移动数据通信技术概述

张力军

　　（南京邮电学院 南京210003）

　　摘 要 本文简要介绍移动数据通信和移动数据网的一些基本概念、基本核心技术、业务和应用、移动互联网的形成和发展。

　　关键词 移动数据通信 移动数据网 移动数据业务 移动IP 服务质量 移动互联网

　　一、什么是移动数据通信

　　1. 移动通信网与移动数据网

　　近十多年来，我国移动通信快速发展，移动通信网已实现从模拟网向数字网的转换。移动通信网与固定通信网一样，不论从用户对业务的需求，还是从网络运营商提供的服务以及通信设备研发生产商来看，都可以分为三个层次：语音；数据；视频和多媒体。可以将后两个层次的业务通称为移动数据业务，例如，短消息，传真、电子邮件、文件、图像、浏览网页等。能为用户提供移动数据业务的移动通信网，又可称为移动数据网。也有专门提供移动数据业务而不提供语音业务的，称为专用移动数据网（或简称为移动数据网，或无线分组数据网）。随着技术的发展，语音和视频等实时业务将完全以分组数据的形式传送，那时，移动通信网也就完全变成了移动数据网。

　　2. 移动数据通信与无线数据通信

　　这两个术语的含义比较相近，但有一定的区别。它们共同点在于数据通信都是通过无线信道和网络进行的，而主要区别就在于“移动”与“无线”二词。“移动”一词表示通信终端的三种运动状态：归属区静止、运动和漫游（访问区静止），实际上“移动”主要是指“运动和漫游”这两种状态。因此，“移动数据通信”就是指终端在三种运动状态下都能进行数据通信。而“无线数据通信”一词主要含义是指在静止状态进行数据通信，但如果无线网络能提供漫游服务，那么这种情况下的“无线数据通信”也是“移动数据通信”。能提供无线数据通信最典型的例子是无线局域网（WLAN）。随着网络技术的发展以及移动、无线网络与互联网的逐步演进和相互融合，传统的无线数据网也能支持终端在运动状态下进行数据通信。那时，无线数据通信与移动数据通信也就没有什么区别了。目前，如果分析和讨论的问题不涉及终端是否在运动中，只要不影响问题的实质，人们也常将这两种术语混用。

　　二、移动通信网的组成

　　移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。

　　从传输技术来看，在核心网和骨干网中由于通信媒质是有线的，对信号传输的损伤相对较小，传输技术的难度相对较低。但在无线接入网中由于通信媒质是无线的，而且终端是移动的，这样的信道可称为移动（无线）信道，它具有多径衰落的特征，并且是开放的信道，容易受到外界干扰，这样的信道对信号传输的损伤是比较严重的，因此，信号在这样信道传输时可靠性较低。同时，无线信道的频率资源有限，因此有效地利用频率资源是非常重要的。也就是说，在无线接入网中，提高传输的可靠性和有效性的难度比较高。

　　从网络技术来看，交换技术包括电路交换和分组交换两种方式。目前移动通信网和移动数据网通常都有这两种交换方式。在核心网中，分组交换实质上是为分组选择路由，这是一种类似于移动IP选路机制（或称为路由技术），它是通过网络的移动性管理（MM）功能来实现的。

　　三、移动数据通信的发展

　　1. 概况

　　数字通信技术大大推动了移动数据通信技术的发展，它主要由两个特征来描述：数据速率（Data Rate）和移动性（Mobility）。移动数据速率正由窄带低速率（几kbps）向宽带高速率(几十Mbps以上)发展，移动性在静止、慢速、快速范围内。移动数据的业务将很快超过话音，并向移动多媒体通信发展。各种移动数据网和无线数据网都将成为互联网的无线扩展，形成全IP网络。各种移动和无线终端都可以在不同地点和各种运动状态下实现无线IP接入互联网，获得互联网的各种信息服务。

