《程控數(shù)字交換技術》課件-第11章

第11章交換技術的演變與發(fā)展11.1交換方式的技術特征11.2交換技術的演變11.3ATM交換技術11.4基于ATM的B-ISDN協(xié)議模型11.5星上交換技術復習思考題

11.1交換方式的技術特征

1.面向連接和面向無連接面向連接是指兩個用戶之間的通信信息沿著預先建立的通路傳輸；面向無連接是指依靠路由來完成選路工作。

2.物理連接和邏輯連接物理連接是建立專用的物理鏈路；邏輯連接不獨占線路，是在一條物理鏈路上建立多條虛鏈路。

3.同步時分交換和異步時分交換

同步時分是指每個連接屬于不同的呼叫，它們在信道中各自占用不同的時間，但屬于同一呼叫的連接位置是固定的，交換時按照時間位置來區(qū)分每個連接；異步時分是指每個連接所占用的時間、位置都不固定，屬于某個呼叫的連接是根據(jù)該連接所需的帶寬和路由靈活分配的。

11.2交換技術的演變

交換系統(tǒng)的功能最終可歸納為兩種不同的描述：一種功能是在網(wǎng)絡的入端和出端之間建立連接，即交換系統(tǒng)好比一堆開關，當需要時把一個入端和一個出端連接起來；另一種功能是交換系統(tǒng)好比一個信息轉運站，它把網(wǎng)絡入端的信息根據(jù)需要分發(fā)到網(wǎng)絡不同的出線上。交換技術的發(fā)展就是建立在上述功能的基礎上的，它的演變經(jīng)歷了電路交換→報文交換→分組交換→ATM交換的發(fā)展過程。

1.電路交換

1)電路交換的定義

電路交換是以電路連接為目的的交換方式。

2)電路交換的通信過程

電路交換的通信過程分為三個階段：電路建立階段、消息傳輸階段和電路拆除階段。

3)電路交換的特點

(1)電路交換是面向物理連接的交換。在發(fā)送消息前，必須建立起點到點的物理通路。

(2)電路交換采用靜態(tài)復用、預分配帶寬并獨享通信資源的方式，即交換機根據(jù)用戶的呼叫請求，為用戶分配位置固定、帶寬恒定(通常是64?kb/s)的電路。

4)電路交換的優(yōu)點和缺點

(1)消息傳輸?shù)难舆t較短。對于每個用戶來說，其信道是按時隙周期性分配的，故消息傳輸?shù)臅r延小(最大時延為125μs)，對一次接續(xù)而言，消息傳輸?shù)臅r延固定不變。

(2)控制簡單。在消息傳輸期間，交換節(jié)點對消息不存儲、不分析、不處理，不進行任何干預，也沒有差錯控制措施，即透明傳輸。

(3)建立物理通路的時間較長(以秒為單位)。

(4)電路資源被通信雙方獨占，話路接通后，即使無消息傳輸，也需要占用電路，因此電路的利用率低。

(5)不同類型和特性的用戶終端之間不能互通，這是因為電路交換要求通信雙方在消息傳輸、編碼格式、同步方式、通信協(xié)議等方面完全兼容。

(6)呼損嚴重，即由于對方終端忙或交換網(wǎng)絡負載過重而接續(xù)失敗。

綜上所述，電路交換適用于話音等實時性業(yè)務。

2.報文交換

1)報文交換的定義

信息以報文(邏輯上完整的信息段)為單位進行存儲轉發(fā)的方式被稱為報文交換。

2)報文交換的通信過程

報文交換的通信過程分為四個階段：接收和存儲報文→處理機加工處理(給報文加上報頭符號和報尾符號)→將報文送到輸出隊列上排隊→輸出線空閑時發(fā)送報文。例如，A用戶向B用戶發(fā)送信息，A用戶不需要接通與B用戶之間的電路，而只需要與交換機接通，由交換機暫時把A用戶要發(fā)送的報文接收并存儲起來，交換機根據(jù)報文中提供的B用戶的地址在交換網(wǎng)中確定路由，并將報文送到下一個交換機，最后送到終端用戶B。

3)報文交換的特點

在報文交換中，通信的信息以“報文”為基本單位在電路中傳輸。一份報文包括以下三部分：

(1)報頭：包含發(fā)信站地址、終點收信站地址等。

(2)正文：用戶所發(fā)出的信息(報文內容)。

(3)報尾：報文的結束標志。

4)報文交換的優(yōu)點和缺點

(1)在報文交換方式中，兩個終端間的線路和交換機不必同時空閑。

(2)允許各種不同類型的終端相互通信。因為報文交換機有對信息進行存儲、處理的功能，所以交換機可以對各種不同速率、不同代碼、不同通信協(xié)議的終端進行轉換。

(3)信息傳輸?shù)臅r延長(特別是當報文很長時)，不利于交互式的業(yè)務通信。

(4)對處理機要求高。要求處理機具有較大的存儲容量和高速的處理能力。

3.分組交換

1)分組交換的定義

信息以分組為單位進行存儲轉發(fā)的方式被稱為分組交換。

2)分組交換的通信過程

分組交換的通信過程分為四個階段：信息打包→數(shù)據(jù)分組→排隊處理→信息轉發(fā)。分組交換機也叫做數(shù)據(jù)包交換處理機，該處理機將要傳送的數(shù)據(jù)裁剪并封裝成若干較短的、長度不等的數(shù)據(jù)塊，并在每個數(shù)據(jù)塊中加上必需的控制信息(如初始分組標志、源地址、目的地址、控制信息、邏輯信道編號、分組編號、最末分組標志等)，然后按規(guī)定的格式進行排列組成一個個數(shù)據(jù)分組。交換機根據(jù)每個分組的地址信息，為分組尋找輸出的通路并將它們發(fā)送(或轉發(fā))至目的地。到達目的地后由分組交換機拆包，然后根據(jù)分組頭的附加控制信息重新按順序裝配成一個個完整的信息。

3)分組交換的優(yōu)點

分組交換技術較好地解決了電路交換和報文交換技術存在的問題。其優(yōu)點可歸納為以下幾個方面：

(1)不預先分配資源，帶寬可變，可向不同速率的數(shù)據(jù)終端提供相互通信的通信環(huán)境。

(2)電路資源被多個用戶所共享，電路的利用率高。

(3)與報文交換相比，信息被裁剪成較短的分組，信息的傳輸時延較小。

(4)?“分組”格式統(tǒng)一，便于交換機處理。

電路交換、報文交換和分組交換的區(qū)別如圖11-1所示。圖11-1電路交換、報文交換和分組交換的區(qū)別

4.?ATM交換

在B-ISDN(BroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork)環(huán)境下的交換采用異步傳送

模式(ATM，AsynchronousTransferMode)，這是一種新型的交換方式，這種方式具有以下優(yōu)點：

(1)可以把不同種類(如話音、數(shù)據(jù)、圖像)、不同速率(固定、可變)、不同性質(突發(fā)性、連續(xù)性)以及不同性能要求(時延要求、誤碼率要求)的信息在網(wǎng)內實現(xiàn)透明傳輸。

(2)能對通信網(wǎng)中各種各樣的信息(包括話音、數(shù)據(jù)、圖像)進行綜合交換和傳輸。

(3)能按需要提供不同的帶寬和不同的業(yè)務等級，使網(wǎng)絡的資源得到充分利用。

(4)能夠比較容易地增加新業(yè)務。

ATM采用的是一種統(tǒng)計時分復用技術，在這種模式中，雖然保持了時隙的概念，但取消了同步傳輸模式(STM，SynchronousTransferMode)中幀的概念，在ATM時隙中實際存放的是信元(Cell)。用戶的信息被裁剪組織成53個字節(jié)固定長度的短信元格式，且來自同一用戶的信息(信元)并不需要周期性，在一幀中占用的時隙數(shù)也不固定，可以有一至多個時隙，從這個意義上說，這種轉移模式是異步的。各時隙之間也不要求連續(xù)，純粹是“見縫插針”，因此信號傳輸速度快，電路的利用率高。

表11.1歸納了電路交換、分組交換和ATM交換的特點、優(yōu)點及缺點。

11.3ATM交換技術

11.3.1ATM信元與復用ATM本質上是一種尋址型特殊分組轉移模式，它使用異步時分復用技術將不同速率的數(shù)字業(yè)務(如話音、數(shù)據(jù)、視頻)的混合信息流分割成固定字節(jié)長度的信元，在B-ISDN中進行快速分組傳輸和交換。也就是說，進入B-ISDN的信息流是一串串的信元流。

B-ISDN與用戶間的接口也規(guī)定為以信元為基礎單位。B-ISDN用的ATM終端其自身具有信元接口。不具有信元接口功能的終端，如目前電信網(wǎng)中所用的各種終端，則在入網(wǎng)前必須經(jīng)信元裝拆設備進行信元化(即規(guī)格化)后才能進入網(wǎng)中。

