4G無(wú)線個(gè)人通訊網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究
時(shí)間：
于純妍 劉亞清1由 分享
摘要下一代無(wú)線系統(tǒng)應(yīng)該提供給用戶更高的寬帶服務(wù)，并且透明地將技術(shù)集成到系統(tǒng)環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)位置無(wú)關(guān)性。這樣就需要整合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和不同協(xié)議。無(wú)線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（WPN）是這種異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分。在現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)條件下，這是集成現(xiàn)有無(wú)線系統(tǒng)的令人期望的解決方案。整合不同系統(tǒng)之間協(xié)議的關(guān)鍵是IP應(yīng)用?；谶@個(gè)角度，本文展望了實(shí)現(xiàn)一個(gè)適應(yīng)目前和未來(lái)個(gè)人無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)所面臨的困難和挑戰(zhàn)，并探討了可能的解決方案。
關(guān)鍵詞WPN，PCOL，WAF，Ad hoc
1 前言
隨著無(wú)線和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的重要性日益顯著。一個(gè)有發(fā)展?jié)摿Φ?G無(wú)線個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò)（WPN）的框架，應(yīng)該提供給用戶更高的帶寬服務(wù)；透明地將技術(shù)集成到系統(tǒng)環(huán)境中，從而實(shí)現(xiàn)位置的無(wú)關(guān)性； Internet技術(shù)和新WLAN可以很好地協(xié)同ぷ鰨?⑶以市砣嗣嗆臀揮謔瀾縟魏蔚胤降暮獻(xiàn)骰鋨榛蚋髦智度朧較低辰?型ㄐ藕徒換?。链撯?褂δ芄晃薹斕丶?梢帕糲低澈托孿低場(chǎng)１疚奶教至聳迪終庋?桓隹蚣芩?媼俚鬧饕??押吞粽劍?⑶姨致哿絲尚械慕餼齜槳浮?lt;/DIV>
2 WPN發(fā)展帶來(lái)的挑戰(zhàn)
WPN所面對(duì)的挑戰(zhàn)和其他網(wǎng)絡(luò)非常相似，即目前還很難適用于那些具有有限資源的小型移動(dòng)設(shè)備。這一點(diǎn)可以體現(xiàn)在以下這些特殊的需求上。
⑴ 比特率和設(shè)備容量的可擴(kuò)展性將是體系的一部分。實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)必須是異構(gòu)的而且支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信。
⑵ 為了支持不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信，面向無(wú)線節(jié)點(diǎn)的中間介質(zhì)間必須依靠從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信息。另外，除了MANET路由方案，還應(yīng)該有一種到基干網(wǎng)絡(luò)的透明連接機(jī)制。
⑶ 無(wú)線TCP是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，特別是關(guān)于MAC層和上層之間的通信上。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于不同類型的MAC層和物理層的共存，使得這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜化。
⑷ 另一個(gè)基本需求是安全和隱私問(wèn)題。作為一個(gè)必須具有的功能，在無(wú)線通信中更易遭受各種攻擊的情況下就變得更具挑戰(zhàn)性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)完成提供一個(gè)端到端的安全體系是很困難的；如果放到系統(tǒng)建成之后再去加強(qiáng)安全方面的功能也是非常困難，代價(jià)非常的昂貴。
⑸ 網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在以及個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)帶來(lái)了額外的復(fù)雜需求。這樣，不僅僅需提供應(yīng)用和服務(wù)，而且還應(yīng)該考慮用戶的喜好，注重個(gè)性化服務(wù)。
