分组交换和IP规约在新一代蜂窝网应用

2019-11-03 09:29:38

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供稿：网友

张煦　　一、通信网发展趋势概述

　　近几年来，移动通信无线蜂窝网发展迅猛，3G（第三代移动通信系统）在各方热烈讨论下刚准备正式投入运营，4G（第四代移动通信）已经开始认真研究，不用多久就可正式接替应用。这与国际上固定有线网的进展有密切关系。固网为了迎合广大用户对计算机数据通信需求业务量的快速增长趋势，并适应Internet兴起所产生的剧烈影响，已大量建设光纤通信线路和波分多路系统，并加紧准备过渡至全光有线通信网，以数据业务为中心，使用分组交换和ip/TCP（互联网规约/传输控制规约），发展方向非常明确，将来也有把握取得成功。移动无线通信的蜂窝网不甘停留在现行状态，也决定急速追赶，满足人们需要。总的来说，有两个明显的发展迹象：一是移动手机数量比固定话机数量显示更加快速的增长趋势；二是数据通信业务量总数比话音通信业务量总数显示更加快速的增长趋势。

　　二、新一代蜂窝网将开展分组数据业务

　　现行的传统蜂窝网不论采用的是何种调制和多址制式，都是以开放用户手机互相通话和保证双方实时会话质量为主，但近年来，移动用户携带计算机需要数据通信业务，又需要接入Internet索取数据信息等，需求不断上升。为此，2G蜂窝网除了重点放在移动电话上外，还开始提供低速9.6kbit/s的数据通信业务；2.5G蜂窝网提供数据速率144kbit/s，专门为用户接入Internet服务；3G蜂窝网有更大能力让用户互通数据业务，速率最高达到2Mbit/s；而预料几年之后可能正式开放公用的4G蜂窝网，更加重视用户需要互通数据通信的增长倾向，准备增加较高速率达155mbit/s的容量，这确实是合乎用户业务需要而采取的正常和必要的发展趋势。

　　移动通信的业务发展变迁倾向，既然是要从长期以来一直经营的电话通信业务急剧转变为近年兴起的以数据通信为主的综合业务，那么蜂窝网内部即通信网本身必须作出较大手适应性改革。首先，通信网对传统电话通信的交换过程是利用“电路交换”（Circuit Switching或Channel Switching），现在决定改为以数据通信为主的综合业务，就应当断然改用对数据通信最为合适有利的交换方式，即所谓“分组交换”（Packet Switching）。对话音和图像数据采取分组交换，这不仅显著地提高数据通信交换的效率，而且仍然能够确保电话和图像通信的业务质量要求。

　　为了尽快满足广大便携式计算机移动连入Internet的要求，2G蜂窝网在正式进化为3G蜂窝网的过渡时期，提出中间过渡的一代，称为2.5G蜂窝网。事实上，2.5G主要寄托于GPRS（通用分组无线电业务）。这也是为了适应移动数据通信业务需要、向分组交换网过注而迈出的重要一大步。接着，在3G蜂窝网，理所当然地要提供分组数据业务，而且必须相应地保证QoS达到预定要求。由此得知，3G的网络结构既是继承2G的电路交换网，又是利用GPRS的分组交换网，而Internet和其他数据网就通过GPRS与分组交换的无线网取得联系。但是，3G可以选用它认为最合适的多址方式和双工方式，不受2G的约束。这样，移动用户经过蜂窝网的分组交换机构，由基台收发信机（BTS）和控制器（BSC）通过结点SGSN（Serving GPRS Support Node）接入骨干网，而局域网经过路由器连接Internet或其他数据网，通过结点GGSN（Gateway GPRS Support Node）连接骨干网。它们组成正规GPRS总的网络结构。移动用户在发送或接收分组数据时，需要使用分组数据规约（PDP,Packet Data Protocol），它包含发送和接收数据双方用户的IP地址以及QoS参数规定值，这里的QoS主要有5个方面，即时延、业务优先、可靠性、平均传送量和最大传送量。时延是表示每一数据分组在GPRS系统从一边转移至另一边、由业务接入点测得的时间差。优先是指在网络出现不正常情况时，享有优先权首先除去。可靠性表示对误码率的容忍程度，从而决定该分组是否重发。平均的和最大的传送量分别表示数据转移的平均率和最大率。在现行的GPRS系统，上述的QoS各项规定受到了一定的限制，并认为不够理想，因而GPRS只能尽力而为。