1.?ATM信元結構

ATM的基本單位是信元，每個信元長度固定為53個字節(jié)，前5個字節(jié)為信頭(Header)，后48個字節(jié)為信息域(數(shù)據(jù)塊)。信元的大小與業(yè)務類型無關，任何業(yè)務的信息都經(jīng)過切割封裝成相同長度、統(tǒng)一格式的信息分組。ATM信元結構如圖11-2所示。圖11-2ATM信元結構

路由的選擇由信頭中的標號決定。發(fā)送的順序是從信頭的第1個字節(jié)開始，其余字節(jié)按增序方式發(fā)送。在一個字節(jié)內，發(fā)送的順序是從第8個比特開始，然后遞減。對于各域而言，首先發(fā)送的比特是最高有效位(MSB，TheMostSignificantBit)。由于ATM是面向接續(xù)的技術，因此同一虛接續(xù)中的信元順序保持不變。

ATM信元的信息域包括用戶數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、信令信息等，它們透明地穿過網(wǎng)絡，網(wǎng)絡內沒有差錯控制處理。為了支持各種業(yè)務，根據(jù)業(yè)務特性定義了幾種類型的ATM適配層(AAL)，以便將信息裝入ATM信元，并提供特定的業(yè)務功能(如時鐘恢復、信元丟失恢復等)。AAL的特殊信息包含在ATM信元的信息域中。

ATM采用5個字節(jié)的信頭和短小的信息域，比其他通信協(xié)議的信息格式都小得多，這種小的固定長度的數(shù)據(jù)單元就是為了減少組裝、拆卸信元以及信元在網(wǎng)絡中排隊等待所引入的時延，確保更快、更容易地執(zhí)行交換和多路復用功能，從而支持更高的傳輸速率。這好比火車上的每節(jié)車廂，無論是客車還是貨車，其車廂大小都是一樣的，從而方便了火車中轉時靈活、快速地加掛或減少車廂。

2.?ATM信元復用

目前，電話網(wǎng)中的數(shù)字信號復用基本屬于同步傳遞方式(STM)，其特點是在由N路原始信號復合成的時分復用信號中，各路原始信號的出現(xiàn)呈周期性。所以只要根據(jù)時間就可以確定現(xiàn)在傳輸?shù)氖悄囊宦吩夹盘枴?/p>

異步傳送模式(ATM)的各路原始信號不一定按照一定的時間間隔周期性地出現(xiàn)，每個數(shù)據(jù)單元可以處在任何傳輸幀的任何位置，來自不同信息源(不同業(yè)務和不同發(fā)源地)的信元匯集到一起，在一個緩沖器內排隊，隊列中的信元逐個輸出到傳輸線路，在傳輸線路上形成首尾相接的信元流。信元的信頭中寫有信息的標志，說明該信元去往的地址，網(wǎng)絡根據(jù)信頭中的標志來轉移信元。

由于信息源產(chǎn)生信息是隨機的，信元到達隊列也是隨機的，因此速率高的業(yè)務信元來得十分頻繁，十分集中，速率低的業(yè)務信元則來得很稀疏。具有同樣標志的信元在傳輸線路上并不對應著某個固定的時間(時隙)，也不是按周期出現(xiàn)的。也就是說，信息和它在時域中的位置之間沒有任何關系，這種復用方式被稱為統(tǒng)計復用(StatisticMultiplex)?？梢姡y(tǒng)計復用是按需分配帶寬的，可以滿足不同用戶傳遞不同業(yè)務的帶寬需要。

圖11-3所示為待發(fā)送的用戶信息被分解成信元并進行多路復用的示意圖。圖11-3用戶信息被分解成ATM信元

ATM信元復用與電路交換中的時分復用(TDM)比較，TDM采用周期為125?s的幀結構，發(fā)送信息以比特形式固定加入到每幀內的相應時隙，在連接建立后，不論有無信息發(fā)送，其時隙必定屬于該連接。這種依據(jù)幀內的時隙位置來識別通路的復用方式稱為“位置”復用。ATM復用方式與分組復用方式有些類似，只要信道上存在空閑位置就可將信息組成的信元加入信道，顯然，信元的復用無周期性和固定位置。由于ATM依靠信頭內的通路標記進行信元的識別、傳送和交換，因此也被稱為“標記”復用。

但ATM信元復用不完全與分組交換中的分組復用一樣，這是因為每個分組在信道上的出現(xiàn)是任意的，而ATM信元卻像TDM時隙一樣定時出現(xiàn)，這使得硬件電路可高速地對信頭進行識別、復/分接和交換處理。由此說明，ATM復用技術融合了電路交換和分組交換的優(yōu)點。

11.3.2ATM網(wǎng)絡連接

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡采用無連接的呼叫接續(xù)方式，它假設目的端點可接收信息，每一分組一邊尋找空閑信道一邊完成傳輸。每個端點必須檢查每一分組的路由標記，以確定是否接收該分組。信元形式的ATM網(wǎng)絡和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的本質區(qū)別是：ATM網(wǎng)絡采用面向連接的呼叫接續(xù)方式，通信前必須在源端和目的端之間建立“連接”。需要強調的是，這個“連接”也不同于電路交換中的電話呼叫接續(xù)過程，ATM網(wǎng)絡連接是一種“虛連接”。所謂“虛連接”，是指網(wǎng)絡依據(jù)VCI/VPI(虛信道標識符/虛通路標識符)對信元進行處理。有關ATM網(wǎng)絡“虛連接”中VCI/VPI、VC/VP、VPC/VCC的解釋如下所述。

1.?VCI/VPI——虛信道標識符/虛通路標識符

VPI(VPIdentifier)、VCI(VCIdentifier)是ATM技術中兩個最重要的概念，VCI/VPI用于表示信元的邏輯路由地址。對于一個給定的接口，在兩個方向上都將可能存在不同的虛通路(VP，VirtualPath)，若干虛通路被復用在一條物理層連接上，而在每條虛通路內部又可能含有許多條虛信道(VC，VirtualChannel)。屬于同一VC的信元群擁有相同的虛信道標識符(VCI)，屬于同一VP的不同VC擁有相同的虛通路標識符(VPI)。VCI和VPI都作為信頭的一部分與信元同時傳輸。

VPI、VCI的取值規(guī)則：在組成一個連接的各個鏈路上，VPI/VCI的取值是相互獨立的，從而可達到充分利用VPI/VCI資源的目的。

2.?VC/VP——虛信道/虛通路

VC、VP是表示ATM信元傳輸?shù)膬煞N邏輯子信道，都用來描述ATM信元單向傳輸?shù)穆酚?。在ATM中，一個物理傳輸通道被分成若干虛通路(VP)，一個VP又由多個甚至上千個虛信道(VC)所復用。

1)虛信道(VC)

在一個虛通路連接(VPC)中，傳送具有相同VCI的信元所占有的子信道稱為虛信道(VC)。在ATM中，因為每條鏈路容易被該鏈路上的各種接續(xù)共享，而不是固定分配，所以每個接續(xù)被稱為虛信道，信元流通過一條虛信道進行傳輸。

虛信道是ATM網(wǎng)絡鏈路端點之間的一種邏輯聯(lián)系，是在兩個或多個端點之間傳送ATM信元的通信通路，可用于用戶到用戶、用戶到網(wǎng)絡、網(wǎng)絡到網(wǎng)絡的信息轉移。

2)虛通路(VP)

在一條通信線路上具有相同VPI的信元所占有的子信道稱為虛通路(VP)。ATM中傳輸通道、虛通路(VP)和虛信道(VC)的關系如圖11-4所示。圖11-4ATM中傳輸通道、虛通路(VP)和虛信道(VC)的關系

3.?VPC/VCC——虛通路連接/虛信道連接

ATM中的虛通路連接和虛信道連接如圖11-5所示。圖11-5ATM中的虛通路連接和虛信道連接

1)虛信道連接(VCC)

一個或多個級聯(lián)的VC鏈路構成一個VCC。VCC的作用是為ATM虛信道(VC)建立一條虛電路。該虛電路連接可用在以下三個方面：

(1)用戶到用戶應用：VCC跨越連接兩個端點上的用戶設備，信息將以ATM信元的形式直接從一個用戶設備傳到另一個用戶設備。

(2)用戶到網(wǎng)絡應用：VCC處在用戶設備和一個網(wǎng)絡節(jié)點之間，實現(xiàn)用戶到某一網(wǎng)絡單元的接入。

(3)網(wǎng)絡到網(wǎng)絡應用：VCC位于兩個網(wǎng)絡節(jié)點之間。

2)虛通路連接(VPC)

一個或多個級聯(lián)的VP鏈路構成一個VPC。VPC的作用是為ATM虛通路(VP)建立一條虛電路。該虛電路連接同樣可以應用于用戶到用戶、用戶到網(wǎng)絡和網(wǎng)絡到網(wǎng)絡的信息

