（通信与信息系统专业论文）宽带短距离无线接入关键技术研究及网关设备的研制.pdf

摘要 本课题是江苏省高技术研究项目“宽带短距离无线接入技术研究( b g 2 0 0 5 0 0 i ) ”和江苏 省科技攻关计划项目“基于多网融合技术的接入设备及其终端产品( b e 2 0 0 4 0 0 8 ) ”研究内容 之一。论文在对宽带短距离无线接入系统的关键技术和典型的解决方案进行研究的基础上， 提出了融合无线个域网、无线局域网和蜂窝网且具有i n t e r n e t 接入功能的宽带短距离无线接 入系统方案，并研制了系统中的嵌入式网关设备，实现了以网关为核心的宽带短距离无线接 入实验系统。 本论文共分为五章。第一章分析了课题的背景意义并对全文章节内容作了安排。第二章 主要研究了短距离无线接入系统中多网融合的关键技术。针对i n t e m c t 与w l a n w p a n 的 融合、蜂窝网与w l a n w p a n 的融合以及w l a n 与w p a n 的融合，从融合方式和网络结 构等方面进行了深入的分析。第三章则基于第二章的分析，设计了基于多网融合技术的宽带 短距离无线接入系统总体方案，然后设计了系统中的关键设备网关的总体方案。第四章则是 根据网关总体设计方案进行详细设计。首先建立了网关的嵌入式硬件平台，并移植了嵌入式 操作系统，然后针对各种模块设计了驱动程序，最终通过应用软件对各种设备的工作进行整 合，完成网关的备项功能。第五章首先设计了宽带短距离无线接入系统中的各种终端设备， 然后使用网关和各种终端构建了实验系统并测试了系统1 = 作情况，最后给出了在系统设计和 测试过程中发现的一些问题和需要改进的地方。 关键词：短距离无线接入、网关、蓝牙、z i g b e e 、i e e e8 0 2 1 l b ，g a b s t r a c t t h er e s e a r c hp r o j e c to f t h i st h e s i si so n eo f t h ep r o j e c t so f t h eh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a ma n dt e c h n o l o g yb r a i n s t o r mp r o g r a mo fj i a n g s up r o v i n c e ，w h i c h a r e n a m e dr e s e a r c ho fs h o r cd i s t a n tb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s ( b g 2 0 0 5 0 0 1 ) a n d d e v e l o p m e n to fa g c e s sa n dt e r m i n a lp r o d u c t sb a s e do nt h ea c r o s s m u l t i n e t w o r kt e c h n o l o g y f b e 2 0 0 4 0 0 8 ) r e s p e c t i v e l y i nt h i st h e s i s ，as c h e m eo fb r o a d b a n ds h o r tr a i l g ew i r e l e s sa c c e s st h a t c o n v e r t ：ew p a n w l a na n dg p r sw i t ht h ef u n c t i o no fi n t e r n e ta c c e s s1 sp r o p o s e db a s e do nt h e s t u d yo fr e q u i r e m e n t sa n dt y p i c a ls c h e m e so fb r o a d b a n ds h o r tr a n g ew i r e l e s sa c c e s s a st h ek e y e q u i p m e n to ft h ep r o p o s e ds c h e m e ，e m b e d d e dg a t e w a yi sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d e x p e r i m e n t s y r s t e mo f b r o a d b a n ds h o r tr a n g ew i r e l e s sa c g e s sb a s c do ne m b e d d e dg a t e w a yi sc o n s t r u c t e d 1 1 1 i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o i l o w s i nc h a p t e rl - t h eb a c k g r o u n do fl l l er e s e a r c ht