发信人: bp (碧血丹心), 信区: ECE
标 题: 无 线 ATM 技 术 透 析
发信站: 紫丁香 (Thu Sep 4 14:16:06 1997)
无 线 ATM 技 术 透 析
近 年 来 ，WATM ( 无 线ATM) 是 通 信 界 讨 论 的 一 个 热 点 问
题 ， 因 为 它 涉 及 到 九 十 年 代 两 个 热 点 问 题 的 结 合 ， 即
ATM 技 术 和 移 动 通 信 技 术 的 结 合 。 本 文 论 述 了WATM 的 意
义 和 潜 在 的 应 用 前 景 ， 并 提 出 了 一 些 建 议 。
引 言
在 论 述WATM 之 前 ， 有 必 要 先 回 顾 一 下ATM( 异 步 转 移 方
式) 的 产 生 和 发 展 过 程 。ATM 是 传 输 技 术 和 网 络 技 术 发 展
的 必 然 结 果 。 它 支 持 高 速 率 的 综 合 业 务 ， 如 数 据、 声 频
和 视 频 等 业 务 。ATM 将 从( 广 域 网)、 局 域 网 至 最 后 进 入 每
个 家 庭 之 中 。
1. WAN 中 的ATM
NISDN( 窄 带ISDN) 从 提 出 到 标 准 化 经 历 了 很 长 的 时 间 。 然 而
当N －ISDN 的 标 准 化 过 程 结 束 以 后 ， 人 们 才 发 现 它 的 市 场
并 不 存 在 。 从 技 术 角 度 考 虑 ，N －ISDN 存 在 以 下 两 个 缺 点：
一 是 它 延 续 了 电 路 交 换 方 式 ， 二 是 它 固 定 了 传 输 速 率 。
N－ISDN 的 电 路 交 换 特 性 使 得 它 不 能 按 需 分 配 带 宽 ， 而 这
一 点 是 数 据 业 务 和 压 缩 视 频 业 务 所 必 须 的 。N －ISDN 规 定 的
两 个 传 输 带 宽：BRI(128KB ／S) 和(1.5MB ／S) 不 能 满 足 高 质 量、
高 速 度 的 业 务 要 求 。 窄 带ISDN 的 上 述 缺 陷 使 得 人 们 开 始 考
虑 新 的 通 信 标 准 以 适 应 新 业 务 的 需 要 。 经 过 长 时 间 的 讨
论 ， 人 们 提 出 了ATD ( 异 步 时 分 复 用) 方 式 。ATD 第 一 次 要 求
分 组 长 度 固 定 ， 后 来ATD 改 名 为ATM 。 针 对ATM 方 式ITU －T 也 规
定 了 一 些 典 型 参 数： 如 此 特 错 误 率 为10 -10 ，ATM 信 元
丢 失 率 为10 -6 等 。
2LAN 中 的ATM
在 九 十 年 代 初 期 ， 计 算 机 产 业 界 试 图 改 变 计 算 机 网 络( 如
以 太 网、 令 牌 环 网 等) 较 低 的 传 输 速 率 标 准 。 新 的 局 域 网
标 准FDD Ⅰ( 光 纤 分 布 式 数 据 接 口) 传 输 速 率 可 达100MB ／S 。
但 FDDI 是 一 个 数 据 网 标 准 ， 而 不 是 一 个 综 合 业 务 通 信 标
准 。 也 就 是 说 ，FDD Ⅰ 不 能 传 递 同 步 业 务 。 后 来 在 又 提 出
在FDDI 中 加 入 带 宽 预 定 技 术 以 支 持 同 步 业 务 ， 称 为FDD － Ⅱ ，
但 效 果 并 不 好 。
随 着ATM 技 术 在WAN 和MAN( 城 域 网) 的 广 泛 应 用 。 生 产LAN
产 品 的 厂 家 决 定 将ATM 作 为LAN 的 信 息 转 移 方 式 。 于 是 一 个