傳遞。

當對信元進行交換或復用時，首先必須在虛通路連接(VPC)基礎上進行，然后才是虛信道連接(VCC)。一個端到端的連接由源和目的地之間的一系列串聯(lián)鏈路(Link)組成。這就是說，虛信道連接(VCC)將劃分成若干不同段的虛信道鏈路(VCL)，每一段虛信道上都標識以唯一的VCI值，從一段虛信道鏈路到另一段虛信道鏈路VCI的值將被翻譯改變。同樣的道理也適合于虛通路連接(VPC)和虛通路鏈路(VPL)。

VPC、VCC的建立和釋放由網(wǎng)絡管理者或網(wǎng)絡信令系統(tǒng)來完成。

11.3.3虛通路交換與虛信道交換

ATM的呼叫接續(xù)不按信元逐個地進行選路控制，而采用分組交換中虛呼叫的概念，也就是在傳送之前預先建立與某呼叫相關的信元接續(xù)路由，同一呼叫的所有信元都經(jīng)過相同的路由，直至呼叫結束。其接續(xù)過程是：主叫通過用戶網(wǎng)絡接口UNI發(fā)送一個呼叫請求的控制信號，被叫通過網(wǎng)絡收到該控制信號并同意建立連接后，網(wǎng)絡中的各個交換節(jié)點經(jīng)過一系列信令交換就會在主叫與被叫之間建立一條虛電路。虛電路是用一系列VPI/VCI表示的。在虛電路建立過程中，虛電路上所有的交換節(jié)點都會建立路由表，以完成輸入信元VPI/VCI值到輸出信元VPI/VCI值的轉換。

虛電路建立起來以后，需要發(fā)送的信息被分割成信元，經(jīng)過網(wǎng)絡傳送到對方。若發(fā)送端有一個以上的信息要同時發(fā)送給不同的接收端，則可建立到達各自接收端的不同虛電路，并將信元交替送出。

在虛電路中，相鄰兩個交換節(jié)點之間信元的VCI/VPI值保持不變。這兩點之間形成一條VC鏈，一串VC鏈相連形成VC連接(VCC)。VP鏈和VP連接(VPC)也以類似的方式形成。ATM信元的交換既可以在VP鏈上進行，也可以在VC鏈上進行。

當兩個終端建立連接時，根據(jù)信令信息，在該連接中的每個交換節(jié)點上建立轉發(fā)表。該轉發(fā)表包含輸入端口號和輸出端口號。在輸入端口或者輸出端口中，不同的信元流有不同的VCI/VPI值轉換。當某一個信元進入交換模塊時，交換模塊通過識別信頭的VCI/VPI查找轉發(fā)表，找出對應的輸出端口以及輸出信元的VCI/VPI值，將輸入信元的VCI/VPI值改變?yōu)橄鄳敵鲂旁腣CI/VPI值，并控制交換網(wǎng)絡將信元交換到對應的輸出線上。

1.?VP交換

VCI/VPI值在經(jīng)過ATM交換節(jié)點時，該VP交換點根據(jù)VP連接的目的地，將輸入信元的VPI值改為新的VPI值賦予信元并輸出，該過程稱為VP交換。VP交換的實現(xiàn)比較簡單，往往只是傳輸通道的某個等級數(shù)字復用線的交叉連接，如圖11-6所示。圖11-6VP交換過程(a)

VP交換；(b)

VPI轉發(fā)表

2.?VP/VC交換

VC交換要和VP交換同時進行，因為當一條VC鏈路終止時，VP連接(VPC)就終止了，這個VPC上的所有VC鏈路將各自執(zhí)行交換過程，加到不同方向的VPC中，如圖11-7

所示。圖11-7VP/VC交換過程(a)

VP/VC交換；(b)

VP/VC轉發(fā)表

3.?VP交換與VP/VC交換比較

對于VP交換，其內部包含的所有VC捆綁在一起選擇相同的路由，穿過交換節(jié)點后并不拆散。相應地，VP鏈路內的每個VCI的值保持不變。VP/VC交換則不同，一個進入交換節(jié)點的VP中的某VC鏈路被交換到另一輸出VP中，不但VPI值發(fā)生了改變，而且對應的VCI的值也被更換。

從上述交換過程可以看出，雖然ATM交換是異步時分交換，但其原理與同步時分交換(時隙交換)有相似之處，區(qū)別在于用VCI/VPI代替了時隙交換中時隙的序號。

VP交換是由B-ISDN協(xié)議分層模型的管理平面控制負責完成的，VP/VC交換則由B-ISDN協(xié)議分層模型的控制平面負責完成(管理平面、控制平面的相關內容將在11.4節(jié)中講述)。VP交換設備(通常是交叉連接器和集中/分配器)僅對信元的VPI進行處理和變換，功能較為簡單；VC交換設備(ATM交換機、復接/分接器)則要同時對VPI/VCI進行處理和變換，功能較為復雜。VPI和VCI只有局部意義，每個VPI/VCI在相應的VP/VC交換節(jié)點被處理，相同的VPI/VCI值在不同的VP/VC鏈路段并不代表同一個“虛連接”。由于VP交換簡單，因而在早期可率先在網(wǎng)上投入使用，其容量也容易做得較大。另外，在B-ISDN骨干網(wǎng)高層節(jié)點，業(yè)務流量可以按局向劃分，這一點正符合VP交換的特性。所以，在B-ISDN網(wǎng)絡中，VP交換與VP/VC交換都是需要的。

11.3.4ATM信頭的功能

ATM信頭用來標志異步時分復用信道上屬于同一虛通路的信元，并完成適當?shù)穆酚蛇x擇。ATM層的全部功能均由信頭來實現(xiàn)。在傳送信息時，網(wǎng)絡只對信頭進行操作而不處理信息域的內容。接收端對信元的識別不再靠嚴格的參考定時，而靠信元中的信頭標記信息來識別該信元究竟屬于哪一個連接。圖11-8(a)、(b)分別是用戶-網(wǎng)絡接口(UNI)的信頭結構和網(wǎng)絡節(jié)點接口(NNI)的信頭結構。圖11-8ATM信頭結構(a)

UNI信頭結構；(b)

NNI信頭結構

ATM信頭各部分的功能解釋如下所述。

GFC(GeneralFlowControl)：一般流量控制，占4?bit，只用于UNI接口。在B-ISDN中，為了控制共享傳輸媒體的多個終端的接入而定義了GFC。由GFC控制可產(chǎn)生用戶終端方向的信息流量，從而減小用戶側出現(xiàn)的短期過載。

VPI(VirtualPathIdentifier)：虛通路標識符，對VP進行識別。在UNI信元中，VPI為8?bit，表示一條ATM鏈路最多可以包括28?=?256條虛通路。在NNI信元中，VPI為12?bit，表示一條ATM鏈路最多可以包括212?=?4096條虛通路。

VCI(VirtualChannelIdentifier)：虛信道標識符，用于虛信道路由選擇。在UNI和NNI信元中，VCI字段都為16?bit，故對每個VP定義了216?=?65?536條虛信道。

VCI和VPI結合，可在UNI信元中標識16?777?216(256×65?536)條連接，在NNI信元中標識268?435?456(4096×65?536)條連接。

PTI(PayloadTypeIdentifier)：信息類型指示段，也叫做凈荷類型指示段，占3?bit，用來標識信息字段中的內容是用戶信息還是控制信息。

CLP(CellLossPriority)：信元丟失優(yōu)先級(或優(yōu)先權)，占1?bit，用于表示信元的相對優(yōu)先等級。在ATM網(wǎng)絡中，接續(xù)采用統(tǒng)計多路復用方式，所以當發(fā)生超限過載和擁塞而必須扔掉某些信元時，首先丟棄的是低優(yōu)先級信元。CLP的意義就是確保重要的信元不丟失。當CLP?=?0時，信元具有高優(yōu)先級，應保留；當CLP?=?1?時，信元為低優(yōu)先級，應丟棄。

HEC(HeaderErrorControl)：信元頭(簡稱信頭)差錯控制，占8?bit，用于錯誤信頭的監(jiān)測、糾正。HEC還被用于信元定界，這種無需任何幀結構就能對信元進行定界的能力是ATM特有的。

與分組交換分組頭的功能比較，ATM信頭的功能簡化了許多。例如，在ATM信頭中不進行逐條鏈路的差錯控制，HEC只負責信頭的差錯控制，即只進行端到端的差錯控制。另外，只用VPI、VCI標識一個連接，不需要源地址、目的地址和包序號，信元的順序由網(wǎng)絡保證。由于信頭得到簡化，因而大大簡化了網(wǎng)絡的交換和處理功能。

11.4基于ATM的B-ISDN協(xié)議模型

ATM技術的目的是給出一套對B-ISDN用戶進行服務的系統(tǒng)，通常這些服務系統(tǒng)是由基于ATM的B-ISDN協(xié)議模型的定義給出的。該模型描述了ATM網(wǎng)絡的功能，它包括三個平面四個層，如圖11-9所示。圖11-9基于ATM的B-ISDN協(xié)議分層模型

