無線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)

摘要：

無線互聯(lián)網(wǎng)是針對日益增長的數(shù)據(jù)通信量和移動用戶數(shù)，即將發(fā)展起來的新型網(wǎng)絡和通信體制。文章就無線互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的背景和地位、發(fā)展歷程、新型技術和面臨的挑戰(zhàn)等方面作出分析。

關鍵詞：

無線接入；移動通信；無線因特網(wǎng)；高速傳輸技術

ABSTRACT:

ThewirelessInternetisanewlydevelopednewtypeofnetworkandacommunicati

onsystem.Itisdevelopedtomeettheever-increasingdatatrafficandmobilesubscribers.Thepaperanalyzesthebackgrou

ndoftheemergenceofwirelessInternet，anditsstatusanddevelopmentcourses，aswellas

thenewtechnologiesitadoptsandchallengesitfaces.

KEYWORDS:

Wirelessaccess;Mobilecommunication;WirelessInternet;High-speedtr

ansmissiontechnology

1前言

日益增長的數(shù)據(jù)通信需求促使數(shù)據(jù)通信將逐漸成為通信的主體，其中特別突出的是短消息服務，全球2000年6月一個月的短消息達80億條，1999年傳送的數(shù)據(jù)量比之前所有傳送量的總和還多。日本推出i-mode服務后，2000年底就達1700萬用戶。中國市場在移動用戶高速增長的同時，也在急劇增長。按愛立信公司的預計，2000年一個用戶日平均通信量為20分鐘，到2005年增加到600分鐘。未來通信業(yè)務將包含社交與私人通信，如語音和圖像新聞、可視電話、救援通信；授權與交易通信，如WWW信息電子商務、電子銀行、遙控等；娛樂和休閑通信，如游戲、體育、音樂等，這些都需要傳送大量的數(shù)據(jù)。

進入21世紀以來，無線移動通信、互聯(lián)網(wǎng)和個人終端的發(fā)展特別引人注目，成為風靡全球的高新技術和新興產(chǎn)業(yè)。無線移動通信可以分成移動通信和無線接入兩大方向。隨著數(shù)字移動通信的興起，無線接入的無線調(diào)制解調(diào)器也開始進入市場。隨著第2代移動通信系統(tǒng)面向第3代系統(tǒng)的發(fā)展，無線接入也由無線調(diào)制解調(diào)器、無線本地環(huán)、無線局域網(wǎng)轉向?qū)拵o線接入發(fā)展。圖1給出了它們的發(fā)展歷程和將來的演進。

正走向商用的第3代移動通信，盡管能提供高達2Mbit/s的傳輸速率，但面對將來爆炸性增長的數(shù)據(jù)通信需求還是不夠，因此要尋求更高速率的傳輸系統(tǒng)，發(fā)展后3G、4G，為此要開發(fā)更高頻段信號的應用。圖2給出了使用不同頻段與第3代系統(tǒng)使用2GHz達2Mbit/s速率的比較。從圖1和圖2看出，隨著使用頻段的提高，小區(qū)覆蓋范圍和可移動性的能力在下降，這就促使移動通信與無線接入的融合和統(tǒng)一，形成了新的亮點——無線因特網(wǎng)。

2無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢

如前所述，現(xiàn)今的無線移動通信網(wǎng)絡，是以移動通信網(wǎng)和無線接入網(wǎng)兩個方向并行發(fā)展。移動通信網(wǎng)由第2代的GSM、cdmaOne及美國的TDMA、日本的PDC為代表，傳送9.6~14.4kbit/s的數(shù)據(jù)速率，提供語音和短消息服務。正開始在市場運用的GPRS、cdma20001x，被稱為第2.5代系統(tǒng)，提供高達64kbit/s的數(shù)據(jù)通信服務。預計2003~2004年，全球?qū)⒖赡苋骈_始第3代移動通信的運營，以WCDMA、cdma20001xEV-DO和中國提出的TD－SCDMA為代表，提供384kbit/s~2Mbit/s數(shù)據(jù)速率的服務。其中美國的TDMA系統(tǒng)與GPRS技術相結合，推出的EDGE也能達到這樣的通信能力和要求。隨后將是3.5G和4G。

