無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)

1、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與面臨的挑戰(zhàn)摘要：無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)是針對(duì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信量和移動(dòng)用戶 數(shù)，即將發(fā)展起來(lái)的新型網(wǎng)絡(luò)和通信體制。文章就無(wú)線互聯(lián) 網(wǎng)產(chǎn)生的背景和地位、發(fā)展歷程、新型技術(shù)和面臨的挑戰(zhàn)等 方面作由分析。關(guān)鍵詞：無(wú)線接入；移動(dòng)通信；無(wú)線因特網(wǎng)；高速傳輸技術(shù)ABSTRACT:ThewirelessInternetisanewlydevelopednewtypeofnetworkanda communicationsystem.Itisdevelopedtomeettheever-increasingdatatrafficand mobilesubscribers.Thepaperanalyzes

2、thebackgroundoftheemergenceofwirelessInternet,anditsstatusanddevelopm entcourses,aswellasthenewtechnologiesitadoptsandchallengesitfaces.KEYWORDS:Wirelessaccess;Mobilecommunication;WirelessInternet;High-speedtr ansmissiontechnology1前言日益增長(zhǎng)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，其中特別突生的是短消息服務(wù)，全球 2000年6 月一個(gè)月的短消息達(dá) 80億條

3、，1999年傳送的數(shù)據(jù)量比之前 所有傳送量的總和還多。日本推由i-mode服務(wù)后，2000年底就達(dá)1700萬(wàn)用戶。中國(guó)市場(chǎng)在移動(dòng)用戶高速增長(zhǎng)的同時(shí)， 也在急劇增長(zhǎng)。按愛立信公司的預(yù)計(jì)，2000年一個(gè)用戶日平 均通信量為20分鐘，到2005年增加到600分鐘。未來(lái)通信 業(yè)務(wù)將包含社交與私人通信，如語(yǔ)音和圖像新聞、可視電話、救援通信；授權(quán)與交易通信，如 WWW信息電子商務(wù)、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(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，無(wú)線移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)和個(gè)人終端 的發(fā)展特別引人注目，成為風(fēng)靡全球的高新技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)。 無(wú)線移動(dòng)通信可以分成移動(dòng)通信和無(wú)線接

4、入兩大方向。隨著 數(shù)字移動(dòng)通信的興起，無(wú)線接入的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器也開始進(jìn) 入市場(chǎng)。隨著第2代移動(dòng)通信系統(tǒng)面向第 3代系統(tǒng)的發(fā)展， 無(wú)線接入也由無(wú)線調(diào)制解調(diào)器、無(wú)線本地環(huán)、無(wú)線局域網(wǎng)轉(zhuǎn)向?qū)拵o(wú)線接入發(fā)展。圖 1給由了它們的發(fā)展歷程和將來(lái)的演進(jìn)。正走向商用的第3代移動(dòng)通信，盡管能提供高達(dá)2Mbit/s 的傳輸速率，但面對(duì)將來(lái)爆炸性增長(zhǎng)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(hào)的應(yīng)用。圖2給由了使用不同頻段與第3代系統(tǒng)使用2GHz達(dá)2Mbit/s速率的比較。從圖1和圖2 看由，隨著使用頻段的提高，小區(qū)覆蓋范圍和可移動(dòng)性的能 力在下降，這就促使移

5、動(dòng)通信與無(wú)線接入的融合和統(tǒng)一，形 成了新的亮點(diǎn)一一無(wú)線因特網(wǎng)。2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)如前所述，現(xiàn)今的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，是以移動(dòng)通信網(wǎng) 和無(wú)線接入網(wǎng)兩個(gè)方向并行發(fā)展。移動(dòng)通信網(wǎng)由第2代的GSM、cdmaOne及美國(guó)的TDMA、日本的PDC為代表，傳送 9.614.4kbit/s的數(shù)據(jù)速率，提供語(yǔ)音和短消息服務(wù)。正開始 在市場(chǎng)運(yùn)用的 GPRS cdma20001x,被稱為第2.5代系統(tǒng)，提 供高達(dá)64kbit/s的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。預(yù)計(jì) 20032004年，全球 將可能全面開始第 3代移動(dòng)通信的運(yùn)營(yíng)，以 WCDMA、 cdma20001xEV-DO和中國(guó)提由的 TD- SCDMA為代表，提供 384kb

