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移动数据通信讲座第一讲移动数据通信技术概述张力军(南京邮电学院南京210003)摘要本文简要介绍移动数据通信和移动数据网的一些基本概念、基本核心技术、业务和应用、移动互联网的形成和发展关键词移动数据通信移动数据网移动数据业务移动IP服务质量移动互联网
一、什么是移动数据通信
1.移动通信网与移动数据网近十多年来,我国移动通信快速发展,移动通信网已实现从模拟网向数字网的转换移动通信网与固定通信网一样,不论从用户对业务的需求,还是从网络运营商提供的服务以及通信设备研发生产商来看,都可以分为三个层次语音;数据;视频和多媒体可以将后两个层次的业务通称为移动数据业务,例如,短消息,传真、电子邮件、文件、图像、浏览网页等能为用户提供移动数据业务的移动通信网,又可称为移动数据网也有专门提供移动数据业务而不提供语音业务的,称为专用移动数据网(或简称为移动数据网,或无线分组数据网)随着技术的发展,语音和视频等实时业务将完全以分组数据的形式传送,那时,移动通信网也就完全变成了移动数据网
2.移动数据通信与无线数据通信这两个术语的含义比较相近,但有一定的区别它们共同点在于数据通信都是通过无线信道和网络进行的,而主要区别就在于“移动”与“无线”二词“移动”一词表示通信终端的三种运动状态归属区静止、运动和漫游(访问区静止),实际上“移动”主要是指“运动和漫游”这两种状态因此,“移动数据通信”就是指终端在三种运动状态下都能进行数据通信而“无线数据通信”一词主要含义是指在静止状态进行数据通信,但如果无线网络能提供漫游服务,那么这种情况下的“无线数据通信”也是“移动数据通信”能提供无线数据通信最典型的例子是无线局域网(WLAN)随着网络技术的发展以及移动、无线网络与互联网的逐步演进和相互融合,传统的无线数据网也能支持终端在运动状态下进行数据通信那时,无线数据通信与移动数据通信也就没有什么区别了目前,如果分析和讨论的问题不涉及终端是否在运动中,只要不影响问题的实质,人们也常将这两种术语混用
二、移动通信网的组成移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务,核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务从通信技术层面看,移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类从传输技术来看,在核心网和骨干网中由于通信媒质是有线的,对信号传输的损伤相对较小,传输技术的难度相对较低但在无线接入网中由于通信媒质是无线的,而且终端是移动的,这样的信道可称为移动(无线)信道,它具有多径衰落的特征,并且是开放的信道,容易受到外界干扰,这样的信道对信号传输的损伤是比较严重的,因此,信号在这样信道传输时可靠性较低同时,无线信道的频率资源有限,因此有效地利用频率资源是非常重要的也就是说,在无线接入网中,提高传输的可靠性和有效性的难度比较高从网络技术来看,交换技术包括电路交换和分组交换两种方式目前移动通信网和移动数据网通常都有这两种交换方式在核心网中,分组交换实质上是为分组选择路由,这是一种类似于移动IP选路机制(或称为路由技术),它是通过网络的移动性管理(MM)功能来实现的
三、移动数据通信的发展
1.概况数字通信技术大大推动了移动数据通信技术的发展,它主要由两个特征来描述数据速率(DataRate)和移动性(Mobility)移动数据速率正由窄带低速率(几kbps)向宽带高速率几十Mbps以上发展,移动性在静止、慢速、快速范围内移动数据的业务将很快超过话音,并向移动多媒体通信发展各种移动数据网和无线数据网都将成为互联网的无线扩展,形成全IP网络各种移动和无线终端都可以在不同地点和各种运动状态下实现无线IP接入互联网,获得互联网的各种信息服务
2.移动数据网分类按照覆盖范围可以分为两种a.广域网如基于各代(1G,2G,
2.5G,3G)蜂窝网的移动数据网(如AMPS/CDPD,GSM/GPRSWCDMA等),专用的公众移动分组数据网(Mobitex,Adis)其主要特点是窄带低速、覆盖广、可快速运动b.局域网如WLAN,HIPELAN、WATM等其主要特点是宽带高速率、覆盖窄、慢速运动,由室内向室外发展此外,数字集群系统(Tetra)和数字无绳电话系统(DECT、PHS)也可以提供移动数据业务
3.移动数据发展面临的挑战a.有限的频率资源与提高数据速率的矛盾,要求提高系统的有效性b.开放式无线信道特性与传输的可靠性的矛盾,要求提高系统的可靠性c.传统的IP网络选路与寻址方式与终端移动性的矛盾,要求解决移动性管理问题移动IP是解决该问题的有效方案d.实时业务(如话音、视频、多媒体)质量(QoS)要求与传统分组数据传输机制性能的矛盾要求移动数据网引入新的机制,提高QoS保障能力e.移动终端小型化、便携性要求(硬、软件资源有限)与功能多性能好要求的矛盾当前利用无线应用协议(WAP)实现手机上网是解决该矛盾的一项新技术以上几方面(矛盾)构成了移动数据网基本的核心课题,其中a和b是网络空中接口要解决的基本核心课题,c和d是网络层要解决的基本核心课题,e是移动终端和应用要解决的基本核心课题
四、移动数据网的基本核心技术
1.空中接口的核心技术空中接口主要涉及协议栈的物理层、MAC媒质接入控制层、数据链路层等对移动无线网络来说,提高系统的可靠性和有效性关键在于物理层随着移动通信技术的发展,物理层在多址、数字调制、功率控制、接收和检测等方面不断采用新的技术在MAC层优化接入算法,提高接入效率从而不断改善无线链路的性能
2.网络层的核心技术在基于分组交换方式的移动数据网中,各种数据业务是以分组形式传送的,分组传送的基本要求一是选择正确的传送路径,二是按业务质量要求传送(如吞吐量、差错率、时延和时延抖动等)这就构成了网络层的两个基本核心技术选路(路由)技术和服务质量(QoS)
(1)选路技术各种移动数据网普遍采用类似于移动IP选路机制(或称为路由技术),它是通过网络的移动性管理(MM)功能来实现的移动IP是IETF提出的移动主机(MH)在互联网(IP网络)中的选路协议,该协议能对IP网络中的MH的动态路由进行管理该协议是网络层的协议,与其底层的物理网络无关移动IP采用代理技术和隧道技术来支持MH的移动性-即MH使用一个固定的IP地址在漫游过程中始终能保持它与网络中其他主机的IP路由不中断移动数据网中MM的选路机制虽类似于移动IP,但并不是同一个协议因此,在移动网向全IP网络的发展演进过程中,MM的选路机制将逐步由移动IP来取代
(2)服务质量(QoS)移动数据网可以提供各种类型的业务,如语音、传真、短消息、文件、图像、视频、多媒体等不同业务对质量(QoS)要求不同评价QoS的主要指标有吞吐量、差错率、传输时延、时延抖动等不同业务的QoS指标是不同的实时性强的业务(如语音、视频、多媒体业务)对各项指标要求都比较严(高吞吐量、低差错率、时延及其抖动小)QoS问题实质上是网络为业务提供资源保障的问题,这对基于电路交换的各种业务比较容易解决,但对基于分组交换的各种业务比较困难和复杂,尤其是无线链路的复杂性和移动终端的移动性给解决QoS问题增加了难度在这种情况下,要由移动数据网的物理层、MAC层、链路层、IP层、TCP层和应用层共同来保障,各层要根据无线移动环境的特点和应用业务的要求采用相应的措施,进行优化、改进和适配
五、移动数据业务和应用
1.移动数据的业务近些年来,移动通信迅猛发展,运营商把移动通信业务逐步从话音业务拓展到数据业务上来移动数据业务是从短消息业务(SMS)发展起来的,很快形成一场短消息的热潮
2.5G移动网和移动智能网技术的应用、移动互联网提供丰富多彩的内容以及灵活多样的商业模式,给移动数据业务的发展注入了强大的动力移动数据网支持TCP/IP,因此目前种类丰富的互联网应用协议均可在此之上使用随着WAP(无线应用协议)的采用,将会向用户提供更为丰富的增值业务,从而使得用户可以象固定用户一样方便地使用互联网上的各种服务,这将极大地促进移动数据业务的使用随着技术和市场的发展,运营商正在进一步提供多媒体消息业务(MMS)、视频电话、视频点播、无线高速上网以及其他移动数据业务由此可见,运营商已经把目标从过去的单纯地提供语音业务迅速转变为提供以移动互联网为基础的数据业务在未来3G系统中,移动多媒体业务将占有重要地位因此3G系统除传统电信业务外,还能有效地支持移动多媒体业务多媒体业务在一个呼叫中集合了两种或两种以上的媒体组件,例如语音、数据、图像、影像多媒体业务可以包括多个呼叫方和连接不同的呼叫方,可以提供不同的媒体组件,因此要求多媒体业务应该具有足够的灵活性,以便增加和删除多媒体组件和呼叫方下面简单介绍一下目前使用比较多的三种短消息业务SMS(普通短消息业务)、EMS(增强型短消息业务)和MMS(多媒体短消息业务)SMS是最早使用的、目前普及率最高的一种短消息业务目前SMS只是在手机内(或其他移动终端)输入一段文字(在140字节之内)后发送,由网络SMS中心储存转发给接收终端,使用简便,受到用户的欢迎,但在内容和应用方面受到限制较多EMS是SMS的增强版本,除了可以像SMS那样发送文本短信息之外,还可发简单的图像、声音和动画等信息,也可集成几种信息在EMS手机上显示一条EMS短消息的容量可能是SMS的好几倍,因此对SMS和EMS采用不同的计费方式MMS最大的特色就是支持多媒体,对于信息内容的大小或复杂性几乎没有任何限制MMS既可收发多媒体短消息,包括文本、声音、图像、视频等;还可以收发包含附件的邮件等MMS支持手机贺卡、手机图片、手机屏保、手机地图、商业卡片、卡通、交互式视频等多媒体业务因此,MMS使运营商可为用户提供多元化的移动数据服务,对用户很有吸引力
