无线ATM

文章编号：1009－6868(2001)04－0040－04 文献标识码：A 中图分类号：TN915.2

　　异步传送模式(ATM)是一种数据传输技术。其特点是统计复用、信元长度固定、虚通道(VP)与虚通路(VC)交换、带宽的动态分配、能综合多种业务。人们相信ATM将成为未来宽带综合业务数字网(B－ISDN)的标准。从业务的角度来看，ATM在一个有线网络上同时提供数据和多媒体信息，并且能够适应从骨干网到企业网的不同规模网络。

　　无线个人通信网(PCN)在20世纪90年代得到了飞速的发展，目前，移动掌上设备，包括电话和寻呼机等已经得到了普遍的应用。然而，由于受到带宽和业务质量(QOS)等的限制，这些设备无法满足日益发展的多媒体业务。

　　由于ATM在有线网络上的成功应用，无线ATM(WATM)就成了下一个目标。WATM可以被认为是下一代个人通信网的解决方案，或者是B－ISDN网络的无线扩展，最终能够支持在无线网络上的综合业务传输，包括数据，话音，视频等，以及提供对业务质量的支持。

　　WATM的总目标是设计整体的无线业务网络，以相对透明的、无缝的、有效的方式，提供基于光纤的ATM网的无线业务延伸，可以同时满足人们对于多媒体和移动性的业务需求。WATM的结构和协议目前尚未有制定的标准。目前，ATM论坛正在制定WATM系统的基线标准，致力于制定ATM网络中的移动性控制和ATM向移动设备的无线扩展等方面的标准制定。

　　1 无线ATM网络参考模型

　　无线ATM网络的参考模型如图1所示。整个系统由一个有线ATM网络和一个无线接入部分组成。在有线ATM网络中，ATM交换机在移动性功能上得到了增强，与无线基站和无线终端用户设备直接通信。交换机在无线设备之间起到了接入服务器的作用。有线ATM网络中的其余交换节点则保持不变。

图1 无线ATM网络参考模型

　　根据无线应用的不同，无线接入有几种不同的解决方案。

　　(1)固定无线终端

　　在固定的无线局域网，或者通过卫星和微波连接的网络中，终端用户设备和交换设备保持固定，通过无线信道彼此建立连接。在这类应用中，数据传输虽然是无线的，但是不存在移动性。用户设备不用四处漫游，因此，不存在切换，位置管理，路由等的设计问题。

　　(2)移动终端用户

　　在数字蜂窝、PCS以及无线局域网中，终端用户设备可以移动，通过无线信道与固定网络交换设备相连。为了支持ATM连接，终端用户需要配备无线终端适配卡，用于同固定交换网中的无线接入点保持通信。

　　(3)带固定终端用户的移动交换设备

　　终端用户设备通过有线或无线信道连接到交换机上，终端设备和交换机一起作为一个整体移动。一个交换节点上可以有多个终端用户设备，一个终端用户设备只挂在一个交换机上，而不在不同的交换机之间漫游。交换机通过无线信道，负责建立与固定网的连接。在这种情况下，移动交换机和带有移动功能的ATM交换节点都需要无线终端适配器。

　　(4)带移动终端用户的移动交换设备

　　这种情况下，终端用户设备和交换机都是可移动的。当终端用户需要建立一个连接时，首先与一个移动交换机建立一个连接，移动交换机然后再直接或通过其他的移动交换机与固定网络交换机建立一个连接，要支持移动性，同样需要无线终端适配器和无线接入点。

　　(5)与PCS互联

　　PCS网络中的用户是PCS终端。PCS终端通过无线链路向PCS基站发送数据，PCS基站通过基站控制器向固定网络交换机建立连接。基站控制器作为一个逻辑单元，起到了ATM到PCS转换器的作用。

　　(6)无线Ad Hoc网络

　　一个Ad Hoc网络是移动终端的一个集合，其中不需要集中的接入点。在这种应用中，无线ATM网络需要有自配置功能。一个终端用户可以直接和支持移动功能的ATM交换节点通信，也可以通过一个中央控制器进行。