無線接入網(wǎng)從最早的無線調(diào)制解調(diào)器提供9.6kbit/s的無線接入能力，到無線本地環(huán)，擴大了無線調(diào)制解調(diào)器的覆蓋范圍和通信能力。而后無線局域網(wǎng)的出現(xiàn)，使計算機網(wǎng)變成可無線接入的網(wǎng)絡，使用IEEE802.11協(xié)議，使無線信道的峰值速率達到2Mbit/s。在此基礎上又提出了有更高峰值速率的IEEE802.11b標準，信道峰值速率可達11Mbit/s?，F(xiàn)在又進一步提出了可達20Mbit/s、22Mbit/s峰值速率的建議。IEEE802.11系列的另一標準建議是IEEE802.11a，工作在5GHz頻段，采用OFDM方式可在20MHz帶寬內(nèi)傳送高達54Mbit/s的峰值速率。與此相關的Hipernet2(H2)建議在支持QoS和移動性方面更為出色。另外，藍牙接入技術采用近距離、低功耗、簡捷協(xié)議和低成本，也令人注目。

無線接入網(wǎng)與移動通信網(wǎng)相比，各有優(yōu)勢和特色，也有在將來應用環(huán)境下的不足。隨著因特網(wǎng)的應用和普及，特別是其使用方便、信息量大，工作、娛樂都可用，以及低成本等特點，使得因特網(wǎng)在發(fā)揮越來越大的功效和能力，特別被看好。因此，基于TCP/IP協(xié)議的通信網(wǎng)作為核心網(wǎng)，為今后接入網(wǎng)和移動網(wǎng)合二為一，提供了極好的前景。歐洲各國和幾家大企業(yè)在論述后3G的網(wǎng)絡拓撲時，提出了一種融合接入和移動，稱為“始終最好接入”的ABC(AlwaysBestConnected)網(wǎng)絡概念，如圖3所示。將來的無線網(wǎng)絡應是個人網(wǎng)(PersonalAreaNetwork)、室內(nèi)網(wǎng)(IndoorNetwork)和移動網(wǎng)(MobileNetwork)的結合。個人網(wǎng)可能選用藍牙技術，也可選用其他接入技術，以手機為中心，把個人周邊的機器設備連成一體。當需要高速傳輸數(shù)據(jù)時，特別是個人終端在高速通信時，使用IEEE802.11或Hipernet2建議，進入室內(nèi)網(wǎng)，與因特網(wǎng)或其他數(shù)據(jù)網(wǎng)相聯(lián)；當要高速移動和頻繁切換時，使用3G或3.5G標準的移動網(wǎng)，這樣可實現(xiàn)最好接入。無論是個人網(wǎng)還是室內(nèi)網(wǎng)，都是基于TCP/IP協(xié)議的因特網(wǎng)。而將來的移動網(wǎng)，無論是3G還是3.5G、4G，其核心網(wǎng)也將是因特網(wǎng)。因此，從廣義上說，將來的無線移動通信網(wǎng)絡就是無線因特網(wǎng)。

3無線因特網(wǎng)技術

無線因特網(wǎng)是無線接入的因特網(wǎng)。它的優(yōu)勢和特色體現(xiàn)在：能傳送不同業(yè)務要求的高速數(shù)據(jù)，能方便就近接入因特網(wǎng)，能支持用戶漫游和移動等功能就特別重要。

能實現(xiàn)峰值速率達54Mbit/s的IEEE802.11a協(xié)議，在5GHz頻段采用OFDM調(diào)制技術，在20MHz帶寬傳送52個正交載波。每個載波為300kHz帶寬，采用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM調(diào)制，以及1/2或3/4糾錯碼，能夠提供125kbit/s~1.5Mbit/s的傳輸速率。最近，美國提出可按通信對象和業(yè)務需求的OFDM動態(tài)分組正交傳輸方法，例如，對語音(也即VoIP)僅使用一個載波，PDA數(shù)據(jù)使用2個載波，如表1所示。這樣，發(fā)射信號功率可以大為降低，接收方也能簡化，不同的個人終端可以采用不同的接收方法。但是，這項技術面臨著明顯的制約和挑戰(zhàn)：首先是載波的正交性控制，實現(xiàn)每個載波的300kHz帶寬的分離，也就是實現(xiàn)正交載波同步；相伴隨的是定時控制，使接收端能獲得進行FFT處理的正確時刻。這兩個問題對OFDM接收特別敏感，通常采用專門的訓練序列來實現(xiàn)。IEEE802.11a給出800ns的訓練序列，在室內(nèi)環(huán)境(小于30m)能達到要求。如果有更大的覆蓋范圍，就要調(diào)整發(fā)射點的定時。另外，功率控制也極為重要，輸出信號峰值功率與OFDM使用的載波數(shù)成正比。大的峰值功率會出現(xiàn)明顯的非線性，通常采用幅度限制和編碼方法來改善，但幅度限制會增加噪聲，編碼處理會增加冗余。