2.移动数据的应用按应用领域主要有以下三种a.社会应用领域现场交易(销售、采购、股市、电子商务、电子银行)、公用事业(水、电、气)、公共服务(为公众提供信息服务)、交通娱乐服务业(班次、票务)、交通监控调度(车船队)、紧急公务(公安、消防、速递、救灾、急救)、现场工作人员(记者、医生、维护人员)、固定应用(POS机、无人售货机、水文气象遥测)等b.私人应用领域电子邮件、浏览web页、在线聊天、移动可视电话、视频新闻等c.办公应用领域移动办公室、现场电视会议等
六、移动互联网
1.移动互联网的形成十多年来,互联网快速发展已遍及世界各个角落,互联网正在以强劲技术和市场动力发展成为世界公共统一的通信大平台互联网不仅为人们提供丰富多彩的信息服务,而且将为人们提供电信级质量的语音、视频和多媒体通信服务与此同时,移动数据网也随着移动通信网快速发展移动数据网有电路交换和分组交换两种交换方式,其核心网具有相应的外部接口分别与PSTN、ISDN、PDN和互联网相连,可以提供基于电路交换和分组交换的数据业务同时,各种无线网络(如无线局域网WLAN和HIPERLAN无线个域网WPAN、无线AdHoc网络等)都采用IP技术与互联网相连因此,各种类型的移动网和无线网成为互联网的无线扩展,或互联网的无线接入网,使得它们的各种移动和无线终端可以通过无线方式接入互联网,从而可以获得互联网的各种信息服务,并能在互联网平台上进行通信这种扩展了的互联网称为移动互联网或无线互联网
2.移动互联网的发展目前,人们根据移动网和无线网现状,一般认为“移动互联网”是指移动终端通过移动网接入互联网,支持终端的移动性(漫游和运动状态);而“无线互联网”主要是指无线终端通过无线网接入互联网,不支持终端的移动性(实际上有的可支持漫游)在实际应用中,前者主要是指手机可以在移动状态下接入互联网,后者主要是指笔记本和其他无线终端在静止状态下接入互联网随着网络技术和建设以及终端技术的发展,上述两个术语在技术概念上的差异将会逐步缩小有时,如果我们不关心网络是否支持终端的移动性,将两个术语混用也无妨在移动互联网中,移动网可看着固定互联网的无线扩展这种“扩展”包含两层含义形式上的扩展和内容上的扩展前者是指移动网的网络结构和基础设施与固定互联网互联互通,互联网信息服务的范围扩展到移动网无线覆盖的区域;而后者是指固定互联网信息服务类型、内容和质量扩展到无线覆盖的区域由于移动网是无线网络,与固定互联网相比是异质异构网络,网络技术发展具有渐进性和阶段性,因此,固定互联网的无线扩展(形式和内容两方面)也是逐步演进的,移动网的手机用户不可能很快得到与固定互联网完全相同类型、内容和质量的信息服务在现阶段的无线扩展中,移动网的三个组成部分都存在着技术上的障碍和限制核心网的协议体系与互联网存在差异,无线接入网中无线链路速率的限制,移动终端资源和处理能力的限制因此,我们必须在移动网和互联网之间引入一种“适配”机制,才能使手机可以获得互联网的信息服务例如,WAP(无线应用协议)就是用来解决这个问题WAP协议支持底层各种类型电路交换和分组交换的移动网和无线网,但网络须增加一个WAP网关,用来进行协议变换和面向手机的代码变换这样人们使用WAP手机就可以获得互联网某种程度的信息服务随着核心网的技术发展和向全IP网络演进、无线通信技术的发展和无线链路速率的提高、采用新技术手机的功能增强并向电脑化发展,上述的障碍和限制将逐步缩小和消失,原有的适配功能将弱化或提出新的适配要求手机通过移动互联网可以获得越来越多的固定互联网上丰富多彩的的信息服务,在信息服务的类型、内容和质量上逐步接近固定互联网近一年来,制造商陆续推出的功能强大的智能手机支持并可获得网络彩信(MMS)和视频流媒体服务,反映了移动互联网新的技术发展趋势智能手机将使整个手机产业发生全新的变化,智能手机向电脑化方向发展的同时,将整合进PDA、数码相机、游戏机、MP3音乐播放机及其它消费类电子产品的功能根据用户个性化需求,智能手机将向智能电脑手机、智能商务手机和智能娱乐手机三个主要方向发展移动数据通信讲座第二讲移动性支持协议张力军(南京邮电学院南京210003)摘要本文针对移动数据网中移动性问题对网络选路和服务质量(QoS)的影响,介绍了支持移动性的两类协议的基本原理,一种是支持宏移动性的移动IP协议,另一种是支持微移动性的IP微移动性协议最后对三种微移动性协议的切换性能进行仿真比较关键词移动性宏移动性微移动性移动IP微移动性协议切换1移动数据网中的移动性问题“移动性”是指移动数据网终端移动状态(漫游、运动)的特性网络的两项核心技术(选路和QoS)都与“移动性”有密切的关系各类移动数据网的网络层中都包含移动性管理(MobilityManagement)协议来处理移动性的问题首先,对选路技术各种移动数据网普遍采用类似于移动IP选路机制(或称为路由技术),它是通过网络的移动性管理(MM)功能来实现的,人们常常把具有基于IP的选路机制的移动数据网叫做无线IP网络这里我们解释一下“无线IP”与“移动IP”两个术语的概念的区别移动IP是IETF提出的移动主机(MH)在互联网(IP网络)中的选路协议,该协议能对IP网络中的MH的动态路由进行管理该协议是网络层的协议,与其底层的物理网络无关移动IP有两个特征技术代理技术和隧道技术移动数据网为IP网络的无线扩展,成为无线IP网络其移动主机(MH)的路由是一种动态路由传统的IP选路机理只适用固定主机的路由管理因此,移动数据网中的移动性管理必须具有对MH动态路由的管理机制在各种移动数据网中,在网络层都有特定的移动性管理(MM)协议支持MH的动态路由,并且由各自的底层(PHY,MAC,DL层)协议及无线资源管理(RRM)协议所支持从而MH以无线方式通过移动数据网接入固定IP网络“无线IP”一词中“无线”二字表示MH以无线方式接入(由空中接口协议栈所支持),其选路机理类似于移动IP因此,移动IP只表示网络层的一种选路机制,而无线IP既表示网络层选路机制,又包含底层无线接入的机制由于各种无线网络的空中接口各不相同,也就不可能制定一个通用的无线IP协议因此,“无线IP”表示一种统一的概念和机理(或技术),即“无线接入、采用代理和隧道技术的动态路由管理”移动数据网中MM的选路机制虽类似于移动IP,但并不是同一个协议因此,在移动网向全IP网络的发展演进过程中,为了实现异质异构网络的无缝连接,须用移动IP统一选路机制,MM的选路机制将逐步由移动IP来取代第二,对QoS随着移动网的用户增多,网络为了增加容量,蜂窝小区裂变成更小的区域(微蜂窝、微微蜂窝),在这种情况下,终端运动过程中将发生频繁的切换,这种现象称为“微移动性”同时,移动网向宽带高速发展,实时业务的质量成为用户关注的重要问题虽然,现有网络的MM功能或者将来网络采用移动IP协议也能对“微移动性”做相应的处理,但这种处理是低效率的而且没有对QoS进行优化因此,“微移动性”会引起分组的丢失、传输时延增加、信令交互量激增而增加网络的负荷,从而使网络的性能受到比较严重的损伤这是未来全IP网络必须要解决的问题,IP微移动性协议就是该问题的解决方案归纳起来,我们可以根据未来全IP网络的结构来对“移动性”进行分类,如图1所示各种类型的移动无线网络构成相应的“IP无线接入域”,并通过网关接入互联网在域内有多个无线IP接入点和域内骨干网(核心网),各无线接入域通过网关与域间骨干网和互联网相连域内采用微移动性协议支持域内移动性(微移动性),而域间采用移动IP协议支持域间移动性(宏移动性)2移动IP协议
2.1背景移动数据网是互联网的无线扩展,移动节点(主机)因其移动性特点,它的路由是动态变化的互联网的常规IP选路机制不能支持节点移动性节点移动性要求当节点移动时(切换、漫游),以原有(家乡)IP地址保持正常的通信IETF的MobileIP研究组制订移动IP(MobileIP),于1996年11月公布为建议标准,该协议支持节点的移动性,它的的设计目标(约束条件)是·每个移动主机必须在任何地方都可以使用它的家乡IP地址;·不允许改变固定主机的软件;·不允许改变路由器软件及路由表;·优化路由要求:大多数IP数据报不许绕道传向移动主机;·当移动主机在家乡时,不应有额外的开销;·安全性要求移动主机不应比互联网上其他节点面临新的或更多的安全威胁
2.2移动IP的三个功能实体
(1)移动节点(或移动主机MH)是在网络上可移动(切换、漫游)的节点其特点是它使用家乡网络分配的一个固定的IP地址-家乡地址(HomeAddress),不因移动而改变;当移动节点网络上位置发生变化时(从一个网络移动到另一个网络),能始终用该IP地址与其他节点保持通信
(2)家乡代理(HomeAgent,HA)是移动节点家乡网络上的一个路由器其主要功能是·为移动节点维护家乡代理的当前位置信息(包括广播HomeNetwork的可达性,通知外地代理);·为移动节点提供IP选路服务将发给移动节点的IP数据报用隧道技术(tunnel)传送给移动节点的外地代理(ForeignAgent)
(3)外地代理(ForeignAgent,FA)是移动节点所附着(或接入)的外地网络(或访问网络)上的一个路由器FA的IP地址称为转交地址(CareofAddress)FA的主要功能是·为移动节点维护其当前外地代理的位置信息(通知HA其转交地址,为MH提供转交地址);·为移动节点提供IP选路服务作为隧道端点,将发给MH的IP数据报拆封,再转发给MH;作为MH在外地网络上的缺省路由器,转发MH发给其他节点的IP数据报所谓“隧道(Tunnel)”是指当一个IP包被封装在另一个IP包的载荷(payload)中进行传送时,所经过的路径称为隧道一条隧道由它的两端的IP地址来定义,即家乡地址和转交地址
2.3移动IP的三个主要规程
(1)代理搜索规程(AgentDiscovery)作用使移动节点可以判定它的当前位置(外地网络或家乡网络)并得到一个FA的转交地址,从而建立MH与FA或HA的连接该规程使用2条消息来完成代理搜索过程代理广播消息(AgentAdvertisement)和代理请求消息(AgentSolicitation)
