寬帶無線ＩＰ技術(shù)與系統(tǒng)

摘要：

文章列述了寬帶無線IP技術(shù)發(fā)展的概況，介紹了中國寬帶無線IP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的工作，最后以寬帶IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為例說明了這一技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：

移動(dòng)IP；無線局域網(wǎng)；寬帶無線傳輸；標(biāo)準(zhǔn)化

ABSTRACT:

ThedevelopmentsofbroadbandwirelessIPtechnologiesareoutlinedinthepap

er.Thestandardizationo

fbroadbandwirelessIPtechnologiesinChinaisintr

oduced.Theprototypesystemofbroadbandwireless

IPtechnologiesispresent

edtodescribetheirapplications.

KEYWORDS:

MobileIP;WLAN;Broadbandwirelesstransmission;Standardization

移動(dòng)通信和Internet的飛速發(fā)展，帶來了在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以享用Internet業(yè)務(wù)的需求。椐據(jù)UKARCGroup預(yù)測(cè)，無線Internet業(yè)務(wù)的用戶到2004年將達(dá)到7.5億戶，Internet用戶總數(shù)將達(dá)到10億戶。無線Internet的用戶將占Internet用戶數(shù)的大部分。因此探索新一代(或?qū)拵?無線(移動(dòng))通信和Internet的有機(jī)結(jié)合是當(dāng)前國際上的研究熱點(diǎn)。

目前，在這一領(lǐng)域有兩種發(fā)展方向：一是以現(xiàn)有的2.5代(如GPRS、EDGE)或3代（如WCDMA、TD-SCDMA)的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)向全I(xiàn)P網(wǎng)過渡，推動(dòng)第3代移動(dòng)通信進(jìn)行全I(xiàn)P化的組織為3GIP；二是WLAN(如IEEE802.11b)+Internet構(gòu)成全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)，或是以新的空中接口（如TD-LAS)+Internet構(gòu)成全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。目前，在空中接口方面出現(xiàn)了WLAN和3G標(biāo)準(zhǔn)組合或融合的趨勢(shì)。

移動(dòng)無線Internet論壇（MWIF)致力于推出一個(gè)開放的移動(dòng)無線Internet結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)和Internet業(yè)務(wù)的“無縫”集成。該結(jié)構(gòu)與接入技術(shù)無關(guān)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和Internet業(yè)務(wù)提供商的要求。該論壇的一個(gè)重要目的就是要影響其他標(biāo)準(zhǔn)化的組織：3GPP、3GPP2、IETF。

1寬帶傳輸標(biāo)準(zhǔn)

3G室內(nèi)環(huán)境最高的傳輸速率只為2Mbit/s，而在寬帶無線IP系統(tǒng)中，近期內(nèi)將能提供10～20Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，遠(yuǎn)期還將提供20～50Mbit/s（最高能達(dá)150Mbit/s)的數(shù)據(jù)速率。

IEEE無線局域網(wǎng)(WLAN)的基本標(biāo)準(zhǔn)是1997年10月批準(zhǔn)的IEEE802.11。其工作頻率為2.4GHz，基本數(shù)據(jù)速率為1Mbit/s和2Mbit/s，采用跳頻(FH)和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)。

1999年秋天，IEEE批準(zhǔn)的IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)[1]，是與DSSS后向兼容的標(biāo)準(zhǔn)，采用兩種編碼方式與BPSK/QPSK相結(jié)合的方法，增加了兩個(gè)新的傳輸速率5.5Mbit/s和11Mbit/s；基本的(Mandatory)編碼方式是

CCK(ComplementaryCodingKeying)，可選的編碼方式是

PBCC(PacketBinaryConvolutionalCoding)。目前，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)工作組的任務(wù)小組G正在考慮傳輸速率大于20Mbit/s的新標(biāo)準(zhǔn)。而Alantro/TI的建議IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)，采取PBCC和8-PSK相結(jié)合，增加了22Mbit/s的傳輸速率。

對(duì)IEEE802.11的另一個(gè)擴(kuò)展是IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)。它工作在5GHz的頻段，采用52子載波的OFDM方式，在20MHz的帶寬內(nèi)可傳輸6、9、12、24、36、48、54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，其編碼速率為1/2、2/3和3/4，調(diào)制方式為BPSK/QPSK、16/64-QAM。Atheros通信公司還提出了對(duì)IEEE802.11a擴(kuò)展的方案，稱為5-UPTM協(xié)議[2]。在該協(xié)議中不同業(yè)務(wù)使用不同數(shù)量的子載波數(shù)來支持多種業(yè)務(wù)。