a s ki si n t r o d u e e da n d1 1 1 ea r c h i t e c t u r eo ft h i s t h e s i si sa r r a n g e d i nc h a p t e r2 ，t h ek e yt e c h n o l o g yo f m u l t i - n e t w o r ki n t e g r a t i o ni ns h o r t - r a n g ew i r e l e s sa c c e s s s y s t e mi ss t u d i e d t h ei n t e g r a t i o nm o d ea n dn e t w o r ka r c h i t e c t u r eh a sb e e na n a l y z e df o c u so n t h e i n t e g r a t i o no f i n t e m e ta n dw l a n w p a n ，g s m g p r sa n dw l a n w p a n ，w l a na n dw p a n i nc h a p t e r3 ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fc h a p t e r2 ，t h eg e n e r a ls c h e m eo ft h eb r o a d b a n d s h o r t - r a n g ew i r e l e s sa c c e s ss y s t e mb a s e do nm u l t i - n e t w o r ki n t e g r a t i o ni sd e s i g n e d a n dt h e nt h e s c h e m eo f g a t e w a y , w h i c hi st h ek e ye q u i p m e n to f t h es y s t e m ，i sa l s op u tf o r w a r d i nc h a p t e r4 ，t h ep a r t i c u l a rd e s i g nb a s e do nt h eg e n e r a ls c h m ei sp r o p o s e d f i r s t l y , t h e e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e d t h e nt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m sr e p l a n t e da n d d r i v e r so fs e v e r a lm o d u l e sa r ei m p l e m e n t e d f i n a l l y , t h eg a t h e ro f t h ef u n c t i o n so f a l lt h em o d u l e s i sd o n eb ya p p l i c a t i o ns o f t w a r et oa c c o m p l i s ht h er e q u i r e m e n to f t h eg a t e w a y i nc h a p t e r5 ，t h et e r m i n a l so fs y s t e ma r ei m p l e m e n t e df i r s t , a n dt h e nu s i n gg a t e w a ya n d t e r m i n a l s a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fb r o a d b a n ds h o r t - r a n g ew i r e l e s sa c c e s si sc o n s t i t u t e d 1 1 1 e f o l l o w i n gi st e s t i n go fs y s t e ms t a t u sa n dp e r f o r m a n c e ，s o m ed a t ah a sb e e ne n r e g i s t e r e d f i n a l l y , s o m ei s s u e st h a te x p o s e dw h i l ed e s i g n i n ga n dt e s t i n gi ss h o w nw i t ht h em e t h o do fi m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：s h o r t r a n g ew i r e l e s sa c c e s s 。