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用于无线ATM的协议及方法分析 引言无线个人通信网在过去的十年中发展很快。目前掌上电脑、蜂窝电话和寻呼的使用已非常普遍。许多系统已经被开发并提供不同的服务，象个人通信服务(PCS)、移动电话系统和卫星通信系统。通常这些服务不保证QOS，因而它们不适合于快速增长的多媒体应用。WATM被认为是下一代个人通信网络的解决方案，或是B-ISDN网络的无线延伸，它将支持QOS得到保证的综合的数据传输(数据、话音、图象)。无线ATM网络计划提供无线终端与有线ATM网络之间的无缝连接，这样，支持图象、语音和数据的多媒体应用就能够在移动终端上执行。在未来的宽带通信网络中，ATM类的无线网络将扮演重要的角色WATM是一个较新的领域，仍处于其发展初期，目前还未制定WATM方面的标准。研究人员正在建立实验性的WATM网络，并在其上面实验各种不同的协议。本文尝试分析与无线ATM有关的一些问题，讨论由不同专家提出的一些观点，并对无线ATM网络的关键技术作了一些介绍。1无线技术目前，无线LAN技术使用了红外、UHF波段、扩频及微波技术。个人通信网络(PCN)使用了共享带宽的码分多址(CDMA)技术，数字蜂窝使用的是时分多址(TDMA)技术。专家们对专用通信网(PCN)采用扩频(CDMA)还是窄带(TDMA)意见分歧很大1，所采用的技术会随特定PCN应用而不同。1.1扩频(CDMA)扩频通信所使用的数字射频系统，其占用的带宽比信息速率要大得多7。这项技术最初是用于军事上，其在抗截获和抗干扰上的优势使其成为军事通信上极赋吸引力的选择。码分多址(CDMA)通常用于扩频通信系统，通过为每个信号分配伪序列码，几个信号可同时在相同的频段内传输。扩频包括跳频和直接序列扩频。1.2时分多址(TDMA)TDMA原理较简单。传统上通过在载波上划分无线频谱来产生话音信道，一次通话占用一个信道，这项技术称为频分多址(FDMA)。TDMA将载波划分为无穷无尽重复的小时隙。每次通话占用这些时隙中的一个，这样载波就同时携带了许多通话72ATMATM(异步传递模式)被认为是广域异种网互连的重要技术6。在ATM网络中，数据被分为小的、固定长度的信元，信元是53字节，每个信元有5字节头，包括标识、优先级控制和路由信息，其余的48字节是实际数据。ATM不提供对信元中用户净荷的任何差错检测操作，也不提供重传服务，在小信头上只执行极少的几次操作。ATM交换机支持两种接口：用户-网络接口(UNI)和网络-节点接口(NNI)，UNI连接ATM端系统(主机、路由器等)到ATM交换机上，NNI是连接两台ATM交换机的接口，ITU-T建议用连接标识符标识的ATM连接到ATM网络的每一个用户6。在UNI，连接由信元头上的两种值标识：虚通路标识(VPI)和虚通道标识(VCI)。这些VPI和VCI结合起来构成虚电路标识符。有两类基本的ATM连接3，72.1固定虚连接(PVC)PVC由一些外部机制，典型的是通过网络管理来设立，将在ATM源和目标系统之间的一系列交换编程为合适的VPI/VCI值10。PVCs通常需要一些人工配置。2.2交换虚连接(SVC)SVC连接由信令协议自动建立。SVC不需要建立PVC所需的人工干预，因而可以更广泛地被使用。在ATM上运作的所有高层协议首选SVCs3。ATM适配层(AALs)提供对ATM信元上的传输协议的支持，AAL1和AAL2被用来支持固定和可变比特速率服务，AAL3/4用于非连接的数据传输。AAL5由ATM论坛提出，它支持基于计算机的多种业务传输，主要用于局域范围。AAL5每信元有较少的净荷头，依靠服务质量和统计机制来提供传输多种业务的能力63为何在无线上采用ATM从发展初期以来，ATM的目标是在广域网络环境下统一通信协议，提供端到端的通信。公司不必购买额外的设备(象路由器和网关)来将局域网(LANs)连接进去。ATM被认为可减少网络的复杂性，并在提供端到端的传输性能的同时改善网络的灵活性。许多人都建议采用ATM信元传递模式作为下一代无线传输结构的基础1在个人通信网络(PCN)上采用ATM信元传输有以下几项有利因素：对许多应用，包括一些仍未定义的，都有灵活的带宽分配和服务类型选择；可有效复用从突发数据到多媒体的传输；在无线及有线网络上提供端到端的宽带服务；适合于在ATM交换设备中作内部信元交换；改善分组交换技术的服务可靠性；易于与构成通信主干的有线B-ISDN系统接口。由于以上原因，Raychauhri和Wilson提出在PCN中采用与ATM兼容的固定长度的信元传递模式。这样与ATM主干网间接口相对较透明1。目前在WATM上还未制定固定的标准，在这一领域的讨论和研究工作仍在进行之中。下面尝试分析和讨论由WATM领域专家提出的不同的观点和协议。