(2)注册规程(Registration)作用移动节点向外地代理请求服务,并通知家乡代理它的转交地址,从而达到鉴权、建立隧道的目的该规程在代理搜索过程完成后,使用2条消息来完成注册过程注册请求(RegistrationRequest)和注册应答(RegistrationReply)注册规程由驻留在MH、FA和HA的注册协议共同完成当移动节点切换链路(网络)时,或者移动节点虽没移动,但现有注册有效期(生存时间)过时,移动节点须进行注册
(3)IP数据选路规程(IPRouting)作用当移动节点在外地网络时,对其接收和发送的IP包进行选路
2.4移动IP选路机理当移动节点(MH)移动到外地网络时,通过代理搜索过程获得FA的转交地址,建立MH与FA的连接;再通过注册过程进行鉴权,同时使HA获得FA的转交地址,从而完成隧道的建立若网络上一台固定主机FH向MH发IP包时,网络中的路由器根据该包的目的地址(MH的家乡地址)选路到家乡网络,到达家乡网络后,HA用FA的转交地址封装,再通过隧道传送到FA,拆封后转发给MH若MH向FH发IP包时,则FA作为路由器按常规的IP选路机制,直接选路到FA,不必绕道经过家乡网络的HA由此可见,由于采用了代理技术和隧道技术,移动IP协议的选路机理是三边路由机制,如图2所示它的优点是,MH在与FH通信时,在注册过程中进行鉴权,提供了安全保障;其缺点是FH发向MH的IP包须绕道HA到达FA时延和占用资源较多(尤其距离较远时)3IP微移动性协议
3.1背景前面提到,IP微移动性协议就是解决微移动性造成网络性能损伤的一种有效方案微移动性协议的基本原则是在域内引入新的选路机制(微移动选路机制)、快速切换机制和位置管理寻呼机制从而使网络在移动节点在域内移动和切换时路由更新的信令开销和占用网络资源减少,并显著减小传输时延和IP包丢失率,从而提高服务质量微移动性协议作用示意图如图3所示移动节点在域间移动的时候采用移动IP协议支持宏移动性,在域内的时候采用微移动性协议,微移动性协议能改善切换的性能,支持快速的、无缝的、域内的移动性微移动性协议的目的就是在不涉及移动IP的互联网上的作用,而来帮助它处理移动节点的本地移动(也就是在一个域内的移动)这将有益于减少移动主机在切换中的延时、分组丢失,也有益于当移动主机仍在它的本地域的时候,避免向远处的家乡代理(HA)注册通过在域内运用微移动管理协议,来减少减少移动主机的注册,从而减少支持移动性的网络的信令负荷另外,整个网络将不关心移动节点在某个特定域内的移动,对RSVP仅在移动节点改变域的时候作资源预留,从而使业务质量得到支持目前在IETF中已经提供了三种最重要的微移动性协议草案它们分别是哥伦比亚大学和爱立信提出的CellularIP协议,源于朗讯科技的HAWAII协议,来自爱立信和诺基亚研究中心HMIP协议下面我们分别简要介绍
3.2CellularIP协议CIP,蜂窝IP协议CIP的无线接入域由CIP网关、基站(无线接入点)和移动主机(移动节点)组成网关和基站可统称为CIP节点移动节点将CIP网关作为MIP的外地代理,网关的IP地址就是转交地址每个节点都设置路由缓存,根据寻呼区的配置在一些节点设置寻呼缓存路由缓存中存储微移动路由信息,其中的路由信息由CIP的路由更新机制维护(包括用IP包和路由更新包)域外节点发送给域内移动节点的IP包通过移动IP选路到达网关后,不再采用隧道技术,而是利用域内各节点的路由信息转发给目的移动节点域内移动节点发给域外节点的IP包,首先传送给无线链接的基站,然后利用各节点的路由信息,以逐跳方式选路到网关,再通过域外网络传送到域外的节点寻呼缓存中存储移动节点所在寻呼区的位置信息在CIP无线接入域内,一个寻呼区由几个基站组成该位置信息由CIP的位置管理和寻呼机制来实时维护(基站发送的下行的信标信号,所有上行的IP包、寻呼更新包和路由更新包)寻呼缓存中的位置信息主要用来使网络能实时跟踪空闲状态的移动节点,支持被动连接,可以节省能耗和信令负载;同时对路由缓存中的路由信息起到补充和增强的作用切换机制是直接影响微移动性性能的重要因素CIP的切换方式有硬切换和半软切换两种硬切换速度快但容易丢包半软切换利用路由缓存和寻呼缓存,在移动节点切换基站时,保持链路不中断,同时接收新旧两个基站的IP包,这样可以显著减少包丢失
3.3HAWAII协议HAWAII协议(HandoffAwareWirelessAccessInternetInfrastructure)的目标时提供标准的微移动性特性,如快速切换、被动连接、寻呼以及QoS等HAWAII的无线接入域由域根路由器、基站(路由器)和移动节点组成HAWAII保留了蜂窝网中的被动连接和寻呼特性,基站和路由器中包含一个软状态的寻呼表,用来对移动节点的位置进行管理同时,每个基站和路由器中包含一个软状态的路由表,该表由路径建立和更新机制来维护HAWAII协议采用了两种路径建立机制来实现移动节点的切换一种是多重流转发路径建立机制(MultipleStreamForwardingPathSetupSchemeMSF),另一种是非转发路径建立机制(Non-ForwardingPathSetupSchemeNF)前者适用于移动节点只能与网络中一个节点进行通信连接的情况,而后者适用于移动节点可以同时与多个节点进行通信连接的情况这两种路径建立机制的共同点是,当移动节点在向新基站注册后,都采用逐跳方式来更新相关基站和路由器中的软状态路由表的路由信息;而主要区别在于逐跳更新的方向MSF是旧基站向新基站方向逐跳更新,NF是由新基站向旧基站方向逐跳更新在新旧基站之间路径上与域根路由器相连的基站(叫相交基站)将发送给移动节点的IP包发往新基站,从而减少丢包率
3.4HMIP协议(分层移动IP协议)HMIP协议是移动IP协议的扩展,HMIP的访问域(即无线接入域)由网关外地代理(GFA)、外地代理(FA)和移动节点组成FA采用了分层树状结构,IP包在FA之间逐层转发时也采用了隧道技术移动节点在访问域中移动时,采用区域性注册方式,从而减少了家乡网络的信令负载和时延HMIP的切换过程如下当移动主机移动到新FA,它将发送路由更新消息到新FA,再通过上行隧道传送到GFA当路由更新消息到达GFA时,在GFA与新FA之间建立一个新的隧道,IP包将通过新隧道选路新FA再转发到移动主机4微移动性协议切换性能比较我们用ns网络仿真器对以上三种微移动性协议的切换性能进行仿真比较
4.1丢包率的性能比较仿真结果表明,HMIP的丢包率是三种协议中最大的,HAWAII的丢包率是最小的这是因为在处理域内的切换时,CellularIP协议和HMIP协议中路由更新包都必须从新的基站逐跳至网关但是CellularIP和HAWAII都有一个路由缓存机制,所以它们比HMIP的丢包率要少而HAWAII协议相对于其它两个协议将切换所涉及的节点限于新、旧路由器之间,切换处理过程时间最短,因此切换中HAWAII的丢包率在三种协议中是最小的
4.2每包平均信令开销的性能比较仿真结果表明,CellularIP的性能最好,HMIP的最差这是因为有两个因素影响的原因
(1)相对于其它两种微移动性协议而言,HMIP协议在外地代理之间转发分组时采用了隧道封装,这样会增加信道数据量
(2)CellularIP和HMIP都实施路由缓存机制,会增加大量切换路由建立信令CellularIP和HAWAII两种接入方式的主要区别在于切换过程和切换更新(象缓存管理等)的不同HAWAII有动态路由配置,而CellularIP仅仅使用一个缓存更新装置,用户数据并不在缓存管理中考虑在CellularIP网络中,从源点到结束点的跳数是恒定的,而HAWAII是动态的,所以HAWAII协议用于处理切换信令的数据包比CellularIP要多从而导致HAWAII的每包平均信令开销比CellularIP大而隧道封装引起的信令开销大于路由缓存的信令开销,所以HMIP的每包信令开销比CellularIP和HAWAII都要大
4.3平均时延的性能比较仿真结果表明,CellularIP的平均时延最大,HMIP的切换平均时延是最小微移动性协议由于在域内移动时不需要对家乡代理进行注册因此大大减少了切换延时CelluarIP和HAWAII在处理域内的切换时,都采用了路由缓存管理,而HMIP采用隧道方式传送数据包,从而大大的降低了由于路由缓存,代理转发而带来的包延时所以HMIP的平均时延最小此外HAWAII协议将切换所涉及的节点限于新、旧路由器之间,而CellularIP协议中的路由更新包从新的基站逐跳至网关因此HAWAII比CelluarIP包时延要小5结束语通过以上分析,移动IP协议和IP微移动性协议是解决未来全IP网络的选路技术和QoS是两个重要的核心问题有效方案,但还有一些问题,如安全性问题,路由优化问题、各协议相互兼容问题、协议实现问题等等,有待深入研究解决 移动数据通信讲座 第三讲移动数据网的演进(上) 第一代和第二代移动数据网 张力军(南京邮电学院南京210003)摘要CDPD(CellularDigitalPacketData,蜂窝数字分组数据)网是上世纪末我国建立的第一代公共移动数据网,虽然覆盖不广应用不普遍,但为了使读者了解移动数据网技术的发展和演进过程,本文对CDPD网的结构和选路技术做一简要介绍GPRS(GeneralPacketRadioService,通用分组无线业务)网是近几年刚发展起来的第二代移动数据网,网络覆盖广,数据业务和应用也正在快速发展本文对从技术角度对GPRS网络的结构、业务、分组传送和选路等方面做一基本介绍关键词CDPDGPRS网络结构无线接入网核心网骨干网分组数据业务选路技术封装隧道
一、前言公共移动数据网是伴随着移动通信网而发展起来的在1990年代中期CDPD网是叠加在模拟蜂窝网AMPS上的第一代公共移动数据网,该网在美国应用比较普遍,1997年我国仅在少数几个城市以专用网的形式建网与此同时,第二代数字蜂窝网GSM快速发展,到2000年代初期,在GSM网的基础上建立了GPRS网GPRS是GSM在Phase2+阶段提供的通用分组数据业务它采用基于分组传输模式的无线IP技术以一种有效的方式来传送分组数据及信令GSM/GPRS是GSM网络的升级,成为继第一代公共移动数据网AMPS/CDPD之后的第二代公共移动数据网,同时也是第二代数字移动通信网向第三代演进的重要阶段
