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1引言
未来的移动Internet是支持移动性管理和服务质量保证的网络,因此,移动性管理和服务质量保证机制需要结合起来考虑,才能够更好地为Internet用户提供各种各样的网络服务。目前的移动IP网络拥有许多支持移动性管理的新特性(如地址自动配置,邻居发现机制,动态归属地址发现机制),这些新特性使Internet的移动性得到了较好的发挥。但与其他网络一样,移动IP网络也面临着安全威胁,尽管已经采用了源路由技术,IPsec和AH(AuthenticationHeader:认证报头)技术,提高了移动数据传送过程中的安全性,但仍旧缺乏令人满意的QoS保证。MPLS是当前固定网络上提供服务质量保证的最好的技术。目前已经被推广为GMPLS,在下一代网络中将得到广泛的应用。MPLS是IP网络中非常有前途的一项技术,它以可扩展的方式将路由与交换技术的优势结合起来,大大提高了网络的性能,便于实施流量工程(TrafficEngineering)和服务质量保证。MPLS是一个主流的2.5层技术,移动IP是一个3层的重要技术,二者同为下一代移动Internet的重要协议,可以紧密有机地结合在一起,为未来IP网络上移动业务提供更好的服务质量保证。近年来,两种技术的融合已经在学术界和工业界得到了广泛的关注和认可,并取得了令人满意的成果。
2移动IP技术
移动IP技术的产生和发展,是技术和市场两方面推动的结果。移动IP技术是为了支持节点在IP网络中移动时的连接性而提出的,它实际上反映了移动通信和Internet技术的融合,体现着IP技术向无线通信领域的拓展。具体的说,就是当移动节点(MN:MobileNode)在网络中移动时,总是用移动节点的归属地址来标识,不因为所访问的外地网络不同而有所改变。
目前,无线通信领域的两种主流技术包括:①以3GPP和3GPP2为核心的蜂窝移动通信技术;②以IEEE802系列无线接入技术为主导的无线个域、局域、城域和广域网络技术。这两大技术的融合,引导着无线通信技术在目前和未来一段时期的潮流。
2.1移动IP技术的特点
移动IP技术使得移动节点(MN)在离开其归属网络时仍能保持与Internet的连接,这是因为移动节点在Internet上的连接点发生改变时,移动IP技术总是通过固定的归属地址来识别每个节点,移动节点离开归属网络时向其归属链路上的归属发送其当前位置的信息,归属截获发送到该移动节点的数据包并用隧道将数据包转发到移动节点当前的位置。这一过程对于IP层以上的所有网络层次是完全透明的,只是改变数据包的选路,不影响TCP/IP协议栈的其他部分。
移动IP技术在制定之初就考虑到要解决移动性问题,因此,它的许多基本理论就是为解决移动性问题而提出的,这就使得移动IP网络具有很多适应节点移动的新特征。主要表现在以下方面:
⑴地址自动配置:移动IP有足够的全球网络地址,而且实现了一种称为无状态地址自动配置的机制,任意节点可以根据当前所在链路的网络前缀以及自己的网络接口信息(主要是切入点的链路层地址)自动生成一个唯一的全球IP地址。这种地址自动配置机制使得移动节点可以很容易地得到转交地址,不需要人为参与,提高了节点在不同网络间的切换效率。
⑵邻居发现:邻居发现机制规定,路由器应该定期广播发送其前缀消息,移动节点根据这些前缀消息能够快速地判断自己是否发生了移动,若发生了移动则通过地址自动配置机制得到转交地址;邻居发现机制还定义了宣告(ProxyAdvertisement)的概念,使得归属(HA:HomeAgent)可以通过发送邻居宣告消息截获发送到MN归属地址的数据包,并通过隧道将这些数据包转发到MN的转交地址。
⑶黑洞检测:移动IP网络中的移动检测机制提供了MN和它的当前路由器之间的双向可到达的确认机制,即MN可以随时知道当前路由器是否继续可达,同时路由器也可以知道节点是否继续可达。如果MN检测到当前路由器不再可用,它就会去请求另一台路由器。
⑷路由报头:移动IP网络中定义了路由报头,报头中指定了数据包在从源节点到目的节点的过程中应该经过的节点的地址。大多数发送到MN的数据包都要使用路由报头,数据包的目的地址是MN的转交地址,并且包含一个路由报头,路由报头的下一跳就是这个MN的归属地址。
⑸动态归属地址发现机制:移动IP网络定义了一种称为任播(Anycast)的地址,它也是一个地址组,地址组中的所有的机器都会收到发往这个任播地址的数据包,但是只会有一台机器对这个数据包做出响应。MN链路上所有的路由器都配置为任播地址,MN把归属地址发现请求消息发到这个任播地址,所有的归属都收到了这条消息,但是有且仅有一个归属响应这条消息。
⑹透明性的实现:节点的移动对MN和CN上的应用程序是透明的。对于对端节点(CN:CorrespondNode)来说,MN发送数据包时使用归属地址选项,可以使其不必知道MN的转交地址;对于移动节点MN上的应用程序来说,CN发送数据包时采用路由报头,仍旧可以继续使用已启动的应用程序而不必知道MN的转交地址。
2.2移动IP技术的缺陷
尽管移动IP网络有很多的优点,在未来移动网络中占有非常重要的地位,但是它也有自身的不足之处。主要表现在切换性能不尽人意、数据包传输速率较低和低QoS保证的安全性通信。
⑴节点在移动IP网络中的切换性能无法满足Internet用户的需要。当移动节点从一个网络进入到另一个网络的时候就要发生切换。整个切换过程需要依次经过链路层切换、移动检测、配置转交地址以及对该转交地址的唯一性检测、发送绑定更新消息并注册新的转交地址等阶段,在新的连接建立前,通信对端发往移动节点的数据包被家乡截获,然后通过隧道转发到移动节点。这种切换机制延迟较大,有大量的数据包丢失,不能满足实时业务的需求,切容易被中间人攻击。
⑵数据包在移动IP网络中的传输延迟较大。路由器采用的是非连续的逐跳转发机制,对于接收到的每一个数据包都要对IP分组头部进行解封,根据其中存储的目的地IP地址,并利用特定的算法获得下一跳的地址,从而决定用哪个出口将数据包传出。因此,使得数据包在网络中的传输延迟相对较大。
⑶移动IP网络中的节点缺乏有效的身份验证,面临严重的安全威胁。针对移动IP网络的典型网络攻击主要是拒绝服务攻击(DoS)。恶意主机通过向服务器发送大量数据包,使得服务器忙于处理这些无用的数据包而不能正常响应有用的信息。或者是直接对网络中相互通信的两个节点进行干扰,采取重定向的方法使合法的用户无法获得所需要的服务。
3MPLS技术
3.1MPLS的网络结构
MPLS起源于IPoverATM的思想,是分组交换网中通用的标签交换协议,是一种结合了二层交换与三层路由的具有良好可扩展性与广泛兼容性的转发技术。当分组进入MPLS域时,在入口处被分配了定长的标签,而分组在MPLS域内转发时只使用标签信息即可,无需再在每个节点处进行路由表查询等操作。在理想的情况下,只要在入口处根据分组所归属的FEC(转发等价类)分配一次标签,则在整个MPLS域内转发时只需要根据标签转发表进行简单快速的标签交换。图1MPLS网络结构示意图
