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一、通信網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)概述
近幾年來(lái)，移動(dòng)通信無(wú)線蜂窩網(wǎng)發(fā)展迅猛，3G（第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)）在各方熱烈討論下剛準(zhǔn)備正式投入運(yùn)營(yíng)，4G（第四代移動(dòng)通信）已經(jīng)開(kāi)始認(rèn)真研究，不用多久就可正式接替應(yīng)用。這與國(guó)際上固定有線網(wǎng)的進(jìn)展有密切關(guān)系。固網(wǎng)為了迎合廣大用戶對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信需求業(yè)務(wù)量的快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，并適應(yīng)Internet興起所產(chǎn)生的劇烈影響，已大量建設(shè)光纖通信線路和波分多路系統(tǒng)，并加緊準(zhǔn)備過(guò)渡至全光有線通信網(wǎng)，以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為中心，使用分組交換和IP/TCP（互聯(lián)網(wǎng)規(guī)約/傳輸控制規(guī)約），發(fā)展方向非常明確，將來(lái)也有把握取得成功。移動(dòng)無(wú)線通信的蜂窩網(wǎng)不甘停留在現(xiàn)行狀態(tài)，也決定急速追趕，滿足人們需要。總的來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)明顯的發(fā)展跡象：一是移動(dòng)手機(jī)數(shù)量比固定話機(jī)數(shù)量顯示更加快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)；二是數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)量總數(shù)比話音通信業(yè)務(wù)量總數(shù)顯示更加快速的增長(zhǎng)趨勢(shì)。
二、新一代蜂窩網(wǎng)將開(kāi)展分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)
現(xiàn)行的傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)不論采用的是何種調(diào)制和多址制式，都是以開(kāi)放用戶手機(jī)互相通話和保證雙方實(shí)時(shí)會(huì)話質(zhì)量為主，但近年來(lái)，移動(dòng)用戶攜帶計(jì)算機(jī)需要數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，又需要接入Internet索取數(shù)據(jù)信息等，需求不斷上升。為此，2G蜂窩網(wǎng)除了重點(diǎn)放在移動(dòng)電話上外，還開(kāi)始提供低速9.6kbit/s的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)；2.5G蜂窩網(wǎng)提供數(shù)據(jù)速率144kbit/s，專門為用戶接入Internet服務(wù)；3G蜂窩網(wǎng)有更大能力讓用戶互通數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率最高達(dá)到2Mbit/s；而預(yù)料幾年之后可能正式開(kāi)放公用的4G蜂窩網(wǎng)，更加重視用戶需要互通數(shù)據(jù)通信的增長(zhǎng)傾向，準(zhǔn)備增加較高速率達(dá)155mbit/s的容量，這確實(shí)是合乎用戶業(yè)務(wù)需要而采取的正常和必要的發(fā)展趨勢(shì)。
移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)發(fā)展變遷傾向，既然是要從長(zhǎng)期以來(lái)一直經(jīng)營(yíng)的電話通信業(yè)務(wù)急劇轉(zhuǎn)變?yōu)榻昱d起的以數(shù)據(jù)通信為主的綜合業(yè)務(wù)，那么蜂窩網(wǎng)內(nèi)部即通信網(wǎng)本身必須作出較大手適應(yīng)性改革。首先，通信網(wǎng)對(duì)傳統(tǒng)電話通信的交換過(guò)程是利用“電路交換”（Circuit Switching或Channel Switching），現(xiàn)在決定改為以數(shù)據(jù)通信為主的綜合業(yè)務(wù)，就應(yīng)當(dāng)斷然改用對(duì)數(shù)據(jù)通信最為合適有利的交換方式，即所謂“分組交換”（Packet Switching）。對(duì)話音和圖像數(shù)據(jù)采取分組交換，這不僅顯著地提高數(shù)據(jù)通信交換的效率，而且仍然能夠確保電話和圖像通信的業(yè)務(wù)質(zhì)量要求。