1.平面的劃分

平面主要是根據(jù)網(wǎng)絡中不同的傳送功能、控制功能和管理功能以及信息流的不同種類來劃分的。ATM協(xié)議模型的三個平面分別為用戶面、管理面和控制面?？刂泼?、用戶面都分為四個層，管理面不分層。

(1)用戶面(User)：主要提供用戶信息流的傳輸，以及相應的控制(如流量控制、差錯控制等)。通常的數(shù)據(jù)協(xié)議、話音和視頻等業(yè)務應用都包括在這個區(qū)域。

(2)控制面(Control)：提供呼叫連接的控制功能，主要用于信令傳輸，完成網(wǎng)絡與終端間的呼叫建立和撤銷等功能。

(3)管理面(Management)：是性能管理、故障管理以及各個面間綜合管理的網(wǎng)管協(xié)議。它提供兩種功能，即面管理功能和層管理功能。

①面管理功能：負責對各個面間的信息進行綜合管理。面管理功能不分層。

②層管理功能：層管理功能是一個分層的結構，主要用于各層內部的管理，監(jiān)控各層的操作，完成與協(xié)議實體內的資源和參數(shù)相關的管理功能，處理與特定的層相關的操作維護(OAM)信息流。

2.各層的功能

協(xié)議參考模型的分層結構從下到上依次為：物理層、ATM層、ATM適配層(AAL)和高層四個層次。ATM協(xié)議模型各層間的數(shù)據(jù)傳輸如圖11-10所示。圖11-10ATM協(xié)議模型各層間的數(shù)據(jù)傳輸

1)物理層

物理層是承運信息流的載體，位于B-ISDN的最底層，主要負責信元編碼，將ATM層送來的邏輯比特或符號轉換成相應的物理傳輸媒介可傳送的信號，并正確地收/發(fā)這些物理信號。為了實現(xiàn)信元的無差錯傳輸，物理層又被分為物理媒體相關子層和傳輸會聚子層，由它們來分別保證信元的正確傳送。

(1)物理媒體子層(PM，PhysicalMedia)。PM子層處理具體的傳輸介質，它只支持與物理媒體有關的比特功能，因而它取決于所用的傳輸媒質(光纜、電纜)。其主要功能有：比特傳送、比特同步、比特定時、比特定位校準、線路編碼和光/電轉換等。其中，比特定時功能主要完成產(chǎn)生和接收適于所用媒質的信號波形、插入或抽取比特定時信息以及線路編碼和解碼。

(2)傳輸會聚子層(TC，TransmissionConvergence)。傳輸會聚子層的主要功能是：幀的適配、信元定界、信頭差錯控制校驗等。其功能與物理媒體無關。

在TC子層，ATM層信元嵌入傳輸幀的過程為：ATM信元解調(緩存)→信頭差錯控制(HEC)產(chǎn)生→信元定界→傳輸幀適配→傳輸幀生成。

從傳輸幀中提取有效ATM信元的過程為：傳輸幀接收→傳輸幀適配→信元定界→信頭差錯控制(HEC)檢驗→ATM信元排隊。

2)?ATM層

ATM層為異步傳遞方式層，位于物理層之上，負責生成與業(yè)務類型無關的、統(tǒng)一的信元標準格式，提供ATM業(yè)務數(shù)據(jù)單元的公共傳送功能。它還完成信元的復用與分解，路由選擇/交換，信頭的產(chǎn)生、提取和一般流量控制等功能。

ATM層利用信頭中各個功能字段可實現(xiàn)下列四種功能。

(1)信元的復用與分解。ATM層相當于網(wǎng)絡層，主要做路由工作，它提供了虛通路(VP)和虛信道(VC)兩種邏輯信息傳輸線路。信元發(fā)送時由多個VP和VC合成一條信元流，接收時進行相反的操作，由一條信元流分解成多條VP和VC。

(2)利用VPI和VCI尋路。路由功能由虛通路標識符(VPI)和虛信道標識符(VCI)完成。在虛通路處理設備(VPH，VPHandler)和虛信道處理設備(VCH，VCHandler)中讀取各個輸入信元的VPI和VCI值，根據(jù)信令建立的路由在ATM交換區(qū)域或ATM交叉節(jié)點處完成對任意輸入的ATM信元的VPI和VCI值變換(每一輸入信元的VPI域值在虛通路節(jié)點被譯為新的輸出VPI域值，虛通路標識符和虛信道標識符的值在虛信道交換節(jié)點處也被譯為新域值)，更新各輸出信元的VCI和VPI值。路由功能設置VPI、VCI兩層是為了得到一種高效的路由方法，避免為計算路由花費大量的CPU資源，因此，ATM交換機之間可以只用VP交換，ATM與用戶端之間再用VC交換。

(3)信頭的產(chǎn)生和提取。信頭的產(chǎn)生和提取在ATM層和上層的交互位置完成。在發(fā)送端，從ATM適配層接收信元信息域以后，添加一個相應的ATM信頭(不包括信頭校驗編碼HEC序列)；在接收端，抽掉ATM信頭部分，并將信元信息域內容提交給上一層ATM適配層。簡單地說，就是在將信元遞交給適配層之前去掉信頭，而在相反的方向上加上信頭。

(4)一般流量控制。在用戶-網(wǎng)絡接口上實現(xiàn)流量控制，這個功能是由信頭中的GFC支持的。

3)?ATM適配層(AAL)

ATM適配層(AAL)介于ATM層和高層之間，執(zhí)行高層協(xié)議的適配，負責將高層的信令或不同類型業(yè)務的用戶消息分段適配成ATM信元。

適配的原因是各種業(yè)務(如話音、數(shù)據(jù)和圖像等)所要求的業(yè)務質量(如時延、差錯率等)不同。ATM網(wǎng)絡要滿足寬帶業(yè)務的需求，使業(yè)務種類、信息轉移方式、通信速率與通信網(wǎng)設備無關，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)耐该鞫群挽`活性，就要通過AAL完成適配，消除各種業(yè)務信號在質量條件上的差異。換個角度說，ATM層只統(tǒng)一了信元格式，為各種業(yè)務提供了公共的傳輸能力，并沒有滿足大多數(shù)應用層(高層)的要求，故需用一個適配層作為ATM層與應用層連接的“橋梁”。

由此可見，AAL是為ATM網(wǎng)絡適應不同類型業(yè)務的特殊需要而設定的，它不僅支持用戶面的高層功能，還支持控制面(信令)和管理面(OAM)的高層功能，以及ATM網(wǎng)絡與非ATM網(wǎng)絡(窄帶ISDN、CATV、LAN及電話網(wǎng)等)的互通。

AAL按其功能可以進一步分為兩個子層：信元拆裝子層和會聚子層。

(1)信元拆裝子層(SAR，SegmentationAndReassembly)：SAR子層位于AAL層下面，其主要目的是將高層信息拆開裝到一個適當?shù)奶撨B接上連續(xù)的ATM信元中；在相反方向上，將一個虛連接的全部信元內容組裝成數(shù)據(jù)單元并交給高層。

(2)會聚子層(CS，ConvergenceSublayer)：CS子層位于AAL層上面，其作用是根據(jù)業(yè)務質量要求的條件控制信元的延時抖動和信元丟失，在接收端恢復發(fā)送端的時鐘頻率，并對幀進行流量控制和差錯控制。

ITU-T定義了四類ATM適配功能，即AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。這四類功能分別對應ATM層上傳送的A、B、C、D四種業(yè)務。A、B、C、D四種業(yè)務是根據(jù)三個基本參數(shù)來劃分的，這三個參數(shù)分別是：源和目的之間的定時、比特率和連接方式。

表11.2所示為三個基本參數(shù)，A、B、C、D四種業(yè)務，AAL適配類型以及服務質量的對應關系。

·AAL1：第一類AAL，恒定比特率實時業(yè)務適配協(xié)議，用于適配ATM層的A類業(yè)務(恒定比特率業(yè)務CBR)。常見業(yè)務為64kb/s話音業(yè)務、固定碼率非壓縮的視頻通信及專用數(shù)據(jù)網(wǎng)的租用電路。AAL1的功能包括用戶信息的分段和重組、丟失和誤插信元的處理、信息到達延遲時間的處理以及在接收端恢復源端時鐘頻率。

·AAL2：第二類AAL，可變比特率實時業(yè)務適配協(xié)議，用于適配ATM層的B類業(yè)務(可變比特率業(yè)務VBR)。常見業(yè)務為壓縮的分組話音通信和壓縮的視頻傳輸。該業(yè)務具有傳遞界面延遲特性，其原因是接收器需要重新組裝原來的非壓縮話音和視頻信息。AAL2的功能與AAL1相似。

·AAL3/4：第三/四類AAL，數(shù)據(jù)業(yè)務傳送適配協(xié)議，由AAL3、AAL4合并而成，用于適配ATM層的C、D兩類業(yè)務(可變比特率業(yè)務VBR)。該協(xié)議支持面向連接和無連接的數(shù)據(jù)業(yè)務和信令，具有可變長度用戶數(shù)據(jù)的分段、重組及誤碼處理等功能，適用于文件傳遞和數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務。

