4G無線個人通訊網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究
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于純妍 劉亞清1由 分享
摘要下一代無線系統(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，從而實現(xiàn)位置無關(guān)性。這樣就需要整合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和不同協(xié)議。無線個人網(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)濟條件下，這是集成現(xiàn)有無線系統(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@個角度，本文展望了實現(xiàn)一個適應(yīng)目前和未來個人無線通信網(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
隨著無線和嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)的重要性日益顯著。一個有發(fā)展?jié)摿Φ?G無線個人通信網(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，從而實現(xiàn)位置的無關(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)展帶來的挑戰(zhàn)
WPN所面對的挑戰(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設(shè)備。這一點可以體現(xiàn)在以下這些特殊的需求上。
⑴ 比特率和設(shè)備容量的可擴展性將是體系的一部分。實際的網(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，面向無線節(jié)點的中間介質(zhì)間必須依靠從源節(jié)點到目的節(jié)點的信息。另外，除了MANET路由方案，還應(yīng)該有一種到基干網(wǎng)絡(luò)的透明連接機制。
⑶ 無線TCP是當(dāng)前的一個研究熱點，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，使得這個問題更加復(fù)雜化。
⑷ 另一個基本需求是安全和隱私問題。作為一個必須具有的功能，在無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)計時完成提供一個端到端的安全體系是很困難的；如果放到系統(tǒng)建成之后再去加強安全方面的功能也是非常困難，代價非常的昂貴。
⑸ 網(wǎng)絡(luò)無處不在以及個性化的發(fā)展趨勢帶來了額外的復(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，注重個性化服務(wù)。
⑹ 還需要新的控制層來協(xié)助中間層通信，完成全局管理任務(wù)以及進行一些不可避免地分層管理工作。歐洲的IST協(xié)作R&D項目――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可擴展性
在IEEE802.15中，IEEE802.15.4a協(xié)議組正在設(shè)計低容量無線接口，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，因為它們可能不是完全IP適應(yīng)的，所以應(yīng)該開發(fā)其他的方式。一些 LDR設(shè)備是和輕量級的操作系統(tǒng)合為一體的，具有一個簡化的IP棧。因此對于現(xiàn)實的組合網(wǎng)絡(luò)，完全IP適應(yīng)方式不是最合適的。相反，我們假設(shè)一個不同的策略，其中一簇LDR終端受一個功能比較強大的LDR終端控制，該LDR終端的特點是有一個雙協(xié)議棧，目的是允許LDR和外部設(shè)備通過傳統(tǒng)IP通信來相互連接。這種方式需要網(wǎng)絡(luò)中有許多這樣的LDR終端。
3.2增強Ad hoc路由
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)使得下一代WPN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的可能性大大增加。MANET項目組已經(jīng)走出了第一步，通過指定基礎(chǔ)協(xié)議來支持多跳網(wǎng)絡(luò)中的通信。但是在包含成百上千個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中迫切需要一種通用實現(xiàn)方式，而且具有很好的流動性。需要理解ad hoc路由機制，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)化需要有一個通用的框架，這個框架允許過過眾所周知的接口訪問需要的信息。
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)的無縫連接。用戶可以在任何時候任何地點接入網(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)具有單獨或者群集的WPN所固有的移動性。IETF的NEMO工作組認為移動網(wǎng)絡(luò)是一個具有 Internet接入點的獨立單元[5]。也可以認為它是一個葉子網(wǎng)絡(luò)，因此不會帶來網(wǎng)絡(luò)阻塞。不過，無論是使用多個移動路由器還是使用具有多個接口的單個移動路由器，都有可能是多地址的。將來的網(wǎng)關(guān)不僅具有提供和主干網(wǎng)絡(luò)連接的功能，而且還需要具有進行用戶位置注冊和用戶位置發(fā)現(xiàn)的功能。未來WPN具備的另一個特征是，多地址和在多域環(huán)境中的移動性。在不同作用域之間移動時連接能夠保持而且連接路徑是最優(yōu)的，這將產(chǎn)生額外的需求如無線裝置資源管理和最優(yōu)連接線路切換。
