復雜性、所需功耗以及重量之間進行折中。此外，星上緩存和交換在網(wǎng)絡的空間段會引入額外的延時。對快速分組或信元交換的衛(wèi)星網(wǎng)絡，交換延時與傳播延時相比可以忽略，而緩存延時較大，且緩存由于ATM業(yè)務的猝發(fā)性而產(chǎn)生延時的變化。
在ATM協(xié)議中，差錯控制是非常有限的，但ATM并不是為通過衛(wèi)星鏈路傳輸而設計的。衛(wèi)星鏈路傳輸對差錯控制的要求很高，差錯控制方法的選擇與傳輸?shù)臉I(yè)務類型有關，同時還要考慮傳輸?shù)男�。通常為了改善�?jīng)衛(wèi)星鏈路傳輸ATM業(yè)務的性能，考慮3種差錯控制方式，即FEC、SRQ和ARQ方式。在實際應用中，通過衛(wèi)星鏈路傳輸所需的差錯控制技術可在衛(wèi)星與ATM接口設備中完成。采用差錯控制的目的是根據(jù)系統(tǒng)操作要求以及端到端業(yè)務的QoS使誤碼率保持在可接受的范圍內(nèi)，衡量衛(wèi)星ATM鏈路糾錯和差錯控制技術需考慮衛(wèi)星ATM鏈路對差錯控制的要求，衛(wèi)星ATM鏈路對差錯的敏感程度以及對業(yè)務傳輸延時的要求這幾方面的綜合因素。
6 結論
本文分析了衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡的特性，提出了衛(wèi)星通信與ATM相結合的有益之處，考慮了通過衛(wèi)星鏈路與ATM綜合的各種技術，ATM靈活的容量分配、滿足多種類型業(yè)務QoS的特性，以及衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡的結構和所要考慮的問題，為實現(xiàn)寬帶廣域網(wǎng)提供了一種可行的方法。
摘自《無線電工程》2001.8
