卫星ATM宽带广域网体系结构

哈尔滨工业大学通信技术研究所　郭庆　王学东
　　摘要：该文分析了一个基于ATM通过卫星通信建立宽带广域网的结构。考虑了一网络结构的业务特性，媒体接入控制方式，差错控制等技术问题，为实现宽带广域网提出了一些必要的建议。

　　关键词：卫星ATM网络　宽带广域网　卫星通信

　　1引言

　　进入21世纪，随着社会向信息化发展，用户对宽带信息业务的需求越来越迫切，且业务量在Internet中也高速增长。绝大多数www的用户都有在某一时间由于业务拥塞而感到延时的体验。长的延时对那些家庭用户是很不方便的，而对于一个企业来讲延时即费时又增加费和。因此，为用户提供宽带服务以及对现有容量的有效利用显得愈加重要。卫星通信可以覆盖很广的地理范围，它可以在地面系统很难达到的地方提供连接，还可以在很广的地理区域提高用户的移动性，因此，能够更好的实现广域网（WAN）的连接。采用ATM模式进行空中交换，利用DAMA接入技术增加网络的灵活性，提高网络接入和频率管理的能力。宽带发送业务考虑提供几百Kbps至Mbps的服务。对应的业务有低速率数据、话音，一直到高质量广播视频信号。

　　本文分析这种概念的潜在好处，限制，性能等问题，以及通过卫星通信采用ATM可靠操作的需求等，讨论了网络体系结构，业务接入协议与基于ATM的卫星通信系统特性，主要包括带宽分配技术，ATM卫星通信链路接入技术和差错控制技术等。

　　2卫星ATM网络结构

　　卫星系统有一些固有的限制。卫星通信网络资源尤其是卫星和地球站非常昂贵，并且典型应用中都有少量冗余，这些资源必须有效利用。卫星系统传输可以采用TDM物理层进行，各个地球站可以在固定的时隙传输信息帧。这时，基于ATM层的信元必须转换为基于卫星层的信息帧，这里涉及到多媒体接入技术的有效带宽分配DAMA技术。下面给出一个卫星ATM的基本结构，以及不同的ATM业务类别。卫星ATM网络的地面部分、空间部分和网络控制中心。地面部分由ATM网络组成，ATM网络还与其它的网络连接。网络控制中心（NCC）完成卫星的各种管理和资源分配功能。空间部分的星间链路（ISL）使卫星星座提供无缝的全球连接。网络准许通过卫星传输ATM信元以及在上、下行链路对信元流进行多路复用和多路分解，并且能够保证不同连接类型的QoS。卫星ATM网络还包括一个卫星－－ATM接口设备，它是用来连接ATM网络和卫星系统的，接口设备通过卫星网络的帧格式来传输ATM信元，并且从卫星传输信息帧中多路分解出ATM信元。典型接口设备可以利用DAMA技术接入卫星物理层，同时还进行前向纠错，降低卫星链路的误码率。该设备必须保持在输入到卫星网络时的ATM的QoS参数，因此，接口设备负责资源分配、差错控制和业务控制。

　　3卫星ATM通信的特点

　　ATM技术已经迅速成为信息网络的干网技术。ATM协议是基于国际标准，并被设计为支持多媒体信息业务。灵活的带宽分配，统计复用，优先级排队和多信道广播技术使ATM具有比传统交换技术更高的带宽效率，尽管每个ATM信元53字节有5个字节报头，冗余量占9.4%。但效率提高的主要原因是灵活的带宽分配。按需分配所有可用带宽可以弥补峰值吞吐时减小的影响。从基本概念来说牺牲峰值吞吐量能够更灵活更好地提高带宽利用率，为多媒体业务提供按需服务。此外，多信道广播信息可以避免重复信息的传输，如电子邮件或视频拷贝信息的传输，这些都对带宽受限的卫星链路产生很大的影响。

　　ATM这一新技术所带来的好处已体现出来，而从传统的卫星通信方面来看可能还没有表现出来。ATM对卫星通信的接入、效率、互操作和费用产生很大影响，尤其是当技术已成熟且所有性能都被很好利用的时候。目前，ATM技术并没有完全成熟。未来的发展主要由一些新的业务和带宽增加业务需求决定，ATM技术会继续发展，业务和拥塞控制技术需进一步研究开发，与现有的网络的综合技术也有待进一步研究。ATM业务和拥塞控制的作用是根据信元损失率，信元延时，和信元延时变化得到相应的性能。如果相应业务的QoS不能满足，这个连接将被拒绝。对于一个确定的QoS业务要想知道可用的信道容量也不是容易的事情，另外，通过卫星通信链路满足业务QoS的要求只是问题的一部分。主要问题是有关满足端对端业务QoS的要求。与业务拥塞控制和QoS确定的有关问题是很复杂的，它需要ATM技术与现有不支持业务优先级和基于QoS业务与拥塞控制网络相结合。这对于通过卫星链路的传输显得尤其重要，因为这种结合是相对低传输速率和大延时链路与ATM的结合。