　　2 无线ATM协议

　　2.1 无线ATM协议结构

　　WATM采用ATM来提供数据传送业务，因此其结构也是基于ATM协议栈之上。为了支持移动性，WATM在原来的ATM协议栈基础上作了相应的扩展。通过标准的ATM信令功能，WATM网络在端到端的基础上支持保证业务质量的ATM虚电路和终端的移动性相关的功能，比如切换和位置管理，则通过在交换机和无线端口(基站)侧增加扩展的协议来完成，如图2所示。这样，无线ATM网络的协议可以分成以下两个大类：和无线路相关的无线接入层协议；和无线链路无关，而用于移动性控制的移动ATM协议。

图2 无线ATM网络结构

　　根据ATM论坛，WATM的协议栈结构如图3所示。

图3 WATM协议结构

　　图3中，无线接入层协议负责无线ATM接入的无线链路协议，包括物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、数据链路控制层(DLC)以及无线控制层(RC)。移动ATM主要处理用于支持移动性的上层信令功能，包括切换、位置管理、路由、编址以及流量控制等。
　　
　　2.2 无线接入层

　　为了支持无线通信，在ATM层的下面必须增加与无线信道相关的物理层、介质访问控制层和数据链路控制层，这些协议在WATM网络中被统称为无线接入层。

　　(1)物理层

　　一个固定基站可拥有从25 Mbit/s到155 Mbit/s速率的ATM链路，在无线环境中，目前还难以实现高速数据链路。通过先进的调制和编码技术，目前，人们正在考虑在5GHz的频段提供25 Mbit/s的信道。同时，人们相信在不久的将来，可以在60GHz的频段提供622 Mbit/s的信道。在这种情况下提出了两个不同的物理层标准，一个针对5GHz频段，另一个则针对60GHz频段。物理层的部分指标要求如表1所示。

　　表1 WATM物理层部分指标要求

　　(2)介质访问控制

　　WATM MAC协议用于控制不同用户对共享无线信道的访问。这些用户包括小区内活动的、从别的小区切换进来的以及小区中正在试图接入的用户。

　　对于无线ATM，MAC协议必须能够提供在已有ATM协议中定义的标准业务，包括CBR、VBR、ABR和UBR。因此，MAC必须将有线ATM中的统计复用扩展到无线环境中，同时支持移动性和维持业务质量。

　　根据带宽分配机制(静态或动态)和控制策略的不同，MAC方案可以分成以下3个主要类别：

• 固定分配
  　　宽带环境中的主要业务为VBR业务。由于对无线信道的频谱利用率较低，频分复用(FDMA)和时分复用(TDMA)不适合这种综合性的无线网络。码分复用(CDMA)有一些突出的优点，比如信道访问延迟小，带宽利用率高，统计复用效果好。但是，CDMA受到传输速率，功率控制，以及基站复杂等的限制，尤其是传输速率的限制，使得CDMA也不适合综合无线网络。
  
• 随机分配
  　　由于需要解决碰撞问题而造成的大延迟使随机分配也不适合综合无线网络。虽然CSMA/CD在有线网络中提供非常高的吞吐量，在无线环境中却受到无法监听远端载波的限制。
  
• 按需分配
  　　这种方案通过要求用户预留通信带宽来获取高速信道。信道容量的其中一部分被预留子信道使用。用户根据多用户访问协议来访问预留子信道，协议一般为TDMA或者分片ALOHA。为了获取信道，用户需要发送短的预留包，这种包的长度越短，预留子信道的带宽需求就越小。用户在获得信道后，就可以无碰撞地发送数据包。碰撞只会在预留子信道上发生。用户必须等待预留请求被接受。预留以及传送时间的控制可以是集中控制，也可以是分布式控制。
  　　集中控制的一个例子是轮询，中央控制器分配给每个用户一个传输优先级。然而，这种操作的可靠性依赖于中央控制器。当使用分布式控制时，用户完全依靠其他用户的信息来作出判断。广播信道向全体用户提供连接，用户监听预留包，并使用同一个分布式调度算法。请求可以基于碰撞策略，也可以基于固定分配算法。
  　　MAC层的另一个功能是支持多物理层。当前，人们对不同的无线带宽感兴趣，包括红外媒介，5GHz无线频段和60GHz无线频段。不同的物理层需要不同的介质，WATM的MAC应该支持所有这些介质。

