（通信与信息系统专业论文）基于异构网络融合的宽带接入设备研制及关键技术研究.pdf

摘要 本学位论文是江苏省高技术研究计划“宽带短距离无线接入技术”( 项目编号： b e 2 0 0 5 0 0 1 ) 和江苏省科技攻关计划“基于多网融合技术的接入设备及其终端产品”( 项 目编号：b e 2 0 0 4 0 0 8 ) 等课题的研究内容之一。伴随着各种通信网络的发展，基于异构 网络融合的宽带接入技术是近年来国内外研究的热点课题之一。本文对异构网络融和的 模型和拓扑结构等关键技术进行了研究；论述了基于异构网络融和宽带接入设备的设计 方案，并利用嵌入式平台实现了网关的功能：利用网关搭建了基于v o w p a n ( v o i c e o v e r w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 的多跳语音通信系统，目前已实际应用。 全文共分五章。第l 章给出了课题的内容、背景和研究目标，说明了全文的章节安 排。第2 章说明了网络融合的现状与发展，包括蜂窝网、a d h o e 网络、无线局域网、i n t e m e t 等网络之间的相互融合，讨论了融合后的拓扑结构和关键技术，对未来无线接入网结构 进行了展望。第3 章详细阐述了嵌入式网关的总体设计方案，介绍了嵌入式开发平台的 硬件配置，给出了蜂窝网接口、以太网接口和p s t n 接口的硬件解决方案。第4 章深入 讨论了嵌入式网关的软件设计方案，介绍了开发平台的软件配置及软件开发流程，论述 了蜂窝网接口、以太网接口和p s t n 接口的软件设计方案和实现方法，给出了蜂窝网和 a dh o e 网络互联的软件解决方案。第5 章阐述了利用嵌入式网关所搭建的多跳语音通 信系统的实现方案，对系统性能进行了分析，系统通过网关和公用电话交换网建立语音 连接，重点讨论了基于v o w p a n 的语音跳转模式。 关键词：异构网络；多网融合；宽带接入；嵌入式网关 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sf r o mt h er e s e a r c hp r o j e c t so ft h eh i g ht 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 mo fj i a n g s up r o v i n c e ( n o b e 2 0 0 5 0 0 1 ) n a m e dr e s e a r c ho fs h o r t d 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 sa n dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b 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 ( n o b e 2 0 0 4 0 0 8 ) n a m e dd e v e l o p m e n to f a c c e s s a n dt e r m i n a ip 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 yr e s p e c t i v e l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ev a r i e t yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，b 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 a s e do nt h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r ki n t e g r a t i o nh a v eb e c o m et h ef o c u so fr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n ti nt h ew o r l d t h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sm o d e la n da r c h i t e c t u r eo ft h eh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k c o n v e r g e n c ea r er e s e a r c h e d ；t h ed e s i g ns c h e m eo ft h eb r o a d b a n da c c e s se q u i p m e n tb a s e do n h e t e r o g e n e o u sn e t w o r kc o n v e r g e n c ei sd i s s e r t a t e d ，t h eg a t e w a yi