无线互联网的发展与面临的挑战

发布时间:2003-11-26  作者:朱近康 Zhu Jinkang  阅读量:

  1 前言

  日益增长的数据通信需求促使数据通信将逐渐成为通信的主体,其中特别突出的是短消息服务,全球2000年6月一个月的短消息达80亿条,1999年传送的数据量比之前所有传送量的总和还多。日本推出i-mode服务后,2000年底就达1 700万用户。中国市场在移动用户高速增长的同时,短消息业务也在急剧增长。按爱立信公司的预计,2000年一个用户日平均通信量为20分钟,到2005年增加到600分钟。未来通信业务将包含社交与私人通信,如语音和图像新闻、可视电话、救援通信;授权与交易通信,如WWW信息电子商务、电子银行、遥控等;娱乐和休闲通信,如游戏、体育、音乐等,这些都需要传送大量的数据。

  进入21世纪以来,无线移动通信、互联网和个人终端的发展特别引人注目,成为风靡全球的高新技术和新兴产业。无线移动通信可以分成移动通信和无线接入两大方向。随着数字移动通信的兴起,无线接入的无线调制解调器也开始进入市场。随着第2代移动通信系统面向第3代系统的发展,无线接入也由无线调制解调器、无线本地环、无线局域网转向宽带无线接入发展。图1给出了它们的发展历程和将来的演进。


图1 无线通信的发展

  正走向商用的第3代移动通信,尽管能提供高达2 Mbit/s的传输速率,但面对将来爆炸性增长的数据通信需求还是不够,因此要寻求更高速率的传输系统,发展后3G、4G,为此要开发更高频段信号的应用。图2给出了使用不同频段与第3代系统使用2 GHz达2 Mbit/s速率的比较。从图1和图2看出,随着使用频段的提高,小区覆盖范围和可移动性的能力在下降,这就促使移动通信与无线接入的融合和统一,形成了新的亮点??无线因特网。


图2 不同频段的应用特性

  2 无线网络的发展趋势

  如前所述,现今的无线移动通信网络,是以移动通信网和无线接入网两个方向并行发展。移动通信网由第2代的GSM、cdmaOne及美国的TDMA、日本的PDC为代表,传送9.6 ~14.4 kbit/s的数据速率,提供语音和短消息服务。正开始在市场运用的GPRS、cdma 2000 1x,被称为第2.5代系统,提供高达64 kbit/s的数据通信服务。预计2003 ~2004年,全球将可能全面开始第3代移动通信的运营,以WCDMA、cdma 2000 1x EV-DO和中国提出的TD-SCDMA为代表,提供384 kbit/s ~2 Mbit/s数据速率的服务。其中美国的TDMA系统与GPRS技术相结合,推出的EDGE也能达到这样的通信能力和要求。随后将是3.5G和4G。

  无线接入网从最早的无线调制解调器提供9.6 kbit/s的无线接入能力,到无线本地环,扩大了无线调制解调器的覆盖范围和通信能力。而后无线局域网的出现,使计算机网变成可无线接入的网络,使用IEEE 802.11协议,使无线信道的峰值速率达到2 Mbit/s。在此基础上又提出了有更高峰值速率的IEEE 802.11b标准,信道峰值速率可达11 Mbit/s。现在又进一步提出了可达20 Mbit/s、22 Mbit/s峰值速率的建议。IEEE 802.11系列的另一标准建议是IEEE 802.11a,工作在5 GHz频段,采用OFDM方式可在20 MHz带宽内传送高达54 Mbit/s的峰值速率。与此相关的Hipernet 2 (H2)建议在支持QoS和移动性方面更为出色。另外,蓝牙接入技术采用近距离、低功耗、简捷协议和低成本,也令人注目。

  无线接入网与移动通信网相比,各有优势和特色,也有在将来应用环境下的不足。随着因特网的应用和普及,特别是其使用方便、信息量大,工作、娱乐都可用,以及低成本等特点,使得因特网在发挥越来越大的功效和能力,特别被看好。因此,基于TCP/IP协议的通信网作为核心网,为今后接入网和移动网合二为一,提供了极好的前景。欧洲各国和几家大企业在论述后3G的网络拓扑时,提出了一种融合接入和移动,称为“始终最好接入”的ABC(Always Best Connected)网络概念,如图3所示。将来的无线网络应是个人网(Personal Area Network)、室内网(Indoor Network)和移动网(Mobile Network)的结合。个人网可能选用蓝牙技术,也可选用其他接入技术,以手机为中心,把个人周边的机器设备连成一体。当需要高速传输数据时,特别是个人终端在高速通信时,使用IEEE 802.11或Hipernet 2建议,进入室内网,与因特网或其他数据网相联;当要高速移动和频繁切换时,使用3G或3.5G标准的移动网,这样可实现最好接入。无论是个人网还是室内网,都是基于TCP/IP协议的因特网。而将来的移动网,无论是3G还是3.5G、4G,其核心网也将是因特网。因此,从广义上说,将来的无线移动通信网络就是无线因特网。


