宽带无线IP技术与系统

要害词：移动IP；无线局域网；宽带无线传输；标准化

Abstract:The developments of broadband wireless IP technologies are outlined in the paper. The standardization of broadband wireless IP technologies in China is introdUCed. The PRototype system of broadband wireless IP technologies is presented to describe their applications.

Key Words:Mobile IP; WLAN; Broadband wireless transmission; Standardization

　　移动通信和Internet的飞速发展，带来了在任何时间、任何地点都可以享用Internet业务的需求。椐据UK ARC Group猜测，无线Internet业务的用户到2004年将达到7.5亿户，Internet用户总数将达到10亿户。无线Internet的用户将占Internet用户数的大部分。因此探索新一代(或宽带)无线(移动)通信和Internet的有机结合是当前国际上的研究热点。

　　目前，在这一领域有两种发展方向：一是以现有的2.5代(如GPRS、EDGE)或3代（如WCDMA、TD-SCDMA)的蜂窝移动通信系统为基础向全IP网过渡，推动第3代移动通信进行全IP化的组织为3GIP；二是WLAN(如IEEE 802.11b)+ Internet构成全IP网络，或是以新的空中接口（如TD-LAS)+ Internet构成全IP网络。目前，在空中接口方面出现了WLAN和3G标准组合或融合的趋势。

　　移动无线Internet论坛（MWIF)致力于推出一个开放的移动无线Internet结构，从而实现移动电话业务和Internet业务的“无缝”集成。该结构与接入技术无关，能够满足网络运营商和Internet业务提供商的要求。该论坛的一个重要目的就是要影响其他标准化的组织：3GPP、3GPP2、IETF。

　　1 宽带传输标准

　　3G室内环境最高的传输速率只为2 Mbit/s，而在宽带无线IP系统中，近期内将能提供10～20 Mbit/s的数据速率，远期还将提供20～50 Mbit/s（最高能达150 Mbit/s)的数据速率。

　　IEEE无线局域网(WLAN)的基本标准是1997年10月批准的IEEE 802.11。其工作频率为2.4 GHz，基本数据速率为1 Mbit/s和2 Mbit/s，采用跳频(FH)和直接序列扩频(DSSS)。

　　1999年秋天，IEEE批准的IEEE 802.11b标准^[1]，是与DSSS后向兼容的标准，采用两种编码方式与BPSK/QPSK相结合的方法，增加了两个新的传输速率5.5 Mbit/s和11 Mbit/s；基本的(Mandatory)编码方式是CCK(Complementary Coding Keying), 可选的编码方式是PBCC(Packet Binary Convolutional Coding)。目前，IEEE 802.11标准工作组的任务小组G正在考虑传输速率大于20 Mbit/s的新标准。而Alantro/TI的建议IEEE 802.11g标准，采取PBCC和8-PSK相结合，增加了22 Mbit/s的传输速率。

　　对IEEE 802.11的另一个扩展是IEEE 802.11a标准。它工作在5 GHz的频段，采用52子载波的OFDM方式，在20 MHz的带宽内可传输6、9、12、24、36、48、54 Mbit/s的数据速率，其编码速率为1/2、2/3和3/4，调制方式为BPSK/QPSK、16/64-QAM。Atheros通信公司还提出了对IEEE 802.11a扩展的方案，称为5-UPTM协议^[2]。在该协议中不同业务使用不同数量的子载波数来支持多种业务。

　　超宽带(UWB)通信方式目前受到了广泛的重视。它利用极窄的脉冲在近距离实现高速数据传输。例如：Time Domain公司实现了在中心频率为2.0 GHz传输5 Mbit/s的数据链路。Multispectal Solution研究所(MSSI)实现了25 Mbit/s的高速UWB通信。

　　2 Ad hoc网

　　在传统的移动无线Internet接入方式中，通常是以宽带有线接入网为支撑，无线用户只通过一跳(不需要在无线网中多次转接)就可以进入固定网络。在很多应用场合，如个人区域网、家域网、军事应用、抢险救灾等，无线网络没有固定的基础设施作支撑，移动用户的信息需要通过移动用户之间的多次中转才能到达目的用户，这种网络通常称为分布式或Ad hoc网络。

　　Ad hoc网络结构如图1所示。网络可采用全分布式控制，也可采用分层分布式控制。图1是分层分布式控制。在图1中，将网络节点分成群，每一个群产生一个群首负责本群中节点的治理。不同的群可使用不同的工作频率，群内可采用高效的多址协议(如UPMA等)。在Ad hoc网络中，需要采用自组织算法来产生群和群首，计算最佳路由并进行动态资源分配。