由 许 多 计 算 机 厂 家 公 司 组 成 的 机 构 —ATM 论 坛 宣 布 成 立 。
ATM 论 坛 同 时 参 与 制 定ATM 标 准 ， 由 于ATM 论 坛 采 用 表 决 方 式 ，
所 以 其 制 定 的 标 准 比ITU －T 要 快 。ATM 在 支 持 综 合 数 据 业 务
和 实 时 业 务 方 面 的 优 点 ， 使 它 必 将 成 为LAN、MAN、WAN 的 唯 一
选 择 。
3.ATM 技 术 进 入 千 家 万 户
ATM 技 术 进 入 的 第 三 个 领 域 就 是 娱 乐 型 视 频 节 目 传 送 领 域 。
随 着 同 轴 混 合 光 纤( ⅡFC)、 光 纤 到 户(FTTH)、 非 对 称 数 字 用 户
环(ADSL)、 宽 带 数 字 用 户 环(BDSL) 和 高 速 数 字 用 户 环(VDSL) 技 术
的 发 展 ， 有 线 电 视 公 司 对 家 庭 视 频 传 送 业 务 越 来 越 感 兴 趣 �
而 传 送 视 频 业 务 必 定 包 含 交 互 式 业 务 ，ATM 将 是 该 业 务 的 唯
一 传 送 方 式 。 近 期 ，ATM 论 坛 建 立 了 宽 带 子 网 组 ， 以 规 定 以
上 应 用 的 标 准 接 口 。
WATM 面 临 的 挑 战
WATM 面 临 的 挑 战 是ATM 协 议 中 的 特 性 与 无 线 信 道 特 性 不 一 致
的 问 题 。 首 先 ，ATM 要 求 传 输 的 比 特 错 误 率 非 常 低( 大 约 为10
-10 ) ， 在 无 线 信 道 的 高 噪 声 环 境 下 ，ATM 网 络 能 否 正
常 运 行? 第 二 ， 从 带 宽 角 度 而 言 ， 无 线 信 道 带 宽 是 一 种 昂
贵 资 源 ， 而ATM 就 不 存 在 这 个 问 题 ， 因 为 有 线 信 道 中 可 使
用 的 带 宽 多 。 因 此 ， 对 于 无 线 信 道 而 言 ， 每 个 信 元 携 带10%
的 信 元 头 开 销 显 得 太 大 了 。 第 三 ， 由 于ATM 能 够 发 送 单 个ATM
信 元 ， 这 意 味WATM 也 应 该 能 够 发 送 单 个 信 元 ， 这 将 增 加 物
理 层 的 复 杂 性 。 然 而 ， 如 果 能 够 解 决 上 述 问 题 ，WATM 的 优
点 是 明 显 的 。 它 将 能 够 支 持 移 动 用 户 终 端 多 媒 体 业 务 的
要 求 ， 在 支 持 点 到 多 点 方 面 也 有 极 大 优 势 。
WATM 的 两 种 协 议 栈
一 般 认 为 ，WATM 网 络 的 协 议 栈 有 两 种 方 式： 一 种 称 为 本 地
方 式WATM ， 即 应 用 程 序 通 过 适 配 层 直 接 使 用WATM ， 见 图1； 第
二 种 方 式 将WATM 层 作 为TCP ／IPR 的 传 输 媒 介 ， 称 为TCP ／IP 方
式WATM 。
大 多 数 视 频 和 音 频 业 务 使 用 第 一 种 方 式 ， 而 数 据 业 务 可
以 使 用 两 种 方 式 。 相 应 的 ， 家 庭 视 频 传 送 业 务 使 用 第 一
种 方 式 ， 而 无 线LAN 将 使 用 两 种 方 式 。
WATM 的 物 理 层
本 节 所 说 的 物 理 层 是 指OSI 七 层 模 型 中 的 最 后 一 层 ， 而 不
是B －ISDN 协 议 参 考 模 型 中 的 物 理 层 。 物 理 层 处 理 在 物 理
