移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)中的無線ATM網(wǎng)絡(luò)

2019-11-03 09:16:01

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供稿：網(wǎng)友

黑龍江省網(wǎng)通公司互聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部李研

　　在有線通信領(lǐng)域，由于服務(wù)質(zhì)量的懸殊差別，傳統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)通信漸漸面臨被多媒體通信全面替代的威脅。隨著視頻編碼技術(shù)和光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的不斷提高，多媒體的網(wǎng)絡(luò)傳輸已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。加之Internet和Intranet的成功運(yùn)作，多媒體業(yè)務(wù)已逐漸成為當(dāng)前業(yè)務(wù)的重要組成部分并有望在不久的將來成為主要的業(yè)務(wù)類型。現(xiàn)在，初具規(guī)模的電子商務(wù)、網(wǎng)上公共社區(qū)服務(wù)、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、分布式制造業(yè)等多媒體通信業(yè)務(wù)正不斷推動(dòng)社會(huì)的制造業(yè)、商業(yè)、教育、醫(yī)療等行業(yè)的全面進(jìn)步。可以說，在有線領(lǐng)域，多媒體時(shí)代已經(jīng)開始到來。

　　在無線通信領(lǐng)域，自70年代貝爾實(shí)驗(yàn)室推出第一個(gè)模擬蜂窩無線系統(tǒng)AMPS以來，無線通信隨著自身技術(shù)的改進(jìn)，其市場份額也逐漸龐大。特別是80年代末第二代無線通信網(wǎng)(數(shù)字蜂窩網(wǎng))的出現(xiàn)，將無線通信市場推向空前繁榮，例如中國，預(yù)計(jì)移動(dòng)通信服務(wù)的用戶數(shù)量將以41%的速度從2000年底的8500萬人增長到2001年底的1億2000萬人，至2007年移動(dòng)電話的用戶數(shù)量將達(dá)到3億3400萬人。無線通信的支持的業(yè)務(wù)種類也由單一的語音業(yè)務(wù)擴(kuò)充為速率不斷提高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。當(dāng)前無線通信的一個(gè)重要使命就是如何將有線通信中倍受大眾歡迎的多媒體業(yè)務(wù)延拓到無線領(lǐng)域[1]。無線ATM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供了一種比較現(xiàn)實(shí)的解決方案。

　　寬帶無線ATM接入網(wǎng)的主要目標(biāo)是使無線終端在一定QoS（服務(wù)質(zhì)量）保證下具有高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)傳輸?shù)哪芰Γ〝?shù)據(jù)率一般超過2Mbit/s），同時(shí)具有速度受限的移動(dòng)通信能力。除了商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng)以外，接入網(wǎng)的發(fā)展有著三個(gè)方面的技術(shù)基礎(chǔ)。首先，隨著研究開發(fā)的不斷深入，寬帶的有線骨干網(wǎng)技術(shù)尤其是ATM技術(shù)日臻完善，已開始走向商用，這為無線終端開發(fā)寬帶高速業(yè)務(wù)提供了參考和依據(jù)[2]。其次，移動(dòng)通信以及個(gè)人通信近年未得到了飛速發(fā)展，它在無線網(wǎng)結(jié)構(gòu)、移動(dòng)性支持、多址方式、無線傳輸?shù)确矫鏋閷拵o線接入網(wǎng)的研究奠定了基礎(chǔ)。第三，小型、可靠、高性能的便攜式PC、個(gè)人數(shù)字助理（PDA），個(gè)人信息助理（PIA）的出現(xiàn)為移動(dòng)多媒體通信的實(shí)現(xiàn)提供了可能的通信終端。

