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基于 ATM的无线宽带网络
崔伟东 △李 星·厶 了 丁 崔伟东 李 星’ 丁^／ J r
关键词 ：移动通信．无线 ATM，宽带网络 ，无线接八
【摘要】本文首先舟绍了无线宽带网络的技术背景和空中接口，然后讨论了无线宽带
通信的撮 技术一无线 ATM(Wireless ATM)的基本原理，如网络体系结构 、信元格式、
协议栈以及关髓技术等 ．最后给出了现有的无线宽带网络的实验 系统和它的标准化
进程 。
一
、引 言
对无线高速 Intemet接人与移动多媒 体
服务的需求 ，推动了无线宽带网络的发展 ，有
关它的研究正在全球范围展开。无线宽带网
络将满足用户在无线 连接上 的服务质量要
求，而支持移动多媒体服务的最佳 的无线 宽
带网络 标 准还 未 出现。基 于信 元 交换 的
ATM技术是无线宽带 网络 的解决方案之一 ，
将 ATM应用于无线环境的技术称之为无线
ATM(Wireless Asynchronous Transfer Mode，筒
称为 WATM)。
本文将详细介绍无线宽带网络的技术背
景，WATM 的基本原理，现有的无线宽带网络
的宴验系统 ，以及它的标准化进程。
二、无线宽带网络的技术背景
无线传输与有线传输截然不 同，在有线
传输中．可以通过使用新的波长(渡分复用)，
或安装新的电缆来增加频带的宽度。而在无
线传输中，只有有限的无线电频段可以使用 ，
并且串扰和多径传播将导致衰落和色散。因
此，无线 网络与有线网络相比，具有数据传输
率低而误码率高的特点。在这种条件下，为
了保证无线宽带网络的服务 ，需要注意两个
问题．第一是为用户提供足够的带宽，以满足
用户要求的业务流的各项参数(在 ATM中有
规定)；第二是保证每个连接 的 QoS，如时延、
时延方差、丢包率等。
无线信道的参数是随时间改变的 ，同时
无线信道的丢包率非常太 ，这就需要一定的
差错控制和保护机制 ，提供针对不同业务的
QoS保障。因为不同业务对 QoS的要求是不
同的，如语音业务对时延特别敏感 ，但允许一
定的差错 ；而数据业务对时延不敏感，但要求
差错率小。针对不同的业务提供差错控制 ，
可以使宽带网络在保证 QoS的前提下，充分
利用无线信道传输多媒体业务流
三 、无线宽带网络 的空中接 口
当前的无线电信网络由于是基于电路交
换的面向语音的窄带网络，因此无法提供高
速 Interact接人和移动多媒体服务。现在 的
第二代和第三代无线通信系统的目标是次宽
带网络(Wideband Networks)。在次宽带网络
中，每一个信道的速率最大到 2 Mb／s，这将大
大改善基于分组的 [ntemet接人服务，但是由
于在第三代无线通信系统中无法 向每个用户
都提供一个次宽带信道，所以不能 满足用户
对移动多媒体服务的需要。因此，需要一个
新的宽带的空中接口，以支持移动多媒体服
务．以及改善元线 Intemet接人的速度。
无线宽带网络的空中接 口将需要一个相
· 崔伟东 李 墨 清率太学电子工程 系 北京 100~4
· 10 ·
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《电讯技术}1999年第5期 ·苣髋遵 评·
对很大的频带，以使信遭的带宽大于2 Mbls。
在 3 GHz以下已很难找到可满足这种要求的
频带，只有在更高的频段上才可能实现 ，但这
将加大所需的费用和技术的复杂度。自由空
间衰减效应在 60 Gl-Iz处有一个峰值(由于氧
气吸收造成)，这也直接影响无线网络空中接
口的设计。简言之 ，较高 的频段上有更多的
可用带宽 ，但同时也更加昂贵。目前 ，对无线
宽带网络的研究主要侧重在 5 Gl-Iz，17 Gl-Iz
(ATM Wireless Access Communication System—
AWACS使用 l9 GHz)．40 GHz和 60 GI-Iz频
段⋯ 。
目前在全世界对移动多媒体服务最具吸
引力的频段是 5 GHz，因为美 国和欧盟都在
这一频段为移 动宽带系统 (Mobile Broadband
Systems，简称 MBss)保 留了带 宽。 日本也在
考虑 5 GHz频段 ，以使未来 5 Gl-Iz产品市场
的全球化成为可能 。欧盟将 5．15～5．3 Gl-Iz
保留给高性能 无线局域 罔 (埘 Pefformsnee
Raclio Local Area Network，简 称 HIPERLAN)。
