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蜂窝网上的分组数据交换

2/14/2005来源:交换设备人气:8972

蜂窝网上的分组数据交换(苗青、严学良、高岩) 关键词:移动通信,移动分组数据技术,蜂窝数字分组数据 [摘要]蜂窝数字分组数据(CDPD)是一种在蜂窝电话网(如AMPS)的频谱上使用的移动分 组数据技术。CDPD的特点是可通过信道跳转利用蜂窝小区中的任何空闲信道,而不影响下 层蜂窝系统的话音业务。本文概述了CDPD无线接口的主要功能层,分别介绍了物理层、数 据铁路层和相关子网汇聚协议的的语义和功能特性,并强调了2个重要的方面——媒质接 入过程和信道跳转过程。 一、概述 蜂窝数字分组数据(CDPD)是一种移动数据技术,允许在一个蜂窝电话网(如AMPS) 的频谱上进行辅助的分组数据操作。CDPD的基本组成部分为末端系统(ES)和中间系统 (IS)。在Internet终端技术中,ES相当于主机,IS相当于路由器。ES是交换信息的实际 的物理和逻辑末端节点,而IS是CDPD存储、传递信息的基本结构。 ES有2种形式:一种为移动ES(M-ES),是用户通过无线接口接入CDPD网的设备,另 一种是固定ES(F-ES),供一般的主机、服务器或网关连接到CDPD的主干部分及为特殊 的应用和数据提供接入。 一个M-ES由一个移动终端(PC或其他标准设备)和一个CDPD无线MODEM组成,该MOD EM连接到移动终端上,管理无线链路和协议。通常,无线MODEM和移动终端之间的通信由 标准串口协议支持,如串行线形Internet协议(SLip)或点对点协议(PPP)。 IS也有2种形式:一种是一般的IS,是一个不含CDPD和移动成分的简单路由器(在大 多数情况下是一个IP路由器),另一种是移动数据IS(MD-IS),是可根据当前位置上M -ES的状况来传递消息的专用IS。MD-IS由一组硬件构成,提供交换、记费、登记、鉴 权、加密和移动管理等功能。移动管理软件允许交换系统跟踪M-ES、允许M-ES使用唯一 的网络地址。CDPD移动管理软件是以移动IP模型为基础形成的。 除了ES和IS,CDPD的另一组成单元为移动数据基站(MDBS),它与一般的蜂窝基站 相似。一个MDBS不执行网络功能,它的主要功能是在下层话音网的制约下形成和管理M- ES与CDPD主干之间的空中接口,使CDPD主干部分能提供了非连接的传输业务(也称作数 据报业务)。一方面MDBS在大量的M-ES和它们服务的MD-IS(数据链接功能单元)之间 中继数据链接信息,另一方面MDBS进行无线资源管理,其中最重要的是根据话音网络激 活进行CDPD射频信道的跳频。 二、物理层 CDPD的物理层接收MAC(媒质体接人控制)层的比特流,将它们转换为可在30kHz射 频信道上传输的调制波形。一个MDBS和一个M-ES之间的通信建立在一对射频信道上(有 固定的频率间隔)。前向信道的传输方向为从MDBS到M-ES,该信道或者是由CDPD专用, 或者是CDPD和话音蜂窝网共用。在任何情况下只要前向信道用于CD-PD,信道中传输是 连续的。反向信道的传输方向为从M-ES到MDBS,并为与同一MDBS通信的所有M-ES共享。 一对关联的前向和反向信道构成了一个CDPD信道流。射频信道流的调制方式采用 GMSK (BT=0.5),一个大于中心载频的频率代表~个逻辑1,反之代表逻辑0。前向和反向射 频信道的调制速率都是19.2kb/s。 通过PHY层和无线资源管理单元(RRME)接口,RRME可: (1)将PHY层调谐到一对指定的信道上; (2)设置传输功率电平到预定值; (3)测量一个射频信道的接收信号电平和估计提供正常通信的潜能; (4)根据系统要求结束或恢复对PHY层的操作。 