移动多媒体业务中的无线ATM网络

黑龙江省网通公司互联网事业部 李研

　　在有线通信领域，由于服务质量的悬殊差别，传统的语音和数据通信渐渐面临被多媒体通信全面替代的威胁。随着视频编码技术和光纤网络传输能力的不断提高，多媒体的网络传输已逐渐成为现实。加之Internet和Intranet的成功运作，多媒体业务已逐渐成为当前业务的重要组成部分并有望在不久的将来成为主要的业务类型。现在，初具规模的电子商务、网上公共社区服务、视频点播、网上医疗、远程教育、分布式制造业等多媒体通信业务正不断推动社会的制造业、商业、教育、医疗等行业的全面进步。可以说，在有线领域，多媒体时代已经开始到来。

　　在无线通信领域，自70年代贝尔实验室推出第一个模拟蜂窝无线系统AMPS以来，无线通信随着自身技术的改进，其市场份额也逐渐庞大。特别是80年代末第二代无线通信网(数字蜂窝网)的出现，将无线通信市场推向空前繁荣，例如中国，预计移动通信服务的用户数量将以41%的速度从2000年底的8500万人增长到2001年底的1亿2000万人，至2007年移动电话的用户数量将达到3亿3400万人。无线通信的支持的业务种类也由单一的语音业务扩充为速率不断提高的数据业务。当前无线通信的一个重要使命就是如何将有线通信中倍受大众欢迎的多媒体业务延拓到无线领域[1]。无线ATM网络技术提供了一种比较现实的解决方案。

　　宽带无线ATM接入网的主要目标是使无线终端在一定QoS（服务质量）保证下具有高速数据和多媒体业务传输的能力（数据率一般超过2Mbit/s），同时具有速度受限的移动通信能力。除了商业利益的驱动以外，接入网的发展有着三个方面的技术基础。首先，随着研究开发的不断深入，宽带的有线骨干网技术尤其是ATM技术日臻完善，已开始走向商用，这为无线终端开发宽带高速业务提供了参考和依据[2]。其次，移动通信以及个人通信近年未得到了飞速发展，它在无线网结构、移动性支持、多址方式、无线传输等方面为宽带无线接入网的研究奠定了基础。第三，小型、可靠、高性能的便携式PC、个人数字助理（PDA），个人信息助理（PIA）的出现为移动多媒体通信的实现提供了可能的通信终端。

　　基于无线ATM接入网的移动多媒体通信系统应该具有下述特征：

　　·为方便互联，无线ATM信元与传统ATM信元具有简单映射关系；

　　·传输速率应至少在2Mbit／s～156Mbit／s；

　　·采用透明的传输通信协议；

　　·用户可以无线移动方式接入宽带综合业务数字网（B-ISDN）；

　　·用户之间通信可以采用直接方式，也可采用通过基站转接方式；

　　·提供多媒体电信业务；

　　目前，以宽带移动通信业务为目的的第三代移动通信系统技术标准研究已正在讨论，如欧洲ETSI提出的通用移动电话系统（UMTS）、ITU-R和ITU-T提出的未来公众陆地移动电话系统（FPLMTS）、ITU－T提出的国际移动电话系统（IMT－2000）。目前，这些移动通信系统的最高传输速率约为2Mbit／s，而采用ATM的光纤通信网的传输速率已达100Mbit／s以上。早期研究者曾设想用WATM技术单独组网，但该思想无论是从技术上还是实现规模上均被证明是得不偿失的。由于ATM技术已全面应用于固定网中的骨干网（光纤通信网），WATM技术在已有光纤通信系统的无线延拓中将大有用武之地。无线ATM是在以ATM为基础的通信网上增加无线寻址接入来支持移动管理功能和ATM高速传输能力。无线ATM作为解决移动多媒体业务的一种方案已引起国内外学者的关注。本文主要介绍移动多媒体通信中无线ATM接入的基本概念和结构，包括无线ATM概念、无线ATM网络、协议、信元和传输结构。重点讨论陆地移动环境下无线ATM接入控制技术和差错控制技术。

