4G无线个人通讯网络关键技术研究
于纯妍 刘亚清分享
摘要下一代无线系统应该提供给用户更高的宽带服务，并且透明地将技术集成到系统环境中，从而实现位置无关性。这样就需要整合异构网络和不同协议。无线个人网络（WPN）是这种异构体系结构中不可或缺的一部分。在现有的经济条件下，这是集成现有无线系统的令人期望的解决方案。整合不同系统之间协议的关键是IP应用。基于这个角度，本文展望了实现一个适应目前和未来个人无线通信网络和服务的体系结构所面临的困难和挑战，并探讨了可能的解决方案。
关键词WPN，PCOL，WAF，Ad hoc
1 前言
随着无线和嵌入式技术的不断发展，无线通信网络的重要性日益显著。一个有发展潜力的4G无线个人通信网络（WPN）的框架，应该提供给用户更高的带宽服务；透明地将技术集成到系统环境中，从而实现位置的无关性； Internet技术和新WLAN可以很好地协同ぷ鳎?⑶以市砣嗣呛臀挥谑澜缛魏蔚胤降暮献骰锇榛蚋髦智度胧较低辰?型ㄐ藕徒换ァＡ硗猓?褂δ芄晃薹斓丶?梢帕粝低澈托孪低场１疚奶教至耸迪终庋?桓隹蚣芩?媪俚闹饕??押吞粽剑?⑶姨致哿丝尚械慕饩龇桨浮?lt;/DIV>
2 WPN发展带来的挑战
WPN所面对的挑战和其他网络非常相似，即目前还很难适用于那些具有有限资源的小型移动设备。这一点可以体现在以下这些特殊的需求上。
⑴ 比特率和设备容量的可扩展性将是体系的一部分。实际的网络必须是异构的而且支持异构网络之间的相互通信。
⑵ 为了支持不同网络之间的通信，面向无线节点的中间介质间必须依靠从源节点到目的节点的信息。另外，除了MANET路由方案，还应该有一种到基干网络的透明连接机制。
⑶ 无线TCP是当前的一个研究热点，特别是关于MAC层和上层之间的通信上。在异构网络环境下，由于不同类型的MAC层和物理层的共存，使得这个问题更加复杂化。
⑷ 另一个基本需求是安全和隐私问题。作为一个必须具有的功能，在无线通信中更易遭受各种攻击的情况下就变得更具挑战性。在系统设计时完成提供一个端到端的安全体系是很困难的；如果放到系统建成之后再去加强安全方面的功能也是非常困难，代价非常的昂贵。
⑸ 网络无处不在以及个性化的发展趋势带来了额外的复杂需求。这样，不仅仅需提供应用和服务，而且还应该考虑用户的喜好，注重个性化服务。
⑹ 还需要新的控制层来协助中间层通信，完成全局管理任务以及进行一些不可避免地分层管理工作。欧洲的IST协作R&D项目――PACWOMAN[2]和6HOP[3]正在致力于解决所提到的难题。
3 可行解决方案
3.1可扩展性
在IEEE802.15中，IEEE802.15.4a协议组正在设计低容量无线接口，也正在考虑支持超宽带技术（Ultra- Wideband），但要保证其他的方案如混合OFDM也能良好运行。为了支持LDR设备和其他设备的互相连接，除了物理层和链路层，还有另外一个重要的方面需要考虑。IP可以被用作一种“粘合”技术，但是LDR终端可能不具有这种功能，因为它们可能不是完全IP适应的，所以应该开发其他的方式。一些 LDR设备是和轻量级的操作系统合为一体的，具有一个简化的IP栈。因此对于现实的组合网络，完全IP适应方式不是最合适的。相反，我们假设一个不同的策略，其中一簇LDR终端受一个功能比较强大的LDR终端控制，该LDR终端的特点是有一个双协议栈，目的是允许LDR和外部设备通过传统IP通信来相互连接。这种方式需要网络中有许多这样的LDR终端。
3.2增强Ad hoc路由
Ad hoc网络使得下一代WPN网络实现的可能性大大增加。MANET项目组已经走出了第一步，通过指定基础协议来支持多跳网络中的通信。但是在包含成百上千个节点的网络中迫切需要一种通用实现方式，而且具有很好的流动性。需要理解ad hoc路由机制，例如，MIT已经得出了一些有趣的调查结果，结果表明有时候“最短的路径是不足够的” [4]；跨层协议优化需要有一个通用的框架，这个框架允许过过众所周知的接口访问需要的信息。
3.3主干网络的互相连接
下一代WPN需要全球范围内的无缝连接。用户可以在任何时候任何地点接入网络，还可以使用最适合的接口。传统的概念上网关是提供连接到主干网络的一个接口，在WPN网络中，网关的概念应该被拓宽，它应具有单独或者群集的WPN所固有的移动性。IETF的NEMO工作组认为移动网络是一个具有 Internet接入点的独立单元[5]。也可以认为它是一个叶子网络，因此不会带来网络阻塞。不过，无论是使用多个移动路由器还是使用具有多个接口的单个移动路由器，都有可能是多地址的。将来的网关不仅具有提供和主干网络连接的功能，而且还需要具有进行用户位置注册和用户位置发现的功能。未来WPN具备的另一个特征是，多地址和在多域环境中的移动性。在不同作用域之间移动时连接能够保持而且连接路径是最优的，这将产生额外的需求如无线装置资源管理和最优连接线路切换。
3.5协议扩展