超寬帶(UWB)通信方式目前受到了廣泛的重視。它利用極窄的脈沖在近距離實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。例如：TimeDomain公司實(shí)現(xiàn)了在中心頻率為2.0GHz傳輸5Mbit/s的數(shù)據(jù)鏈路。MultispectalSolution研究所(MSSI)實(shí)現(xiàn)了25Mbit/s的高速UWB通信。

2Adhoc網(wǎng)

在傳統(tǒng)的移動(dòng)無線Internet接入方式中，通常是以寬帶有線接入網(wǎng)為支撐，無線用戶只通過一跳(不需要在無線網(wǎng)中多次轉(zhuǎn)接)就可以進(jìn)入固定網(wǎng)絡(luò)。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，如個(gè)人區(qū)域網(wǎng)、家域網(wǎng)、軍事應(yīng)用、搶險(xiǎn)救災(zāi)等，無線網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施作支撐，移動(dòng)用戶的信息需要通過移動(dòng)用戶之間的多次中轉(zhuǎn)才能到達(dá)目的用戶，這種網(wǎng)絡(luò)通常稱為分布式或Adhoc網(wǎng)絡(luò)。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)可采用全分布式控制，也可采用分層分布式控制。圖1是分層分布式控制。在圖1中，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分成群，每一個(gè)群產(chǎn)生一個(gè)群首負(fù)責(zé)本群中節(jié)點(diǎn)的管理。不同的群可使用不同的工作頻率，群內(nèi)可采用高效的多址協(xié)議(如UPMA等)。在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，需要采用自組織算法來產(chǎn)生群和群首，計(jì)算最佳路由并進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源分配。

研究在Adhoc環(huán)境下高效支持TCP/IP協(xié)議的寬帶移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當(dāng)前另一個(gè)研究熱點(diǎn)。其主要目標(biāo)是將多媒體和Internet業(yè)務(wù)延伸到Adhoc用戶，可在2～6GHz頻段向用戶提供2～50Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

目前對(duì)Adhoc環(huán)境下寬帶移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)研究的主要兩大陣營有：一是IETF和IEEE，二是DARPA。已有一些標(biāo)準(zhǔn)(如IEEE802.11、Bluetooth)支持Adhoc方式。IETF成立了專門的研究組——移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)組來研究它的路由問題，將移動(dòng)IP拓展到無固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支撐的情況。1999年1月，RFC2501詳細(xì)給出了MANET的應(yīng)用場(chǎng)合、特征和性能要求。IETF在2000年下半年公布了一系列的有關(guān)Adhoc路由的草案(AODV、TORA、DSR、OLSR、DDM、MAODV、TBRPF、LANMAR、FSR等)。IEEEJAC1999年8月出版了無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)的專輯。IEEE通信分會(huì)在2000年底成立了專門的Adhoc技術(shù)分委員會(huì)。IEEE個(gè)人通信雜志于2001年2月出版了Adhoc網(wǎng)絡(luò)專輯。

美國DARPA資助的

SUOSAS(SmallUnitOperationsSituationAwarenessSystem)在開發(fā)能夠支持未來dismountedsoldiers信息需要的突破性技術(shù)，并集成進(jìn)可演示的系統(tǒng)。在高移動(dòng)環(huán)境下的由100個(gè)實(shí)驗(yàn)單元組成的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)將于2002年春開始。SUOSAS必須同時(shí)支持10000用戶。系統(tǒng)能夠工作在20MHz～2.5GHz的頻段，帶寬為500kHz～20MHz，自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率為16bit/s～4Mbit/s。

瑞士聯(lián)邦工學(xué)院Terminnodes正在研究和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模自組織移動(dòng)Adhoc網(wǎng)(與瑞士電信的合作項(xiàng)目時(shí)間為2000年~2010年)。除外還有WING(加州大學(xué)SA分校)和MONARCH(卡耐梅容大學(xué))等研究計(jì)劃。