三、媒质接入层 1.媒质接人控制 MAC(媒质接入控制)层模拟成了一个位于PHY层和逻辑链路控制(LLC)层之间的 可进行逻辑操作的功能单元。M-ES中的MAC和MDBS中的相应的MAC协作。这一层的功能 是通过CPDP空中接口在对等的LLC实体之间传送信息,即链路协议数据单元(LPDU)。 针对这一目的,MAC层提供下列业务: (1)将LPDU打包为帧结构,确保LPDU的定界、帧同步和数据均透明。 (2)对LPDU进行编码,针对移动信道质量较差进行差错防止。 (3)在接收的顿中检测和纠正比特错误。 (4)在共享反向信道中引入仲裁。 (5)对前向信道的传输同步,使每个CD-PD单元发送的控制信息和数据能被正确 接收。 MAC层通过一个相关设备接口与RRME(无线资源管理单元)进行通信。通过该接口, MAC层告知RRME它是否已请求和当前选择的前向信道同步,也可传送接收到的错误比特 和错误块的数量等RRME的状态信息。这样,RRME可估计一个给定CDPD信道的接收能力 并提供无线资源管功能。 2.媒质接入过程 使用开缝非持久的DSMA/CD(带有竞争检测的数字识别多址)算法,一个M-ES可接 入反向信道。DSMA/CD使用忙/闲和译码状态标志。忙/闲标志指示反向信道是忙或闲。 译码状态标志指示MDBS是否已经将反向信道上的块成功译码。一个要发送数据的M-ES 首先检测忙/闲标志,如果发觉反向信道忙,M-ES随机延迟数个微时隙后再检测。由 于M-ES非持续地一直检测忙闲状态标志,接入方式为非持续性的。一旦发觉反向信道 为闭,M-ES会启动传输,同时将忙/闲标志置忙。 在M-ES开始一个传输后,它检测收到的每一个前向信道块中的译码状态标志(假 定为全双工操作),根据这个标志的值恢复或停止传输。这个标志值根据正在进行的 传输的过程提供一个实时的信息。如果译码状态标志表明MDBS没有遇到译码错误,M- ES继续传输,否则终止传输(注意MDBS不能识别由于信道损耗而产生的误码)。 四、逻辑链路控制层 LLC层的目的是通过CDPD空中接口在网络层之间传送信息。应用于这一层的协议称 为移动数据链路协议(MDLP)。 MDLP提供给上层SNDCP(相关子网汇聚协议)的主要功能是在一个CDPD信道流中设 置和控制一个或多个的逻辑数据链路连接。LLC层以上,每个数据链路连接被当做单独 的比特通道,可用来在一个MD-IS和一个M-ES之间或一个MD-IS和多个M-ES之间传送 消息。通过SNDCP在每个数据链路连接中可容纳一个或更多的网络业务流。 数据链路连接之间通过包括在每个消息(也称为帧)中的一个地址标签(临时设备 标识-TEI)进行的识别。TEI是一个纯LLC层的概念,仅供LLC层内部使用。 数据键路连接可以是点对点的或是同播的。一个同播数据键路在CDPD信道流中进行 一点对多点或多点对一点通信。2个同播数据链路由TEI的预定义值和已知值指定: (1)信道的TEI=1表明一层有3个同播信道。这个同播信道仅用来发送特定的控制 信息。 (2)信道的TEI=0表明这个同播信道用作数据键路管理。利用这个信道,一个M- ES中的RRME可接收在每个CDPD蜂窝中同播的无线资源管理信息。它接受信道流辨认参数, 蜂窝配置参数,信道接人参数和信道质量估计参数。 和同播数据链接相比,点对点数据键接用来在单个M-ES和它服务的MD-IS之间传输 信息。在点对点键路连接建立之前,为M-ES分配一个专用的TEI值(从16到2-1),然 后M-ES在点对点连接上发送、接收所有包含该TEI值的倾。