　　基于無線ATM接入網(wǎng)的移動(dòng)多媒體通信系統(tǒng)應(yīng)該具有下述特征：

　　·為方便互聯(lián)，無線ATM信元與傳統(tǒng)ATM信元具有簡單映射關(guān)系；

　　·傳輸速率應(yīng)至少在2Mbit／s～156Mbit／s；

　　·采用透明的傳輸通信協(xié)議；

　　·用戶可以無線移動(dòng)方式接入寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）；

　　·用戶之間通信可以采用直接方式，也可采用通過基站轉(zhuǎn)接方式；

　　·提供多媒體電信業(yè)務(wù)；

　　目前，以寬帶移動(dòng)通信業(yè)務(wù)為目的的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究已正在討論，如歐洲ETSI提出的通用移動(dòng)電話系統(tǒng)（UMTS）、ITU-R和ITU-T提出的未來公眾陸地移動(dòng)電話系統(tǒng)（FPLMTS）、ITU－T提出的國際移動(dòng)電話系統(tǒng)（IMT－2000）。目前，這些移動(dòng)通信系統(tǒng)的最高傳輸速率約為2Mbit／s，而采用ATM的光纖通信網(wǎng)的傳輸速率已達(dá)100Mbit／s以上。早期研究者曾設(shè)想用WATM技術(shù)單獨(dú)組網(wǎng)，但該思想無論是從技術(shù)上還是實(shí)現(xiàn)規(guī)模上均被證明是得不償失的。由于ATM技術(shù)已全面應(yīng)用于固定網(wǎng)中的骨干網(wǎng)（光纖通信網(wǎng)），WATM技術(shù)在已有光纖通信系統(tǒng)的無線延拓中將大有用武之地。無線ATM是在以ATM為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)上增加無線尋址接入來支持移動(dòng)管理功能和ATM高速傳輸能力。無線ATM作為解決移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的一種方案已引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文主要介紹移動(dòng)多媒體通信中無線ATM接入的基本概念和結(jié)構(gòu)，包括無線ATM概念、無線ATM網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議、信元和傳輸結(jié)構(gòu)。重點(diǎn)討論陸地移動(dòng)環(huán)境下無線ATM接入控制技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)。

　　一、無線ATM網(wǎng)絡(luò)通用功能模型

　　無線ATM接入系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例，移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)無線接入ATM骨干網(wǎng)由兩個(gè)階段完成，首先移動(dòng)用戶通過無線ATM網(wǎng)絡(luò)接口單元（NIU）實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信元數(shù)據(jù)的無線接入基站，然后基站則通過ATM網(wǎng)絡(luò)接口單元（NIU）實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)信元數(shù)據(jù)移動(dòng)接入骨干網(wǎng)。

　　無線ATM接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能示意圖，無線ATM接入網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)移動(dòng)特性對(duì)常規(guī)ATM技術(shù)作以下考慮：

　　1.無線資源極其匱乏，設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)應(yīng)注意提高資源利用率；

　　2.無線通信環(huán)境惡劣，誤碼率高且具時(shí)變性，應(yīng)自適應(yīng)地采取不同編碼策略降低誤碼率以達(dá)到不同業(yè)務(wù)要求；

　　3.用戶移動(dòng)引起的位置管理和越區(qū)切換等問題；

　　4.缺乏快速碰撞檢測方法導(dǎo)致的接入控制難題等等。

　　事實(shí)上，無線ATM接入技術(shù)也有相對(duì)常規(guī)ATM簡單之處。由于無線ATM僅作為接入技術(shù)，且接入點(diǎn)往往是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，我們?cè)谠O(shè)計(jì)大多網(wǎng)絡(luò)控制功能的時(shí)候，僅需考慮無線接入點(diǎn)的情況，這大大降低了無線ATM中網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度[3]。

　　不同部件分別給出協(xié)議棧。這也是當(dāng)前各類無線ATM接入系統(tǒng)普遍接受的協(xié)議模型，是各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

　　為提高無線資源的利用率，不同用戶的多個(gè)業(yè)務(wù)需共享無線資源，媒體訪問控制層（Media accessControl,MAC）的引入即為實(shí)現(xiàn)該功能。它完成了無線資源的劃分和不同業(yè)務(wù)對(duì)劃分后的資源塊的訪問。數(shù)據(jù)鏈路控制（Data Link Control, DLC）則用來克服無線信道的高誤碼率和時(shí)變性。基站中的無線資源管理器（Radio Resource Manager, RRM）負(fù)責(zé)完成無線用戶的接納控制（Connection Admission Control, CAC）、無線資源分配和調(diào)度（Resource Allocation and Scheduling, RAS）、移動(dòng)管理管理（Mobility Management Control, MMC）等功能，移動(dòng)用戶和移動(dòng)交換機(jī)中的控制功能（Control Functions, CF）將配合RRM實(shí)現(xiàn)以上接入功能。另外，圖3中無線物理層（Radio PHY）為當(dāng)前成熟的各類無線傳輸技術(shù)或?qū)鞼ATM專用的寬帶無線鏈路。PHY、ATM和AAL等層實(shí)現(xiàn)的功能和常規(guī)ATM網(wǎng)絡(luò)一致或稍加改變。如無線部分ATM層信元格式針對(duì)高誤碼率和低速業(yè)務(wù)時(shí)延作的調(diào)整和AAL中信令部分針對(duì)移動(dòng)所作的改進(jìn)。

