蜂窩網上的分組數據交換

2019-11-03 10:11:55

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蜂窩網上的分組數據交換（苗青、嚴學良、高巖）關鍵詞：移動通信，移動分組數據技術，蜂窩數字分組數據[摘要]蜂窩數字分組數據（CDPD）是一種在蜂窩電話網（如AMPS）的頻譜上使用的移動分組數據技術。CDPD的特點是可通過信道跳轉利用蜂窩小區中的任何空閑信道，而不影響下層蜂窩系統的話音業務。本文概述了CDPD無線接口的主要功能層，分別介紹了物理層、數據鐵路層和相關子網匯聚協議的的語義和功能特性，并強調了2個重要的方面——媒質接入過程和信道跳轉過程。一、概述蜂窩數字分組數據（CDPD）是一種移動數據技術，允許在一個蜂窩電話網（如AMPS）的頻譜上進行輔助的分組數據操作。CDPD的基本組成部分為末端系統（ES）和中間系統（IS）。在Internet終端技術中，ES相當于主機，IS相當于路由器。ES是交換信息的實際的物理和邏輯末端節點，而IS是CDPD存儲、傳遞信息的基本結構。 ES有2種形式：一種為移動ES（M-ES），是用戶通過無線接口接入CDPD網的設備，另一種是固定ES（F－ES），供一般的主機、服務器或網關連接到CDPD的主干部分及為特殊的應用和數據提供接入。一個M－ES由一個移動終端（PC或其他標準設備）和一個CDPD無線MODEM組成，該MODEM連接到移動終端上，管理無線鏈路和協議。通常，無線MODEM和移動終端之間的通信由標準串口協議支持，如串行線形Internet協議（SLip）或點對點協議（PPP）。 IS也有2種形式：一種是一般的IS，是一個不含CDPD和移動成分的簡單路由器（在大多數情況下是一個IP路由器），另一種是移動數據IS（MD－IS），是可根據當前位置上M－ES的狀況來傳遞消息的專用IS。MD－IS由一組硬件構成，提供交換、記費、登記、鑒權、加密和移動管理等功能。移動管理軟件允許交換系統跟蹤M－ES、允許M-ES使用唯一的網絡地址。CDPD移動管理軟件是以移動IP模型為基礎形成的。除了ES和IS，CDPD的另一組成單元為移動數據基站（MDBS），它與一般的蜂窩基站相似。一個MDBS不執行網絡功能，它的主要功能是在下層話音網的制約下形成和管理M－ES與CDPD主干之間的空中接口，使CDPD主干部分能提供了非連接的傳輸業務（也稱作數據報業務）。一方面MDBS在大量的M－ES和它們服務的MD－IS（數據鏈接功能單元）之間中繼數據鏈接信息，另一方面MDBS進行無線資源管理，其中最重要的是根據話音網絡激活進行CDPD射頻信道的跳頻。二、物理層 CDPD的物理層接收MAC（媒質體接人控制）層的比特流，將它們轉換為可在30kHz射頻信道上傳輸的調制波形。一個MDBS和一個M－ES之間的通信建立在一對射頻信道上（有固定的頻率間隔）。前向信道的傳輸方向為從MDBS到M－ES，該信道或者是由CDPD專用，或者是CDPD和話音蜂窩網共用。在任何情況下只要前向信道用于CD－PD，信道中傳輸是連續的。反向信道的傳輸方向為從M－ES到MDBS，并為與同一MDBS通信的所有M－ES共享。一對關聯的前向和反向信道構成了一個CDPD信道流。射頻信道流的調制方式采用 GMSK（BT=0.5），一個大于中心載頻的頻率代表～個邏輯1，反之代表邏輯0。前向和反向射頻信道的調制速率都是19.2kb/s。通過PHY層和無線資源管理單元（RRME）接口，RRME可：（1）將PHY層調諧到一對指定的信道上；（2）設置傳輸功率電平到預定值；（3）測量一個射頻信道的接收信號電平和估計提供正常通信的潛能；（4）根據系統要求結束或恢復對PHY層的操作。