　　(3)数据链路控制

　　数据链路控制层用于在ATM信元被送到ATM层之前，减少无线信道误码的影响。由于端到端的ATM性能受信元丢失率影响，因此，在WATM的无线接入部分，必须有可靠的错误控制过程。这些过程可以包括错误检测/重传协议、前向错误纠正方法(可以为不同的ATM业务种类定制)。无线ATM需要特别考虑的是对需要保证业务质量的VBR和CBR业务的低时延抖动要求，因此可能需要新的有时间限制的重传控制流程。

　　对于ABR业务，DLC协议可以采用传统的自动重传请求(ARQ)流程，不受时间限制；对于CBR和VBR业务，DLC协议在一个有限的缓存间隔内操作，由应用程序在VC建立时设置。这种情况下，由于CBR和VBR的分配是周期性进行的，在MAC层必须作额外的ABR分配以支持重传的信元。

　　(4)无线控制

　　无线控制子层用于在无线接入层支持控制面的功能，以及与ATM网络的融合。这些功能包括无线资源管理，物理层、MAC层和DLC层的管理功能。另外无线控制子层也包括用于完成无线链路和传统ATM信令/控制层之间的控制通道的元信令。

　　无线控制层的主要功能包括终端移动、切换控制，以及无线资源管理功能。当前正在考虑的功能还包括终端的鉴权/登记、功率测量/控制、切换指示/开始/完成、数据链路状态传递，以及断链处理、连接状态(包括DLC缓存区，MAC状态等)从一个无线端口向另一个无线端口的传递，以保证平滑的切换和最小的信元丢失。

　　2.3 移动ATM

　　移动ATM指在一个固定ATM网络中为支持终端的移动性而增加的功能。移动ATM的主要功能包括位置管理，即将用户名映射到当前位置上，以及切换控制，在终端移动时对VC进行动态重选路由。移动ATM与使用的无线接入技术无关，这意味着除了通过上面所说的WATM无线接入层支持端到端的无线ATM业务以外，移动ATM还用于向已有的PCS、蜂窝电话和无线局域网应用提供互联支持。

　　为了支持移动性，必须增加新的高层控制功能以处理切换、位置管理、路由、编址和流量管理，这些功能统称为移动ATM。

　　(1)切换

　　当一个移动终端在连接进行中从一个小区移动到另一个小区时，连接的持续性和质量必须得到保证。骨干网将接入点从上一个基站切换到当前服务移动终端的基站。由于终端的移动而对一个再现连接控制的转移被称为切换控制。WATM网络的切换管理对目前的ATM协议提出了一个很大的挑战。ATM是一个面向连接的技术，在传送数据之前必须建立一个连接。连接一旦建立，在数据传送完成之前路由保持不变。然而，WATM环境中终端的位置经常移动。当一个无线终端与基站之间的无线链路质量下降时，必须找到具有可接受质量的基站，同时激活固定网和无线网的控制功能。在骨干网中，切换功能要求建立一条新的路由，将活动的VC从旧的数据路径有效地转移到新的数据路径上，在无线终端和新的基站之间传送数据包。

　　(2)位置管理

　　在一个移动ATM用户终端和一个ATM用户终端之间需要建立一个连接时，首先需要找到该移动ATM端点。位置管理是一个网络支持终端移动的基本要求。这个功能在端到端的无线ATM中(其中移动终端有一个ATM地址)和PCS/蜂窝电话/WLAN骨干网中(其中移动终端有一个合法的电话号码、IP地址，或者MAC地址)都需要。位置管理在一个唯一的移动设备名和路由标识之间提供一个映射，其中路由标识用于找到设备所附着的端点。在全ATM情况下，映射到移动端点；在PCS/蜂窝电话/WLAN情况下，映射到移动用户所关联的ATM无线端口。

