無線互聯網的發展與面臨的挑戰

摘要：

無線互聯網是針對日益增長的數據通信量和移動用戶數，即將發展起來的新型網絡和通信體制。文章就無線互聯網產生的背景和地位、發展歷程、新型技術和面臨的挑戰等方面作出分析。

關鍵詞：

無線接入；移動通信；無線因特網；高速傳輸技術

ABSTRACT:

ThewirelessInternetisanewlydevelopednewtypeofnetworkandacommunicati

onsystem.Itisdevelopedtomeettheever-increasingdatatrafficandmobilesubscribers.Thepaperanalyzesthebackgrou

ndoftheemergenceofwirelessInternet，anditsstatusanddevelopmentcourses，aswellas

thenewtechnologiesitadoptsandchallengesitfaces.

KEYWORDS:

Wirelessaccess;Mobilecommunication;WirelessInternet;High-speedtr

ansmissiontechnology

1前言

日益增長的數據通信需求促使數據通信將逐漸成為通信的主體，其中特別突出的是短消息服務，全球2000年6月一個月的短消息達80億條，1999年傳送的數據量比之前所有傳送量的總和還多。日本推出i-mode服務后，2000年底就達1700萬用戶。中國市場在移動用戶高速增長的同時，也在急劇增長。按愛立信公司的預計，2000年一個用戶日平均通信量為20分鐘，到2005年增加到600分鐘。未來通信業務將包含社交與私人通信，如語音和圖像新聞、可視電話、救援通信；授權與交易通信，如WWW信息電子商務、電子銀行、遙控等；娛樂和休閑通信，如游戲、體育、音樂等，這些都需要傳送大量的數據。

進入21世紀以來，無線移動通信、互聯網和個人終端的發展特別引人注目，成為風靡全球的高新技術和新興產業。無線移動通信可以分成移動通信和無線接入兩大方向。隨著數字移動通信的興起，無線接入的無線調制解調器也開始進入市場。隨著第2代移動通信系統面向第3代系統的發展，無線接入也由無線調制解調器、無線本地環、無線局域網轉向寬帶無線接入發展。圖1給出了它們的發展歷程和將來的演進。

正走向商用的第3代移動通信，盡管能提供高達2Mbit/s的傳輸速率，但面對將來爆炸性增長的數據通信需求還是不夠，因此要尋求更高速率的傳輸系統，發展后3G、4G，為此要開發更高頻段信號的應用。圖2給出了使用不同頻段與第3代系統使用2GHz達2Mbit/s速率的比較。從圖1和圖2看出，隨著使用頻段的提高，小區覆蓋范圍和可移動性的能力在下降，這就促使移動通信與無線接入的融合和統一，形成了新的亮點——無線因特網。

2無線網絡的發展趨勢

如前所述，現今的無線移動通信網絡，是以移動通信網和無線接入網兩個方向并行發展。移動通信網由第2代的GSM、cdmaOne及美國的TDMA、日本的PDC為代表，傳送9.6~14.4kbit/s的數據速率，提供語音和短消息服務。正開始在市場運用的GPRS、cdma20001x，被稱為第2.5代系統，提供高達64kbit/s的數據通信服務。預計2003~2004年，全球將可能全面開始第3代移動通信的運營，以WCDMA、cdma20001xEV-DO和中國提出的TD－SCDMA為代表，提供384kbit/s~2Mbit/s數據速率的服務。其中美國的TDMA系統與GPRS技術相結合，推出的EDGE也能達到這樣的通信能力和要求。隨后將是3.5G和4G。

無線接入網從最早的無線調制解調器提供9.6kbit/s的無線接入能力，到無線本地環，擴大了無線調制解調器的覆蓋范圍和通信能力。而后無線局域網的出現，使計算機網變成可無線接入的網絡，使用IEEE802.11協議，使無線信道的峰值速率達到2Mbit/s。在此基礎上又提出了有更高峰值速率的IEEE802.11b標準，信道峰值速率可達11Mbit/s。現在又進一步提出了可達20Mbit/s、22Mbit/s峰值速率的建議。IEEE802.11系列的另一標準建議是IEEE802.11a，工作在5GHz頻段，采用OFDM方式可在20MHz帶寬內傳送高達54Mbit/s的峰值速率。與此相關的Hipernet2(H2)建議在支持QoS和移動性方面更為出色。另外，藍牙接入技術采用近距離、低功耗、簡捷協議和低成本，也令人注目。