媒 介 上 数 据 的 实 际 传 输 。WATM 中 的 无 线 信 道 上 传 输 的 不 仅
仅 是 高 速 多 媒 体 数 据 ， 而 且 还 有 许 多 实 时 性 很 强 的 交 互
式 业 务 。 信 道 带 宽 不 足 是 一 个 问 题 ， 而 信 道 的 时 变 性 又
常 常 导 致 数 据 的 线 性 失 真 。 克 服 线 性 失 真 的 方 法 是 采 用
均 衡 技 术 。 但 是 对 于 强 突 发 性 业 务 ， 当 各 个 分 组 来 自 不
同 的 业 务 源 时 ， 均 衡 器 很 难 平 衡 ， 这 将 增 加 附 加 开 销 ，
而 降 低 了 系 统 的 效 率 。 同 时 ， 载 波 恢 复 和 时 钟 恢 复 也 将
降 低 系 统 的 效 率 。
物 理 层 还 存 在 一 个 问 题 ， 即 多 径 衰 落 问 题 。 由 于 移 动 终
端 的 运 动 速 度 和 方 向 是 任 意 的 ， 而 信 号 是 通 过 多 条 路 径
到 达 接 收 点 。 这 时 ， 该 接 收 点 的 信 号 强 度 是 多 径 信 号 的
合 成 结 果 ， 如 果 这 些 信 号 相 差 半 个 波 长 ， 则 相 互 抵 销 ，
这 就 是 多 径 衰 落 。 虽 然 分 集 技 术 可 以 在 某 种 程 度 上 改 善 ，
但 最 佳 的 办 法 还 是 自 适 应 均 衡 技 术 。
下 面 对 物 理 层 的 一 些 难 点 问 题 提 出 一 些 建 议 。
电 路 交 换 和 分 组 交 换
对 于 固 定 比 特 率 业 务(CBR) 和 可 变 比 特 率 业 务(VBR)、WATM 可 以
使 用 电 路 交 换 方 式 ， 以 满 足 它 们 严 格 的 时 延 抖 动 要 求 。
为 了 保 证 综 合 业 务 的QOS 要 求 ， 分 组 交 换 方 式 显 得 更 为 合
适 。
工 作 效 率
WATM 的 工 作 效 率 应 该 小 于10GHZ ， 因 为 按 照 目 前 的 工 艺 水 平 ，
频 率 达 到10GHZ 还 有 不 少 困 难 。
在 美 国 ，FCC( 联 邦 通 信 委 员 会) 将 频 率 划 分 为 许 多 频 段 ，
对 一 些 频 段 已 经 作 出 了 许 多 规 定 ， 需 要 使 用 时 ， 必 须 经
过 严 格 的 申 请 。 而 另 外 一 些 频 段 无 须 申 请 ， 就 可 以 使 用 ，
这 种 频 段 如 分 配 给 工 业、 科 学 和 医 药 通 信 业 务 的 频 段(ISM)
和 分 配 给 个 人 通 信 业 务 的 频 段(PCS) 。
WATM 可 以 考 虑 那 些 还 没 有 规 定 的 频 段 。 具 体 的 频 段 划 分
方 法 可 以 查 阅 有 关 资 料 。
跳 频 与 扩 频
在WATM 采 用 扩 频 技 术 是 因 为 扩 频 能 够 提 高 系 统 容 量 。 对
于 无 线 局 域 网 ， 跳 频 解 决 了 多 径 衰 落 问 题 ， 但 是 由 于 同
步 困 难 ， 跳 频 技 术 不 适 合 数 据 业 务 。
调 制 和 解 调 器
目 前 ， 使 用QPSK 和GMSK 调 制 解 调 技 术 ， 发 送 速 率 可 达25MB ／S 。
OFDM( 正 交 频 分 复 用) 技 术 有 许 多 显 著 的 优 点 。 首 先 ， 它 简
化 了 均 衡 技 术； 其 次 ， 实 现 方 法 简 单； 第 三 ， 发 送 速 率 可