3.2MPLS网络中重要的技术原理
(1)路由协议:路由协议(如RIP,OSPF)是一种机制,是网络中的每台设备都知道将一个分组送向其目的地时,决定从哪个出口可以把分组传送到下一跳。路由器使用路由协议构建路由表,当它们接收到一个分组而必须进行转发判决时,路由器用分组中的目的地IP地址作为索引(Index)查寻路由表,再利用特定算法获得下一跳的地址。路由表的构造和它们在转发时的查寻基本上是两个相互独立的操作。
(2)转发部件:转发部件执行分组转发功能。它使用转发表、分组所携带的IP地址等信息以及一系列的本地操作来进行转发判决。在传统路由器中,最长匹配算法将分组中的目的地址与转发表中的条项进行对比,直到获得一个最优的匹配。更为重要的是,从源到目的地的沿路节点都要重复这一操作。在一个标志交换路由器中,(最佳匹配)标志交换算法使用分组的标志和基于标志的转发表来为分组获取一个新的标志及输出端口。
(3)路由转发表:路由转发表包含若干条项,提供信息给转发部件,执行其交换功能。转发表必须将每个分组与一个条项(传统条项为目的地址)相关联起来,为分组的下一跳路由提供指引。
(4)转发等价类:转发等价类(FEC)定义了这样一类分组,从转发的行为来看,它们都具有相同的属性。一种FEC是一组单目广播分组,其目的地地址均与一个IP地址前缀相匹配。另一种FEC是分组的源及目的地地址都相同的一类分组。FEC可在不同的级别上进行定义。
(5)标签:标签的长度固定且无结构标识,可在转发进程中使用。标签通过一种绑定操作与一个FEC关联起来。标签的格式如图2所示。
正常情况下,对于一个单一的数据链路来说,标签仅具有本地意义,不具有全局意义。在某种事件驱动下,标签与FEC进行绑定,这种事件可分为以下两种类型:①数据驱动绑定:在数据流开始产生时进行绑定。标签绑定仅在需要时建立,在转发表中只存在很少的几个条项。标签被分配给不同的IP数据流。②拓扑驱动绑定:在控制平面激活时建立绑定,与数据流的产生无关。标签绑定可能与路由的更新或RSVP消息的接收有关。拓扑驱动绑定较数据驱动绑定更易于扩展,因此,在MPLS中较多采用拓扑驱动绑定。
(6)标签交换转发部件:在MPLS骨干网络边缘,边界标签交换路由器(LSR:LabelSwitchroute)对进来的无标签分组(正常情况下)按其IP头部进归类划分(Classification)及转发判决,这样IP分组在边界LSR被加上相应的标签,并被传送到目的地地址的下一跳。
在后续的交换过程中,由LSR所产生的固定长度的标签替代IP分组头部,大大简化了以后的节点处理操作。后续节点使用这个标签进行转发判决。一般情况下,标签的值在每个LSR中交换后才改变,这就是标签转发。
如果分组从MPLS的骨干网络中出来,出口边界LSR发现它们的转发方向是一个无标签的接口,就简单地移除分组中的标签。这种基于标签转发的技术,其最重要的优势在于多种交换类型只需要唯一一种转发算法,可以用硬件来实现,以达到非常高的转发速率。
(7)标签交换控制部件:标签由标签交换路径(LSP:
LabelSwitchedPath)的上游LSR节点来附加至分组中,下游LSR收到标签分组后进行判决处理,这由标签交换的控制部件来完成。它使用标签转发表中条项的内容作为引导。
标签交换控制部件除了基本的转发表的建立和维护外,还负责以一种连续的方式在LSR之间进行路由的分布以及进行将这些信息生成为转发表的操作。标签交换控制部件包括所有的传统路由协议(如OSPF、BGP、PIM等等)。这些路由协议为LSR提供了FEC与下一跳地址的映射。
(8)标签转发:标签转发表中条项的内容最少应能提供输出的端口信息和下一个新的标签,当然也可以包含更多的信息。例如,它可以为被交换的分组产生一种输出队列原则。输入分组必须在转发表中有唯一的条项与之对应。
每一个分配的标签必须与转发表中的一个条项相关联起来。这种绑定可以在本地LSR执行也可以在远端LSR执行。目前的MPLS版本使用下游绑定,这种情况下,本地关联的标签用作进入分组标签,而远端关联标签则用作输出标签。另一种方式为上游绑定,与下游绑定相反,也是一种可行的方法。在MPLS技术中,转发表又称为标签转发信息库(LFIB),LFIB的每一个条目中包括输入标签、输出标签、输入接口和输出端口MAC地址,由输入标签对条项进行检索查找。另外,LFIB既可以存在于一个标签交换路由器上也可以存在于一个接口上。
(9)标签交换路由器:MPLS的设备按其在MPLS路由网络中所处的位置可分为边界标签交换路由器和中间标签交换路由器。边界LSR除对分组的标签进行附加或移除外,还负责对流量进行分类。标签的分配除了基于目的地IP地址外还有很多其他因素。边界LSR判定流量是否为一个长持续流,采取管理政策和访问控制,并在可能的情况下将普通业务流汇聚成较大的数据流。这些都是在IP网络与MPLS的边界处所要具有的功能,因此边界LSR的能力将会是整个标签交换环境能否成功的关键环节。对于服务提供者而言,这也是一个管理和控制点。
MPLS技术是将第二层的交换与第三层的路由结合起来的一种L2\L3集成数据传输技术。它具有很高的可扩展性,将业务分类与FEC映射在网络的边缘进行,而在核心网络部分只进行简洁快速的标签交换。FEC的映射规则可以基于路由信息,即目的网络的前缀,也可以基于其他信息,如QoS信息等,这样使得MPLS能够非常灵活地支持QoS保证机制。
在核心网络中进行的标签交换操作,因为使用了定长的标签,便于高速交换技术的优势,转发效率得到了极大的提高。MPLS因此而成为一种将ATM技术与IP技术融合的杰出代表。MPLS的交换过程独立于路由协议,它将路由和交换独立开来,使得路由和交换技术可以各自灵活发展,并及时将二者的先进之处结合起来。MPLS对底层网络技术透明,即可以用于支持多种协议的网络。因此它被视为下一代骨干网络的主流技术。MPLS的标签交换路径可以方
便地支持资源预留,因此可以有力地支持面向连接的数据传输,流量工程和QoS保证机制。MPLS可以用LDP、RSVP或者路由协议来进行标签的分发,而目前最主流的是RSVP。这主要是因为RSVP已经在网络上得到了广泛的应用。
4基于MPLS的移动IP技术原理
MPLS与移动IP技术结合有两个层次,第一个层次是在宏观移动性管理时,在HA和CN之间、HA与移动节点之间建立LSP,来进行数据包的传输。第二个层次是基于MPLS来提供微观移动性管理。
4.1基于MPLS的移动IP网络体系结构
移动IP技术与MPLS技术进行结合,如图3所示。图中不再有FA(外地)这个实体,隧道的终点一般是移动节点本身。此时,移动节点具有两个地址:一个是归属地址,一个是转交地址。MPLS骨干网可以用来构建大范围的移动IP网络。移动节点可以通过边缘标签交换路由器(LER)与其他任何固定节点或者移动节点进行通信。LER能够转发和封装IP数据包。带有标签的分组可以根据其标签信息,在已经建立好的带有QoS保证的LSP上进行传输。MPLS面向连接的特点能够改善移动节点上应用程序的服务质量。
