宽带无线IP接入技术及服务质量控制

2019-11-03 18:56:37

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供稿：网友

牛志升

本文作者牛志升先生，清华大学微波与数字通信国家重点实验室教授、博士生导师。

　　关键词：宽带无线接入　ip

　　随着用户对移动多媒体业务需求的增加以及高性能移动终端的发展，用户对宽带无线接入(峰值数据速率在2Mb/s以上)的呼声越来越强烈。而且，伴随着Internet的飞速发展以及IP over WDM技术的逐渐成熟，下一代宽带通信网对宽带IP技术的呼声也越来越高涨。

　　宽带无线IP接入的概念正是在这样的环境下提出的，它既是移动用户对网络带宽和多媒体业务需求不断扩大的结果，同时又是解决下一代宽带通信网的宽带移动接入(最后一公里)的一个重要手段，即无线移动用户可以直接以IP的形式接入到下一代宽带互联网(NGI)，实现移动计算的功能。

　　由此可见，宽带无线IP的概念是伴随着Internet宽带化的趋势应运而生的，国外对它的研究也刚刚处于起步阶段，且大都停留在概念性讨论状态之中。因此，我国在现阶段开展宽带无线IP接入技术的研究是非常必要的，它的成功必将会推动我国在宽带网领域的研究和应用向前迈进一大步，赶上甚至超过欧、美、日等先进国家的水平。

一宽带无线IP接入的几种解决方案

　　与窄带无线Internet类似，宽带无线IP接入也有以下几种可能的实现方案。

(1)基于无线LAN的宽带接入方案

　　基于IEEE 802.11标准或者欧洲HIPERLAN方式的无线LAN接入方式，比较适用于本地网的无线接入，特别是在实验室和办公室环境下。它可以充分发挥无线LAN的灵活方便的特点。

　　接入网络的信息速率也可以从1Mb/s到几十甚至上百Mb/s。该项技术已经非常成熟，而且已经有产品问世。

(2)基于CDMA方式的宽带无线接入方案

　　这是一种在无线空中接口部分采用CDMA或宽带CDMA方式的接入方案。它的突出优势是带宽利用率高、抗多径干扰能力强、通信质量高等。

(3)基于无线ATM(WATM)或卫星ATM的宽带接入方案

　　用户通过无线方式或卫星链路接入ATM网络，其无线空中接口部分采用基于TDMA的准ATM或纯ATM方式。这是一种提供端到端ATM连接的方法，其接入速率可高达150Mb/s，而且可以在无线信道上提供服务质量保证。

　　比较上述3种方案可知，基于无线LAN的方案技术成熟度高，用户可接入速率也较高。但由于它是基于共享媒体的，不可控制的信息冲突会带来较大的信息延迟，因此该技术一般只适合于对延迟不敏感的高速数据信号的传输。而且，更重要的是，由于该技术没有多址的寻址能力，它只能在室内范围为几个固定无线终端提供信息交换服务，无法在室外为多个高速移动用户提供远程无线接入服务。而基于CDMA方式的接入方案，尽管它有带宽利用率高、抗多径干扰能力强、通信质量高等优点，但由于它需要在无线信道上对用户信息进行扩频(宽带CDMA的扩频比会高达上百倍)，因此它不适合于宽带用户信息的接入。

　　当然，选择更高的无线波段(如毫米波段)会在一定程度上缓解这个矛盾，但射频速率越高，其元器件的费用越高，物理上实现起来也就越困难。

　　基于以上考虑，我们认为基于TDMA结构的宽带WATM接入方案应该是一个比较好的方案，即无线信道按时隙进行分割，宽带IP数据包按TDMA时隙的大小进行固定长度信元的切割，通过WATM方式传递到收信端后再将信元重新组合成IP包。当然，这里所说的“ATM方式”只是从信元长度固定的角度来说的，并不意味着一个TDMA时隙必须对应一个ATM信元。实际上，我们的前期研究工作已经证明，多个ATM信元封装成一个宏信元(Macrocell)在TDMA时隙上传输是一个非常有效的手段，它不仅可以减少ATM信元带来的额外开销，而且可以保留WATM的独特优势(如与ATM骨干网的无缝接通性)。采用这种方案的宽带无线IP接入系统，既可以达到很高的接入速率，同时又可以较容易地实现用户服务质量的保证，较好地实现移动多媒体业务的宽带接入。