移動通信的高速傳輸技術，主要是面向后3G的WCDMA的下行高速傳輸技術和cdma20001xEV-DO技術。WCDMA采用自適應(可變)調(diào)制方法，從QPSK到64-QAM，使下行峰值速率提高到8~10Mbit/s，頻帶利用率比3GWCDMA提高3~4倍，被認為是3.5G系統(tǒng)的傳輸技術。cdma20001xEV-DC建議，也是采用QAM調(diào)制，可在1.25MHz帶寬的下行信道傳送2.5Mbit/s的數(shù)據(jù)。這些建議能實現(xiàn)高速傳輸，但都是在近距離小范圍有效，適合于高速無線接入應用。

因特網(wǎng)接入技術對有線網(wǎng)絡是比較成熟的，但對于無線網(wǎng)絡，還需要努力研究。WAP協(xié)議是一種無線接入?yún)f(xié)議，由客戶接入、WAP網(wǎng)關、WAP服務器等軟件模塊組成，實現(xiàn)移動用戶接入因特網(wǎng)。不過，這種協(xié)議是以低速率移動系統(tǒng)為背景，依賴于現(xiàn)有移動系統(tǒng)，如無線LAN、GPRS。GPRS是在GSM系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，采用信包交換的通用無線服務系統(tǒng)，為接入因特網(wǎng)，在GSM上增加了GPRS節(jié)點服務器(SGSN)和GPRS節(jié)點網(wǎng)關(GGSN)，利用多時隙傳輸，最高可達172kbit/s速率。但是，系統(tǒng)結構、基本交換方式并沒有根本性變革，而是越來越復雜。無線因特網(wǎng)要體現(xiàn)因特網(wǎng)結構簡捷、使用方便、成本低廉的優(yōu)勢，有必要尋求更好的無線接入技術，以和現(xiàn)行不同網(wǎng)絡彼此接入。

中國科技大學個人通信與擴頻實驗室為發(fā)展新型無線因特網(wǎng)接入技術，提出了一種WCDMA系統(tǒng)的NodeB（節(jié)點B）直接接入IP網(wǎng)的方法和接入?yún)f(xié)議信令結構，見圖4。

這一方法把TCP/IP協(xié)議直接用到NodeB，使移動通信網(wǎng)大大簡化。最近，日本在研究后3G技術中，在我們上述方法的基礎上，提出了分布式基站系統(tǒng)方式，幾個基站作為一個基站群，建在TCP/IP協(xié)議的本地網(wǎng)(本地因特網(wǎng))上，構成一個基站系統(tǒng)。該系統(tǒng)的任一基站或指定基站都可作為網(wǎng)關，直接聯(lián)到核心網(wǎng)(也就是因特網(wǎng))上。有關移動通信的第1、2層信令大多在本地因特網(wǎng)上，與核心網(wǎng)交互的基本上是第3層信令。這樣，可極大減少進入核心網(wǎng)的信令流量，從而簡化協(xié)議。另外，NodeB的分布和多少不太受現(xiàn)有移動網(wǎng)結構限制，大小區(qū)覆蓋，哪兒都可以接入，使得建網(wǎng)方便靈活。芬蘭諾基亞公司提出了一種移動運營商經(jīng)營無線接入網(wǎng)絡的網(wǎng)絡接入方法。無線接入網(wǎng)結構由終端、無線接入點、接入控制器和鑒權服務器構成，相當于GPRS的手機、基站、GGSN和CGSN。其中，接入控制器與鑒權服務器都與因特網(wǎng)相連，作為運營商的IP核心網(wǎng)，而鑒權服務器又是連在運營商的移動核心網(wǎng)上的。為實現(xiàn)因特網(wǎng)上的接入控制器與移動網(wǎng)上的鑒權服務器相連，又提出了遙控用戶鑒權服務(RADIUS)接口協(xié)議。這種方法使現(xiàn)有移動運營商同時經(jīng)營無線接入網(wǎng)成為可能，移動網(wǎng)保持固有結構，無線接入網(wǎng)改為本地無線因特網(wǎng)進入移動通信網(wǎng)。