达150MB ／S 。 调 制 解 调 技 术 还 需 要 作 进 一 步 研 究 。
均 衡
用 的 最 多 的 均 衡 算 法 是 简 便 的 最 小 均 方 差(LMS) 算 法 ， 缺
点 是 收 敛 较 慢 。 种 更 快 的 算 法 称 为 递 归 最 小 方 差 法(RLS) 。
尽 管 在 一 些GSM 接 收 机 上 已 经 使 用 了RLS 算 法 ， 但 对 于 均 衡
算 法 仍 然 值 得 深 入 研 究 。
载 波 和 时 钟 恢 复
载 波 恢 复 和 时 钟 恢 复 给 处 理 增 加 了 时 延 ， 降 低 了 突 发 性
业 务 的 传 输 效 率 。
信 道 编 码
传 统 的 循 环 冗 余 校 验 码(CRC) 已 经 不 能 满 足WATM 的 要 求 ， 使
用 纠 错 码 可 以 减 少 信 元 的 重 发 率 。
多 速 率 系 统
多 速 率 系 统 即 当 系 统 环 境 为 高 信 噪 比 时 ， 比 特 速 率 提 高；
当 环 境 为 低 信 噪 比 时 ， 比 特 速 率 降 低 。 这 种 系 统 可 以 用
反 馈 环 来 实 现 。
多 道 天 线
采 用 多 道 天 线 接 收 信 号 可 以 改 善 系 统 性 能 ， 但 天 线 阵 的
构 造 及 算 法 的 选 择 还 值 得 细 细 研 究 。
WATM 的 数 据 链 路 层
封 装
封 装 是 一 种 传 输 协 议 数 据 单 元(PDU S) 技 术 。 简 单 地 说 就
是ATM 适 配 层(AAL) 中 的 拆 装 子 层(SAR) 从 会 聚 子 层(CS) 接 收 到
数 据 块 ， 然 后 在 每 个 数 据 块 上 添 加PDU 头 ， 组 成SAR －PDU 。
在 接 收 端 ，SAR 将SAR －PDU 的PDU 头 分 开 ， 然 后 将 数 据 块 净 荷
送 到CS 。 这 种 技 术 的 优 点 在 于 透 明 性 强 ， 而 缺 点 是 增 加
了 信 元 头 的 开 销 和 拆 装 时 延 。
压 缩 信 元 头
WATM 中 存 在 一 个 大 的 问 题 就 是 信 元 头 占 据 了10% 的 开 销 。
在 有 线 信 道 中 ， 由 于 带 宽 足 够 用( 主 要 指 光 纤) ， 所 以 设
计ATM 网 时 不 要 考 虑 这 一 问 题 。 但 在 无 线 信 道 中 ， 带 宽 拥
挤 ，10% 的 信 元 头 开 销 难 以 忍 受 。 况 且 ， 大 多 数 移 动 用 户
的 号 码 固 定 ， 这 样 信 元 头 的 信 息 存 在 压 缩 的 可 能 。
3.ARQ 和FEC 的 比 较
技 术 人 员 就 不 同 信 道 上 的ARQ( 自 动 请 求 重 发) 和FEC( 前 向 纠
错) 技 术 进 行 了 比 较 研 究 ， 特 别 是 在 无 线 信 道 上 ， 两 种 方
案 在 解 决 无 线 信 道 上 误 码 率 较 高 问 题 上 各 有 优 缺 点 。 在
ARQ 和FEC 之 间 可 以 寻 找 一 条 最 佳 方 案 以 降 低 算 法 的 复 杂 度
和 减 少 额 外 的 带 宽 要 求 。ARQ 技 术 可 以 做 到 插 空 传 送ACK( 确
认 消 息) 和 重 复 的 分 组 ， 但 是 要 实 现 这 一 点 需 要 额 外 的 带
宽 ， 这 种 思 想 与FEC 是 一 致 的 。 一 般 而 言 ， 那 些 对 时 延 不