二、CDPD网络
1.CDPD的基本思想CDPD是利用模拟蜂窝电话网(AMPS)中语音空闲信道传送分组数据,提高了网络的频谱利用率,如图1所示分组传送方式有两种固定的专用信道和跳频方式CDPD网叠加在现存的模拟蜂窝网上,CDPD系统采用的是数字调制技术(GMSK),使话音网升级,提供分组数据增值业务
2.CDPD发展的背景1992年4月美国IBM和8个最大的蜂窝电话运营公司宣布联合研发CDPD系统,他们模拟网覆盖占全国95%地区1993年7月正式发布CDPD技术规范1994年夏,69家公司(包括运营商和设备商)宣布成立CDPD论坛,推进CDPD网络和无线分组数据业务发展95年1月,CDPD论坛发布CDPDSpecification
1.1版本96年底,CDPD论坛成员已经超过100家1999年下半年,美国CDPD网覆盖地区人口达
1.4亿,占总人口55%中国在1997年在北京、上海、广州、深圳、长沙、厦门等6个城市建有CDPD网
3.CDPD网络的参考模型CDPD网络的参考模型如图2所示图中,MES为移动终端系统,MDBS为移动数据基站,MDIS为移动数据中介系统,IS为中介系统,FES为固定终端系统该网络中有三种接口A接口为空中链路接口,E接口为外部接口,I接口为交互业务提供商接口终端系统(MES,FES)-主机或通信终端,是通信的逻辑端点它提供网络层以上各层功能,以及底层的通信功能,但不提供中继转发功能中介系统(IS,MDIS)-将终端系统发出的分组数据进行中继转发选路网络支持移动对移动,移动对固定,固定对移动,固定对固定端点之间分组数据交换和通信各组成部分的基本功能如下
(1)移动终端系统(MES)o网络接入功能-通过A接口接入CDPD网络·移动性支持功能-在移动过程中(小区切换、网络切换、漫游时)终端保持接入·网络管理支持功能-支持安全性管理、注册管理
(2)固定终端系统(FES)·外部FES-是不属于CDPD网络运营商的外部数据应用系统,通过E接口与CDPD系统进行数据交换·内部FES-是CDPD网络运营商的内部网络支撑(鉴权、网管、计费等)和业务应用(域名业务、定位服务、其它补充业务)系统
(3)移动数据基站(MDBS)为一个小区的无线数据信道提供媒质接入控制和数据链路中继功能·对无线接口控制与调整无线信道的配置(一个或多个RF信道);与话音业务的关系协调(专用、跳频);无线媒质接入控制(多个MES共享一个RF信道,双向传输)·对MDBS与MDIS之间陆地接口也进行控制与调整
(4)移动数据中介系统(MDIS)MDIS执行选路功能,相当于移动IP中的代理MDIS包含MNLP移动网络定位协议的两个功能实体MHF(移动归属功能)和MSF(移动服务功能)归属区的MDIS称为H-MDIS归属MDIS和访问区的MDIS称为S-MDIS服务MDIS
(5)中介系统(IS)IS执行OSI参考模型底三层的功能,可用路由器来实现,支持无连接OSI网络业务通过IS互连构成CDPD骨干网络,CDPD网可看作现存无连接网络的无线延伸
4.CDPD网的结构CDPD网是由多个业务提供商网络所构成的一种交互网络各业务提供商网络利用中介系统(或路由器)通过I接口相互连接如图3所示
三、CDPD的选路技术
1.CDPD选路机理CDPD网中分组选路是网络层移动性管理(MM)的主要功能,主要是由MDIS(H-MDIS和S-MDIS)执行MNLP和MNRP(移动网络注册协议)来完成的MDIS相当于移动IP代理H-MDIS中的MHF相当于HA(归属区代理),MHF中包含位置信息库(Locationdirectory)和转向服务器(Redirectionserver);而S-MDIS中的MSF相当于FA(外地代理),MSF中包含注册信息库Registrationdirectory和再寻址服务器(Readdressserver)选路基本操作模式是利用MDIS的信息库(位置、注册、归属域信息库)中的路由信息和MHF/MSF功能来进行封装和选路在CDPD核心网内建立起H-MDIS与S-MDIS连接隧道;在CDPD无线接入网内建立起MDLP(移动数据链路)连接通道MDLP连接通道在MES端的物理地址为SNPA(子网附着点),SNPA=Cellid,Channelstreamid一个信道流(Channelstream)中包含一条或多条逻辑链路连接,每条链路用TLLI(临时逻辑链路标识)来标识下面举例说明CDPD核心网和无线接入网对分组的封装和选路过程,如图4所示假设MES当前在S-MDIS访问区,分组从FES发给MESCDPD核心网内的封装和选路当分组到达H-MDIS时(如图中
①),MHF根据MES的NEI(网络实体标识)从位置信息库中查到当前S-MDIS的转发地址,并进行封装转发封装后通过隧道到达MES当前S-MDIS(如图中
②),该隧道通过IS/externalnetwork在S-MDIS中,MSF对到达分组拆封
2.CDPD无线接入网中的封装和选路在S-MDIS中,MSF用TEI(临时设备标识)作为目的地址将PDU(协议数据单元)封装成帧送入MDLP连接通道;同时用注册信息库中的MES物理地址SNPA映射到无线接入网的物理信道传送在无线接入网中传到MES的物理地址SNPA(如图中
③),然后利用MES的TEI和NEI将PDU传送到MES高层
四、GPRS网络结构与业务
1.GPRS/GSM网络结构GSM网络主要由移动台(MS)、基站子系统(BSS)和移动交换中心(MSC)三个部分组成如图5所示GSM系统通过MSC与外部公众网络(如X.25分组网、Internet、ATM网)互联在网络侧,有三个数据库归属位置数据库(HLR)、访问位置数据库(VLR)和鉴权中心(AuC)GSM有两种类型的逻辑信道业务信道(TCH)和控制信道(CCH或称信令信道)控制信道用于传送各种信令,对MS的接入、无线信道、业务提供和MS的移动性进行管理GPRS网络构建在GSM网络基础之上,对原有的GSM网络子系统和无线子系统的设备及功能进行增强在网络子系统中增加两个节点GGSN(网关GPRS支持节点)和SGSN(服务GPRS支持节点)此外,还用GPRS用户数据和路由信息增强HLR和VLR以支持移动性管理与路由管理在无线子系统中增强BSS的功能以支持用户数据的传送,增加了GSM业务信道和控制信道的种类,以支持GPRS的多种业务GSM/GPRS优化利用网络和无线资源GPRS维护无线子系统和网络子系统严格分离,允许采用其他的无线接入技术的无线子系统接入该网络子系统,这有利于网络的升级和向第三代演进GSM/GPRS采用频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)复用方式邻近小区频道复用采用FDMA,频道中采用TDMA一个TDMA帧中分成8个时隙,每个时隙对应一个物理(无线)信道8个时隙的无线信道可以由多个用户共享,并根据语音和数据的业务的需要动态分配还定义了几种无线信道编码方案,允许每个用户比特率从9到150kbps以上GPRS网络逻辑功能主要有网络接入控制、分组选路与传送、移动性管理(MM)、逻辑链路管理(LLM)、无线资源管理(RRM)和网络管理(NM)
2.GPRS的业务特征GPRS支持基于标准数据协议的应用以及与IP网络和X.25网络互联GPRS可为两个MS之间、MS与外部分组数据网(PDN)终端之间提供数据传送能力·业务类型-GPRS支持两种类型的分组数据业务点到点(PTP)业务和点到多点(PTM)业务GPRS也允许短消息业务(SMS)在GPRS无线信道的传送PTP业务有两种一种是PTP无连接网络业务(PTP-CLNS),支持基于IP的网络应用;另一种是PTP面向连接的网络业务(PTP-CONS),支持基于面向连接网络协议(CONS)或者X.25的应用PTP的应用有e-mail、远程接入企业网WEB浏览、无线POS机、无线数据遥测等PTM业务可用来将同一消息传送到多个用户PTM业务又分为多播业务(PTM-M)和群呼业务(PTM-G)PTM-M是将信息传送给一地域内的所有用户,可用于新闻、交通信息、天气预报、股市行情更新的播送;而PTM-G是利用GPRS多播功能将信息传送给特定的用户群,主要用于集团用户,如出租车和车队管理、无线远程会议等·业务的质量(QoS)-GPRS支持用户对业务的4种QoS要求优先权(分高、中、低三档);可靠性(按业务数据单元的总的错误概率分为三级);时延(按端到端传输的平均时延分为四级);用户数据的吞吐量(包括最大比特率和平均比特率)·业务安全性-GPRS业务安全性功能类似于GSM,SGSN执行基于同样的算法、密钥、准则的鉴权和加密规程,其中加密算法是经过优化的
3.GPRS数据业务的接入GPRS网络为其MS提供了一个数据业务平台在逻辑功能上MS由移动终端(MT)和终端设备(TE)组成,两者通过参考点R连接由于TE的多样性,MS应采用适当的接入方法,才能使用户正确有效地使用网络的数据业务GPRSMS有三种类型A类-附着GPRS和其他GSM业务,并支持两者同时操作B类-附着GPRS和其他GSM业务,不支持两者同时操作,只能顺序操作C类-只附着GPRS下面简要介绍几种不同数据业务的接入方式·基于X.25的业务接入在GPRS网络承载X.25业务时,在R参考点上有两种接入方式一种是X.25字符方式业务通过PAD(分组装拆设备)接入该业务基于异步字符方式,根据X.28/X.29建立一个连接另一种是X.25分组方式业务接入方式,根据X.25接入规程,可建立多个虚电路·基于IP业务的接入当网络层为PPP(点到点协议)所支持的IP协议时,PPP协议实体驻留在MT中PPP支持多种物理连接(如RS
232、V.
