要害詞：移動IP；無線局域網(wǎng)；寬帶無線傳輸；標準化

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

　　移動通信和Internet的飛速發(fā)展，帶來了在任何時間、任何地點都可以享用Internet業(yè)務(wù)的需求。椐據(jù)UK ARC Group猜測，無線Internet業(yè)務(wù)的用戶到2004年將達到7.5億戶，Internet用戶總數(shù)將達到10億戶。無線Internet的用戶將占Internet用戶數(shù)的大部分。因此探索新一代(或?qū)拵?無線(移動)通信和Internet的有機結(jié)合是當前國際上的研究熱點。

　　目前，在這一領(lǐng)域有兩種發(fā)展方向：一是以現(xiàn)有的2.5代(如GPRS、EDGE)或3代（如WCDMA、TD-SCDMA)的蜂窩移動通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)向全IP網(wǎng)過渡，推動第3代移動通信進行全IP化的組織為3GIP；二是WLAN(如IEEE 802.11b)+ Internet構(gòu)成全IP網(wǎng)絡(luò)，或是以新的空中接口（如TD-LAS)+ Internet構(gòu)成全IP網(wǎng)絡(luò)。目前，在空中接口方面出現(xiàn)了WLAN和3G標準組合或融合的趨勢。

　　移動無線Internet論壇（MWIF)致力于推出一個開放的移動無線Internet結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)移動電話業(yè)務(wù)和Internet業(yè)務(wù)的“無縫”集成。該結(jié)構(gòu)與接入技術(shù)無關(guān)，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)運營商和Internet業(yè)務(wù)提供商的要求。該論壇的一個重要目的就是要影響其他標準化的組織：3GPP、3GPP2、IETF。

　　1 寬帶傳輸標準

　　3G室內(nèi)環(huán)境最高的傳輸速率只為2 Mbit/s，而在寬帶無線IP系統(tǒng)中，近期內(nèi)將能提供10～20 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，遠期還將提供20～50 Mbit/s（最高能達150 Mbit/s)的數(shù)據(jù)速率。

　　IEEE無線局域網(wǎng)(WLAN)的基本標準是1997年10月批準的IEEE 802.11。其工作頻率為2.4 GHz，基本數(shù)據(jù)速率為1 Mbit/s和2 Mbit/s，采用跳頻(FH)和直接序列擴頻(DSSS)。

　　1999年秋天，IEEE批準的IEEE 802.11b標準^[1]，是與DSSS后向兼容的標準，采用兩種編碼方式與BPSK/QPSK相結(jié)合的方法，增加了兩個新的傳輸速率5.5 Mbit/s和11 Mbit/s；基本的(Mandatory)編碼方式是CCK(Complementary Coding Keying), 可選的編碼方式是PBCC(Packet Binary Convolutional Coding)。目前，IEEE 802.11標準工作組的任務(wù)小組G正在考慮傳輸速率大于20 Mbit/s的新標準。而Alantro/TI的建議IEEE 802.11g標準，采取PBCC和8-PSK相結(jié)合，增加了22 Mbit/s的傳輸速率。

　　對IEEE 802.11的另一個擴展是IEEE 802.11a標準。它工作在5 GHz的頻段，采用52子載波的OFDM方式，在20 MHz的帶寬內(nèi)可傳輸6、9、12、24、36、48、54 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，其編碼速率為1/2、2/3和3/4，調(diào)制方式為BPSK/QPSK、16/64-QAM。Atheros通信公司還提出了對IEEE 802.11a擴展的方案，稱為5-UPTM協(xié)議^[2]。在該協(xié)議中不同業(yè)務(wù)使用不同數(shù)量的子載波數(shù)來支持多種業(yè)務(wù)。

　　超寬帶(UWB)通信方式目前受到了廣泛的重視。它利用極窄的脈沖在近距離實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。例如：Time Domain公司實現(xiàn)了在中心頻率為2.0 GHz傳輸5 Mbit/s的數(shù)據(jù)鏈路。Multispectal Solution研究所(MSSI)實現(xiàn)了25 Mbit/s的高速UWB通信。

