寬帶無線ＩＰ技術與系統

摘要：

文章列述了寬帶無線IP技術發展的概況，介紹了中國寬帶無線IP技術標準化的工作，最后以寬帶IP實驗系統為例說明了這一技術的應用。

關鍵詞：

移動IP；無線局域網；寬帶無線傳輸；標準化

ABSTRACT:

ThedevelopmentsofbroadbandwirelessIPtechnologiesareoutlinedinthepap

er.Thestandardizationo

fbroadbandwirelessIPtechnologiesinChinaisintr

oduced.Theprototypesystemofbroadbandwireless

IPtechnologiesispresent

edtodescribetheirapplications.

KEYWORDS:

MobileIP;WLAN;Broadbandwirelesstransmission;Standardization

移動通信和Internet的飛速發展，帶來了在任何時間、任何地點都可以享用Internet業務的需求。椐據UKARCGroup預測，無線Internet業務的用戶到2004年將達到7.5億戶，Internet用戶總數將達到10億戶。無線Internet的用戶將占Internet用戶數的大部分。因此探索新一代(或寬帶)無線(移動)通信和Internet的有機結合是當前國際上的研究熱點。

目前，在這一領域有兩種發展方向：一是以現有的2.5代(如GPRS、EDGE)或3代（如WCDMA、TD-SCDMA)的蜂窩移動通信系統為基礎向全IP網過渡，推動第3代移動通信進行全IP化的組織為3GIP；二是WLAN(如IEEE802.11b)+Internet構成全IP網絡，或是以新的空中接口（如TD-LAS)+Internet構成全IP網絡。目前，在空中接口方面出現了WLAN和3G標準組合或融合的趨勢。

移動無線Internet論壇（MWIF)致力于推出一個開放的移動無線Internet結構，從而實現移動電話業務和Internet業務的“無縫”集成。該結構與接入技術無關，能夠滿足網絡運營商和Internet業務提供商的要求。該論壇的一個重要目的就是要影響其他標準化的組織：3GPP、3GPP2、IETF。

1寬帶傳輸標準

3G室內環境最高的傳輸速率只為2Mbit/s，而在寬帶無線IP系統中，近期內將能提供10～20Mbit/s的數據速率，遠期還將提供20～50Mbit/s（最高能達150Mbit/s)的數據速率。

IEEE無線局域網(WLAN)的基本標準是1997年10月批準的IEEE802.11。其工作頻率為2.4GHz，基本數據速率為1Mbit/s和2Mbit/s，采用跳頻(FH)和直接序列擴頻(DSSS)。

1999年秋天，IEEE批準的IEEE802.11b標準[1]，是與DSSS后向兼容的標準，采用兩種編碼方式與BPSK/QPSK相結合的方法，增加了兩個新的傳輸速率5.5Mbit/s和11Mbit/s；基本的(Mandatory)編碼方式是

CCK(ComplementaryCodingKeying)，可選的編碼方式是

PBCC(PacketBinaryConvolutionalCoding)。目前，IEEE802.11標準工作組的任務小組G正在考慮傳輸速率大于20Mbit/s的新標準。而Alantro/TI的建議IEEE802.11g標準，采取PBCC和8-PSK相結合，增加了22Mbit/s的傳輸速率。

對IEEE802.11的另一個擴展是IEEE802.11a標準。它工作在5GHz的頻段，采用52子載波的OFDM方式，在20MHz的帶寬內可傳輸6、9、12、24、36、48、54Mbit/s的數據速率，其編碼速率為1/2、2/3和3/4，調制方式為BPSK/QPSK、16/64-QAM。Atheros通信公司還提出了對IEEE802.11a擴展的方案，稱為5-UPTM協議[2]。在該協議中不同業務使用不同數量的子載波數來支持多種業務。

超寬帶(UWB)通信方式目前受到了廣泛的重視。它利用極窄的脈沖在近距離實現高速數據傳輸。例如：TimeDomain公司實現了在中心頻率為2.0GHz傳輸5Mbit/s的數據鏈路。MultispectalSolution研究所(MSSI)實現了25Mbit/s的高速UWB通信。