sr e a l i z e db yu s i n ge m b e d d e d p l a t f o r m ；av o i c er e l a ys y s t e mb a s e do nv o i c eo v e rw i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( v o w p a n ) i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db yu s i n gt h eg a t e w a y ，t h i ss y s t e mi sa p p l i e di n m a n yf i e l d sf o rc o n t r 0 1 t h ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o l l o w s i nc h a p t e r1 t h er e s e a r c ht a s ka n di t sb a c k g r o u n da r ed e s c r i b e d t h ea r c h i t e c t u r eo ft h e d i s s e r t a t i o ni si n t r o d u c e d t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to ft h en e t w o r kc o n v e r g e n c ei sd e s c r i b e di nc h a p t e r2 ，t h e n t h ea r c h i t e c t u r ea n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e so fs o m en e t w o r kc o n v e r g e n c ea r ed i s c u s s e d ，s u c h a sc e l l u l a rn e t w o r kw i t ha dh o cn e t w o r k c e l l u l a rn e t w o r kw i t hw l a n i n t e m e tw i t ha dh o c n e t w o r ka n ds oo n i nc h a p t e r3 ，t h ed e s i g ns c h e m eo ft h ee m b e d d e dg a t e w a yi se x p a t i a t e dp a r t i c u l a r l y , t h e h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ee m b e d d e dp l a t f o r mi si n t r o d u c e d a n dt h eh a r d w a r es o l u t i o n so f c e l l u l a rn e t w o r ka c c e s s e t h e m e ta c c e s s p s t na c c e s sa r ei l l u s t r a t e d t h es o f t w a r ed e s i g ns c h e m eo ft h ee m b e d d e dg a t e w a yi sd i s c u s s e di nc h a p t e r4 t h e s o f t w a r ec o n f i g u r a t i o na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s sa r ei n t r o d u c e d t h es o f t w a r ed e s i g ns c h e m e a n dr e a l i z a t i o no fc e l l u l a rn e t w o r ka c c e s s e t h e m e ta c c e s sa n dp s t na c c e s sa l ee x p l a i n e d t h e c o n v e r g e n c es c h e m eo fc e l l u l a rn e t w o r ka n da dh o cn e t w o r ki sd i s c u s s e d i nt h el a s tc h a p t e r , t h er e a l i z a t i o no ft h ev o i c er e l a ys y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e d g a t e w a yi sd i s c u s s e d t h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d