无线ATM网络体系结构及MAC层协议研究

摘要：无线ATM网络作为宽带多媒体通信的一种解决方案，近年来得到了广泛的研究。基于高速率、高可靠性的光纤信道的ATM网络扩展到无线环境面临着许多问题。本文介绍了无线ATM网络体系结构、协议栈、应用特点和关键技术，并重点讨论了无线ATM网络的MAC层协议。

关键词：无线ATM；媒体访问控制；时分多址

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)03-10691-02

1 引言

基于光纤传输信道的ATM网络具有良好的QoS保证、吞吐量大、支持综合业务等特点，广泛应用于实时多媒体通信和军事通信领域之中。随着便携式多媒体计算机、个人数字助理(PDA)、Internet和移动通信的快速发展，在无线环境尤其是移动环境下向用户提供多媒体通信业务，已成为通信技术发展的新方向。无线ATM网络是以现有ATM骨干网为基础，增加无线寻址接入功能、移动管理功能，为用户提供高速实时多媒体业务传输能力。WATM可在无线环境下支持多媒体业务对QoS的要求。目前WATM技术作为解决宽带无线多媒体通信的一种手段也越来越得到人们的重视。

本文首先讨论了无线ATM网络的特点及应用领域，进而分析了网络的体系结构、协议栈和关键技术，并重点讨论了无线ATM网络的MAC层协议。

2 无线ATM网络特点及应用

2.1 无线ATM网络的应用

由于宽带的有线骨干网技术尤其是ATM技术日臻完善，无线ATM网络的目的就是在ATM骨干网的基础上实现端到端的ATM连接，以提供质量可保证的各种服务，如ABR、VBR、CBR和UBR等。无线ATM技术可以作为有线主干网络的无线接入手段，终端通过无线方式接入到固定的ATM骨干网络，终端可以是便携或手持式的移动小型设备，也可以是一台固定的工作站、PC机或其它宽带终端。图1给出了无线ATM终端接入ATM骨干网的示意图。

图1 无线ATM终端接入ATM骨干网

2.2 无线ATM网络的特点

宽带无线ATM接入网的主要目标是使无线终端在一定QoS（服务质量）保证下具有高速数据和多媒体业务传输的能力（数据率一般超过2Mbit/s），同时具有速度受限的移动通信能力。宽带的有线骨干网技术尤其是ATM技术日臻完善，为无线终端开发宽带高速业务提供了参考和依据。其次，移动通信以及个人通信近年来得到了飞速发展，它在无线网络结构、移动性支持、多址方式、无线传输等方面为宽带无线接入网的研究奠定了基础。同时，小型、可靠、高性能的便携式PC、个人数字助理（PDA）的出现为移动多媒体通信的实现提供了可能的通信终端。基于无线ATM接入网的移动多媒体通信系统应该具有下述特征：

(1)为方便互联，无线ATM信元与传统ATM信元应具有简单映射关系；

(2)提供服务质量可保证的各种多媒体业务，传输速率应至少在2Mbit／s～156Mbit／s；

(3)用户可以无线移动方式接入宽带综合业务数字网（B-ISDN）/ATM骨干网络；

(4)系统可以采用分布式组网，也可以采用蜂窝式组网，用户之间通信可以采用直接方式，也可采用通过基站转接方式。

3 无线ATM网络协议栈

无线ATM网络协议栈具有三个平面，如图2所示：

3.1 控制平面

提供信令处理功能，有呼叫和连接控制功能，为有效利用无线信道，基站设置无线信道控制器，无线控制支持无线接入层的控制功能、支持与ATM网的结合；

3.2 用户平面

用来传送用户数据、流量控制、差错控制和其他用户功能信息。

3.3 管理平面

提供层管理和平面管理两种不同的功能。层管理执行与各层实体中的资源和参数有关的管理功能，平面管理则执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。平面管理不分层次。这两种管理共同完成整个网路的维护和运行功能。