為了盡快滿足廣大便攜式計(jì)算機(jī)移動(dòng)連入Internet的要求，2G蜂窩網(wǎng)在正式進(jìn)化為3G蜂窩網(wǎng)的過(guò)渡時(shí)期，提出中間過(guò)渡的一代，稱為2.5G蜂窩網(wǎng)。事實(shí)上，2.5G主要寄托于GPRS（通用分組無(wú)線電業(yè)務(wù)）。這也是為了適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)需要、向分組交換網(wǎng)過(guò)注而邁出的重要一大步。接著，在3G蜂窩網(wǎng)，理所當(dāng)然地要提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且必須相應(yīng)地保證QoS達(dá)到預(yù)定要求。由此得知，3G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既是繼承2G的電路交換網(wǎng)，又是利用GPRS的分組交換網(wǎng)，而Internet和其他數(shù)據(jù)網(wǎng)就通過(guò)GPRS與分組交換的無(wú)線網(wǎng)取得聯(lián)系。但是，3G可以選用它認(rèn)為最合適的多址方式和雙工方式，不受2G的約束。這樣，移動(dòng)用戶經(jīng)過(guò)蜂窩網(wǎng)的分組交換機(jī)構(gòu)，由基臺(tái)收發(fā)信機(jī)（BTS）和控制器（BSC）通過(guò)結(jié)點(diǎn)SGSN（Serving GPRS Support Node）接入骨干網(wǎng)，而局域網(wǎng)經(jīng)過(guò)路由器連接Internet或其他數(shù)據(jù)網(wǎng)，通過(guò)結(jié)點(diǎn)GGSN（Gateway GPRS Support Node）連接骨干網(wǎng)。它們組成正規(guī)GPRS總的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。移動(dòng)用戶在發(fā)送或接收分組數(shù)據(jù)時(shí)，需要使用分組數(shù)據(jù)規(guī)約（PDP,Packet Data Protocol），它包含發(fā)送和接收數(shù)據(jù)雙方用戶的IP地址以及QoS參數(shù)規(guī)定值，這里的QoS主要有5個(gè)方面，即時(shí)延、業(yè)務(wù)優(yōu)先、可靠性、平均傳送量和最大傳送量。時(shí)延是表示每一數(shù)據(jù)分組在GPRS系統(tǒng)從一邊轉(zhuǎn)移至另一邊、由業(yè)務(wù)接入點(diǎn)測(cè)得的時(shí)間差。優(yōu)先是指在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)不正常情況時(shí)，享有優(yōu)先權(quán)首先除去。可靠性表示對(duì)誤碼率的容忍程度，從而決定該分組是否重發(fā)。平均的和最大的傳送量分別表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的平均率和最大率。在現(xiàn)行的GPRS系統(tǒng)，上述的QoS各項(xiàng)規(guī)定受到了一定的限制，并認(rèn)為不夠理想，因而GPRS只能盡力而為。
在3G蜂窩網(wǎng)，例如歐洲的UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)），網(wǎng)絡(luò)的分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是從GPRS結(jié)構(gòu)演變的進(jìn)化，并且對(duì)上述一些問(wèn)題作了一些新的改進(jìn)，更加趨于完善。UMTS結(jié)構(gòu)的分組數(shù)據(jù)系統(tǒng)包括用戶端設(shè)備（MS）、UMTS地面無(wú)線接入網(wǎng)UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)、3G-SGSN/GGSN（Serving/Gateway GPRS Support Node），還可能有住家位置記錄器、業(yè)務(wù)控制點(diǎn)和邊界門路等等。對(duì)于QoS的要求，則UMTS和GPRS存在顯著差異。UMTS對(duì)此有所加重，特別是PDP可以支持多種應(yīng)用，加重了QoS的支持。
三、新一代蜂窩網(wǎng)將執(zhí)行IP/TCP規(guī)約