敏 感 的 业 务 如 数 据 业 务 可 以 使 用ARQ ， 而 那 些 对 时 延 敏 感
的 业 务 如 视 频 和 音 频 业 务 ， 只 好 用FEC 。
在 一 个 高 噪 声 信 道 里 传 输 各 种 高 速 率 的 业 务 并 且 要 保 证
其 服 务 质 量 是 一 个 很 困 难 的 问 题 。 建 议 将 业 务 按 类 型 排
列 。 那 些 要 求 信 元 丢 失 率 低 的 业 务 排 在 前 面 ， 而 要 求 时
延 小 的 业 务 排 在 后 面 ， 排 在 前 面 的 业 务 用ARQ 传 输 ， 后 面
的 业 务 用FEC 传 输 。
WATM 的 多 址 方 式
由 于ATM 和B －ISDN 技 术 进 入 无 线 领 域 ，ATM 端 到 端 的 连 接 性
能 将 主 要 有 线 信 道 的 性 能 决 定 。ATM 技 术 加 上 无 线 特 征 后 ，
存 在 两 大 技 术 难 题 。
如 何 共 享 不 可 靠 的 无 线 信 道?
如 何 解 决 终 端 的 可 移 动 性?
关 于 信 道 的 不 可 靠 性 ， 我 们 已 经 在 前 面 提 到 了 。 这 一 节
主 要 探 讨 多 址 方 式 及 其 类 型 问 题 。
媒 体 访 问 控 制(MAC) 或 多 址 接 入 协 议 试 图 使 独 立 的 多 个 用
户 平 等 而 有 效 的 共 享 一 条 通 信 信 道 。 在 过 去 的 几 十 年 里 ，
人 们 提 出 了 许 多 多 址 接 入 协 议 ， 每 种 协 议 有 其 优 点 和 缺
点 。 一 般 可 以 分 为 五 类： 固 定 分 配 方 式、 随 机 接 入 方 式、
中 央 控 制 按 需 分 配 方 式、 分 布 式 控 制 按 需 分 配 方 式 和 自
适 应 混 合 方 式 。
固 定 分 配 方 式 ， 如ADMA( 时 分 多 址) 和FDMA( 频 分 多 址) 等 固 定
地 将 信 道 划 分 为 不 同 的 子 信 道 分 配 给 各 个 用 户 。 这 种 方
法 适 用 于 比 较 连 续 的 业 务 流 ， 而 对 于 强 突 发 性 业 务 ， 则
不 适 用 。 当 用 户 不 发 送 信 息 时 ， 分 配 给 他 的 信 道 将 白 白
浪 费 掉 。
随 机 接 入 方 式 适 合 于 强 突 发 性 业 务 ， 例 如ALOHA 和CSMA( 载 波
检 测 多 址 访 问) 。 随 机 接 入 方 式 使 整 个 信 道 带 宽 为 所 有 用
户 共 享 ， 所 以 说 它 是 面 向 分 组 的 方 式 ， 而 固 定 分 配 方 法
是 面 向 信 道 的 方 式 。ALOHA 是 一 种 简 单 的 随 机 接 入 方 式 ，
当 业 务 量 较 重 时 ， 容 易 发 生 业 务 流 碰 撞 ， 所 以ALOHA 是 不
稳 定 的 。 碰 撞 检 测 算 法 和 碰 撞 解 决 算 法 可 以 增 加 随 机 接
入 方 式 的 稳 定 性 。 对 于 局 域 网 ， 由 于 传 输 时 延 小 ， 所 以
可 以 引 入 随 机 接 入 方 式 。 采 用CSMA 方 式 ， 只 有 当 信 道 空 闲
时 ， 才 允 许 用 户 发 送 信 息 。 这 种 方 式 降 低 了 碰 撞 发 生 的
概 率 。 如 果 能 够 检 测 出 碰 撞( 如CSMA 加 入 碰 撞 检 测 能 力 ，
称 为CSMA ／CD) 则 这 种 随 机 接 入 方 式 性 能 更 佳 。 我 们 必 须 看
