无线ATM网

面向交换的传输技术

无线ATM是一种崭新的、面向交换的传输技术。其特点是信道统计复用、信元长度固定、采用虚通道(VP)与虚通路(VC)的交换技术、带宽动态分配、QoS保证、能综合多种业务。特别的优点是其信道带宽利用率高，最高达99.9%，一般都能达90%以上。

定义

无线ATM是指一种崭新的、面向交换的传输技术。

无线ATM网的目的

无线ATM的目的是在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。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。为支持对各种业务的服务质量控制，DLC协议常常针对不同的业务采用不同的差错控制方式；MAC协议则一般采用信道动态分配算法来支持业务速率的可变。

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，越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线ATM网和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(信元丢失率、延时等)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。这就必须研究适用于无线ATM网络的切换控制方案。

标准

于无线ATM的无线接口方面和移动管理方面的标准分别由ETSI和ATM论坛负责制定。依据这些标准，许多无线ATM系统被推出。无线ATM技术在生活中的深层次应用主要包括如何帮助人们完成远程医疗、保健和教育。

研究和开发WATM的原因及目的

研究和开发WATM，主要基于以下原因：①用户对ATM/BISDN的无线接入需求；②多媒体应用需要有支持多媒体技术的无线平台；③通用型移动通信系统和WLAN不能满足所有数据用户的要求。

WATM的总目标是设计整体的无线业务网络，以相对透明的、无缝的、有效的方式，提供基于光纤的ATM网的无线业务延伸，系统应该有业务等级、比特率和QoS控制的合理范围。系统设计包括系统功能、提供的业务、支持环境以及与固定网络的接入。

WATM的缺点

由于无线信道是时变、频变的信道，并且移动通信的传播损耗、多径衰落、高误比特率、受限的传输速率、有限的频谱带宽等决定了以ATM为基础开发WATM的工程还需要探索和解决很多新的问题。表1是ATM和WATM的比较。

表1ATM和WATM技术的比较

WATM的网络结构和协议模型

（1）网络体系结构

WATM网络有两种结构：蜂窝式WATM结构和分布式WATM结构。

①蜂窝式WATM结构为独立完整的有中心结构。在此结构中，一个小区同时管理若干个用户，一个基站管理若干个小区，一个移动交换中心(MSC)管理若干个基站，而MSC又可与PSTN、因特网、BISDN等其他网络互连。移动交换功能由MSC来完成。

②分布式WATM结构以基站为单位，每个基站管理一个或多个小区，各基站通过基站接口单元(BSIU，Base-StationInterfaceUnit)连接到MAN。移动交换功能由WATM交换机完成。

（2）WATM系统构成

WATM系统主要由WATM终端适配器、WATM基站、移动ATM交换机、ATM网络(固定的标准ATM网)和ATM主机(标准的ATM终端用户设备及服务设备)组成。

（3）WATM网络的概念

WATM网络包括无线接入层和移动ATM网络两大部分。无线接入层是在无线链路上扩展ATM服务所必需的协议层，包括物理层，为多个终端共享信道的介质访问层(MAC)和改善系统差错特性的数据链路控制层(DLC)，以及用于无线资源管理、总信令控制的无线控制。

移动ATM网络作为整个ATM网络的一部分，位于固定ATM网络内，用于支持终端移动性所需的扩展功能，如位置管理、切换控制、处理选路变化和服务质量控制，这些功能可作为用于现有个人通信网络(PCN)、蜂窝网、WLAN应用的互连基础结构。

（4）网络协议参考模型

ATM标准的协议参考模型由用户层、适配层、ATM层、物理层等组成。WATM协议与标准ATM协议的差别，是在标准的ATM模型中增加了与无线信道有关的内容。

WATM的传输有两个平面：①提供控制信令处理功能的控制平面(C平面)，该平面具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，与其有关的有远端交换和专用交换两种协议结构，无线控制支持无线接入层的控制功能、支持与ATM网的结合。②提供用户信息传送功能的用户平面(U平面)，U平面具有本地WATM和互连WATM两种协议结构。

（5）WATM的物理层和MAC层

物理层位于ATM层之下，负责处理物理媒介上的实际数据传输。WATM的物理层以无线信道为媒介，其无线信道上传输的不仅仅是高速多媒体数据，而且还有许多实时性很强的交互式业务。信道带宽不足、信道时变性和失真是必须面对的问题。解决办法是采用自适应均衡技术[10]，大部分自适应均衡系统需要根据所传输的数据序列特点及信道特点进行预训练，对于强突发性的不同业务源，均衡器很难达到平衡，采用盲均衡技术也需要一定的时间来收敛。总体说来，WATM的系统效率没有有线ATM高，此外还需要载波恢复和时钟恢复的开销。

WATM的调制方式的选择目标是在半径100～500m的微小区和微微小区范围内提供可靠的传输。可供选择的调制方式有QPSK、QAM、OFDM、CDMA等。QPSK/QAM可以不要求均衡器，但需要进行复杂的频率变换计算，多载波工作时还会在高比特率传输时带来时延；OFDM可以简化均衡技术，实现方法简单，传输速率可达到100Mbit/s以上；从信号可靠性和容量等方面考虑，CDMA是一种重要的方案，但人们需要进一步解决在10Mbit/s时的多速率和突发条件下的有效操作方式。目前，WATM的工作频率一般在10GHz以下，典型为5GHz，未来有可能达到20/30GHz，甚至60GHz。目前主要采用CDMA，其传输速率在25Mbit/s左右，与有线ATM规范的最低端非屏蔽双绞线(UTP，UnshieldedTwist-Pairline)速率完全一致。

