未来无线移动互联网技术的发展探讨
2007-07-28   重庆邮电学院 通信工程系

一、 引言
近年来，移动通信与互联网是通信业发展潜力最大的2个领域。在逻辑上，下一步需要对这两种技术进行结合，使信息的接入既不受信息源的限制，又不受接入者的位置限制，在此思想下诞生了无线移动互联网。它的出现使得人们的日常工作与生活产生了巨大的变革，从此便可以在移动中从Internet上获取丰富多彩的多媒体信息。但最初为互联网设计的Internet协议针对的是有线网络，由于无线链路本身所具有的波动性、不确定性等固有缺点，这些协议在无线链路上传送时性能将会大大降低，因而如何提高移动互联网的性能以及如何发展无线移动互联网成了一个值得研究的课题。本文从物理层、数据链路层和网络层等3个方面入手，就技术的角度对此问题作了较为深入的分析与探讨。?
二、物理层技术的分析与探讨
在物理层上，面临的主要问题是如何克服无线信道的时间弥散和频率弥散，提高无线信道传输的速率与质量。由于无线信道存在的多径等效应，数字信号在无线信道上传输时会产生一定的时延，造成接收信号中前后码元的重叠，即所谓的码间干扰（ISI），从而引起判决出错，严重影响了信号的传输质量。特别是在提高码元速率时，这种影响将会更大，因为码元的速度越高，码元周期就会越短，时延扩展会跨越更多的码元，更容易造成码间的干扰。另一方面，码元速率提高后，信号的带宽会变宽，当信号带宽接近或大于信道的相关带宽时，信道的时间弥散就将对接收信号造成频率选择性衰落。所以说时间弥散是无线信道传输速率受限的一个主要原因。虽然目前的单载波调制解调系统中使用的均衡技术，可以在一定程度上减轻时间弥散问题，但是以增加噪声为代价的。而且，单载波系统中较短的信元周期，也严重影响了系统对噪声和衰落的抵抗性。
随着无线移动互联网中各种多媒体业务，特别是实时性业务的出现，接入和数据传输的速率都需要有较大的提高。鉴于目前单载波调制解调技术的不足，在无线移动互联网今后的发展中，物理层上需要采用新的调制解调技术。由前面的分析可知，这种调制解调技术既要有较高的信元传输速率，又要有较长的码元周期（减轻ISI），于是产生了这样一个想法：将所要传输的数据流分解成若干个子数据流，用这些子数据流去并行调制若干个载波，然后合成输出，这样一来每个子数据流就可以具有低得多的传输比特速率，减小了前后码元的重叠机会和信号的传输带宽，从而降低了ISI和频率选择性衰落，而总的传输速率并不会降低，相反如果适当提高子数据流的传输速率，还可以提高整个数据流的传输速率，整个过程相当于是对速率的一次“分集”过程，这种想法即我们所说的多载波调制（MCM）技术。MCM可以通过多种技术途径来实现，其中正交频分复用（OFDM）是目前研究的热点。在多载波调制的思想下OFDM将串行的数据流转换成速率较低的若干个支路，再各自调制到相互正交的子载波上，最后合成输出。由于子载波之间是相互正交的，允许子载波间频谱的重叠，相比传统单载波系统中整个频带被划分为N个互不混叠的子信道而言，MCM可以大大提高频谱的利用率。而且，OFDM弃用了传统的用带通滤波器来分隔子载波频谱的方式，改用跳频方式来选用那些即便频谱混叠也能够保持正交的波形，既可以被看作是一种调制技术，也可以被看成是一种复用技术，增强了抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。还有，OFDM系统中的各个载波可以根据频谱利用率和误码率的最佳平衡为原则给子载波选择不同的调制方式，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。