6、it/s2Mbit/s數(shù)據(jù)速率的服務(wù)。其中美國(guó)的TDMA系統(tǒng) 與GPRS技術(shù)相結(jié)合，推由的EDGE也能達(dá)到這樣的通信能力 和要求。隨后將是 3.5G和4G。無(wú)線接入網(wǎng)從最早的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器提供9.6kbit/s的無(wú)線接入能力，到無(wú)線本地環(huán)，擴(kuò)大了無(wú)線調(diào)制解調(diào)器的覆蓋 范圍和通信能力。而后無(wú)線局域網(wǎng)的由現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)網(wǎng)變成 可無(wú)線接入的網(wǎng)絡(luò)，使用 IEEE802.11協(xié)議，使無(wú)線信道的峰 值速率達(dá)到2Mbit/s。在此基礎(chǔ)上又提由了有更高峰值速率 的IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，信道峰值速率可達(dá)11Mbit/s。現(xiàn)在又進(jìn)一步提由了可達(dá) 20Mbit/s、22Mbit/s峰值速率的建議。IEEE802

7、.11系歹U的另一標(biāo)準(zhǔn)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(dá) 54Mbit/s 的峰值速率。與此相關(guān)的Hipernet2(H2)建議在支持QoS和移 動(dòng)性方面更為由色。另外，藍(lán)牙接入技術(shù)采用近距離、低功 耗、簡(jiǎn)捷協(xié)議和低成本，也令人注目。無(wú)線接入網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)相比，各有優(yōu)勢(shì)和特色，也有 在將來(lái)應(yīng)用環(huán)境下的不足。隨著因特網(wǎng)的應(yīng)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(diǎn)，使得因特網(wǎng)在發(fā)揮越來(lái)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(dòng)網(wǎng)合二為一，提供了

8、極好的前景。歐洲各國(guó)和 幾家大企業(yè)在論述后 3G的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)，提生了一種融合接 入和移動(dòng)，稱為“始終最好接入”的ABC(AlwaysBestConnected)網(wǎng)絡(luò)概念，如圖3所示。將來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是個(gè)人網(wǎng) (PersonalAreaNetwork)、室內(nèi)網(wǎng)(IndoorNetwork)和移動(dòng)網(wǎng) (MobileNetwork)的結(jié)合。個(gè)人網(wǎng)可能選用藍(lán)牙技術(shù)，也可選 用其他接入技術(shù)，以手機(jī)為中心，把個(gè)人周邊的機(jī)器設(shè)備連 成一體。當(dāng)需要高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，特別是個(gè)人終端在高速通 信時(shí)，使用IEEE802.11或Hipernet2建議，進(jìn)入室內(nèi)網(wǎng)，與 因特網(wǎng)或其他數(shù)據(jù)網(wǎng)相聯(lián)；當(dāng)要高速移動(dòng)和頻繁切換時(shí)，使

9、 用3G或3.5G標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)網(wǎng)，這樣可實(shí)現(xiàn)最好接入。無(wú)論是 個(gè)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(lái)的移動(dòng)網(wǎng)，無(wú)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(lái)的無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就是無(wú)線 因特網(wǎng)。3無(wú)線因特網(wǎng)技術(shù)無(wú)線因特網(wǎng)是無(wú)線接入的因特網(wǎng)。它的優(yōu)勢(shì)和特色體現(xiàn) 在：能傳送不同業(yè)務(wù)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(dòng)等功能就特別重要。能實(shí)現(xiàn)峰值速率達(dá) 54Mbit/s的IEEE802.11a協(xié)議，在5GHz頻段采用OFDM調(diào)制技術(shù)，在20MHz帶寬傳送52個(gè)正 交載波。每個(gè)載波為 300kHz帶寬，采用BPSK QPSK 16

10、-QAM 或64-QAM調(diào)制，以及1/2或3/4糾錯(cuò)碼，能夠提供125kbit/s-1.5Mbit/s的傳輸速率。最近，美國(guó)提由可按通信 對(duì)象和業(yè)務(wù)需求的 OFDM動(dòng)態(tài)分組正交傳輸方法，例如，對(duì) 語(yǔ)音（也即VoIP欣使用一個(gè)載波，PDA數(shù)據(jù)使用2個(gè)載波， 如表1所示。這樣，發(fā)射信號(hào)功率可以大為降低，接收方也 能簡(jiǎn)化，不同的個(gè)人終端可以采用不同的接收方法。但是， 這項(xiàng)技術(shù)面臨著明顯的制約和挑戰(zhàn)：首先是載波的正交性控 制，實(shí)現(xiàn)每個(gè)載波的 300kHz帶寬的分離，也就是實(shí)現(xiàn)正交 載波同步；相伴隨的是定時(shí)控制，使接收端能獲得進(jìn)行FFT處理的正確時(shí)刻。這兩個(gè)問題對(duì)OFDM接收特別敏感，通常采用專門的訓(xùn)練