图1 典型的Ad hoc网络结构

　　研究在Ad hoc环境下高效支持TCP/IP协议的宽带移动无线网络技术是当前另一个研究热点。其主要目标是将多媒体和Internet业务延伸到Ad hoc用户，可在2～6 GHz频段向用户提供2～50 Mbit/s的数据速率。
目前对Ad hoc环境下宽带移动无线网络研究的主要两大阵营有：一是IETF和IEEE，二是DARPA。已有一些标准(如IEEE 802.11、Bluetooth)支持Ad hoc方式。IETF成立了专门的研究组--移动Ad hoc网络(MANET)组来研究它的路由问题，将移动IP拓展到无固定网络结构支撑的情况。1999年1月，RFC 2501具体给出了MANET的应用场合、特征和性能要求。IETF在2000年下半年公布了一系列的有关Ad hoc 路由的草案(AODV、TORA、DSR、OLSR、DDM、MAODV、TBRPF、LANMAR、FSR等)。IEEE JAC 1999年8月出版了无线Ad hoc网络的专辑。IEEE 通信分会在2000年底成立了专门的Ad hoc技术分委员会。IEEE 个人通信杂志于2001年2月出版了Ad hoc网络专辑。

　　美国DARPA资助的SUO SAS(Small Unit Operations Situation Awareness System)在开发能够支持未来dismounted soldiers信息需要的突破性技术，并集成进可演示的系统。在高移动环境下的由100个实验单元组成的现场实验将于2002年春开始。SUO SAS必须同时支持10 000用户。系统能够工作在20 MHz～2.5 GHz的频段，带宽为500 kHz～20 MHz，自适应数据速率为16 bit/s～4 Mbit/s。

　　瑞士联邦工学院Terminnodes正在研究和实现大规模自组织移动Ad hoc网(与瑞士电信的合作项目时间为2000年~2010年)。除外还有WING(加州大学SA分校)和MONARCH(卡耐梅容大学)等研究计划。

　　3 宽带无线IP实验系统

　　西安电子科技大学于2000底研制成功的一个典型的基于WLAN支持移动IP的宽带无线IP系统，其网络结构如图2所示^[4]。它利用常规的局域网（如10/100/1 000 Mbit/s以太网)及其互连设备(路由器)构成骨干支撑网，利用无线接入点(AP)和无线接入服务器(WAS)来支持移动终端(MT)的移动和漫游。无线接入服务器的作用是提供无线终端的接入治理和移动性治理。在每个无线接入服务器管辖的范围内(称为服务区)可支持多个小区。无线接入点的作用是完成WLAN和LAN之间的桥接，实现无线空中接口协议到LAN协议的转换，并实现小区内的移动用户治理。在无线接入服务器中运行移动IP服务器端进程软件，在移动终端上运行移动IP客户端进程便可支持移动IP功能。该系统可支持用户在移动和漫游的状态下，享用VOD、FTP、WWW浏览等业务。

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图2 宽带无线IP实验系统

　　该系统包括两个子网，子网1的IP地址是202.117.125.x，子网2的IP地址是202.117.114.x。子网1可包括1～2个无线接入点(A和B)，2～4个移动终端；子网2可包括1个无线接入点(C)，2～4个移动终端。

　　为了使移动终端在子网内可以访问Internet，无线接入点(AP)必须具有桥接的功能(实现有线网络与无线网络之间的帧格式转换和路由功能)、相同子网内散步治理功能(支持用户在同一子网不同蜂窝小区之间的移动和越区切换)，支持SNMP治理、对用户的身份认证、无线信道的治理、数据库及学习功能、加密等功能，主要的协议包括：IEEE 802.3、IEEE 802.1d、IEEE 802.11等。

　　为了使移动终端能在跨越不同子网的不同小区之间任意移动，在不对移动终端作任何配置和改动的情况下，可连续使用Internet业务，即同时做到“操作透明性”(移动终端的移动不会引起用户进行非凡的操作，如对网络参数的重新配置、移动终端的重新启动等)和“性能透明性”(移动终端的性能如通信能力、应用软件的性能等并不因主机的移动而有明显地下降)，需要在每一个子网中配置一个无线接入服务器(WAS)，来支持上述移动IP(Mobile IP)功能。

　　移动IP软件的开发遵守RFC 2002、RFC 2003和IETF的相关建议和草案。移动IP软件分为两部分：运行在移动终端上的进程(客户端进程)和运行在无线接入服务器上的代理进程(服务器端进程)。

　　移动IP软件的服务器端的进程包括家代理(HA)、外地代理(FA)两部分。家代理用于治理在本子网注册的移动终端，存储它们的业务档案；外地代理用于治理访问本子网的外地移动终端。

　　移动IP软件的代理进程主要包括代理搜索、转交地址获取、隧道建立和登录等过程。

　　(1)代理搜寻：MT开机后，确定自己是在家网还是在外地网的过程称为代理搜寻。实现代理搜寻的方法有两种：由代理(FA或HA)发送代理公告(Agent Advertisement)报文的方法和由MT发送代理征求(Agent Solicitation)报文的方法。前者由代理定期地发送代理公告广播报文，MT接收到该报文后判定自己处在何处；后者由MT主动发送代理请求广播报文，依据HA或FA的应答报文，MT判定自己处在何处。

　　(2)转交地址: 当MT漫游到外地网时，它从外地代理处获得一个转交地址并通知其家代理。此后，MT的HA将把发给该MT原来地址的IP包接收下来，重新打包后发送到MT的转交地址(通常是FA的IP地址)，再由FA转交至MT。