而在美国，联邦通信委员会(Federal Communi．
cations Committee，简称 FCC)为无须申请许可
证的国家信息基础 设施 (Unlicensed National
Information Infrastructure，简称 UNII)设备 (无
线 LANrdATM)分配了 5．15～5．35 Gl-Iz和 5
725—5．825 GI-Iz这 两个 频段 。
四、无线 ATM的基本原理
1．无线 A'D,I的网络体 系结构
无线 ATM 的网络与 有线 ATM 网络相
比，服务的用户是移动用户 ，网络与用户之问
建立的是无线连接 。因此 ，在 无线 ATM网络
中，增加了基站和具有支持移动功能 的边缘
ATM交换机 ，其中基站提供 与移动终端之间
的无线连接，而与有线 ATM网络 的连接通过
边缘 ATM交换机来实现。图 1所示为一种
无线 ATM网络结构 。
2．无线 ATM的信元设计
使用无线 ATN可以在有线和无线网络
之间提供透明的数据传输，这样数据中的信
头处理时间将可以减少到最小 ，而这正是无
线通信所希望得到的。因此 ，在无线 ATM 中
传输的数据是由 ATM格式再加上无线信头
封装而成 ，如图2所示 。
图 1 无线 ATM的网络结构
无线 ATM ATM
信头 信头 净荷 =48 K CRc
固 2 无线 ATM 的信元格式
在无线 ATM 中，如何提 高信道 的利 用
率 ，一直是一个讨论 的热点。ATM的净荷相
对较小 ，只有48个字节，因此无线 ATM信头
的长度对信道的利用率影响很大 ，如何设计
无线 ATM 信头非 常重 要。 目前，一 种方案
是．为了减少数据的开销比特，可以对原先的
ATM信头加以压缩 。但是，采用压缩 的方法
将增加有线 ATM和无线 ATM间接口的复杂
性。还有 一种方案 是在 无线 传 输 时，改变
ATM信元的格式，增加其 中净荷的长 度，例
如将净荷的长度从 48字节增加到 96字节 ，
以提高信道的利用率。但是，这样将 在无线
ATM和有线 ATM间的空中接口中增 加大量
的数据格式处理时延，同样也增加了接口的
复杂性。对此 ，现在还没有定论。
由于无线信道的误码率 高，因此需要在
无线 ATM信元增加额外的差错控制，可以在
信元尾加人 CRC校 验字节，对无线 ATM 信
头加以检验。
3．无线 ATM的协议栈
为了降低无线网络和有线网络之问网关
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《电讯技术》1999年第5期 ·写题述i平·
的复杂性和处理时延 ．实现无线 ATM网络与
有线 ATM 网络之间的无缝隙连接非常重要。
这意味着为 了使无线 ATM终端能很好的与
有线 ATM 网络融合，就要求在空中接口传输
的 ATM 信元必须与 ATM适配层无关。对于
有线 ATM 网络 ，基站是提供无线 ATM接人
的大门。在无线 ATM网络中，基站的作用主
要体现在两个方面 ：终止 AAL层功能 ；在有
线 ATM 网络和无线 ATM 网络之间传输 信
元，此时基站不执行任何 AAL层的功能。这
样就实现 了无线 与有线之间数据的透 明传
输。图 3所示 为移动 ATM终端接人 ATM网
络的协议栈模型” 。
高屈 商层 高层
A'IM适肥层 A1M适 层 1^ 适 配层
椰 I崖 ATM层 ATM层
无线ATM J 无线ATM A1M 枷I 线接^层 光线拄^届 物埋屈 物理屉
； {
圉3 移动 ATM终端接人 ATM网络
4．无线 ATM的关键技术
由于 ATM和 B—ISDN技术进入无线领
域 ，ATM端到端的连接性能将 主要由无线信
道的性能决定，而无线信道的性能又与原有
的有线传辕介质性能差别很大，如带宽有限，
误码率高等。ATM技术加上无线 信道的特
征后，存在两太技术难题，即如何共享不可靠
的无线信道 ，以及如何解决终 端的可移动
性 。
在无线 ATM 中，上述问题的解决需要通
过对 ATM伽议进行修改和更新来解决 ，下面
将对此加以讨论 。
(1)MAC协议
MAC协议是控翩用户对共享无线信道
媒体接人的规范 ，这些用户可分为在蜂 窝小
区内移动的用户 ，从相连蜂窝小区切换来的
用户，以及正在请求接人的新用户。
媒体接人方式按控制机制的类型分，可
分为固定分配方式、随机接人方式和按需分
配方式。随机接人方式是一种竞争方式的多
址接人技术，适合于强突发性业务，如载波侦
听多址访 问(CSMA)技术。按需分配方式为
用户保留了带宽，用户考虑到 自己对 带宽的
