用于無線ATM的協(xié)議及方法分析

1、.用于無線ATM的協(xié)議及方法分析 引言無線個(gè)人通信網(wǎng)在過去的十年中發(fā)展很快。目前掌上電腦、蜂窩電話和尋呼的使用已非常普遍。許多系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)并提供不同的服務(wù)，象個(gè)人通信服務(wù)(PCS)、移動(dòng)電話系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)。通常這些服務(wù)不保證QOS，因而它們不適合于快速增長(zhǎng)的多媒體應(yīng)用。WATM被認(rèn)為是下一代個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)的解決方案，或是B-ISDN網(wǎng)絡(luò)的無線延伸，它將支持QOS得到保證的綜合的數(shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)、話音、圖象)。無線ATM網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃提供無線終端與有線ATM網(wǎng)絡(luò)之間的無縫連接，這樣，支持圖象、語音和數(shù)據(jù)的多媒體應(yīng)用就能夠在移動(dòng)終端上執(zhí)行。在未來的寬帶通信網(wǎng)絡(luò)中，ATM類的無線網(wǎng)絡(luò)將扮演重要的角色WA

2、TM是一個(gè)較新的領(lǐng)域，仍處于其發(fā)展初期，目前還未制定WATM方面的標(biāo)準(zhǔn)。研究人員正在建立實(shí)驗(yàn)性的WATM網(wǎng)絡(luò)，并在其上面實(shí)驗(yàn)各種不同的協(xié)議。本文嘗試分析與無線ATM有關(guān)的一些問題，討論由不同專家提出的一些觀點(diǎn)，并對(duì)無線ATM網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)作了一些介紹。1無線技術(shù)目前，無線LAN技術(shù)使用了紅外、UHF波段、擴(kuò)頻及微波技術(shù)。個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)(PCN)使用了共享帶寬的碼分多址(CDMA)技術(shù)，數(shù)字蜂窩使用的是時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)。專家們對(duì)專用通信網(wǎng)(PCN)采用擴(kuò)頻(CDMA)還是窄帶(TDMA)意見分歧很大1，所采用的技術(shù)會(huì)隨特定PCN應(yīng)用而不同。1.1擴(kuò)頻(CDMA)擴(kuò)頻通信所使用的數(shù)字射頻系統(tǒng)

3、，其占用的帶寬比信息速率要大得多7。這項(xiàng)技術(shù)最初是用于軍事上，其在抗截獲和抗干擾上的優(yōu)勢(shì)使其成為軍事通信上極賦吸引力的選擇。碼分多址(CDMA)通常用于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，通過為每個(gè)信號(hào)分配偽序列碼，幾個(gè)信號(hào)可同時(shí)在相同的頻段內(nèi)傳輸。擴(kuò)頻包括跳頻和直接序列擴(kuò)頻。1.2時(shí)分多址(TDMA)TDMA原理較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)上通過在載波上劃分無線頻譜來產(chǎn)生話音信道，一次通話占用一個(gè)信道，這項(xiàng)技術(shù)稱為頻分多址(FDMA)。TDMA將載波劃分為無窮無盡重復(fù)的小時(shí)隙。每次通話占用這些時(shí)隙中的一個(gè)，這樣載波就同時(shí)攜帶了許多通話72ATMATM(異步傳遞模式)被認(rèn)為是廣域異種網(wǎng)互連的重要技術(shù)6。在ATM網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)被分為小

4、的、固定長(zhǎng)度的信元，信元是53字節(jié)，每個(gè)信元有5字節(jié)頭，包括標(biāo)識(shí)、優(yōu)先級(jí)控制和路由信息，其余的48字節(jié)是實(shí)際數(shù)據(jù)。ATM不提供對(duì)信元中用戶凈荷的任何差錯(cuò)檢測(cè)操作，也不提供重傳服務(wù)，在小信頭上只執(zhí)行極少的幾次操作。ATM交換機(jī)支持兩種接口：用戶-網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)和網(wǎng)絡(luò)-節(jié)點(diǎn)接口(NNI)，UNI連接ATM端系統(tǒng)(主機(jī)、路由器等)到ATM交換機(jī)上，NNI是連接兩臺(tái)ATM交換機(jī)的接口，ITU-T建議用連接標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)的ATM連接到ATM網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)用戶6。在UNI，連接由信元頭上的兩種值標(biāo)識(shí)：虛通路標(biāo)識(shí)(VPI)和虛通道標(biāo)識(shí)(VCI)。這些VPI和VCI結(jié)合起來構(gòu)成虛電路標(biāo)識(shí)符。有兩類基本的ATM連