　　一、无线ATM网络通用功能模型

　　无线ATM接入系统的一个实例，移动多媒体业务无线接入ATM骨干网由两个阶段完成，首先移动用户通过无线ATM网络接口单元（NIU）实现业务信元数据的无线接入基站，然后基站则通过ATM网络接口单元（NIU）实现业务信元数据移动接入骨干网。

　　无线ATM接入系统网络功能示意图，无线ATM接入网络在设计过程中，针对移动特性对常规ATM技术作以下考虑：

　　1.无线资源极其匮乏，设计协议时应注意提高资源利用率；

　　2.无线通信环境恶劣，误码率高且具时变性，应自适应地采取不同编码策略降低误码率以达到不同业务要求；

　　3.用户移动引起的位置管理和越区切换等问题；

　　4.缺乏快速碰撞检测方法导致的接入控制难题等等。

　　事实上，无线ATM接入技术也有相对常规ATM简单之处。由于无线ATM仅作为接入技术，且接入点往往是整个网络的瓶颈，我们在设计大多网络控制功能的时候，仅需考虑无线接入点的情况，这大大降低了无线ATM中网络设计的复杂度[3]。

　　不同部件分别给出协议栈。这也是当前各类无线ATM接入系统普遍接受的协议模型，是各系统的设计基础。

　　为提高无线资源的利用率，不同用户的多个业务需共享无线资源，媒体访问控制层（MediaAccessControl,MAC）的引入即为实现该功能。它完成了无线资源的划分和不同业务对划分后的资源块的访问。数据链路控制（Data Link Control, DLC）则用来克服无线信道的高误码率和时变性。基站中的无线资源管理器（Radio Resource Manager, RRM）负责完成无线用户的接纳控制（Connection Admission Control, CAC）、无线资源分配和调度（Resource Allocation and Scheduling, RAS）、移动管理管理（Mobility Management Control, MMC）等功能，移动用户和移动交换机中的控制功能（Control Functions, CF）将配合RRM实现以上接入功能。另外，图3中无线物理层（Radio PHY）为当前成熟的各类无线传输技术或将来WATM专用的宽带无线链路。PHY、ATM和AAL等层实现的功能和常规ATM网络一致或稍加改变。如无线部分ATM层信元格式针对高误码率和低速业务时延作的调整和AAL中信令部分针对移动所作的改进。

　　以上接入分层模型是当前无线ATM研究机构公认的WATM接入系统的体系结构。在具体实现上述协议模型时，国际上各无线ATM研究小组提出了各式各样的接入方案，如日本NEC开发的WATMnet，NTT的AWA，英国Cambridge-Olivetti的无线ATMLAN，欧洲ACTS计划中的MagicWAND，美国Bell实验室的BAHAMA，Columbia大学和IBM的基于蜂窝的无线ATM接入系统，加拿大Carleton大学的WATMLAN等等。虽然各方案的指导思想相类似，由于它们采用了不同的无线物理层实现方式，而相应的MAC层协议一般都是针对自己的PHY专门设计的，因此MAC层和高层的CAC和RAS的设计往往差别很大，很难以一方案为基础，集成其它方案的长处。分析上述现象产生原因，主要因为图3中协议模型不容易给出WATM接入系统具体的接入过程，如能将WATM接入过程阐明清楚，并按功能进行适当的划分，当前WATM各方案的优点便能很好的集成起来。

　　文献[4]提出一种新的通用功能模型，将WATM网络按功能分为三大部分：广义无线传输模块、接入控制功能模块和移动管理功能模块。广义无线传输模块实现包括RadioPHY的全部和RadioMAC、RadioDLC的大部分功能。它能在基站和任一移动用户间提供一些指定要求的无线资源块。接入控制功能模块实现接纳控制（ CAC）和无线资源分配和调度（RAS）等功能。移动管理功能模块实现越区切换（handoff control）、位置管理（location management）、用户鉴权（authentication）和切换引起的路由和业务质量控制（routing and QoS control）等等。这些功能大多由移动用户和移动交换机的控制功能（CF）实现，其中涉及资源部分需要RRM的参与。