　　以上接入分層模型是當(dāng)前無線ATM研究機(jī)構(gòu)公認(rèn)的WATM接入系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。在具體實(shí)現(xiàn)上述協(xié)議模型時(shí)，國際上各無線ATM研究小組提出了各式各樣的接入方案，如日本NEC開發(fā)的WATMnet，NTT的AWA，英國Cambridge-Olivetti的無線ATMLAN，歐洲ACTS計(jì)劃中的MagicWAND，美國Bell實(shí)驗(yàn)室的BAHAMA，Columbia大學(xué)和IBM的基于蜂窩的無線ATM接入系統(tǒng)，加拿大Carleton大學(xué)的WATMLAN等等。雖然各方案的指導(dǎo)思想相類似，由于它們采用了不同的無線物理層實(shí)現(xiàn)方式，而相應(yīng)的MAC層協(xié)議一般都是針對(duì)自己的PHY專門設(shè)計(jì)的，因此MAC層和高層的CAC和RAS的設(shè)計(jì)往往差別很大，很難以一方案為基礎(chǔ)，集成其它方案的長處。分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生原因，主要因?yàn)閳D3中協(xié)議模型不容易給出WATM接入系統(tǒng)具體的接入過程，如能將WATM接入過程闡明清楚，并按功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭澐郑?dāng)前WATM各方案的優(yōu)點(diǎn)便能很好的集成起來。

　　文獻(xiàn)[4]提出一種新的通用功能模型，將WATM網(wǎng)絡(luò)按功能分為三大部分：廣義無線傳輸模塊、接入控制功能模塊和移動(dòng)管理功能模塊。廣義無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)包括RadioPHY的全部和RadioMAC、RadioDLC的大部分功能。它能在基站和任一移動(dòng)用戶間提供一些指定要求的無線資源塊。接入控制功能模塊實(shí)現(xiàn)接納控制（ CAC）和無線資源分配和調(diào)度（RAS）等功能。移動(dòng)管理功能模塊實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換（handoff control）、位置管理（location management）、用戶鑒權(quán)（authentication）和切換引起的路由和業(yè)務(wù)質(zhì)量控制（routing and QoS control）等等。這些功能大多由移動(dòng)用戶和移動(dòng)交換機(jī)的控制功能（CF）實(shí)現(xiàn)，其中涉及資源部分需要RRM的參與。

　　二、WATM網(wǎng)絡(luò)接入控制

　　理想的資源調(diào)度和相應(yīng)的接納控制策略是接入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線ATM網(wǎng)絡(luò)高資源利用率和高業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS的重要保證。關(guān)于WATM網(wǎng)絡(luò)接入控制功能文獻(xiàn)上各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法不一，其主要原因是各系統(tǒng)的無線物理層設(shè)計(jì)不同，基于特定物理層設(shè)計(jì)的接入控制功能也是多種多樣。為對(duì)WATM中的接入控制功能有個(gè)全面的了解并開展研究，在邏輯上抽象出WATM的通用的接入控制過程。