4关键技术4.1结构由于多数研究人员提出的结构都包括大量小的传输单元，称为微小区。每个微小区设立一个基站。网络中所有的基站通过有线ATM网络互连。微小区中的移动单元仅与服务这个小区的基站通信，与其它移动单元不通信见图1。图1用ATM交换机连接无线基站示意4.2信元尺寸ATM信元尺寸(53字节)是设计用于64Kbps以上速率，这对于无线ATM来说可能太大了(由于低速率和高的差错率)。无线LAN可以使用16或24字节净荷。ATM信头可压缩并在基站扩展为标准ATM。例如，使用2字节以包含12位的VCI(虚通道标识)和4位的控制(净荷类型、信元丢失优先级等)1由Porter和Hopper提出的一种与标准ATM信元格式不同的信元格式兼顾了净荷尺寸和寻址方案2。对端用户来说，移动应该尽可能透明。因而由端用户使用的VCIs在越区切换时应尽可能不变。当在同一区域的不同小区移动，对VCIS的分配应该保持有效。在不同区域移动时，对VCIs的翻译应尽可能简单。这可通过将VCI空间分为一系列域来实现，象区标识、移动标识、基站标识和虚电路数。由于移动网络的高差错率，可使用16位的CRC以检测位错误。4.3协议结构WATM采用ATM来提供数据通信服务，因而其整体结构也是基于ATM协议集的。目前由ATM论坛提出的协议结构示于图2。图2WATM协议结构WATM协议分为两个部分：移动ATM和无线接入层。移动ATM处理用于支持移动性的高层控制和信令功能。这些控制和信令包括越区切换、位置管理、路由、寻址和容量管理。无线接入层负责用于无线ATM接入的无线链路协议。无线接入层包括物理层(PHY)、介质访问控制(MAC)、数据连接层(DLC)和射频资源控制(RRC)。4.4虚电路管理和分组路由Comer和Russo4提出为连接ATM交换机的每个处理器分配彼此间的虚连接，并在其上传输数据分组。另外，处理器使用第二条不同的虚电路用于路由更新。因而，每个无线基站有两条虚电路联系其它基站和每人路由器。当移动无线单元来的分组到达基站时，它能选择指向正确目标的电路。使用两条虚电路可保证路由信息不会与数据混淆，因为数据分组不会在用于路由的虚电路上传输，而路由分组也不会在用于数据的电路上传输。还可以设置电路优先级以保证快速接收和处理最新的路由信息。用于数据报的标准逐跳路由方法必须存储其路由中每个移动系统的位置，这将使数据库中的信息量增大。其次，由于大量移动的存在，将无法保持最新路由信息和全网的统一。基于以上原因，Younger5提出了一种方案，根据此方案移动端系统可以用最少的中断相互连接。在无线网络的每个子网上都需要一个“移动控制器”节点，这些控制器在网络层软件上增加了一个额外的子层以执行对移动系统的路由功能。移动系统可在子网间自由移动，当初始化与移动系统通信时，网络域名服务器可提供位置信息。位置信息的局域缓存及数据前向系统可使运输层不必处理移动5。在广域及局域网络中，虚连接的建立相当快，但在无线网络中却需花费较长时间。因而当移动单元在微小区间移动时，重建所有的虚电路是不实际的。Porter建议使用移动交换点(MSP)2，MSP提供路由点，去移动单元的所有虚电路都在此寻求路由。4.5物理层下一代个人通信网(PCN)的基本设计问题是选择调制方式和比特速率集。在微蜂房环境下，使用现有的技术就可获得范围在510Mbps间的比特速率。因而除了HDTV外，大多数ATM应用都能够获得支持。首选的技术会随PCN应用环境不同而改变，因而极有可能TDMA和CDMA将会共存1。CDMA能够有效地解决频率复用和多址接入问题，与可比的窄带方式相比，能获得24倍的网络带宽效率1，7。然而将CDMA用于支持多种业务PCN的主要缺陷是当给定系统带宽时，频谱带宽限制了用户数据峰值速率。窄带(TDMA)技术能够用来获得高的比特速率，在微蜂房环境下，使用窄带技术我们能够获得816Mb/s的比特率。总之，采用好的物理层设计，能够在大区(510km)、小区(0.5km)和微小区(100m)中支持的波特率各为0.10.25Msym/s、0.51.5Msym/s和24Msym/s1。这些速率足够容纳许多宽带服务。4.6介质访问控制(MAC)WATM中的一个主要问题是在数据连接层寻找合适的信道共享/介质访问控制技术。在无线ATM中，需要设计特别的MAC层以支持标准的ATM服务类型，包括恒定比特率(CBR)、可变比特率(VBR)和未定义比特率(UBR)等。在无线ATM中采用的MAC层协议对用户性能、系统容量和移动终端的复杂性都有重大影响。由于无线链路上受限的带宽需要由不同QOS要求的多媒体应用所共享，开发无线ATMMAC层协议在技术上是一项挑战。早期研究的性能结果显示，对于CBR、VBR和低速互连数据业务，分组CDMA能获得好的业务复用效率和性能1。但CDMA的局限是其高速只能达到1Mb/sec。