g a t e w a y ，b l u e t o o t h ，z i g b e e ，i e e e 8 0 2 1 l b g v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景意义 近年来，随着社会经济的迅速发展，人们对随时随地获得信息服务的需求越来越迫切， 希望能够更快、更方便地接入i n t e m e t 。同时，无线通信技术正在迅速发展，以蜂窝移动通 信网、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ) 和无线个域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 为代表的各种新标准和新技术如雨后春笋般涌现，其中宽带短距离 无线接入技术发展尤其迅速，目前已经有了很多成熟的和处于讨论阶段的短距离无线接入技 术标准，例如i e e e8 0 2 1 1 a b g 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、h o m e r f 、z i g b e e 、超宽带( u w b ， u l t r aw i d eb a n d ) 等，而这些接入方式正在逐步代替传统有线网络，成为解决i n t e m e t 接入中 最后1 0 0 米问题的首选方案。这些宽带短距离接入网络与各种广域网络的融合，是目前通信 技术的一个发展趋势，能够为用户提供方便的无线接入方式、更高的数据接入速率和更好的 用户体验。 蜂窝移动通信网作为目前应用范围最广的无线通信网络，正在迅速向前发展。在经历了 以高级移动电话系统( a m p s ，a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 为代表的第一代模拟移动通 信系统和以g s m 、窄带c d m a 为代表的第二代( 2 g ，2 n dg e n e r a t i o n ) 数字移动通信系统之 后，目前正在向以w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表的第三代( 3 g ，3 “g e n e r a t i o n ) 数字移动通信系统演进，而全球微波接入( w i m a x ，w o r l dx n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 也在- - 0 0 七年十月十九日被国际电信联盟( i t u 。i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 确定为3 g 标准之一。与此同时，3 g 之后的移动通信系统标准问题也已经提上日程， 正处于全球范围内征集标准草案的阶段。移动通信网络不断发展和演进的过程，从技术指标 上来看就是不断提高终端接入速度，使得用户可以更快、更便捷地接入i n t e r a c t 的过程。目 前已经出现了以手机电视和视频电话为代表的应用方向，使用户能够感受到3 g 的高速接入 所带来的全新体验。 w l a n 主要用于覆盖l o o 米以内的局部区域，提供高速无线接入i n t e m e t 的功能，目前已 经得到了广泛的应用。由于与3 g 移动通信网在覆盖范围和接入速率等方面具有很强的互补 性，所以，目前w l a n p 。经从最初充当延伸有线网络最后1 0 0 米接入的角色拓展开去，成为 了小区域高速无线互联及数据接入的主要手段之一。目前应用最为广泛的w l a n 标准为 i e e e8 0 2 1 1 协议族，主要包含8 0 2 1 1a 、b 、e 、g 、h 、i 、n ，其中以使用2 4 g h z 频段的8 0 2 1 t b g 应用得最为普遍，其峰值速率分别达到了1 1 m b p s 和5 4 m b p s 。 随着w l a n 的发展，人们逐渐意识到需要一种覆盖范围更小，但能够使个人周围的各种 短距离通信设备互连互通的无线通信方式，而w p a n 就在这样的需求下应运而生。w p a n 专 注于将个人周围1 0 m 范围内的电子设备以无线方式进行连接，目前主流技术有b l u e t o o t h 、 z i g b e e 、u w b 等。b l u e t o o t h 是一个全球统一的开放性技术标准，工作于2 4 g h z 频段，并且 能够同时提供数据及语音通信功能。随着近年来蓝牙产业链上游成本的逐渐降低，使得以无 线耳机为代表的各种蓝牙产品越来越普及，而各种新推出的中高端手机基本上都将蓝牙划入 了标准配置之中。同时，顺应着全网i p ( i n t e m e t p r o t o c o l ，网际协议) 化的发展趋势。蓝牙 接入i n t e m e t 、公众交换电话网( p s t n ，p u b l i cs w i s ht e l e p h o n en e t w o r k ) 的各种网关及终 端设备也已研制成功并走向商用。与蓝牙技术的发展现状相比，z i g b e e 和u w b 则还处f 初 期阶段。