· l2 ·
需求向网络提供明确信息。网络撮据用户业
务的数据突发长度分配带宽 ，当用户处于空
闲时 ，分配给诙用户的带宽将分配给其他的
用户。
对于 MAC协议的研究现在还在进行 中，
但是设计 MAC协议的 目标应该是，可以在保
证用户需求的服务质量的前提下，以统计的
方式支持综合的应用 ，保证对网络的高效利
用 。
(2)位置管理
已有的连接建立伽议假定终端的地址表
明了它在网络中的位置，然而，无线终端的位
置是不确定的。因此 ，必须扩展 ATM连接建
立伽议 ，从而能够动态地决定移动终端的位
置 。
在 ATM网络中，每个终端设备由一个网
络地址标识 ，这个地址有两个用途：作为终端
标识，传输伽议用它们来建立传辕层连接；作
为位置标识，它们隐含了到达终端的网络路
由。因为传统的终端相对于网络的位置是不
变的，单 一标识就可 以完成上述两种 用途 。
但是，在无线 ATM网络中，移动终端的位置
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《电讯拄术》l999年第5期 ·考题迹评·
是不断改变的，所以用来寻址的位置标识也
要随之改变，而鉴别身份的终端标识可以保
持不变。IETF提 出一种位置管理方 案。该
方案通过扩展 ATM的信令帧结构，从而使移
动终端的位置识别和连接建立 过程融合一
体。
(3)切换管理
连接建立以后 ，固定终端的网络连接通
道在连接期间不会改变，这种假设对于移动
终端是不成立 的。连接建立以后，当移动终
端移动到不同的基站时 ，需要信道切换协议
对现行的连接重新选路，并要求这种信道切
换过程是无缝的 ，用户感觉不到通信的中断。
在无线 ATM 中，信道切换的关键 问题包
括：如何选择适当的交叉交换节点 ，从而使重
新选路的数据通道能够保证最初连接的服务
质量；重新选路时如何避免信元的丢失。
(4)错误控制机制
为了保证无线 ArM的服务质量 ，研究人
员对不同信道上的自动请求重发(ARQ)和前
向纠错(FEC)技术进行了比较，特别是在无
线信道上 ，两种方案在解决无线 信道误码率
高的问题上各有所长。因此 ，可 以在 自动请
求重发和前 向纠错技术之间寻求一条最佳方
案，以降低算法的复杂度 和减少额外的带宽
请求。
五、现有的实验系统
目前，一些无线宽带网络的实验项 目正
在世界范 围内展 开，有 默盟 ACtS(Advanced
Communicatiorm Technologies and Services)计划
支持 的 Ma6c WAND(Wireless ATM Network
Demottstrator)，AWACS(ATM Wireless Access
Communication System)，sAMBA(System for Ad
vanced Mobile Broadband Appllcatiom)，以 及
MEDIAN，有 AT&T的 Bell实验室提 出的 BA．
HAMA方案 ，有 NEC c＆C研究实验室提出的
WATMnet(Wireless ATM Net)，等等⋯。
Ma6cWAND是一个为期 3年的项 目，它
覆盖了从最基本的无线数据传输，到网络和
共享多媒体应用的整个领域。该项 目的 目标
是建立一个展示平 台．证 明可以在 5 G}Iz频
段提供 20 Ml~／s的数 据速率 ，利用无缝接人
无线 ATM向移动用户提供多媒体服务。该
项 目定义和实现了支持无线 ATM网络用户
所需 的物 理层，MAC层，以及 ATM 信令 扩
展 ‘’ 。
MEDIAN计划的目标是评价和实现一个
用于多媒体应用的，具有 155 Mb／s数据率的
无线 CPLAN(Customer Premises Local Area Net．
work)系统。该系统采用 OFDm和 TDD方式
工作 ，利用无须 申请许可证的 60 GH2频段 ，
通过 ATM 接 口与第 三 代 移 动 系统 相 连。
ATM 的兼容性通过透明的传输 ATM信元来
实现 “。
BAHAMA方 案 是 一个 宽 带 特 定 无 线
ATM局域 网。它 的网络 的组成部分Ⅱ 做移
动基站 ，ATM 的 打包和拆包 在移动单 元进
行。为了用这种最简单的方式支持移动性 ，
定义了一种基于目的地址的新的 VPI／VCI概
念。Beu实验室和 SUN Micros州em还共同承
担了基 于上述概念的移动信息基础设施
(Mobile Information Infrastructure)的项 目 。
WATMnet系统是个人通信网的 ATM 网