·AAL5：第五類AAL，高效數(shù)據(jù)業(yè)務傳送適配協(xié)議。該協(xié)議對應ATM層的D類業(yè)務，支持無連接數(shù)據(jù)業(yè)務，常見業(yè)務為數(shù)據(jù)報業(yè)務和數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務。

4)高層

高層是各種業(yè)務的應用層，它根據(jù)不同業(yè)務(如數(shù)據(jù)、信令或用戶消息等)的特點，完成端到端的協(xié)議功能，如支持計算機網(wǎng)絡通信和LAN的數(shù)據(jù)通信，支持圖像和電視業(yè)務、電話業(yè)務等。

上述物理層、ATM層和AAL層的功能全部或部分地呈現(xiàn)在具體的ATM設備中。例如，在ATM終端或終端適配器中，為了適配不同的應用業(yè)務，需要AAL層功能來支持不同業(yè)務的接入；在ATM交換設備和交叉連接設備中，要用到信頭的選路信息，必須有ATM層功能的支持；在傳輸系統(tǒng)中，則需要物理層功能的支持。

表11.3歸納了ATM協(xié)議模型中的各層功能。

11.5星上交換技術11.5.1星上交換技術的發(fā)展原因衛(wèi)星通信系統(tǒng)同地面電信系統(tǒng)一樣，致力于建立一個系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系，使更大范圍內的人們分享最大數(shù)量的通信資源，實現(xiàn)資源互通和共享，并建立起一個高效率、高質量和低干擾的綜合業(yè)務個人通信環(huán)境，而提高通信服務質量的重要手段之一就是采用星上交換。將交換功能放到衛(wèi)星上，可使衛(wèi)星通信系統(tǒng)的效率大大提高，滿足用戶使用靈活性和便利性的需要。開發(fā)星上交換技術、建立基于直接星上交換的衛(wèi)星系統(tǒng)是未來衛(wèi)星通信的發(fā)展方向。

推動新一代通信衛(wèi)星研究的動力主要來自三個方面：一是現(xiàn)有的通信衛(wèi)星不能以費用合理有效的方式支持新的業(yè)務需求；二是星上處理是實現(xiàn)衛(wèi)星與地面寬帶網(wǎng)絡綜合的重要方式；三是星上處理功能可極大地增強衛(wèi)星網(wǎng)絡應用的靈活性，為大量分散的中、小業(yè)務量地面終端提供廉價的傳輸業(yè)務，并能適應不斷出現(xiàn)的新的業(yè)務需求。將衛(wèi)星通信的復雜性從地面轉移到星上，既可彌補光纖通信的不足，又可使衛(wèi)星通信適應未來通信網(wǎng)絡的發(fā)展需要。因此，多波束和星上交換處理代表了先進通信衛(wèi)星技術的發(fā)展方向，并且這種類型的通信衛(wèi)星將成為未來固定業(yè)務通信衛(wèi)星增長的主流。

11.5.2星上交換系統(tǒng)的組成和分類

1.星上交換系統(tǒng)的組成

在一般情況下，現(xiàn)代的大容量寬帶衛(wèi)星都需要很高的有效全向輻射功率(EIRP)和衛(wèi)星接收機性能指數(shù)(G/T)值，因而點波束天線的應用非常廣泛。信息的交換不但在同一波束內的用戶之間進行，同時還要在不同波束用戶之間進行。顯然，在星上實現(xiàn)信息交換，就是基本取消了用戶和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中心站的直接聯(lián)系，而將這種聯(lián)系由星上交換設備直接完成，即星上交換設備根據(jù)用戶信息的不同種類、目標，完成信息的分類、打包，安排合適的傳輸路徑，從而完成高效的信息傳輸。

星上基帶交換系統(tǒng)主要由變頻器、調制/解調器和基帶路由交換開關組成。變頻器先將高頻載波變成中頻，再經(jīng)過調制/解調后取出基帶部分并送至基帶路由交換開關，路由交換開關根據(jù)VPI標識(或分組頭部)所指明的目的地址轉發(fā)信息至相應輸出端口，如圖11-11所示。圖11-11星上交換系統(tǒng)組成示意圖

星上交換的優(yōu)點主要有以下幾個：

(1)組網(wǎng)靈活，信息傳輸效率高。由于信息的交換中心置于星上，因此無論衛(wèi)星通信系統(tǒng)是星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)還是混合結構網(wǎng)，都能以衛(wèi)星為交換中心來完成，且許多傳統(tǒng)的兩跳通信都可以在一跳內完成。

(2)有效載荷上行和下行可以選擇不同的頻段、不同的帶寬，且用戶和用戶之間的信息交換不必經(jīng)過中心站或關口站進行，從而使頻率的利用率得到了提高。

(3)由于星上交換技術的信息處理在基帶進行，因而有利于對信息進行其他處理，如再生技術的應用可以改善信息傳輸質量，加密技術的應用可以增強信息傳輸?shù)陌踩?，等等?/p>

2.星上交換系統(tǒng)的分類

1)根據(jù)星上交換的實現(xiàn)方式分類

星上交換存在兩種實現(xiàn)方式：一種是基于傳統(tǒng)透明轉發(fā)的射頻微波交換體制，其對多路信號在射頻、微波頻段進行交換，對信號不進行基帶處理；另一種是基于星上處理(OBP)的基帶交換體制，這種方式基于星上基帶處理建立，隨著星上處理技術的迅速發(fā)展日益受到業(yè)內人士和各衛(wèi)星制造商的重視，被看成是未來衛(wèi)星通信實現(xiàn)大容量、高性能的關鍵技術之一。

兩種星上交換方式各有優(yōu)勢和缺陷，各自又依據(jù)不同的交換策略細分為不同的交換體制，在具體選取交換體制時，需要從技術角度、實現(xiàn)角度和發(fā)展角度綜合考慮與研究。

(1)透明轉發(fā)(射頻微波交換體制)。采用射頻微波交換的星上交換體制基于透明傳輸方式，不涉及對信息本身的處理，所有的信息處理集中在地面系統(tǒng)中，相當于射頻空分交換。射頻處理直接處理上行的射頻信號，并在射頻上進行轉接。

(2)基于星上處理(OBP)的基帶交換體制。與基于直接轉發(fā)的交換相比，星上基帶交換具有較高的通信質量和頻譜利用率。星上基帶交換根據(jù)是否對基帶信號進行解調、解碼可劃分為兩類：一類是僅對信號進行一定的處理，不進行解調、解碼，不提取譯碼后的數(shù)據(jù)信息，如SS-CDMA交換體制；另一類是對信號進行完全的恢復處理，使用譯碼后原始信號中的信息來進行動態(tài)路由選擇或相應設置，可以更有效地利用衛(wèi)星資源，如時隙交換方式、衛(wèi)星ATM方式等?；鶐Ы粨Q體制由于改雙跳鏈路為單跳鏈路，無線鏈路的數(shù)目減少了一半，傳輸延遲也減少了一半，從而大大降低了傳輸誤碼率，提高了通信傳輸質量。

①衛(wèi)星時隙交換(SS-TDMA，Satellite-SwitchedTDMA)。衛(wèi)星時隙交換方式在地面電信網(wǎng)絡中應用廣泛，針對特殊的衛(wèi)星環(huán)境，借助其技術成熟可靠、發(fā)展?jié)摿Υ蟮忍攸c，在星上交換中也發(fā)揮了其獨特的優(yōu)勢。

TDMA信號的形成原理是：一路基帶信道信號一旦占用了一幀中的某個時隙，它隨后所有的編碼抽樣都將位于該時隙。時隙交換的任務就是完成這些信道的相互交換，即實現(xiàn)信號由一個時隙至另一個時隙的遷移。基于時隙交換方式的衛(wèi)星轉發(fā)器中的交換網(wǎng)絡主要完成各路TDMA信號、各時隙信號之間的交換，完成各地面終端之間及地面終端和關口站之間時隙的交換。

工作過程為：上行信號經(jīng)變頻、群解調、譯碼后輸出基帶TDMA信號，然后送入交換網(wǎng)絡；信號經(jīng)過交換網(wǎng)絡尋路，進行相應的時隙交換，輸出時隙移動后的TDMA信號并送至發(fā)送模塊，經(jīng)編碼、調制后發(fā)送至射頻通道。

②衛(wèi)星ATM交換。采用具有ATM交換功能的衛(wèi)星執(zhí)行ATM交換、業(yè)務接入、QoS管理及網(wǎng)絡管理和維護，這樣星上ATM交換的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可看成是一個基于ATM的空間網(wǎng)絡。星上處理和ATM交換功能是由星上有效載荷完成的，在此過程中也完成衛(wèi)星信號到基帶信號的處理轉換，即在星上進行多路復用/分用、信道編/譯碼及利用多波束配置的星上ATM交換，為來自不同波束的信息提供路由交換，實現(xiàn)任一輸入波束與任一輸出波束間的通信連接，使位于多波束覆蓋區(qū)域內的所有用戶終端都能夠互相通信，從而組成一個天地一體的通信體系，而衛(wèi)星是信息通道交互的中心和網(wǎng)絡交換節(jié)點。