無線接入網與移動通信網相比，各有優勢和特色，也有在將來應用環境下的不足。隨著因特網的應用和普及，特別是其使用方便、信息量大，工作、娛樂都可用，以及低成本等特點，使得因特網在發揮越來越大的功效和能力，特別被看好。因此，基于TCP/IP協議的通信網作為核心網，為今后接入網和移動網合二為一，提供了極好的前景。歐洲各國和幾家大企業在論述后3G的網絡拓撲時，提出了一種融合接入和移動，稱為“始終最好接入”的ABC(AlwaysBestConnected)網絡概念，如圖3所示。將來的無線網絡應是個人網(PersonalAreaNetwork)、室內網(IndoorNetwork)和移動網(MobileNetwork)的結合。個人網可能選用藍牙技術，也可選用其他接入技術，以手機為中心，把個人周邊的機器設備連成一體。當需要高速傳輸數據時，特別是個人終端在高速通信時，使用IEEE802.11或Hipernet2建議，進入室內網，與因特網或其他數據網相聯；當要高速移動和頻繁切換時，使用3G或3.5G標準的移動網，這樣可實現最好接入。無論是個人網還是室內網，都是基于TCP/IP協議的因特網。而將來的移動網，無論是3G還是3.5G、4G，其核心網也將是因特網。因此，從廣義上說，將來的無線移動通信網絡就是無線因特網。

3無線因特網技術

無線因特網是無線接入的因特網。它的優勢和特色體現在：能傳送不同業務要求的高速數據，能方便就近接入因特網，能支持用戶漫游和移動等功能就特別重要。

能實現峰值速率達54Mbit/s的IEEE802.11a協議，在5GHz頻段采用OFDM調制技術，在20MHz帶寬傳送52個正交載波。每個載波為300kHz帶寬，采用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM調制，以及1/2或3/4糾錯碼，能夠提供125kbit/s~1.5Mbit/s的傳輸速率。最近，美國提出可按通信對象和業務需求的OFDM動態分組正交傳輸方法，例如，對語音(也即VoIP)僅使用一個載波，PDA數據使用2個載波，如表1所示。這樣，發射信號功率可以大為降低，接收方也能簡化，不同的個人終端可以采用不同的接收方法。但是，這項技術面臨著明顯的制約和挑戰：首先是載波的正交性控制，實現每個載波的300kHz帶寬的分離，也就是實現正交載波同步；相伴隨的是定時控制，使接收端能獲得進行FFT處理的正確時刻。這兩個問題對OFDM接收特別敏感，通常采用專門的訓練序列來實現。IEEE802.11a給出800ns的訓練序列，在室內環境(小于30m)能達到要求。如果有更大的覆蓋范圍，就要調整發射點的定時。另外，功率控制也極為重要，輸出信號峰值功率與OFDM使用的載波數成正比。大的峰值功率會出現明顯的非線性，通常采用幅度限制和編碼方法來改善，但幅度限制會增加噪聲，編碼處理會增加冗余。

移動通信的高速傳輸技術，主要是面向后3G的WCDMA的下行高速傳輸技術和cdma20001xEV-DO技術。WCDMA采用自適應(可變)調制方法，從QPSK到64-QAM，使下行峰值速率提高到8~10Mbit/s，頻帶利用率比3GWCDMA提高3~4倍，被認為是3.5G系統的傳輸技術。cdma20001xEV-DC建議，也是采用QAM調制，可在1.25MHz帶寬的下行信道傳送2.5Mbit/s的數據。這些建議能實現高速傳輸，但都是在近距離小范圍有效，適合于高速無線接入應用。

因特網接入技術對有線網絡是比較成熟的，但對于無線網絡，還需要努力研究。WAP協議是一種無線接入協議，由客戶接入、WAP網關、WAP服務器等軟件模塊組成，實現移動用戶接入因特網。不過，這種協議是以低速率移動系統為背景，依賴于現有移動系統，如無線LAN、GPRS。GPRS是在GSM系統基礎上發展起來的，采用信包交換的通用無線服務系統，為接入因特網，在GSM上增加了GPRS節點服務器(SGSN)和GPRS節點網關(GGSN)，利用多時隙傳輸，最高可達172kbit/s速率。但是，系統結構、基本交換方式并沒有根本性變革，而是越來越復雜。無線因特網要體現因特網結構簡捷、使用方便、成本低廉的優勢，有必要尋求更好的無線接入技術，以和現行不同網絡彼此接入。