3寬帶無線IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

西安電子科技大學(xué)于2000底研制成功的一個(gè)典型的基于WLAN支持移動(dòng)IP的寬帶無線IP系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。它利用常規(guī)的局域網(wǎng)（如10/100/1000Mbit/s以太網(wǎng))及其互連設(shè)備(路由器)構(gòu)成骨干支撐網(wǎng)，利用無線接入點(diǎn)(AP)和無線接入服務(wù)器(WAS)來支持移動(dòng)終端(MT)的移動(dòng)和漫游。無線接入服務(wù)器的作用是提供無線終端的接入管理和移動(dòng)性管理。在每個(gè)無線接入服務(wù)器管轄的范圍內(nèi)(稱為服務(wù)區(qū))可支持多個(gè)小區(qū)。無線接入點(diǎn)的作用是完成WLAN和LAN之間的橋接，實(shí)現(xiàn)無線空中接口協(xié)議到LAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的移動(dòng)用戶管理。在無線接入服務(wù)器中運(yùn)行移動(dòng)IP服務(wù)器端進(jìn)程軟件，在移動(dòng)終端上運(yùn)行移動(dòng)IP客戶端進(jìn)程便可支持移動(dòng)IP功能。該系統(tǒng)可支持用戶在移動(dòng)和漫游的狀態(tài)下，享用VOD、FTP、WWW瀏覽等業(yè)務(wù)。

該系統(tǒng)包括兩個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)1的IP地址是202.117.125.x，子網(wǎng)2的IP地址是202.117.114.x。子網(wǎng)1可包括1～2個(gè)無線接入點(diǎn)(A和B)，2～4個(gè)移動(dòng)終端；子網(wǎng)2可包括1個(gè)無線接入點(diǎn)(C)，2～4個(gè)移動(dòng)終端。

為了使移動(dòng)終端在子網(wǎng)內(nèi)可以訪問Internet，無線接入點(diǎn)(AP)必須具有橋接的功能(實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)之間的幀格式轉(zhuǎn)換和路由功能)、相同子網(wǎng)內(nèi)散步管理功能(支持用戶在同一子網(wǎng)不同蜂窩小區(qū)之間的移動(dòng)和越區(qū)切換)，支持SNMP管理、對(duì)用戶的身份認(rèn)證、無線信道的管理、數(shù)據(jù)庫及學(xué)習(xí)功能、加密等功能，主要的協(xié)議包括：IEEE802.3、IEEE802.1d、IEEE802.11等。

為了使移動(dòng)終端能在跨越不同子網(wǎng)的不同小區(qū)之間任意移動(dòng)，在不對(duì)移動(dòng)終端作任何配置和改動(dòng)的情況下，可連續(xù)使用Internet業(yè)務(wù)，即同時(shí)做到“操作透明性”(移動(dòng)終端的移動(dòng)不會(huì)引起用戶進(jìn)行特殊的操作，如對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的重新配置、移動(dòng)終端的重新啟動(dòng)等)和“性能透明性”(移動(dòng)終端的性能如通信能力、應(yīng)用軟件的性能等并不因主機(jī)的移動(dòng)而有明顯地下降)，需要在每一個(gè)子網(wǎng)中配置一個(gè)無線接入服務(wù)器(WAS)，來支持上述移動(dòng)IP(MobileIP)功能。

移動(dòng)IP軟件的開發(fā)遵守RFC2002、RFC2003和IETF的相關(guān)建議和草案。移動(dòng)IP軟件分為兩部分：運(yùn)行在移動(dòng)終端上的進(jìn)程(客戶端進(jìn)程)和運(yùn)行在無線接入服務(wù)器上的代理進(jìn)程(服務(wù)器端進(jìn)程)。

移動(dòng)IP軟件的服務(wù)器端的進(jìn)程包括家代理(HA)、外地代理(FA)兩部分。家代理用于管理在本子網(wǎng)注冊(cè)的移動(dòng)終端，存儲(chǔ)它們的業(yè)務(wù)檔案；外地代理用于管理訪問本子網(wǎng)的外地移動(dòng)終端。

