無線ＡＴＭ

張　良　文　峰

異步傳送模式(ATM)是一種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。其特點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)復(fù)用、信元長度固定、虛通道(VP)與虛通路(VC)交換、帶寬的動(dòng)態(tài)分配、能綜合多種業(yè)務(wù)。人們相信ATM將成為未來寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B－ISDN)的標(biāo)準(zhǔn)。從業(yè)務(wù)的角度來看，ATM在一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)提供數(shù)據(jù)和多媒體信息，并且能夠適應(yīng)從骨干網(wǎng)到企業(yè)網(wǎng)的不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。

無線個(gè)人通信網(wǎng)(PCN)在20世紀(jì)90年代得到了飛速的發(fā)展，目前，移動(dòng)掌上設(shè)備，包括電話和尋呼機(jī)等已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用。然而，由于受到帶寬和業(yè)務(wù)質(zhì)量(QOS)等的限制，這些設(shè)備無法滿足日益發(fā)展的多媒體業(yè)務(wù)。

由于ATM在有線網(wǎng)絡(luò)上的成功應(yīng)用，無線ATM(WATM)就成了下一個(gè)目標(biāo)。WATM可以被認(rèn)為是下一代個(gè)人通信網(wǎng)的解決方案，或者是B－ISDN網(wǎng)絡(luò)的無線擴(kuò)展，最終能夠支持在無線網(wǎng)絡(luò)上的綜合業(yè)務(wù)傳輸，包括數(shù)據(jù)，話音，視頻等，以及提供對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量的支持。

WATM的總目標(biāo)是設(shè)計(jì)整體的無線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，以相對(duì)透明的、無縫的、有效的方式，提供基于光纖的ATM網(wǎng)的無線業(yè)務(wù)延伸，可以同時(shí)滿足人們對(duì)于多媒體和移動(dòng)性的業(yè)務(wù)需求。WATM的結(jié)構(gòu)和協(xié)議目前尚未有制定的標(biāo)準(zhǔn)。目前，ATM論壇正在制定WATM系統(tǒng)的基線標(biāo)準(zhǔn)，致力于制定ATM網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性控制和ATM向移動(dòng)設(shè)備的無線擴(kuò)展等方面的標(biāo)準(zhǔn)制定。

1 無線ATM網(wǎng)絡(luò)參考模型

無線ATM網(wǎng)絡(luò)的參考模型如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)有線ATM網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)無線接入部分組成。在有線ATM網(wǎng)絡(luò)中，ATM交換機(jī)在移動(dòng)性功能上得到了增強(qiáng)，與無線基站和無線終端用戶設(shè)備直接通信。交換機(jī)在無線設(shè)備之間起到了接入服務(wù)器的作用。有線ATM網(wǎng)絡(luò)中的其余交換節(jié)點(diǎn)則保持不變。

根據(jù)無線應(yīng)用的不同，無線接入有幾種不同的解決方案。

(1)固定無線終端

在固定的無線局域網(wǎng)，或者通過衛(wèi)星和微波連接的網(wǎng)絡(luò)中，終端用戶設(shè)備和交換設(shè)備保持固定，通過無線信道彼此建立連接。在這類應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸雖然是無線的，但是不存在移動(dòng)性。用戶設(shè)備不用四處漫游，因此，不存在切換，位置管理，路由等的設(shè)計(jì)問題。

(2)移動(dòng)終端用戶

在數(shù)字蜂窩、PCS以及無線局域網(wǎng)中，終端用戶設(shè)備可以移動(dòng)，通過無線信道與固定網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備相連。為了支持ATM連接，終端用戶需要配備無線終端適配卡，用于同固定交換網(wǎng)中的無線接入點(diǎn)保持通信。

(3)帶固定終端用戶的移動(dòng)交換

設(shè)備

終端用戶設(shè)備通過有線或無線信道連接到交換機(jī)上，終端設(shè)備和交換機(jī)一起作為一個(gè)整體移動(dòng)。一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)上可以有多個(gè)終端用戶設(shè)備，一個(gè)終端用戶設(shè)備只掛在一個(gè)交換機(jī)上，而不在不同的交換機(jī)之間漫游。交換機(jī)通過無線信道，負(fù)責(zé)建立與固定網(wǎng)的連接。在這種情況下，移動(dòng)交換機(jī)和帶有移動(dòng)功能的ATM交換節(jié)點(diǎn)都需要無線終端適配器。