z i g b e c 专注于节点低功耗以及大量节点问的自组网功能，适合于无线传感器网络等 节点数量大、需要多跳转接通信并对功耗要求很严格的应用场合；u w b 则更专注于提供短 距离内的超高速数据传输，可提供高达4 8 0 m b p s 的数据速率，但目前均未达到大规模应用的 阶段。 上述的2 g 3 g 蜂窝移动通信网络、w l a n 、w p a n 在数据速率与覆盖范围方面的对比如 图1 1 所示f jj 。3 g 移动通信网提供的高速无线数据业务目前尚缺乏杀手级应用，主要是由于 主流用户对移动终端上的各种宽带视频服务仍缺乏足够的兴趣。但是，对于w l a n 乖i w p a n 所提供的宽带短距离无线服务以及个人通信服务，用户需求非常迫切，希望根据自己的需要 东南大学硕士学位论文 以及周围w ia n ，w p a n 网络资源，以操作最便捷、费用最低廉的方式接j , w l a n 和w p n 。 因此，未来的应用场景中将会在通信需求密集的小区域内以分布宽带短距离无线接入网关的 方式满足用户的需求，而网关必须能够融合多种短距离无线接入并将其透明的接入宽带 i n t e m e t ，实现小区域内的多种无线接入方式交叉重叠覆盖1 2 - 4 1 。 1 01 0 0m m i l l * m b p 图1 12 0 3 0 移动通信网与w l a n 、w p a n 的比较 在上述的应用场景描述中，网关必须能够提供多种短距离无线接入服务，这是多网融合 的一个重要体现。多网融合是目前研究的一个热点，其主要含义是在网络应用层面，将各种 应用整合到口网络上，从而实现应用上的融合与统一。 1 2 论文的主要内容以及各章节安排 本论文对基于多网融合技术的宽带短距离无线接入系统需求以及目前主流的几种融合 方式进行了深入的研究，并在此基础上提出了融合w l a n 和w p a n 终端接入功能，并使其透 明地接入n m e t 和外部语音网络的多网融合宽带短距离无线接入系统设计方案，研制了系 统中的网关设备，并与各种终端接入设备共同构成了宽带短距离无线接入实验系统。 本论文所设计的宽带短距离无线接入网关采用嵌入式硬件平台，以基于a r m 9 2 0 t 内核 的主流嵌入式处理器为核心并添加所需的外围设备从而构成完整平台。硬件平台运行嵌入式 l i n u x 内核，并通过加载不同的设备驱动实现对各种终端接入模块和外部网络接入模块的操 作与控制。本论文所设计的网关提供的终端接入类型主要包括b l u e t o o t h 、8 0 2 1 l b g 和z i g b e e ： 外部网络接入类型主要包括i n t e r n e t 、g s m g p r s 蜂窝网以及p s t n 接入。而处理核心的功能 就是分别驱动各个接入模块并将各种接入网络进行融合，进而实现诸如基于最低资费或最快 速度的外部数据网络接入选择、基于最优语音质量的外部语音网络接入选择等各种应用层面 的服务，从而实现具有实用价值的宽带短距离无线接入系统。 本论文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章绪论。主要介绍了本论文所研究的宽带短距离无线接入系统的课题背景意义以 及后续各个章节的内容安捧。 第二章基于多网融合的短距离无线接入关键技术研究。主要研究了各种短距离无线接 入技术的互相融合及其与外部网络融合中的应用场景和关键技术。选取了多网融合的三个典 型代表：i n t e m e t 与w l a n w p a n 的融合、蜂窝网与w l a n w p a n 的融合以及w l a n 与w p a n 的融合通过对融合方式以及网络结构方面的分析，为本论文中宽带短距离无线接入系统的 设计方案提供理论依据。 第三章宽带短距离无线接入系统总体方案设计。本章基于第二章对多网融合方案的研 究与分析，提出了融合w l a n 和w p a n 并能够接) , i n t e m e t 、蜂窝网和p s t n 的宽带短距离无 线接入系统总体方案。然后对系统中的关键设备网关的功能进行了分析并提出了网关的总体 2 第一章绪论 设计方案。 第四章基于多网融合的宽带短距离无线接入系统网关设备的研制。本章基于第三章的 系统总体方案和两关设备总体方案，详细阐述了阿关设备的研制过程。首先设计了嵌入式硬 件平台，然后移植了l i m u l 【操作系统内核，根据需要添加了各种外设接口和通信模块的驱动 程序，最后通过应用软件对系统各个模块进行整合，实现了网关的各项功能。 第五章宽带短距离无线接入实验系统的设计与实现。本章首先根据系统总体方案设计 了三种终端接入设备，然后基于网关和各种终端设备构建了宽带短距离无线接入实验系统， 并对系统进行了测试。最后列出了在设计和测试过程中发现的一些问题以及可进一步深入的 工作，同时提出了后续工作的思路和方案。 第二章基于多网融合的短距离无线接入关键技术研究 第二章基于多网融合的短距离无线接入关键技术研究 多网融合主要包括数据传输层面和应用层面的融合。在数据传输层面，多网融合是将包 括p s t n 上的语音数据、有线电视网络上的视音频数据等都整合到一个网络中进行传输，此 时的物理传输媒介就是融合网络。