　　2 Ad hoc網(wǎng)

　　在傳統(tǒng)的移動無線Internet接入方式中，通常是以寬帶有線接入網(wǎng)為支撐，無線用戶只通過一跳(不需要在無線網(wǎng)中多次轉(zhuǎn)接)就可以進入固定網(wǎng)絡(luò)。在很多應(yīng)用場合，如個人區(qū)域網(wǎng)、家域網(wǎng)、軍事應(yīng)用、搶險救災(zāi)等，無線網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施作支撐，移動用戶的信息需要通過移動用戶之間的多次中轉(zhuǎn)才能到達目的用戶，這種網(wǎng)絡(luò)通常稱為分布式或Ad hoc網(wǎng)絡(luò)。

　　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)可采用全分布式控制，也可采用分層分布式控制。圖1是分層分布式控制。在圖1中，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分成群，每一個群產(chǎn)生一個群首負責本群中節(jié)點的治理。不同的群可使用不同的工作頻率，群內(nèi)可采用高效的多址協(xié)議(如UPMA等)。在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中，需要采用自組織算法來產(chǎn)生群和群首，計算最佳路由并進行動態(tài)資源分配。

圖1 典型的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　研究在Ad hoc環(huán)境下高效支持TCP/IP協(xié)議的寬帶移動無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是當前另一個研究熱點。其主要目標是將多媒體和Internet業(yè)務(wù)延伸到Ad hoc用戶，可在2～6 GHz頻段向用戶提供2～50 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。
目前對Ad hoc環(huán)境下寬帶移動無線網(wǎng)絡(luò)研究的主要兩大陣營有：一是IETF和IEEE，二是DARPA。已有一些標準(如IEEE 802.11、Bluetooth)支持Ad hoc方式。IETF成立了專門的研究組--移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)(MANET)組來研究它的路由問題，將移動IP拓展到無固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支撐的情況。1999年1月，RFC 2501具體給出了MANET的應(yīng)用場合、特征和性能要求。IETF在2000年下半年公布了一系列的有關(guān)Ad hoc 路由的草案(AODV、TORA、DSR、OLSR、DDM、MAODV、TBRPF、LANMAR、FSR等)。IEEE JAC 1999年8月出版了無線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的專輯。IEEE 通信分會在2000年底成立了專門的Ad hoc技術(shù)分委員會。IEEE 個人通信雜志于2001年2月出版了Ad hoc網(wǎng)絡(luò)專輯。

　　美國DARPA資助的SUO SAS(Small Unit Operations Situation Awareness System)在開發(fā)能夠支持未來dismounted soldiers信息需要的突破性技術(shù)，并集成進可演示的系統(tǒng)。在高移動環(huán)境下的由100個實驗單元組成的現(xiàn)場實驗將于2002年春開始。SUO SAS必須同時支持10 000用戶。系統(tǒng)能夠工作在20 MHz～2.5 GHz的頻段，帶寬為500 kHz～20 MHz，自適應(yīng)數(shù)據(jù)速率為16 bit/s～4 Mbit/s。

　　瑞士聯(lián)邦工學院Terminnodes正在研究和實現(xiàn)大規(guī)模自組織移動Ad hoc網(wǎng)(與瑞士電信的合作項目時間為2000年~2010年)。除外還有WING(加州大學SA分校)和MONARCH(卡耐梅容大學)等研究計劃。

　　3 寬帶無線IP實驗系統(tǒng)

　　西安電子科技大學于2000底研制成功的一個典型的基于WLAN支持移動IP的寬帶無線IP系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示^[4]。它利用常規(guī)的局域網(wǎng)（如10/100/1 000 Mbit/s以太網(wǎng))及其互連設(shè)備(路由器)構(gòu)成骨干支撐網(wǎng)，利用無線接入點(AP)和無線接入服務(wù)器(WAS)來支持移動終端(MT)的移動和漫游。無線接入服務(wù)器的作用是提供無線終端的接入治理和移動性治理。在每個無線接入服務(wù)器管轄的范圍內(nèi)(稱為服務(wù)區(qū))可支持多個小區(qū)。無線接入點的作用是完成WLAN和LAN之間的橋接，實現(xiàn)無線空中接口協(xié)議到LAN協(xié)議的轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)的移動用戶治理。在無線接入服務(wù)器中運行移動IP服務(wù)器端進程軟件，在移動終端上運行移動IP客戶端進程便可支持移動IP功能。該系統(tǒng)可支持用戶在移動和漫游的狀態(tài)下，享用VOD、FTP、WWW瀏覽等業(yè)務(wù)。