　　二、WATM网络接入控制

　　理想的资源调度和相应的接纳控制策略是接入系统实现无线ATM网络高资源利用率和高业务质量QoS的重要保证。关于WATM网络接入控制功能文献上各系统实现方法不一，其主要原因是各系统的无线物理层设计不同，基于特定物理层设计的接入控制功能也是多种多样。为对WATM中的接入控制功能有个全面的了解并开展研究，在逻辑上抽象出WATM的通用的接入控制过程。

　　由于广义无线传输能给高层提供指定要求（包括传输速率、误码率、延时以及资源块占用时间）的共享无线资源块，我们可以将接入控制过程抽象成基站通过一定的上、下行控制信道（ControlChannel）完成接纳控制功能和共享无线资源块的实时分配和调度。移动用户从下行的公用（Common）控制信道（广播信道BroadcastChannel,BCH、寻呼信道PCH等）获得相关信息，通过竞争的上行公用控制信道（随机接入信道Random Access Channel, RACH ）将连接请求通知基站，基站根据当前实际可用资源和资源使用情况进行接纳控制。如果允许接入，用户和基站间将建立专用信道连接（可能包括专用控制信道和业务信道）。如连接成功建立，用户将业务的实际资源需求情况通过上行资源申请信道（ReqCH）通知基站，基站根据一定的调度法则进行资源分配，并将分配结果通过下行传输允许信道（PermCH）通知用户，用户按此结果进行业务成形和传输。 ReqCH和PermCH 可由公共控制信道（CCCH）实现，也可在每个用户和基站间建立各用户专用（Dedicated）的上下行控制信道专门帮助实现资源分配，还能由公共控制信道和专用控制信道联合完成。专用控制信道（DCCH）实现ReqCH和PermCH的情况。每次资源分配的结果实际上是分配给各个业务对应着某资源块的一定占用时间，工作频段，或码字（功率）。

　　三、WATM网络差错控制

　　无线ATM网络由于无线通信环境恶劣，误码率高且具时变性，需要系统能自适应地采取不同编码策略降低误码率和传输时延以达到不同业务质量QoS要求。

　　文献[5]中作者分析了数字移动信道特性，结合对已有差错控制技术的研究，提出一种新的差错控制方案。通过交织编码、多级别前向纠错、自动重传技术的有机结合，实现了混合多级差错控制。方案中的交织编码和多级别前向纠错技术有效克服了数字移动信道中多径衰落引发的突发错误；引入的训练序列及时跟踪信道参数变化，为确定相应级别纠错编码提供判断依据。该方案能够一定程度上克服长期衰落和多径衰落的影响，降低信元差错率，提高无线ATM网络在移动通信中的应用性；同时针对各类型业务对服务质量的不同理解，本方案能够对传输时延、信元差错率等参数进行统筹调整，拓宽了网络的业务适用性。

　　模型中采用了多级FEC前向差错控制，其无线ATM信元结构中引入了针对信头的FEC1和针对净荷的FEC2码，由于信头中装载本信元的特征信息，往往FEC1编码具有强纠错能力，而FEC2则根据实际业务类型采取合适的冗余编码，能有效的降低信元丢失率，提高服务质量。

　　本文主要讨论实现移动多媒体业务中的无线ATM网络接入的概念和结构，重点介绍了无线ATM网络中的接入控制技术和差错控制技术，初步归纳出以下结论：

　　（1）无线ATM是传统ATM网络的无线延拓，面向移动多媒体业务；

　　（2）无线ATM的传输方案应重点考虑移动多媒体中的资源受限、信道恶劣等特点；

　　（3）无线ATM接入应具备下述特性：

　　·应用高频段频谱可提高高速传输能力；

　　·在通信期间会有移动有限性；

　　·双模接入能力适用于专用网和公众同．＿

　　（4）无线ATM传输结构和功能应简化级连缓冲器结构和QQS控制．

----《通信世界》