三、媒質接入層 1．媒質接人控制 MAC（媒質接入控制）層模擬成了一個位于PHY層和邏輯鏈路控制（LLC）層之間的可進行邏輯操作的功能單元。M－ES中的MAC和MDBS中的相應的MAC協作。這一層的功能是通過CPDP空中接口在對等的LLC實體之間傳送信息，即鏈路協議數據單元（LPDU）。針對這一目的，MAC層提供下列業務：（1）將LPDU打包為幀結構，確保LPDU的定界、幀同步和數據均透明。（2）對LPDU進行編碼，針對移動信道質量較差進行差錯防止。（3）在接收的頓中檢測和糾正比特錯誤。（4）在共享反向信道中引入仲裁。（5）對前向信道的傳輸同步，使每個CD－PD單元發送的控制信息和數據能被正確接收。 MAC層通過一個相關設備接口與RRME（無線資源管理單元）進行通信。通過該接口，MAC層告知RRME它是否已請求和當前選擇的前向信道同步，也可傳送接收到的錯誤比特和錯誤塊的數量等RRME的狀態信息。這樣，RRME可估計一個給定CDPD信道的接收能力并提供無線資源管功能。 2.媒質接入過程使用開縫非持久的DSMA/CD（帶有競爭檢測的數字識別多址）算法，一個M－ES可接入反向信道。DSMA／CD使用忙/閑和譯碼狀態標志。忙/閑標志指示反向信道是忙或閑。譯碼狀態標志指示MDBS是否已經將反向信道上的塊成功譯碼。一個要發送數據的M－ES首先檢測忙／閑標志，如果發覺反向信道忙，M－ES隨機延遲數個微時隙后再檢測。由于M－ES非持續地一直檢測忙閑狀態標志，接入方式為非持續性的。一旦發覺反向信道為閉，M－ES會啟動傳輸，同時將忙／閑標志置忙。在M－ES開始一個傳輸后，它檢測收到的每一個前向信道塊中的譯碼狀態標志（假定為全雙工操作），根據這個標志的值恢復或停止傳輸。這個標志值根據正在進行的傳輸的過程提供一個實時的信息。如果譯碼狀態標志表明MDBS沒有遇到譯碼錯誤，M－ES繼續傳輸，否則終止傳輸（注意MDBS不能識別由于信道損耗而產生的誤碼）。四、邏輯鏈路控制層 LLC層的目的是通過CDPD空中接口在網絡層之間傳送信息。應用于這一層的協議稱為移動數據鏈路協議（MDLP）。 MDLP提供給上層SNDCP（相關子網匯聚協議）的主要功能是在一個CDPD信道流中設置和控制一個或多個的邏輯數據鏈路連接。LLC層以上，每個數據鏈路連接被當做單獨的比特通道，可用來在一個MD－IS和一個M－ES之間或一個MD-IS和多個M－ES之間傳送消息。通過SNDCP在每個數據鏈路連接中可容納一個或更多的網絡業務流。數據鏈路連接之間通過包括在每個消息（也稱為幀）中的一個地址標簽（臨時設備標識-TEI）進行的識別。TEI是一個純LLC層的概念，僅供LLC層內部使用。數據鍵路連接可以是點對點的或是同播的。一個同播數據鍵路在CDPD信道流中進行一點對多點或多點對一點通信。2個同播數據鏈路由TEI的預定義值和已知值指定：（1）信道的TEI＝1表明一層有3個同播信道。這個同播信道僅用來發送特定的控制信息。（2）信道的TEI＝0表明這個同播信道用作數據鍵路管理。利用這個信道，一個M－ES中的RRME可接收在每個CDPD蜂窩中同播的無線資源管理信息。它接受信道流辨認參數，蜂窩配置參數，信道接人參數和信道質量估計參數。和同播數據鏈接相比，點對點數據鍵接用來在單個M－ES和它服務的MD-IS之間傳輸信息。在點對點鍵路連接建立之前，為M－ES分配一個專用的TEI值（從16到2－1），然后M－ES在點對點連接上發送、接收所有包含該TEI值的傾。因此，TEI被用作信道標識或M－ES數據鏈路地址。