11、序列來(lái)實(shí)現(xiàn)。IEEE802.11a給由800ns的訓(xùn)練 序列，在室內(nèi)環(huán)境（小于30m）能達(dá)到要求。如果有更大的覆 蓋范圍，就要調(diào)整發(fā)射點(diǎn)的定時(shí)。另外，功率控制也極為重 要，輸由信號(hào)峰值功率與 OFDM使用的載波數(shù)成正比。大的 峰值功率會(huì)由現(xiàn)明顯的非線性，通常采用幅度限制和編碼方 法來(lái)改善，但幅度限制會(huì)增加噪聲，編碼處理會(huì)增加冗余。移動(dòng)通信的高速傳輸技術(shù)， 主要是面向后3G的WCDMA 的下行高速傳輸技術(shù)和 cdma20001xEV-DO技術(shù)。WCDMA采 用自適應(yīng)（可變）調(diào)制方法，從 QPS館U 64-QAM,使下行峰值 速率提高到810Mbit/s,頻帶利用率比3GWCDMA提高34倍, 被

12、認(rèn)為是3.5G系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。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(shí)現(xiàn)高速傳輸，但都是在近距 離小范圍有效，適合于高速無(wú)線接入應(yīng)用。因特網(wǎng)接入技術(shù)對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)是比較成熟的，但對(duì)于無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)，還需要努力研究。 WAP協(xié)議是一種無(wú)線接入?yún)f(xié)議，由 客戶接入、WAP網(wǎng)關(guān)、WAP服務(wù)器等軟件模塊組成， 實(shí)現(xiàn)移 動(dòng)用戶接入因特網(wǎng)。不過，這種協(xié)議是以低速率移動(dòng)系統(tǒng)為 背景，依賴于現(xiàn)有移動(dòng)系統(tǒng)，如無(wú)線LAN、GPRS GPRS是在GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，采用信包交換的通用無(wú)線服務(wù) 系統(tǒng)，為接入因特網(wǎng)，在 GSM上增

13、加了 GPRS節(jié)點(diǎn)服務(wù)器 （SGSN和GPRS節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)（GGSN1利用多時(shí)隙傳輸，最高可達(dá) 172kbit/s速率。但是，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本交換方式并沒有根本 性變革，而是越來(lái)越復(fù)雜。無(wú)線因特網(wǎng)要體現(xiàn)因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 捷、使用方便、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，有必要尋求更好的無(wú)線接 入技術(shù)，以和現(xiàn)行不同網(wǎng)絡(luò)彼此接入。中國(guó)科技大學(xué)個(gè)人通信與擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)室為發(fā)展新型無(wú)線 因特網(wǎng)接入技術(shù)，提生了一種 WCDMA系統(tǒng)的NodeB （節(jié)點(diǎn) B）直接接入IP網(wǎng)的方法和接入?yún)f(xié)議信令結(jié)構(gòu)，見圖4。這一方法把TCP/IP協(xié)議直接用到 NodeB,使移動(dòng)通信網(wǎng) 大大簡(jiǎn)化。最近，日本在研究后3G技術(shù)中，在我們上述方法的基礎(chǔ)上，提由了分布式

14、基站系統(tǒng)方式，幾個(gè)基站作為一 個(gè)基站群，建在 TCP/IP協(xié)議的本地網(wǎng)（本地因特網(wǎng)）上，構(gòu)成一個(gè)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(guān)， 直接聯(lián)到核心網(wǎng)(也就是因特網(wǎng))上。有關(guān)移動(dòng)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(jìn)入核心網(wǎng)的信令流量，從而簡(jiǎn) 化協(xié)議。另外，NodeB的分布和多少不太受現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)結(jié)構(gòu) 限制，大小區(qū)覆蓋，哪兒都可以接入，使得建網(wǎng)方便靈活。芬蘭諾基亞公司提由了一種移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò) 的網(wǎng)絡(luò)接入方法。無(wú)線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)由終端、無(wú)線接入點(diǎn)、接 入控制器和鑒權(quán)服務(wù)器構(gòu)成，相當(dāng)于GPRS的手機(jī)、基站、GGSN和CGS

