Internet中移动无线接入技术

2019-11-03 18:54:54

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供稿：网友

李建东　　Internet的飞速发展给我们的生活带来了巨大的变化，E-mail，WWW浏览，电子商务等已经走入我们办公室和家庭。这些新型的应用使得分组数据业务量迅猛增长，这时我们需要考虑两方面的问题：一是在现有网络中如何支持基於ip的各种应用，二是建立基於IP的骨干网。

　　在Internet发展的同时移动通信系统也得到了飞速发展。在有些国家（如芬兰）移动用户数已超过固定用户数。在我国移动通信用户数已超过5000万。将Internet技术和移动无线通信技术相结合已成为当前国际上的研究热点。据预测到2005年将会有8.5亿部移动设备接入Internet。到2004年70%的蜂窝电话将具有Internet的能力。

　　通过移动和无线通信系统接入Internet的方式分为两大类，一是基於蜂窝的接入技术，如CDPD，GPRS，EDGE等。二是基於局域网的技术，如IEEE802.11 WLAN，Bluetooth，HomeRF等。

　　通过移动和无线通信系统接入Internet後提供的应用分为两类：一类是通过标准的终端如笔记本计算机等提供标准的Internet应用；另一类是通过WAP为具有有限处理能力和显示屏的终端如手机等提供有限Internet服务，如E-mail，电子银行，天气预报，旅游交通信息等。

　　本文将首先讨论基於蜂窝移动通信的GPRS技术，接著讨论基於局域网的无线接入技术，最後讨论移动Internet的应用协议（WAP）。

一、移动蜂窝接入技术─GPRS

　　移动蜂窝Internet接入技术有：基於第一代模拟蜂窝AMPS系统的CDPD（Cellular Digital Packet Data）技术，基於第二代数字蜂窝系统的GSM和IS-136的GPRS（General Packet Radio Service）和GPRS-136，以及在此基础上的EDGD技术。

　　GSM在我国已得到了广泛应用，因而这里主要讨论GPRS技术。GPRS是在充分利用现有的GSM的基础设施的基础上，提供最佳的Internet接入。在传统的GSM系统中，采用TDMA的多址方式，利用电路交换为用户提供话音和9.6kbps的数据业务。GPRS对传统的GSM系统进行两方面的改进：一是在空中接口中将每一个用户在一帧仅可使用一个时隙改为每一个用户在一帧可使用多个时隙，以提高接入速率。GPRS的最高速率可达160kbps；二是在GSM网络中提供一个分组交换的承载网络。GPRS的网络结构和协议体系如图1和图2所示。

图1 GPRS的网络结构

图2 GPRS的协议体系

　　GPRS的网络结构如图1所示，它在GSM网络中增加了两个节点: 服务GPRS支持节点（SGSN─serving GPRS support node）和网关GPRS支持节点（GGSM─Gateway GPRS support node）。GGSN是外部分组数据网（IP）或分组交换数据网（X.25/X.75）与GPRS核心网之间的网关节点。如果外部网络是一个IP网，GGSN可以看成一个普通的IP路由器，它服务移动台的所有IP地址。该节点可以包括防火墙（firewall）和分组过滤机制。另外，GGSN根据移动台的位置，为其指定一个SGSN。

　　SGSN是GPRS骨干网与无线接入网之间的接口，它将分组交换到正确的基站子系统（BSS）。其任务包括提供对移动台的加密、认证、会话（session）管理、移动性管理和逻辑链路管理。它也提供到HLR等数据库的连接。

　　在BSS的BSC中，包括一个分组控制单元（PCU），它支持所有GPRS空中接口的通信协议。PCU的功能包括分组交换呼叫的建立、监视和拆除。并支持越区切换、无线电资源配置和信道指配等功能。