24、V.25)通过MT将TE接口上的信令(AT命令、PPP配置信令等)映射成空中接口上的信令来实现IP业务的接入·基于PPP业务接入当网络层为PPP所支持的非IP协议时,PPP协议实体驻留在TE和GGSN中这种情况下,PPP信令在TE与GGSN之间交换所以,PPP协议可以使GPRS承载除IP外的基于PPP协议的网络业务
五、GPRS分组传送的一般过程GPRS移动台在运动时分组传送一般要经历以下几个过程
1.连接过程—MS在传送分组数据之前必须在MS与网络之间建立起低层的物理连接以及高层的GMM(GPRS移动性管理)连接和SM(会话管理)连接连接过程的目的是在GPRS网络中建立起分组传送的路由·物理连接(RR连接)该连接是指在空中接口RLC/MAC层中两个无线资源(RR)对等实体之间的TBF临时数据块流·GMM连接该连接是通过GPRS附着规程来实现的其目的是激活MM上下文、在MS与SGSN之间建立逻辑链路(分配临时逻辑链路标识TLLI)和鉴权加密·SM连接该连接是通过PDP上下文激活规程来实现的(PDP-分组数据协议)MS请求激活PDP上下文,作为传送分组数据路由的上下文PDP上下文激活后,建立GPRS会话,即可进行MS收发分组数据
2.位置更新过程-在会话过程中,网络不断跟踪MS位置当MS到另一个小区或路由域时,就执行位置管理功能,保持会话的连续性
3.选路过程-无论MS移动到GPRS网络的任何位置,网络都可以利用隧道技术和封装技术为MS的分组数据传送进行有效地选路
4.分离过程-当MS分组传送结束时,请求去活PDP上下文并分离GPRS
六、GPRS网络分组选路技术
1.分组选路要素
(1)GSN节点和MS中MM与PDP上下文中的位置信息这些位置信息为分组数据在GPRS无线接入网、核心网和骨干网中选路提供路由信息
(2)封装功能GPRS在外部网络与MS之间透明传送PDPPDU(分组数据单元)为了便于GPRS网络能有效地对PDPPDU选路,所有PDPPDU都要进行封装和拆封封装在MS、SGSN和GGSN中进行在PTP分组传送的情况下,封装是在MS完成GPRS附着(GMM连接)和PDP上下文激活(SM连接)过程之后执行有两种类型的封装一种是在GPRS核心网内(两个GSN节点之间)的封装,另一种是在无线接入网内(MS与SGSN之间)的封装
①GPRS核心网内的封装-GPRS隧道协议(GTP)如图6所示,在骨干网中传送外部分组数据网(PDN)的分组时,在GGSN中经GTP/TCP/IP三个协议层封装,再送至GPRSIP核心网,并按照IPPDU头中包含的SGSN地址传送给SGSN在GTPPDU头中包含一个TID(隧道标识),TID隐含地确定了隧道的两个端点(即,SGSN和GGSN的IP地址)在两个SGN节点之间可以有一条或多条隧道,分别用不同的TID来标识由此可见,GPRS核心网的传输面是一个重型的三层协议栈GTP/TCP/IP外部PDN网的IP/X.25分组数据以IP/X.25overGTPoverTCPoverIP的模式在GPRSIP核心网中传送另外,当MS漫游到访问区时,在SGSN访问区VPLMN与GGSN归属区HPLMN之间也建立起类似核心网的隧道
②GPRS无线接入网内的封装在无线接入网内,MS与SGSN之间的分组数据连接定义在LLC层,可称为LLC连接通道,并用TLLI来唯一地标识MS与SGSN之间的一条数据链路LLC连接通道的两个端点分别是MS与SGSN网络层的协议实体接入点,与各网络层PDP地址关联,从而确定了网络层的分组路由
2.连接过程连接过程是通过GPRS附着(GMM连接)和PDP上下文激活(SM连接)两个过程来完成的在连接过程中,MM上下文和PDP上下文都建立起来SGSN一方面利用MM上下文中和PDP上下文中的有关信息生成一个TID,建立起GPRS核心网在漫游时包括骨干网中的隧道;另一方面,SGSN与MS利用附着过程中生成的本地TLLI和MS选择的网络层实体信息,在无线接入网中建立起LLC连接通道这样,通过连接过程就在GPRS网络无线接入网、核心网和骨干网中建立起传送分组的路由
3.分组选路过程
(1)PLMN(公共陆地移动网)骨干网PLMN骨干网分为两种类型PLMN内部骨干网intra-PLMNbackbonenetwork和PLMN互联骨干网inter-PLMNbackbonenetwork前者也可称为GPRS核心网,它是在同一个PLMN内GSN节点之间互联的IP网络,而后者也可简称为GPRS骨干网,它是在不同的PLMN中GSN节点之间的GPRS网络,也可以是PDN如公共IP网络,或租用线路GPRS核心网是一个专用IP网络,只用来传送GPRS数据和信令GPRS核心网用GGSN通过Gi接口与外部PDN网连接两个GPRS核心网用边界网关BG经由Gp接口与GPRS骨干网相连接,如图7所示
(2)分组选路机理在GPRS网络中分组选路功能主要是由SGSN和GGSN两节点来完成的,其基本操作模式是利用该两节点中存储的路由信息在MM和PDP上下文中进行封装和选路在GPRS核心网和骨干网中建立起以TID为标识的隧道,在GPRS无线接入网中建立起以TLLI为标识的LLC连接通道,从而形成分组的路由在外部PDN中选路则按常规的IP、X.25网络的选路机理进行选路
(3)GPRS网络分组选路的例子我们考虑两个GPRS网络中两个MS(一个在归属区网络HPLMN,记为H-MS;另一个漫游到访问区网络VPLMN,记为V-MS)和一个外部PDN网络的固定主机FES三者之间分组传送时选路的情况移动数据通信讲座第三讲移动数据网的演进(中)第三代和第四代移动数据网张力军(南京邮电学院南京210003)摘要本文简要介绍第三代移动(数据)网的技术规范,UMTS和cdma2000网络组成及其向全IP网络演进,讨论了UMTS核心网的选路技术向MobileIP演进相关问题,并对第四代移动数据网作了简要介绍关键词3G规范UMTScdma2000全IP网络选路移动IP演进
一、第三代移动数据网发展背景与GPRS网络一样,第三代公共移动数据网伴随着第三代(3G)移动通信网而发展起来3G网络采用扩频码分地址(CDMA)技术,能提供更强的移动数据通信的能力,在系统的容量、数据速率、移动多媒体业务、数据业务的多样性和灵活性、业务的质量、移动性支持、移动互联网的能力等方面都大大超过了2G移动数据网从提供分组数据业务能力的观点来看,3G移动通信网也就是第三代移动数据网,其主要目标是为用户提供移动无线接入多媒体应用服务,如视频/图像传输、实现宽带移动互联网提供IP网络的各种服务(如浏览Web网页,传递文件等),同时要实现无缝漫游为此,有关国际组织研究制订了相应的技术规范
二、3G的技术规范国际电联ITU-R在十几年前,就开始研究3G的规范到1998年6月30日,ITU-R共收到16种3GRTT(无线传输技术)规范提案,其中有6种是卫星移动方面的,其余10种是地面移动方面的,这些提案分别来自于美、欧、中、日、韩等国家和地区中国提交的TD-SCDMA规范提案是10种地面移动3GRTT提案中的一个 ITU-R提出了3GRTT的基本要求
(1)地面高速移动FDD模式下终端在500km/h的移动速度下,提供144kb/s的数据传送速率TDD模式下终端在120km/h的移动速度下,提供144kb/s的数据传送速率
(2)地面中、低速移动FDD、TDD模式下终端在中、低速的移动速度下,提供384kb/s的数据传送速率
(3)地面步行、室内固定用户FDD、TDD模式下终端在步行的移动速度或固定不移动的情况下,提供2Mb/s的数据传送速率根据对3G规范的要求,ITU-R对10个地面移动的3G规范提案进行了长达近两年的评估、仿真、融合、关键参数确定的工作,最终在2000年5月5日,通过了包括中国提案在内的五个无线传输技术的规范(IMT-2000),这五个无线传输技术中有三个是基于CDMA技术的,有二个是基于TDMA技术的基于CDMA技术的技术规范IMT-2000CDMADS(WCDMA、cdma2000DS) IMT-2000CDMAMC(cdma2000MC) IMT-2000CDMATDD(TD-SCDMA、TD-CDMA)基于TDMA技术的技术规范 IMT-2000TDMASC(UWC136) IMT-2000TDMAMC(DECT)由于TDMA技术不是第三代移动通信的主流技术,因此TDMASC和TDMAMC只会作为区域性标准分别用于IS-136和DECT系统的升级基于CDMA技术的三个RTT技术规范成为第三代移动通信的主流技术,也称为一个家族,三个成员CDMADS和CDMAMC都是频分双工模式(FDD),CDMATDD是时分双工模式(TDD),ITU-R分别为3G的FDD模式和TDD模式划分了独立的频段,因此,在3G中FDD和TDD是互存、相互补充的关系与此同时,成立了两个研究和制订3G规范的国际组织3GPP和3GPP23GPP主要研究基于WCDMA技术的欧洲UMTS网络规范,3GPP2研究基于cdma2000的规范3GPPUMTS网络体系结构是由GMS/GPRS的演进该网络由UTRANUMTS地面无线接入网和CN(核心网)组成,而CN包括CS(电路交换)域和PS(分组交换)域随着研究的深入,3GPPUMTS规范的版本不断发展2000年UMTS规范分为Release99(R99或R3)和Release00(R00)R99支持WCDMA接入和基于ATM的传输R00根据所定义的RAN技术不同分为两种版本2001年R4GPRS/EDGE无线接入网GERAN和2002年R5CDMARAN两种RAN都接入同样的分组核心网在R5中提出了全IP核心网的体系结构,引入了基于IP的多媒体子系统(IMS),并在无线接口引入了增强型技术HSDPA高速下行分组接入,最高支持10Mbit/s2003年R6的内容包括IMS第二阶段,实现全部功能和优化,多媒体广播和多播业务(MBMS)网络共享,WLAN/3G互通等等,该版本正在完善中3GPP2的规范cdma20001x是cdmaOne的演进,支持速率高达144Kbps分组数据业务在cdma20001x基础上演进的增强型技术有•cdma20001xEV/DO引入新的空中接口,只支持数据业务,下行最高为
2.4Mbit/s,上行153Kbps;•cdma20001xEV/DV在RAN中引入新的无线技术,在CN中引入全IP体系结构该规范同时支持话音和数据业务,数据速率最高为
3.1Mbit/s上述几种3G的增强型技术,其技术能力已经远远超过了当初定义的最高2Mbit/s的数据速率,目前均已经被ITU接纳为国际标准业界所说的3G技术,实际上就是指在ITU被接受为3G标准的技术目前主流的3G技术包括•WCDMA增强的HSDPA;•cdma20001x及增强的1xEV/DO、1xEV/DV;•TD-SCDMA技术
三、第三代移动数据网的组成及其演进
1.UMTS网络的组成UMTS网络(R3)的结构如图1所示,它由用户设备UE、无线接入网(UTRAN)和核心网(CN)三个部分组成UE与UTRAN之间的接口为Uu,UTRAN与CN之间的接口为IuUTRAN由许多无线网络子系统(RNS)组成,每个RNS包括一个无线网络控制器(RNC)和多个(至少一个)节点NodeB各个RNS的RNC之间通过Iur接口交互信息NodeB包括一个或多个小区,并通过接口Iub与RNC相连NodeB的功能类似于GSM网络的BTS,它支持FDD模式、TDD模式或双模式而RNC类似于GSM网络的BSC,它控制UE的切换,具有合并/分离功能,支持在不同NodeB之间的宏分集UMTS核心网结构类似于GSM/GPRS的核心网,包括电路交换域(CS)和分组交换域(PS)CS域主要由3GMSC/VLR和3GHLR组成,并与PSTN网络相连;PS域主要由3GSGSN和3GGGSN两个节点组成,与Internet和PDN相连