(4)帶移動(dòng)終端用戶的移動(dòng)交換

設(shè)備

這種情況下，終端用戶設(shè)備和交換機(jī)都是可移動(dòng)的。當(dāng)終端用戶需要建立一個(gè)連接時(shí)，首先與一個(gè)移動(dòng)交換機(jī)建立一個(gè)連接，移動(dòng)交換機(jī)然后再直接或通過其他的移動(dòng)交換機(jī)與固定網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)建立一個(gè)連接，要支持移動(dòng)性，同樣需要無線終端適配器和無線接入點(diǎn)。

(5)與PCS互聯(lián)

PCS網(wǎng)絡(luò)中的用戶是PCS終端。PCS終端通過無線鏈路向PCS基站發(fā)送數(shù)據(jù)，PCS基站通過基站控制器向固定網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)建立連接?；究刂破髯鳛橐粋€(gè)邏輯單元，起到了ATM到PCS轉(zhuǎn)換器的作用。

(6)無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)

一個(gè)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)終端的一個(gè)集合，其中不需要集中的接入點(diǎn)。在這種應(yīng)用中，無線ATM網(wǎng)絡(luò)需要有自配置功能。一個(gè)終端用戶可以直接和支持移動(dòng)功能的ATM交換節(jié)點(diǎn)通信，也可以通過一個(gè)中央控制器進(jìn)行。

2 無線ATM協(xié)議

2.1 無線ATM協(xié)議結(jié)構(gòu)

WATM采用ATM來提供數(shù)據(jù)傳送業(yè)務(wù)，因此其結(jié)構(gòu)也是基于ATM協(xié)議棧之上。為了支持移動(dòng)性，WATM在原來的ATM協(xié)議棧基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的擴(kuò)展。通過標(biāo)準(zhǔn)的ATM信令功能，WATM網(wǎng)絡(luò)在端到端的基礎(chǔ)上支持保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的ATM虛電路和終端的移動(dòng)性相關(guān)的功能，比如切換和位置管理，則通過在交換機(jī)和無線端口(基站)側(cè)增加擴(kuò)展的協(xié)議來完成，如圖2所示。這樣，無線ATM網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議可以分成以下兩個(gè)大類：和無線鏈路相關(guān)的無線接入層協(xié)議；和無線鏈路無關(guān)，而用于移動(dòng)性控制的移動(dòng)ATM協(xié)議。

根據(jù)ATM論壇，WATM的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，無線接入層協(xié)議負(fù)責(zé)無線ATM接入的無線鏈路協(xié)議，包括物理層

(PHY)、介質(zhì)訪問控制層(MAC)、數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)以及無線控制層(RC)。移動(dòng)ATM主要處理用于支持移動(dòng)性的上層信令功能，包括切換、位置管理、路由、編址以及流量控制等。

2.2 無線接入層

為了支持無線通信，在ATM層的下面必須增加與無線信道相關(guān)的物理層、介質(zhì)訪問控制層和數(shù)據(jù)鏈路控制層，這些協(xié)議在WATM網(wǎng)絡(luò)中被統(tǒng)稱為無線接入層。

(1)物理層

一個(gè)固定基站可擁有從25 Mbit/s到155 Mbit/s速率的ATM鏈路，在無線環(huán)境中，目前還難以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)鏈路。通過先進(jìn)的調(diào)制和編碼技術(shù)，目前，人們正在考慮在5GHz的頻段提供25 Mbit/s的信道。同時(shí)，人們相信在不久的將來，可以在60GHz的頻段提供622 Mbit/s的信道。在這種情況下提出了兩個(gè)不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)針對(duì)5GHz頻段，另一個(gè)則針對(duì)60GHz頻段。物理層的部分指標(biāo)要求如表1所示。

(2)介質(zhì)訪問控制

WATM MAC協(xié)議用于控制不同用戶對(duì)共享無線信道的訪問。這些用戶包括小區(qū)內(nèi)活動(dòng)的、從別的小區(qū)切換進(jìn)來的以及小區(qū)中正在試圖接入的用戶。

對(duì)于無線ATM，MAC協(xié)議必須能夠提供在已有ATM協(xié)議中定義的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)，包括CBR、VBR、ABR和UBR。因此，MAC必須將有線ATM中的統(tǒng)計(jì)復(fù)用擴(kuò)展到無線環(huán)境中，同時(shí)支持移動(dòng)性和維持業(yè)務(wù)質(zhì)量。