　　MSC/VLR，HLR和SMS（短消息服务）中心是普通电话交换GSM系统中的功能实体。这些节点通过增加附加的接口，实现与GPRS的互通。

　　从图2可以看出，GPRS骨干网（连接SGSN和GGSN的网络）本身是一个采用IP协议的网络。

　　在该网络上，通过GPRS隧道协议（GTP─GPRS Tunnel Protocol）来为多种协议的数据分组通过GPRS骨干网提供隧道。GTP根据所运载的协议需求利用TCP或UDP协议来分别提供可靠的连接（如支持x.25的分组传输）和无连接服务（如IP分组）。

　　在GPRS系统中，支持的网络层协议有IP协议和x.25协议。

　　SNDCP（Subnetwork-Dependent Convergence Protocol─子网依赖的收敛协议）保证网络层的协议数据单元（PDU）在GSM网中透明地传送。SNDCP提供数据压缩、高层分组头的压缩（如TCP/IP头的压缩）、分段和重装等功能。分段功能是将网络层的PDU分成可在逻辑链路控制层（LLC）传输的数据段。

　　逻辑链路控制（LLC）协议跨越Gb 和Um接口，为MS和SGSN之间提供一个逻辑链路。其主要功能包括：加密、流量控制、顺序控制、传输错误的检测和恢复、发现不可恢复的错误等。

　　在PDU中的无线链路控制/媒介接入控制（RLC/MAC）协议为LLC的PDU在共享的空中接口中的传输提供服务。主要包括PDU的分段和重装、差错检测和重传等。MAC层为共享同一传输媒介的多个移动台提供不同的逻辑信道，它允许一个MS并行使用多个物理信道（时隙），也允许多个MS复接在一个物理信道上。

　　物理层为RLC/MAC层提供多个物理信道，主要功能包括：前向纠错、交织、无线链路信号质量的监视和功率控制等。　

二、基於无线局域网的接入技术

　　　有线局域网LAN是日常办公环境下最常用的接入方式，为了解决布线的困难和适应用户的移动，IEEE推出了802.11的无线局域网（WLAN）标准，工作频率在2.4GHz，其无线接入的速率可达1Mbps/2Mbps，其室内环境下的通信距离为100米，当采用定向高增益天线可达10~20km。在此基础上为了达到与有线网络相匹配的传输速率，IEEE对802.11的标准进行了高速扩展。高速扩展有两个版本：一是IEEE802.11a工作在5GHz频段，采用OFDM调制，传输速率为6~54Mbps；二是IEEE802.11b工作在2.4GHz频段，采用CCK调制，传输速率为5.5Mbps/11Mbps。

图 3 基于WLAN的宽带无线IP网络

　　利用WLAN组成的支持移动IP的网络结构如图3所示。它利用常规的局域网（如10/100/1000Mbps以太网）及其互连设备（路由器）构成骨干支撑网，利用无线接入点（AP）和无线接入服务器（WAS）来支持移动终端（MT）的移动和漫游。无线接入服务器的作用是提供无线终端的接入管理和移动性管理。在无线接入服务器管辖的范围内（称为服务区）可支持多个小区。无线接入点的作用是完成WLAN和LAN之间的桥接，实现无线空中接口协议到LAN协议的转换，并实现小区内的移动用户管理。在无线接入服务器中运行移动IP server软体，在移动终端上运行移动IP Client 软件便可支持移动IP功能。

　　西安电子科技大学(Xidian University) 将在年内推出基於11Mbps WLAN 的移动IP实验系统。

　　为了提供一个低复杂性、低功耗的无线连接的标准，来支持在个人工作空间(POS-Personal Operating Space) (*10 m) 或进入该空间的设备之间的互操作(Interoperability)， IEEE正在制定无线个人区域网(Wireless Personal Area Network) 802.15 标准。这些设备包括人们携带、穿戴或放置在便携计算机、蜂窝电话、PDA、手持式PC、麦克风、扬声器、头戴设备、条码阅读器、传感器、显示器、寻呼机等等。该标准是基於工业标准Bluetooth。

　　Bluetooth的规范1.0版於1999年7月公布。目前已有1400多个公司加入Bluetooth 特别兴趣组(SIG)。预计到2003年具有Bluetooth的设备将很容易超过2亿台，到2005年会超过6.7亿台。

