無線ＡＴＭ

張　良　文　峰

異步傳送模式(ATM)是一種數據傳輸技術。其特點是統計復用、信元長度固定、虛通道(VP)與虛通路(VC)交換、帶寬的動態分配、能綜合多種業務。人們相信ATM將成為未來寬帶綜合業務數字網(B－ISDN)的標準。從業務的角度來看，ATM在一個有線網絡上同時提供數據和多媒體信息，并且能夠適應從骨干網到企業網的不同規模網絡。

無線個人通信網(PCN)在20世紀90年代得到了飛速的發展，目前，移動掌上設備，包括電話和尋呼機等已經得到了普遍的應用。然而，由于受到帶寬和業務質量(QOS)等的限制，這些設備無法滿足日益發展的多媒體業務。

由于ATM在有線網絡上的成功應用，無線ATM(WATM)就成了下一個目標。WATM可以被認為是下一代個人通信網的解決方案，或者是B－ISDN網絡的無線擴展，最終能夠支持在無線網絡上的綜合業務傳輸，包括數據，話音，視頻等，以及提供對業務質量的支持。

WATM的總目標是設計整體的無線業務網絡，以相對透明的、無縫的、有效的方式，提供基于光纖的ATM網的無線業務延伸，可以同時滿足人們對于多媒體和移動性的業務需求。WATM的結構和協議目前尚未有制定的標準。目前，ATM論壇正在制定WATM系統的基線標準，致力于制定ATM網絡中的移動性控制和ATM向移動設備的無線擴展等方面的標準制定。

1 無線ATM網絡參考模型

無線ATM網絡的參考模型如圖1所示。整個系統由一個有線ATM網絡和一個無線接入部分組成。在有線ATM網絡中，ATM交換機在移動性功能上得到了增強，與無線基站和無線終端用戶設備直接通信。交換機在無線設備之間起到了接入服務器的作用。有線ATM網絡中的其余交換節點則保持不變。

根據無線應用的不同，無線接入有幾種不同的解決方案。

(1)固定無線終端

在固定的無線局域網，或者通過衛星和微波連接的網絡中，終端用戶設備和交換設備保持固定，通過無線信道彼此建立連接。在這類應用中，數據傳輸雖然是無線的，但是不存在移動性。用戶設備不用四處漫游，因此，不存在切換，位置管理，路由等的設計問題。

(2)移動終端用戶

在數字蜂窩、PCS以及無線局域網中，終端用戶設備可以移動，通過無線信道與固定網絡交換設備相連。為了支持ATM連接，終端用戶需要配備無線終端適配卡，用于同固定交換網中的無線接入點保持通信。

(3)帶固定終端用戶的移動交換

設備

終端用戶設備通過有線或無線信道連接到交換機上，終端設備和交換機一起作為一個整體移動。一個交換節點上可以有多個終端用戶設備，一個終端用戶設備只掛在一個交換機上，而不在不同的交換機之間漫游。交換機通過無線信道，負責建立與固定網的連接。在這種情況下，移動交換機和帶有移動功能的ATM交換節點都需要無線終端適配器。

(4)帶移動終端用戶的移動交換

設備

這種情況下，終端用戶設備和交換機都是可移動的。當終端用戶需要建立一個連接時，首先與一個移動交換機建立一個連接，移動交換機然后再直接或通過其他的移動交換機與固定網絡交換機建立一個連接，要支持移動性，同樣需要無線終端適配器和無線接入點。

(5)與PCS互聯

PCS網絡中的用戶是PCS終端。PCS終端通過無線鏈路向PCS基站發送數據，PCS基站通過基站控制器向固定網絡交換機建立連接。基站控制器作為一個邏輯單元，起到了ATM到PCS轉換器的作用。

(6)無線Ad Hoc網絡

一個Ad Hoc網絡是移動終端的一個集合，其中不需要集中的接入點。在這種應用中，無線ATM網絡需要有自配置功能。一個終端用戶可以直接和支持移動功能的ATM交換節點通信，也可以通過一個中央控制器進行。