但OFDM也有不足之处，最主要的是对载频的偏置非常敏感^［１］，原因是在频率选择性深衰落情况下，OFDM系统在相应子载波上的数据可能会遭到破坏。为此，我们将OFDM与直接序列扩频相结合，使信号可以在多个载波上进行扩展，这样一来便可以利用未被破坏的子载波上的信息恢复出原始数据，实现对频率的分集。另外，随着CDMA技术的不断发展，OFDM和CDMA的融合将越来越受到人们的重视，可以出现多种新的多址方案，如Linnartz提出的MC-CDMA^［２］；V.Dasilva和E.S.Sousa提出的DS-CDMA（MC-DS-CDMA）^［３］和L.Vandendorpe提出的多音CDMA（MT-CDMA）^［４］等。正是由于OFDM技术具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点，将迅速成为无线移动互联网发展中一项关键的物理层技术。
三、数据链路层技术的分析与探讨
由于无线链路中存在的多种效应，如多径效应、多普勒效应等，无线链路的特性更为复杂，误码率更高，带宽容量更低。因此Internet协议在无线链路上传送时性能将会大幅度地下降，其中影响最大的要属误帧率了，如在WLAN中，相距约25 m传输1 400字节的UDP分组时平均误帧率就达到了1.55%。蜂窝系统情况更糟，通常还要低一个数量级。尽管采用降低链路帧长度的方法可以适当降低误帧率，但代价是增加链路帧的头部开销，降低了链路的使用效率。这样一来，原先为有线链路设计的协议将不完全适合于无线链路的应用需求，如LAN中使用的是带冲突检测的载波侦听多址接入CSMA/CD协议，而在WLAN中使用了带冲突避免的CSMA/CA协议。这是因为在有线环境中，冲突检测快，在无线环境中，冲突检测则要浪费大量的带宽，在设计时应尽量给予避免。
由于有线Internet协议与无线链路的应用需要并不完全匹配，需要对相应的协议进行适当的修改，以满足应用的需求。目前主要有2种修改方法，一种是修改高层协议，从修改Internet协议入手，一种是修改低层协议，从修改数据链路层入手。尽管这些修改在某种程度上起到了一定的效果，但仍存在着诸多不足，如通过低层方式进行错误恢复时存在着反向恢复慢的问题，无法实现位置的独立性，在传输的位置与方向上存在着约束；而且，单一业务链路层也不能为不同业务提供不同的服务质量（QoS），会出现将高级别QoS所需的开销加到不需要此服务应用的情况，造成资源的利用率的下降，如基于TCP的应用对时延并不敏感，但对数据丢失非常敏感，需要全面错误恢复机制对数据丢失进行恢复，而基于实时UDP业务对时延敏感，对数据丢失却并不十分敏感，因而只需要部分错误恢复即可；还有，目前的链路层在通过现有方法改动后仍无法实现对多业务的支持，随着Internet提供业务的增多，单一业务链路层的这种局限性将会越发明显；另外，随着今后不可预见的需求逐渐增多，单一业务链路层的可扩展性也有待于提高。
