基于无线接入网技术的船岸综合宽带多媒体接入网系统

1 基于无线接入网技术的基于无线接入网技术的 船岸综合宽带多媒体接入网系统船岸综合宽带多媒体接入网系统 摘 要 无线接入网技术是无线通信技术和宽带网络技术结合的产物 本文介绍了长 江通信专网无线业务的现状 详细列举了目前主要的无线接入网技术 并给 出了船岸综合宽带多媒体接入网系统结构及工作原理 关键词 船岸通信 无线局域网 无线接入 移动接入 接入网 前前 言言 21 世纪的通信技术是先进的数字技术 计算机技术 微电子技术与光电子技术 的有机结合体 它将向着数字化 宽带化 智能化 大容量的方向发展 计算机通 信网技术和无线通信技术的迅速发展 给全人类的生活带来了巨大的影响 计算机 通信网使人们能方便地获得大量信息 在很大程度上摆脱了时间对信息源的限制 另一方面 无线通信打破了人们固定位置进行通信的束缚 用户可以随时随地进行 通信 而不必局限在办公室或家中 两者的结合将使信息的接入不仅不受信息源的 限制 而且不受接入者的位置限制 用户可以在任何时候 从任何地方接入到网络 极大地提高了获取信息和开展各项活动的效率 与传统的有线接入相比 无线接入 技术具有方便 快捷的优势 有很好的发展前景 未来的通信要彻底克服时间与空间的限制 能够使用户在任何时间 任何地点 与任何人进行包括语音 数据和视频等综合信息的交流 在这种情况下 航行在长 江上的船舶船员和游客也需要享受如同在办公室环境下的信息交流 比如进行语音 数据 传真 图像等 还要接入 Internet 网 另外 为了长江航运安全建设 数字 长江 的进程加快 实现有效的人机控制和提高行业管理效率 要求建立一个功能 更加完善 技术结构更加先进的船岸无线通信系统 要想使上述构想成为现实 就必须采用先进的 现代化的无线通信传输和接入 2 方式 实现船岸无线通信网的升级 适应信息社会的发展 发挥长江通信专网在长 江黄金水道中的社会效益和经济效益 1 船岸通信的现状 长江通信专网是为长江航运公务 船舶 旅游 应急抢险和航运安全等提供通 信保障 长江上的运政点多线长 由于船舶具有移动的特点 因而船岸之间 船舶 之间通信联络必须采用无线通信方式 目前长江通信网的无线接入部分仅有 450MHz 无线电话和 VHF 无线调度系统 它只能提供船岸之间 船舶之间的语音业务和短消 息业务 不具备传输数据 多媒体图像和接入 Internet 的功能 但是 随着长江航 运现代化进程的迅速推进 信息通信业务日益丰富 船舶需要与岸上进行语音 数 据 图像传送 以海事 航道 公安的接入网为代表的网络应用 正快速向包括语 音 数据 图像和 Internet 的综合宽带多媒体方向发展 目前长江通信的无线通信 系统已经远远不能满足用户的要求 这就迫切需要建设一套适合长江航运现代化的 无线通信系统 系统必须具备宽带化 大容量 全业务 智能化 具有完成船与船 之间 船与岸之间的通话联络 数据传输和多媒体图像功能 并能接入英特网 网络的宽带化 不仅需要拓展广域干线网和城域网的带宽 而且要解决好接入 网的带宽问题 如今 长江干线专网和城域网的宽带化已经呈现出良好的发展势头 并已颇具规模 然而长江通信网络中 船岸接入网却不能对航行的船舶实现网络接 入 只能对长江边停靠的趸船采用光纤接入和 xDSL 的接入方式 从长远来看 光纤 接入方式尽管是最理想的解决方案 但是真正实现光纤上船后 其维护成本高 在 经济上并不合算 xDSL 接入技术要真正实现规模商用 首先需要解决网络侧设备和 用户终端设备的造价问题 而且这两种接入方式都不具备移动的特性 正是在这种 特定的背景下 无线接入网技术凭着自身的优势 正在越来越多的得到应用 如何 实现船岸通信中的综合宽带多媒体业务 全面满足船舶用户对综合宽带多媒体通信 