2 無線ATM協議

2.1 無線ATM協議結構

WATM采用ATM來提供數據傳送業務，因此其結構也是基于ATM協議棧之上。為了支持移動性，WATM在原來的ATM協議棧基礎上作了相應的擴展。通過標準的ATM信令功能，WATM網絡在端到端的基礎上支持保證業務質量的ATM虛電路和終端的移動性相關的功能，比如切換和位置管理，則通過在交換機和無線端口(基站)側增加擴展的協議來完成，如圖2所示。這樣，無線ATM網絡的協議可以分成以下兩個大類：和無線鏈路相關的無線接入層協議；和無線鏈路無關，而用于移動性控制的移動ATM協議。

根據ATM論壇，WATM的協議棧結構如圖3所示。

圖3中，無線接入層協議負責無線ATM接入的無線鏈路協議，包括物理層

(PHY)、介質訪問控制層(MAC)、數據鏈路控制層(DLC)以及無線控制層(RC)。移動ATM主要處理用于支持移動性的上層信令功能，包括切換、位置管理、路由、編址以及流量控制等。

2.2 無線接入層

為了支持無線通信，在ATM層的下面必須增加與無線信道相關的物理層、介質訪問控制層和數據鏈路控制層，這些協議在WATM網絡中被統稱為無線接入層。

(1)物理層

一個固定基站可擁有從25 Mbit/s到155 Mbit/s速率的ATM鏈路，在無線環境中，目前還難以實現高速數據鏈路。通過先進的調制和編碼技術，目前，人們正在考慮在5GHz的頻段提供25 Mbit/s的信道。同時，人們相信在不久的將來，可以在60GHz的頻段提供622 Mbit/s的信道。在這種情況下提出了兩個不同的物理層標準，一個針對5GHz頻段，另一個則針對60GHz頻段。物理層的部分指標要求如表1所示。

(2)介質訪問控制

WATM MAC協議用于控制不同用戶對共享無線信道的訪問。這些用戶包括小區內活動的、從別的小區切換進來的以及小區中正在試圖接入的用戶。

對于無線ATM，MAC協議必須能夠提供在已有ATM協議中定義的標準業務，包括CBR、VBR、ABR和UBR。因此，MAC必須將有線ATM中的統計復用擴展到無線環境中，同時支持移動性和維持業務質量。

根據帶寬分配機制(靜態或動態)和控制策略的不同，MAC方案可以分成以下3個主要類別：

固定分配

寬帶環境中的主要業務為VBR業務。由于對無線信道的頻譜利用率較低，頻分復用(FDMA)和時分復用(TDMA)不適合這種綜合性的無線網絡。碼分復用(CDMA)有一些突出的優點，比如信道訪問延遲小，帶寬利用率高，統計復用效果好。但是，CDMA受到傳輸速率，功率控制，以及基站復雜等的限制，尤其是傳輸速率的限制，使得CDMA也不適合綜合無線網絡。

隨機分配

由于需要解決碰撞問題而造成的大延遲使隨機分配也不適合綜合無線網絡。雖然CSMA/CD在有線網絡中提供非常高的吞吐量，在無線環境中卻受到無法監聽遠端載波的限制。

按需分配

這種方案通過要求用戶預留通信帶寬來獲取高速信道。信道容量的其中一部分被預留子信道使用。用戶根據多用戶訪問協議來訪問預留子信道，協議一般為TDMA或者分片ALOHA。為了獲取信道，用戶需要發送短的預留包，這種包的長度越短，預留子信道的帶寬需求就越小。用戶在獲得信道后，就可以無碰撞地發送數據包。碰撞只會在預留子信道上發生。用戶必須等待預留請求被接受。預留以及傳送時間的控制可以是集中控制，也可以是分布式控制。