既然利用现有方法提高无线链路Internet性能还存在着许多不足，就需要有新的方法来解决，研究表明通过链路层方案提高无线Internet性能是可行的^［５］。从前面的分析可以看出，这种新的链路层方法应具备位置独立性、分层机制、易于配置、资源利用率高、多业务支持、可扩展性好等特征，为此，我们可以通过多业务链路层方案来实现。图1是多业务链路层结构示意图，其中分组分类器的作用是检查每个分组的头域，通过设置的Hashing函数将其映射到查询表的入口，再根据表中的设置将分组匹配到相应的业务模块中进行处理；业务模块是用来提供具体业务的，在概念上讲是一个单独实体，功能上等同于单业务链路层；分组调度器的任务是根据高层对业务速率的设置将无线链路的带宽合理分配给每个业务，在这里业务速率信息的取得主要有两种方式：直接设置或间接设置，直接设置意为高层知道链路层存在多种业务，直接为调度器设置业务速率（此时不需要分类器的测量），间接设置意为数据分类器定期测量每种业务通过的总数据分组大小，经计算得出高层分配给每个业务的带宽共享情况。

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在无线移动互联网中运用多业务链路层方案，关键是要实现其与现有Internet的兼容，从以上分析可以看出，多业务链路层的关键就是实现数据分组到链路可用业务模块的映射，但由于IP没有提供在链路层管理多业务的能力，多业务链路层应能完成这种映射。在映射过程中，能够获取的唯一信息就是Internet数据包，我们可以让数据分类器将接收到的Internet数据包按照IP、TCP及UDP的头域进行识别并把它们匹配到不同的业务模块中，不匹配的分组将被映射到缺省业务模块，直接送至现有链路层。被匹配到不同业务模块的分组，将根据数据调度器中速率表的分配共享链路带宽。这样一来各种业务就可以根据自身的需求获得不同的带宽，充分利用无线带宽，从而提高了无线链路的资源利用率。也正是因为在提高无线Internet性能上的这些优点，多业务链路层将在无线移动互联网的发展中越发受到重视。
四、网络层技术的分析与探讨
在网络层上，目前迫切需要解决的是IP地址空间的扩展和IP地址的移动性问题。我们知道，IPv4只有32 bit地址长度，它所能提供的地址总数大约只有42亿个，目前大约只剩下27%的容量，估计到2006年就会被分配完。为了缓解这种压力，目前也采用了一些解决的临时措施，其中较具有代表性的有CIDR（无分类域间选路）和“专用地址+网络地址解析（NAT）”等，CIDR的主要思想是采用几个连续的C类地址（即相同的前缀）取代一个单独的B类地址，以解决B类地址的匮乏问题，此方法也被称为“路由表聚类”。地址转换(NAT)技术的思路是在网络内部使用私有地址，在接入互联网时转换为公有地址，以达到扩展地址空间的目的。但这些方案最大的不足是可扩展性不强，只能作为一种短期解决方案，IPv4地址向IPv6地址的过渡将是无线移动互联网发展中一个必然的趋势。IPv6采用了128 bit的地址空间，理论上其巨大的地址空间（2¹²⁸，约3.4×10³⁸个）可以给地球上的每一滴水和每一颗沙粒分配一个IP地址，因而在扩展到IPv6后，IP地址空间不足问题便可迎刃而解。IPv6的出现虽然解决了IP地址空间不足问题，但同时又对路由器提出了新的挑战，因为目前路由器在容量上已出现了瓶颈，其有限的处理能力很难再处理128　bit的地址空间。鉴于此，在组网时作者建议采用IPv4和IPv6混合组网的方式，即在接入网上使用IPv6地址，在骨干网上仍使用IPv4地址。但利用这种方式进行组网时IPv4和IPv6网络间的互通问题又被提了出来，为此我们给出以下解决方案：（1）双协议DSTM，根据网络资源情况，让移动终端同时具有IPv4和IPv6双协议栈；（2）6 to 4，核心网用IPv4而边缘网用IPv6，中间用网关进行转换；（3）6 in 4，将多个到达同一核心网出口的IPv6数据包封装在IPv4数据包中以隧道方式发送。图2是此方法的示意图。?