現(xiàn)在的無線接入網(wǎng)都是本地接入網(wǎng)，用戶不具有漫游和越區(qū)切換等能力。而將來的無線因特網(wǎng)，既是接入網(wǎng)又是移動網(wǎng)，必須具有用戶漫游和越區(qū)切換功能。利用因特網(wǎng)支持用戶位置管理和移動管理的是移動IP技術，利用移動節(jié)點、本地代理、外地代理構成的移動IP協(xié)議，可以實現(xiàn)一個IP地址在因特網(wǎng)上的漫游。而移動用戶的越區(qū)切換較難實現(xiàn)。美國最近提出了基于CDMA系統(tǒng)IP基站和全IP無線網(wǎng)絡的軟切換方法，試圖在使用分組交換的條件下，實現(xiàn)一個用戶的IP業(yè)務以多個路徑分發(fā)給多個基站，使不同基站同時發(fā)往移動用戶的數(shù)據(jù)是相同的，至少可合并成一個信息。這種能力對電路交換不太困難，但對分組交換的確是挑戰(zhàn)。為此，他們提出了一個新定義：影子地址(Shadowaddress)。為使因特網(wǎng)的用戶能通過基站呼叫移動終端，在IP網(wǎng)上分配一個或幾個影子地址給基站，作為該基站覆蓋范圍內(nèi)進行越區(qū)切換的移動終端的臨時地址?；静扇》峙浞绞?靜態(tài)分配或動態(tài)分配)，一個影子地址可供多個終端使用。這樣每個基站會有一個影子地址列表，網(wǎng)上用戶要呼叫移動終端，首先要從列表中找到它的影子地址發(fā)出請求，得到基站響應后就可發(fā)送信息。如果該影子地址被鄰近幾個基站響應，那就向幾個基站發(fā)送信息，能可靠實現(xiàn)軟切換。

4結束語

移動通信用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務量的高速增長是對無線移動通信的極大挑戰(zhàn)。一味采取現(xiàn)有移動通信網(wǎng)蜂窩區(qū)域變小的方法來增加容量，會使網(wǎng)絡成本大幅上升。因此，采用簡單、方便、低廉的因特網(wǎng)作為核心網(wǎng)，是接入網(wǎng)的必由之路，無線因特網(wǎng)將大有前途。

從通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡的發(fā)展看，有前景、有技術并不能保證很快普及應用，業(yè)務類型和服務對象也是重要因素。無線局域網(wǎng)發(fā)展多年而沒有形成極大市場，沒有輕小終端和移動能力是其重要原因。因此，無線因特網(wǎng)的發(fā)展，要從技術發(fā)展和業(yè)務應用兩方面著手，使終端便攜，可移動，提供有價值的業(yè)務，上網(wǎng)快，使用簡便，高速、高質(zhì)量，界面活潑，價格低，才會帶來無線移動因特網(wǎng)的新飛躍，開創(chuàng)無線因特網(wǎng)的新時代?！?/p>

參考文獻

1JamalipourA，TekinayS.FourthGenerationWirelessNetworksandInterconne

ctingStandards.IEEEPersonalCommunications，2001，8(5):8—9

2OtsuT，OkajimaI，UmedaN，etal.NetworkArchitectureforMobileCommunicati

onsSystemsBeyondIMT-2000.IEEEPersonalCommunications，2001，8(5):31—

38

3HeegardC，CoffeyJT，GummadiS，etal.High-PerformanceWirelessEthernet.I

EEECommunications，2001，39(11):64—73

4FrodighM，ParkvallS，RoobolC，etal.Future-GenerationWirelessNetworks.

IEEEPersonalCommunications，2001，8(5):10—18

5McFarlandB，ChessonG，TemmeC，etal.The5-UPProtocolforUnifiedMultiserv

iceWirelessNetworks.IEEECommunications，2001，39(11):74—81

6ZhangT，AgrawalP，ChenJC.IP-BasedBaseStationsandSoftHandoffinAll-IPW

irelessNetworks.IEEEPersonalCommunications，2001，8(5):24—31

(收稿日期：2001-12-17)

作者簡介

朱近康，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授，博士生導師，校學術委員會副主任，個人通信與擴頻實驗室主任，1996年～2001年為國家“863”計劃通信主題專家組成員、個人通信專家組組長。1992年起享受國務院的政府特殊津貼。曾獲國家高技術研究成果（個人）二等獎、國家高技術“863”計劃研究突出成果獎等多項獎項。研究方向為個人通信與移動通信，CDMA與擴頻通信，無線通信網(wǎng)及通信信號處理。