移動無線接入技術掃描

汪海燕　葉飛　楊龍祥
　　引言


　　目前，隨著計算機和通信技術的發(fā)展，無線網(wǎng)絡已成為人們生活的一部分。在商業(yè)通信領域，隨著以Internet為基礎的數(shù)據(jù)通信業(yè)務迅速發(fā)展和移動用戶數(shù)量的與日俱增，在信息傳送領域中正出現(xiàn)一種新的趨勢，即無線網(wǎng)絡和Internet的結合。它可以使用戶在任何時候，從任何地方接入Internet，以讀取電子郵件，查詢工作當中所需要的重要數(shù)據(jù)，或者將Web頁面上載到便攜式PC機或個人數(shù)字助理（PDA）。如何接入Internet進行數(shù)據(jù)通信成為人們所關注的技術問題。


　　移動接入無線數(shù)據(jù)通信比較注重時效性，要求在移動的過程中完成對數(shù)據(jù)信息的存取。通過移動和無線通信系統(tǒng)接入Internet的方式分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD），通用分組無線傳輸技術（GPRS），EDGE等；二是基于局域網(wǎng)的技術，如IEEE802.11 WLAN，Bluetooth,HomeRF等。


　　移動蜂窩接入技術


　　移動蜂窩Internet接入技術有：基于第一代模擬蜂窩AMPS系統(tǒng)的CDPD技術、基于第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)GSM和IS-136的GPRS以及在此基礎上的EDGE技術。


　　1.蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)CDPD


　　CDPD技術是在AMPS系統(tǒng)上開發(fā)出來的，完全使用AMPS原有的頻譜和設施，既可以采用專用頻率方式，在規(guī)定的信道傳送數(shù)據(jù)，也可以采用跳頻方式，利用移動電話通話中的閑置信道傳送數(shù)據(jù)。在現(xiàn)有的模擬蜂窩電話網(wǎng)上通過增加移動數(shù)據(jù)基站（MDBS）、移動數(shù)據(jù)中介系統(tǒng)（MDIS）和移動數(shù)據(jù)終端（MES），進行無線分組數(shù)據(jù)通信，適用于數(shù)據(jù)量小、實時要求不高的場合。它使用的是分組交換技術而非電路交換技術。在通常的移動電話系統(tǒng)中，移動電話始終不斷發(fā)送音頻信號；而分組交換的移動電話則向基站發(fā)送單個的數(shù)據(jù)分組，然后斷開連接。這大大減少了空閑時間。


　　使用CDPD時，用戶移動數(shù)據(jù)終端發(fā)出的數(shù)據(jù)經調制后，首先通過無線電波傳送到移動數(shù)據(jù)基站，由移動數(shù)據(jù)基站完成對無線信道的管理、無線信號的接收與解調，然后再將解調后得到的數(shù)據(jù)傳送到移動數(shù)據(jù)中介系統(tǒng)，由該數(shù)據(jù)中介系統(tǒng)完成CDPD網(wǎng)內數(shù)據(jù)包的交換、路由以及對用戶移動位置的跟蹤、漫游，發(fā)往CDPD網(wǎng)外的數(shù)據(jù)將通過路由器完成與其他如DDN、PSTN、CHINANET、CHINAPAC等公網(wǎng)的連接。同時，為了確保數(shù)據(jù)的正確傳送，CDPD使用了IP高層網(wǎng)間協(xié)議，采用高可靠性的前向糾錯技術來提高傳輸速率，使得速率最高可達19.2kbit/s，同時系統(tǒng)對TCP/IP報頭進行壓縮，對數(shù)據(jù)進行V.42bis壓縮，提高了信道的利用率。


　　CDPD采用公共隨機接入，數(shù)據(jù)以分組的形式在無線信道上傳送，傳送過程中信道并不完全固定分配給一個用戶，因此多個用戶的數(shù)據(jù)可以分享一個信道，信道利用率高。但由于數(shù)據(jù)以分組的形式傳送，故傳輸時延較大。CDPD采用TCP/IP協(xié)議網(wǎng)際地址編號方式，用戶由全國統(tǒng)一規(guī)劃地址，每個用戶的IP地址固定，所以呼叫建立的時間很短。鑒于以上特點，CDPD對于點多、面廣、信息短、量大而頻次較密的突發(fā)性業(yè)務具有優(yōu)勢，可用于金融、證券、交通智能調度、遠程監(jiān)控、信息查詢等領域，因而適合于Internet接入。