4.2基于MPLS的移动IP绑定更新
在MPLS基础上,运用移动IP的绑定更新程序缓存了MN的归属地址与转交地址的绑定信息,并且在移动IP网络中,入口LER和出口LER之间可以直接建立LSP,完成MN与CN之间的分组转发。图4清晰地展示了这一过程。
当MN向CN发送数据包时,将源地址设置为当前的转交地址,同时在归属地址选项中填入其归属地址。MN发送一个带有QoS对象的绑定更新消息给CN,当入口LER收到该消息时,将发起标签请求消息来建立LSP。建立LSP后,数据包将不需要再进行逐跳的IP地址转发而直接采用标签交换。
图5和图6分别为MN发起数据传输和CN发起数据传输的流程图。在这两种情况下,都是由入口LER发起并建立LSP。
4.3基于MPLS的分级移动IP隧道
将分级的思想引入到基于MPLS的移动IP网络中,能改善网络的传输性能。相应的移动也位于分级的MPLS节点上。此时,MN进行移动时不需要向家乡(HA)进行注册,只需要向区域(LER/MAP)注册。
图7即为基于MPLS的分级移动IP网络的结构示意图。
MPLS固有的面向连接,可以建立具有QoS保证的LSP等能力,可以有效地提高业务流的服务质量。MPLS能够支持面向连接的应用。在MPLS网络上支持面向连接的应用非常容易实现,同时,LSP是一个虚连接,链路的带宽可以在多个LSP之间共享。LSP可以支持区分服务或者集成服务,并且,数据包的分类在MPLS域的边缘进行,网络核心只进行简单的、快速的标签交换。MPLS支持汇聚功能,通过为不同类别的业务设定DSCP和PHB,可以实现区分服务的功能。同时,在MPLS网络中支持VPN也很有前景。由于数据包的转发采用2.5层标签,在不同的VPN数据流之间能够提供较好的隔离,因此MPLS-VPN具有很好的安全性,同时带有QoS保证。这些优点都可以被移动IP网络很好地利用。
在MPLS网络中支持移动IP可以带来以下几方面的好处:①支持QoS保证;②支持平滑切换;③便于建立双向LSP;④在MN上不会有额外的信令,同时也不需要增加新的MPLS信令。目前,使用RSVP-TE携带标签分发消息,比采用LDP更为广泛。
4.4移动IP技术与MPLS技术相结合的优点
基于MPLS的移动IP技术可以有效地利用MPLS的技术特点,实现许多性能的改进。
⑴MPLS能够有效地支持路由优化,从而,更好地解决了移动IP网络中存在的三角路由问题。
⑵提高了数据包的传输性能,并提供了QoS保证。移动IP在MPLS机制下,无论是归属节点的处理时延还是整个传输过程的传输时延,都比传统移动IP网络中的时延小。
⑶基于MPLS的隧道机制,相比其他的隧道机制具有简洁高效的优势。MPLS架构下的移动IP技术集成了移动IP技术的高移动特性和MPLS技术的高速交换特性,使得这些技术在未来的核心网络中协调工作,并为MPLS提供移动性支持。
⑷基于MPLS的移动IP技术能够提高网络的安全性。各级均具有LER的功能,且工作在同一个MPLS域内。这种机制使得隧道技术中不再需要以IP-in-IP的方式传送数据包,取而代之的是通过LSP传送数据包的MPLS交换方式。整个传输过程都是在MPLS交换层进行,并且归属的处理过程也不涉及IP层的路由协议,从而提高了数据包的传输速率和移动IP的可扩展性,为网络的QoS提供了保障,并且网络的安全性能也得到了提高。
5结束语
本论文主要讲述了移动IP网络的特点以及其存在的一些不足之处,接着叙述了多协议标签交换(MPLS)的网络结构以及所采用的新技术,然后介绍了移动IP与MPLS相结合所产生的新网络体系结构,以及新网络体系结构下的移动IP绑定更新和隧道技术。在新网络体系结构中,数据转发采用MPLS标签转发,而不是基于IP头的转发。标签转发相比传统的IP头转发具有更高的速率,且标签头比IP头短,这就减少了传输延迟和对分组的处理开销,提高了网络的传输性能。另外,MPLS通过LSP传送数据包,整个传送过程都在MPLS层进行,并且归属的处理过程也不再涉及IP层的路由协议,这也提高了数据包的传输速率并支持了移动IP的可扩展性,为网络的QoS提供了保障,并且使网络的安全性能也得到了很大程度的提高。
MPLS和移动IP技术都是发展不久的新型网络技术,相应的标准和协议还不完善。目前,MPLS机制下的移动IP技术还不是很深入,大都处在实验阶段,并且相应的数学模型的建立也比较困难,还有许多问题需要深入讨论。
移动IP网络被认为是构建移动信息社会和未来Internet的重要基石,而MPLS为骨干网提供了具有快速转发能力的、QoS保障功能的和良好可扩展性的解决方案,因此,移动IP与MPLS的结合是适宜的,有着美好的前景的。IETF的SG13工作组正在抓紧进行MPLS支持移动IP的标准化制定工作,MPLS与移动IP的整合研究是MPLS研究的又一个热点。
参考文献
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二、国际化预算费用内控管理平台建设的主要技术难点
1、基于开放式服务SOA架构。由于该内控管理信息系统不仅包括系统内部的各种服务组件(如预算组件、资金管理组件、流程监控组件等),同时还包括企业原有建设系统中的服务,如人力资源系统中的员工信息服务,OA系统中的统一权限认证、消息管理等服务,财务核算系统中的凭证处理服务等。因此,内控管理平台中的信息和数据将来源于各个业务应用系统。柔性化平台将采用软件总线技术,定义了业务组件的标准,所有的业务组件在平台中都是可以支持热插拔的,业务组件间的交互通过SOAP消息来实现。业务组件统一采用WebService暴露,为了提升效率,该平台也支持业务组件通过.NETRemoting进行暴露,以此来提高系统的集成性与互操作性。2、采用平台化开发策略,业务组件以构件化方式进行开发。企业内控能力将随着管理水平的提高而不断发展和完善,因此组件化开发可以避免重复开发的问题。随着IT技术的发展,不断提高节能企业内控管理的智能化水平。本项目的平台实现了构件及业务组件的注册、、AOP实现及业务组件可视化管理等功能。3、实现工作流引擎技术的创新,在现有工作流技术上设计开发可实现全业务、全过程智能化主动服务机制的新一代工作流平台工作导航引擎。工作导航技术将在工作过程图形化管理、业务动态组装、工作智能提醒追踪、流程动态判断等方面全面提升。此平台技术将对事前规划、事中控制、事后记录及分析的预算管理流程及其他业务的标准化、智能化提供最优秀的支撑。
三、国际化预算费用内控管理平台建设的主要创新点