移動(dòng)IP軟件的代理進(jìn)程主要包括代理搜索、轉(zhuǎn)交地址獲取、隧道建立和登錄等過程。

(1)代理搜尋：MT開機(jī)后，確定自己是在家網(wǎng)還是在外地網(wǎng)的過程稱為代理搜尋。實(shí)現(xiàn)代理搜尋的方法有兩種：由代理(FA或HA)發(fā)送代理公告(AgentAdvertisement)報(bào)文的方法和由MT發(fā)送代理征求(AgentSolicitation)報(bào)文的方法。前者由代理定期地發(fā)送代理公告廣播報(bào)文，MT接收到該報(bào)文后判斷自己處在何處；后者由MT主動(dòng)發(fā)送代理請(qǐng)求廣播報(bào)文，依據(jù)HA或FA的應(yīng)答報(bào)文，MT判斷自己處在何處。

(2)轉(zhuǎn)交地址:當(dāng)MT漫游到外地網(wǎng)時(shí)，它從外地代理處獲得一個(gè)轉(zhuǎn)交地址并通知其家代理。此后，MT的HA將把發(fā)給該MT原來地址的IP包接收下來，重新打包后發(fā)送到MT的轉(zhuǎn)交地址(通常是FA的IP地址)，再由FA轉(zhuǎn)交至MT。

(3)隧道:當(dāng)MT漫游到外地網(wǎng)時(shí)，由于其它移動(dòng)終端并不知道它已漫游，故發(fā)給它的IP包仍然送至其家域網(wǎng)。如上所述，MT的HA將把這些IP包接收下來并重新打包后發(fā)送到MT的FA。所謂MT的隧道，是指?jìng)魉瓦@些重新打包后的IP包由HA至FA的通道。在隧道的發(fā)送端，HA依據(jù)隧道協(xié)議把需傳送的IP包重新裝包，在接收端FA完成拆包。

(4)登錄:當(dāng)MT獲得轉(zhuǎn)交地址后，通知其HA并設(shè)置好其隧道的過程稱作登錄。在登錄過程中，由MT向其HA發(fā)出登錄請(qǐng)求報(bào)文，HA修改MT的位置信息并設(shè)置好隧道后，向MT返回登錄應(yīng)答報(bào)文。

假定MT1已從子網(wǎng)1漫游到子網(wǎng)2(參見圖2)，固定主機(jī)訪問MT1的過程是：固定主機(jī)首先將IP分組送到子網(wǎng)1的無線接入服務(wù)器A，該服務(wù)器根據(jù)MT1當(dāng)前的物理位置，通過無線接入服務(wù)器A到無線接入服務(wù)器B之間建立的隧道，將分組送到無線接入服務(wù)器B，無線接入服務(wù)器B再通過無線接入點(diǎn)C發(fā)給MT1。

寬帶無線IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖3所示。

單小區(qū)下的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能描述如下：在無線接入點(diǎn)和移動(dòng)終端運(yùn)行Windows98，利用LanEval測(cè)量的在不同幀長情況下的平均接收速率為5.49Mbit/s(幀長1528byte)和4.60Mbit/s(幀長1024byte)。在全自適應(yīng)速率情況下，傳輸距離可達(dá)53.55m。移動(dòng)主機(jī)通過AP直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，AP的平均轉(zhuǎn)發(fā)速率為5.02Mbit/s(幀長1528byte);服務(wù)器直接通過AP向移動(dòng)主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，AP的平均轉(zhuǎn)發(fā)速率為3.92Mbit/s(幀長1528byte)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：寬帶無線IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的傳輸性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

在多小區(qū)的情況下，在子網(wǎng)1和子網(wǎng)2的無線接入點(diǎn)A、B和C的覆蓋區(qū)有適當(dāng)交疊的情況下，MT1和MT3均可往返于兩個(gè)子網(wǎng)中移動(dòng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可連續(xù)地支持視頻點(diǎn)播(VOD)、FTP、WWW瀏覽等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)IP的各項(xiàng)功能。

4寬帶無線IP技術(shù)的應(yīng)用

MobileIP是IETF提出的解決移動(dòng)用戶試圖通過不同的WLAN接入Internet時(shí)有關(guān)路由問題的建議。

由于在開始時(shí)并不特別關(guān)心計(jì)費(fèi)問題，當(dāng)WLAN大規(guī)模應(yīng)用時(shí)或蜂窩電話公司使用MobileIP時(shí)，就需要對(duì)MobileIP進(jìn)行擴(kuò)展，以便對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行身份認(rèn)證、連接鑒權(quán)和能夠付費(fèi)。目前在IETF內(nèi)考慮的方法是依賴可以完成AAA(Accounting，AuthenticationandAuthorization)的服務(wù)器。其基本的框架如圖4所示。在該框架中包括家域的AAA服務(wù)器(AAAH)和當(dāng)?shù)胤?wù)器(AAAF)。每一個(gè)AAAF管理若干個(gè)鑒權(quán)代理。鑒權(quán)代理將協(xié)助移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鑒權(quán)。