　　2.通用分組無線業(yè)務GPRS


　　GPRS是按GSM標準定義的封包交換協(xié)議，它在移動終端和網(wǎng)絡之間實現(xiàn)了‘永遠在線’的連接，網(wǎng)絡容量只有在實際進行傳輸時才被占用。它是一種基于分組交換傳輸數(shù)據(jù)高效率的方式，是在GSM網(wǎng)絡中增加分組交換功能，在GSM平臺上在于X.25和TCP/IP協(xié)議的分組交換數(shù)據(jù)通信。它可以提供高達115kbit/s的空中接口傳輸速率。GPRS使若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道，一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際不發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的用戶僅占很小一部分網(wǎng)絡資源。其數(shù)據(jù)率是現(xiàn)有GSM的10倍以上，巨大的吞吐量改變了單一面向文本的無線應用，使得包括圖片、話音和視頻的多媒體業(yè)務得以實現(xiàn)。


　　為了實現(xiàn)GPRS，需要在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡中引入3種新的邏輯網(wǎng)絡實體；服務GPRS支持節(jié)點、網(wǎng)關GPRS支持節(jié)點和分組控制單元（PCU）。


　　SGSN是GPRS骨干網(wǎng)與無線接入網(wǎng)之間的接口，提供GPRS網(wǎng)絡與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡之間的交互操作。它將分組交換到正確的在站子系統(tǒng)（BSS）。其任務包括提供對移動臺的加密、認證、會話管理、移動性管理和邏輯鏈路管理。它也提供到HLR等數(shù)據(jù)庫的連接。GGSN是外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP）或分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)（X.25/X.75）與GPRS核心網(wǎng)之間的網(wǎng)關節(jié)點。如果外部網(wǎng)絡是一個IP網(wǎng)，GGSN可以看成一個普通的IP路由器，它服務移動臺的所有IP地址。節(jié)點可以包括防火墻和分組過濾機制。另外，GGSN根據(jù)移動臺的位置，為其指定一個SGSN。在BSS的BSC中，包括一個分組控制單元（PCU），它支持所有GPRS空中接口的通信協(xié)議。PCU負責管理分組分段和規(guī)劃、無線信道、傳輸成熟檢測和自動重發(fā)、信道編碼方案。質量控制、功率控制等，并支持越區(qū)切換、無線電資源配置和信道指配等功能。MSC/VLR、HLR和SMS（短消息服務）中心是普通電話交換GSM系統(tǒng)中的功能實體。這些節(jié)點通過增加附加的接口實現(xiàn)與GPRS的互通。


　　GPRS的特點包括：充分利用頻譜資源、傳輸帶寬寬、適用于突發(fā)性業(yè)務。


　　GPRS技術呼叫建立時間短、支持點到點、點到多點、上下行鏈路非對稱傳送。從有效地利用網(wǎng)絡資源和降低用戶費用方面考慮，GPRS非常適合于例如互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務等突發(fā)性、面向大眾的業(yè)務。


　　3.EDGE（Enhanced Data rate for GSM Evolution）


　　EDGE是Ericsson公司作為一種GSM的演進方案提交給ETSI的，從而為正在進行的標準化進程鋪平了道路。從技術上講，EDGE主要改進了無線接口，但從更普遍的意義上講，EDGE是提高了傳輸速率，并因此促進蜂窩移動系統(tǒng)向第三代功能演進的有效的通用無線接口技術。