　　Bluetooth的成功将会使我们面对的所有设备之间的连接都变为无线。Bluetooth采用跳频码分多址/时分双工(FH-CDMA/TDD)的方式，其符号速率为1Ms/s，时隙宽度为625μs，每个传输突发跳频一次。为了提高每个用户可边连续使用1个、3个或5个时隙。多个节点组成一个piconet，在相同的区域可以有多个piconet组成。

　　为了使得家用设备有效地接入Internet，HomeRF工作组也在制定相应的规范，目前已有100个公司加入该工作组。HomeRF(SWAP)的数据速率为1.6Mb/s。

　三、移动无线接入Internet 的协议

　　为了推进用於开发工作在无线通信网络环境的应用和服务的技术，WAP论坛推出了工业界广泛认可的规范WAP(Wireless application Protocol) 。WAP为移动电话、寻呼和PDA这类无线设备(它通常仅有很小的显示幕)提供应用的框架和业务。它将推动移动组网技术和Internet技术的融合和发展。

图 4 WAP的协议

　　WAP的协议体系如图4所示。为WAP提供承载服务的网络可以是GSM、IS-136、CDMA(IS-95)、PHS、CDPD、PDC-P，也可以是iDEN、FLEX等等。

　　WAP传送层的协议为WDP(Wireless Datagram Protocol) ，它为高层提供始终如一的服务，并在一个可用的承载服务(Bearer Service)上进行透明的通信。

　　WAP传送层的安全协议WTLS(Wireless Transport Layer Security)用来保证数据完整性、保密性，并对终端和应用服务器进行认证和提供DOSC（Denial-of-Service)保护。

　　WAP的无线事务处理协议（WTP-Wireless Transaction Protocol）提供了一个轻型的面向事务的协议，以便在移动终端上实现一个＂瘦＂的客户软件（"thin" client）　它提供三类事务服务（不可靠单向请求、可靠的单向请求、可靠的双向请求应答事务）以及可选的用户到用户的可靠性、PDU的级联和异步事务处理。

　　无线会话协议（WSP-Wireless Session Protocol）提供两种服务：一个是工作在WTP之上的面向连接的服务，另一个是工作在WDP上的无连接服务。WSP家族的协议对於具有相对长时延的低带宽承载网络是最优化的。WSP目前主要包括适合於浏览器应用的协议（WSP/B）。它允许一个WAP代理将一个WSP/B的客户连接到一个标准的HTTP服务器上。

　　无线应用环境（WAE）基於WWW和移动电话技术组合的通用应用环境。该环境允许运营商和业务提供商建立能够到达各种不同无线平台的应用和服务。WAE中包括了一个微型浏览器（Micro-browser）环境。

　　WAP应用的基本方式是在WAP终端和标准的Internet服务器之间引入一个WAP代理（proxy）。它完成WAP协议栈（WSP、WTP、WTLS及WDP）到WWW协议栈（TCP/IP）的协议转换，以及内容的编码和译码。内容编码器是将WWW服务器上的内容转换成压缩的编码格式，以减少通过无线网络的数据量。

　　通过WAP协议，我们能够享用现在Internet网络提供的各种服务。

结束语

　　无线Internet的成功除了我们上面讨论的接入技术外，还要取决於三个方面：①采用什么样的终端。人们总希望从口袋中取出的设备能用於处理声音呼叫、Web浏览、Video、寻呼等各种应用。②采用人才以的操作系统：Windows CE、Palm还是Symbian？③采用什么样的协议。目前推出的WAP 1.1的规范远远不能满ì人们的要求，也许它只相当Netscape1的水平，然而现在大量应用的是Netscape6。也许随著WAP的发展，如发展到WAP 4.5的功能可能完全超出我们的想象。

　　因此无线Internet的成功不仅需要无线接入技术的成功，还需要无线Internet应用领域取得成功。

----《移动通信在线》