中國科技大學個人通信與擴頻實驗室為發展新型無線因特網接入技術，提出了一種WCDMA系統的NodeB（節點B）直接接入IP網的方法和接入協議信令結構，見圖4。

這一方法把TCP/IP協議直接用到NodeB，使移動通信網大大簡化。最近，日本在研究后3G技術中，在我們上述方法的基礎上，提出了分布式基站系統方式，幾個基站作為一個基站群，建在TCP/IP協議的本地網(本地因特網)上，構成一個基站系統。該系統的任一基站或指定基站都可作為網關，直接聯到核心網(也就是因特網)上。有關移動通信的第1、2層信令大多在本地因特網上，與核心網交互的基本上是第3層信令。這樣，可極大減少進入核心網的信令流量，從而簡化協議。另外，NodeB的分布和多少不太受現有移動網結構限制，大小區覆蓋，哪兒都可以接入，使得建網方便靈活。芬蘭諾基亞公司提出了一種移動運營商經營無線接入網絡的網絡接入方法。無線接入網結構由終端、無線接入點、接入控制器和鑒權服務器構成，相當于GPRS的手機、基站、GGSN和CGSN。其中，接入控制器與鑒權服務器都與因特網相連，作為運營商的IP核心網，而鑒權服務器又是連在運營商的移動核心網上的。為實現因特網上的接入控制器與移動網上的鑒權服務器相連，又提出了遙控用戶鑒權服務(RADIUS)接口協議。這種方法使現有移動運營商同時經營無線接入網成為可能，移動網保持固有結構，無線接入網改為本地無線因特網進入移動通信網。

現在的無線接入網都是本地接入網，用戶不具有漫游和越區切換等能力。而將來的無線因特網，既是接入網又是移動網，必須具有用戶漫游和越區切換功能。利用因特網支持用戶位置管理和移動管理的是移動IP技術，利用移動節點、本地代理、外地代理構成的移動IP協議，可以實現一個IP地址在因特網上的漫游。而移動用戶的越區切換較難實現。美國最近提出了基于CDMA系統IP基站和全IP無線網絡的軟切換方法，試圖在使用分組交換的條件下，實現一個用戶的IP業務以多個路徑分發給多個基站，使不同基站同時發往移動用戶的數據是相同的，至少可合并成一個信息。這種能力對電路交換不太困難，但對分組交換的確是挑戰。為此，他們提出了一個新定義：影子地址(Shadowaddress)。為使因特網的用戶能通過基站呼叫移動終端，在IP網上分配一個或幾個影子地址給基站，作為該基站覆蓋范圍內進行越區切換的移動終端的臨時地址。基站采取分配方式(靜態分配或動態分配)，一個影子地址可供多個終端使用。這樣每個基站會有一個影子地址列表，網上用戶要呼叫移動終端，首先要從列表中找到它的影子地址發出請求，得到基站響應后就可發送信息。如果該影子地址被鄰近幾個基站響應，那就向幾個基站發送信息，能可靠實現軟切換。

4結束語

移動通信用戶數和數據業務量的高速增長是對無線移動通信的極大挑戰。一味采取現有移動通信網蜂窩區域變小的方法來增加容量，會使網絡成本大幅上升。因此，采用簡單、方便、低廉的因特網作為核心網，是接入網的必由之路，無線因特網將大有前途。

從通信系統和通信網絡的發展看，有前景、有技術并不能保證很快普及應用，業務類型和服務對象也是重要因素。無線局域網發展多年而沒有形成極大市場，沒有輕小終端和移動能力是其重要原因。因此，無線因特網的發展，要從技術發展和業務應用兩方面著手，使終端便攜，可移動，提供有價值的業務，上網快，使用簡便，高速、高質量，界面活潑，價格低，才會帶來無線移動因特網的新飛躍，開創無線因特網的新時代。□

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(收稿日期：2001-12-17)

作者簡介

朱近康，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授，博士生導師，校學術委員會副主任，個人通信與擴頻實驗室主任，1996年～2001年為國家“863”計劃通信主題專家組成員、個人通信專家組組長。1992年起享受國務院的政府特殊津貼。曾獲國家高技術研究成果（個人）二等獎、國家高技術“863”計劃研究突出成果獎等多項獎項。研究方向為個人通信與移動通信，CDMA與擴頻通信，無線通信網及通信信號處理。