星上ATM技術源于地面ATM技術，而地面ATM技術的傳輸基礎是高速率、低誤碼率的光纖信道，面對具有誤碼率高、傳輸時延長、上下行速率不對稱及廣播等特性的衛(wèi)星信道，原有的ATM網(wǎng)絡協(xié)議體系結構需要進行相應的改動，形成適用于衛(wèi)星信道的ATM網(wǎng)絡技術。目前主要有兩種基于ATM交換技術的衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議方案。

A.?ATM信元封裝：對標準ATM信元進行封裝，形成衛(wèi)星專用的ATM協(xié)議信元。

B.?S-ATM：定義一個新的衛(wèi)星S-ATM協(xié)議層，將業(yè)務流通過新協(xié)議層形成衛(wèi)星ATM信元，如圖11-12所示。圖11-12S-ATM衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)議棧

③衛(wèi)星交換-碼分多址(SS-CDMA，Satellite-SwitchedCDMA)，SS-CDMA雖然是一種多址技術，但是它能為多波束地球靜止衛(wèi)星提供交換功能，應用于多波束同步軌道衛(wèi)星。為了在任意用戶之間建立連接，有必要引入交換，因此SS-CDMA于1979年最先被推薦使用在AT&T的話帶衛(wèi)星項目(此項目未完成)中。

SS-CDMA使用多波束天線對每一波束內的可用頻譜進行再用，在最少的星上處理和不需要星上緩存的情況下，建立直接的端對端用戶路由，可以在端到端用戶間建立直達路由，用戶既可以與網(wǎng)絡內部其他用戶端設備(CPE)進行通信，也可以通過網(wǎng)關設備接入外部網(wǎng)絡，如PSTN(公共電話網(wǎng))和PSDN(公共數(shù)據(jù)網(wǎng)。SS-CDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)如圖11-13所示。該系統(tǒng)采用新開放的Ka波段(28?GHz)，為電路交換(話音、數(shù)據(jù)和視頻)提供固定業(yè)務，為數(shù)據(jù)提供分組交換業(yè)務。圖11-13SS-CDMA衛(wèi)星通信網(wǎng)

SS-CDMA由多波束衛(wèi)星和大量地面用戶組成。每一衛(wèi)星波束覆蓋一定的區(qū)域，而地面用戶通過波束采用碼分多址的方式接入衛(wèi)星系統(tǒng)。衛(wèi)星波束內的每個CDMA用戶都配有一個正交碼，每一個波束分配一個正交碼和PN碼，與其他波束分離。星上的交換機為各波束用戶間的通信提供傳輸路由通路。SS-CDMA的星上部分包括星上碼分交換單元(CDS)、控制單元(CU)、信道訪問接收單元(ACRU)和衛(wèi)星廣播傳輸單元(SBTU)組成。CDS為業(yè)務信道提供路由，而信令控制信息則通過控制信道傳輸，并在控制單元內處理。其中，碼分交換是關鍵技術。

星上交換系統(tǒng)的設計基于碼分復用和按需分配技術。CDS是一個無阻塞的交換結構，如圖11-14所示。它負責將業(yè)務信號從上行波束交換到下行波束，是星上交換系統(tǒng)的關鍵設備之一，其通過采用有效CDMA(SE-CDMA)的通用空中接口(CAI)連接衛(wèi)星與其用戶或網(wǎng)關，無需任何信道編解碼或星上緩存。另外，按需分配的原則將電路交換和包交換業(yè)務集成到一起，最大化地利用了交換資源。星上交換系統(tǒng)不對數(shù)據(jù)進行解碼，僅為業(yè)務信道提供路由，而信令控制信息則通過控制信道傳輸，并在控制單元內處理。圖11-14CDS實現(xiàn)示意圖

其工作原理是：每一個上行CDMA信道首先被下變頻到中頻，再變頻到基帶，并且不解調輸入信號(也可以考慮在中頻進行交換)，接著每一路用戶信號通過上行用戶正交碼和PN波束碼解擴恢復(波束解擴)。這部分工作是在TCRC中完成的。接下來，業(yè)務信號由下行用戶正交碼和PN波束碼重新擴頻。最后，信號經(jīng)過過擴頻處理，就正交分離了系統(tǒng)中的所有用戶信號。其中，過擴頻是指利用較高的速率對已經(jīng)擴頻過的信號再進行頻譜擴展的過程。重新擴頻和過擴頻也是在TCRC中完成的。

其中，過擴頻的速率為N(同時可以對N路信號進行過擴頻處理)，數(shù)值上等于CDS的交換端口數(shù)，交換機內的交換速率為輸入信號速率的N倍。過擴頻處理之后，所有輸入信號被集中送到碼分總線(CDB，CodeDivisionBus)，CDB負責把所有送往下行方向的信號合并，再通過過擴頻解擴恢復出每一波束信號并使其路由到自己的目的端口。接著，信號再次被上變頻到射頻頻率，沿著下行信道發(fā)送出去。其中，控制單元向TCRC提供擴頻和解擴時用到的所有碼字，包括正交碼、擴頻碼、偽隨機碼等。

星上基帶交換也有其限制和缺陷：由于空間衛(wèi)星環(huán)境的特殊性，衛(wèi)星發(fā)射升空后，將無法改動硬件設備，交換軟件的升級也將很受限制；符合空間環(huán)境條件要求的高速率、大帶寬數(shù)字信號處理產(chǎn)品的選擇及其抗輻照設計都是一件難事；由于應用業(yè)務流量和特性的不確定性，星上交換系統(tǒng)的交換結構和緩存設計、擁塞控制、流量控制等都需要相當長的研究時間。

2)根據(jù)基帶處理和路由方式分類

根據(jù)基帶處理和路由方式的不同，星上交換的實現(xiàn)技術可分為兩種類型：一種基于TST(Time-Space-Time)電路交換的結構；另一種基于分組交換的結構。圖11-15給出了這兩種結構的交換原理。圖11-15星上交換的兩種結構(a)電路交換結構；(b)分組交換結構

TST電路交換的工作原理與地面數(shù)字交換機的工作原理相似。地面用戶在通信之前，需要通過信令信道向網(wǎng)絡控制中心發(fā)出建立呼叫請求申請。若該申請被接收，則網(wǎng)絡控制中心一方面向星上交換控制部分發(fā)送建立電路連接的指令；另一方面向主叫和被叫雙方發(fā)送控制信令，以保證它們在指定的時隙內進行通信。雙方通信完畢后，發(fā)出釋放信令，以便網(wǎng)控中心拆除星上的交換連接。

星上分組交換是基于交換網(wǎng)絡原理實現(xiàn)的。該交換網(wǎng)絡按照各個分組攜帶的地址信息為它們選擇路由，所以不需要使用指令來控制衛(wèi)星上下行波束之間的連接。這種交換網(wǎng)絡實際上可由ATM交換模塊構成。若為衛(wèi)星網(wǎng)絡中的每個地球站分配一個虛通路標識符(VPI)，則ATM交換網(wǎng)絡實質上是一臺VP交換機。因此，由星上ATM交換的衛(wèi)星通信系統(tǒng)構成的通信網(wǎng)絡具有ATM網(wǎng)絡的特點：既能支持電路交換業(yè)務，也能支持分組交換業(yè)務；既可提供面向連接通信，也可提供無連接通信，適用于綜合傳輸從窄帶到寬帶的具有不同速率的各種業(yè)務。

3)根據(jù)涉及的衛(wèi)星數(shù)目分類

根據(jù)涉及的衛(wèi)星數(shù)目是一個或多個，星上交換又可以分為本地交換和星際交換。本地交換使衛(wèi)星與地面關口站或移動用戶之間有通信聯(lián)系，負責不同移動用戶或移動用戶之間的數(shù)據(jù)交換。星際交換是指在星際鏈路連接的多個衛(wèi)星之間的數(shù)據(jù)交換。這樣具有星上交換能力的寬帶多媒體通信衛(wèi)星就像一臺設在太空中的ATM交換機，可為來自不同波束的信息提供路由交換，實現(xiàn)任一輸入波束與任一輸出波束間的通信連接，使位于多波束覆蓋區(qū)域內的所有用戶終端都能夠互相通信，從而組成一個星地一體的寬帶多媒體通信網(wǎng)，如圖11-16所示。在這個多媒體網(wǎng)絡中，衛(wèi)星是所有信息通道交互的中心，是唯一的網(wǎng)絡交換節(jié)點。圖11-16星上交換和本地交換之間的關系

11.5.3透明轉發(fā)交換方式

1.透明轉發(fā)技術的原理

透明轉發(fā)(BentPipe)技術即“彎管”式處理技術，通常只完成信號放大和頻率切換，與信號形式無關，對網(wǎng)絡協(xié)議透明、簡單而靈活。當采用透明轉發(fā)技術時，星上交換設備主要是交換開關，它由Modem(調制解調器)部件和基帶開關部件所組成?；鶐ч_關實際上是一個具有交換功能的受控開關矩陣。