目前的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例就是NokiaMobilePhones提出的OWLAN(OperatorWLAN)系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)以WLAN作為接入手段，采用了GSM的用戶管理和計(jì)費(fèi)機(jī)制。OWLAN允許在不同運(yùn)營商的接入網(wǎng)之間進(jìn)行IP漫游。OWLAN方案適合于任何具有GSMSIM卡讀入器及具備相關(guān)定義WLAN信令模塊的WLAN終端設(shè)備。2001年7月已建立了第一個(gè)商用系統(tǒng)。OWLAN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何利用IP的協(xié)議框架將標(biāo)準(zhǔn)的GSM的用戶認(rèn)證信令從WLAN終端設(shè)備傳到蜂窩系統(tǒng)。

5結(jié)束語

寬帶無線IP技術(shù)主要研究如何通過簡單的高速無線接口接入高速Internet，并有效地支持移動(dòng)IP技術(shù)和AAA服務(wù)。目前，以WLAN+Internet的平臺(tái)受到最廣泛的關(guān)注，并且已開始商用。中國信息產(chǎn)業(yè)部批準(zhǔn)成立了“寬帶無線IP標(biāo)準(zhǔn)工作組”，負(fù)責(zé)組織中國寬帶無線IP技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制(修)訂工作。首批成員有8家單位。其主要的標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域包括：近距離寬帶無線IP接入、移動(dòng)無線IP接入、IP的移動(dòng)性、無線IP的安全性、TCP/IP無線傳輸、IP業(yè)務(wù)等。寬帶無線IP技術(shù)是對(duì)以蜂窩移動(dòng)通信為基礎(chǔ)的全I(xiàn)P技術(shù)的挑戰(zhàn)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

1HeegardC.HigherformanceWirelessEthernet.IEEECommunicationsMagazine

，2001，39(11):64—73

2McFarlandB.The5UPTMProtocolforUnifiedMultiserviceWirelessNetworks.

IEEECommunicationsMaga

zine，2001，39(11):74—80

3PerkinsCE.MobileIPJoinsForceswithAAA.IEEEPersonalCommunications，20

00，7(4):59—61

4李建東，劉乃安，黃振海等.寬帶無線IP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).高技術(shù)通信

，2001，11(7)

5JuhaAla-Laurila，JuhaAla-Laurila，JouniMillonen.WirelessLANAccessNet

workArchitectureforMob

ileOperators.IEEECommunicationsMagazine，2001，

39(11):82—89

(收稿日期：2001-12-10)

作者簡介

李建東，西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院院長和信息科學(xué)研究所所長，博士生導(dǎo)師，博士，中國通信學(xué)會(huì)會(huì)士，IEEE高級(jí)會(huì)員，中國電子學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，第1屆和第4屆“863”個(gè)人通信技術(shù)專業(yè)專家組成員，總裝備部通信專業(yè)專家組成員。曾被評(píng)為陜西省和原電子部有突出貢獻(xiàn)的專家，享受國家政府特殊津貼。已出版著作和教材5本，發(fā)表論文80余篇，獲省部級(jí)獎(jiǎng)5項(xiàng)。目前主要從事移動(dòng)通信、分組無線網(wǎng)、寬帶無線IP技術(shù)等方面的研究。

盛敏，西安電子科技大學(xué)講師，碩士?，F(xiàn)為西安電子科技大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士研究生。主要研究方向包括：Adhoc網(wǎng)絡(luò)的路由和多址接入技術(shù)、移動(dòng)通信、戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)IP等。

劉乃安，西安電子科技大學(xué)綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授，碩士生導(dǎo)師。先后從事國家自然科學(xué)基金、國家高科技計(jì)劃(863)及國內(nèi)外合作等項(xiàng)目10多項(xiàng)。撰寫并發(fā)表論文50余篇，出版教材和著作6本，譯著1本。主要從事無線通信、移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)、擴(kuò)展頻譜通信等方面的科研與教學(xué)工作。