1、国际化管理思维创新:即根据企业本身国际化经营、国际化管控的特点,在系统设计时充分考虑多国会计准则、多币种、多国费用标准等国际化管理特点,系统可有效支持多币种、多语言,并创新性的支持会计翻译功能,实现对多会计准则的支持。通过信息系统在国外各分支机构建立起国际化标准的预算控制体系和财务核算体系,降低了由于集团企业大型化,发展高速化,地域分散化所带来的管理风险。2、内控模式及制度创新:即根据企业的管理特点将其经济业务划分为62种经济行为,综合运用预算、归口、审批、标准、程序、单据6大控制方式进行有效管控,形成具有企业特色的“626”管控模式。3、系统建设思路创新:根据企业内控体系的核心,提出“以全面预算为主线、以资金管控为核心”的建设思路,构建全组织预算、全员预算、全业务预算、流程预算管控的全面预算体系,实现事前规划、事中控制、事后记录及分析的预算管控流程,打破人、财、物、信息等资源之间的各种壁垒和边界,最终实现企业内控的管理目标,管理手段及管理制度通过信息系统的建设来实现落地。4、移动互联技术应用创新:利用移动互联技术实现全员自助服务,利用移动互联技术让企业事务管理和内控随时随地无处不在,利用移动互联技术让企业风险分析和预警智能推送。信息系统通过移动互联和虚拟云技术实现国际化部署和数据管理。5、创新基于SOA架构的企业服务总线技术,实现业务财务一体化:系统建设过程中创新性的基于柔性化平台开发,采用基于企业服务总线技术,所有的业务组件在平台中都是可以热插拔的,业务组件间的交互通过SOAP消息实现,业务组件统一采用WebService暴露。系统与财务核算、OA、人力资源等业务协同系统基于柔性化平台,可以实现单据之间的灵活转换和数据交换,因此能够满足用户多种多样的应用场景(如费用报销数据与财务核算数据之间的凭证交换和数据联查,综合办公系统的统一身份认证和权限统一管理),也可以根据流程和管理要求的变化进行适应性的调整。
2当前WIFI技术简介
在本节中,我们将对WIFI技术的物理层和MAC层技术进行简介,并阐述当前WIFI技术在移动通信网络下的局限性。
2.1WIFI技术的物理层和MAC层
WIFI技术的物理层采用OFDM技术,OFDM技术能够最大限度地利用频谱资源,从而达到高数据量传输。当前的WIFI标准主要工作在两个频段:2.4GHZ频段和5GHZ频段。在2.4GHZ频段下,总可用频谱带宽为80MHZ,共有13个频段可供利用,单个设备最多可以使用20M带宽。在5GHZ频段下,总可用频谱带宽为325MHZ,共有20个频段可供利用,单个设备最多可以使用80M带宽。可知,在5GHZ频段下的可用带宽资源较为丰富,因此,越来越多的WIFI设备开始工作在5GHZ频段。WIFI技术的MAC层采用CSMA技术来为多用户提供接入。CSMA技术的工作原理为:任何一台设备在发送数据之前必须先对当前频谱进行探测,若当前频谱为空闲状态则可以发送数据,否则进入等待模式并在等待结束后开始下一次探测。当网络拓扑结构变得更加复杂时,MAC层还将应用RTS/CTS技术。
2.2当前WIFI技术在移动通信网络下的局限性
WIFI技术虽然在物理层上能够较为高效地利用频谱资源,但在MAC层上,WIFI技术的CSMA由于成本的限制并不能高效地服务于多用户数据,该瓶颈在设备接入量增加时变得尤为突出。由于同一频段上同时最多只能有一对设备进行发送和接收,当设备增多时,大量设备将持续处于等待状态,这导致数据传输的延迟增大,此类现象经常发生于人口密集的场所,譬如机场、火车站、体育场等。在未来,随着可穿戴设备的飞速发展和物联网的广泛应用,现有WIFI技术必将无法支持与之相匹配的数据需求。因此,当前WIFI技术在移动通信网络的飞速发展下存在很大的局限性。
3未来WIFI技术展望
经过第三节的分析可知,由于设计上的缺陷,WIFI技术必须要进行改变才能适应未来移动通信网络的发展。在本节中,我们将介绍两种对现有WIFI技术的改进方法。
3.1多用户MIMO(MU-MIMO)技术
为了解决MAC层造成的用户等待问题,多用户MIMO技术希望通过利用多天线来分开多个终端设备,从而可以同时支持多个数据流的传输。随着芯片制造技术的发展,多天线的制造成本显著降低,因此,这项技术有望大量应用于未来WIFI设备中,从而有力解决在密集终端设备下的数据服务问题。
3.2超高频率WIFI技术
在未来移动通信网络中,某些设备需要超高速率的数据传输,譬如高清电视等,传统的2.4GHZ频段和5GHZ频段的带宽已不足以满足这些设备的上述需求,因此,未来WIFI技术需要变得更加多样化,其中,超高频率WIFI技术可以工作在60GHZ频段下,该频段的可用频谱带宽为数GHZ,大大高于传统的WIFI技术。实验表明,该技术可以提供数GB每秒的数据传输,因而可以应用于未来高速率传输的终端设备。
伴随着移动通信市场的快速发展,用户对更高性能的移动通信系统提出了更高要求,希望享受更为丰富和高速的通信业务。第二代移动通信运营商发展速度趋于缓和而竞争越加激烈,为寻找新的增长点,通过发展数据业务来提高自身的服务质量和业务类型,需要3G的支持。同时由于第二代移动通信无线频率资源日趋紧张,已不能满足长期的通信需求发展需要。
1移动通信的发展历程
第一代移动通信系统是在20世纪80年代初提出的,它完成于20世纪90年代初。第一代移动通信系统是基于模拟传输的,其特点是业务量小、质量差、交全性差、没有加密和速度低。
第二代移动通信系统(2G)起源于90年代初期。欧洲电信标准协会在1996年提出了GSMPhase2+,目的在于扩展和改进GSMPhase1及Phase2中原定的业务和性能。它主要包括CMAEL(客户化应用移动网络增强逻辑),SO(支持最佳路由)、立即计费,GSM900/1800双频段工作等内容,也包含了与全速率完全兼容的增强型话音编解码技术,使得话音质量得到了质的改进;半速率编解码器可使GSM系统的容量提高近一倍。在GSMPhase2+阶段中,采用更密集的频率复用、多复用、多重复用结构技术,引入智能天线技术、双频段等技术,有效地克服了随着业务量剧增所引发的GSM系统容量不足的缺陷;自适应语音编码(AMR)技术的应用,极大提高了系统通话质量;GPRS/EDGE技术的引入,使GSM与计算机通信/Internet有机相结合,数据传送速率可达115/384kbit/s,从而使GSM功能得到不断增强,初步具备了支持多媒体业务的能力。尽管2G技术在发展中不断得到完善,但随着用户规模和网络规模的不断扩大,频率资源己接近枯竭,语音质量不能达到用户满意的标准,数据通信速率太低,无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。
2第三代移动通信系统概述
第三代移动通信业务主要是话音和中低速数据,码率为384kb/s(局域网可达2Mb/s),因而可传送比目前GSM(第二代移动通信)更高码率的信息。随着多媒体业务的发展,2Mb/s的码率将越来越不能满足用户各种新的宽带业务的需要,因此国际上已开始研究第四代移动通信系统,第一步目标是10Mb/s以上。我们国内则尚未启动。因此需尽早开始研究其关键技术。需要解决的关键技术有:宽带多媒体移动通信系统的体系结构,包括频段、多址方法、无线接入技术、软件无线电的硬件和软件、多载波调制和OFDM技术、自适应天线阵、高效信道编码技术(如Turbo码)等。