當采用透明轉發(fā)器時，有以下三種多波束互聯(lián)方式：

(1)跳轉發(fā)式的連接方式。

(2)星上交換時分多址的連接方式。

(3)掃描波束的連接方式。

IntelsatVI衛(wèi)星上應用了跳轉發(fā)器的連接方式，如圖11-17所示。它只適用于FDMA多址接入方式，其跳變連接控制較為簡單。但這種波束連接需要的轉發(fā)器數(shù)量等于波束數(shù)的平方，開銷過大，只適合波束數(shù)較少的衛(wèi)星。圖11-17跳轉發(fā)器的連接方式

星上交換時分多址(OBS-TDMA)互連波束的方式只適合于TDMA多址接入，其特點是動態(tài)交換矩陣在中頻(甚至射頻)進行波束切換，如圖11-18所示。每一個TDMA幀內的切換時間和波束互連狀態(tài)的順序由星上控制單元根據(jù)地面站發(fā)送的指令進行控制。因此，各波束內的地面站必須根據(jù)本波束與星上切換時間狀態(tài)一致的TDMA子幀發(fā)射傳輸計劃。該方式的控制過程同時涉及星上設備和地面站，較為復雜。同時，該方式所需轉發(fā)器數(shù)目與波束數(shù)相同。圖11-18星上交換時分多址的連接方式

波束掃描連接方式主要適用于點波束覆蓋通信區(qū)域的情況，如圖11-19所示。掃描波束由星上波束成形天線產(chǎn)生，在一定時間內循環(huán)掃過可被該波束照射的區(qū)域，能被照射到的地面站才能有效地進行通信。掃描波束在某區(qū)域的停滯時間與其照射區(qū)域的通信量成正比。該方式至少需要兩個掃描波束，才能為不同區(qū)域建立鏈路連接，從而達到波束互連的目的。圖11-19掃描波束的連接方式

2.終端通信過程

圖11-20為透明轉發(fā)交換方式下終端通信的過程。下面以星上交換時分多址連接方式為例進行說明。圖11-20透明轉發(fā)交換方式下的終端通信(a)用戶終端屬于不同衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域；(b)用戶終端屬于同一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域

若兩個用戶終端A、B屬于不同衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域，則請求進行通信時由于沒有星上處理，星上微波交換矩陣配置受控于地面站，如圖11-20(a)所示。又由于衛(wèi)星之間沒有星際鏈路，因此進行相互通信時必須通過地面站中繼。首先用戶A通過控制信道向地面站發(fā)送與用戶B建立連接的請求(①、②)，地面站通過控制信道向用戶B發(fā)送建立連接的請求，等待用戶B響應(③、④)。當用戶B同意建立連接時，向地面站反饋同意應答(⑤、⑥)。地面站把應答反饋給用戶A(⑦、⑧)。同時，地面站根據(jù)衛(wèi)星1、2的信道狀態(tài)為用戶A、用戶B分配信道(⑨、⑩)。若兩用戶終端A、B屬于同一衛(wèi)星波束覆蓋區(qū)域，則其通信建立過程如圖11-20(b)所示。

3.透明轉發(fā)交換方式的性能

1)優(yōu)點

(1)采用這種“彎管”式處理技術可以不改變現(xiàn)有衛(wèi)星的協(xié)議結構，只是將ATM協(xié)議放在非ATM交換的衛(wèi)星協(xié)議平臺上，因此，可通過使用現(xiàn)有衛(wèi)星實現(xiàn)，衛(wèi)星技術成熟，可靠性高，技術和商業(yè)風險小。

(2)星上系統(tǒng)是透明的，系統(tǒng)依靠地面主站完成網(wǎng)絡控制功能，這樣的衛(wèi)星適應性強，容易利用地面新技術構建先進系統(tǒng)以滿足新通信業(yè)務的需求。

2)缺點

(1)缺乏星上處理和交換，妨礙了衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面ATM網(wǎng)絡之間的完全綜合。

(2)若采用雙跳方式，則延遲較大，服務質量不高，靈活性不夠好，不能完全體現(xiàn)衛(wèi)星ATM的優(yōu)越性。

11.5.4星上ATM交換

1.星上ATM交換原理

ATM是有線網(wǎng)絡寬帶通信的主要技術，采用異步傳輸方式，不需要同步碼，對時延沒有嚴格要求，具有很強的靈活性和適應性，能向用戶提供包括話音、圖像和數(shù)據(jù)在內的綜合業(yè)務，并能根據(jù)需要分配資源，提高資源的利用率。ATM網(wǎng)絡的服務是基于面向連接的，通過虛電路(VC)傳輸數(shù)據(jù)，但需要復雜的信令支持；數(shù)據(jù)封裝在53個字節(jié)的信元中進行傳輸；同一信道或鏈路中的信元可能來自不同的VC，以統(tǒng)計復用的方式進行工作；在ATM信元中的負載類型(PT)字段可以為不同信元的服務質量要求提供支持。

在選擇適合的星上交換技術時，要針對應用背景來考慮。寬帶多媒體衛(wèi)星通信需要較高的QoS，同時由于衛(wèi)星自身壽命、成本等條件的限制，必須采用成熟穩(wěn)定的設備。

在QoS方面，IP技術顯然不如ATM以及MPLS。在實現(xiàn)的復雜性上，ATM和MPLS相近，但是ATM要比MPLS更加成熟穩(wěn)定。同時，由于衛(wèi)星采用了多個空間隔離的波束，需要在波束之間實現(xiàn)波束交換，為減少傳播時延的影響，應將交換功能設置在星上。由于衛(wèi)星上行信號的帶寬有限，為保證業(yè)務的質量，充分利用傳輸帶寬，ATM交換是一種非常合適的交換方式。衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡就是以衛(wèi)星作為傳輸手段、用ATM交換作為交換技術的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)。

星上ATM交換參考地面ATM技術，為衛(wèi)星網(wǎng)絡中的每個地球站分配一個虛通路標識符(VPI)，則衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡實質上是一臺VP交換機，地球站根據(jù)VPI標簽為衛(wèi)星進行ATM交換路由表的配置。

衛(wèi)星天線接收到星際鏈路載波信號后，經(jīng)過解調、解碼，獲得ATM信元；然后經(jīng)過ATM交換開關發(fā)送到相應的目的端口；最后，經(jīng)過編碼、調制后通過天線發(fā)送出去。具體工作過程如圖11-21所示。圖11-21星上ATM交換的工作過程

當有多個衛(wèi)星組成網(wǎng)絡或一個衛(wèi)星覆蓋多個波束時，具有星上ATM交換功能的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡結構如圖11-22所示。衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡對上行的MF-TDMA信號再生后，送到星上ATM交換設備，各信元按照設置的路由交換到相應的輸出端口，之后一個端口輸出的所有信元合路為TDM信號，最后發(fā)送到地面終端。為充分利用衛(wèi)星下行的EIRP，一般一個波束設置一個下行的TDM載波。圖11-22具有星上ATM交換功能的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡結構

盡管ATM技術產(chǎn)生于有線網(wǎng)，但由于衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡能綜合這種技術的優(yōu)勢，以較少的投資就能為更廣闊的區(qū)域提供ATM服務，所以受到了廣泛的關注。目前采用星上ATM交換的部分衛(wèi)星通信系統(tǒng)如表11.4所示。

星上ATM交換和地面固定ATM交換是不同的，由于衛(wèi)星應用環(huán)境的特殊性，星上ATM交換的要求如下：

(1)星上設備應盡可能簡單，使硬件的復雜性較低，硬件數(shù)目較少。

(2)在保證系統(tǒng)性能的基礎上，星上ATM交換信令和管理功能盡量做到簡單有效，盡量將復雜的控制功能放在地面實現(xiàn)。

(3)星上ATM交換設備應具有很高的可靠性，在故障發(fā)生時，交換設備應有良好的應急設施及良好的重構配置方案。

(4)應具有良好的星上ATM交換性能，使交換時延小，信元丟失率低，路由算法簡單可靠。

2.衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡的特點

衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡綜合了衛(wèi)星通信和ATM交換技術的優(yōu)勢，具有以下特點：

(1)覆蓋面廣。衛(wèi)星可以在包括偏遠地區(qū)、農(nóng)村、城市和無人區(qū)的廣闊地理范圍內提供ATM業(yè)務。

(2)可適應靈活的路由和業(yè)務需求特征。衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以靈活地實現(xiàn)按需分配帶寬，它不受復雜的地面網(wǎng)絡拓撲的影響，減少了中間多次分配的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了資源的高效利用。

(3)利用衛(wèi)星的點對多點和多點對多點連接能力，可以快速地建立ATM網(wǎng)絡的多點到多點的應用，為大量用戶提供有效的接續(xù)。

(4)新用戶的建立和網(wǎng)絡的擴展也很容易。用戶不用花費太多，就可根據(jù)需要進入衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡，以較小的投入有效地為廣域稀散用戶和邊遠地區(qū)提供綜合業(yè)務。