集中控制的一個例子是輪詢，中央控制器分配給每個用戶一個傳輸優先級。然而，這種操作的可靠性依賴于中央控制器。當使用分布式控制時，用戶完全依靠其他用戶的信息來作出判斷。廣播信道向全體用戶提供連接，用戶監聽預留包，并使用同一個分布式調度算法。請求可以基于碰撞策略，也可以基于固定分配算法。

MAC層的另一個功能是支持多物理層。當前，人們對不同的無線帶寬感興趣，包括紅外媒介，5GHz無線頻段和60GHz無線頻段。不同的物理層需要不同的介質，WATM的MAC應該支持所有這些介質。

(3)數據鏈路控制

數據鏈路控制層用于在ATM信元被送到ATM層之前，減少無線信道誤碼的影響。由于端到端的ATM性能受信元丟失率影響，因此，在WATM的無線接入部分，必須有可靠的錯誤控制過程。這些過程可以包括錯誤檢測/重傳協議、前向錯誤糾正方法(可以為不同的ATM業務種類定制)。無線ATM需要特別考慮的是對需要保證業務質量的VBR和CBR業務的低時延抖動要求，因此可能需要新的有時間限制的重傳控制流程。

對于ABR業務，DLC協議可以采用傳統的自動重傳請求(ARQ)流程，不受時間限制；對于CBR和VBR業務，DLC協議在一個有限的緩存間隔內操作，由應用程序在VC建立時設置。這種情況下，由于CBR和VBR的分配是周期性進行的，在MAC層必須作額外的ABR分配以支持重傳的信元。

(4)無線控制

無線控制子層用于在無線接入層支持控制面的功能，以及與ATM網絡的融合。這些功能包括無線資源管理，物理層、MAC層和DLC層的管理功能。另外無線控制子層也包括用于完成無線鏈路和傳統ATM信令/控制層之間的控制通道的元信令。

無線控制層的主要功能包括終端移動、切換控制，以及無線資源管理功能。當前正在考慮的功能還包括終端的鑒權/登記、功率測量/控制、切換指示/開始/完成、數據鏈路狀態傳遞，以及斷鏈處理、連接狀態(包括DLC緩存區，MAC狀態等)從一個無線端口向另一個無線端口的傳遞，以保證平滑的切換和最小的信元丟失。

2.3 移動ATM

移動ATM指在一個固定ATM網絡中為支持終端的移動性而增加的功能。移動ATM的主要功能包括位置管理，即將用戶名映射到當前位置上，以及切換控制，在終端移動時對VC進行動態重選路由。移動ATM與使用的無線接入技術無關，這意味著除了通過上面所說的WATM無線接入層支持端到端的無線ATM業務以外，移動ATM還用于向已有的PCS、蜂窩電話和無線局域網應用提供互聯支持。

為了支持移動性，必須增加新的高層控制功能以處理切換、位置管理、路由、編址和流量管理，這些功能統稱為移動ATM。

(1)切換

當一個移動終端在連接進行中從一個小區移動到另一個小區時，連接的持續性和質量必須得到保證。骨干網將接入點從上一個基站切換到當前服務移動終端的基站。由于終端的移動而對一個再現連接控制的轉移被稱為切換控制。WATM網絡的切換管理對目前的ATM協議提出了一個很大的挑戰。ATM是一個面向連接的技術，在傳送數據之前必須建立一個連接。連接一旦建立，在數據傳送完成之前路由保持不變。然而，WATM環境中終端的位置經常移動。當一個無線終端與基站之間的無線鏈路質量下降時，必須找到具有可接受質量的基站，同時激活固定網和無線網的控制功能。在骨干網中，切換功能要求建立一條新的路由，將活動的VC從舊的數據路徑有效地轉移到新的數據路徑上，在無線終端和新的基站之間傳送數據包。