而在应用层面，则是将各种异构网络上的应用整合到碑 网络上，从而实现应用层面的统。在针对各种现有网络的融合方式上，人们已经作t t t 多 的研究。通过对这些融合方式的研究，将为短距离无线接入系统的设计提供重要的指导和参 考。 2 1 短距离无线接入系统中i n t e m e t 与w l a n w p a n 的融合 i n t e r n e t 作为目前应用最为广泛的m 网络，能够覆盖全球的任何角落。但是，传统用户 接入i n t e m e t 主要依靠有线方式，而随着各种具有i n t e m e t 接入功能的i t 数码产品不断增多， 人们发现需要携带的各种连接线越来越多，所以就希望能够将各种数码产品通过无线方式接 入i n t e m e t w l a n 和w p a n 就在这样的需求下不断地发展起来9 j 。其中，以 e e e 8 0 2 1 1 b g 为代表的w l a n 和以b l u e t o o t h 、z i g b e e 为代表的w p a n 正在扮演着连接多个移动终端并 将其接入i n t e m e t 的角色。 目前8 0 2 1 l b g 的接入点( a p ，a c c e s s p o i n t ) 已经布设在了很多公共场合，而8 0 2 t l b g 终端则逐渐成为笔记本电脑及个人数字助理( p d a ，p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 等各类数码 设备的标准配置。于是。各种终端就能够在8 0 2 1 1a p 的无线覆盖范围内方便地实现无线接 入，图2 1 给出了此类接入方式的网络结构。由于不同终端均必须直接与8 0 2 i ia p 相连， 因此。a p 的无线信号覆盖区域直接决定了该局域网的范围，所以造成了局域网范围较小， 移动性较差。如果需要为各类8 0 2 1 1 终端提供无缝( s e a m l e s s ) 漫游，只能通过布设足够多 的a p 来实现，但由于成本过高而使得其推广价值受到了限制”o j 。 针对w l a n 存在的上述问题，w p a n 给出了可行的解决方案：多跳( m u l h h 0 p ) 。w p a n 的两个典型代表b l u e t o o t h 和z i g b e c 均能够支持点对点和点对多点的无线连接方式，首先将 近距离节点组成微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间又可以互连而构成分散网，形成结构灵 活的多重微微网结构。图2 2 m 显示了z i g b e e 的典型网络拓扑结构，既有类似于8 0 2 1 1 的星 型网，也有对等网和混合网等类型。 针对b l u e t o o t h 和z i g b e e 在数据传输中可提供多跳转接的特点，可以使得w p a n 终端 在接入i n t e m c l 的方式上更加灵活。图2 3 给出了w p a n 终端接入i n t c r n e t 的典型网络结构。 w p a na p 可以直接接入i m e m c t ，而与a p 距离较近的w p a n 设备直接与a p 连接，无法与 a p 直接连接的设备则就近与其它w p a n 设备相连，通过多跳方式最终形成与a p 直接连通 的逻辑链路。其中。选择多跳路径的算法是近年来的一个研究热点，比较典型的路由选择算 东南大学硕士学位论文 法有扩散法( f l o o d i n g ) 、闲聊法( g o u i p i n g ) 、定向扩散( d i r e c t e d d i f f m i o n ) 、低功耗自适 应聚类路由协议( l e a c h ) 等i s 。 图2 2z i g b e e 网络典型拓扑结构 通过如图2 3 的网络结构，能够增大w p a na p 的覆盖范围；同时也可以采用图2 2 中 的对等网和混合网结构，实现小区域内多个w p a n 设备的临时互联，并以此为基础在应用 层提供面向用户的多种差异化服务。例如目前部分移动终端设备制造商就能够提供小范围内 无a p 情况下多个终端通过b l u c t o o t h 等进行互联的功能，并提供文件共享、联机游戏等应 用功能。 上述的数据多跳传输机制有效地解决了w p a n 网络中终端直接与a p 连接时距离过近 的问题，不过同时也引入了安全性以及可靠性等方面的其他问题。由于在多跳传输过程中， 各个桥节点均有可能获得完整或部分的源数据，因此，如果传送私密信息，则安全性将很滩 6 第二章基于多网融合的短距离无线接入关键技术研究 得到保障。同时，由于多跳过程中数据将经过若干个桥节点，所以若任何一个桥节点出现临 时退出网络或电力耗尽等情况，都将使得整条数据通路受到影响。而重新寻找并建立新的数 据通路时，有可能需要较长时问甚至无法成功，因而将影响到数据传输的可靠性。所以， w p a n 网络的安全性和可靠性将会是今后需要研究的一个重点问题。 2 2 短距离无线接入系统中蜂窝网与w l a n w p a n 的融合 以g s m 和窄带c d m a 为代表的2 g 蜂窝网是目前覆盖范围最广，用户数量最多的移动 通信网络，主要提供语音服务。