也可使用窄带调制(TDMA)技术，由Acampora提出的系统使用了TDMA方式4，小区中的移动单元通过登记来决定它们中哪些数据要发送。移动单元在收到基站发出的令牌后可依次发送。登记后，发送语音及其它实时业务的移动单元获得优先级，可在帧的前面部分发送，帧的余下部分用于数据发送。通信量不大时，帧的大部分都可用于数据发送。为WATM设计MAC层协议其中一项难点是设计具传输无线多媒体能力的MAC层，这将可以为大多数ATM应用提供透明传输。4.7数据连接层WATM需要一个自定义的数据连接层协议，它应该尽可能的透明。需要一个自定义的数据连接层协议是因为存在高的差错率和不同分组尺寸的WATM。WATM可能使用16或24字节净荷，53字节对于WATM来说可能太长。数据连接协议包括服务类型定义、差错控制、分割和重新组装以及越区切换支持。服务类型标识用来指示分组是管理/控制、CBR、VBR或ABR等几种类型。服务类型标识简化了基站协议处理。无线ATM网络与有线ATM网络在信道特性上存在巨大的差异。在有线ATM网络中，一些服务类型被定义要处理不同的QOS要求，包括信元丢失率、信元延迟和抖动。相应地无线ATM也应该引入QOS保证机制来提供到有线ATM网络的透明服务。然而，由于噪声、衰落和干扰，典型的无线信道有着较高的信道差错率。需要在无线ATM中采用差错纠正方案以提供与有线ATM网络可兼容的QOS保证。可以在信头上采用PCN分组序列号标识(例如10位)，在尾部增添2字节CRC帧校验。无连接的数据报服务可使用HDLC类的重传。由于WATM可能使用16或24字节信元，这就需要分割和重新组装。可通过使用差错控制序列号中两个最小有效位作为段指针来实现这一目标1。越区切换是无线中的一项重要特性。越区切换在移动单元离开一个小区并进入另一个小区时发生。因而对任何无线网络来说，无数据丢失的软越区切换是非常重要的，且越区切换应该是透明的。通过在信头上使用标识位来指示越区切换前及后的PDUs，可以实现这一功能。4.8网络位置管理和连接建立对移动单元的一项基本要求是允许它在小区之间自由漫移。这个过程不需要任何人工干预。在TACS系统中对移动的监测是通过基站检测从移动单元收到的信号强度来实现的4。当信号低于一个预置值时，交换中心寻找另一个能收到较强信号的基站并将访问切换到这个基站。在每一帧中会留出一段间隔，在这期间新到达及新启动的移动单元可告诉基站它们所处的位置。Porter详细解释了连接建立的过程2。在连接建立时，主机产生一个连接信号，指明两端的网络地址。如果目的地址属于移动单元，就连接本地域位置服务器(DLS)，如果本地域位置服务器(DLS)没有此地址信息，就将路由信息传递给移动单元的主注册处(HR)。HR返回远端DLS的地址，后者返回移动注册器(MR)的地址。一旦移动注册器(MR)的地址已知，则所有的询问都送到这个特殊的移动注册器上。当连接要求到达移动注册器时，它首先询问移动单元，后者决定是否接纳这次呼叫。如果移动单元接纳这次呼叫，这将分配一个虚电路号并将其返回到MR。然后MR在移动交换点(MSP)和远端用户间建立虚电路，并将这条新的虚电路加到MSP和接近移动单元的基站之间的虚通路上。5结论当有线网络采用ATM朝着B-ISDN方向发展以获取高的数据传输速率时，无线个人通信网络也正在快速地发展。人们期望不受固定地点和连线限制的便携、移动通信可以提供大范围的服务并能得到广泛的应用。无线ATM系统被提议用于下一代的宽带多媒体个人通信网络。ATM和无线这两方面都对WATM的发展十分关注。无线ATM的成功在很大程度上将依赖于ATM/B-ISDN有线网络上的实现。如果ATM网络成为有线领域的标准，WATM的成功也将会成为现实。作者简介：黄涛.男，1967年生，工程师。1997年9月在职攻读华南理工大学电子与信息学院电路与系统专业研究生。研究方向为：无线ATM，ATM网网络管理。张传庆.男，1945年生，研究员、付总工程师。研究方向：移动通信等。李于凡.男，1939年生，教授。研究方向：电路纠错，电路与系统。作者单位:黄涛李于凡(华南理工大学广州510310)张传庆(电子部第七研究所广州)参考文献1Raychaudhuri D,Wilson D.ATM-Based Transport Architecture for Multiser vices Wireless Personal Communication Networks.IEEE Journal On Selected Areas In Communication,1994，12(8)：140114132Porter J,Hopper A.An ATM Based Protocol for Wireless LANs.Olivetti Research Limited,1994，43Black U.ATM:Foundation for Br