⑹ 還需要新的控制層來(lái)協(xié)助中間層通信，完成全局管理任務(wù)以及進(jìn)行一些不可避免地分層管理工作。歐洲的IST協(xié)作R&D項(xiàng)目――PACWOMAN[2]和6HOP[3]正在致力于解決所提到的難題。
3 可行解決方案
3.1可擴(kuò)展性
在IEEE802.15中，IEEE802.15.4a協(xié)議組正在設(shè)計(jì)低容量無(wú)線接口，也正在考慮支持超寬帶技術(shù)（Ultra- Wideband），但要保證其他的方案如混合OFDM也能良好運(yùn)行。為了支持LDR設(shè)備和其他設(shè)備的互相連接，除了物理層和鏈路層，還有另外一個(gè)重要的方面需要考慮。IP可以被用作一種“粘合”技術(shù)，但是LDR終端可能不具有這種功能，因?yàn)樗鼈兛赡懿皇峭耆獻(xiàn)P適應(yīng)的，所以應(yīng)該開(kāi)發(fā)其他的方式。一些 LDR設(shè)備是和輕量級(jí)的操作系統(tǒng)合為一體的，具有一個(gè)簡(jiǎn)化的IP棧。因此對(duì)于現(xiàn)實(shí)的組合網(wǎng)絡(luò)，完全I(xiàn)P適應(yīng)方式不是最合適的。相反，我們假設(shè)一個(gè)不同的策略，其中一簇LDR終端受一個(gè)功能比較強(qiáng)大的LDR終端控制，該LDR終端的特點(diǎn)是有一個(gè)雙協(xié)議棧，目的是允許LDR和外部設(shè)備通過(guò)傳統(tǒng)IP通信來(lái)相互連接。這種方式需要網(wǎng)絡(luò)中有許多這樣的LDR終端。
3.2增強(qiáng)Ad hoc路由
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)使得下一代WPN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的可能性大大增加。MANET項(xiàng)目組已經(jīng)走出了第一步，通過(guò)指定基礎(chǔ)協(xié)議來(lái)支持多跳網(wǎng)絡(luò)中的通信。但是在包含成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中迫切需要一種通用實(shí)現(xiàn)方式，而且具有很好的流動(dòng)性。需要理解ad hoc路由機(jī)制，例如，MIT已經(jīng)得出了一些有趣的調(diào)查結(jié)果，結(jié)果表明有時(shí)候“最短的路徑是不足夠的” [4]；跨層協(xié)議優(yōu)化需要有一個(gè)通用的框架，這個(gè)框架允許過(guò)過(guò)眾所周知的接口訪問(wèn)需要的信息。
3.3主干網(wǎng)絡(luò)的互相連接
下一代WPN需要全球范圍內(nèi)的無(wú)縫連接。用戶可以在任何時(shí)候任何地點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，還可以使用最適合的接口。傳統(tǒng)的概念上網(wǎng)關(guān)是提供連接到主干網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)接口，在WPN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)的概念應(yīng)該被拓寬，它應(yīng)具有單獨(dú)或者群集的WPN所固有的移動(dòng)性。IETF的NEMO工作組認(rèn)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有 Internet接入點(diǎn)的獨(dú)立單元[5]。也可以認(rèn)為它是一個(gè)葉子網(wǎng)絡(luò)，因此不會(huì)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)阻塞。不過(guò)，無(wú)論是使用多個(gè)移動(dòng)路由器還是使用具有多個(gè)接口的單個(gè)移動(dòng)路由器，都有可能是多地址的。將來(lái)的網(wǎng)關(guān)不僅具有提供和主干網(wǎng)絡(luò)連接的功能，而且還需要具有進(jìn)行用戶位置注冊(cè)和用戶位置發(fā)現(xiàn)的功能。未來(lái)WPN具備的另一個(gè)特征是，多地址和在多域環(huán)境中的移動(dòng)性。在不同作用域之間移動(dòng)時(shí)連接能夠保持而且連接路徑是最優(yōu)的，這將產(chǎn)生額外的需求如無(wú)線裝置資源管理和最優(yōu)連接線路切換。
3.5協(xié)議擴(kuò)展