　　(3)隧道: 当MT漫游到外地网时，由于其它移动终端并不知道它已漫游，故发给它的IP包仍然送至其家域网。如上所述，MT的HA将把这些IP包接收下来并重新打包后发送到MT的FA。所谓MT的隧道，是指传送这些重新打包后的IP包由HA至FA的通道。在隧道的发送端，HA依据隧道协议把需传送的IP包重新装包，在接收端FA完成拆包。

　　(4)登录:当MT获得转交地址后，通知其HA并设置好其隧道的过程称作登录。在登录过程中，由MT向其HA发出登录请求报文，HA修改MT的位置信息并设置好隧道后，向MT返回登录应答报文。

　　假定MT1已从子网1漫游到子网2(参见图2)，固定主机访问MT1的过程是：固定主机首先将IP分组送到子网1的无线接入服务器A，该服务器根据MT1当前的物理位置，通过无线接入服务器A到无线接入服务器B之间建立的隧道，将分组送到无线接入服务器B，无线接入服务器B再通过无线接入点C发给MT1。

　　宽带无线IP实验系统的协议栈如图3所示。

图3 宽带无线IP实验系统的协议栈

　　单小区下的实验系统的性能描述如下：在无线接入点和移动终端运行Windows 98，利用LanEval测量的在不同帧长情况下的平均接收速率为5.49 Mbit/s(帧长1 528 byte)和4.60 Mbit/s(帧长1 024 byte)。在全自适应速率情况下，传输距离可达53.55 m。移动主机通过AP直接向服务器发送数据时，AP的平均转发速率为5.02 Mbit/s(帧长1 528 byte);服务器直接通过AP向移动主机发送数据时,AP的平均转发速率为3.92 Mbit/s(帧长1 528 byte)。实验结果表明：宽带无线IP实验系统的传输性能达到了设计要求。

　　在多小区的情况下,在子网1和子网2的无线接入点A、B和C的覆盖区有适当交叠的情况下，MT1和MT3均可往返于两个子网中移动，实验系统可连续地支持视频点播(VOD)、FTP、WWW浏览等业务，实现了移动IP的各项功能。

　　4 宽带无线IP技术的应用

　　Mobile IP是IETF提出的解决移动用户试图通过不同的WLAN接入Internet时有关路由问题的建议。

　　由于在开始时并不非凡关心计费问题，当WLAN大规模应用时或蜂窝电话公司使用Mobile IP时，就需要对Mobile IP进行扩展，以便对移动节点进行身份认证、连接鉴权和能够付费。目前在IETF内考虑的方法是依靠可以完成AAA(Accounting, Authentication and Authorization)的服务器。其基本的框架如图4所示。在该框架中包括家域的AAA服务器(AAAH)和当地服务器(AAAF)。每一个AAAF治理若干个鉴权代理。鉴权代理将协助移动节点进行鉴权。

图4 在家(Home)域和当地(Foreign)域的AAA服务器

　　目前的一个应用实例就是Nokia Mobile Phones提出的OWLAN(Operator WLAN)系统^[5]。该系统以WLAN作为接入手段，采用了GSM的用户治理和计费机制。OWLAN答应在不同运营商的接入网之间进行IP漫游。OWLAN方案适合于任何具有GSM SIM卡读入器及具备相关定义WLAN信令模块的WLAN终端设备。2001年7月已建立了第一个商用系统。OWLAN的系统结构如图5所示。其主要的设计难点是如何利用IP的协议框架将标准的GSM的用户认证信令从WLAN终端设备传到蜂窝系统。

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图5 OWLAN的系统结构

　　5 结束语

　　宽带无线IP技术主要研究如何通过简单的高速无线接口接入高速Internet，并有效地支持移动IP技术和AAA服务。目前，以WLAN+Internet的平台受到最广泛的关注，并且已开始商用。中国信息产业部批准成立了“宽带无线IP标准工作组”，负责组织中国宽带无线IP技术应用领域标准的制(修)订工作。首批成员有8家单位。其主要的标准化领域包括：近距离宽带无线IP接入、移动无线IP接入、IP的移动性、无线IP的安全性、TCP/IP无线传输、IP业务等。 宽带无线IP技术是对以蜂窝移动通信为基础的全IP技术的挑战，具有广阔的市场前景。

　　参考文献

1 Heegard C. High-Performance Wireless Ethernet. IEEE Communications Magazine, 2001, 39(11): 64--73
2 McFarland B. The 5-UPTM Protocol for Unified Multiservice Wireless Networks. IEEE Communications Magazine, 2001, 39(11): 74--80
3 Perkins C E. Mobile IP Joins Forces with AAA.IEEE Personal Communications, 2000, 7(4): 59--61
4 李建东, 刘乃安, 黄振海等. 宽带无线IP实验系统. 高技术通信, 2001, 11(7)
5 Juha Ala-Laurila, Juha Ala-Laurila, Jouni Millonen.Wireless LAN access Network Architecture for Mobile Operators. IEEE Communications Magazine, 2001, 39(11): 82--89