2.UMTS网络的实现目前,在2GGSM/GPRS网络基础上实现3GUMTS网络有两种基本的方案一种是“2G与3G无线接入网独立/核心网共用”方案,该方案将GSM/GPRS网络的核心网的CS域和PS域的设备(MSC/VLR、SGSN、GGSN等)升级以适应3G的要求,并后向兼容2GUTRAN的RNC分别通过Iu-CS和Iu-PS接口与升级后核心网的CS域和PS域相连另一种方案是“2G与3G网络完全独立”方案比较而言,前一种方案是“演进型方案”,投资相对较少,但CN升级、调试和维护比较麻烦,不利于向全IP网络过渡;而后一种方案是“重建型方案”,投资相对较多,但建设方便,有利于向全IP网络过渡
3.UMTS网络向全IP网络演进从1999年底3GPP就开始研究UMTS向全IP网络的演进主要有两个目的一是使传送层与控制层相互独立,以便于实现新的应用二是便于优化接入网的运行和维护UMTS网络向全IP网络演进可以按核心网和无线接入网独立进行
(1)核心网的演进在CS域,向下一代网络(NGN)演进,其中MSC功能分为控制面部分(MSC服务器)和用户面部分(媒体网关MG)MG将来自PSTN的呼叫转换成VoIP在CN上传送这在R4版本中已提出在PS域,引入基于IP的多媒体子系统IMS,以支持IP多媒体业务,如IP语音(VoIP)和IP多媒体(MMoIP)利用分组交换网络传送控制面和用户面的数据,同时处理所有移动性(切换)功能这在R5版本中作出了规定
(2)无线接入网的演进在UTRAN中采用IP网络,所有NodeB和RNC都通过IP边缘路由器与该IP网络连接因此,NodeB、RNC、CN之间接口(Iub、Iur、Iu-CS、Iu-PS)的信令和数据都通过IP网络传送这在R5版本中作出了规定基于IP的UTRAN网络与L2层无关,可以由目前使用的GSM和UMTS传输设备来支持IPUTRAN网络有以下几个优点NodeB和RNC之间的映射更灵活;可以有效地利用传送资源、降低运行成本;有利于网络体系从分层型向分布型演进,有利于无线接入网向NGN演进当然,IPUTRAN网络的QoS问题是特别要注意的问题
4.cdma2000网络3GPP2所定义的cdma2000网络体系结构如图2所示,它类似于GSM/UMTS的体系结构在PS域中,PDSN分组数据交换节点相当于UMTS中的SGSN和GGSN;在移动性管理选路机制方面,3GPP2采用移动IP协议,而UMTS采用类似移动IP的GTP协议在CS域中,3GPP2采用ANSI-41MAP信令,而3GPP采用MAP信令3GPP2关于全IP网络演进的研究类似于3GPP
四、第三代移动数据网的选路技术3GPPUMTS网络的核心网中的IP选路机制是采用移动性管理的选路机制,它的选路原理类似于移动IP协议,也可称为无线IP随着3G网络向全IP网络和4G演进,该选路机制将由移动IP来取代
1.为什么要在3G核心网中实现MobileIP
(1)目前网络选路机制的状况•目前蜂窝无线网-
2.5GGPRS网络和3G核心网中选路机制采用专用的WirelessIP协议这是一种基于IP的选路协议,其选路机制类似于MobileIP•固定IP网络选路机制采用常规IP选路协议和MobileIP协议•无线蜂窝网的核心网通过外部接口与固定IP网络互联外部接口协调两种选路机制,将两种不同的选路机制结合在一起,形成无线互联网使得无线网络的移动终端可采用无线IP技术通过无线接入网和核心网接入互联网,从而获得互联网提供的各种服务
(2)无线蜂窝网的核心网上实现MobileIP的必要性互联网是世界上最大的、发展最迅速、最有活力的计算机网络随着技术的发展,它正在逐步实现、将来可全部实现所有的电信业务因此,互联网成为世界上各种电信业务的一个统一通信大平台各种无线网络作为互联网的无线扩展,并统一选路机制是必然趋势,也是唯一的选择无线网络中核心网无线IP选路机制存在的主要问题核心网在与互联网连接时,核心网相当于互联网的承载物理网络,即核心网的网络层相当于互联网的链路层,这种有缝连接会引起以下问题•核心网中的隧道技术采用了加重型的封装技术(IPoverGTPoverTCPoverIP),即三重封装开销大,占用网络资源多、效率低、IP包传送时延大,这对无线Internet上移动多媒体通信业务的QoS带来极为不利的影响•核心网的外部接口进行协议和信令转换也增加了额外的开销,对可靠性也不利造成上述问题的原因是,移动通信网协议和MobileIP协议研发的历史过程造成的因在研发2G/
2.5G网络时(90年代中期),MobileIP刚提出不久,还不够成熟同时由于蜂窝无线网络本身的复杂性,在这种情况下分开研发是必然的
(3)无线蜂窝网的核心网上实现MobileIP可行性MobileIP与核心网的WirelessIP都是基于IP的选路协议,它们的选路机理相类似,并在
2.5G/3G核心网中互联目前,3GPP正在研究这个课题
2.如何在3G核心网中实现MobileIP•MobileIP与WirelessIP的特征技术比较•3G核心网WirelessIP向MobileIP演进过程的最终目标用MobileIP选路机制取代UMTS核心网的选路机制,实现3G核心网与互联网的无缝连接要解决的主要技术问题(具体要求)
(1)核心网的GSN节点GGSN,SGSN统一成IGSN节点(InternetGSN),作为Internet的一个FA节点,提供MIPFA的功能,实现代理技术替代
(2)以MIP作为核心网的选路协议(取代GTP协议),实现隧道技术替代
(3)对无线接入网和原核心网的有关信令改动尽可能小•采取演进的策略由外及里(由骨干网到核心网)、分步实施、平滑过渡,逐步解决上述的主要技术问题,实现演进过程的最终目标
3.演进的三个阶段
(1)第一阶段•演进措施核心网的部分(至少一个)GGSN节点实现MIPFA功能
(2)第二阶段•演进措施在核心网中全部GGSN节点实现MIPFA功能,修改GTP;
(3)第三阶段•演进措施在核心网中所有GSN(GGSN和SGSN)节点都实现MIPFA功能两种节点(GGSN和SGSN)聚合为InternetGSN(IGSN)节点,并保留原有GGSN和SGSN节点的功能移动数据通信讲座第三讲移动数据网的演进(下)第三代和第四代移动数据网张力军(南京邮电学院南京210003)摘要本文简要介绍服务质量QoS的基本概念、互联网QoS保障机制、第三代移动数据网的服务质量和第四代移动数据网关键词服务质量综合服务区分服务流量工程MPLS3G4G
四、服务质量(QoS)的基本概念
1.问题的提出网络为用户提供各种通信业务(如语音、数据、图像、多媒体等)都必须满足一定质量要求根据人的感官对信息接收的实时性要求,通信业务可分为实时和非实时两种,实时性业务(如语音、视频)对质量的要求比非实时性业务(如数据、静止图像)更高更严格不同类型的网络对业务质量的影响是不同的在基于分组交换的数据网络(如分组数据网、移动数据网、互联网等)中,信息以分组形式在网络中传送,网络中的节点采用存储转发机制进行转发网络节点和通信信道的资源是网络中所有信源的通信过程共享的,当网络中有过多的通信过程发生时,由于节点处理能力和信道带宽的限制,有可能产生拥塞现象,分组时延变大;分组时延也随通信流量大小而变;当时延超过一定限度时,可能引起分组丢失;在移动数据网中,无线信道的带宽限制比较突出,信道衰落和切换所引起的分组丢失更为严重,等等因此,网络本身的机制和一些特有的因素使通信业务的质量得不到保障这一问题解决方案就是,为用户提供通信服务的网络必须在原有基础上增加服务质量(QoS)保障机制,它是一种端到端的处理机制
2.QoS分层模型根据网络的体系结构和对QoS参数影响的特点,我们可以建立网络QoS分层模型,分为应用层、系统层操作与通信系统和网络设备层每一层都包含QoS参数和相应的QoS保障机制从用户起逐层向下提出QoS要求,下一层对上一层提供QoS服务各层的QoS机制相互协调工作,以满足用户的QoS要求QoS可以用QoS参数来定量描述分层模型中,不同层的QoS可以用不同的QoS参数来定量描述应用层-图像分辨率、帧率、同步质量;系统层-比特率、流内与流间同步容限;网络层-比特率、时延、时延抖动、错误率等一般在多媒体系统中,QoS参数包括流媒体的性能参数(比特率、时延、时延抖动、丢包率)和同步参数各层QoS参数的转换称为QoS映射
3.QoS保障机制QoS保障机制包括QoS规范和QoS机制两大部分QoS规范主要是为网络通信业务提出服务质量的要求,主要包括QoS参数和QoS管理策略,它是设计网络QoS保障机制的技术依据QoS参数可以定量描述(如上述模型中各层QoS参数用具体的技术指标表示),也可以定性描述(如服务等级)QoS参数决定网络的服务质量,亦即通信业务的质量QoS机制就是网络根据QoS规范对可利用的资源进行配置和管理的处理方式QoS问题的实质是资源问题,QoS保障机制实质上就是网络为通信业务提供资源的保障所谓“资源”是指CPU处理的能力、存储器(缓存器)的大小、信道带宽等QoS机制可以用一系列的规程来表述,其中包括资源管理功能该规程和功能实体驻留在网络各节点的QoS各层次上QoS机制由三部份组成•QoS预备机制-在通信建立和端到端重新协商时对资源管理,它包括QoS映射、QoS协商、接纳测试和资源预留/分配等功能•QoS控制机制-在业务流传送过程指对资源实时管理,它包括流调度、流成形、流监管和流量控制等功能•QoS管理机制-在通信经过一段较长时间后,根据对质量的监测结果对资源进行调整,它包括QoS监测、QoS维护和QoS缩放等功能
五、互联网QoS保障机制传统的互联网(IP网络)是一个“尽力而为”的网络,没有QoS保障机制近十年来IETF为互联网的QoS保障机制提出了以下几种解决方案(服务模型和机制)
1.IntServ/RSVP(综合服务/资源预留协议)IntServ模型的基本思想是,在端到端的通信路径上通过资源预留来提供QoS保障,其核心是RSVP信令协议它提供两类QoS服务•GS服务(保障服务)—时延及其抖动在预定限制范围内,GS主要用于实时业务;•CL服务(受控负载服务)—主要用于要求可靠传输、增强的尽力而为业务该模型是基于流的解决方案,实现了端到端的QoS保障但是,由于需要对每一个流进行单独管理,因而扩展性不好;而且要求在业务流的路径上所有路由器都支持该模型的4项功能(RSVP信令协议、接纳控制、包分类器和包调度器)
2.DiffServ(区分服务)DiffServ模型的基本思想是,按QoS要求对业务进行分类,并对不同类型提供不同的服务该模型包含3个要素•SLA服务等级-用户与ISP签订SLA,对规定服务等级(最大数据速率等);•DS字段-相当于IPv4的服务类型(TOS),用DS的编码来标识服务的类型(优先权和传输类型);•PHB每跳行为-对不同类型的业务流进行不同的队列处理(排队、转发方式、丢弃策略)该模型是基于类的解决方案,网络边缘路由器对业务流进行SLA检测、分类及其相应的队列处理,而网络核心路由器只对DS字段的标识进行相应的队列处理可见,该模型将对业务流的复杂的处理推向网络的边缘路由器,而网络核心路由器的工作负担较轻因此,该模型实现比较简单,在网络中具有良好的扩展性;但它不能提供端到端的QoS保障,只是提供一种相对的(区分的)服务质量