WPN中有必要在無(wú)線連接包括遺留系統(tǒng)上提供最好的IP性能。但是在一些網(wǎng)絡(luò)路徑中由于鏈接的特點(diǎn)，TCP/IP的性能降低了。 PILCIETF工作組選擇提高性能的代理（PEP）來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)路徑中Internet協(xié)議的性能。不同類型的PEP，可以依據(jù)基本功能來(lái)區(qū)分。一些 PEP試圖通過(guò)修改協(xié)議本身來(lái)彌補(bǔ)性能。另一些采用對(duì)稱/不對(duì)稱的且對(duì)上層透明的擴(kuò)展方式，通常更有效率和更靈活。包含各種擴(kuò)展協(xié)議的通用框架提供了較高的靈活性，其適用于各種情況下的連接。然而這樣需要簡(jiǎn)化協(xié)調(diào)需求信息共享（跨層的通信和配置）的控制層。另外PEP通常在最后一跳使用，所以多跳通信的出現(xiàn)帶來(lái)了另外的要求，就是PEP能夠在多跳網(wǎng)絡(luò)中使用。
3.6位置發(fā)現(xiàn)和用戶喜好
未來(lái)的服務(wù)和應(yīng)用將根據(jù)用戶及環(huán)境來(lái)采取不同的行為，用戶的定位是基本功能。典型應(yīng)用的例子很多，如允許環(huán)境敏感型服務(wù)的建立；到達(dá)機(jī)場(chǎng)的時(shí)候，在PDA上獲取計(jì)劃表以及飛行時(shí)間表；在觀光時(shí)，獲得地點(diǎn)和紀(jì)念物的實(shí)時(shí)信息。如果用戶身邊有各種不同的設(shè)備，而且將計(jì)算任務(wù)分布到這些設(shè)備上執(zhí)行，為了使這種想法成為現(xiàn)實(shí)，未來(lái)的設(shè)備應(yīng)該能夠?yàn)閼?yīng)用提供一系列接口來(lái)很容易地獲取“周圍有什么”和“它可以做什么”等信息。另一方面是先進(jìn)的智能卡技術(shù)可以用來(lái)開(kāi)發(fā)控制板。新的無(wú)線個(gè)人用戶識(shí)別模塊
（WPSIM）可以通過(guò)智能卡提供通用的和個(gè)性化的用戶、訪問(wèn)、賬單、配置和安全等信息。
4體系結(jié)構(gòu)
有必要提供一個(gè)通用的平臺(tái)來(lái)保證信息在不同協(xié)議層和實(shí)體之間傳送。PACWOMAN已經(jīng)將這個(gè)平臺(tái)命名為PAN和CAN優(yōu)化層（PCOL）， 6HOP稱它為無(wú)線適應(yīng)框架（WAF）。PCOL是一種為PAN和CAN提出的特定解決方案，而WAF更適用于多跳環(huán)境的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。圖1中給出了PCOL和WAF的體系結(jié)構(gòu)。
5 測(cè)試及結(jié)果分析
本節(jié)描述一些基本的用于測(cè)試ad hoc路由和TCP/IP協(xié)議棧性能提高的方法。實(shí)驗(yàn)中使用3臺(tái)運(yùn)行l(wèi)inux的筆記本電腦，處理器為奔騰IV并帶有IEEE802.11b PCMCIA網(wǎng)卡。測(cè)試是在一個(gè)典型的辦公室環(huán)境中進(jìn)行的，重點(diǎn)給出了三個(gè)主要的用于進(jìn)行測(cè)試的位置（MT1、MT2、MT3）。
MANNET路由規(guī)范的主要缺點(diǎn)之一就是目前只用米/跳數(shù)來(lái)決定到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用的路由路徑。在一些情況下，無(wú)論是從能源消耗還是性能角度來(lái)看，其都不能達(dá)到最優(yōu)的方案或是較好的方案。如果實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用已有的“標(biāo)準(zhǔn)”MANET協(xié)議，如動(dòng)態(tài)資源路由（DSR）和ad hoc按需距離向量(AODV)路由協(xié)議，在MT1和MT3之間建立一個(gè)直接的路徑，因?yàn)樗鼈儽舜硕荚趯?duì)方的發(fā)射范圍之內(nèi)。第一部分的測(cè)試使用這種方式來(lái)完成，應(yīng)用UDP、TCP協(xié)議。表1總結(jié)了主要的測(cè)試結(jié)果，其中有三個(gè)不同的指標(biāo)（吞吐量；幀出錯(cuò)率FER和殘余MAC丟失，即通過(guò)IEEE802.11重復(fù)請(qǐng)求機(jī)制沒(méi)能重新獲得的包的數(shù)目）。
表1
如表1所見(jiàn)，根據(jù)吞吐量和丟失數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)量，目前的ad hoc路由協(xié)議的作用可能使得使用單跳路由成為IP協(xié)議棧的固有行為，這一點(diǎn)是不能接受的。另外結(jié)果表明信道具有很高的不穩(wěn)定性。