t h es y s t e mc o u l dc o m m u n i c a t e w i t hp u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r kb yg a t e w a y ；t h er e l a ym o d eb a s e do nt h ev o w p a n i sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ，n e t w o r kc o n v e r g e n c e ，b r o a d b a n da c c e s s ，e m b e d d e d 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：基左皇日期：2 1 丑l ! 竺 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。 研究生签名：盐盔i 垒 导师签名：日期： 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 随着移动通信和互联网的飞速发展、新一代宽带接入技术的不断出现，使得传统意 义上信息的获取和传输的手段以及数据存储和共享的方式发生了很大的变化，人们能够 以无线接入的方式，随时随地实现各种各样的通信需求。移动终端对无线接入需求的增 加，使得频率资源和系统容量的矛盾变得日益突出，以宽带、大容量、多媒体为特色的 未来移动通信系统的应用会进一步加剧这两者之间的矛盾。由此出现了针对不同场合和 不同应用的多种无线网络，从不同层次满足人们日益增长的通信需求。在为解决频率资 源和系统容量的矛盾提供了有意义的解决方案的同时，多种网络并存带来的矛盾和问题 也逐步凸现。宽带和大容量这一对矛盾促使着人们寻求新的更为有效的办法。 针对这一问题，人们提出了许多解决方案，其中短距离宽带无线接入技术是最具代 表性的解决方案。短距离的应用和大范围快速移动情况下的应用相辅相成，互为补充， 具有重要的现实意义。从某种意义上讲，短距离应用的市场前景可能更为广阔，因为它 可以最大限度地利用各种固定设备，无线设备的发射功率较小，有利于频率资源的复用， 通过采用一些优化算法和新的技术可以大大提高传输速率，系统的容量较大，同时也减 少了人们对大功率电磁波对人体危害的忧虑。目前国际上已提出的短距离无线接入标准 主要有：以i e e e8 0 2 1 6 为代表的宽带无线城域网技术和标准；以i e e e8 0 2 1 1 系列和 h i p e r l a n 为代表的无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 技术：以i e e e 8 0 2 1 5 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 为代表的无线个域网( w p a n ，w i r e l e s s p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 标准。 宽带无线接入技术在国际上正在迅速发展，针对接入技术中“最后一公里”的问题， 围绕可移动设备如何接入多网( 包括互联网、蜂窝网、公用电话交换网等) 以及部分固 定设备如何实现海量无线数据通信这些基本问题，国际上已提出和正在提出一些标准， 许多科研机构正在研究或推出一些新的技术和实现方法【1 1 1 2 1 1 3 1 。 当宽带接入技术与w l a n 技术相结合时，其速度可与标准以太网相媲美，任何在 c a b l em o d e m 或d s l 等宽带接入网上交换的信息流，几乎都可平滑地在无线局域网上 传送，例如电子邮件、网上聊天、音频视频流媒体及各种基于w e b 浏览器的应用等。 随着w l a n 技术的日趋成熟，以及w l a n 在接入速率和适应环境上与3 g 的互补性， 使得w l a n 的应用已经从单纯有线网络的延伸拓展开来，成为室内微微小区尤其是热 点地区重要的高速无线数据接入手段之一。以蓝牙和i e e e8 0 2 1 l 系列为代表的短距离 接入应用，使各种现有网络增添新功能，使各类通信及电器设备增添无线传输和组网功 能，在家庭和办公室自动化等场合应用前景极为广阔。 随着i n t e m e t 速率的提高、相关短距离接入标准的发展，短距离接入的速率必然需 要提高。同时，在通用平台上的多网融合也是对未来系统的最重要的要求之一。宽带短 距离无线接入将无线应用技术、网络技术和终端技术联系到了一起，本文将重点研究异 构网络融和的关键技术和基于异构网络融合的宽带接入设备的研制。 东南大学硕l 学位沦上 1 2 论文的主要内容和各章节的主要安排 本文重点研究了异构网络融合的关键性技术。包括蜂窝网与无线局域网、蜂窝网与 a dh o c 网络、i n t e r n e t 与a dh o c 网络等异构网络之间的瓦联方式。