WPN中有必要在无线连接包括遗留系统上提供最好的IP性能。但是在一些网络路径中由于链接的特点，TCP/IP的性能降低了。 PILCIETF工作组选择提高性能的代理（PEP）来提高网络路径中Internet协议的性能。不同类型的PEP，可以依据基本功能来区分。一些 PEP试图通过修改协议本身来弥补性能。另一些采用对称/不对称的且对上层透明的扩展方式，通常更有效率和更灵活。包含各种扩展协议的通用框架提供了较高的灵活性，其适用于各种情况下的连接。然而这样需要简化协调需求信息共享（跨层的通信和配置）的控制层。另外PEP通常在最后一跳使用，所以多跳通信的出现带来了另外的要求，就是PEP能够在多跳网络中使用。
3.6位置发现和用户喜好
未来的服务和应用将根据用户及环境来采取不同的行为，用户的定位是基本功能。典型应用的例子很多，如允许环境敏感型服务的建立；到达机场的时候，在PDA上获取计划表以及飞行时间表；在观光时，获得地点和纪念物的实时信息。如果用户身边有各种不同的设备，而且将计算任务分布到这些设备上执行，为了使这种想法成为现实，未来的设备应该能够为应用提供一系列接口来很容易地获取“周围有什么”和“它可以做什么”等信息。另一方面是先进的智能卡技术可以用来开发控制板。新的无线个人用户识别模块
（WPSIM）可以通过智能卡提供通用的和个性化的用户、访问、账单、配置和安全等信息。
4体系结构
有必要提供一个通用的平台来保证信息在不同协议层和实体之间传送。PACWOMAN已经将这个平台命名为PAN和CAN优化层（PCOL）， 6HOP称它为无线适应框架（WAF）。PCOL是一种为PAN和CAN提出的特定解决方案，而WAF更适用于多跳环境的无线网络。图1中给出了PCOL和WAF的体系结构。
5 测试及结果分析
本节描述一些基本的用于测试ad hoc路由和TCP/IP协议栈性能提高的方法。实验中使用3台运行linux的笔记本电脑，处理器为奔腾IV并带有IEEE802.11b PCMCIA网卡。测试是在一个典型的办公室环境中进行的，重点给出了三个主要的用于进行测试的位置（MT1、MT2、MT3）。
MANNET路由规范的主要缺点之一就是目前只用米/跳数来决定到达目标节点使用的路由路径。在一些情况下，无论是从能源消耗还是性能角度来看，其都不能达到最优的方案或是较好的方案。如果实验中应用已有的“标准”MANET协议，如动态资源路由（DSR）和ad hoc按需距离向量(AODV)路由协议，在MT1和MT3之间建立一个直接的路径，因为它们彼此都在对方的发射范围之内。第一部分的测试使用这种方式来完成，应用UDP、TCP协议。表1总结了主要的测试结果，其中有三个不同的指标（吞吐量；帧出错率FER和残余MAC丢失，即通过IEEE802.11重复请求机制没能重新获得的包的数目）。
表1
如表1所见，根据吞吐量和丢失数据报的数量，目前的ad hoc路由协议的作用可能使得使用单跳路由成为IP协议栈的固有行为，这一点是不能接受的。另外结果表明信道具有很高的不稳定性。
下面我们用另一种方式来评估提高目前ad hoc路由协议的适应性。从这个角度，在MT1和MT3之间放置一个中间节点，因此有两个理想信道而不是第一部分测量中的一个。我们做了10次不同的测试，并且和之前的结果做了比较，它们有着较高的稳定性，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，数据包丢失可以忽略不计，而且增强了用户体验，这在基于UDP的应用中是一个至关重要的因素；而在使用TCP协议的情况下，由于在传输层采用了错误和阻塞控制机制，很好地处理了有限的包丢失的情况（通常情况下每次通信不会超过一个段），从而使性能提高了很多。这个方案不仅从性能的角度，而且从能源的角度都是有益的，因为在这种情况下传输器在任何时候都不需要执行MAC重发。这也是比其他传统扩展方案的一个优势所在。
表2
6 结论
新的4G无线网络是以用户为中心，异构的、自动配置和自适应的网络。为了达到这些目标，需要对协议栈的不同层以及WPN体系结构设计进行大量的研究。通过对目前工作的研究，本文得出的主要结论是对于重组和重新配置的可能性不断增长的需求，使得需要解决可伸缩性、ad hoc路由性能提高、体系间通信、IP协议栈扩展以及安全性、位置透明性和用户体验等所带来的挑战。另外，需要定义控制板、接口以及体系结构的概念。
影响WPN发展的关键因素是通用的无线接口技术，高复杂度、单纯ad hoc路由协议的不完善以及安全性问题。多跳网络中的TCP协议的低性能以及吞吐量的不稳定性也是所关心的问题。这些课题必须在未来的研究中解决。IST项目只是局部解决方案的第一步，要使WPN得到普遍应用，还有许多课题需要研究解决。
参考文献：
[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，郑少仁. 无线战术互联网控制器通信协议的设计与实现，解放军理工大学学报，2000年第1卷第6期
[9] 李云 陈前斌 隆克平 吴诗其 无线自组织网络中TCP稳定性的分析与改进，软件学报 ，Vol.14.No.6