當(dāng)蜂窩網(wǎng)開(kāi)始提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的舉措正式實(shí)現(xiàn)時(shí)，移動(dòng)用戶攜帶輕便計(jì)算機(jī)就希望能夠接入Internet，像固定通信網(wǎng)的用戶一樣，既可與對(duì)方用戶互通數(shù)據(jù)通信，又可在短暫的停歇時(shí)間向網(wǎng)站索取大量的有用數(shù)據(jù)信息。這就促使Internet與無(wú)線通信系統(tǒng)溝通，不僅與衛(wèi)星通信和陸地微波通信互相溝通，還要與蜂窩網(wǎng)和無(wú)線局域網(wǎng)都互相溝通。事實(shí)上，所有這些無(wú)線通信系統(tǒng)有相似的特性，都可能像固定有線通信網(wǎng)那樣與Internet取得聯(lián)系的。當(dāng)移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)和Internet的聯(lián)系日益頻繁，并取得良好效果時(shí)，有些用戶還興奮地說(shuō)新開(kāi)辟的是“移動(dòng)Internet”。不管怎樣，為了合乎潮流趨向，移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)加速發(fā)展數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)和改用分組交換，確實(shí)有必要統(tǒng)一使用IP/TCP。這正是世界上所有通信網(wǎng)的大勢(shì)所趨，不論固定網(wǎng)還是移動(dòng)網(wǎng)，都要大力發(fā)展數(shù)據(jù)通信，都要使用分組交換，而且都要以IP/TCP規(guī)約為基礎(chǔ)。
按照蜂窩網(wǎng)擴(kuò)大業(yè)務(wù)的形勢(shì)，IP規(guī)約已從第4版改進(jìn)至第6版，即IPv4改進(jìn)為IPv6，用戶的IP地址正在不斷加長(zhǎng)字?jǐn)?shù)，TCP的目的是保證數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)中的數(shù)字流傳送運(yùn)行可靠。無(wú)線蜂窩網(wǎng)由于無(wú)線電波傳播不能保持可靠不變，更需要TCP的運(yùn)行提供協(xié)助。TCP可以對(duì)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和組合，又能處理滾動(dòng)和擁塞控制。TCP的分組按照次序傳送，到了接收端，隨即有回傳，表示已經(jīng)依次收到，有些沒(méi)有按次序的就重復(fù)回傳。發(fā)送端如發(fā)現(xiàn)有重復(fù)回傳來(lái)到，就認(rèn)為有分組損失，對(duì)于來(lái)回一次的時(shí)間，需要精確測(cè)量，否則，遲到將引起恢復(fù)推遲，早到將導(dǎo)致多余重發(fā)。TCP的主要工作是發(fā)現(xiàn)擁塞，路由器過(guò)載會(huì)使數(shù)據(jù)流發(fā)生較大時(shí)延，甚至分組損失。當(dāng)TCP檢測(cè)到數(shù)據(jù)損失時(shí)，除了重發(fā)該損失的分組外，還降低其傳輸速率，以使路由器工作正常。其后，TCP又漸漸加快傳輸速率，以便充分利用通信網(wǎng)容量。TCP保持一個(gè)擁塞窗口，它估計(jì)能夠傳送而不致引起擁塞的分組數(shù)量。新的分組須在這擁塞窗口和接收端窗口都容許時(shí)才能發(fā)送。在開(kāi)始時(shí)，TCP允許只發(fā)送一個(gè)分組，來(lái)回一圈后容許多發(fā)一個(gè)分組；這表示開(kāi)始階段較慢，隨后就按指數(shù)律加多。在有些實(shí)際情況中，經(jīng)過(guò)幾個(gè)來(lái)回，發(fā)現(xiàn)一次失靈，TCP就重新發(fā)送這一失去的分組。TCP曾經(jīng)在歐洲和美國(guó)的2G蜂窩網(wǎng)GSM上應(yīng)用。曾經(jīng)測(cè)量數(shù)據(jù)通信傳送來(lái)回一次的時(shí)間RTT（Round Trip Time），大多為600ms，標(biāo)準(zhǔn)偏差20ms。
近年來(lái)，蜂窩網(wǎng)傳送用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)越來(lái)越多，對(duì)此歐洲的2G蜂窩網(wǎng)GSM曾經(jīng)附加高速電路交換數(shù)據(jù)（HSCSD）系統(tǒng)，提供的數(shù)字速率達(dá)到56kbit/s。GSM又增加GPRS，明確地向分組交換方向發(fā)展，并且進(jìn)一步提高數(shù)字速率至171kbit/s。歐洲的3G蜂窩網(wǎng)UMTS利用寬帶的WCDMA，對(duì)電路交換和分組交換都支持，它的第一步與GPRS相似，數(shù)字速率提高至384kbit/s，并在不大的區(qū)域內(nèi)提高至2Mbit/s。同樣，在美國(guó)，類似的系統(tǒng)提供數(shù)字速率270-722kbit/s，也可以在不大的區(qū)域內(nèi)提高至2Mbit/s。
現(xiàn)在蜂窩網(wǎng)在越區(qū)切換時(shí)短暫地?cái)嚅_(kāi)連接，已證明對(duì)TCP性能有顯著影響。尤其在每一蜂窩區(qū)縮小面積和傳送數(shù)據(jù)速率不高的情況下，越區(qū)切換次數(shù)增多對(duì)于TCP很不利。為此，近來(lái)正在設(shè)法改進(jìn)，也可能增設(shè)無(wú)線適應(yīng)層（WAL,Wireless Adaptation Layer），以期利用自動(dòng)的適應(yīng)性。這將是近期研究的一個(gè)方向。
摘自《現(xiàn)代通信》2002.11