由于无线ATM网络采用的无线传输信道与ATM骨干网所采用的光纤传输信道具有很大的差异，一些新的问题，如介质共享性、广播性、较长的传输延时、较高的信道误比特率以及信道衰落的影响等等，必须加以解决。因而无线ATM除了具有与ATM相同的ATM层、AAL层以及信令部分外，还要增加与无线通信有关的无线物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、数据链路控制层(DLC)，以及相应的无线控制功能，这样才能在无线网络中实现ATM服务。另外，无线ATM通信网要支持移动用户，因此网络应具有移动管理功能。当无线ATM通信网采用微蜂窝小区形式的网络结构时，越区切换控制就成为移动管理的一项关键技术。除了协议分层和参考模型外，目前对无线ATM的研究主要集中在介质访问控制协议、差错控制、越区切换等几个方面。

4 WATM MAC层协议

由于无线链路的共享性、广播性，以及无线ATM网络需要支持多种业务的综合传输与交换，设计性能优异、可保证各种业务(如ABR、VBR、CBR和UBR)端到端服务质量(QoS)的多址访问协议(MAC)显得十分重要。同时，无线ATM的MAC协议还需具有较高的频谱利用率和较小的处理延迟。目前，已提出的MAC协议有多种，一般说来，无线ATM的MAC协议都采用了信道动态分配算法来支持业务速率的可变。在经典的蜂窝式无线ATM网络中，MAC层协议的选用与实际系统的物理层（PHY）数据传输方式紧密相联。扩频通信技术在无线通信领域具有较多优势，无线ATM网络的物理层也可以采用扩频通信方式，但是扩频通信需要很宽的频谱，使得用户峰值速率受到限制，所以基于CDMA的MAC协议较少采用。目前无线ATM网络中使用较多的是基于时分多址（TDMA）接入的MAC层协议。基于时分多址接入技术的MAC层协议，可以采用两种复用方式TDD和FDD方式。采用TDD复用方式的系统中，移动台和基站之间通信的上行链路和下行链路分别使用相同的载波频率和不同的时隙；采用FDD方式的系统，上行链路和下行链路分别使用不同的载波频率。

5 WATM其他关键技术

5.1 差错控制技术

ATM骨干网络是基于高传输速率和低误码率的光纤信道而设计的，无线ATM网络接入是基于无线信道的。无线信道具有多径和时变特性限制了无线链路中的传输速率，误码率高且呈突发型分布，差错控制的目的是在信元传送到ATM层之前采用纠错编码技术，减少无线信道对信元差错率的影响，因此来提高物理层的传输性能。同时，由于无线ATM需要支持多种业务，而各种业务对差错率的要求各不相同，例如话音业务对延时比较敏感，但对BER的要求不高；而数据业务对BER的要求很高，但对延时不敏感。因此，无线ATM的差错控制应针对不同的业务采用不同的方式。目前采用的差错控制技术有信元头差错控制（HEC）、正向纠错（FEC）、交织纠错、自动请求重发（ARQ）等技术。

5.2 越区切换技术

无线ATM通信网要支持移动用户，因此网络应具有移动管理功能。当无线ATM通信网采用微蜂窝小区(pico、micro-cellular)形式的网络结构时，越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线ATM网与现有的移动通信系统(如GSM)相比具有一些不同的特点。例如，无线ATM网可支持多种类型的业务(话音、数据、图象等)以及多速率业务的通信，越区切换时需保证各种业务的服务质量(QoS)不恶化；ATM信元字头没有序号字段，越区切换时可能出现信元次序混乱，造成信元丢失；现有的ATM网络采用固定VP／VC连接方式(即固定路由)，而越区切换需更新原来的连接，重建路由等等。这些变化要求必须研究适用于无线ATM网络的切换控制方案。总的来说，在无线ATM网络中进行越区切换时，应尽量减小越区切换对多媒体业务服务质量(信元丢失率、延时等)的影响，使多媒体业务的QoS在越区切换时仍然能得到保证。

6 结束语

本文讨论了无线ATM网络的体系结构及关键技术，并对无线ATM网络的MAC层协议进行了重点讨论。无线ATM局域网技术是标准ATM的一种扩展，是正在发展中的技术。目前无线ATM局域网技术已经从概念走向研究开发的阶段，并逐步实现产品化和标准化。ATM具有良好的QoS保证、吞吐量大、支持综合业务等一系列优点，实现ATM技术和无线技术的结合，即无线ATM(WATM)技术，在解决无线宽带多媒体通信方面具有重要意义。

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