在理论分析的基础 上，依托基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 的嵌入式开发平台，扩展了蜂窝网接口、以太网接口和p s t n 接口，使得嵌入式平台可以接入多网；通过移植相关的驱动软件，使得嵌入式、平台能够 支持满足8 0 2 1 】b 协议的无线网卡和满足蓝牙1 1 版本的蓝牙模块，并町以通过它们与 相应的终端建趁连接。通过控制使得多种类型的终端可以同时通过嵌入式平台接入多 网，从而为进行异构网络融合关键技术的研究搭建了一个平台( 网关) 。 本论文的章节安排如下： 第l 章：绪论。介绍了课题的背景知识，明确了论文的研究目标并对全文的章节安 排进行了说明。 第2 章：异构网络融合方案的研究。说明了现有网络融合的现状与发展，包括蜂窝 网与无线局域网的融合、蜂窝网与a dh o c 网络的融合、i n t e r n e t 与a dh o c 网络的融合， 讨论了融合后的拓扑结构、关键技术等，并对未来4 g 无线接入网结构进行了展望。 第3 章：基于异构网络融合的嵌入式接入设备方案设计与硬件实现。详细阐述了嵌 入式网关的总体设计方案，介绍了嵌入式开发平台的硬件配置，给出了蜂窝网接口、以 太网接口和p s t n 接口的硬件解决方案。 第4 章：嵌入式接入设备软件设计与网关功能的实现。详细阐述了嵌入式网关的软 件设计方案，介绍了开发平台的软件配置及软件开发流程，给出了蜂窝网接口、以太网 接口和p s t n 接口的软件设计方案和实现方法。给出了蜂窝网和a dh o e 网络互联的软 件解决方案。 第5 章：基于v o w p a n 和嵌入式接入设备的多跳语音通信系统。阐述了基于嵌入 式网关所搭建的多跳语音通信系统的实现方案，对系统性能进行了分析。系统中语音的 跳转基于v o w p a n ，通过网关可以和p s t n 网络建立语音连接，该系统目前已应用于油 田作业面的指挥调度。 第2 章通信网络的现状及其相互融合的研究 第2 章通信网络的现状及其相互融合的研究 异构网络融合的目的是将多个通信网络、通信设备、通信协议实现相互之间的无缝 连接及协同工作，目前已经使用的以及正在处于标准研究中的网络种类很多，尽可能将 比较多的网络融合起来，在一个通用的网络平台上提供各种业务一直是人们追求的目 标。在无线网络领域，人们已经对各种网络的融合作了研究：包括各种蜂窝网络与a d h o c 的融合、3 g 与w l a n 的融合州、i n t e r n e t 与a dh o c 网络的融合5 1 等。 2 1 蜂窝网与a nh o c 网的融合 以第二代移动通信系统为代表的蜂窝通信推动了人类通信的快速发展，在全世界获 得了广泛的商业部署，改变了人们的生产生活方式。但到目前为止，移动电话用户的增 长几乎都是语音业务刺激的。仅仅是近年来，数据业务才越来越受到人们的关注。但是 现有蜂窝系统总存在些覆盖缺陷，被称为“死区”，它限制了蜂窝系统在一些地区的 应用，在一些热点区域会因为容量饱和而造成呼叫阻塞和切换断链。另一方面单纯的 a dh o c 网络具有高度灵活，组网简单等优点，但这种灵活性对其路由、安全等协议提 出了较高的要求，直到现在，许多协议还不是非常成熟；同时，a dh o c 网络有限的覆 盖范围也限制了其大规模的商业使用，而将a dh o c 网络与其他网络在拓扑结构、网络 协议等方面进行融合，相互取长补短，既可以充分利用a dh o c 网络的优点，为其他网 络提供新的活力，又可以克服单纯意义上a dh o c 网络覆盖范围小、商业应用困难等不 利因素，从而促进a dh o c 网络本身的发展。 目前，在a dh o c 网络的诸多应用中，与蜂窝移动通信系统的结合引起了学术界和 产业界越来越多的关注，并被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一。改造现有 的移动通信系统，使其支持a dh o e 方式的根本动力在于利用其自组网的特点可以有效 地解决现有蜂窝系统的一些难点问题。首先，在蜂窝系统中引入自组织方式，可以弥补 这些覆盖缺陷，这是蜂窝网络和自组织网络结合的首要原因。其次，流量转移也是在蜂 窝系统中引入自组网方式的一个重要原因。自组网的动态中继转发功能可以有效的调整 热点区域的流量，实现流量的动态分配，提高热点小区的服务能力和服务质量。第三， 支持a dh o c 方式后，在蜂窝系统中引入了一种新的通信方式“局域网”方式。该 方式至少能带来两个好处：一是对于近在咫尺的局部业务可以直达或经数跳可达；二是 当没有基础设施支持或基础设施毁坏( 例如灾后救援) 时可以支持一定程度的通信。从 这三点可以看出，蜂窝网络和a dh o c 网结合后的无线网络具有许多性能优势，因而也 成为目前移动通信领域研究的热点。 2 1 1 蜂窝网与a dh o e 网络融合的研究现状 目前，国内外已就蜂窝移动通信系统与a dh o c 网络的结合问题开展了一些研究， 主要包括a g s m 、i c a r 、c a m a 、m c n 、p a r c e l s 等。 a g s m ：a g s m 是由参考文献【6 】率先提出的。作者认为，在g s m 的蜂窝覆盖中 总会存在一些死区，a g s m 试图通过移动终端中继来解决死区问题，而这仅需要增加 较少的移动台的复杂性，并且，通过降低发射功率可以增加网络容量和减少蜂窝闻的干 东南大学硕l 一学他硷支 扰。