　　在3G蜂窝网，例如欧洲的UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，通用移动通信系统），网络的分组数据系统结构是从GPRS结构演变的进化，并且对上述一些问题作了一些新的改进，更加趋于完善。UMTS结构的分组数据系统包括用户端设备（MS）、UMTS地面无线接入网UTRAN(UMTS Terrestrial Radio access Network)、3G-SGSN/GGSN（Serving/Gateway GPRS Support Node），还可能有住家位置记录器、业务控制点和边界门路等等。对于QoS的要求，则UMTS和GPRS存在显著差异。UMTS对此有所加重，特别是PDP可以支持多种应用，加重了QoS的支持。

　　三、新一代蜂窝网将执行IP/TCP规约

　　当蜂窝网开始提供数据通信业务的举措正式实现时，移动用户携带轻便计算机就希望能够接入Internet，像固定通信网的用户一样，既可与对方用户互通数据通信，又可在短暂的停歇时间向网站索取大量的有用数据信息。这就促使Internet与无线通信系统沟通，不仅与卫星通信和陆地微波通信互相沟通，还要与蜂窝网和无线局域网都互相沟通。事实上，所有这些无线通信系统有相似的特性，都可能像固定有线通信网那样与Internet取得联系的。当移动通信蜂窝网和Internet的联系日益频繁，并取得良好效果时，有些用户还兴奋地说新开辟的是“移动Internet”。不管怎样，为了合乎潮流趋向，移动通信蜂窝网加速发展数据通信业务和改用分组交换，确实有必要统一使用IP/TCP。这正是世界上所有通信网的大势所趋，不论固定网还是移动网，都要大力发展数据通信，都要使用分组交换，而且都要以IP/TCP规约为基础。

　　按照蜂窝网扩大业务的形势，IP规约已从第4版改进至第6版，即IPv4改进为IPv6，用户的IP地址正在不断加长字数，TCP的目的是保证数据通信业务中的数字流传送运行可靠。无线蜂窝网由于无线电波传播不能保持可靠不变，更需要TCP的运行提供协助。TCP可以对用户的数据进行分割和组合，又能处理滚动和拥塞控制。TCP的分组按照次序传送，到了接收端，随即有回传，表示已经依次收到，有些没有按次序的就重复回传。发送端如发现有重复回传来到，就认为有分组损失，对于来回一次的时间，需要精确测量，否则，迟到将引起恢复推迟，早到将导致多余重发。TCP的主要工作是发现拥塞，路由器过载会使数据流发生较大时延，甚至分组损失。当TCP检测到数据损失时，除了重发该损失的分组外，还降低其传输速率，以使路由器工作正常。其后，TCP又渐渐加快传输速率，以便充分利用通信网容量。TCP保持一个拥塞窗口，它估计能够传送而不致引起拥塞的分组数量。新的分组须在这拥塞窗口和接收端窗口都容许时才能发送。在开始时，TCP允许只发送一个分组，来回一圈后容许多发一个分组；这表示开始阶段较慢，随后就按指数律加多。在有些实际情况中，经过几个来回，发现一次失灵，TCP就重新发送这一失去的分组。TCP曾经在欧洲和美国的2G蜂窝网GSM上应用。曾经测量数据通信传送来回一次的时间RTT（Round Trip Time），大多为600ms，标准偏差20ms。

　　近年来，蜂窝网传送用户发出的数据信息业务越来越多，对此欧洲的2G蜂窝网GSM曾经附加高速电路交换数据（HSCSD）系统，提供的数字速率达到56kbit/s。GSM又增加GPRS，明确地向分组交换方向发展，并且进一步提高数字速率至171kbit/s。欧洲的3G蜂窝网UMTS利用宽带的WCDMA，对电路交换和分组交换都支持，它的第一步与GPRS相似，数字速率提高至384kbit/s，并在不大的区域内提高至2Mbit/s。同样，在美国，类似的系统提供数字速率270-722kbit/s，也可以在不大的区域内提高至2Mbit/s。

　　现在蜂窝网在越区切换时短暂地断开连接，已证明对TCP性能有显著影响。尤其在每一蜂窝区缩小面积和传送数据速率不高的情况下，越区切换次数增多对于TCP很不利。为此，近来正在设法改进，也可能增设无线适应层（WAL,Wireless Adaptation Layer），以期利用自动的适应性。这将是近期研究的一个方向。

摘自《现代通信》2002.11

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