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考虑到无线移动互联网环境，在解决了地址空间问题后，接下来要解决的便是实现IP地址的移动性难题。目前，由于IP地址与连接到Internet的接入点唯一识别，当移动节点从一个子网移动到另一个子网时，发送给它的数据包将会被传送到原来的子网，而不是现在的子网，移动节点将接收不到此数据包，以致于通信不能正常进行，因此需要一种移动IPv6方案以来确保移动节点可以以一个永久的IPv6地址进行通信。目前主要有2种新型的IPv6移动协议，一个是IETF在1996年10月发布的支持主机移动的Mobile IPv6（MIPv6）协议^［６］，另一个是IETF第49届会议上，Fumio Teraoka等日本学者提出的LIN6^{［７，８］}。两者在设计原理上有很大不同，MIPv6沿用了IP协议原有的标识节点方式，在移动节点的本地网络上设置本地代理（HA）服务器完成移动节点的IP数据报转发工作，其解决移动IP问题的基本思想与处理蜂窝移动电话呼叫有点相似，即使用漫游、位置登记、隧道、鉴权等技术，使移动节点能够使用固定IP地址，一次登录即可实现任意位置上保持与IP主机的单一链路连接，保证通信的持续进行。LIN6中为了更方便地标识移动节点，引入了与传统Internet不同的终端识别方式：位置无关的节点识别号，采用节点识别号作为标识节点的方式，通过设立的映射代理来保存移动节点的当前位置信息，其基本思想是采用节点标识号和节点位置信息相分离的方法，用位置无关的节点识别号统一标识各个节点，在进行每次通信前，通过查询映射代理来获取移动节点的当前位置信息。两者在解决IP移动性问题时各有优缺点，相比LIN6，MIPv6的优点在于：MIPv6更能适应原来的IPv6网络协议，其在支持节点的移动性上只是在本地链路中引入了本地代理，且充分利用了IPv6的扩展头域来实现对移动性的支持，因此更有利于在IPv6网络的逐步引入与实现；如前所述，MIPv6沿用了IPv6标识节点的方式，标识节点空间的地址长度为128　bit，而128　bit的LIN6通用识别号中，前64　bit为LIN6固定前缀，后64　bit为LIN6节点识别号（如图3），为区分LIN6地址和IPv6地址，64　bit的LIN6节点识别号中高24　bit为固定值，实际上只有40　bit的地址长度，因此MIPv6中可用的地址空间要远远大于LIN6。?

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LIN6的优点主要在于：LIN6不需要采用IPv6的扩展头域就可以很好地实现对移动性的支持，节省了IP数据报的头开销；LIN6中用于管理节点识别号与AGUA网络前缀之间映射关系的映射代理（MA）可以在备份后放置于网络的任何地方，因而不存在MIPv6中的单点故障问题，可靠性大大提高；LIN6节点在通信时首先通过查询DNS获取LIN6节点的映射代理地址，然后通过查询映射代理来直接获取节点当前的网络前缀信息，避免了MIPv6在通信建立初期存在的三角路由问题；与MIPv6中通过本地代理解析转发方式不同，LIN6中采用了端到端的通信模型，且未使用隧道（Tunnel）技术，大大节省了网络的资源。
无论哪种方式，主要目的是解决IP地址的移动性问题，这一点也是无线移动互联网发展中所期望的，因此移动IPv6技术将成为无线移动互联网发展中网络层关键技术之一。?
五、结语
无线移动互联网有其广阔的发展空间，采用何种技术与方式进行发展是目前人们正在研究的一项重要课题，对其技术的探讨也较多，如智能天线技术、软件无线电技术、时域技术、下行高速包交换数据传输技术、联合检测技术、多入多出天线（MIMO）技术、自适应物理层技术、多层自适应技术、Ad Hoc技术等。当然影响无线移动互联网发展的因素很多，除技术因素外，还有应用和需求的一面，要能够推出各种体现自身特点的杀手性应用（Killer Application）。本文主要从技术的角度对未来无线移动互联网的发展进行了分析与探讨：物理层上，可以通过OFDM、OFDM?+技来提高调制解调的速度与性能，以达到提高无线信道性能的目的；数据链路层上，可以通过多业务方案来克服目前单一业务链路层的弊端，以提高无线链路的Internet性能；网络层上，IPv4向IPv6网络的过渡是必须的，但在过渡过程中可能会受到现有路由器处理能力的制约，因而在组网方式上建议采用IPv4和IPv6混合组网模式。在IP移动性方面，MIPv6和LIN6两种方案各有优缺点，其中MIPv6是目前的研究热点，而LIN6依其所具有的高可靠性也可以在一些对可靠性要求较高的通信系统如军事通信系统中找到自己的应用空间。