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圖2 寬帶無線IP實驗系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)包括兩個子網(wǎng)，子網(wǎng)1的IP地址是202.117.125.x，子網(wǎng)2的IP地址是202.117.114.x。子網(wǎng)1可包括1～2個無線接入點(A和B)，2～4個移動終端；子網(wǎng)2可包括1個無線接入點(C)，2～4個移動終端。

　　為了使移動終端在子網(wǎng)內(nèi)可以訪問Internet，無線接入點(AP)必須具有橋接的功能(實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)之間的幀格式轉(zhuǎn)換和路由功能)、相同子網(wǎng)內(nèi)散步治理功能(支持用戶在同一子網(wǎng)不同蜂窩小區(qū)之間的移動和越區(qū)切換)，支持SNMP治理、對用戶的身份認證、無線信道的治理、數(shù)據(jù)庫及學習功能、加密等功能，主要的協(xié)議包括：IEEE 802.3、IEEE 802.1d、IEEE 802.11等。

　　為了使移動終端能在跨越不同子網(wǎng)的不同小區(qū)之間任意移動，在不對移動終端作任何配置和改動的情況下，可連續(xù)使用Internet業(yè)務(wù)，即同時做到“操作透明性”(移動終端的移動不會引起用戶進行非凡的操作，如對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的重新配置、移動終端的重新啟動等)和“性能透明性”(移動終端的性能如通信能力、應(yīng)用軟件的性能等并不因主機的移動而有明顯地下降)，需要在每一個子網(wǎng)中配置一個無線接入服務(wù)器(WAS)，來支持上述移動IP(Mobile IP)功能。

　　移動IP軟件的開發(fā)遵守RFC 2002、RFC 2003和IETF的相關(guān)建議和草案。移動IP軟件分為兩部分：運行在移動終端上的進程(客戶端進程)和運行在無線接入服務(wù)器上的代理進程(服務(wù)器端進程)。

　　移動IP軟件的服務(wù)器端的進程包括家代理(HA)、外地代理(FA)兩部分。家代理用于治理在本子網(wǎng)注冊的移動終端，存儲它們的業(yè)務(wù)檔案；外地代理用于治理訪問本子網(wǎng)的外地移動終端。

　　移動IP軟件的代理進程主要包括代理搜索、轉(zhuǎn)交地址獲取、隧道建立和登錄等過程。

　　(1)代理搜尋：MT開機后，確定自己是在家網(wǎng)還是在外地網(wǎng)的過程稱為代理搜尋。實現(xiàn)代理搜尋的方法有兩種：由代理(FA或HA)發(fā)送代理公告(Agent Advertisement)報文的方法和由MT發(fā)送代理征求(Agent Solicitation)報文的方法。前者由代理定期地發(fā)送代理公告廣播報文，MT接收到該報文后判定自己處在何處；后者由MT主動發(fā)送代理請求廣播報文，依據(jù)HA或FA的應(yīng)答報文，MT判定自己處在何處。

　　(2)轉(zhuǎn)交地址: 當MT漫游到外地網(wǎng)時，它從外地代理處獲得一個轉(zhuǎn)交地址并通知其家代理。此后，MT的HA將把發(fā)給該MT原來地址的IP包接收下來，重新打包后發(fā)送到MT的轉(zhuǎn)交地址(通常是FA的IP地址)，再由FA轉(zhuǎn)交至MT。

　　(3)隧道: 當MT漫游到外地網(wǎng)時，由于其它移動終端并不知道它已漫游，故發(fā)給它的IP包仍然送至其家域網(wǎng)。如上所述，MT的HA將把這些IP包接收下來并重新打包后發(fā)送到MT的FA。所謂MT的隧道，是指傳送這些重新打包后的IP包由HA至FA的通道。在隧道的發(fā)送端，HA依據(jù)隧道協(xié)議把需傳送的IP包重新裝包，在接收端FA完成拆包。

　　(4)登錄:當MT獲得轉(zhuǎn)交地址后，通知其HA并設(shè)置好其隧道的過程稱作登錄。在登錄過程中，由MT向其HA發(fā)出登錄請求報文，HA修改MT的位置信息并設(shè)置好隧道后，向MT返回登錄應(yīng)答報文。