第三代移动通信系统(3G),也称IMT2000,是正在全力开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术,智能信号处理单元将成为基本功能模块,支持话音和多媒体数据通信,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,例如高速数据、慢速图像与电视图像等。如WCDMA的传输速率在用户静止时最大为2Mbps,在用户高速移动时最大支持144Kbps,所占频带宽度5MHz左右。但是,第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA三大分支,共同组成一个IMT2000家庭,成员间存在相互兼容的问题,因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信;再者,3G的频谱利用率还比较低,不能充分地利用宝贵的频谱资源;第三,3G支持的速率还不够高,如单载波只支持最大2Mbps的业务,等等。这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要,因此寻求一种既能解决现有问题,又能适应未来移动通信的需求的新技术(即新一代移动信:nextgenerationmobilecommunication)是必要的。
第三代移动通信技术的基本特点:(1)全球统一频段,统一标准,全球无缝覆盖和漫游。(2)频谱利用率高。(3)在144kbps(最好能在384kbps)能达到全覆盖和全移动性,还能提供最高速率达2Mbps的多媒体业务。(4)支持高质量话音、分组多媒体业务和多用户速率通信。(5)有按需分配带宽和根据不同业务设置不同服务等级的能力。(6)适应多用户环境,包括室内、室外、快速移动和卫星环境。(7)安全保密性能优良。(8)便于从第二代移动通信向第三代移动通信平滑过渡。(9)可与各种移动通信系统融合,包括蜂窝、无绳电话和卫星移动通信等。(10)终端(手机)结构简单,便于携带,价格较低。
3第四代移动通信系统
4G系统中有两个基本目标:一是实现无线通信全球覆盖;二是提供无缝的高质量无线业务。目前正在构思中的4G通信具有以下特征:(1)网络频谱更宽。要想使4G通信达到100Mbps的传输速率,通信运营商必须在3G网络的基础上进行大幅度的改造,以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究,每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA3G网络的20倍;(2)通信速度更快。人们研究4G通信的最初目的是为了提高蜂窝电话和其他移动终端访问Internet的速率,因此,4G通信最显著的特征就是它有更快的无线传输速率。据专家估计,第四代移动通信系统的传输速率速率可以达到10M~20Mbps,最高可以达到100Mbps;(3)通信更加灵活。从严格意义上说,4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴,因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破,可以想象的是,眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端;(4)智能性更高。第四代移动通信的智能性更高,不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化,更重要的是4G手机可以实现许多目前还难以想象的功能;(5)兼容性更平滑。要使4G通信尽快地被人们接收,还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下较为容易地过渡到4G通信。因此,从这个角度来看,4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。超级秘书网
总之,随着新问题、新要求的不断出现,第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。纵观移动通信技术的发展规律和第四代通信技术的优点,我们相信,不远的将来,人们将不受时间、地点限制,可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息。从而人们的学习、工作、生活将会发生更深刻的变化。
参考文献:
随着数字网络技术的迅猛发展,无线传播领域正在引发一场深刻的技术革命,就在这一两年间,无线数字媒体的类型骤然丰富,除传统媒体之外,手机电视、车载移动电视,楼宇分类电视,多媒体信息亭、地铁多媒体信息系统等新兴媒体纷纷涌现,移动接收是个热点,尤其是广播电视的移动接收,成为发展方向之一。现阶段,广播的移动接收算是在一定程度上解决了。但是电视的移动接收问题要比广播的移动接收困难得多,所以至今还没有得到很好解决。但我觉得,已经快接近目标。
一、数字电视地面广播(DTTB)
在现代通信中,通信传输手段主要是光纤、卫星、数字微波等,加上地面无线电视广播电视发射构成信息主体。目前在我国数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视、卫星传输数字电视、有线传输数字电视三类。而移动电视是数字电视地面广播的重要应用。数字电视地面广播在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能,使整个技术系统的要求最高。它具备无线数字系统所共有的优点,较之卫星接收,有实现容易、价格低廉的特点;较之有线接收不易受城市施工建设、自然灾害战争等因素造成的断网影响;数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波,覆盖电视用户,用户通过接收天线和电视机收看电视节目,主要的受众也是针对本地区的。完善的数字电视地面广播系统所具备的蜂窝单频网功能,不仅提高了频谱的利用率,而且可应用与宽带无线接入市场;而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会"信息到人"的要求,也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。
二、移动接收所遇到的主要问题