网络接入的要求 成为长江通信建设者面临的一个新课题 2 无线接入网技术 3 所谓接入网 就是由业务节点接口 SNI 和相关用户网络接口 UNI 之间一 系列传送实体 诸如线路设施 传输设备等 所组成的为传送信息业务提供所需传 送承载能力的通信系统 如图 1 所示 由图可见 接入网处在核心网和驻地网之间 图 1 接入网模型 2 12 1 无线接入网技术的发展无线接入网技术的发展 接入网可分为有线接入和无线接入 通常无线接入可分为地面移动接入 地面 固定接入 卫星接入 无线接入技术是一种快速发展的新技术 几乎涉及到通信领 域的各种技术方面 早期的无线接入主要提供语音业务和短消息数据业务 这些系 统有蜂窝移动电话 无线寻呼 无绳电话和无线本地环路系统等 但是随着通信技 术的发展 Internet 的迅速普及和现代社会生活的进步 人们还希望网络能够提供 诸如高速 Internet VOD HDTV 电视会议等宽带多媒体业务 从而对无线接入提 出了多媒体 宽带化的新要求 当前的无线接入网技术主要有两种 无线局域网和蓝牙 无线局域网 WLAN 是电气和电子工程师协会 IEEE 于 1997 年制定的无线 通信网络标准 主要对应于开放式系统互联参考模型中的物理层和介质接入控制层 1999 年 8 月 无线局域网标准增加了两项内容 一是 802 11a 频段为 5GHz 4 90GHz 5 85GHz 采用四频率键控 QFSK 调制方式 传输速率为 6Mb s 54Mb s 另一种是 802 11b 采用 2 4GHz 2 4GHz 2 4835GHz 频段和补 偿编码键控 CCK 调制方式 能够支持 5 5Mbps 和 11Mbps 两个新速率 2003 年 6 月 电气和电子工程师协会又新批准一项无线局域网标准 802 11g 此标准是为兼 容上述两个标准而提出的高速无线互联网标准 可工作在 2 4GHz 频段 也可工作在 5GHz 频段 采用正交频分复用技术 OFDM 保证 54Mb s 传输速率 4 蓝牙 Bluetooth 起源于爱立信移动通信公司于 1994 年开始的一个关于移动 电话及其附件之间实现低攻耗 低成本无线接口的研究项目 爱立信的研究引起了 IBM 英特尔 诺基亚和东芝公司的注意 这五家公司于 1998 年 5 月组成了特殊利 益集团 SIG 随后 3COM 郎讯 摩托罗拉和微软加入了特殊利益集团 1999 年 7 月 特殊利益集团公布了蓝牙 1 0 标准 蓝牙标准包括两个文件 核心协议文件和 应用规范文件 核心协议文件描述了射频 基带 链路管理器 业务发现协议 传 输层以及与其他协议的互操作性等内容 应用规范文件描述了各种不同类型的蓝牙 应用所要求的协议和过程 蓝牙技术采用 2 4GHz 频段 调频技术 前向纠错编码等 其基带协议为电路交换与信包交换相结合 蓝牙支持 64kbit s 实时语音传输和数据 传输 传输距离为 10 100m 其组网形式主要是主从网络 是一种低成本 低功率 小范围的无线接入技术 2 22 2 无线接入网技术的优点无线接入网技术的优点 不管是无线局域网还是蓝牙 都是利用电磁波在空中发送和接收数据 而无需 线缆介质 它是对有线接入网方式的一种补充和扩展 使网络设备具有可移动性 能快速方便地解决使用有线方式不易实现的网络接入问题 与有线网络接入相比 无线接入网具有以下优点 一般在网络建设中 施工周期最长 对周边环境影响最大的就是网络布线施 工工程 而无线接入网最大的优势就是免去网络布线的大部分工作量 一般只 要安装一个或多个接入点设备就可以建立覆盖整个建筑或一个区域的网络 在有线接入网中 网络设备的安放位置受网络接入点位置的限制 一旦无线 接入网建成后 在无线网络的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络 