　　由于廣義無線傳輸能給高層提供指定要求（包括傳輸速率、誤碼率、延時(shí)以及資源塊占用時(shí)間）的共享無線資源塊，我們可以將接入控制過程抽象成基站通過一定的上、下行控制信道（ControlChannel）完成接納控制功能和共享無線資源塊的實(shí)時(shí)分配和調(diào)度。移動(dòng)用戶從下行的公用（Common）控制信道（廣播信道BroadcastChannel,BCH、尋呼信道PCH等）獲得相關(guān)信息，通過競爭的上行公用控制信道（隨機(jī)接入信道Random Access Channel, RACH ）將連接請(qǐng)求通知基站，基站根據(jù)當(dāng)前實(shí)際可用資源和資源使用情況進(jìn)行接納控制。如果允許接入，用戶和基站間將建立專用信道連接（可能包括專用控制信道和業(yè)務(wù)信道）。如連接成功建立，用戶將業(yè)務(wù)的實(shí)際資源需求情況通過上行資源申請(qǐng)信道（ReqCH）通知基站，基站根據(jù)一定的調(diào)度法則進(jìn)行資源分配，并將分配結(jié)果通過下行傳輸允許信道（PermCH）通知用戶，用戶按此結(jié)果進(jìn)行業(yè)務(wù)成形和傳輸。 ReqCH和PermCH 可由公共控制信道（CCCH）實(shí)現(xiàn)，也可在每個(gè)用戶和基站間建立各用戶專用（Dedicated）的上下行控制信道專門幫助實(shí)現(xiàn)資源分配，還能由公共控制信道和專用控制信道聯(lián)合完成。專用控制信道（DCCH）實(shí)現(xiàn)ReqCH和PermCH的情況。每次資源分配的結(jié)果實(shí)際上是分配給各個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)著某資源塊的一定占用時(shí)間，工作頻段，或碼字（功率）。

　　三、WATM網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)控制

　　無線ATM網(wǎng)絡(luò)由于無線通信環(huán)境惡劣，誤碼率高且具時(shí)變性，需要系統(tǒng)能自適應(yīng)地采取不同編碼策略降低誤碼率和傳輸時(shí)延以達(dá)到不同業(yè)務(wù)質(zhì)量QoS要求。

　　文獻(xiàn)[5]中作者分析了數(shù)字移動(dòng)信道特性，結(jié)合對(duì)已有差錯(cuò)控制技術(shù)的研究，提出一種新的差錯(cuò)控制方案。通過交織編碼、多級(jí)別前向糾錯(cuò)、自動(dòng)重傳技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了混合多級(jí)差錯(cuò)控制。方案中的交織編碼和多級(jí)別前向糾錯(cuò)技術(shù)有效克服了數(shù)字移動(dòng)信道中多徑衰落引發(fā)的突發(fā)錯(cuò)誤；引入的訓(xùn)練序列及時(shí)跟蹤信道參數(shù)變化，為確定相應(yīng)級(jí)別糾錯(cuò)編碼提供判斷依據(jù)。該方案能夠一定程度上克服長期衰落和多徑衰落的影響，降低信元差錯(cuò)率，提高無線ATM網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用性；同時(shí)針對(duì)各類型業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的不同理解，本方案能夠?qū)鬏敃r(shí)延、信元差錯(cuò)率等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)整，拓寬了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)適用性。

　　模型中采用了多級(jí)FEC前向差錯(cuò)控制，其無線ATM信元結(jié)構(gòu)中引入了針對(duì)信頭的FEC1和針對(duì)凈荷的FEC2碼，由于信頭中裝載本信元的特征信息，往往FEC1編碼具有強(qiáng)糾錯(cuò)能力，而FEC2則根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)類型采取合適的冗余編碼，能有效的降低信元丟失率，提高服務(wù)質(zhì)量。

　　本文主要討論實(shí)現(xiàn)移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)中的無線ATM網(wǎng)絡(luò)接入的概念和結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了無線ATM網(wǎng)絡(luò)中的接入控制技術(shù)和差錯(cuò)控制技術(shù)，初步歸納出以下結(jié)論：

　　（1）無線ATM是傳統(tǒng)ATM網(wǎng)絡(luò)的無線延拓，面向移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)；

　　（2）無線ATM的傳輸方案應(yīng)重點(diǎn)考慮移動(dòng)多媒體中的資源受限、信道惡劣等特點(diǎn)；

　　（3）無線ATM接入應(yīng)具備下述特性：

　　·應(yīng)用高頻段頻譜可提高高速傳輸能力；

　　·在通信期間會(huì)有移動(dòng)有限性；

　　·雙模接入能力適用于專用網(wǎng)和公眾同．＿

　　（4）無線ATM傳輸結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)簡化級(jí)連緩沖器結(jié)構(gòu)和QQS控制．

----《通信世界》