移动接收采用的方式是无线数字信号发射、地面接收。因此,移动接收所遇到的问题之一就是衰落,这是所有无线通信系统都会遇到的问题。对于固定接收可以采用分集接收等方法予以克服,但对于移动接收而言分集接收的方法显然不实用,因此衰落问题尤为突出。电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收,实际到达收信天线处的电波除了来自发射天线的直接波外,还存在来自各种物体(包括地面)的反射波和散射波。反射波和散射波在收信天线处形成干涉场,此外,在移动通信中,还存在因移动台(天线)的快速移动而划过颠簸的波节和波幅的驻播现象及由于多普勒效应而造成的相移,凡此种种原因,就使得实际移动台接收到的场强在振幅和相位上均随时随地在急骤变化,使信号很不稳定,这就是无线电波的衰落现象。衰落的严重程度通常随频率或路径长度的增加而增大。目前还无法对衰落进行精确的预测,但区分绕射衰落和多径衰落两种不同类型的衰落是十分重要的。前者为慢衰落,短期信号中值电平在长期中的起伏;后者为快衰落,即瞬时信号电平在短期中的起伏。这两种衰落的表现和影响是不同的。另外,与其他无线通信系统不同的是,移动接收的关键点是移动。因此,移动接收还存在一个其他无线通信不会遇到的问题,这就是多普勒效应。
在日常生活中,我们会注意到远处迎面驶来发出警报声的警车在离你越近时,汽笛声的音调越高。从警车到达你所在位置开始,音调开始降低,而当警车离开你后,听到的音调会越来越低,这种现象就称为多普勒效应。奥地利物理学家多普勒是这样解释这种现象的:朝你驶来的警车发出的声波对你而言稍微压缩从而相对集中,这时你听到的声音波长短于该声源静止时的波,而短波音调是高的。相反,离你而去的声源的声波稍微扩散,这时你听到的波长比该声源静止时的波长长,长波音调是低的,这样的效应对电磁波同样适用。比如一个趋近我们的天线发出的信号,它的频率高于该天线相对于我们静止时的频率,波长相对变短;相反,一个离我们远去的天线发出的信号,其频率则会低于该天线在相对我们静止时相对于我们的频率,波长相对变长。同时波长的位移量与天线的运动速度存在正比关系,即速度越快,则波长移动越大。以上现象就是多普勒效应(Doppler)。系统方面,移动接收还要考虑覆盖网的建设,接收机(特别是便携机)的耗电,接收天线的安装等问题。从基本原理考虑,模拟广播电视信号是不宜实现移动接收的。为了解决移动接收中遇到的问题,广播电视信号必须首先实现数字化。利用数字技术无线接收,可有效解决以上问题。只要在信号有效覆盖范围内,所有移动交通工具,只要配有接收设备,都可以接收数字移动电视信号。三、移动接收中的关键技术--OFDM
OFDM是正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)的缩写,是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输的技术措施。OFDM的基本原理是:高速信息数据流通过串/并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。OFDM的特点是各子载波相互正交,扩频调制后的频谱可相互重叠,不但减少了子载波间的相互干扰,还大大提高了频谱利用率。主要技术特点如下:1)可有效对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;2)通过各子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力;3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换和离散傅利叶变换实现;OFDM能够有效地对抗衰落和多普勒现象带来的负面影响,使受到干扰的信号能够可靠地接收。OFDM码率低,又加入了时间保护间隔,具有极强的抗干扰能力。其多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰。在有关移动接收的几种标准的制定过程中,都采用OFDM作为其核心技术。
二、4G移动通信技术的安全缺陷
1、安装的应用程序存在安全漏洞。
现阶段网络技术还处于不成熟阶段,软件中存在着许多的安全漏洞,网络浏览器和其他应用程序很容易出现故障。很多人对4G网络认识不清,对4G移动通信安全系统不了解,不正常的操作极易出现系统问题和死机现象导致信息的不安全和不完整。
2、病毒的破坏。
4G移动网络通信技术虽然有很多的优势,但它也跟其他网络一样惧怕病毒。病毒是安全系统的蛀虫,当病毒入侵网络系统后后不仅仅会对电脑网络的传输途径造成很大的破坏,而且会导致信号传播中出现乱码,妨碍信息的正确传递。
3、黑客的入侵。
黑客是指拥有高级知识的程序编辑人员,并且通过编程序来操作系统,利用电脑系统存在的漏洞非法的侵入他人系统,盗取他人的信息资料,非法获得自身所需要的东西的人。黑客的入侵通常会导致系统安全的破坏,使他人利益损坏,对他人造成危害。
三、完善4G移动通信技术
4G系统是一个业务多种多样的异构网络,现有的3G安全方案加/解密匙的方法并不适用于4G系统。4G安全系统将是一种轻量的具有复合特点的能够重复配置的系统。仅仅有防范和检查作用的安全系统是不能完全保卫系统的安全的,建立能够对病毒有一定的抵御能力和自动回复能力安全系统是非常必要的。所有的系统都会有一定的缺陷,一旦发生了信息的泄露将产生不可挽回的灾难性的损失。人为的缺失和自然灾害都会对网络系统,造成毁灭性的灾害。要在4G移动通信系统中加入系统容灾技术,一些自然灾害虽然会对通信系统产生危害但是在灾难过后就能快速准确的恢复原有数据,保卫系统安全。作为最后数据屏障的数据备份系统,不能有失误。要想保障数据不出现差错,数据容灾要选用两个存储器,这两个存储器内保存的内容虽然一致,但是他们两个相互独立一个出现问题不会直接影响另外一个,这两个储存器一个放在本地另外一个放在异地。它们通过IP连接在一起,是一个具有完整性、准确性、安全性的容灾系统,二者同时为为本地的服务器服务,同时使用。要不断地完善4G通信系统,无论是系统的硬件还是软件都要全面升级,不断地提升系统的安全性能。
1.2SA技术SA技术就是智能天线技术,它通过固定的天线单元来将方向性进行获取,然后就能够获取移动台以及基站之间的方向特性。在方向特性获得之后,就可以根据不同的信号传输方向来将相同时间,码道,频率的信号进行区分,通过这种技术也就能够实现将网络覆盖区域改变目的,达到让网络覆盖实现有目的性覆盖的目标。
1.3OFDM技术OFDM技术为正交频分复用技术。这种技术将信道分为了若干个子信道,并且也可以将高速数据信号进行转换为低速子数据流,通过调制的方法到子信道上进行了传输,从而让抗衰落能力得到了巨大的提高,也可以防止各个信道之间的互相干扰,保证了4G移动通信技术的高速以及正常传播。
24G移动通信技术的应用
由于4G移动通信技术高速传输,不易受到干扰等特点,它可以应用在人们生活的各个方面。例如我国人民可以将自己的手机来作为4G移动通信技术的终端。而使用4G移动通信技术的手机外观小巧,用一只手就能够掌握。但是它的功能极其强大,完全可以当做一台小型的电脑来使用。人们可以使用4G移动通信的手机来享受到高质量的移动通信服务。
4G移动通信技术可以为使用者提供大量的数据、影像、视频等等服务,让人们能够随时随地地使用高速网络来观看视频以及图片等,同时也不会像以往的移动通信技术会出现延迟、卡顿等问题。而且用户不仅能够进行即时的观看,也可以将这些视频等信息来推送到自己家中的电视上,等回家后再进行观看,让用户能够得到最佳的服务。