　　2. 移动数据网分类

　　按照覆盖范围可以分为两种：

　　a. 广域网：如基于各代（1G，2G，2.5G，3G）蜂窝网的移动数据网（如：AMPS/CDPD，GSM/GPRS WCDMA等），专用的公众移动分组数据网（Mobitex，Adis）。其主要特点是窄带低速、覆盖广、可快速运动。

　　b. 局域网：如WLAN，HIPELAN、WATM等。其主要特点是宽带高速率、覆盖窄、慢速运动，由室内向室外发展。

　　此外，数字集群系统（Tetra）和数字无绳电话系统（DECT、PHS）也可以提供移动数据业务。

　　3. 移动数据发展面临的挑战

　　a. 有限的频率资源与提高数据速率的矛盾，要求提高系统的有效性。

　　b. 开放式无线信道特性与传输的可靠性的矛盾，要求提高系统的可靠性。

　　c. 传统的IP网络选路与寻址方式与终端移动性的矛盾，要求解决移动性管理问题。移动IP是解决该问题的有效方案。

　　d. 实时业务（如话音、视频、多媒体）质量（QoS）要求与传统分组数据传输机制性能的矛盾。要求移动数据网引入新的机制，提高QoS保障能力。

　　e. 移动终端小型化、便携性要求（硬、软件资源有限）与功能多性能好要求的矛盾。当前利用无线应用协议（WAP）实现手机上网是解决该矛盾的一项新技术。

　　以上几方面（矛盾）构成了移动数据网基本的核心课题，其中a和b是网络空中接口要解决的基本核心课题，c和d是网络层要解决的基本核心课题，e是移动终端和应用要解决的基本核心课题。

　　四、移动数据网的基本核心技术

　　1. 空中接口的核心技术

　　空中接口主要涉及协议栈的物理层、MAC(媒质接入控制)层、数据链路层等。对移动无线网络来说，提高系统的可靠性和有效性关键在于物理层。随着移动通信技术的发展，物理层在多址、数字调制、功率控制、接收和检测等方面不断采用新的技术。在MAC层优化接入算法，提高接入效率。从而不断改善无线链路的性能。

　　2. 网络层的核心技术

　　在基于分组交换方式的移动数据网中，各种数据业务是以分组形式传送的，分组传送的基本要求一是选择正确的传送路径，二是按业务质量要求传送（如吞吐量、差错率、时延和时延抖动等）。这就构成了网络层的两个基本核心技术：选路（路由）技术和服务质量（QoS）。

　　（1）选路技术

　　各种移动数据网普遍采用类似于移动IP选路机制（或称为路由技术），它是通过网络的移动性管理（MM）功能来实现的。

　　移动IP是IETF提出的移动主机（MH）在互联网（IP网络）中的选路协议，该协议能对IP网络中的MH的动态路由进行管理。该协议是网络层的协议，与其底层的物理网络无关。移动IP采用代理技术和隧道技术来支持MH的移动性-即MH使用一个固定的IP地址在漫游过程中始终能保持它与网络中其他主机的IP路由不中断。

　　移动数据网中MM的选路机制虽类似于移动IP，但并不是同一个协议。因此，在移动网向全IP网络的发展演进过程中，MM的选路机制将逐步由移动IP来取代。

　　（2）服务质量（QoS）

　　移动数据网可以提供各种类型的业务，如语音、传真、短消息、文件、图像、视频、多媒体等。不同业务对质量（QoS）要求不同。评价QoS的主要指标有：吞吐量、差错率、传输时延、时延抖动等。不同业务的QoS指标是不同的。实时性强的业务（如语音、视频、多媒体业务）对各项指标要求都比较严（高吞吐量、低差错率、时延及其抖动小）。