由于有线接入网缺少灵活性 这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的 需要 往往预留大量利用率较低的空闲资源 一旦网络的发展超出了设计规划 又要投入较多费用进行网络改造 而无线接入网可以避免或减少以上情况的发 生 5 无线接入网有多种配置方式 能够根据需要灵活选择 这样 无线接入网就 适用于从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络 并且能够提供 漫 游 等有线网络无法提供的特性 2 32 3 无线接入网技术的缺点无线接入网技术的缺点 尽管无线接入技术有着上述的优点 但是无线接入并不是 灵丹妙药 它也 有着自身的缺点 无论是无线局域网还是蓝牙 都是利用电磁波来传输数据 与有线介质不受 外界干扰相比 无线通信技术的抗干扰能力较弱 因为无线局域网和蓝牙设备 都工作于 2 4GHz 的开放频段 ISM 这一频段是免费开放的频段 工作于这 一频段的无线电产品无需申请频段许可证 所以许多无线电产品都工作于这一 频段 这样就会出现无线网络和其他无线电系统之间的相互干扰 从而导致信 号传输的阻塞或在数据发送时引起发位错误 阻碍无线接入技术推广的另一个问题就是缺乏统一的工业标准 没有统一的 标准就意味着各厂商的设备可能无法实现互联互通和互操作 这样必然妨碍无 线通信技术的发展 3 船岸综合宽带多媒体接入网的实现 3 13 1 船岸无线接入网参考模型船岸无线接入网参考模型 船岸无线接入网参考模型如图 2 所示 6 图 2 无线接入网参考模型 由图可见 船岸无线接入网系统由中心站 CS 终端站 TS 网管系统和接 力站 RS 组成 中心站包括中心控制站 CCS 中心射频站 CRS 中心站 终 端站 接力站都包括室内单元 IDU 和带天线的室外单元 ODU 中心站通过业务 节点接口 SNI 接向核心网 终端站通过用户网络接口 UNI 向用户提供服务 长江结构的自身特点 决定了长江无线通信网络是一种属于点线结合 以线为 主的链状网 我们可以在沿长江岸边建设中心射频站 利用已有的干线传输网和城 域网将各中心射频站与机房中心控制站相连 接入核心网 实现长江的全覆盖 在 船舶上安装终端站 连接终端设备 实现船岸综合宽带多媒体的无线接入 3 23 2 船岸移动接入网系统结构船岸移动接入网系统结构 要使上述船岸综合宽带多媒体接入网真正投入使用 还有一个重要的研究课题 如何实现无线接入向移动接入的转变 无线接入和移动接入之间是有差别的 无线接入是指网络终端之间链路上是无 线传输 移动接入技术指的是一个终端在不同的代理区域内 能实现网络无线接入 它主要包括移动代理技术 移动 IP 地址的管理和分配 代理搜索机制等 在网络中 7 主机的移动相对于 IP 层是不可见的 如果移动主机跨越区域时路由会发生改变 由 于 IP 报文的寻址和路由问题 通信会被中断 以下介绍如何通过移动代理技术 解 决移动主机漫游时 IP 报文的路由问题 图 3 给出了能实现移动主机漫游的移动接入网系统结构 图 3 移动接入网系统结构 系统由 9 个单元组成 每一单元所实现的功能 下面分别介绍 网络接入服务器 NAS 它具有基本移动 IP 外部代理的功能 还支持采用网 络接入标识 NAI 的移动用户接入 发出外部代理通告消息 转发归属代理通告消 息 支持动态归属地址和动态归属代理分配等 归属和访问网络都通过它来接入 DHCP 给需要接入的移动主机分配 IP 地址 区域外部代理 RFA 它的主要功能是转发来自或前往网络接入服务器 NAS 的消息和数据 生成会话密钥和参与由主服务器 Server 生成的会话密钥 分配 管理本地域内接入网络间的切换 