　　同样，了解业务情况也是重要的。对于卫星与ATM的连接处理必须是对信息流简明的，可以是点对点，点对多点或是二者的组合方式。每种解决方法对其中一种情况适合即可，不需满足所有连接方式。通过卫星与ATM的综合连接，使ATM本地网与利用卫星通信的广域网相结合，由于扩展了地理位置上的通信距离而具有显见的优点，但是由于它的长传输延时，延时抖动以及通过卫星链路造成的较高误码率是这种连接方式需要解决的主要问题。所以要采用有效的差错控制的ATM与卫星通信的协议连接。另外，因为卫星通信链路不支持陆地光纤链路的高信息速率传输，还需考虑接口和速率的变换。

　　灵活的带宽分配是ATM的主要特性。可以考虑用户QoS和带宽需求的复杂资源分配技术。从ATM技术来看，不论是固定带宽分配还是动态带宽分配都有其优点。但对卫星链路的资源分配会更复杂一些，其链路接入常受限于预先决定的速率。

　　4业务特性和卫星与ATM连接

　　ATM信元特性可以用排队论推导得到，延时、延时抖动、误码率和队列长度是决定信元丢失率的主要因素。一般而言，延时随业务强度增加而加大，若可以得到可接受的最低误码率，延时和延时抖动就成为影响性能的基本因素。ATM协议特性是由业务情况决定的，这其中包括业务混合，业务强度，业务流量。这些都决定了所需的卫星链路。

　　通过卫星链路可以使LAN组合为WAN，但其传输速率达不到陆地光纤网络的高速率，这就限制了LAN之间端到端的传输速率。对空闲信元可以删除，但用户业务不能。带宽压缩类似于增加了一个固定到达率的业务强度，经过卫星链路传输的业务其排队延时会迅速增加。传输速率的降低并不意味着性能的下降，如果在此种情况下业务到达率减少，业务强度将保持不变，不会影响系统性。描述业务分布的另一个主要方面是业务流，它所说明的不仅仅是连接关系。业务流可以是对称的、非对称的或是混合的。对称业务的卫星链路地面终端希望两端设备处理能力相同，业务复用和接入可采用TDM和FDMA技术。支持对称业务的最佳系统不需保证对非对称业务或混合业务流系统也是最好的。非对称业务流包括对一个或一组用户的多信道视频或数据传输。从一个大容量的卫星地球终端经下行链路进行低速传输。这种情况很适合大量低成本移动终端的系统。下行链路的最大传输速率受限于卫星小终端的接收噪声。

　　为了有效地设计通信系统，了解用户的业务分布是很重要的。对基于业务混合、业务强度敏感的卫星ATM通信系统尤其重要。虽然，ATM提供了一个有效的综合话音、数据和视频业务技术，为了更好地分配可用容量，还需清楚业务混合和业务强度，以及合适的卫星通信系统。业务分布是决定卫星ATM通信是否合适的一个关键参数。

　　5卫星ATM网络体系结构设计考虑

　　在设计卫星ATM网络体系结构时，对于卫星面网络有几种设计选择：1）没有星载处理和交换；2）星载处理与地面ATM交换；3）星载处理与星载ATM交换。

　　在没有星载处理或交换的简单卫星模型中，只需要最小的星上缓冲器。但如果进行星上处理，星上缓冲可以得到由ATM提供的多路复用增益。星上处理可以用来进行资源分配和媒体接入控制（MAC），MAC选择包括TDMA、CDMA、和FDMA，可以采用竞争接入、预约接入或固定媒体接入控制。DAMA技术可以与任何一种MAC协议配合使用。如果不进行星上处理，DAMA必须在网络控制中心（NCC）完成。星上DAMA方式可以减少一半的媒体接入响应时间。另外，对媒体接入控制，ABR业务实际速率分配、缓存管理等也可以在星上完成，利用自适应路由、交换算法，星上交换可以使网络更有效地利用。虽然星上处理有许多优点，但也需要在对卫星网络提供星载缓存、交换和处理能力与卫星的复杂性、所需功耗以及重量之间进行折中。此外，星上缓存和交换在网络的空间段会引入额外的延时。对快速分组或信元交换的卫星网络，交换延时与传播延时相比可以忽略，而缓存延时较大，且缓存由于ATM业务的猝发性而产生延时的变化。

　　在ATM协议中，差错控制是非常有限的，但ATM并不是为通过卫星链路传输而设计的。卫星链路传输对差错控制的要求很高，差错控制方法的选择与传输的业务类型有关，同时还要考虑传输的效率。通常为了改善经卫星链路传输ATM业务的性能，考虑3种差错控制方式，即FEC、SRQ和ARQ方式。在实际应用中，通过卫星链路传输所需的差错控制技术可在卫星与ATM接口设备中完成。采用差错控制的目的是根据系统操作要求以及端到端业务的QoS使误码率保持在可接受的范围内，衡量卫星ATM链路纠错和差错控制技术需考虑卫星ATM链路对差错控制的要求，卫星ATM链路对差错的敏感程度以及对业务传输延时的要求这几方面的综合因素。

　　6　结论

　　本文分析了卫星ATM网络的特性，提出了卫星通信与ATM相结合的有益之处，考虑了通过卫星链路与ATM综合的各种技术，ATM灵活的容量分配、满足多种类型业务QoS的特性，以及卫星ATM网络的结构和所要考虑的问题，为实现宽带广域网提供了一种可行的方法。

摘自《无线电工程》2001.8