15、N其中，接入控制器與鑒權(quán)服務(wù)器都與因特網(wǎng) 相連，作為運(yùn)營(yíng)商的IP核心網(wǎng)，而鑒權(quán)服務(wù)器又是連在運(yùn)營(yíng) 商的移動(dòng)核心網(wǎng)上的。為實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)上的接入控制器與移動(dòng) 網(wǎng)上的鑒權(quán)服務(wù)器相連，又提由了遙控用戶鑒權(quán)服務(wù) (RADIUS) 接口協(xié)議。這種方法使現(xiàn)有移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商同時(shí)經(jīng)營(yíng)無(wú)線接入網(wǎng) 成為可能，移動(dòng)網(wǎng)保持固有結(jié)構(gòu)，無(wú)線接入網(wǎng)改為本地?zé)o線 因特網(wǎng)進(jìn)入移動(dòng)通信網(wǎng)?，F(xiàn)在的無(wú)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(lái)的無(wú)線因特網(wǎng)，既是接入網(wǎng)又是移 動(dòng)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(dòng)管理的是移動(dòng)IP技術(shù)，利用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、本地代理、外地代理構(gòu)成的移動(dòng)IP協(xié)議，可

16、以實(shí)現(xiàn)一個(gè)IP地址在因特網(wǎng)上的漫游。而移動(dòng)用戶的越區(qū)切換較難實(shí)現(xiàn)。美國(guó)最近提由了基于 CDMA系統(tǒng)IP基站和全I(xiàn)P無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的 軟切換方法，試圖在使用分組交換的條件下，實(shí)現(xiàn)一個(gè)用戶 的IP業(yè)務(wù)以多個(gè)路徑分發(fā)給多個(gè)基站，使不同基站同時(shí)發(fā)往移動(dòng)用戶的數(shù)據(jù)是相同的，至少可合并成一個(gè)信息。這種能 力對(duì)電路交換不太困難，但對(duì)分組交換的確是挑戰(zhàn)。為此， 他們提由了一個(gè)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(dòng)終端，在IP網(wǎng)上分配一個(gè)或幾個(gè)影子地址給基站，作為該基站覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行越區(qū)切換 的移動(dòng)終端的臨時(shí)地址。 基站采取分配方式(靜態(tài)分配或動(dòng)態(tài) 分配),一個(gè)影子地址可供

17、多個(gè)終端使用。這樣每個(gè)基站會(huì)有一個(gè)影子地址列表，網(wǎng)上用戶要呼叫移動(dòng)終端，首先要從列 表中找到它的影子地址發(fā)生請(qǐng)求，得到基站響應(yīng)后就可發(fā)送 信息。如果該影子地址被鄰近幾個(gè)基站響應(yīng)，那就向幾個(gè)基 站發(fā)送信息，能可靠實(shí)現(xiàn)軟切換。4結(jié)束語(yǔ)移動(dòng)通信用戶數(shù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的高速增長(zhǎng)是對(duì)無(wú)線移 動(dòng)通信的極大挑戰(zhàn)。一味采取現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)蜂窩區(qū)域變小 的方法來(lái)增加容量，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)成本大幅上升。因此，采用簡(jiǎn) 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(wú)線因特網(wǎng)將大有前途。從通信系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展看，有前景、有技術(shù)并不 能保證很快普及應(yīng)用，業(yè)務(wù)類型和服務(wù)對(duì)象也是重要因素。 無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展多年而沒有形成極

18、大市場(chǎng)，沒有輕小終端和 移動(dòng)能力是其重要原因。因此，無(wú)線因特網(wǎng)的發(fā)展，要從技 術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)應(yīng)用兩方面著手，使終端便攜，可移動(dòng)，提供 有價(jià)值的業(yè)務(wù)，上網(wǎng)快，使用簡(jiǎn)便，高速、高質(zhì)量，界面活 潑，價(jià)格低，才會(huì)帶來(lái)無(wú)線移動(dòng)因特網(wǎng)的新飛躍，開創(chuàng)無(wú)線 因特網(wǎng)的新時(shí)代?？趨⒖嘉墨I(xiàn)1JamalipourA,TekinayS.FourthGenerationWirelessNetworksandI nterconnectingStandards.IEEEPersonalCommunications,2001,8(5):8 92OtsuT,OkajimaI,UmedaN,etal.NetworkArchitectureforMobileC ommunicationsSystemsBeyondIMT-2000.IEEEPersonalCommunications,200 1,8(5):31383HeegardC,CoffeyJT,GummadiS,etal.High-PerformanceWirelessEthernet