根據(jù)帶寬分配機(jī)制(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))和控制策略的不同，MAC方案可以分成以下3個(gè)主要類別：

固定分配

寬帶環(huán)境中的主要業(yè)務(wù)為VBR業(yè)務(wù)。由于對(duì)無線信道的頻譜利用率較低，頻分復(fù)用(FDMA)和時(shí)分復(fù)用(TDMA)不適合這種綜合性的無線網(wǎng)絡(luò)。碼分復(fù)用(CDMA)有一些突出的優(yōu)點(diǎn)，比如信道訪問延遲小，帶寬利用率高，統(tǒng)計(jì)復(fù)用效果好。但是，CDMA受到傳輸速率，功率控制，以及基站復(fù)雜等的限制，尤其是傳輸速率的限制，使得CDMA也不適合綜合無線網(wǎng)絡(luò)。

隨機(jī)分配

由于需要解決碰撞問題而造成的大延遲使隨機(jī)分配也不適合綜合無線網(wǎng)絡(luò)。雖然CSMA/CD在有線網(wǎng)絡(luò)中提供非常高的吞吐量，在無線環(huán)境中卻受到無法監(jiān)聽遠(yuǎn)端載波的限制。

按需分配

這種方案通過要求用戶預(yù)留通信帶寬來獲取高速信道。信道容量的其中一部分被預(yù)留子信道使用。用戶根據(jù)多用戶訪問協(xié)議來訪問預(yù)留子信道，協(xié)議一般為TDMA或者分片ALOHA。為了獲取信道，用戶需要發(fā)送短的預(yù)留包，這種包的長度越短，預(yù)留子信道的帶寬需求就越小。用戶在獲得信道后，就可以無碰撞地發(fā)送數(shù)據(jù)包。碰撞只會(huì)在預(yù)留子信道上發(fā)生。用戶必須等待預(yù)留請(qǐng)求被接受。預(yù)留以及傳送時(shí)間的控制可以是集中控制，也可以是分布式控制。

集中控制的一個(gè)例子是輪詢，中央控制器分配給每個(gè)用戶一個(gè)傳輸優(yōu)先級(jí)。然而，這種操作的可靠性依賴于中央控制器。當(dāng)使用分布式控制時(shí)，用戶完全依靠其他用戶的信息來作出判斷。廣播信道向全體用戶提供連接，用戶監(jiān)聽預(yù)留包，并使用同一個(gè)分布式調(diào)度算法。請(qǐng)求可以基于碰撞策略，也可以基于固定分配算法。

MAC層的另一個(gè)功能是支持多物理層。當(dāng)前，人們對(duì)不同的無線帶寬感興趣，包括紅外媒介，5GHz無線頻段和60GHz無線頻段。不同的物理層需要不同的介質(zhì)，WATM的MAC應(yīng)該支持所有這些介質(zhì)。

(3)數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路控制層用于在ATM信元被送到ATM層之前，減少無線信道誤碼的影響。由于端到端的ATM性能受信元丟失率影響，因此，在WATM的無線接入部分，必須有可靠的錯(cuò)誤控制過程。這些過程可以包括錯(cuò)誤檢測(cè)/重傳協(xié)議、前向錯(cuò)誤糾正方法(可以為不同的ATM業(yè)務(wù)種類定制)。無線ATM需要特別考慮的是對(duì)需要保證業(yè)務(wù)質(zhì)量的VBR和CBR業(yè)務(wù)的低時(shí)延抖動(dòng)要求，因此可能需要新的有時(shí)間限制的重傳控制流程。

對(duì)于ABR業(yè)務(wù)，DLC協(xié)議可以采用傳統(tǒng)的自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)流程，不受時(shí)間限制；對(duì)于CBR和VBR業(yè)務(wù)，DLC協(xié)議在一個(gè)有限的緩存間隔內(nèi)操作，由應(yīng)用程序在VC建立時(shí)設(shè)置。這種情況下，由于CBR和VBR的分配是周期性進(jìn)行的，在MAC層必須作額外的ABR分配以支持重傳的信元。

(4)無線控制

無線控制子層用于在無線接入層支持控制面的功能，以及與ATM網(wǎng)絡(luò)的融合。這些功能包括無線資源管理，物理層、MAC層和DLC層的管理功能。另外無線控制子層也包括用于完成無線鏈路和傳統(tǒng)ATM信令/控制層之間的控制通道的元信令。