1.1数据流量的增长
产业界人士预测10年以后,移动数据量将达到1000倍。5G的吞吐量能力特别大,就算在很忙的时候也能提升到1000倍,至少可以到达100Gbit/s/km2以上。
1.2联网设备扩大100倍
伴随着智能终端和物联网的迅速发展,预计10年后,联网的设备数目将增加到600~1000达部,在未来里,5G网络单位覆盖面积将大大增加,相比之下是目前4G网络将增长100倍,相对一些特殊的应用,单位面积将通过5G网络的设备数目达到100万/km2。
1.3峰值速率至少达到10Gbit/s
面向2020年以后的5G网络,相对于目前的4G网络的峰值速率需提高10倍以上,然而达到10Gbit/s,在特殊情况下,用户单链峰值速率都要求需达10Gbit/s。
1.4用户速率可达到10Gbit/s,特殊需求达到100Gbit/s
在未来的5G网络中,在一般条件下,用户在任何时候都能获得10Gbit/s以上的速率,对于特殊需求的业务和用户将达到100Gbit/s,比如:急救车内高清医疗图像传输服务。
1.5可靠性高与时间短
2020年后的5G网络,需要满足用户在线服务,能随时随地的进行各种体验,并且还需满足工业信息系统、应急通信等更多场景需求。需要进一步地降低用户的控制时延,与4G网络相比,缩短了5~10倍。对于关系重大财产安全的业务和人类生命可靠性必须提升到99.9999%以上。
1.6频谱利用相对较高
由于5G网络用户的业务量大、规模大、流量高,相对来说,使用频率需求量也大,需要通过压缩等创新技术及频率倍增的应用,来提高频率利用率。相对4G网络来说,5G的频谱效率要5~10倍的提高,来解决流量带来的频谱短缺问题。
1.7网络消耗能源
相对来说较低节省能源、绿色低碳是未来通信技术的发展的方向,在未来的5G网络中,需要利用节约能源的设计,使网络能耗效率都有待提高1000倍,来满足1000倍流量的需求,但是现有网络与能耗有相当的水平。
25G关键技术概述
从目前的角度看,5G的关键技术仍在发展阶段和研究阶段,但学术界和产业认为,5G的关键技术应包含下几个方面:一是5G关键技术与无线网络构架;二是5G无线输送的关键技术;三是5G移动通信总体技术系统;四是5G移动通信验证技术。接下来对业界十分关注的5G技术进行总的介绍。
2.1高频段传输
目前,移动通信系统频段主要是3GHz以内,伴随着用户人数的增加,频谱资源也变得十分拥挤,然而在高频段里,如毫米波频率是27.3~350GHz,而带宽则高达284.6GHz,超过微波全部带宽的12倍。微波与毫米波相比,元器件的尺寸要小很多,毫米波系统能轻而易举小型化,实现进行极高速短距离通信,支持5G传输速率和容量需求。
2.2多天线传输技术
多天线技术,经历了从二维到三维,从无源到有源,从高阶多输入多输出到大规模阵列的发展,能把频谱利用率提高到数十五倍甚至再高,是目前5G技术唯一重要研究方向。
2.3同时同频全双工技术
同时同频全双工技术被称为高效的频谱效率技术,该技术在相同的物理信道上对两个方向信号的进行传输,在通信双工节点的接收机处通过对取消自身发射的信号干扰,在发射信号时候,同时接收另一节点的相同频信号。
2.4设备间直接通信技术
以往的移动通信系统连网方式,以基站为中心点,实现对市区覆盖,基站及中继站是不能随便移动的,网络结构是有限制的,在未来的5G网络里,用户规模大,数据流量大,以传统的基站模式为中心的组网方式,是没办法满足业务需求。D2D直接通信技术在没有基站的情况下也能运转,实现通信设备的直接通信,开拓了接入方式和网络连接。
2.5密集网络技术
5G是一个智能化、宽带化、多元化、综合化的网络,数据流量是4G的1000倍。想要实现目标有两种技术:一是在宏基站处布置大规模天线来取得室外空间增益,二是布置密集网络来满足室外和室内数据需求。在未来里,向高频段宽带,将采用更加密集的方案,部署高达200个以上扇区。
2.6新型网络架构技术
为了满足在未来里,使用高容量、大规模的用户需求,未来的5G网络架构将具有低时延、低成本、易维护、扁平化特点。目前产业界主要集中在云架构和C-RAN的研究上。
2.7智能化技术
5G的中心网络,是由大型的服务器来组成的云计算平台,通过交换机网络及数据交换功能的路由器与基站相连接,宏基站具有大数据存储功能和云计算功能,时效性特强或特别大的数据,提交到云计算中心进行网络处理,终端或基站的数量、形态多,不一样的业务选取不一样的频段,连接方式和天线多样化。所以,需要具有自动模式切换、智能配置、智能识别的功能,实现智能组网,在未来里,智能化技术是实现5G网络的是关键技术。
3研究情况及趋势
从目前来看,全球对5G技术的研究,都处在早期阶段,将来还需要进行标准化、外场试验、技术研究等阶段,最后才能实现商用部署,但是,尽管对5G技术和概念仍然在进行深究,对5G标准的大方向,现在产业界和学术界在基本上达成了共识。
OTN作为光层组织网络的传送网络,整体可划分为光通道层、光复用段层和光传送段层三大子层机构,三大子层有机构成一系统建构,组构OTN技术支撑。其中,光通道层又由两部分建构,OTUk和ODUk。OTUk即光通道传送单元,ODUk即光通道数据单元。光通道传送单元和光通道数据单元基本与SDH技术的段层和通道层两部分相对应。所以,从OTN技术本质上来讲,它打破了现存的SDHWDM的传统优势,是对传统的更进一步、提升效能的继承和创新,而且,OTN技术还扩展了对应业务传送需求的组网功能。
1.2OTN优势
OTN技术是对传统组网技术的继承、整合和创新,与已有的SDHWDM等传送组网技术比较,它具有多元优势:多种客户信号封装和透明传输。完美支持多种协议,大颗粒的带宽复用、交叉以及配置。容量的可扩展性较强、强大的开销和维护管理能力。FEC的纠错能力较强、增强了组网和保护能力。
2OTN传输技术在移动网络中的应用
2.1网络组网架构
OTN组网总体网络架构在移动网络建设中存在不同的方式,当前整体分为省际干传送线网、省内干传送线网以及城域传送网3大建构板块。通过3大板块的组网构建,OTN作为一种透明的信息网络传送平台,能够实现多元业务平台提供的多元业务的统一传送。
2.2OTN组网模型
2.2.1省与省之间的干线传送网的组建模式
(1)网络组建的拓扑模式
省级干线能够传送到省际干线传送网旁边的部分省份,光缆网络传输的出口方向只有2个,通过对比得知其它省份光缆网传输的出口方向3个以上,可以根据光缆网络拓扑采用网状式的结构组建OTN传输网,外省的业务接入点通过环网来实现。
(2)网络传输的波道规划
如果一个节点需要担任多方位传输的任务,那么在规划它传输方向的波道时要根据它的业务流量和流向来确定,如果同一条线路使用了两个不同方向的波道要将它们规划到同一个交叉单元中,这样可以有效地避免在外部跳纤来实现通道的连接。
2.2.2省内干线传送网OTN组网
(1)组网拓扑