2Adhoc網

在傳統的移動無線Internet接入方式中，通常是以寬帶有線接入網為支撐，無線用戶只通過一跳(不需要在無線網中多次轉接)就可以進入固定網絡。在很多應用場合，如個人區域網、家域網、軍事應用、搶險救災等，無線網絡沒有固定的基礎設施作支撐，移動用戶的信息需要通過移動用戶之間的多次中轉才能到達目的用戶，這種網絡通常稱為分布式或Adhoc網絡。

Adhoc網絡結構如圖1所示。網絡可采用全分布式控制，也可采用分層分布式控制。圖1是分層分布式控制。在圖1中，將網絡節點分成群，每一個群產生一個群首負責本群中節點的管理。不同的群可使用不同的工作頻率，群內可采用高效的多址協議(如UPMA等)。在Adhoc網絡中，需要采用自組織算法來產生群和群首，計算最佳路由并進行動態資源分配。

研究在Adhoc環境下高效支持TCP/IP協議的寬帶移動無線網絡技術是當前另一個研究熱點。其主要目標是將多媒體和Internet業務延伸到Adhoc用戶，可在2～6GHz頻段向用戶提供2～50Mbit/s的數據速率。

目前對Adhoc環境下寬帶移動無線網絡研究的主要兩大陣營有：一是IETF和IEEE，二是DARPA。已有一些標準(如IEEE802.11、Bluetooth)支持Adhoc方式。IETF成立了專門的研究組——移動Adhoc網絡(MANET)組來研究它的路由問題，將移動IP拓展到無固定網絡結構支撐的情況。1999年1月，RFC2501詳細給出了MANET的應用場合、特征和性能要求。IETF在2000年下半年公布了一系列的有關Adhoc路由的草案(AODV、TORA、DSR、OLSR、DDM、MAODV、TBRPF、LANMAR、FSR等)。IEEEJAC1999年8月出版了無線Adhoc網絡的專輯。IEEE通信分會在2000年底成立了專門的Adhoc技術分委員會。IEEE個人通信雜志于2001年2月出版了Adhoc網絡專輯。

美國DARPA資助的

SUOSAS(SmallUnitOperationsSituationAwarenessSystem)在開發能夠支持未來dismountedsoldiers信息需要的突破性技術，并集成進可演示的系統。在高移動環境下的由100個實驗單元組成的現場實驗將于2002年春開始。SUOSAS必須同時支持10000用戶。系統能夠工作在20MHz～2.5GHz的頻段，帶寬為500kHz～20MHz，自適應數據速率為16bit/s～4Mbit/s。

瑞士聯邦工學院Terminnodes正在研究和實現大規模自組織移動Adhoc網(與瑞士電信的合作項目時間為2000年~2010年)。除外還有WING(加州大學SA分校)和MONARCH(卡耐梅容大學)等研究計劃。

3寬帶無線IP實驗系統

西安電子科技大學于2000底研制成功的一個典型的基于WLAN支持移動IP的寬帶無線IP系統，其網絡結構如圖2所示[4]。它利用常規的局域網（如10/100/1000Mbit/s以太網)及其互連設備(路由器)構成骨干支撐網，利用無線接入點(AP)和無線接入服務器(WAS)來支持移動終端(MT)的移動和漫游。無線接入服務器的作用是提供無線終端的接入管理和移動性管理。在每個無線接入服務器管轄的范圍內(稱為服務區)可支持多個小區。無線接入點的作用是完成WLAN和LAN之間的橋接，實現無線空中接口協議到LAN協議的轉換，并實現小區內的移動用戶管理。在無線接入服務器中運行移動IP服務器端進程軟件，在移動終端上運行移動IP客戶端進程便可支持移動IP功能。該系統可支持用戶在移動和漫游的狀態下，享用VOD、FTP、WWW瀏覽等業務。

該系統包括兩個子網，子網1的IP地址是202.117.125.x，子網2的IP地址是202.117.114.x。子網1可包括1～2個無線接入點(A和B)，2～4個移動終端；子網2可包括1個無線接入點(C)，2～4個移動終端。