a g s m 的改汁婵念足尽町能少的改动现有的g s m 系统。从概念l 讲，a g s m 协 议采用两个宅中接口：g s m 空中接口和无线多跳( 或自组织网) 空中接v i 。 i c a r ( i n t e g r a t e dc e l l u l a ra n da dh o er e l a y i n gs y s t e m s ) ：最早是由纽约州立大学 h o n g y iw u 等人提出的一种新型无线网络系统【7 l ，其基本思想是通过设置一定数量的自 组网中继站( a r s s ) ，实现从一个业务拥塞的小区向一个业务非拥塞的邻近小区的业 务转移，以最大限度的控制或避免呼叫拥塞、掉话等。在i c a r 系统中，有3 种中继模 式：基本中继、辅助中继、级联中继，分别对应于不同的应用场合。文献【7 】还分析和评 估了i c a r 的性能，分析结果表明在蜂窝系统中引入自组网中继站可以有效的降低呼叫 阻塞概率，提高系统的吞吐性能。 c a m a ( c e l l u l a ra i d e dm o b i l ea dh o en e t w o r k ) ：这是在参考文献 8 】中提出的一 种蜂窝网络辅助a dh o c 网络，以a dh o e 网络为丰的新型的融合网络结构。该结构利用 了蜂窝系统的带外信令，因而增强了自组网对网络的控制和管理，在大大提高系统性能 的基础上只需增加少量的蜂窝网开销，而且比起单纯的a dh o c 网来，其安全性能也有 所增强。 m c n ( m u l t i h o pc e l l u l a r n e t w o r k ) ：m c n 即多跳蜂窝网，是在参考文献 2 中提出的。 这是a d h o e 网络与蜂窝网络结合的新研究热点。在m c n 中，不需像i c a r 中附加转发 平台，蜂窝网中每一个移动节点都具有接收和转发的功能，且可以达到负载均衡。它既 具有传统蜂窝网固有的服务基站。同时又具有了a dh o e 网络多跳转发的灵活性，其最 大好处是能提高系统的容量，移动节点的发射功率降低，从而降低了同频干扰，提高了 频率复用次数。 p a r c e l s ( p e r v a s i v ea d h o er e l a y i n gf o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ：p a r c e l s 是参考文献 【9 件提出的一种新型网络体系，它是一种在现有蜂窝系统中引入自组网转发方式的新型 网络结构。因为自组网在业务吞吐量、延时与功率方面的性能要优于小区结构的蜂窝网 络，但自组网的通信范围十分有限，远不能达到i n t e r n e t 网所能达到的范围。因此，综 合考虑自组网和现有蜂窝网各自的优点，提出了一种在蜂窝网中引入遍布的自组网转发 方式的网络结构，以解决目前在蜂窝网中出现的“h o t s p o t ”问题。 2 1 2 蜂窝网与a dh o e 网络融合的关键技术问题 将异构网络进行融合，其路由、切换和安全实现过程必须在提供各网络自身的路由、 切换和安全的基础上包含网络问路由、切换和安全过程，也就是要具有对原有各网络的 向下兼容性。 在原有传统的a dh o e 网络路由协议的基础上，根据蜂窝网络与a dh o c 网络的融合 体系结构的不同，相应提出了许多路由算法，譬如对c a m a 网络，有m s g p r l l 0 】，而对 m c n 网络，则有d a r p 路由算法【1 1 】。 无论是在m c n 中，还是在i c a r 中，都需要有网关，此时的切换，除了要具有蜂 窝网络的切换功能之外，还要具有网间切换的功能，也就是在a dh o e 与蜂窝网络两种 接口模式间切换。 网络安全是网络融合后的另一个主要技术问题。u m t s 在原来g s m 网络安全实现 的基础上，提供了更为可靠的安全机制；a dh o e 网络的安全【1 2 l 目前还没有一个成熟的 方案，仍然是业界研究的热点。融合后的网络，因为引入了中心控制的功能，其安全实 4 第2 章通信网络的现状及其相互融合的研究 现比纯a dh o c 要方便的多。 2 2 蜂窝网与无线局域网的融合 2 g 蜂窝系统数据通信能力十分有限，不能提供更高的带宽和永远在线的功能，而 在2 5 g 蜂窝技术中，特别是通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a l p a c k e t r a d i o s e r v i c e ) 和之后的e d g e ，提供广域覆盖，数据速率高达1 0 0 k b p s 。之后3 g 蜂窝系统中更把数 据速率增加到2 m b p s ，但是在用户聚集的热点地区，仍不能满足用户的商业应用和多媒 体应用上的需求。 随着w l a n 标准的发展和世界各地对比特速率超过1 0 0 m b p s 网络的研究，促成了 当今w l a n 在各地的部署，w l a n 在无线数据传输方面的作用也越来越大，已被公认 为公共热点区域最佳的覆盖技术，这些热点区域通常是商务酒店、飞机场、火车站或者 商务办公大楼、住宅区等。 