(5)在不同地點建立ATM網(wǎng)絡時，衛(wèi)星通信能夠提供十分靈活的網(wǎng)絡互聯(lián)、多點傳送和多媒體通信的要求。

(6)衛(wèi)星可以作為地面光纖ATM網(wǎng)絡的安全備份，在地面網(wǎng)出現(xiàn)故障或擁塞時，確保路由暢通，提高了系統(tǒng)的傳輸特性。

(7)結合各類接入手段，衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡可以適應不同比特率用戶和系統(tǒng)的接入。

可見，ATM與衛(wèi)星相互取長補短的組合，既能發(fā)揮衛(wèi)星投資少、見效快、通信容量大等特點，又能充分發(fā)揮ATM網(wǎng)絡的靈活性和適應性。衛(wèi)星通信與ATM網(wǎng)絡的綜合為信息時代的人們提供了一個隨時隨地隨意以合理的費用獲取信息的良好的寬帶網(wǎng)絡平臺。

但是，衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡也存在一定的不足：

(1)衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲的變化使得通信過程存在鏈路切換問題，需要重路由，既浪費資源又可能產(chǎn)生劇烈的時延抖動。

(2)?ATM不能很好地支持多播業(yè)務，如由于有大量用戶同時通信的多播應用存在，因此將建大量的雙向虛電路，資源浪費嚴重。

(3)協(xié)議復雜，需要修改現(xiàn)有各種衛(wèi)星協(xié)議和網(wǎng)間接口協(xié)議。

3.星上ATM交換的實現(xiàn)

1)星上ATM交換網(wǎng)絡協(xié)議

在一個高度集成的衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡方案中，衛(wèi)星部件利用了S-ATM層，S-ATM層除了替換MAC及無線物理層之外，還替換了標準的ATM層，因此星上ATM交換網(wǎng)絡協(xié)議與地面ATM網(wǎng)絡協(xié)議有不同之處。

通過一個專用的衛(wèi)星特有的接口，衛(wèi)星協(xié)議平臺可以透明地支持不同的用戶終端標準，衛(wèi)星接入?yún)f(xié)議在網(wǎng)關站終止且在外部網(wǎng)絡不可見。因此，現(xiàn)有協(xié)議標準不必進行大幅度修改。當ATM協(xié)議不是最具優(yōu)勢的傳輸體制時，這種方法在需容納大量協(xié)議標準的幾種不同類型的用戶終端系統(tǒng)中具有較大的吸引力。星上交換的方式，包括電路交換、分組交換甚至混合解決方案都可在使用這種類型協(xié)議平臺的網(wǎng)絡中實現(xiàn)。

針對ATM協(xié)議封裝的網(wǎng)絡協(xié)議體系結構如圖11-23所示。在該網(wǎng)絡協(xié)議中，衛(wèi)星特有的邏輯鏈路控制(LLC)和媒介訪問控制子層(MAC)被劃入數(shù)據(jù)鏈路控制(DLC)協(xié)議層，這是與地面ATM協(xié)議結構不同的地方。在該協(xié)議經(jīng)空間接口在衛(wèi)星網(wǎng)絡層實體間傳輸信息的實現(xiàn)中，DLC是必要的。由于S-ATM提供與ATM層相同的服務接入點，所以在S-ATM協(xié)議層上均可以類似的方式支持本地ATM、TCP/IP或用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP/IP的應用。圖11-23針對ATM協(xié)議封裝的網(wǎng)絡協(xié)議體系結構

同時，由于系統(tǒng)采用TDMA多址接入方式，使得上、下行鏈路幀結構不同，因此星上ATM交換機MAC層協(xié)議應為TDMA/TDM，以完成對上行TDMA幀的接收和對下行

TDM幀的發(fā)送。ATM交換節(jié)點的任務就是要進行VPI/VCI轉換，并把信元發(fā)送到目的端口，如圖11-24所示。由圖11-24可以看出：若將信元頭變換和擴展功能劃分出去，則交換機只需完成自路由交換的簡單功能，將信元的VPI值與目的地球站的地址等同后，信頭變換和添加路由標簽的擴展功能均可放在地球站完成，即星上交換機僅對信元進行中繼轉發(fā)或VP路由，這樣星上交換控制和處理的復雜度將大為降低。圖11-24ATM交換的實現(xiàn)策略

2)內部信元格式

根據(jù)星上ATM交換的特點和要求，網(wǎng)絡內部信元格式需考慮時延特性、信元糾錯、信元多播功能等因素，因此其格式與標準ATM信元格式存在一些不同之處。網(wǎng)絡內部信元格式如圖11-25所示。圖11-25網(wǎng)絡內部信元格式

改進后的特點如下：

(1)網(wǎng)絡內部信元的長度大于53個字節(jié)，信頭比標準格式增加了2個字節(jié)作為路由標簽，DB指示波束路由，DC指示鏈路路由，二者結合可實現(xiàn)單播、多播和廣播功能，并可使星上交換路由控制變得簡單。

(2)信元最后附加了保護信頭和信息域的RS碼校驗字節(jié)，以改善衛(wèi)星鏈路的傳輸質量。

(3)綜合采用“RS外碼-字節(jié)交織編碼-FEC卷積內碼”的雙層級聯(lián)編碼方法，可接近于光纖信道的誤碼性能，可滿足對誤碼率要求較高的業(yè)務。

(4)采用突發(fā)統(tǒng)一的連續(xù)編碼模式，可滿足多種不同業(yè)務的綜合傳輸并滿足較高業(yè)務質量的要求。

(5)信頭的其余5個字節(jié)是標準的ATM信頭結構，但將HEC變更為FEC以配合RS編碼使用。

綜上所述，上述內部信元格式設計可最大限度地降低星上ATM交換機的復雜度。

在星上ATM交換機的前端處理單元中，衛(wèi)星ATM信元還原為標準ATM信元。因此進入交換矩陣的是標準的ATM信元格式。在進行星上ATM交換時，主要處理用戶接口(UNI)信元，選擇性地處理網(wǎng)絡接口(NNI)信元。由于進行的是點波束之間的交換，因此路由表中存儲的是待交換單元的輸入端口號VPI/VCI。

同時，一些預分配的信頭值保留給物理層的運行、管理和維護(OAM)。帶有這些信頭值的信元不傳遞給接收端的ATM層。表11.5列出了一部分信頭值。

3)星上ATM交換單元

考慮到星上交換系統(tǒng)需要具有交換處理時延短、非阻塞特性好的特點以及星上交換的廣播和組播要求，星上交換方案中選擇使用Crossbar交換單元。

Crossbar是一種典型的單級交換單元，其實現(xiàn)方式有：集中方式(輸入比輸出多)、擴展方式(輸入比輸出少)、連接方式(輸入和輸出一樣多)，一般采用連接方式，由N*N交叉矩陣構成，如圖11-26所示。圖11-26Crossbar交換單元

Crossbar是一種嚴格非阻塞交換單元，可通過輸入、輸出之間交叉點的閉合，同時提供多條數(shù)據(jù)通路。交叉點由調度器控制，調度器依據(jù)各輸入數(shù)據(jù)隊列的信息，經(jīng)過調度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個匹配，并配置相應交叉點。調度器的調度效率決定了Crossbar交換單元的交換速率。

Crossbar交換單元的優(yōu)點在于所有輸入、輸出之間都存在著獨立的交換通道，因此該結構本質上是非阻塞的，并能夠方便地實現(xiàn)組播。但Crossbar交換單元的可擴展性較差，增加一個端口就可導致交叉點的指數(shù)增長，并且數(shù)據(jù)流通過交換結構的傳輸延時不定。另外，盡管輸入端口是非阻塞的，但如果兩個輸入數(shù)據(jù)流具有相同的輸出端口，則輸出端口阻塞，因此排隊仲裁是必需的。

4)星上交換機的組成與結構

(1)交換機的組成。在衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡中，所有有關衛(wèi)星的信息都被移到了SS(SatelliteSpecific)子層，所以交換要遵循ATM的標準。對于邊緣ATM交換機，采用信元和VC級的交換并且需要支持用戶網(wǎng)絡接口(UNI)格式，包括信令方式、管理方式和流量規(guī)程等。因此，地面系統(tǒng)的ATM交換機就可以開發(fā)成星上交換機。但是必須在地面終端、星上設備和網(wǎng)絡控制中心之間增加ATM功能層。

因此，星上ATM交換機的組成也可分為三大部分，即交換結構(SF，SwitchingFabric)，輸入/輸出接口(I/O)和交換控制器(SC,SwitchingController)。圖11-27給出了星上ATM交換機的一般結構：交換矩陣專門進行信元的路由轉移，通常根據(jù)內部信元路由標簽中的信息進行選路來完成這一功能；I/O部分的輸入接口用來接收上行TMDA幀信元需要的物理層、MAC層和ATM層的