5、接3，72.1固定虛連接(PVC)PVC由一些外部機(jī)制，典型的是通過網(wǎng)絡(luò)管理來設(shè)立，將在ATM源和目標(biāo)系統(tǒng)之間的一系列交換編程為合適的VPI/VCI值10。PVCs通常需要一些人工配置。2.2交換虛連接(SVC)SVC連接由信令協(xié)議自動(dòng)建立。SVC不需要建立PVC所需的人工干預(yù)，因而可以更廣泛地被使用。在ATM上運(yùn)作的所有高層協(xié)議首選SVCs3。ATM適配層(AALs)提供對(duì)ATM信元上的傳輸協(xié)議的支持，AAL1和AAL2被用來支持固定和可變比特速率服務(wù)，AAL3/4用于非連接的數(shù)據(jù)傳輸。AAL5由ATM論壇提出，它支持基于計(jì)算機(jī)的多種業(yè)務(wù)傳輸，主要用于局域范圍。AAL5每信元有較少的凈荷頭，

6、依靠服務(wù)質(zhì)量和統(tǒng)計(jì)機(jī)制來提供傳輸多種業(yè)務(wù)的能力63為何在無線上采用ATM從發(fā)展初期以來，ATM的目標(biāo)是在廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下統(tǒng)一通信協(xié)議，提供端到端的通信。公司不必購(gòu)買額外的設(shè)備(象路由器和網(wǎng)關(guān))來將局域網(wǎng)(LANs)連接進(jìn)去。ATM被認(rèn)為可減少網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，并在提供端到端的傳輸性能的同時(shí)改善網(wǎng)絡(luò)的靈活性。許多人都建議采用ATM信元傳遞模式作為下一代無線傳輸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)1在個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)(PCN)上采用ATM信元傳輸有以下幾項(xiàng)有利因素：對(duì)許多應(yīng)用，包括一些仍未定義的，都有靈活的帶寬分配和服務(wù)類型選擇；可有效復(fù)用從突發(fā)數(shù)據(jù)到多媒體的傳輸；在無線及有線網(wǎng)絡(luò)上提供端到端的寬帶服務(wù)；適合于在ATM交換設(shè)備中作內(nèi)

7、部信元交換；改善分組交換技術(shù)的服務(wù)可靠性；易于與構(gòu)成通信主干的有線B-ISDN系統(tǒng)接口。由于以上原因，Raychauhri和Wilson提出在PCN中采用與ATM兼容的固定長(zhǎng)度的信元傳遞模式。這樣與ATM主干網(wǎng)間接口相對(duì)較透明1。目前在WATM上還未制定固定的標(biāo)準(zhǔn)，在這一領(lǐng)域的討論和研究工作仍在進(jìn)行之中。下面嘗試分析和討論由WATM領(lǐng)域?qū)＜姨岢龅牟煌挠^點(diǎn)和協(xié)議。4關(guān)鍵技術(shù)4.1結(jié)構(gòu)由于多數(shù)研究人員提出的結(jié)構(gòu)都包括大量小的傳輸單元，稱為微小區(qū)。每個(gè)微小區(qū)設(shè)立一個(gè)基站。網(wǎng)絡(luò)中所有的基站通過有線ATM網(wǎng)絡(luò)互連。微小區(qū)中的移動(dòng)單元僅與服務(wù)這個(gè)小區(qū)的基站通信，與其它移動(dòng)單元不通信見圖1。圖1用ATM交

8、換機(jī)連接無線基站示意4.2信元尺寸ATM信元尺寸(53字節(jié))是設(shè)計(jì)用于64Kbps以上速率，這對(duì)于無線ATM來說可能太大了(由于低速率和高的差錯(cuò)率)。無線LAN可以使用16或24字節(jié)凈荷。ATM信頭可壓縮并在基站擴(kuò)展為標(biāo)準(zhǔn)ATM。例如，使用2字節(jié)以包含12位的VCI(虛通道標(biāo)識(shí))和4位的控制(凈荷類型、信元丟失優(yōu)先級(jí)等)1由Porter和Hopper提出的一種與標(biāo)準(zhǔn)ATM信元格式不同的信元格式兼顧了凈荷尺寸和尋址方案2。對(duì)端用戶來說，移動(dòng)應(yīng)該盡可能透明。因而由端用戶使用的VCIs在越區(qū)切換時(shí)應(yīng)盡可能不變。當(dāng)在同一區(qū)域的不同小區(qū)移動(dòng)，對(duì)VCIS的分配應(yīng)該保持有效。在不同區(qū)域移動(dòng)時(shí)，對(duì)VCIs的翻