為了使移動終端在子網內可以訪問Internet，無線接入點(AP)必須具有橋接的功能(實現有線網絡與無線網絡之間的幀格式轉換和路由功能)、相同子網內散步管理功能(支持用戶在同一子網不同蜂窩小區之間的移動和越區切換)，支持SNMP管理、對用戶的身份認證、無線信道的管理、數據庫及學習功能、加密等功能，主要的協議包括：IEEE802.3、IEEE802.1d、IEEE802.11等。

為了使移動終端能在跨越不同子網的不同小區之間任意移動，在不對移動終端作任何配置和改動的情況下，可連續使用Internet業務，即同時做到“操作透明性”(移動終端的移動不會引起用戶進行特殊的操作，如對網絡參數的重新配置、移動終端的重新啟動等)和“性能透明性”(移動終端的性能如通信能力、應用軟件的性能等并不因主機的移動而有明顯地下降)，需要在每一個子網中配置一個無線接入服務器(WAS)，來支持上述移動IP(MobileIP)功能。

移動IP軟件的開發遵守RFC2002、RFC2003和IETF的相關建議和草案。移動IP軟件分為兩部分：運行在移動終端上的進程(客戶端進程)和運行在無線接入服務器上的代理進程(服務器端進程)。

移動IP軟件的服務器端的進程包括家代理(HA)、外地代理(FA)兩部分。家代理用于管理在本子網注冊的移動終端，存儲它們的業務檔案；外地代理用于管理訪問本子網的外地移動終端。

移動IP軟件的代理進程主要包括代理搜索、轉交地址獲取、隧道建立和登錄等過程。

(1)代理搜尋：MT開機后，確定自己是在家網還是在外地網的過程稱為代理搜尋。實現代理搜尋的方法有兩種：由代理(FA或HA)發送代理公告(AgentAdvertisement)報文的方法和由MT發送代理征求(AgentSolicitation)報文的方法。前者由代理定期地發送代理公告廣播報文，MT接收到該報文后判斷自己處在何處；后者由MT主動發送代理請求廣播報文，依據HA或FA的應答報文，MT判斷自己處在何處。

(2)轉交地址:當MT漫游到外地網時，它從外地代理處獲得一個轉交地址并通知其家代理。此后，MT的HA將把發給該MT原來地址的IP包接收下來，重新打包后發送到MT的轉交地址(通常是FA的IP地址)，再由FA轉交至MT。

(3)隧道:當MT漫游到外地網時，由于其它移動終端并不知道它已漫游，故發給它的IP包仍然送至其家域網。如上所述，MT的HA將把這些IP包接收下來并重新打包后發送到MT的FA。所謂MT的隧道，是指傳送這些重新打包后的IP包由HA至FA的通道。在隧道的發送端，HA依據隧道協議把需傳送的IP包重新裝包，在接收端FA完成拆包。

(4)登錄:當MT獲得轉交地址后，通知其HA并設置好其隧道的過程稱作登錄。在登錄過程中，由MT向其HA發出登錄請求報文，HA修改MT的位置信息并設置好隧道后，向MT返回登錄應答報文。

假定MT1已從子網1漫游到子網2(參見圖2)，固定主機訪問MT1的過程是：固定主機首先將IP分組送到子網1的無線接入服務器A，該服務器根據MT1當前的物理位置，通過無線接入服務器A到無線接入服務器B之間建立的隧道，將分組送到無線接入服務器B，無線接入服務器B再通過無線接入點C發給MT1。

寬帶無線IP實驗系統的協議棧如圖3所示。

單小區下的實驗系統的性能描述如下：在無線接入點和移動終端運行Windows98，利用LanEval測量的在不同幀長情況下的平均接收速率為5.49Mbit/s(幀長1528byte)和4.60Mbit/s(幀長1024byte)。在全自適應速率情況下，傳輸距離可達53.55m。移動主機通過AP直接向服務器發送數據時，AP的平均轉發速率為5.02Mbit/s(幀長1528byte);服務器直接通過AP向移動主機發送數據時，AP的平均轉發速率為3.92Mbit/s(幀長1528byte)。實驗結果表明：寬帶無線IP實驗系統的傳輸性能達到了設計要求。