因此，若能将蜂窝网络( 例如g p r s c d m a ) 和w l a n 有机的结合起来，充分利 用蜂窝网络的广泛覆盖能力，就可以在保证用户与网络连接不间断的同时弥补w l a n 覆盖范围小的不足。相应地，在热点地区则利用w l a n 的高数据传输率的优势来弥补 蜂窝网络数据传输率低的不足。这样，蜂窝数据网络在其覆盖范围内能提供相对较低的 数据业务，另一方面w l a n 在较小的覆盖范围内提供高速数据业务( 例如i e e e 8 0 2 1 l b 的1 1 m b p s 、i e e e 8 0 2 1 l g 的5 4 m b p s ) ，集成的网络综合了两者的优势，就可以为用户提 供从低速到高速的业务。同时使得运营商有可能用低价格的w l a n 高速解决方案来覆 盖这些热点区域，使用与蜂窝网络共通的方式最大程度的利用已有的网络结构。 2 2 1 融合g p r s 和w l a n 的无线移动互联网架构 融合g p r s 和w l a n 的无线移动互联网架构如图2 1 所示，以满足当前和未来市 场对宽带移动无线互联网接入的需求。 该架构采用了“多接口，多连接”移动一1 3 1 1 1 4 1 以及为移动节点( m n ，m o b i l e n o d e ) 动态分配移动m 中的归属地址的机制。所建议的服务方案是： 1 ) 当用户终端可以获得宽带w l a n 服务时，用户优先采用w l a n 接入i n t e m e t 。 同时，一些专门为g p r s 开发的、需要较低延时的、较高服务质量保证 ( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的业务、或者需要寻呼m n 但不需要太高速率的业 务，继续使用原g p r s 的网络和控制协议传递； 2 ) 当w l a n 服务不能获得时，用户终端自动的、平滑的切换到较低速率的广域无 线数据业务，也就是蜂窝通信。这样，既容易做到用户享用到其它普通g p r s 用户所享用的服务，同时还可以让用户享用到高速率接入带来的宽带无线移动 互联网业务。 w c d m a 和g p r s 的网络结构和协议栈具有一致性，融合w c d m a 和w l a n 的架 构与融合g p r s 和w l a n 的架构也可采用。多接口，多连接”移动口协议以及为m n 动态分配移动p 地址的机制。另外，无缝隙的融合c d m a 2 0 0 0 和w l a n 的方案可参 阅文献 1 5 1 。 5 东南夫学硕i 学位论上 图2 - 1 基于融合g p r s 与w l a n 的无线移动互联网的架构 2 2 2 蜂窝网与w l a n 融合的关键技术 进行网络融合的一个差要目的就是利用现有的各种网络，互相取长补短，提供具有 更高q o s 需求的业务，为了达到这一目的，必须提出与融合后的网络拓扑结构相配套的 各项关键技术，蜂窝网与w l a n 融合的关键技术主要包括路由、垂直切换和a a a 认证 等方面。 用户终端m n 有两个来自不同m a c 的连接，即蜂窝系统和w l a n 的连接，每个 连接传送相应的业务数据和管理数据，m n 可以基于用户的简要特征和数据服务类别来 执行路由功能。 在异构网络的垂直切换中，需要考虑到每一个网络的特殊参数。蜂窝网与w l a n 融合后的网络也是如此，具体的垂直切换方式可以参见相关的参考文献“6 1 。m n 可以基 于检测到的w l a n 的信号强度，在网络的配合下完成w l a n 和g p r s 之间的垂直切换。 融合后网络的a a a 认证主要是基于现有蜂窝网的认证机制，这样不仅减少了引入 新业务的投资，而且可以最大限度的拥有现有的g s m g p r s 用户群。 2 3i n t e r n e t 网与a dh o c 网的融合 移动通信和i n t e r n e t 技术的结合给人们的生活方式和生活质量带来了巨大的变化， 越来越多的用户希望在移动的过程中高速接入i n t e m e t 。但现有的无线接入网如无线局 域网从网络层面看是一个单跳网，覆盖较小，移动较差。如果仅靠安装足够多的接入点 ( a p ，a c c e s sp o i n t ) 来为移动节点提供无缝漫游，那必然大大提高整个网络成本。 用移动a dh o c 网络来代替现有的无线接入网，在移动终端与a p 之间可建立多跳 无线链路来进行通信，那么在移动a dh o c 网内，只要有一个或多个移动节点在a p 覆 盖范围之内，其它不在a p 覆盖范围之内的移动节点就可以借助于其它中间节点来进行 分组转发与外地代理进行多跳通信。这样，实现移动a dh o c 网络与i n t e r n e t 的互联，就 可扩展现有无线网络的覆盖范围，尤其对于不便安装a p 的地方和信号覆盖不到的“死 6 第2 章通信网络的现状及其相互融合的研究 区”来说，移动a dh o c 网不失为目前最好的解决方式之一。 另一方面，在移动a dh o c 网络发展过程中，它主要是作为一个独立的网络存在的， 但随着移动a dh o e 网络技术的逐步成熟和应用的范围的扩大，要求移动a dh o c 网络能 够与i n t e m e t 互通，这将成为移动a dh o c 发展不可避免的趋势。