移动主机位置的跟踪 主服务器 Server 提供主机的认证 授权服务 同时作为注册归属主机的 密钥分配中心 为接入的每一个归属主机分配临时会话密钥 归属主机寄存器 HSR 它是一个包含所有归属主机轮廓 网络策略和任何 8 其他有关主机数据的数据库 归属代理 HA 它是移动 IP 中归属代理的扩展 主要执行用户注册的功能 归属域分配功能 HDAF 发出归属代理 HA 通告消息 接收注册请求消息 在归属域内动态地给移动主机分配归属地址和归属代理 并根据结果更新 DNS 它 转发请求到网络内能够处理请求的归属代理 DNS 服务器 在网络中采用动态 DNS 协议更新被动态分配 IP 地址的漫游归属主 机移动节点的 DNS 由归属域分配功能 HDAF 在移动主机首次注册并被动态分配 IP 地址时执行更新操作 防火墙 FW 用于保证网络安全 3 33 3 船岸移动接入网系统的工作过程船岸移动接入网系统的工作过程 假设移动主机属于中心站1 CS1 现位于中心站2 CS2 进行接入 则请求 由中心站1 CS1 分配归属代理和归属地址 若移动主机属于中心站2 CS2 则请 求由中心站2 CS2 分配归属代理和归属地址 其注册过程如下 移动主机注册流程如图 4 所示 9 图 4 移动主机注册流程图 移动主机通过中心站2 CS2 向网络接入服务器2 NAS2 发出注册请求消 息 在消息中增加移动主机网络接入标识 NAI 扩展 网络接入服务器2 NAS2 根据收到注册请求中移动主机的网络接入标识 NAI 判断请求注册的主机属于外部域还是归属域 并将消息转发给区域外部代理 RFA 区域外部代理 RFA 接收到注册请求 添加自己的扩展 创建移动节点注 册请求 AMR 消息 将注册请求消息送给主服务器 Server 主服务器 Server 收到注册请求消息 将消息保存在服务器中 随后创建 一个挑战消息 沿与注册请求逆向路径 回送到移动主机 移动主机响应挑战并创 建新的注册请求消息 该消息包括挑战响应和来自挑战消息中的状态属性 新注册 请求消息沿与前一注册请求相同的路径送至主服务器 Server 主服务器 Server 接收到新的注册请求消息 根据归属主机寄存器 HSR 中的用户数据对用户进行认证 如果成功通过认证 主服务器 Server 创建 3 个短期会话密钥 移动主机 网络接入服务器2 NAS2 网络接入服务器 2 NAS2 网络接入服务器1 NAS1 移动主机 网络接入服务器1 NAS1 会话密 钥 然后向归属域分配功能 HDAF 发出归属代理注册请求 HAR 消息 归属域分 配功能 HDAF 接收到归属代理注册请求 HAR 消息 根据网络各归属代理 HA 的负载情况 为移动主机分配归属代理和归属代理地址 创建注册请求消息 将注 册请求发送到分配的归属代理 HA 归属代理 HA 处理注册请求消息 保存与它有关的会话密钥 创建注册 应答消息 发送注册应答消息到归属域分配功能 HDAF 归属域分配功能 HDAF 接收到注册应答消息 创建归属代理注册应答 HAA 消息 消息中包括分配给移动 主机归属地址和归属代理地址 及相应的网络接入标识 NAI 和 3 个会话密钥 发 送归属代理注册应答 HAA 消息到主服务器 Server 然后更新 DNS 一旦主服务器 Server 接收到归属代理注册应答 HAA 消息 就创建移 10 动节点注册应答 AMA 消息 包括注册应答消息和授权等数据 然后解密存放的注 册请求消息发送给区域外部代理 RFA 区域外部代理 RFA 提取移动主机 网络接入服务器2 NAS2 认证 生成 移动主机 网络接入服务器2 NAS2 临时会话密钥 创建注册应答消息 然后发送 给网络接入服务器2 NAS2 网络接入服务器2 NAS2 将接收的注册应