络，它建议用 ATM信元延迟技术作为下一代
无线传辖结构的基础。无线 ATM协议栈包
括无线数据链路层 和多址接人层 ，数据链路
层建立在误码检测和重传的基础上。切换功
能在数据链路层上实现 。
六、标准化进程
宽带综合业务的标准化工作主要在 4个
不同 的机 构 进行 ：ATM 论 坛，IETF(Interest
Engineering Task Force)，ITU，以 及 ETSI的
BRAN(Broadband Radio Access Network)口ATM
论坛、IETF和 I11J恻重 于核心 网络标准，而
BRAN 侧 重 于 定 义 无 线 接 入 网 络 标 准。
BRAN是现在欧盟唯一进行的基于ATM的宽
带无线接人网络标准化的工作。由于欧盟和
美国都为无线宽带网络保 留了 5 GH2频段，
因此标准化工作的最初 目标定 在 5 GH2频
段。ATM论坛和 BRAN的无线 ATM 工作组
保持紧密的协作，以保证规定的标准的兼容
性⋯。
在对新系统进行设计和标 准化 工作时，
非常重要的一点是要理解现有系统的功能和
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{皂讯技术)~999年第5期 -若匿遵评·
它将来可能演变出的应用。擐初的宽带应用
可能在 5 CHz频段实现 ，但是，随着对更大容
量的 需要 ，工作频段将 向更 高的频 段移 动
《^ wA岱 在 17／19 G}Iz。MBSISAMBA在 40t60
GI-h，MEDIAN在 60 elk)。对于摄佳解决 方
案要求是 ，它可以利用相似的技术，既可工作
在室内环境 ，也可工作在室外环境 ；既可在专
用网中运行 ，也可在公共 网中运行。被采纳
妁无线宽带弼络参考模型应该能够保证在不
羁柏环境下对标准化系统的灵活使用。
七、结 束 语
将无线接人和 ATM技术结合起来 ，提供
了无线宽带网络的一种解决方案。尽管在今
天的移动服务中，语音业务占据了主导地位，
但是随着无线 宽带技术的发展与成熟 ，高速
妁无线 Internal接人和多媒体服 务将迅速兴
起。最终有一天 ，必将实现任何人可 以在 任
何时间、任何地点与其他任何人进行任何种
类的通信。
参 考 文 献
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∞，Emerging Wireless Brt)adband Netwod~s．IEEE
C~ cafion Maf~ ne，112—117，Feb 1998
[2] s Ji rIg and D H．K．Tsang，OnArehiteelatres
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Magazane，132—140，Oel 1997．
【3j 0．Kuldaat and H．T．Moufeth，M山 出 c^oess
Pr~oools for W ireless ATM ： Problenas Definition
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azine。93—99， ．1997．
[4] 姚宝富，戈玲 ．无线 ATM，现代电信科技 6—
10，J 1998
【5] 李建东 十^通信的现状 及发晨动 态．通信学
报 ，19(4)，61—67，1998
[6] 薛勇辉。郭先强．无线 删 技术研究及发腰前
景 现代通信技术 、(2)，32—37，1998
MHz／l96o～
划及有关问
方式的无线
广州、深圳、
已批复中国
无线接八系
考虑到国际电联已将 1885～2025 Mlk及2l10～2200 MHz确定为第三代移动通信系
统cLMT--2000)使用频段，并正在制定相关的国际标准，我国也在加紧对第三代移动通信
系统技术体制、标准的研究工作，为使第三代移动通信系统频率规划颓利进行，通知还指
出 ：
一
、国家无线 电管理机构批复的 1890—190}blHz／1970—1980 M№ 频段无线接八系
统 ，其频率使用有效期截止到2OOO年底。期满后原则上不再延长。
二、各地无线电管理机构不得擅自审批 1880—1900 MI-k／1960～1980 M】妇频段内的频
率。
三、国家无线电管理机构将对 1700—2300／dHz频段重新规划，有关规定另行通知。
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