在多小區的情況下，在子網1和子網2的無線接入點A、B和C的覆蓋區有適當交疊的情況下，MT1和MT3均可往返于兩個子網中移動，實驗系統可連續地支持視頻點播(VOD)、FTP、WWW瀏覽等業務，實現了移動IP的各項功能。

4寬帶無線IP技術的應用

MobileIP是IETF提出的解決移動用戶試圖通過不同的WLAN接入Internet時有關路由問題的建議。

由于在開始時并不特別關心計費問題，當WLAN大規模應用時或蜂窩電話公司使用MobileIP時，就需要對MobileIP進行擴展，以便對移動節點進行身份認證、連接鑒權和能夠付費。目前在IETF內考慮的方法是依賴可以完成AAA(Accounting，AuthenticationandAuthorization)的服務器。其基本的框架如圖4所示。在該框架中包括家域的AAA服務器(AAAH)和當地服務器(AAAF)。每一個AAAF管理若干個鑒權代理。鑒權代理將協助移動節點進行鑒權。

目前的一個應用實例就是NokiaMobilePhones提出的OWLAN(OperatorWLAN)系統[5]。該系統以WLAN作為接入手段，采用了GSM的用戶管理和計費機制。OWLAN允許在不同運營商的接入網之間進行IP漫游。OWLAN方案適合于任何具有GSMSIM卡讀入器及具備相關定義WLAN信令模塊的WLAN終端設備。2001年7月已建立了第一個商用系統。OWLAN的系統結構如圖5所示。其主要的設計難點是如何利用IP的協議框架將標準的GSM的用戶認證信令從WLAN終端設備傳到蜂窩系統。

5結束語

寬帶無線IP技術主要研究如何通過簡單的高速無線接口接入高速Internet，并有效地支持移動IP技術和AAA服務。目前，以WLAN+Internet的平臺受到最廣泛的關注，并且已開始商用。中國信息產業部批準成立了“寬帶無線IP標準工作組”，負責組織中國寬帶無線IP技術應用領域標準的制(修)訂工作。首批成員有8家單位。其主要的標準化領域包括：近距離寬帶無線IP接入、移動無線IP接入、IP的移動性、無線IP的安全性、TCP/IP無線傳輸、IP業務等。寬帶無線IP技術是對以蜂窩移動通信為基礎的全IP技術的挑戰，具有廣闊的市場前景。

參考文獻

1HeegardC.HigherformanceWirelessEthernet.IEEECommunicationsMagazine

，2001，39(11):64—73

2McFarlandB.The5UPTMProtocolforUnifiedMultiserviceWirelessNetworks.

IEEECommunicationsMaga

zine，2001，39(11):74—80

3PerkinsCE.MobileIPJoinsForceswithAAA.IEEEPersonalCommunications，20

00，7(4):59—61

4李建東，劉乃安，黃振海等.寬帶無線IP實驗系統.高技術通信

，2001，11(7)

5JuhaAla-Laurila，JuhaAla-Laurila，JouniMillonen.WirelessLANAccessNet

workArchitectureforMob

ileOperators.IEEECommunicationsMagazine，2001，

39(11):82—89

(收稿日期：2001-12-10)

作者簡介

李建東，西安電子科技大學通信工程學院院長和信息科學研究所所長，博士生導師，博士，中國通信學會會士，IEEE高級會員，中國電子學會高級會員，第1屆和第4屆“863”個人通信技術專業專家組成員，總裝備部通信專業專家組成員。曾被評為陜西省和原電子部有突出貢獻的專家，享受國家政府特殊津貼。已出版著作和教材5本，發表論文80余篇，獲省部級獎5項。目前主要從事移動通信、分組無線網、寬帶無線IP技術等方面的研究。

盛敏，西安電子科技大學講師，碩士?，F為西安電子科技大學通信與信息系統專業博士研究生。主要研究方向包括：Adhoc網絡的路由和多址接入技術、移動通信、戰術互聯網、移動IP等。

劉乃安，西安電子科技大學綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室副教授，碩士生導師。先后從事國家自然科學基金、國家高科技計劃(863)及國內外合作等項目10多項。撰寫并發表論文50余篇，出版教材和著作6本，譯著1本。主要從事無線通信、移動計算網絡、擴展頻譜通信等方面的科研與教學工作。