無線控制層的主要功能包括終端移動(dòng)、切換控制，以及無線資源管理功能。當(dāng)前正在考慮的功能還包括終端的鑒權(quán)/登記、功率測(cè)量/控制、切換指示/開始/完成、數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)傳遞，以及斷鏈處理、連接狀態(tài)(包括DLC緩存區(qū)，MAC狀態(tài)等)從一個(gè)無線端口向另一個(gè)無線端口的傳遞，以保證平滑的切換和最小的信元丟失。

2.3 移動(dòng)ATM

移動(dòng)ATM指在一個(gè)固定ATM網(wǎng)絡(luò)中為支持終端的移動(dòng)性而增加的功能。移動(dòng)ATM的主要功能包括位置管理，即將用戶名映射到當(dāng)前位置上，以及切換控制，在終端移動(dòng)時(shí)對(duì)VC進(jìn)行動(dòng)態(tài)重選路由。移動(dòng)ATM與使用的無線接入技術(shù)無關(guān)，這意味著除了通過上面所說的WATM無線接入層支持端到端的無線ATM業(yè)務(wù)以外，移動(dòng)ATM還用于向已有的PCS、蜂窩電話和無線局域網(wǎng)應(yīng)用提供互聯(lián)支持。

為了支持移動(dòng)性，必須增加新的高層控制功能以處理切換、位置管理、路由、編址和流量管理，這些功能統(tǒng)稱為移動(dòng)ATM。

(1)切換

當(dāng)一個(gè)移動(dòng)終端在連接進(jìn)行中從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)時(shí)，連接的持續(xù)性和質(zhì)量必須得到保證。骨干網(wǎng)將接入點(diǎn)從上一個(gè)基站切換到當(dāng)前服務(wù)移動(dòng)終端的基站。由于終端的移動(dòng)而對(duì)一個(gè)再現(xiàn)連接控制的轉(zhuǎn)移被稱為切換控制。WATM網(wǎng)絡(luò)的切換管理對(duì)目前的ATM協(xié)議提出了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。ATM是一個(gè)面向連接的技術(shù)，在傳送數(shù)據(jù)之前必須建立一個(gè)連接。連接一旦建立，在數(shù)據(jù)傳送完成之前路由保持不變。然而，WATM環(huán)境中終端的位置經(jīng)常移動(dòng)。當(dāng)一個(gè)無線終端與基站之間的無線鏈路質(zhì)量下降時(shí)，必須找到具有可接受質(zhì)量的基站，同時(shí)激活固定網(wǎng)和無線網(wǎng)的控制功能。在骨干網(wǎng)中，切換功能要求建立一條新的路由，將活動(dòng)的VC從舊的數(shù)據(jù)路徑有效地轉(zhuǎn)移到新的數(shù)據(jù)路徑上，在無線終端和新的基站之間傳送數(shù)據(jù)包。

(2)位置管理

在一個(gè)移動(dòng)ATM用戶終端和一個(gè)ATM用戶終端之間需要建立一個(gè)連接時(shí)，首先需要找到該移動(dòng)ATM端點(diǎn)。位置管理是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持終端移動(dòng)的基本要求。這個(gè)功能在端到端的無線ATM中(其中移動(dòng)終端有一個(gè)ATM地址)和PCS/蜂窩電話/WLAN骨干網(wǎng)中(其中移動(dòng)終端有一個(gè)合法的電話號(hào)碼、IP地址，或者M(jìn)AC地址)都需要。位置管理在一個(gè)唯一的移動(dòng)設(shè)備名和路由標(biāo)識(shí)之間提供一個(gè)映射，其中路由標(biāo)識(shí)用于找到設(shè)備所附著的端點(diǎn)。在全ATM情況下，映射到移動(dòng)端點(diǎn)；在PCS/蜂窩電話/WLAN情況下，映射到移動(dòng)用戶所關(guān)聯(lián)的ATM無線端口。

有兩種基本的位置管理方案：移動(dòng)PNNI方案和位置登記方案。

在移動(dòng)PNNI方案中，當(dāng)用戶移動(dòng)時(shí)，該用戶的位置更新信息只在有限區(qū)域的節(jié)點(diǎn)之間傳播，該區(qū)域內(nèi)的交換節(jié)點(diǎn)擁有該移動(dòng)用戶的可達(dá)信息。當(dāng)區(qū)域中的交換節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)呼叫時(shí)，可以使用位置信息直接建立連接。如果呼叫由該區(qū)域外的交換節(jié)點(diǎn)發(fā)起，則先在交換節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)用戶的歸屬代理(Home Agent)之間建立一個(gè)連接，然后再將信元前傳到移動(dòng)用戶上。這種方法能夠減少信令消息的數(shù)目，從而減少了呼叫建立延時(shí)。