　　尽管在有线通信领域IP大有取代ATM而成为下一代通信网主流技术的趋势，但至少在无线接入领域，与无线IP相比，WATM具有如下优势：短信元格式抗无线信道干扰能力强；固定信元格式比较适合于固定时隙的TDMA制式；可以充分借鉴ATM技术的多媒体处理能力，保证多媒体业务的服务质量；ATM的面向连接特性可以简化业务的越区切换(Handoff)处理等。

　　WATM的概念是1992年提出的。现在，它已被认为是一种可以综合各种多媒体业务的下一代无线通信网的基本结构，且提供有保证的服务质量。现有的电路交换的移动通信系统在支持变速率的业务时必须按照业务的峰值速率给它分配资源。对于数据业务也是类似的，无论有无数据需要传输，信道都是被占用的。而无线局域网是针对数据业务环境设计的，它不支持实时的通信，不提供业务质量的保证。以ATM为基础的广域网或局域网，可以支持各种业务类型并且提供业务质量保证。但是，它是针对有线的光纤通信设计的。所以，WATM技术是移动通信技术、无线LAN技术与ATM技术等多种技术的综合。作为一个系统，它是上述3个方面的相互补充。WATM系统相对于移动通信系统增加了对变速率业务和数据业务的支持；相对于无线局域网，增加了实时业务和对业务质量的保证；相对于有线ATM系统，WATM提供了无线接入。因此，WATM有非常广阔的应用前景。实际上，日本第三代移动通信系统的网络部分已经宣布全面采用ATM技术，因此，基于WATM的宽带IP接入更加具有现实意义。

　　鉴于WATM的重要性，研究开发ATM的联合组织ATM论坛(ATM Forum)于1996年6月专门成立了一个WATM工作组。这个工作组致力于提出一些规范，从非常广泛的意义上将ATM技术推广到无线宽带接入的各种应用领域中去。

二基于WATM的宽带无线IP系统面临的挑战

　　从上述讨论可以清楚地了解到，WATM不仅与无线IP没有矛盾，相反两者可以相辅相成、互相借鉴，分别在链路层和网络层发挥自己的作用。这对链路质量不是很好，而且需要实现移动性管理等功能的无线Internet来讲，是非常必要的。因为在有线网络中，由于链路质量比较好，而且网络的功能又比较单一，因此用IP over WDM等技术来取代IP over ATM技术是完全有可能的。但在无线网络中，尤其是以数据业务为主体的无线Internet中，为了克服无线链路的不可靠性以及实现无缝的越区切换，在网络层与物理层之间插入一个WATM层是非常有必要的。更进一步地，WATM还是实现宽带无线IP的一个可行的途径。

　　但是，众所周知，ATM技术毕竟是在以光纤为传输媒质的前提下提出的，因此，将ATM技术引入无线通信系统需要考虑一些新的问题。另外，ATM网面向的是较为统一的应用环境，但在WATM中，可能会因传播环境、覆盖范围等因素而造成多种应用环境。在现行的移动通信系统中，不同的应用环境可能代表了不同的移动通信网，例如蜂窝的GSM和微蜂窝的DECT，它们是不同移动通信网，它们的终端不同，协议也有很大差别。从这个意义上讲，希望WATM不但能综合业务，还能够综合不同应用环境。要实现这个目标，应该从不同的无线应用的共同点出发，建立一个统一的协议框架结构，使得不同的应用环境能够在较低的层次统一起来。不同的应用环境主要差异在于物理层的差异，在考虑接入控制时，应该尽量减少对物理层的依赖。(全文完)

----《世界电信网络》