下面我們用另一種方式來(lái)評(píng)估提高目前ad hoc路由協(xié)議的適應(yīng)性。從這個(gè)角度，在MT1和MT3之間放置一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，因此有兩個(gè)理想信道而不是第一部分測(cè)量中的一個(gè)。我們做了10次不同的測(cè)試，并且和之前的結(jié)果做了比較，它們有著較高的穩(wěn)定性，UDP的吞吐量固定在3Ms左右，TCP的吞吐量固定在2.5Ms左右，如表2所示。另外，數(shù)據(jù)包丟失可以忽略不計(jì)，而且增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，這在基于UDP的應(yīng)用中是一個(gè)至關(guān)重要的因素；而在使用TCP協(xié)議的情況下，由于在傳輸層采用了錯(cuò)誤和阻塞控制機(jī)制，很好地處理了有限的包丟失的情況（通常情況下每次通信不會(huì)超過(guò)一個(gè)段），從而使性能提高了很多。這個(gè)方案不僅從性能的角度，而且從能源的角度都是有益的，因?yàn)樵谶@種情況下傳輸器在任何時(shí)候都不需要執(zhí)行MAC重發(fā)。這也是比其他傳統(tǒng)擴(kuò)展方案的一個(gè)優(yōu)勢(shì)所在。
表2
6 結(jié)論
新的4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是以用戶為中心，異構(gòu)的、自動(dòng)配置和自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到這些目標(biāo)，需要對(duì)協(xié)議棧的不同層以及WPN體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行大量的研究。通過(guò)對(duì)目前工作的研究，本文得出的主要結(jié)論是對(duì)于重組和重新配置的可能性不斷增長(zhǎng)的需求，使得需要解決可伸縮性、ad hoc路由性能提高、體系間通信、IP協(xié)議棧擴(kuò)展以及安全性、位置透明性和用戶體驗(yàn)等所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。另外，需要定義控制板、接口以及體系結(jié)構(gòu)的概念。
影響WPN發(fā)展的關(guān)鍵因素是通用的無(wú)線接口技術(shù)，高復(fù)雜度、單純ad hoc路由協(xié)議的不完善以及安全性問(wèn)題。多跳網(wǎng)絡(luò)中的TCP協(xié)議的低性能以及吞吐量的不穩(wěn)定性也是所關(guān)心的問(wèn)題。這些課題必須在未來(lái)的研究中解決。IST項(xiàng)目只是局部解決方案的第一步，要使WPN得到普遍應(yīng)用，還有許多課題需要研究解決。
參考文獻(xiàn)：
[1] Mobile Ad hoc Networks. http://www.ietf.org/html.charters/Ad hoc network-charter.html. May, 2000
[2] Power Aware Communications for Wireless OptiMised personal Area Network, PACWOMAN (IST-2001-34157); http://www.imec.be/pacwoman
[3] Protocols for Heterogeneous Multi-Hop Wireless IPv6 Networks, 6HOP (IST-2001-37385); http://www.cwc. oulu.fi/projects/6hop/
[4] D. S. J. De Couto et al., “Performance of Multihop Wireless Networks: Shortest Path is Not Enough,” Proc. 1st Wksp.Hot Topic in Networks, Princeton, NJ, Oct. 2002.
[5] IETF, Network Mobility (NEMO); http://www.ietf.org/ html.charters/nemo-charter.html).
[6] J. Border et al., “Performance Enhancing Proxies Intended to Mitigate Link-Related Degradations,” RFC 3135, June 2001.
[7] D.C. Feldmeier et al., “Protocol Boosters,” IEEE JSAC, vol. 16, no. 3, Apr. 1998, pp. 437–44.
[8]米志超，鄭少仁. 無(wú)線戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)控制器通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000年第1卷第6期
[9] 李云 陳前斌 隆克平 吳詩(shī)其 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中TCP穩(wěn)定性的分析與改進(jìn)，軟件學(xué)報(bào) ，Vol.14.No.6