而g s m 和c d m a 各自的演进版本g p r s 和c d m a 2 0 0 0i x 则能够提供数据接入服务，峰值速度分别可以达到1 7 1 2 k b p s 和1 5 3 6 k b p s t g j 。由于二者均具 有覆盖范围广的优势，因此已经成为需要随时随地接入i n t e m e t 等类似需求的首选解决方案， 目前已有很多的g p r s 和c d m a 无线上喇卡产品。但是，二者在接入速度上的问题却限制 了其应用范围，此时3 g 的出现正好弥补了这个问题，3 g 的数据接入速率为室内环境下 2 m b p s ，室外及慢速移动环境下3 8 4 k b p s ，快速移动环境下1 4 4 k b p s ”。因此，随着蜂窝网数 据接入速度的提高和每比特资费的降低。今后的应用范围将会越来越广泛。本节以g p r s 为例，阐述蜂窝网与w l a n w p a n 网络的融合方式。 g p r s 与w l a n w p a n 融合的传统方式是在不改变g p r s 核心用的前提下进行的，主 要分为紧耦合和松耦合两种方式1 t 0 - 1 5 1 如图2 4 所示为g p r s 与w l a n w p a n 采用紧耦合方式融合的网络结构示意图。融合 点在图中的g t 处，处于蜂窝网的基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 和服务g p r s 支持节点( s g s n ， s e r v i n g g p r ss u p p o r t n o d e ) 之间。由于融合点g t 处于g p r s 核心网之前，因此w l a n w p a n 网络是作为一种可选的无线接入网( r a n ，r a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 连接到g p r s 核心网的。 从g p r s 核心网的角度来看，用户通过蜂窝网接入或者通过w l a n w p a n 接入并无区别。 不过紧耦合的融合方式需要w l a n w p a n 网络设备与s g s n 接口匹配，因此。一般只有蜂 窝网设备提供商设计的w l a n w p a n 设备才能够满足要求，第三方设备很难直接接入 s g s n 。同时，不支持g p r s 协议的w l a n w p a n 终端也不能够顺利通过g p r s 核心网接 入i n t e m e t 图2 4g p r s 与w l a n w p a n 紧耦合网络结构示意图 如图2 5 所示为g p r s 和w l a n w p a n 采用松耦合方式融合的网络结构示意图。融合 点在图中的g i 处，处于g p r s 核心网之后，直接接入运营商i p 网络。因此，松耦合方式不 需要w l a n w p a n 网络设备与g p r s 核心网对接，也不需要w l a n w p a n 网络终端带有 7 东南大学硕士学位论文 g p r s 协议。在松耦合的网络中，w l a n w p a n 需要采用与目前g p r b 相同的基于$ 1 m ( s u b s c r i b ei d e n t i t ym o d u l e ) 卡的授权、认证和计费( a a a ，a u t h o r i z a t i o n ，a u t h e n t i c a t i o n ， a c c o u n t i n g ) 方法才能够顺利地接入运营商m 网络 图2 5g p r s 与w l a n w p a n 松耦合网络结构示意图 上述两种融合方式均不改动g p r s 核心网。如果允许对g p r s 核心网结构进行调整，则 将能够形成更合理的网络融合方式。如图2 6 即为修改核心网之后的g p r s 与w l a n w p a n 融合的网络结构示意图【1o ，”。5 t 。图中，w l a n w p a n 网络的覆盖小区称为热点( h o t s p o t ) ， 每个h o t s p o t 内都具有一个a p 并可以服务若干终端设备。h o t s p o t 的上级设备为热点管理器 ( h m ，h o t s p o tm a n a g e r ) ，h m 与多个h o t s p o t 的a p 相连，作为中介设备负责各h o t s p o t 与核心网之间包括a a a 在内的控制和数据信息交互。在核心网中，与h m 直接相连的是热 点网络区域控制器( h n a c ，h o t s p o tn e t w o r ka r e ac o n t r o l l e r ) ，其主要功能是提供h m 接入 核心网的接口，并使其能够间接的访问核心网内的设备 图2 6 中，核心网内的本地用户服务器( h s s ，h o m es u b s c r i b e rs e r v e r ) 一般用来存放 终端用户的身份及路由信息，而核心网经过修改后h s s 则必须包含w l a n w p a n 终端用户 的信息，包括注册信息、当前所属h o t s p o t 和h n a c 信息等。