位置登記方案借用GSM，IS－41中使用的“歸屬位置/拜訪位置”的概念，連接建立之前需要訪問歸屬位置寄存器，進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的搜索。位置寄存器可以采用分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(3)路由

由于移動(dòng)ATM的移動(dòng)性特征，路由信令與有線ATM網(wǎng)絡(luò)稍有不同。首先，必須將移動(dòng)終端的標(biāo)識(shí)映射到網(wǎng)絡(luò)的路徑上去。其次，當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)，需要重新選路以重新建立連接。

(4)編址

WATM的編址主要涉及到移動(dòng)終端(或者移動(dòng)用戶設(shè)備)的編址，目前的解決方案是為每個(gè)移動(dòng)終端分配一個(gè)名字和本地地址。移動(dòng)終端的名字是一個(gè)常規(guī)的ATM終端系統(tǒng)地址，它在終端移動(dòng)時(shí)保持不變。當(dāng)終端上電時(shí)，名字通過相連的交換節(jié)點(diǎn)向其他交換節(jié)點(diǎn)廣播。移動(dòng)終端在漫游中連到另一個(gè)交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，由該交換節(jié)點(diǎn)為終端分配一個(gè)本地有效的臨時(shí)地址。為了將終端的名字與臨時(shí)地址關(guān)聯(lián)起來，必須執(zhí)行相應(yīng)的映射操作。

(5)流量和業(yè)務(wù)質(zhì)量控制

當(dāng)切換進(jìn)行時(shí)，當(dāng)前的業(yè)務(wù)質(zhì)量參數(shù)可能不能被新的數(shù)據(jù)路徑所支持。這種情況下，必須能夠協(xié)調(diào)設(shè)置新的業(yè)務(wù)質(zhì)量。由于一個(gè)移動(dòng)用戶可能在多個(gè)業(yè)務(wù)接入點(diǎn)的范圍之內(nèi)，因此可以選擇能提供最好業(yè)務(wù)質(zhì)量的接入點(diǎn)。

在切換過程中，舊路徑被釋放，新路徑被重新建立，其間可能有一些信元會(huì)丟失。對(duì)信元作緩存可以保證信元不丟失，同時(shí)保證信元的次序。

信元緩存包括上行緩存和下行緩存。如果在移動(dòng)用戶向業(yè)務(wù)接入點(diǎn)發(fā)送信元時(shí)VC斷開，移動(dòng)用戶就使用上行緩存來存儲(chǔ)所有需要發(fā)送的信元。下行緩存由業(yè)務(wù)接入點(diǎn)執(zhí)行，以避免鏈路中斷或擁塞時(shí)的信元丟失。

(6)無線網(wǎng)絡(luò)管理

無線網(wǎng)絡(luò)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)時(shí)改變，這一點(diǎn)與其他的移動(dòng)性特征一樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理提出了新的要求。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性必須加以著重考慮。網(wǎng)管還包括網(wǎng)絡(luò)和用戶配置，故障識(shí)別和隔離，以及性能管理等。

3 結(jié)束語

當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)利用ATM來傳送高速數(shù)據(jù)，從而向B－ISDN邁進(jìn)時(shí)，無線個(gè)人通信網(wǎng)也同樣希望有類似的發(fā)展。人們企盼著不久的將來可移動(dòng)終端設(shè)備有著寬廣的業(yè)務(wù)應(yīng)用，業(yè)務(wù)質(zhì)量能夠與現(xiàn)在的固定網(wǎng)絡(luò)媲美。無線ATM綜合了ATM和無線通信的技術(shù)，得到了包括中興通訊在內(nèi)的知名廠商的研究和關(guān)注，最終將把無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶入一個(gè)新的時(shí)代?！?收稿日期：2001－03－13)

作者簡(jiǎn)介

張良，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部上海第二研究所工程師，博士。主要從事寬帶網(wǎng)絡(luò)和第3代移動(dòng)通信的研究和開發(fā)。

文峰，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部上海第二研究所工程師。從事移動(dòng)通信系統(tǒng)的硬件開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。