(2)位置管理

在一個移動ATM用戶終端和一個ATM用戶終端之間需要建立一個連接時，首先需要找到該移動ATM端點。位置管理是一個網絡支持終端移動的基本要求。這個功能在端到端的無線ATM中(其中移動終端有一個ATM地址)和PCS/蜂窩電話/WLAN骨干網中(其中移動終端有一個合法的電話號碼、IP地址，或者MAC地址)都需要。位置管理在一個唯一的移動設備名和路由標識之間提供一個映射，其中路由標識用于找到設備所附著的端點。在全ATM情況下，映射到移動端點；在PCS/蜂窩電話/WLAN情況下，映射到移動用戶所關聯的ATM無線端口。

有兩種基本的位置管理方案：移動PNNI方案和位置登記方案。

在移動PNNI方案中，當用戶移動時，該用戶的位置更新信息只在有限區域的節點之間傳播，該區域內的交換節點擁有該移動用戶的可達信息。當區域中的交換節點發起一個呼叫時，可以使用位置信息直接建立連接。如果呼叫由該區域外的交換節點發起，則先在交換節點與移動用戶的歸屬代理(Home Agent)之間建立一個連接，然后再將信元前傳到移動用戶上。這種方法能夠減少信令消息的數目，從而減少了呼叫建立延時。

位置登記方案借用GSM，IS－41中使用的“歸屬位置/拜訪位置”的概念，連接建立之前需要訪問歸屬位置寄存器，進行一次簡單的搜索。位置寄存器可以采用分級網絡結構。

(3)路由

由于移動ATM的移動性特征，路由信令與有線ATM網絡稍有不同。首先，必須將移動終端的標識映射到網絡的路徑上去。其次，當終端移動時，需要重新選路以重新建立連接。

(4)編址

WATM的編址主要涉及到移動終端(或者移動用戶設備)的編址，目前的解決方案是為每個移動終端分配一個名字和本地地址。移動終端的名字是一個常規的ATM終端系統地址，它在終端移動時保持不變。當終端上電時，名字通過相連的交換節點向其他交換節點廣播。移動終端在漫游中連到另一個交換節點時，由該交換節點為終端分配一個本地有效的臨時地址。為了將終端的名字與臨時地址關聯起來，必須執行相應的映射操作。

(5)流量和業務質量控制

當切換進行時，當前的業務質量參數可能不能被新的數據路徑所支持。這種情況下，必須能夠協調設置新的業務質量。由于一個移動用戶可能在多個業務接入點的范圍之內，因此可以選擇能提供最好業務質量的接入點。

在切換過程中，舊路徑被釋放，新路徑被重新建立，其間可能有一些信元會丟失。對信元作緩存可以保證信元不丟失，同時保證信元的次序。

信元緩存包括上行緩存和下行緩存。如果在移動用戶向業務接入點發送信元時VC斷開，移動用戶就使用上行緩存來存儲所有需要發送的信元。下行緩存由業務接入點執行，以避免鏈路中斷或擁塞時的信元丟失。

(6)無線網絡管理

無線網絡中，拓撲結構在實時改變，這一點與其他的移動性特征一樣，對網絡管理提出了新的要求。網絡拓撲結構的動態特性必須加以著重考慮。網管還包括網絡和用戶配置，故障識別和隔離，以及性能管理等。

3 結束語

當有線網絡利用ATM來傳送高速數據，從而向B－ISDN邁進時，無線個人通信網也同樣希望有類似的發展。人們企盼著不久的將來可移動終端設備有著寬廣的業務應用，業務質量能夠與現在的固定網絡媲美。無線ATM綜合了ATM和無線通信的技術，得到了包括中興通訊在內的知名廠商的研究和關注，最終將把無線網絡的發展帶入一個新的時代。□(收稿日期：2001－03－13)

作者簡介

張良，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業部上海第二研究所工程師，博士。主要從事寬帶網絡和第3代移動通信的研究和開發。

文峰，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業部上海第二研究所工程師。從事移動通信系統的硬件開發和系統設計工作。