图中s g s n 与h s s 之间的虚 线表示在g p r s 用户接入网络时s g s n 需要访问h s s 并查找与该用户相关的各种信息，而 h n a c 与h s s 之间的虚线则表示w l a n w p a n 用户在接入网络时h n a c 需要访问h s s 并 查找该用户相关的信息。同时，h s s 也能够提供用户鉴权矢量及管理信息。核心网中的另 一个新增的设备是网关热点网络支持节点( g h s n ，g a t e w a y h o t s p o t n e t w o r k s u p p o r t n o d e ) , 其作用与g p r s 核心网中的网关g p r s 支持节点( g g s n ，g a t e w a y g p r ss u p p o r t n o d e ) 类 似，对传输内容进行管理，同时接入i n t e r n e t 。 通过上述对g p r s 核心网的改动，使得g p r s 网络和w l a n w p a n 网络共用同一个 h s s ，于是能够使任何一个g p r s 终端和w l a n w p a n 终端均具有唯一且互相兼容的移动 用户号( m s i ，m o b i l es u b s c r i b e ri d e n t i t y ) 。在数据传输上，当有数据包发往指定m s i 时， 首先需要查询该m s i 对应的用户属于g p r s 用户还是w l a n w p a n 用户，然后再通过蜂窝 网络或热点网络发送至目标用户。 上述兰种方法，前两种方法采用了不同的融合点，而第三种方法则修改了核心网的结构， 实现了蜂窝网与w l a n w p a n 网络的融合。第三种方法中修改核心网并增加h n a c 和 g h s n 模块的方法，在第三代合作伙伴计划( 3 g p p 3 ”g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 标准 中已经有类似规定，其中将h n a c 和g h s n 联合称为分组数据网关( p d g ，p a c k e td a t a g a t e w a y ) 【l o j ”。而所有w l a n w p a n 终端则通过h o t s p o t 与p d g 相连并最终接入i n t e m e t 。 8 第二章基于多同融合的短距离无线接入关键技术研究 图2 6 改变g p r s 核心网并与w l a n w p a n 融合的网络结构示意图 2 3 短距离无线接入系统中w l a n 与w p a n 的融合 如2 1 节所述，w l a n f t ，p a n 网络中的终端一般通过与a p 建立直通的逻辑链路从而接 入n t e r n e t ，所不同的是w l a n 网络内终端一般直接与a p 连接，而w p n 网络内终端则可 能通过多跳方式与a p 建立连接。因此，两者的融合可以通过将w l a n a p 和w p a n a p 的 功能融合成单一的a p 设备来实现，其网络结构如图2 7 所示。 图2 ，7 w l a n 与w p a n 融合的网络结构示意图 对于w l a n w p a n 终端之间的数据通信，可以在图2 7 所示的网络中进行，数据只需 通过网关进行转发即可。如果终端需要接入外部网络，则网关必须具有接入外网的功能，这 可以通过以太网等有线方式及蜂窝网等无线方式来实现 在本论文所设计的网关设备中，w l a n 和w p a n 的融合方式即采用图2 7 所示的方法。 2 4 本章小结 本章首先介绍了宽带短距离无线接入系统中多网融合的必要性，然后具体讨论了 i m e m e t 与w l a n w p a n 、蜂窝网与w l a n w p a n 以及w l a n 与w p a n 的融合方案，为 本论文所设计的宽带短距离无线接入系统中多网融合的方案提供了很好的指导和参考。 9 第三章宽带短距离无线接入系统总体方案设计 第三章宽带短距离无线接入系统总体方案设计 3 1 系统需求分析 随着具有w l a n 和w p a n 接入功能的终端设备逐渐增多，人们希望在办公室、家庭、 会议场所等人群密度较大的热点区域提供多种短距离无线接入服务，而这就需要布设 w l a na p ，b l u e t o o t ha p 、z i g b e ea p 等多个接入设备。如果能够将上述多种a p 的功能集 合在同一个接入设备上，就能够使h o t s p o t 区域内的多种终端同时接入并共享i n t e r a c t 出e l 带宽。提供多种接入方式的网关设备上也可以提供一些接入选择及备份功能，例如当以太网 和g p r s 两种i n t e r n e t 接入方式均可用时，可以让用户选择使用何种方式，或者按照资费最 低、接入速度最快等规则进行自动选择。而如果当前接入方式意外断开，则可自动通过其他 备用方式进行连接，对用户尽量屏蔽接入方式切换带来的影响。 