因此,TEI被用作信道标识 或M-ES数据链路地址。每个M-ES被分配一个TEI值,在该 M-ES和它服务的MD-IS之 间这个TEI值被用来多路复用所有的网络层业务。 数据链路连接中的信息传送支持两种操作模式:确认模式和非确认模式。同播信道 中传送的信息只使用非确认模式,不使用差错校正和流校制机制。因此非确认模式传送 是不可靠的。根据网络层要求的眼务质量,点对点数据键路信道上传送的信息采用非确 认模式或确认模式。对每一个确认模式数据链路连接,为保证给定的服务质量,MDLP建 立控制机制。例如,MDLP提供顺序控制以保持数据链路连接中的帧的倾序,MDLP探测到 几个错误就启动校正过程,还提供流控制。 3、相关干网汇聚协议(SNDCP) 功能上,SNDCP在数据链路和网络层之间。假定网络层是独立的子网,它虚拟工作 在任何数据链路上,因此网络协议设想的业务不能直接映射到MDLP提供的业务中。因此, SNDCP可根据要求提供合作。SNDCP提供下列功能: 1、分段 为了被有限长度的数据链路帧容纳,网络协议数据单元(NPDU)根据需要被分段和 合成。分段的最大长度是2048字节,而MDLP支持的最大用户数据长度相当小(默认为13 0字节)。 2、加密 为保证CDPD空中接口上用户数据的保密性,NPDU在分段后加密。加密和解密的密钥 在安全管理单元(SME)中可得到。 3、多路复用 SNDCP在相同的数据链路连接中多路复用多个网络层的业务。这使几个网络层单元 可同时在SNDCP顶层运行。如2个网络协议(IP和CNLS)和2个管理单元(SME和MNRP-移 动网络登记协议)可同时运行在SNDCP的顶层。由它们各自的网络层协议标识(NLP)来 区别。 4、头压缩 为增加数据链路性能和有效性,SNDCP压缩和恢复冗余的网络控制信息。 5、数据压缩 为进一步增加数据键路性能,NPDU的数据部分根据ITU-T V.42进行二次压缩。 6、服务质量 SNDCP提供2种数据传输模式。确认模式在数据键路控制过程中传送NPDU。非确认模 式在数据键路控制之外传送NPDU。采用何种传输模式由网络层要求的业务质量参数决定。 六、信道跳转 由于CDPD是在蜂窝电话网开始运作之后提出的,它的设计和实现受到不能改变观存 的蜂窝系统的限制。因此CDPD被设计为对底层的蜂窝系统完全透明。当一个蜂窝系统为 话音传输选择一个新的信道时,它不会意识到CDPD的存在,因此它可能会占用正被CDPD 使用的信道。这时,CDPD信道会尽可能优先的占用另一条空闲信道上并继续CDPD操作。 CDPD操作在信道跳转的环境下,对它的下行键路性能会有影响。 MDBS在它和蜂窝基站之间采用合适的通信协议,或者应用监测设备(如取样器)来 寻找传输可用的信道。后一种情况下,MDBS通过检测进入发射天线的功率监测蜂窝基站 的发射信号。当发现功率上升,说明话音业务开始,若该信道被CDPD使用就进行一个强 制的信道跳转。在任何话音传输之前,MDBS关闭当前的前向信道结束数据传输,跳到一 个新的空闲蜂窝信道中,在该信道上继续传输它的前向数据业务。数据传输需要M-ESs 跟踪信道跳转,在找到该信道之前要一对指定的一组可能的CDPD信道进行搜索。 七、结论 CDPD是一种较新的移动数据技术。它的特点是能够在现存的蜂窝电话网上实现独立 的蜂窝系统或分组交换功能。在分组交换方面,CDPD可利用现有的蜂窝结构以最小的安 装投资快速发展起来。但它是否在专用的射频信道上实现要与业务的要求决定。很明显, 如不使用专用信道,下层蜂窝系统的业务激活会在很大程度上降低CDPD数据传输质量。 今后,随着CDPD的发展,很可能会为CDPD分配专用信道。