3.MPLS(多协议标签交换)常规的IP网络的选路是根据路由表进行操作处理的,比较复杂IETF提出MPLS协议,可以加快包的转发,为QoS保障提供一种新的解决方案MPLS协议驻留在ISO模型的链路层与网络层之间,MPLS支持多种网络层协议该协议有3个要素标签(Label)、标签分配协议(LDP)和标签交换路径(LSP)MPLS包的包头夹在链路层包头和网络层包头之间MPLS包头包含Label标签和COS服务等级字段支持MPLS的路由器称为LSR标签交换路由器,它根据标签进行包的快速转发MPLS通过LDP协议来建立LSP路径,同时在LSR中建立一张以标签为索引的转发表,说明对每种标签的包的处理方法数据包在进入MPLS网络时在入口LSR中进行分类并用MPLS包头封装,然后进入MPLS网络在MPLS网络内部的核心LSR中只需根据MLPS包头中的标签查找转发表,并进行相应的转发处理,这个过程比常规路由表操作快得多当数据包到达MPLS网络出口LSR时,删除MPLS包头
4.流量工程和基于约束的选路(CBR)在实际网络中,往往网络的业务流量分布不均衡,流量大的地方网络资源欠缺,必须采用QoS保障机制才又可能到达业务流的QoS要求;流量小的地方网络资源相对富余,不采用QoS保障机制才也能达到业务流的QoS要求因此,我们可以采用网络流量均衡的方法来提供QoS保障,这是流量工程的基本思想和出发点而基于约束的选路则是实现流量工程的一个重要手段,它是从QoS选路演变而来的基于约束的选路不仅要考虑QoS,而且还要考虑网络流量均衡的要求
5.小结IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS和基于约束的选路(CBR)在互联网协议栈中的位置如图1所示它们之间的相互关系如下•CBR与DiffServ的关系CBR支持DiffServ更好地传送数据包,但不能代替DiffServ•CBR与RSVP的关系两者相互独立而互补CBR确定RSVP信令的路由,但不预留资源;而RSVP预留资源,但依赖与CBR选路•CBR与MPLS的关系CBR是一种选路机制,MPLS是一种转发机制,在理论上两者是相互独立的但如果两者结合起来使用,可以为流量工程提供强有力的工具,避免网络拥塞,改善网络的性能
六、第三代移动数据网的服务质量与互联网相比,移动数据网提供QoS保障的难度更大,尤其是无线接入网的带宽资源与传输可靠性等因素的限制要求移动数据网采取更为复杂的资源管理和可靠的传输机制来保证QoS第二代移动数据网(GPRS)QoS有四种属性优先权、可靠性、时延和用户数据的吞吐量QoS的实现大致有两个过程一是在高层会话(SM)连接时通过PDP上下文激活过程进行QoS的协商和建立,此过程将用户预订的QoS要求变换(或映射)成GPRS系统的QoS参数值;二是低层(RLC/MAC)的无线资源管理(RRM)和媒质接入控制(MAC)功能根据系统的QoS参数值来分配资源对实时业务来说,当前GPRS的QoS能力有以下几方面的局限性
(1)QoS能力的单一性
(2)QoS能力的不确定性例如,时延、吞吐量等参数的实际值与期望值可能有很大的差距,难于达到预期的QoS要求
(3)BSS无有效的资源管理能力,这对QoS能力有直接影响第二代移动数据网在一定程度上为用户提供QoS能力及其管理机制,但与实时业务的QoS要求差距较大第三代移动数据网由于有更高的带宽资源,采用了更复杂的QoS管理机制,可以大大提高QoS能力,能满足多种业务的QoS要求3GPP提出了UMTSQoS体系,包括网络结构、QoS能力要求、UMTSQoS分层结构模型、QoS管理功能、增强型的PDP上下文、业务分类以及QoS的网络互联等简介如下
1.UMTSQoS能力UMTS主要在2个方面增强了QoS能力一是改进PDP上下文的机制,支持各种分组业务,提供更灵活的QoS协商和建立机制;二是在UTRAN中增强了BBS的能力,以改善分组QoS能力,从而提高网络端到端的QoS能力
2.UMTSQoS分层结构模型在UMTS体系中,承载层服务bearerservice定义了端到端业务中实现一致的网络QoS的特征和功能在UMTS网络中,UMTS控制面信令用来建立一个符合端到端QoS要求的适当的承载层服务一旦该承载层服务建立起来,用户数据面传送和QoS管理功能将支持实际的承载层服务在UMTS中,端到端的承载层服务是通过分层结构来实现的,如图4所示该模型共分5层由上而下每一层承载层服务是低层的一个或多个承载层服务的组合,各种不同的承载层服务都是在PDP上下文激活过程中建立起来的在第4层中,终端设备(TE)如PDA、笔记本机、手机等经由MS连接到UMTS网络每一个TE使用一个本地承载层服务(localbearer)UMTS承载层服务(UMTSbearerservice)是由网络运营商提供的,它提供UMTS网络内的QoS并执行与外部网络QoS互联的功能外部承载层服务(externalbearerservice)支持外部网络的QoS能力,如区分服务、基于RSVP的服务或尽力而为服务由第3层可看出,UMTS承载层服务由无线接入承载层服务(Radioaccessbearerservice)和核心网络承载层服务(CNbearerservice)组合而成,等等应当指出,为了实现端到端QoS要求,必须用单一的机制将不同承载层服务提供的QoS“捆绑”在一起增强型的PDP上下文及其激活规程是实现这种机制的关键
3.UMTSQoS的管理功能为了实现各种承载层服务的QoS能力,UMTSQoS体系在控制面和用户数据面设计了以下5种功能模块其设计的主导思想是“统一协调,各负其责,尽力确保,量力而行”,以保障QoS达到预期要求
(1)接纳控制(AdmissionControl)模块—其功能是维护有关可利用和已分配资源的信息,确定是否有可利用的资源分配给每一承载层服务的请求若有,则预留资源
(2)承载层服务管理器(Bearerservicemanager)—负责协调控制面信令,以建立、修改和维护特定的承载层服务,并将高层的承载层服务QoS属性变换到低层承载层服务QoS属性
(3)资源管理器(Resourcemanager)—负责按照特定的承载层服务对资源的接入进行管理(如调度、带宽管理、功率控制等),以支持该承载层服务所要求的QoS的属性
(4)业务量调节器(Trafficconditioner)—负责协调输入业务流和承载层服务要求的技术指标的一致性,它是通过业务流的整形和调整策略来实现的
(5)分组分类器(Packetclassifier)—它在MS和GGSN中将各自承载层服务管理器收到的分组分派到正确的UMTS承载层服务
4.QoS业务分类在UMTS中,根据时延、比特率、误比特率、优先权等QoS属性的要求将分组业务分为4种类型
(1)会话型—是实时性业务,如可视电话网络分配固定的资源给该业务
(2)业务流型—如视频下载它容许时延有一定变化
(3)交互型—如电子商务该业务对吞吐量和响应时间有较严要的要求,须有较高的调度优先权
(4)基本型—是传统的尽力而为业务,如email和文件下载该业务的优先权是最低的
5.增强型的PDP上下文增强型的PDP上下文采用主、次上下文的形式来支持新的应用业务QoS的要求MS、SGSN和GGSN能够在任何时刻修改任何PDP上下文的QoS层次PDP上下文激活规程把UMTS网络中QoS预备机制的各个方面(QoS请求、接纳和承载层建立等)捆绑在一起
6.UMTS核心网的QoS能力UMTS核心网是基于IP的运营商的内部网或互联网如果核心网有充足的带宽资源或者具有ATM或其它技术支持QoS能力,那么核心网的QoS能力有保障我们也可以用IETF区分服务来保障UMTS的QoS能力UMTS核心网的QoS能力还应包括与外部网络的QoS互联,这是因为UMTS的QoS机制与外部网络QoS机制(如IETF的QoS机制)不同的缘故解决两种网络QoS互联就要求提供QoS参数的映射功能这可以在MS中利用适当的API作为QoS的接口并利用QoS信令协议,将信令协议中的QoS参数值映射成UMTS网络QoS参数,然后再用于PDP上下文中的QoS参数
七、第四代移动数据网1999年ITU开始关于第四代移动通信系统(4G)的研究,并建议2010年实现4G的商用目前4G还仅是一个基本的框架,它是各种无线移动和无线通信汇聚而形成的一个统一的“新的全球无线网络”,4G的技术细节有待于深入研究逐步完善近几年来,国际上各大设备制造商都在投入巨资进行4G的技术和设备的研究,成立4G标准研究组织我国对4G的研究已列入863项目,加强国际合作,与国际同步进行目前,业界认为4G的主要目标有以数据通信和图像通信为主;数据速率远高于3G,室外速率20Mb以上,室内速率100Mb以上;多种(包括新的)无线接入网技术、基于IP的移动互联网等4G总的技术目标和特点是以数据通信和图像通信为主、数据速率远高于3G(室外速率20Mb以上,室内速率100Mb以上)、比较完善的QoS保障机制、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性、支持多种业务、支持多种(包括新的)无线接入网技术、全IP的移动互联网等在4G的网络体系中(图3),以IP网络作为核心网通信大平台,各种移动无线网络和数字数据网络通过多媒体接入系统接入IP核心网平台各种移动无线网络的无线接入网、核心网和骨干网都是基于IP的网络;各种移动无线网络都成为互联网的无线扩展,形成比较完善的移动互联网,网络可以为用户通过各种宽带移动无线业务4G的网络移动性管理支持用户的任何移动无线终端在不同性质的接入网之间切换和无缝漫游4G系统的主要的关键技术有先进的数字调制与编码技术,无线链路自适应技术、分集技术,智能天线与MIMO技术,空时编码,软件无线电技术、高性能的功率放大器,高性能的接收机和多用户检测等移动数据通信讲座第四讲移动数据的业务和应用张力军(南京邮电学院南京210003)摘要本文简要先介绍了2G和3G移动数据网的业务和应用,然后着重介绍了目前正在发展的、具有市场潜力的新业务—多媒体业务和移动流媒体业务关键词移动数据业务多媒体业务移动流媒体业务移动数据应用
一、概述移动数据网的“业务”和“应用”是两个有区别而又相互联系的概念“业务”主要是指移动数据网为用户提供的数据服务的能力,“应用”主要是指用户利用网络的数据业务来获取各种形式的信息服务或构建特定的应用系统“业务”是传送信息的手段,“应用”是传送信息目的(信息服务和应用信息系统)业务和应用又都可以从不同的角度进行分类,业务可以按数据的形式、类型、属性、接入和传送方式等分类,应用可以按服务的对象、目的、类型、场合等分类移动数据业务是从短消息业务(SMS)发展起来的,并很快形成短消息的热潮移动数据网支持TCP/IP和WAP,极大地促进移动数据业务的使用目前,运营商正在进一步提供多媒体信息业务MMS、和移动流媒体业务(如视频电话、视频点播)、无线高速上网以及其他移动数据业务
二、2G移动数据网的业务和应用