　　QoS问题实质上是网络为业务提供资源保障的问题，这对基于电路交换的各种业务比较容易解决，但对基于分组交换的各种业务比较困难和复杂，尤其是无线链路的复杂性和移动终端的移动性给解决QoS问题增加了难度。在这种情况下，要由移动数据网的物理层、MAC层、链路层、IP层、TCP层和应用层共同来保障，各层要根据无线移动环境的特点和应用业务的要求采用相应的措施，进行优化、改进和适配。

　　五、移动数据业务和应用

　　1. 移动数据的业务
近些年来，移动通信迅猛发展，运营商把移动通信业务逐步从话音业务拓展到数据业务上来。移动数据业务是从短消息业务（SMS）发展起来的，很快形成一场短消息的热潮。

　　2.5G移动网和移动智能网技术的应用、移动互联网提供丰富多彩的内容以及灵活多样的商业模式，给移动数据业务的发展注入了强大的动力。移动数据网支持TCP/IP，因此目前种类丰富的互联网应用协议均可在此之上使用。随着WAP（无线应用协议）的采用，将会向用户提供更为丰富的增值业务，从而使得用户可以象固定用户一样方便地使用互联网上的各种服务，这将极大地促进移动数据业务的使用。

　　随着技术和市场的发展，运营商正在进一步提供多媒体消息业务（MMS）、视频电话、视频点播、无线高速上网以及其他移动数据业务。由此可见，运营商已经把目标从过去的单纯地提供语音业务迅速转变为提供以移动互联网为基础的数据业务。

　　在未来3G系统中，移动多媒体业务将占有重要地位。因此3G系统除传统电信业务外，还能有效地支持移动多媒体业务。多媒体业务在一个呼叫中集合了两种或两种以上的媒体组件，例如语音、数据、图像、影像。多媒体业务可以包括多个呼叫方和连接不同的呼叫方，可以提供不同的媒体组件，因此要求多媒体业务应该具有足够的灵活性，以便增加和删除多媒体组件和呼叫方。

　　下面简单介绍一下目前使用比较多的三种短消息业务：SMS（普通短消息业务）、EMS（增强型短消息业务）和MMS（多媒体短消息业务）。

　　SMS是最早使用的、目前普及率最高的一种短消息业务。目前SMS只是在手机内（或其他移动终端）输入一段文字（在140字节之内）后发送，由网络SMS中心储存转发给接收终端，使用简便，受到用户的欢迎，但在内容和应用方面受到限制较多。

　　EMS是SMS的增强版本，除了可以像SMS那样发送文本短信息之外，还可发简单的图像、声音和动画等信息，也可集成几种信息在EMS手机上显示。一条EMS短消息的容量可能是SMS的好几倍，因此对SMS和EMS采用不同的计费方式。

　　MMS最大的特色就是支持多媒体，对于信息内容的大小或复杂性几乎没有任何限制。MMS既可收发多媒体短消息，包括文本、声音、图像、视频等；还可以收发包含附件的邮件等。MMS支持手机贺卡、手机图片、手机屏保、手机地图、商业卡片、卡通、交互式视频等多媒体业务。因此，MMS使运营商可为用户提供多元化的移动数据服务，对用户很有吸引力。

　　2. 移动数据的应用

　　按应用领域主要有以下三种：

　　a. 社会应用领域：现场交易（销售、采购、股市、电子商务、电子银行）、公用事业（水、电、气）、公共服务（为公众提供信息服务）、交通娱乐服务业（班次、票务）、交通监控调度（车船队）、紧急公务（公安、消防、速递、救灾、急救）、现场工作人员（记者、医生、维护人员）、固定应用（POS机、无人售货机、水文气象遥测）等。

　　b. 私人应用领域：电子邮件、浏览web页、在线聊天、移动可视电话、视频新闻等。

　　c. 办公应用领域：移动办公室、现场电视会议等。

　　六、移动互联网

　　1. 移动互联网的形成

　　十多年来，互联网快速发展已遍及世界各个角落，互联网正在以强劲技术和市场动力发展成为世界公共统一的通信大平台。互联网不仅为人们提供丰富多彩的信息服务，而且将为人们提供电信级质量的语音、视频和多媒体通信服务。