每個M－ES被分配一個TEI值，在該 M－ES和它服務的MD－IS之間這個TEI值被用來多路復用所有的網絡層業務。數據鏈路連接中的信息傳送支持兩種操作模式：確認模式和非確認模式。同播信道中傳送的信息只使用非確認模式，不使用差錯校正和流校制機制。因此非確認模式傳送是不可靠的。根據網絡層要求的眼務質量，點對點數據鍵路信道上傳送的信息采用非確認模式或確認模式。對每一個確認模式數據鏈路連接，為保證給定的服務質量，MDLP建立控制機制。例如，MDLP提供順序控制以保持數據鏈路連接中的幀的傾序，MDLP探測到幾個錯誤就啟動校正過程，還提供流控制。 3、相關干網匯聚協議（SNDCP）功能上，SNDCP在數據鏈路和網絡層之間。假定網絡層是獨立的子網，它虛擬工作在任何數據鏈路上，因此網絡協議設想的業務不能直接映射到MDLP提供的業務中。因此，SNDCP可根據要求提供合作。SNDCP提供下列功能： 1、分段為了被有限長度的數據鏈路幀容納，網絡協議數據單元（NPDU）根據需要被分段和合成。分段的最大長度是2048字節，而MDLP支持的最大用戶數據長度相當小（默認為130字節）。 2、加密為保證CDPD空中接口上用戶數據的保密性，NPDU在分段后加密。加密和解密的密鑰在安全管理單元（SME）中可得到。 3、多路復用 SNDCP在相同的數據鏈路連接中多路復用多個網絡層的業務。這使幾個網絡層單元可同時在SNDCP頂層運行。如2個網絡協議（IP和CNLS）和2個管理單元（SME和MNRP-移動網絡登記協議）可同時運行在SNDCP的頂層。由它們各自的網絡層協議標識（NLP）來區別。 4、頭壓縮為增加數據鏈路性能和有效性，SNDCP壓縮和恢復冗余的網絡控制信息。 5、數據壓縮為進一步增加數據鍵路性能，NPDU的數據部分根據ITU-T V.42進行二次壓縮。 6、服務質量 SNDCP提供2種數據傳輸模式。確認模式在數據鍵路控制過程中傳送NPDU。非確認模式在數據鍵路控制之外傳送NPDU。采用何種傳輸模式由網絡層要求的業務質量參數決定。六、信道跳轉由于CDPD是在蜂窩電話網開始運作之后提出的，它的設計和實現受到不能改變觀存的蜂窩系統的限制。因此CDPD被設計為對底層的蜂窩系統完全透明。當一個蜂窩系統為話音傳輸選擇一個新的信道時，它不會意識到CDPD的存在，因此它可能會占用正被CDPD使用的信道。這時，CDPD信道會盡可能優先的占用另一條空閑信道上并繼續CDPD操作。CDPD操作在信道跳轉的環境下，對它的下行鍵路性能會有影響。 MDBS在它和蜂窩基站之間采用合適的通信協議，或者應用監測設備（如取樣器）來尋找傳輸可用的信道。后一種情況下，MDBS通過檢測進入發射天線的功率監測蜂窩基站的發射信號。當發現功率上升，說明話音業務開始，若該信道被CDPD使用就進行一個強制的信道跳轉。在任何話音傳輸之前，MDBS關閉當前的前向信道結束數據傳輸，跳到一個新的空閑蜂窩信道中，在該信道上繼續傳輸它的前向數據業務。數據傳輸需要M－ESs跟蹤信道跳轉，在找到該信道之前要一對指定的一組可能的CDPD信道進行搜索。七、結論 CDPD是一種較新的移動數據技術。它的特點是能夠在現存的蜂窩電話網上實現獨立的蜂窩系統或分組交換功能。在分組交換方面，CDPD可利用現有的蜂窩結構以最小的安裝投資快速發展起來。但它是否在專用的射頻信道上實現要與業務的要求決定。很明顯，如不使用專用信道，下層蜂窩系統的業務激活會在很大程度上降低CDPD數據傳輸質量。今后，隨著CDPD的發展，很可能會為CDPD分配專用信道。

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