1.GPRS业务GPRS支持两种类型的分组数据业务点到点(PTP)业务和点到多点(PTM)业务GPRS也允许短消息业务(SMS)在GPRS无线信道的传送PTP业务有两种一种是PTP无连接网络业务(PTP-CLNS),无需端到端的呼叫建立,主要支持突发非交互式应用业务,支持基于IP的网络应用;另一种是PTP面向连接的网络业务(PTP-CONS),支持基于面向连接网络协议(CONS),支持突发事件处理和交互式应用业务,或者X.25的应用PTP-CONS属于虚电路型业务,要求有建立连接、数据传送和连接释放工作程序PTP的应用有e-mail、远程接入企业网WEB浏览、无线POS机、无线数据遥测等PTM业务可用来将同一消息传送到多个用户PTM业务又分为多播业务(PTM-M)和群呼业务(PTM-G)PTM-M是将信息传送给一地域内的所有用户,可用于新闻、交通信息、天气预报、股市行情更新的播送;而PTM-G是利用GPRS多播功能将信息传送给特定的用户群,主要用于集团用户,如出租车和车队管理、无线远程会议等
2.GPRS应用GPRS应用可以按服务对象分为面向个人用户的横向应用和面向集团用户的纵向应用两种类型 对于横向应用,如网上冲浪、Email、文件传输、数据库查询、增强型短消息等业务对于纵向应用,例如运输业车辆管理和调度;金融、证券和商业无线POS、无线ATM、自动售货机、流动银行等;实时信息发布股市动态、天气预报、交通信息等;随时随地接入远程数据库;遥测、遥感、遥控如气象、水文系统收集数据,对灾害进行遥测和告警,远程操作;为企业提供VPN服务,降低企业运作成本
3.GPRS业务解决方案•互联网接入-利用笔记本电脑+GPRS手机接入互联网•GPRS承载WAP业务-GSM网络承载WAP有3种方式短消息、电路型数据、GPRS分组数据,其中与GPRS承载是最佳方式•专网接入业务-以GPRS网络作为承载通道的非透明传输数据,认证方式是企业自认证和运营商代认证•基于手机终端安装的数据业务-利用GPRS手机内置的应用软件提供的业务,分为WAP和互联网应用(包括POP3E-mail和IM即时信息)•基于PDA的数据业务-PDA+GPRS无线接入模块或PDA+GPRS手机,类似于互联网接入方式•专线接入业务-利用GGSN和GPRS网络作为承载通道透明接入业务处理中心,用户接入业务中心权限的认证由MS与业务中心进行GSN通过专用线路(DDN专线等)或者通过ISP直接连接业务中心,不采用VPN方式;也可以通过ISP连接,采用VPN方式接入业务中心专线接入业务主要应用于集团用户•GPRS短消息业务-MS和SC(短消息中心)之间可以通过MSC,也可以通过SGSN发送短消息
三、3G移动数据网的业务和应用
1.3G移动数据网的业务能力3G移动网提供的业务可以被分为基本业务和补充业务两大类基本业务按功能又可分为电信业务和承载业务电信业务是指为用户通信提供的,包括终端设备功能在内业务3GPPR99定义了部分电信业务,如话音业务;点到点短消息业务(SMS-PP),在UMTS和GSM接入网间提供无缝隙的点到点短消息;小区广播短消息业务(SMS-CB),在UMTS和GSM接入网间提供无缝隙的小区广播短消息等承载业务则提供用户接入点间信号传输的能力,如电路承载、分组承载等电路承载的电路交换数据业务和实时数据业务应当同PSTN/ISDN联网提供,分组承载业务应当同其它分组网(如IP网和LAN)联网提供补充业务是对两类基本业务的改进和补充,它不能单独向用户提供,必须与基本业务一起提供同一补充业务,可应用到若干个基本业务中,比如呼叫转移、来电显示等等
2.3G业务平台 3GPP定义的3G业务平台可分为业务承载、业务开发和具体业务提供3个层面•3G业务承载平台—由3G无线接入网和核心网组成•3G业务开发平台—3G规范中没有定义标准的业务,而是定义了业务生成的工具,如MEXE,CAMEL,USAT等,业务开发平台还提供标准应用开发接口(API),便于运营商和业务提供商迅速开发出具有特色的、满足用户要求的多媒体业务无线传输环境和接入方式对业务开发平台都是透明的3G业务承载平台为业务开发平台提供了承载控制、呼叫控制和移动控制等功能•3G业务提供—3G网络能有效地支持移动多媒体业务多媒体业务集合了两种或两种以上的媒体组件(例如语音、数据、图像、影像),并在媒体组件配置和呼叫方连接上具有足够的灵活性多媒体业务一般分为交互式业务和分配式业务两类交互式业务可以是会话、消息或检索型3G终端可以集成各种功能模块(例如浏览器、MP3播放器、游戏、电子银行、个人ID等软件),成为多功能个人事务处理装置,支持3G多媒体业务
3.3G移动数据的应用•短消息应用如收发短消息、话费查询、MP3下载、游戏下载、卡通贺卡、幽默、时尚资讯等小区广播、铃声下载等通信、娱乐和商业应用;•移动互联网应用在移动无线环境下的WWW浏览、WAP浏览、移动E-mail、FTP、移动QQ、信息点播等;•移动定位应用利用3G网络对移动台位置定位业务(LCS)所获得的位置信息,构建各种基于位置信息的应用系统,如紧急救援、位置跟踪、车辆调度、物流管理、车辆导航、车辆防盗、城市地图和导游、基于位置信息的定点内容广播、移动黄页等公共和专业服务、商业服务等应用;•移动电子商务应用如银行交易、彩票、购票、付款、预订服务、股票交易等移动商务应用;•移动多媒体应用如移动流媒体、可视电话、交互式游戏等信息、娱乐和通信应用;•移动VPN应用如大的企业集团用户还可以直接利用3G移动数据网构建自己的虚拟专用网络
四、多媒体信息业务(MMS)在MMS系统中,用户可以发送包括文本,图像,声音在内的多媒体消息除了提供丰富的内容支持外,MMS系统还提供了接收验证,读取验证和预设回复等更为全面的功能它继承了SMS和EMAIL系统的离线工作模式,采用存储-转发机制,消息结构上采用MIME格式进行封装这样保证了MMS系统与EMAIL系统以及其他消息系统之间的相互兼容MMS业务是3G移动数据的特色业务,因为3G高速移动环境支持144Kb/s,步行慢速移动环境支持384Kb/s,室内支持2Mb/s的数据传输因此,3G时代MMS将是移动增值业务的重点对用户来说,MMS业务有六种典型的应用方式
(1)MMS手机发送给MMS手机;
(2)MMS手机发送给一般手机;
(3)MMS手机发送给任一邮箱;
(4)从邮箱发送给MMS手机;
(5)从网上下载多媒体信息至手机,即移动流媒体业务;
(6)从MMS手机发送至个人相册可见,移动流媒体业务是MMS业务中的主要形式之一MMS在现有不同类型网络的承载平台基础上构建多媒体信息业务环境(MMSE),增加MMS应用,提供多媒体信息服务不过由于传输带宽和移动用户终端的特殊要求,只有GPRS或者3G网络才能充分发挥MMS的业务特色,使用户享受到MMS所带来的好处一个完整的MMS系统由MMS终端、多媒体信息中心(MMSC)、MMS用户数据库和外部应用服务器等几个部分组成MMS是3GPP和WAP论坛共同制定的标准,从方向上看WAP论坛主要针对消息结构和打包方式,而3GPP定义消息如何发送,接收和路由MMS业务的实现既可以基于WAP方式,也可以基于IP方式在WAP方式中,移动通信网和MMSC之间通过WAP网关相连,WAP网关提供了实现MMS的标准WAP服务在IP方式中,用IP网关取代WAP网关,MMS终端于IP网关之间采用TCP协议
五、移动流媒体业务和应用
1.移动流媒体业务在网络上传输音频视频(A/V)等多媒体信息,目前主要有下载和流式传输两种方案由于A/V文件一般都较大,下载传输方案的特点是“先下载后观看”,所以要求终端具有较大的存储容量;同时由于网络带宽的限制,下载时间长、观看启动时延大(几十分钟~几小时)而流式传输方案可以克服下载传输方案的缺点流式传输的特点是“边下载边观看”,所以终端只需要较小缓存容量,启动延时很短(几秒或十几秒)流媒体业务将成为互联网业务的主流之一,并将推动互联网整体架构的革新以宽带为基础,流媒体不仅可以进行单向的视频点播,还能够提供真正互动的视频节目,如互动游戏、三维动画等移动流媒体业务是互联网流媒体业务的无线扩展同样,它也将成为移动互联网的主要业务之一,并且随着移动数据网从2G向3G演进,随着网络和技术的发展,移动流媒体视频业务将成为移动视频业务的主流移动流媒体业务对市场的吸引力越来越大,应用越来越广泛
2.移动流媒体应用目前,互联网流媒体业务在国内应用最多的行业是教育,其次是广电、政府和电信,而企业中应用得较少目前,流媒体业务在企业里的主要应用包括职工培训、信息发布、产品介绍、远程监控、视频会议和客户服务等视频会议系统适用于那些有分支机构的企业,或者需要经常和合作伙伴交流的企业视频会议系统可以明显地提高工作效率、降低企业运作成本,视频会议的应用将越来越多移动流媒体业务将成为3G移动视频市场的主要应用,其主要应用可以简单分为•信息服务包括财经信息、新闻和体育等•娱乐包括卡通、音乐视频、视频广告和电视节目的精彩片断•通信包括视频信息和视频电话/会议•移动流媒体视频业务在未来几年将会有很大发展移动流媒体业务的用户数将会不断增加,预计2007年初,移动流媒体视频用户在流媒体总用户中将占20%以上,约为7300万用户移动运营商获得移动流媒体视频业务收不断增加,预计2006年全球移动流媒体的收入将达到34亿美元其中,通信类业务将是移动流媒体的主要收入来源,达到23亿美元
3.移动流媒体系统
(1)移动流媒体平台目前,在互联网上使用较多的流媒体技术之一是RealNetworks公司的RealSystem,它具有三种典型业务模式点播、直播、下载,并且支持目前联通CDMA网和中国移动GSM网要求的所有流媒体格式另外其他系统相比,该系统的服务器和客户端的平台比较广泛,Unix,Linux,WindowsNT都可以支持,并且在Unix的平台上能够支持很多的用户,达到很稳定的效果因此,RealSystem是实现移动流媒体平台一种比较好的选择方案,用RealSystem搭建的流媒体平台实现如上图所示该平台由以下几种服务器组成•2台多媒体管理平台服务器;•16台点播/直播服务器(主/备用),通过4层交换机实现业务的负载均衡;•8台下载服务器(主/备用),通过4层交换机实现业务的负载均衡;•2台内容分发服务器(主/备用),通过4层交换机实现业务的负载均衡;•采编服务器,配置视频捕捉卡,对直播节目源进行编码上述方案在单节点情况下满足2万用户并发使用下载服务,3万用户并发使用点播/直播服务,采用50%的冗余服务器如果有更多用户,则要扩展多节点模式系统采用多节点服务器来减轻中心服务器的压力,用户连接时系统总是寻找最近的流媒体服务器,如果该服务器上没有才从中心服务器复制实况直播时采用这种结构进行分流,中心服务器将实况流传给所有节点服务器;Vod点播时流媒体服务器具有Cache功能,当后一个用户点播的和前一个用户点播内容相同时,不需要重新打开,节省时间,加快速度
(2)智能手机近一年来,制造商陆续推出的功能强大的智能手机支持MMS业务和移动流媒体视频业务,如最新研制成功的多普达535型智能手机在软硬件上都具有极高的配置64M内存,133MHz的CPU,65万色TFT的显示屏,内置摄像头和蓝牙,Smartphone2003简体中文版操作系统、内置IE浏览器和WindowsMediaPlayer多媒体播放器,支持存储卡扩充,支持WAP和GPRS无线技术该手机不仅能通话、拍照、拍摄录像、发短信和彩信,而且能在手机上随时随地观看电视新闻,欣赏电影、MTV、MP3和各种在线影视及音乐,玩各种新颖丰富的3D游戏和网络游戏,用MSN和QQ进行在线聊天,登陆WWW网站,阅读新闻和电子地图,查看实时股市行情,查看航班动态和订购机票,收发电子邮件等等。