3.5協(xié)議擴展
WPN中有必要在無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，TCP/IP的性能降低了。 PILCIETF工作組選擇提高性能的代理（PEP）來提高網(wǎng)絡(luò)路徑中Internet協(xié)議的性能。不同類型的PEP，可以依據(jù)基本功能來區(qū)分。一些 PEP試圖通過修改協(xié)議本身來彌補性能。另一些采用對稱/不對稱的且對上層透明的擴展方式，通常更有效率和更靈活。包含各種擴展協(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
未來的服務(wù)和應(yīng)用將根據(jù)用戶及環(huán)境來采取不同的行為，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；到達機場的時候，在PDA上獲取計劃表以及飛行時間表；在觀光時，獲得地點和紀(jì)念物的實時信息。如果用戶身邊有各種不同的設(shè)備，而且將計算任務(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，未來的設(shè)備應(yīng)該能夠為應(yīng)用提供一系列接口來很容易地獲取“周圍有什么”和“它可以做什么”等信息。另一方面是先進的智能卡技術(shù)可以用來開發(fā)控制板。新的無線個人用戶識別模塊
（WPSIM）可以通過智能卡提供通用的和個性化的用戶、訪問、賬單、配置和安全等信息。
4體系結(jié)構(gòu)
有必要提供一個通用的平臺來保證信息在不同協(xié)議層和實體之間傳送。PACWOMAN已經(jīng)將這個平臺命名為PAN和CAN優(yōu)化層（PCOL）， 6HOP稱它為無線適應(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)境的無線網(wǎng)絡(luò)。圖1中給出了PCOL和WAF的體系結(jié)構(gòu)。
5 測試及結(jié)果分析
本節(jié)描述一些基本的用于測試ad hoc路由和TCP/IP協(xié)議棧性能提高的方法。實驗中使用3臺運行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。測試是在一個典型的辦公室環(huán)境中進行的，重點給出了三個主要的用于進行測試的位置（MT1、MT2、MT3）。
MANNET路由規(guī)范的主要缺點之一就是目前只用米/跳數(shù)來決定到達目標(biāo)節(jié)點使用的路由路徑。在一些情況下，無論是從能源消耗還是性能角度來看，其都不能達到最優(yōu)的方案或是較好的方案。如果實驗中應(yīng)用已有的“標(biāo)準(zhǔn)”MANET協(xié)議，如動態(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之間建立一個直接的路徑，因為它們彼此都在對方的發(fā)射范圍之內(nèi)。第一部分的測試使用這種方式來完成，應(yīng)用UDP、TCP協(xié)議。表1總結(jié)了主要的測試結(jié)果，其中有三個不同的指標(biāo)（吞吐量；幀出錯率FER和殘余MAC丟失，即通過IEEE802.11重復(fù)請求機制沒能重新獲得的包的數(shù)目）。
表1
如表1所見，根據(jù)吞吐量和丟失數(shù)據(jù)報的數(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評估提高目前ad hoc路由協(xié)議的適應(yīng)性。從這個角度，在MT1和MT3之間放置一個中間節(jié)點，因此有兩個理想信道而不是第一部分測量中的一個。我們做了10次不同的測試，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，而且增強了用戶體驗，這在基于UDP的應(yīng)用中是一個至關(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誤和阻塞控制機制，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超過一個段），從而使性能提高了很多。這個方案不僅從性能的角度，而且從能源的角度都是有益的，因為在這種情況下傳輸器在任何時候都不需要執(zhí)行MAC重發(fā)。這也是比其他傳統(tǒng)擴展方案的一個優(yōu)勢所在。
表2
6 結(jié)論
新的4G無線網(wǎng)絡(luò)是以用戶為中心，異構(gòu)的、自動配置和自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。為了達到這些目標(biāo)，需要對協(xié)議棧的不同層以及WPN體系結(jié)構(gòu)設(shè)計進行大量的研究。通過對目前工作的研究，本文得出的主要結(jié)論是對于重組和重新配置的可能性不斷增長的需求，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)議棧擴展以及安全性、位置透明性和用戶體驗等所帶來的挑戰(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)心的問題。這些課題必須在未來的研究中解決。IST項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：
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[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).
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[9] 李云 陳前斌 隆克平 吳詩其 無線自組織網(wǎng)絡(luò)中TCP穩(wěn)定性的分析與改進，軟件學(xué)報 ，Vol.14.No.6