a dh o c 网络因为其自 身独有的特点，将在越来越广泛的领域发挥越来越大的作用，如何将a dh o e 网络与 i n t e m e t 互联，成为人们关注的一个课题。 2 3 1i n t e r n e t 与a dh o c 网络的互联结构 当一个移动a dh o c 网络接入到i n t e m e t 时可以被认为是一个子网，也可以是一 个m 子网的一部分。a p 将这个移动a dh o e 网络与i n t e r a c t 连接起来。移动a dh o c 网 络与i n t e m e t 的互联结构如图2 2 所示，a p 通过有线的方式与i n t e m e t 连接，成为了 i n t e m e t 中的一个固定节点，它和所在m 子网内的路由器是连通的。a p 在i n t e r n e t 一侧 要采用标准的m 路由协议与路由器或其它主机通信，而在移动a dh o e 网络一侧要采用 移动a dh o e 网络内部的路由协议和移动终端通信，所以a p 在这里是两种路由协议的 集合体和交叉点。当一个移动终端要向i n t e r a c t 中的某一个主机发送数据，则按照移动 a dh o c 网内的路由协议将数据包发送到a p ，a p 将其转发给该子网的路由器，然后再 由路由器按照i n t e m e t 上的口路由协议将该数据包发送到目的主机；相反，当i n t e m e t 中一个主机给移动a dh o e 网络中一个移动终端发送数据，会首先依照m 路由协议将该 数据包发送到该子网的路由器，路由器将其发给a p ，然后再由a p 通过移动a dh o c 网 中的路由转发给目的移动终端。这其中一个问题，就是路由器如何知道发送给所有移动 终端的数据包均要由a p 转发。在标准的口路由协议中，路由器会保存一个子网中每一 个节点的m 地址和物理地址的对应表，这个对应关系通过地址解析协议( a r p ，a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 来获得的。当一个目的节点为移动终端的数据包到达了该移动终端 所在子网的路由器，那么该路由器首先要做的是找到这个目的m 地址对应的物理地址， 由于路由器无法分辨拥有这个p 地址的是移动终端还是固定节点，所以就会按照统一 的做法查找地址映射表或发出a r p 请求。因为所有发往移动终端的数据包都要由a p 转发，所以当a p 收到这个a r p 请求后会将自己的物理地址返回给路由器，路由器保存 了这样的地址对应关系之后，会将所有发往这个口地址的数据包按照a p 的物理地址发 给a p 。 2 3 2i n t e m e t 与a dh o c 网络的互联关键技术 以上的描述都是针对移动终端没有漫游的情况。当移动终端漫游到其它子网的范围 内，就要借助移动管理技术来解决遇到的问题了。 移动a d h o c 网络对漫游的管理技术是建立在移动m 协议【1 3 l 基础上的，引用了移动 口协议的基本概念并遵循了移动口协议的基本工作过程，结合了移动a d h o e 网络自身 多跳的特点，以实现与i n t e m e t 的有效连接。 网络安全也是该体系结构中的又一个关键技术。由于a dh o e 采用无线链路，信号 容易被窃听和干扰，所以数据的保密性和完整性是网络安全需要考虑的两个重要方面。 同时，由于a dh o e 网络拓扑结构动态变化，终端可以自由灵活的接入和离开网络，因 此对终端节点的成员性管理和认证也是一个重要的方面。 7 东南大学硕上学位沦吏 然为了实现多媒体通信的嘤求，还要有定的q o s 的保证机制。 图2 - 2 移动a d h o c 网络与i n t e m e t 的互联 2 4 无线接入网拓扑结构展望 到目前为止，3 g 各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3 g 还是有其局限 性，例如数据传输速率不高，缺乏全球统一标准等等，因而在第三代移动通信还没有完 全铺开，距离完全实用化还有一段时间的时候，已经有不少国家和研究组织开始了对下 一代移动通信系统( 4 g ) 的研究。 第四代移动通信( 4 1 3 ) 一个主要特征就是要能够提供多种不同无线接入技术之间的 互操作，即我们所说的网络融合。结合o s i 的层次模型，我们可以根据融合技术所发生 的层次将融合模型化分为以下三类，如图2 3 所示。 a 隧道网络。在这一模型中，无须对现有各种网络协议进行修改，互联层会自动 选择最佳的接入方式，然后将数据通过隧道的形式发送出去，实现起来最简单。然而这 一模型的效率明显是比较低的。 b 混合网络。在该模型中，互联层位于网络层之上，提供了i n t e m e t 连接与各种无 线接入技术之间的接口。混合网络模型也无须对各现有网络协议做修改，但由于其降低 了协议的冗余，效率比隧道网络模型有所增强。 c 融合网络。这是一种对4 ( 3 系统来说最理想的网络模型。