　　EDGE規(guī)范的思想是盡可能利用現(xiàn)有的GSM數(shù)據(jù)業(yè)務類型，且要提高其數(shù)據(jù)通信速率。EDGE無線鏈路的比特率和質量控制建立在三個基本原理上：多時隙連接、鏈路自適應和逐步增加冗余。EDGE通過多時隙操作可實現(xiàn)更高的比特速率。EDGE主要影響網(wǎng)絡的無線接入部分，但它對基于電路交換和分組交換的應用并不影響，通過移動交換中心（MSC）和服務GPRS支持節(jié)點（SGSN），EDGE可保留使用現(xiàn)有的網(wǎng)絡接口；實際上，EDGE是GSM的進化版，允許最高的38k的傳輸速度。與GPRS不同，EDGE需要不同于目前GSM的調制技術，投入較大。一些營運商視EDGE為GPRS發(fā)展到3G/UMTS的過渡技術。它是否會被廣泛采用取決于設備、終端和相關應用在時間上配合。由于GSM和TDMA-136系統(tǒng)的用戶數(shù)極大，在現(xiàn)有系統(tǒng)中引入EDGE的市場潛力很大。


　　基于無線局域網(wǎng)的接入技術


　　1.無線局域網(wǎng)（WLAN）


　　近些年來，隨著局域網(wǎng)的應用領域不斷拓寬和現(xiàn)代通信方式的不斷變化，尤其是移動和便攜式通信的發(fā)展，無線局域網(wǎng)（WLAN）便應運而生。


　　無線局域網(wǎng)是一種能支持較高數(shù)據(jù)速率（2-11Mbit/s）、采用微蜂窩、微微蜂窩結構的、自主管理的計算機局部網(wǎng)絡。它可采用無線電或紅外線作為傳輸媒質，采用擴展頻譜技術，移動的終端可通過無線接入點來實現(xiàn)對Internet的訪問。在無線局域網(wǎng)這個領域中有這樣兩個主要標準：IEEE802.11和HIPERLAN（High Perfomace Radio Local Area Network）。


　　IEEE對802.11的標準進行了高速擴展。高速擴展有兩個版本：一是IEEE802.11a，工作在5GHz頻段，采用OFDM調制，傳輸速率為6-54Mbit/s或11Mbit/s。


　　WLAN利用常規(guī)的局域網(wǎng)（如10/100/1000Mbit/s以太網(wǎng)）及其互連設備（路由器）構成骨干支撐網(wǎng)，利用無線接入點（AP）和無線接入服務器（WAS）來支持移動終端（MT）的移動和漫游。無線接入服務器的作用是提供無線終端的接入管理和移動性管理。在無線接入服務器管轄的范圍內（稱為服務區(qū)）可支持多個小區(qū)。無線接入點的作用是完成WLAN和LAN之間的橋接，實現(xiàn)無線空中接口協(xié)議到LAN協(xié)議的轉換，并實現(xiàn)小區(qū)的移動用戶管理。在無線接入服務器中運行移動IP服務器軟件，在移動終端上運行移動IP客戶機便可支持移動IP功能。


　　2.藍牙技術（Bluetooth）


　　藍牙技術是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍牙工作在全球通用的2.4GHz　ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙的數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s時分雙工傳輸方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其它系統(tǒng)更穩(wěn)定。前向糾錯（FEC）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。應用了二進制調頻（FM）技術的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。


　　藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的結合。在被保留的時隙中可以傳輸同步數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包以不同的頻率發(fā)送。一個數(shù)據(jù)包名義上占用一個時隙，但實際上可以被擴展到占用5個時隙。藍牙可以支持異步數(shù)據(jù)信道、多達3個的同時進行的同步話音信道，還可以用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。每個話音信道支持64kbit/s同步話音鏈路。異步信道可以支持一端最大速率為721kbit/s，而另一端速率為57.6kbit/s的不對稱連接，也可以支持4.2kbit/s的對稱連接。


　　藍牙協(xié)議體系中的協(xié)議按特別興趣組（SIG）的關注程度分為四層：


　�。�1）核心協(xié)議：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；


　�。�2）電纜替代協(xié)議：RFCOMM；


　�。�3）電話傳送控制協(xié)議：TCS Binary、AT命令集；


　�。�4）選用協(xié)議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。


　　除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。


　　3.HomeRF


　　由ITU贊助，在Compaq、Intel、Philips、HP、IBM和Microsoft等幾大公司參與下，HomeRF工作小組從一開始就定位于家庭網(wǎng)絡，致力于實現(xiàn)PC以及其它來自不同國度、不同制造商的家用電器設備之間的數(shù)字通信。它制定的共享無線接入?yún)f(xié)議SWAP（Share Wirless Access Protocol）結合了DECT和IEEE802.11的特點，提供了對語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的支持能力，非常適合家居環(huán)境中的通信。