图3 ABC网络概念

  3 无线因特网技术

  无线因特网是无线接入的因特网。它的优势和特色体现在:能传送不同业务要求的高速数据,能方便就近接入因特网,能支持用户漫游和移动等功能就特别重要。

  能实现峰值速率达54 Mbit/s的IEEE 802.11a协议,在5 GHz频段采用OFDM调制技术,在20 MHz带宽传送52个正交载波。每个载波为300 kHz带宽,采用BPSK、QPSK、16-QAM或64-QAM调制,以及1/2或3/4纠错码,能够提供125 kbit/s~1.5 Mbit/s的传输速率。最近,美国提出可按通信对象和业务需求的OFDM动态分组正交传输方法,例如,对语音(也即VoIP)仅使用一个载波,PDA数据使用2个载波,如表1所示。这样,发射信号功率可以大为降低,接收方也能简化,不同的个人终端可以采用不同的接收方法。但是,这项技术面临着明显的制约和挑战:首先是载波的正交性控制,实现每个载波的300 kHz带宽的分离,也就是实现正交载波同步;相伴随的是定时控制,使接收端能获得进行FFT处理的正确时刻。这两个问题对OFDM接收特别敏感,通常采用专门的训练序列来实现。IEEE 802.11a给出800 ns的训练序列,在室内环境(小于30 m)能达到要求。如果有更大的覆盖范围,就要调整发射点的定时。另外,功率控制也极为重要,输出信号峰值功率与OFDM使用的载波数成正比。大的峰值功率会出现明显的非线性,通常采用幅度限制和编码方法来改善,但幅度限制会增加噪声,编码处理会增加冗余。

  表1 IEEE 802.11a OFDM动态分组传输的基本特征参数

数据速率
子载波数
调制方式
平均发送功率
峰值平均功率比
ADC/DAC位数
FFT点数
125kbit/s
1
BPSK
0.8mW
约1
4bit
-
750kbit/s
1
16-QAM
0.8mW
约1.4
5bit
-
1.5Mbit/s
4
QPSK
3.2mW
约4
5bit
4
6Mbit/s
8
16-QAM
6.4mW
约8
6bit
8
12Mbit/s
16
16-QAM
12.8mW
约16
7bit
16
36Mbit/s
48
16-QAM
40mW
约48
8bit
64
54Mbit/s
48
64-QAM
40mW
约48
8bit
64

  移动通信的高速传输技术,主要是面向后3G的WCDMA的下行高速传输技术和cdma 2000 1x EV-DO技术。WCDMA采用自适应(可变)调制方法,从QPSK到64-QAM,使下行峰值速率提高到8~10 Mbit/s, 频带利用率比3G WCDMA提高3 ~4倍,被认为是3.5G系统的传输技术。cdma 2000 1x EV-DC建议,也是采用QAM调制,可在1.25 MHz带宽的下行信道传送2.5 Mbit/s的数据。这些建议能实现高速传输,但都是在近距离小范围有效,适合于高速无线接入应用。

  因特网接入技术对有线网络是比较成熟的,但对于无线网络,还需要努力研究。WAP协议是一种无线接入协议,由客户接入、WAP网关、WAP服务器等软件模块组成,实现移动用户接入因特网。不过,这种协议是以低速率移动系统为背景,依赖于现有移动系统,如无线LAN、GPRS。GPRS是在GSM系统基础上发展起来的,采用信包交换的通用无线服务系统,为接入因特网,在GSM上增加了GPRS节点服务器(SGSN)和GPRS节点网关(GGSN),利用多时隙传输,最高可达172 kbit/s速率。但是,系统结构、基本交换方式并没有根本性变革,而是越来越复杂。无线因特网要体现因特网结构简捷、使用方便、成本低廉的优势,有必要寻求更好的无线接入技术,以和现行不同网络彼此接入。