9、譯應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單。這可通過將VCI空間分為一系列域來實(shí)現(xiàn)，象區(qū)標(biāo)識(shí)、移動(dòng)標(biāo)識(shí)、基站標(biāo)識(shí)和虛電路數(shù)。由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高差錯(cuò)率，可使用16位的CRC以檢測(cè)位錯(cuò)誤。4.3協(xié)議結(jié)構(gòu)WATM采用ATM來提供數(shù)據(jù)通信服務(wù)，因而其整體結(jié)構(gòu)也是基于ATM協(xié)議集的。目前由ATM論壇提出的協(xié)議結(jié)構(gòu)示于圖2。圖2WATM協(xié)議結(jié)構(gòu)WATM協(xié)議分為兩個(gè)部分：移動(dòng)ATM和無線接入層。移動(dòng)ATM處理用于支持移動(dòng)性的高層控制和信令功能。這些控制和信令包括越區(qū)切換、位置管理、路由、尋址和容量管理。無線接入層負(fù)責(zé)用于無線ATM接入的無線鏈路協(xié)議。無線接入層包括物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制(MAC)、數(shù)據(jù)連接層(DLC)和射頻資源控

10、制(RRC)。4.4虛電路管理和分組路由Comer和Russo4提出為連接ATM交換機(jī)的每個(gè)處理器分配彼此間的虛連接，并在其上傳輸數(shù)據(jù)分組。另外，處理器使用第二條不同的虛電路用于路由更新。因而，每個(gè)無線基站有兩條虛電路聯(lián)系其它基站和每人路由器。當(dāng)移動(dòng)無線單元來的分組到達(dá)基站時(shí)，它能選擇指向正確目標(biāo)的電路。使用兩條虛電路可保證路由信息不會(huì)與數(shù)據(jù)混淆，因?yàn)閿?shù)據(jù)分組不會(huì)在用于路由的虛電路上傳輸，而路由分組也不會(huì)在用于數(shù)據(jù)的電路上傳輸。還可以設(shè)置電路優(yōu)先級(jí)以保證快速接收和處理最新的路由信息。用于數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)逐跳路由方法必須存儲(chǔ)其路由中每個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)的位置，這將使數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息量增大。其次，由于大量移動(dòng)的

11、存在，將無法保持最新路由信息和全網(wǎng)的統(tǒng)一?；谝陨显颍琘ounger5提出了一種方案，根據(jù)此方案移動(dòng)端系統(tǒng)可以用最少的中斷相互連接。在無線網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)子網(wǎng)上都需要一個(gè)“移動(dòng)控制器”節(jié)點(diǎn)，這些控制器在網(wǎng)絡(luò)層軟件上增加了一個(gè)額外的子層以執(zhí)行對(duì)移動(dòng)系統(tǒng)的路由功能。移動(dòng)系統(tǒng)可在子網(wǎng)間自由移動(dòng)，當(dāng)初始化與移動(dòng)系統(tǒng)通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)域名服務(wù)器可提供位置信息。位置信息的局域緩存及數(shù)據(jù)前向系統(tǒng)可使運(yùn)輸層不必處理移動(dòng)5。在廣域及局域網(wǎng)絡(luò)中，虛連接的建立相當(dāng)快，但在無線網(wǎng)絡(luò)中卻需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。因而當(dāng)移動(dòng)單元在微小區(qū)間移動(dòng)時(shí)，重建所有的虛電路是不實(shí)際的。Porter建議使用移動(dòng)交換點(diǎn)(MSP)2，MSP提供路由點(diǎn)，去移動(dòng)

12、單元的所有虛電路都在此尋求路由。4.5物理層下一代個(gè)人通信網(wǎng)(PCN)的基本設(shè)計(jì)問題是選擇調(diào)制方式和比特速率集。在微蜂房環(huán)境下，使用現(xiàn)有的技術(shù)就可獲得范圍在510Mbps間的比特速率。因而除了HDTV外，大多數(shù)ATM應(yīng)用都能夠獲得支持。首選的技術(shù)會(huì)隨PCN應(yīng)用環(huán)境不同而改變，因而極有可能TDMA和CDMA將會(huì)共存1。CDMA能夠有效地解決頻率復(fù)用和多址接入問題，與可比的窄帶方式相比，能獲得24倍的網(wǎng)絡(luò)帶寬效率1，7。然而將CDMA用于支持多種業(yè)務(wù)PCN的主要缺陷是當(dāng)給定系統(tǒng)帶寬時(shí)，頻譜帶寬限制了用戶數(shù)據(jù)峰值速率。窄帶(TDMA)技術(shù)能夠用來獲得高的比特速率，在微蜂房環(huán)境下，使用窄帶技術(shù)我們能夠