　　HomeRF（SWAP）的數(shù)據(jù)速率為1.6Mbit/s。SWAP協(xié)議模型協(xié)議層次與OSI網(wǎng)絡模型有一定的映射關系，但不是完全一一對應。在SWAP中，MAC（介質訪問層）對應與數(shù)據(jù)鏈路層，homeRF的SWAP協(xié)議模型上的協(xié)議層則根據(jù)開展的業(yè)務不同而有所差異，它用TCP/IP承載數(shù)據(jù)業(yè)務、UDP/IP承載流業(yè)務（諸如視頻數(shù)據(jù)流等），同時為了提供高質量的語音業(yè)務，還集成了DECT協(xié)議。


　　總而言之，IEEE802.11比較適于商業(yè)環(huán)境下的無線網(wǎng)絡，藍牙技術適合于移動設備之間的互連，而HomeRF則適合家居環(huán)境中的通信。


　　移動無線接入Internet的協(xié)議


　　為推進用于開發(fā)工作在無線通信網(wǎng)絡環(huán)境的應用和服務的技術，WAP論壇推出了工業(yè)界廣泛認可的規(guī)范WAP。WAP規(guī)范是一種無線應用程序的編程模型和語言，它第一次定義了一個開放且全球統(tǒng)一的標準結構和一套用來實現(xiàn)無線Internet訪問的規(guī)范，作用是將Internet網(wǎng)的內容和數(shù)據(jù)服務引入無線移動終端，即WAP成為移動通信通向internet橋梁。WAP定義了一個分層的、可擴展的體系結構，為無線Internet提供全面的解決方案。WAP協(xié)議開發(fā)的原則之一是要獨立于空中接口，即指WAP應用能運行于各種無線承載網(wǎng)絡之上，如TDMA、CDMA、GSM、GPRS、SMS等。WAP協(xié)議包括以下幾層：


　　*無線應用環(huán)境（WAE）：基于WWW和移動電話技術結合的一種通用應用環(huán)境。其目的是建立一個可共同操作的環(huán)境，允許操作人員和服務供給者用有效的方法創(chuàng)建能達大量不同無線平臺的應用和服務。


　　*無線對話協(xié)議（WSP）：向兩個對話服務提供了有一致接口的WAP應用層。首先是在WTP辦理層上操作的連接導向服務。其次是在安全或非安全數(shù)據(jù)包服務上操作的非連接服務（WDP）。


　　*無線辦理協(xié)議（WTP）：在數(shù)據(jù)包服務頂端運行，并提供適合在“瘦”客戶（移動網(wǎng)絡站）上執(zhí)行的普通輸導向協(xié)議。WTP在安全和非安全數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡上有效地操作并提供三類事務服務（不可靠單向請求、可靠的單向請求、可靠的雙向請求應答事務）以及可選的用戶到用戶的可靠性、PDU的級聯(lián)和異步事務處理。


　　*無線傳輸層安全性（WTLS）：基于工業(yè)標準傳輸層安全協(xié)議，是為WAP傳送協(xié)議的使用而設計的，并由于低帶寬通信信道上使用而進行了優(yōu)化。WTLS提供下列特性：數(shù)據(jù)完整性、保密性、真空性。


　　*無線尋址信息協(xié)議（WDP）：WAP體系結構中的傳輸層協(xié)議作為無線尋址信息協(xié)議（WDP）被提交。WDP在支持不同網(wǎng)絡類型的載體服務的數(shù)據(jù)上運行。作為通用的傳輸服務，WDP向WAP上層協(xié)議的提供一致的服務，并在其中可用的載體服務上進行透明通信。


　　隨著社會對Internet網(wǎng)絡需求的日益增長，無線網(wǎng)絡也必將會迅速發(fā)展，而且隨著多媒體技術的發(fā)展，無線網(wǎng)絡上傳輸?shù)囊矊⑹菙?shù)據(jù)、實時語音和圖像等各類信息。


摘自《世界電信》2001.10