  中国科技大学个人通信与扩频实验室为发展新型无线因特网接入技术,提出了一种WCDMA系统的Node B(节点B)直接接入IP网的方法和接入协议信令结构,见图4。


图4 WCDMA系统的Node B接入IP网模型

  这一方法把TCP/IP协议直接用到Node B,使移动通信网大大简化。最近,日本在研究后3G技术中,在我们上述方法的基础上,提出了分布式基站系统方式,几个基站作为一个基站群,建在TCP/IP协议的本地网(本地因特网)上,构成一个基站系统。该系统的任一基站或指定基站都可作为网关,直接联到核心网(也就是因特网)上。有关移动通信的第1、2层信令大多在本地因特网上,与核心网交互的基本上是第3层信令。这样,可极大减少进入核心网的信令流量,从而简化协议。另外,Node B的分布和多少不太受现有移动网结构限制,大小区覆盖,哪儿都可以接入,使得建网方便灵活。芬兰诺基亚公司提出了一种移动运营商经营无线接入网络的网络接入方法。无线接入网结构由终端、无线接入点、接入控制器和鉴权服务器构成,相当于GPRS的手机、基站、GGSN和CGSN。其中,接入控制器与鉴权服务器都与因特网相连,作为运营商的IP核心网,而鉴权服务器又是连在运营商的移动核心网上的。为实现因特网上的接入控制器与移动网上的鉴权服务器相连,又提出了遥控用户鉴权服务(RADIUS)接口协议。这种方法使现有移动运营商同时经营无线接入网成为可能,移动网保持固有结构,无线接入网改为本地无线因特网进入移动通信网。

  现在的无线接入网都是本地接入网,用户不具有漫游和越区切换等能力。而将来的无线因特网,既是接入网又是移动网,必须具有用户漫游和越区切换功能。利用因特网支持用户位置管理和移动管理的是移动IP技术,利用移动节点、本地代理、外地代理构成的移动IP协议,可以实现一个IP地址在因特网上的漫游。而移动用户的越区切换较难实现。美国最近提出了基于CDMA系统IP基站和全IP无线网络的软切换方法,试图在使用分组交换的条件下,实现一个用户的IP业务以多个路径分发给多个基站,使不同基站同时发往移动用户的数据是相同的,至少可合并成一个信息。这种能力对电路交换不太困难,但对分组交换的确是挑战。为此,他们提出了一个新定义:影子地址(Shadow address)。为使因特网的用户能通过基站呼叫移动终端,在IP网上分配一个或几个影子地址给基站,作为该基站覆盖范围内进行越区切换的移动终端的临时地址。基站采取分配方式(静态分配或动态分配),一个影子地址可供多个终端使用。这样每个基站会有一个影子地址列表,网上用户要呼叫移动终端,首先要从列表中找到它的影子地址发出请求,得到基站响应后就可发送信息。如果该影子地址被邻近几个基站响应,那就向几个基站发送信息,能可靠实现软切换。

  4 结束语

  移动通信用户数和数据业务量的高速增长是对无线移动通信的极大挑战。一味采取现有移动通信网蜂窝区域变小的方法来增加容量,会使网络成本大幅上升。因此,采用简单、方便、低廉的因特网作为核心网,是接入网的必由之路,无线因特网将大有前途。

  从通信系统和通信网络的发展看,有前景、有技术并不能保证很快普及应用,业务类型和服务对象也是重要因素。无线局域网发展多年而没有形成极大市场,没有轻小终端和移动能力是其重要原因。因此,无线因特网的发展,要从技术发展和业务应用两方面着手,使终端便携,可移动,提供有价值的业务,上网快,使用简便,高速、高质量,界面活泼,价格低,才会带来无线移动因特网的新飞跃,开创无线因特网的新时代。

  参考文献

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6 Zhang T,Agrawal P, Chen J C. IP-Based Base Stations and Soft Handoff in All-IP Wireless Networks. IEEE Personal Communications, 2001, 8(5): 24-31

[摘要] 无线互联网是针对日益增长的数据通信量和移动用户数,即将发展起来的新型网络和通信体制。文章就无线互联网产生的背景和地位、发展历程、新型技术和面临的挑战等方面作出分析。

[关键词] 无线接入;移动通信;无线因特网;高速传输技术

[Abstract] The wireless Internet is a newly developed new type of network and a communication system. It is developed to meet the ever-increasing data traffic and mobile subscribers. The paper analyzes the background of the emergence of wireless Internet, and its status and development courses, as well as the new technologies it adopts and challenges it faces.

[Keywords] Wireless access; Mobile communication; Wireless Internet; High-speed transmission technology

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