13、獲得816Mb/s的比特率。總之，采用好的物理層設(shè)計(jì)，能夠在大區(qū)(510km)、小區(qū)(0.5km)和微小區(qū)(100m)中支持的波特率各為0.10.25Msym/s、0.51.5Msym/s和24Msym/s1。這些速率足夠容納許多寬帶服務(wù)。4.6介質(zhì)訪問控制(MAC)WATM中的一個(gè)主要問題是在數(shù)據(jù)連接層尋找合適的信道共享/介質(zhì)訪問控制技術(shù)。在無線ATM中，需要設(shè)計(jì)特別的MAC層以支持標(biāo)準(zhǔn)的ATM服務(wù)類型，包括恒定比特率(CBR)、可變比特率(VBR)和未定義比特率(UBR)等。在無線ATM中采用的MAC層協(xié)議對(duì)用戶性能、系統(tǒng)容量和移動(dòng)終端的復(fù)雜性都有重大影響。由于無線鏈路上受限的帶寬需要由不

14、同QOS要求的多媒體應(yīng)用所共享，開發(fā)無線ATMMAC層協(xié)議在技術(shù)上是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。早期研究的性能結(jié)果顯示，對(duì)于CBR、VBR和低速互連數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，分組CDMA能獲得好的業(yè)務(wù)復(fù)用效率和性能1。但CDMA的局限是其高速只能達(dá)到1Mb/sec。也可使用窄帶調(diào)制(TDMA)技術(shù)，由Acampora提出的系統(tǒng)使用了TDMA方式4，小區(qū)中的移動(dòng)單元通過登記來決定它們中哪些數(shù)據(jù)要發(fā)送。移動(dòng)單元在收到基站發(fā)出的令牌后可依次發(fā)送。登記后，發(fā)送語音及其它實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的移動(dòng)單元獲得優(yōu)先級(jí)，可在幀的前面部分發(fā)送，幀的余下部分用于數(shù)據(jù)發(fā)送。通信量不大時(shí)，幀的大部分都可用于數(shù)據(jù)發(fā)送。為WATM設(shè)計(jì)MAC層協(xié)議其中一項(xiàng)難點(diǎn)是設(shè)計(jì)具傳

15、輸無線多媒體能力的MAC層，這將可以為大多數(shù)ATM應(yīng)用提供透明傳輸。4.7數(shù)據(jù)連接層WATM需要一個(gè)自定義的數(shù)據(jù)連接層協(xié)議，它應(yīng)該盡可能的透明。需要一個(gè)自定義的數(shù)據(jù)連接層協(xié)議是因?yàn)榇嬖诟叩牟铄e(cuò)率和不同分組尺寸的WATM。WATM可能使用16或24字節(jié)凈荷，53字節(jié)對(duì)于WATM來說可能太長(zhǎng)。數(shù)據(jù)連接協(xié)議包括服務(wù)類型定義、差錯(cuò)控制、分割和重新組裝以及越區(qū)切換支持。服務(wù)類型標(biāo)識(shí)用來指示分組是管理/控制、CBR、VBR或ABR等幾種類型。服務(wù)類型標(biāo)識(shí)簡(jiǎn)化了基站協(xié)議處理。無線ATM網(wǎng)絡(luò)與有線ATM網(wǎng)絡(luò)在信道特性上存在巨大的差異。在有線ATM網(wǎng)絡(luò)中，一些服務(wù)類型被定義要處理不同的QOS要求，包括信元丟失率

16、、信元延遲和抖動(dòng)。相應(yīng)地?zé)o線ATM也應(yīng)該引入QOS保證機(jī)制來提供到有線ATM網(wǎng)絡(luò)的透明服務(wù)。然而，由于噪聲、衰落和干擾，典型的無線信道有著較高的信道差錯(cuò)率。需要在無線ATM中采用差錯(cuò)糾正方案以提供與有線ATM網(wǎng)絡(luò)可兼容的QOS保證?？梢栽谛蓬^上采用PCN分組序列號(hào)標(biāo)識(shí)(例如10位)，在尾部增添2字節(jié)CRC幀校驗(yàn)。無連接的數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)可使用HDLC類的重傳。由于WATM可能使用16或24字節(jié)信元，這就需要分割和重新組裝。可通過使用差錯(cuò)控制序列號(hào)中兩個(gè)最小有效位作為段指針來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)1。越區(qū)切換是無線中的一項(xiàng)重要特性。越區(qū)切換在移動(dòng)單元離開一個(gè)小區(qū)并進(jìn)入另一個(gè)小區(qū)時(shí)發(fā)生。因而對(duì)任何無線網(wǎng)絡(luò)來說，無