到 ， 在 无 线 信 道 中 检 测 出 碰 撞 比 较 困 难 。
按 需 分 配 方 式 为 用 户 保 留 了 带 宽 ， 所 以 可 以 达 到 很 高 的
通 过 率 。 一 种 简 单 的 按 需 分 配 方 式 是 由 中 央 控 制 器 轮 流
询 问 各 个 用 户 ， 当 用 户 需 要 发 送 信 息 时 ， 由 中 央 控 制 器
分 配 给 其 带 宽 。 使 用 中 央 控 制 的 方 法 要 求 中 央 控 制 器 的
稳 定 性 相 当 高 ， 用 分 布 式 控 制 的 方 法 就 不 存 在 这 个 问 题 。
多 址 接 入 的 最 后 一 种 类 型 是 自 适 应 混 合 方 式 ， 主 要 用 于
处 理 多 种 混 合 业 务 。
以 上 五 种 方 式 各 有 优 缺 点 ， 不 可 以 强 制 统 一 。 应 用 时 应
按 照 业 务 流 和 环 境 的 不 同 加 以 选 择 。
WATM 中 终 端 的 移 动 性 问 题
WATM 网 络 中 终 端 的 移 动 性 问 题 主 要 由 以 下 三 个 问 题 组 成：
位 置 管 理
连 接 管 理
切 换 管 理
位 置 管 理 有 两 大 功 能： 跟 踪 移 动 台 的 位 置、 处 理 关 于 移
动 台 位 置 的 查 询 。IS-41 标 准 中 关 于 位 置 管 理 用 到 两 个 数
据 库： 归 属 用 户 位 置 寄 存 器(HLR) 和 访 问 用 户 位 置 寄 存 器
(VLR) ， 利 用 这 两 个 数 据 库 来 登 记 移 动 台 的 位 置 ， 这 种 思
想 可 以 适 用 于WATM 网 络 。
ATM 是 一 种 面 向 连 接 的 技 术 。 当 接 建 立 阶 段、 数 据 交 换 阶
段 和 连 接 释 放 阶 段 按 顺 序 依 次 进 行 。 在 移 动 网 中 ， 当 终
端 发 生 移 动 时 ， 链 路 往 往 要 进 行 切 换 。 这 意 味 着 ， 在WATM
中 同 样 要 考 虑 切 换 对 于QOS 的 影 响 。 一 般 可 以 将 切 换 时 的
重 选 路 由 算 法 分 为 三 类： 锚 状 算 法、 动 态 算 法 和 预 先 建 立
树 状 算 法 。 前 两 种 算 法 都 要 求 链 路 先 断 开 ， 然 后 再 建 立
新 的 链 路 。 为 了 减 少 切 换 时 间 和 降 低 分 组 丢 失 率 ，WATM 可
以 使 用 第 三 种 算 法 ， 它 实 现 平 稳 的 软 切 换 。
无 连 接 的 网 络 完 全 避 免 了 切 换 这 一 问 题 。 由 于 无 连 接 网
络 的 路 由 选 择 是 基 于 目 的 地 的 地 址 ， 只 要 能 够 跟 踪 上 移
动 台 的 位 置 ， 则 足 以 解 决 移 动 性 问 题 。
结 束 语
在 设 计WATM LAN 时 ， 重 点 要 考 虑 的 问 题 在 物 理 层、 数 据 链
路 层、 多 址 接 入 控 制 和 移 动 性 管 理 。 随 着 技 术 的 发 展 ，
用 于 传 输 综 合 业 务 的ATM 技 术 必 将 进 入 通 信 的 各 个 领 域 ，
特 别 是 在LAN 中 。 可 便 携 式 微 机 数 量 的 增 多 和 个 人 通 信 的
需 要 ，WATM 技 术 有 着 广 阔 的 市 场 应 用 前 景 。
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