　　与此同时，移动数据网也随着移动通信网快速发展。移动数据网有电路交换和分组交换两种交换方式，其核心网具有相应的外部接口分别与PSTN、ISDN、PDN和互联网相连，可以提供基于电路交换和分组交换的数据业务。同时，各种无线网络（如无线局域网WLAN和HIPERLAN, 无线个域网WPAN、无线Ad Hoc网络等）都采用IP技术与互联网相连。因此，各种类型的移动网和无线网成为互联网的无线扩展，或互联网的无线接入网，使得它们的各种移动和无线终端可以通过无线方式接入互联网，从而可以获得互联网的各种信息服务，并能在互联网平台上进行通信。这种扩展了的互联网称为移动互联网或无线互联网。

　　2. 移动互联网的发展

　　目前，人们根据移动网和无线网现状，一般认为“移动互联网”是指移动终端通过移动网接入互联网，支持终端的移动性（漫游和运动状态）；而“无线互联网”主要是指无线终端通过无线网接入互联网，不支持终端的移动性（实际上有的可支持漫游）。在实际应用中，前者主要是指手机可以在移动状态下接入互联网，后者主要是指笔记本和其他无线终端在静止状态下接入互联网。随着网络技术和建设以及终端技术的发展，上述两个术语在技术概念上的差异将会逐步缩小。有时，如果我们不关心网络是否支持终端的移动性，将两个术语混用也无妨。

　　在移动互联网中，移动网可看着固定互联网的无线扩展。这种“扩展”包含两层含义：形式上的扩展和内容上的扩展。前者是指移动网的网络结构和基础设施与固定互联网互联互通，互联网信息服务的范围扩展到移动网无线覆盖的区域；而后者是指固定互联网信息服务类型、内容和质量扩展到无线覆盖的区域。由于移动网是无线网络，与固定互联网相比是异质异构网络，网络技术发展具有渐进性和阶段性，因此，固定互联网的无线扩展（形式和内容两方面）也是逐步演进的，移动网的手机用户不可能很快得到与固定互联网完全相同类型、内容和质量的信息服务。

　　在现阶段的无线扩展中，移动网的三个组成部分都存在着技术上的障碍和限制：核心网的协议体系与互联网存在差异，无线接入网中无线链路速率的限制，移动终端资源和处理能力的限制。因此，我们必须在移动网和互联网之间引入一种“适配”机制，才能使手机可以获得互联网的信息服务。例如，WAP（无线应用协议）就是用来解决这个问题。WAP协议支持底层各种类型电路交换和分组交换的移动网和无线网，但网络须增加一个WAP网关，用来进行协议变换和面向手机的代码变换。这样人们使用WAP手机就可以获得互联网某种程度的信息服务。

　　随着核心网的技术发展和向全IP网络演进、无线通信技术的发展和无线链路速率的提高、采用新技术手机的功能增强并向电脑化发展，上述的障碍和限制将逐步缩小和消失，原有的适配功能将弱化或提出新的适配要求。手机通过移动互联网可以获得越来越多的固定互联网上丰富多彩的的信息服务，在信息服务的类型、内容和质量上逐步接近固定互联网。

　　近一年来，制造商陆续推出的功能强大的智能手机支持并可获得网络彩信（MMS）和视频流媒体服务，反映了移动互联网新的技术发展趋势。智能手机将使整个手机产业发生全新的变化，智能手机向电脑化方向发展的同时，将整合进PDA、数码相机、游戏机、MP3音乐播放机及其它消费类电子产品的功能。根据用户个性化需求，智能手机将向智能电脑手机、智能商务手机和智能娱乐手机三个主要方向发展。

　　张力军，南京邮电学院信息工程系教授，博士生导师，长期从事无线数据与移动计算网络研究。

----《中国数据通信》