　　假定MT1已從子網(wǎng)1漫游到子網(wǎng)2(參見圖2)，固定主機訪問MT1的過程是：固定主機首先將IP分組送到子網(wǎng)1的無線接入服務(wù)器A，該服務(wù)器根據(jù)MT1當前的物理位置，通過無線接入服務(wù)器A到無線接入服務(wù)器B之間建立的隧道，將分組送到無線接入服務(wù)器B，無線接入服務(wù)器B再通過無線接入點C發(fā)給MT1。

　　寬帶無線IP實驗系統(tǒng)的協(xié)議棧如圖3所示。

圖3 寬帶無線IP實驗系統(tǒng)的協(xié)議棧

　　單小區(qū)下的實驗系統(tǒng)的性能描述如下：在無線接入點和移動終端運行Windows 98，利用LanEval測量的在不同幀長情況下的平均接收速率為5.49 Mbit/s(幀長1 528 byte)和4.60 Mbit/s(幀長1 024 byte)。在全自適應(yīng)速率情況下，傳輸距離可達53.55 m。移動主機通過AP直接向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，AP的平均轉(zhuǎn)發(fā)速率為5.02 Mbit/s(幀長1 528 byte);服務(wù)器直接通過AP向移動主機發(fā)送數(shù)據(jù)時,AP的平均轉(zhuǎn)發(fā)速率為3.92 Mbit/s(幀長1 528 byte)。實驗結(jié)果表明：寬帶無線IP實驗系統(tǒng)的傳輸性能達到了設(shè)計要求。

　　在多小區(qū)的情況下,在子網(wǎng)1和子網(wǎng)2的無線接入點A、B和C的覆蓋區(qū)有適當交疊的情況下，MT1和MT3均可往返于兩個子網(wǎng)中移動，實驗系統(tǒng)可連續(xù)地支持視頻點播(VOD)、FTP、WWW瀏覽等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)了移動IP的各項功能。

　　4 寬帶無線IP技術(shù)的應(yīng)用

　　Mobile IP是IETF提出的解決移動用戶試圖通過不同的WLAN接入Internet時有關(guān)路由問題的建議。

　　由于在開始時并不非凡關(guān)心計費問題，當WLAN大規(guī)模應(yīng)用時或蜂窩電話公司使用Mobile IP時，就需要對Mobile IP進行擴展，以便對移動節(jié)點進行身份認證、連接鑒權(quán)和能夠付費。目前在IETF內(nèi)考慮的方法是依靠可以完成AAA(Accounting, Authentication and Authorization)的服務(wù)器。其基本的框架如圖4所示。在該框架中包括家域的AAA服務(wù)器(AAAH)和當?shù)胤?wù)器(AAAF)。每一個AAAF治理若干個鑒權(quán)代理。鑒權(quán)代理將協(xié)助移動節(jié)點進行鑒權(quán)。

圖4 在家(Home)域和當?shù)?Foreign)域的AAA服務(wù)器

　　目前的一個應(yīng)用實例就是Nokia Mobile Phones提出的OWLAN(Operator WLAN)系統(tǒng)^[5]。該系統(tǒng)以WLAN作為接入手段，采用了GSM的用戶治理和計費機制。OWLAN答應(yīng)在不同運營商的接入網(wǎng)之間進行IP漫游。OWLAN方案適合于任何具有GSM SIM卡讀入器及具備相關(guān)定義WLAN信令模塊的WLAN終端設(shè)備。2001年7月已建立了第一個商用系統(tǒng)。OWLAN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要的設(shè)計難點是如何利用IP的協(xié)議框架將標準的GSM的用戶認證信令從WLAN終端設(shè)備傳到蜂窩系統(tǒng)。

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圖5 OWLAN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　5 結(jié)束語

　　寬帶無線IP技術(shù)主要研究如何通過簡單的高速無線接口接入高速Internet，并有效地支持移動IP技術(shù)和AAA服務(wù)。目前，以WLAN+Internet的平臺受到最廣泛的關(guān)注，并且已開始商用。中國信息產(chǎn)業(yè)部批準成立了“寬帶無線IP標準工作組”，負責組織中國寬帶無線IP技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域標準的制(修)訂工作。首批成員有8家單位。其主要的標準化領(lǐng)域包括：近距離寬帶無線IP接入、移動無線IP接入、IP的移動性、無線IP的安全性、TCP/IP無線傳輸、IP業(yè)務(wù)等。 寬帶無線IP技術(shù)是對以蜂窩移動通信為基礎(chǔ)的全IP技術(shù)的挑戰(zhàn)，具有廣闊的市場前景。

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