不同的无线接入技术 只在物理层和数据链路层有所区别，在网络层之上则由统一的互联层提供服务，降低了 融合网络协议的冗余度，当然要实现这一模型还有很多标准需要制定，也需要各运营商 的相互配合。 第2 章通信网络的现状及其相互融合的研究 臣量巫画固 2 5 本章小结 l i i i t m m t i o i i i r e m r i 竖型! 竖li ! 塑熙竖 l 竺竺! l jl 型竺! 1 7 f l i n f o u b o o t p r o t e c to f fl ：0 - 1 u b o o t t f t p2 0 0 0 0 0 0 0u b o o t b i n u b o o t f l1 0 0 2 0 0 ( ) o2 02 0 0 0 0 4 1 4 2 烧制嵌入式l i n u x 系统 打印f l a s h 信息 ，去除前两个扇区的保护 ，下载u b o o t ，烧写u b o o t ，实现对u b o o t 的更新 按复位键重启开发板，在m i n i c o m 中有启动信息，立即按回车，让目标板进入提示 u b o o t ，然后可以进行下载、烧写内核映像文件z l m a g e ，命令如下： t f t p0 x 2 3 0 0 0 0 0 0z l m a g e通过邢下载内核 f 1o x l 0 0 4 0 0 0 0 0 x 2 3 0 0 0 0 0 00 x f 0 0 0 0 臌写刚下载的文件到指定的位置 其中f l 命令后的三个参数的意义为：第一个参数是烧写到f l a s h 的地址；第二个参数 是刚才通过t f t p 把文件下载到开发板中r a m 中的地址；最后一个参数表示在烧写指定 的文件时，在f l a s h 中给这个文件的空间大小，这个值要比刚才通过t f t p 命令下载的文 件的大小要大，否则刚才的文件只烧了部分，没有烧全。此值是根据t f t p 命令下载时提 示的文件的大小来决定的，在通过t f t p 命令下载的时候，最后会提示十六进制值的文件 的大小，通常情况下，保持最后4 个数字为o ，就可以了。 采用相同的方法下载、烧写r a m d i s k 文件系统映像文件m m d i s k i m a g e g z 和j f f s 2 文件系统映像文件i f f s 2 i m g 。完成系统的烧写过程。 4 1 4 3 应用程序的开发流程 应用程序的开发，可以通过n f s 以交叉连接的方式进行，即程序的编辑、编译、 链接均在宿主机上进行。当然，使用的编译器必须是与目标板相匹配的，不然生成的可 执行文件会因格式问题无法在目标板上运行。在生成可执行文件后，通过利用n f s ，在 m i n i c o m 中键入：m o u n t o n o l o c k1 9 2 1 6 8 2 1 1 l ：m n t 即可将宿主机硬盘上的文件作为 目标板的网络文件系统，宿主机的所有文件都在目标板的，m n t 目录下。应用程序的可执 第4 章嵌入式接入设备软件设计及其功能实现 行文件即可以在目标板上直接执行。如果运行不正确，可以重新到宿主机环境下修改源 程序。上面提到的1 9 2 1 6 8 2 1 1 1 是宿主机的i p 地址，为了可以正确m o u n t 成功，必须 将目标板的i p 改为与宿主机的i p 在同一网段。 4 2 软件总体结构 网关软件总体结构如图4 2 所示。 图4 2 软件总体结构框图 整个软件基于嵌入式l i n u x 操作系统开发。串口驱动、u s b 接口驱动等硬件驱动用 于直接控制相应的硬件。t c p i p p p p 协议使用l i n u x 下的协议栈。 本章仅介绍图4 2 中无阴影部分软件模块设计，即蜂窝网接口、p s t n 接口和以太网 接口的软件实现。 4 2 1 核心控制模块 核心控制模块是整个软件的关键，主要处理下层硬件驱动和上层通信协议、配置程 序之间的交互：配置和支持程序用于对网关进行设置。核心控制模块的基本流程如图4 - 3 所示。它的主要功能是： 1 ) 启动网卡驱动，初始化网卡； 2 ) 通过串口与p s t n 模块交互。对p s t n 模块送来的命令，事件作出适当的响应， 对于数据经由协议解析后送至相应终端； 3 ) 处理p p p 拨号连接请求。 核心控制模块以应用程序c o n t r o l _ c o r e 的形式存在，在系统启动脚本e t c r c 文件中 加入对c o n t r o l _ c o r e 的调用，就可以实现系统启动时的自动加载。 串口、网卡驱动以硬件驱动的形式工作，对用户进程而言，它们由o p e n ( ) 调用时返 回的文件描述符引用，因而对程序来说，这些硬件设备就是不同的文件描述符。由图可 以看出，当启动好硬件设备后，核心控制模块会启动相应的协议栈，并且初始化各个模 块，进行一些设置，包括设置工作模式、服务发现数据库和其他参数设置。此后，核心 模块会侦听、等待各个模块数据的到来。 东南大学硕 。学位论之 系统采用了i o 多路转接技术1 来实现对多个描述符的溪、写和管理。该技术的鹰 本思想是：先构造一张有关描述符的表，然后调用s e l e c t ( ) 函数，它要到描述符中的一一个 己准备好进行i 0 时才返回。在返回时，它告诉进程