　　有两种基本的位置管理方案：移动PNNI方案和位置登记方案。

　　在移动PNNI方案中，当用户移动时，该用户的位置更新信息只在有限区域的节点之间传播，该区域内的交换节点拥有该移动用户的可达信息。当区域中的交换节点发起一个呼叫时，可以使用位置信息直接建立连接。如果呼叫由该区域外的交换节点发起，则先在交换节点与移动用户的归属代理(Home Agent)之间建立一个连接，然后再将信元前传到移动用户上。这种方法能够减少信令消息的数目，从而减少了呼叫建立延时。

　　位置登记方案借用GSM，IS－41中使用的“归属位置/拜访位置”的概念，连接建立之前需要访问归属位置寄存器，进行一次简单的搜索。位置寄存器可以采用分级网络结构。

　　(3)路由

　　由于移动ATM的移动性特征，路由信令与有线ATM网络稍有不同。首先，必须将移动终端的标识映射到网络的路径上去。其次，当终端移动时，需要重新选路以重新建立连接。

　　(4)编址

　　WATM的编址主要涉及到移动终端(或者移动用户设备)的编址，目前的解决方案是为每个移动终端分配一个名字和本地地址。移动终端的名字是一个常规的ATM终端系统地址，它在终端移动时保持不变。当终端上电时，名字通过相连的交换节点向其他交换节点广播。移动终端在漫游中连到另一个交换节点时，由该交换节点为终端分配一个本地有效的临时地址。为了将终端的名字与临时地址关联起来，必须执行相应的映射操作。

　　(5)流量和业务质量控制

　　当切换进行时，当前的业务质量参数可能不能被新的数据路径所支持。这种情况下，必须能够协调设置新的业务质量。由于一个移动用户可能在多个业务接入点的范围之内，因此可以选择能提供最好业务质量的接入点。

　　在切换过程中，旧路径被释放，新路径被重新建立，其间可能有一些信元会丢失。对信元作缓存可以保证信元不丢失，同时保证信元的次序。

　　信元缓存包括上行缓存和下行缓存。如果在移动用户向业务接入点发送信元时VC断开，移动用户就使用上行缓存来存储所有需要发送的信元。下行缓存由业务接入点执行，以避免链路中断或拥塞时的信元丢失。

　　(6)无线网络管理

　　无线网络中，拓扑结构在实时改变，这一点与其他的移动性特征一样，对网络管理提出了新的要求。网络拓扑结构的动态特性必须加以着重考虑。网管还包括网络和用户配置，故障识别和隔离，以及性能管理等。

　　3 结束语

　　当有线网络利用ATM来传送高速数据，从而向B－ISDN迈进时，无线个人通信网也同样希望有类似的发展。人们企盼着不久的将来可移动终端设备有着宽广的业务应用，业务质量能够与现在的固定网络媲美。无线ATM综合了ATM和无线通信的技术，得到了包括中兴通讯在内的知名厂商的研究和关注，最终将把无线网络的发展带入一个新的时代。

[摘要] 无线ATM(WATM)是ATM技术和移动通信技术的结合。无线ATM将ATM网上的宽带业务延伸至无线移动网，为下一代个人通信提供宽带解决方案。文章简要介绍了无线ATM的系统结构和一些关键技术。

[关键词] 异步传送模式 移动通信 无线ATM 无线网络

[Abstract] Wireless ATM (WATM) is the result of combination of ATM technology and wireless communications technology. Through extending the broadband service from ATM network to wireless network, WATM provides a broadband solution for next－generation personal communications networks. This paper introduces the architecture and some key issues of WATM.

[Keywords] ATM Mobile communication Wireless ATM Wireless network