宽带短距离无线接入系统在提供数据接入的同时，也需要提供语音接入功能，以使语音 终端能够接入本系统的网关设备从而接入蜂窝网或p s t n 等外部语音网络。例如，如果网关 上的b l u e t o o t ha p 能够与普通的b l u c t o o t h 终端建立语音链路并将拨号控制信息和话音信号 传送到p s t n 网络，则b l u e t o o t h 终端就能够通过p s t n 网络拨叫任何号码并通话，达到蓝 牙无绳( c o r d l e s s ) 电话的效果【1 6 1 ；另外，对于两个b l u e t o o t h 语音终端之间的通话要求也 可以通过无线方式进行直接连接，从而形成小区域内的短距离无线通信网络。 综合上述需求分析，本论文所设计的宽带短距离无线接入系统必须能够同时提供宽带短 距离无线数据接入功能和短距离语音接入功能，并能够实现数据终端设备间的互连互通及接 入i n t e r a c t 、语音终端设备间的互连互通及接入外部语音网络的功能。 3 2 系统总体方案设计 根据上述需求分析，本系统可以分为网关设备和终端设备两部分。其中终端设备主要包 含w l a n 终端、w p a n 终端及语音终端，网关设备主要包含处理核心、外网接入模块以及 与各种终端设备对应的内网接入模块。 考虑到本系统的实用性和兼容性，因此对于内网的w l a n 接入方式，选择采用具有代 表性的i e e e8 0 2 1 1b ，g ；对于w p a n 接入方式，选择采用b l u e t o o t h 和z i g b e e ；对于语音终 端的接入方式，则与w p a n 共用b l u e t o o t h ，因为b l u e t o o t h 标准中就规定了其可同时支持数 据和语音传输。 考虑到本系统的外网接入方式需要具有通用性，因此，选择以太网和g p r s 网络作为接 入i n t e r n e t 的方式；选择蜂窝网和p s t n 作为接入外部语音网络的方式。 由此，可以得到如图3 1 所示的宽带短距离无线接入系统总体方案示意圈。在本系统中， 8 0 2 1 1b g 、b l u e t o o t h 和z i g b e e 终端以无线方式接入网关，并选择通过有线以太网或g p r s 接入i n t e r n e t 。同时，b l u e t o o t h 语音终端能够无线接入网关并通过g s m 或p s t n 接入外部 语音网络。 根据系统的总体方案，可将本系统工作流程总结为如下四个步骤： ( 1 ) 各种终端设备根据用户操作或者以定时方式查询附近有无网关设备。 ( 2 ) 如果终端设备发现网关，则向网关发送连接申请。其中，需要与网关交互的信 息主要包括设备类型及身份( i d e n t i t y ) 、申请连接类型等。 ( 3 )终端设备根据需要与网关的对应无线接入模块连接，网关则需要获取终端所申 请的服务类别，并据此判定是否需要分配将该终端接入外部数据或语音网络的 资源。 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 对于已连接的终端，网关必须能够接收终端断开连接的请求，也必须能够感知 终端离开无线信号覆盖范围的情况，并根据对应协议断开与该终端的连接并释 放与该终端对应的外部网络接入资源等。 图3 1 宽带短距离无线接入系统总体方案示意图 3 3 网关总体方案设计 通过上述的系统总体方案可以看出，网关是系统的核心，既要求能够与多种不同接入方 式的终端建立无线连接，又同时要求能够接入外部数据和语音网络。所以，网关需要具备如 下5 个功能： ( 1 )网关需要提供8 0 2 i ib g 、b l u e t o o t h 和z i g b e e 接入功能，能够区分新申请接入 终端的类型并进行鉴权，允许通过鉴权的终端与网关上对应的接入模块建立连 接。 ( 2 ) 网关必须能够接入i n t e r n c t 、g s m g p r s 蜂窝网和p s t n ，并能够设定外网接入 时的优先级顺序。 ( 3 ) 对于通过网关鉴权过程的终端设备，网关上应该保留其登记信息。如果此终端 再次进入网关的覆盖范围时，则能够自动查找到以前的登记信息并跳过鉴权过 程而直接与网关建立连接。 ( 4 )对于已连接的终端设备离开无线网络覆盖范国时，网关必须能够在一定时延内 感知该事件并根据相关协议断开该连接，释放其接入外部网络时所占用的各种 资源。 ( 5 )网关应能够区分通信过程中语音终端和数据终端的类型，并在处理时赋予语音 业务以较高的优先级，确保语音通信的服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) 。 根据上述的五个功能，我们可以得到网关设备的功能模块框图如图3 2 所示。其中，微 处理器( m p u ，m i c r op r o c e s s o r u n i t ) 为网关的处理核心，负责支撑操作系统( o s ，o p e r a t i n g s y s t e m ) 的运行并在其基础上驱动各个通信模块。运行不同通信模