目前国外已有多个WATM实验系统。日本NEC公司的WATMnet微蜂窝，工作频率2.4GHz，速率达到8Mbit/s。美国将5GHz的一部分频谱安排给了NII，ATM论坛的WATM工作组正在研究用于NII的5.2GHz频谱的标准。加拿大Carleton大学的宽带毫米波室内WATMLAN采用20～60GHz频段的直接序列扩频(DSSS，Direct-SequenceSpectrum-Spreading)，速率可达到160Mbit/s；使用智能多扇区开关轮询的时分双工TDMA/TDD工作方式，将时隙分配给各扇区；采用宏分集和选择重发(ARQ)加前向纠错编码(FEC)工作方式，以提高通信的可靠性。欧洲的宽带移动系统MBS(现在又命名为HiperLAN)，工作频率40～60GHz，调制方式采用偏置正交调幅(OQAM，OffsetQAM)16-OQAM，信道速率40～160Mbit/s；MAC层采用基于ALOHA的动态时隙分配协议(DSA，DynamicSlotsAllocationprotocol)，可对每个上行时隙进行预约。日本NTT公司的ATM无线接入系统，工作频率3～30GHz，调制方式QPSK或差分检测p/4–QPSK，采用窄波束定向天线来降低多径衰落和时延扩展的影响，每波束方向速率30～80Mbit/s；信道复用方式为TDMA/TDD；采用ARQ提高传输质量。

WATM差错控制

ATM是一种基于异步时分复用的传输方式，是为高传输速率、低误比特率的光纤信道而设计的。无线信道的多径效应和时变特性限制了无线链路中的传输速率，无线信道的误比特率高且呈突发型分布，因此需在数据链路层中采用差错控制来提高物理层的传输性能。主要措施有两个，⑴压缩原ATM信源头有效长度，从5Byte减为2Byte，增加2Byte无线数据包头；⑵采用将窗口控制、ARQ、前向纠错FEC组合起来使用。整个WATM的逻辑链路控制(LLC)可以用图1所示的LLC数据帧格式来表示。更详细的措施如下：

（1）信元头的差错控制

信元头的差错控制(HEC)。用循环冗余校验(CRC)对ATM信元头进行保护。整个信元头仍然由5Byte组成，其中包括4Byte的头信息和1Byte的CRC，CRC(40，32)确保正确的路由选择和信元定界(CD，CellDefinition)功能。

（2）前向纠错（FEC）

强纠错能力的FEC是优化WATM系统性能的重要环节；对功率受限的信道，用较低的编码效率，以得到较高的编码增益；对带宽受限的信道，则使用较高的编码效率达到较高的传输速率。实现FEC用RS码(作外码)和卷积码(作内码)级联，性能明显改善，实现也简单。

（3）交织纠错

WATM的交织纠错(IEC，InterweavedError-Correction)分两部分，①信道交织，用于存在突发错误的信道，交织长度的选择依赖于突发型差错特性和信元传输的时延要求。②ATM交织，使FEC解码后产生突发型差错由集中变成随机分散变化，可使用交织长度较短的、简单的卷积交织器。

（4）自动请求重发（ARQ）

ARQ用于保证可靠传输，且对延时和延时抖动不敏感的业务。在WATM中，使用ARQ比较合适。

WATM的越区切换和位置管理

ATM是一种面向连接的技术，因此对于WATM在移动过程中必须通过越区切换才能保证连接不被中断。移动分为两种情况，没有超出同一个微蜂窝的移动称为散步，而进入另一个微蜂窝的移动称为漫游。散步模式下不需要越区切换，只需要交换中心进行简单的位置管理和功率控制；漫游则需要越区切换，切换时必须改变移动终端当前的VP和VC，即路由也相应发生了改变。

漫游的动态寻址管理机制与第二代蜂窝移动通信系统类似，移动终端当前进入的微蜂窝所在的移动局，从用户登记的移动局的归属位置存储器(HLR，HomeLocationRegister)获得其身份，并存放到本地的访问位置存储器(VLR，VisitingLocationRegister)中，一旦服务完毕，或该终端离开进入别的移动局管理的微蜂窝，其信息自动从VLR中删除。

移动切换比动态寻址在管理上更加严格，它必须在规定的时间内很快完成，并保证尽可能不中断业务，但对于数据通信业务来说，这已经是致命的，会造成数据丢失。因此，在实时数据通信过程中，应尽量避免切换，尤其是高速移动下的切换。但移动的切换又是不可避免的，为此，人们提出了软切换的概念，即在微蜂窝边界上，新老两个微蜂窝基站同时转发该用户的数据，维持一段时间，直到交换中心确信，新的微蜂窝所在移动局已经建立该用户的身份和连接关系时，才彻底切换过去，即原蜂窝才完全停止数据帧的转发。还有通过宏蜂窝和微蜂窝重叠覆盖的方法，建立用户与多重系统的连接关系，这样使信道分配和切换使用更灵活，将低速用户置于微蜂窝，高速用户置于宏蜂窝，通过功率控制等措施防止干扰，这样可以减少切换次数，毕竟切换会消耗频率、时间、运算等多种资源。

软切换的具体实现就称为镜像法，在切换过程中，信源和信宿之间同时建立两条路由线路，具有不同的虚电路地址，直到确信信宿终端完成地址切换，才将其中通过原蜂窝的路由终止。

目前，WATM技术和系统还只是处于实验阶段，进入实际应用尚需一定时日。

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