17、數(shù)據(jù)丟失的軟越區(qū)切換是非常重要的，且越區(qū)切換應(yīng)該是透明的。通過在信頭上使用標(biāo)識(shí)位來指示越區(qū)切換前及后的PDUs，可以實(shí)現(xiàn)這一功能。4.8網(wǎng)絡(luò)位置管理和連接建立對(duì)移動(dòng)單元的一項(xiàng)基本要求是允許它在小區(qū)之間自由漫移。這個(gè)過程不需要任何人工干預(yù)。在TACS系統(tǒng)中對(duì)移動(dòng)的監(jiān)測(cè)是通過基站檢測(cè)從移動(dòng)單元收到的信號(hào)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的4。當(dāng)信號(hào)低于一個(gè)預(yù)置值時(shí)，交換中心尋找另一個(gè)能收到較強(qiáng)信號(hào)的基站并將訪問切換到這個(gè)基站。在每一幀中會(huì)留出一段間隔，在這期間新到達(dá)及新啟動(dòng)的移動(dòng)單元可告訴基站它們所處的位置。Porter詳細(xì)解釋了連接建立的過程2。在連接建立時(shí)，主機(jī)產(chǎn)生一個(gè)連接信號(hào)，指明兩端的網(wǎng)絡(luò)地址。如果目的地址屬于移

18、動(dòng)單元，就連接本地域位置服務(wù)器(DLS)，如果本地域位置服務(wù)器(DLS)沒有此地址信息，就將路由信息傳遞給移動(dòng)單元的主注冊(cè)處(HR)。HR返回遠(yuǎn)端DLS的地址，后者返回移動(dòng)注冊(cè)器(MR)的地址。一旦移動(dòng)注冊(cè)器(MR)的地址已知，則所有的詢問都送到這個(gè)特殊的移動(dòng)注冊(cè)器上。當(dāng)連接要求到達(dá)移動(dòng)注冊(cè)器時(shí)，它首先詢問移動(dòng)單元，后者決定是否接納這次呼叫。如果移動(dòng)單元接納這次呼叫，這將分配一個(gè)虛電路號(hào)并將其返回到MR。然后MR在移動(dòng)交換點(diǎn)(MSP)和遠(yuǎn)端用戶間建立虛電路，并將這條新的虛電路加到MSP和接近移動(dòng)單元的基站之間的虛通路上。5結(jié)論當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)采用ATM朝著B-ISDN方向發(fā)展以獲取高的數(shù)據(jù)傳輸速率時(shí)

19、，無線個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)也正在快速地發(fā)展。人們期望不受固定地點(diǎn)和連線限制的便攜、移動(dòng)通信可以提供大范圍的服務(wù)并能得到廣泛的應(yīng)用。無線ATM系統(tǒng)被提議用于下一代的寬帶多媒體個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)。ATM和無線這兩方面都對(duì)WATM的發(fā)展十分關(guān)注。無線ATM的成功在很大程度上將依賴于ATM/B-ISDN有線網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)現(xiàn)。如果ATM網(wǎng)絡(luò)成為有線領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，WATM的成功也將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。作者簡(jiǎn)介：黃濤.男，1967年生，工程師。1997年9月在職攻讀華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院電路與系統(tǒng)專業(yè)研究生。研究方向?yàn)椋簾o線ATM，ATM網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理。張傳慶.男，1945年生，研究員、付總工程師。研究方向：移動(dòng)通信等。李于凡.男，1

20、939年生，教授。研究方向：電路糾錯(cuò)，電路與系統(tǒng)。作者單位:黃濤李于凡(華南理工大學(xué)廣州510310)張傳慶(電子部第七研究所廣州)參考文獻(xiàn)1Raychaudhuri D,Wilson D.ATM-Based Transport Architecture for Multiser vices Wireless Personal Communication Networks.IEEE Journal On Selected Areas In Communication,1994，12(8)：140114132Porter J,Hopper A.An ATM Based Protocol for Wireless LANs.Olivetti Research Limited,1994，43Black U.ATM:Foundation for Br