组网的业务特点:将省会城市的网络节点作为中心,担任汇聚和收集各地市业务节点。光缆网的业务特点:各地市的节点以省会城市的节点作为中心,且分布在各个环线之上。
(2)网络波道规划
ONT网络组织的环形结构有以下特点:省会的城市节点呈现多维状态,而一般的地市级节点只能支持两维。
2.2.3城域传送网OTN组网
城域传送网OTN网络结构不同的组建方式是根据网络规模的大小来确定的,主要分为大规模形式的城域传送网和中小规模形式的城域传送网,下面举例说明。
(1)组网模式的拓扑
从城域传送网的整体来看,它的规模相对较大且核心的节点数量也比较多,整个网络的业务量也大。在这种传输网络中核心层是专门负责提供核心节点之间的中继电路,同时也负责各种业务的调度,且能够实现业务的大容量调度和多业务同时传送的功能。
(2)网络波道规划
核心层和汇聚层可以组建独立的网络,在业务的初期可以根据实际情况只在核心层组建ONT传输网络,在组织网络结构的时候要充分地考虑光缆网络的连通程度和业务的流量和流向,汇聚层采用环形组建形式,每个环可以接到两个核心的节点之上。
随着数字网络技术的迅猛发展,无线传播领域正在引发一场深刻的技术革命,就在这一两年间,无线数字媒体的类型骤然丰富,除传统媒体之外,手机电视、车载移动电视,楼宇分类电视,多媒体信息亭、地铁多媒体信息系统等新兴媒体纷纷涌现,移动接收是个热点,尤其是广播电视的移动接收,成为发展方向之一。现阶段,广播的移动接收算是在一定程度上解决了。但是电视的移动接收问题要比广播的移动接收困难得多,所以至今还没有得到很好解决。但我觉得,已经快接近目标。
一、数字电视地面广播(DTTB)
在现代通信中,通信传输手段主要是光纤、卫星、数字微波等,加上地面无线电视广播电视发射构成信息主体。目前在我国数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视、卫星传输数字电视、有线传输数字电视三类。而移动电视是数字电视地面广播的重要应用。数字电视地面广播在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能,使整个技术系统的要求最高。它具备无线数字系统所共有的优点,较之卫星接收,有实现容易、价格低廉的特点;较之有线接收不易受城市施工建设、自然灾害战争等因素造成的断网影响;数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波,覆盖电视用户,用户通过接收天线和电视机收看电视节目,主要的受众也是针对本地区的。完善的数字电视地面广播系统所具备的蜂窝单频网功能,不仅提高了频谱的利用率,而且可应用与宽带无线接入市场;而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会"信息到人"的要求,也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。
二、移动接收所遇到的主要问题
移动接收采用的方式是无线数字信号发射、地面接收。因此,移动接收所遇到的问题之一就是衰落,这是所有无线通信系统都会遇到的问题。对于固定接收可以采用分集接收等方法予以克服,但对于移动接收而言分集接收的方法显然不实用,因此衰落问题尤为突出。电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收,实际到达收信天线处的电波除了来自发射天线的直接波外,还存在来自各种物体(包括地面)的反射波和散射波。反射波和散射波在收信天线处形成干涉场,此外,在移动通信中,还存在因移动台(天线)的快速移动而划过颠簸的波节和波幅的驻播现象及由于多普勒效应而造成的相移,凡此种种原因,就使得实际移动台接收到的场强在振幅和相位上均随时随地在急骤变化,使信号很不稳定,这就是无线电波的衰落现象。衰落的严重程度通常随频率或路径长度的增加而增大。目前还无法对衰落进行精确的预测,但区分绕射衰落和多径衰落两种不同类型的衰落是十分重要的。前者为慢衰落,短期信号中值电平在长期中的起伏;后者为快衰落,即瞬时信号电平在短期中的起伏。这两种衰落的表现和影响是不同的。另外,与其他无线通信系统不同的是,移动接收的关键点是移动。因此,移动接收还存在一个其他无线通信不会遇到的问题,这就是多普勒效应。
在日常生活中,我们会注意到远处迎面驶来发出警报声的警车在离你越近时,汽笛声的音调越高。从警车到达你所在位置开始,音调开始降低,而当警车离开你后,听到的音调会越来越低,这种现象就称为多普勒效应。奥地利物理学家多普勒是这样解释这种现象的:朝你驶来的警车发出的声波对你而言稍微压缩从而相对集中,这时你听到的声音波长短于该声源静止时的波,而短波音调是高的。相反,离你而去的声源的声波稍微扩散,这时你听到的波长比该声源静止时的波长长,长波音调是低的,这样的效应对电磁波同样适用。比如一个趋近我们的天线发出的信号,它的频率高于该天线相对于我们静止时的频率,波长相对变短;相反,一个离我们远去的天线发出的信号,其频率则会低于该天线在相对我们静止时相对于我们的频率,波长相对变长。同时波长的位移量与天线的运动速度存在正比关系,即速度越快,则波长移动越大。以上现象就是多普勒效应(Doppler)。系统方面,移动接收还要考虑覆盖网的建设,接收机(特别是便携机)的耗电,接收天线的安装等问题。从基本原理考虑,模拟广播电视信号是不宜实现移动接收的。为了解决移动接收中遇到的问题,广播电视信号必须首先实现数字化。利用数字技术无线接收,可有效解决以上问题。只要在信号有效覆盖范围内,所有移动交通工具,只要配有接收设备,都可以接收数字移动电视信号。
三、移动接收中的关键技术--OFDM
OFDM是正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)的缩写,是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输的技术措施。OFDM的基本原理是:高速信息数据流通过串/并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。OFDM的特点是各子载波相互正交,扩频调制后的频谱可相互重叠,不但减少了子载波间的相互干扰,还大大提高了频谱利用率。主要技术特点如下:1)可有效对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;2)通过各子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力;3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换和离散傅利叶变换实现;OFDM能够有效地对抗衰落和多普勒现象带来的负面影响,使受到干扰的信号能够可靠地接收。OFDM码率低,又加入了时间保护间隔,具有极强的抗干扰能力。其多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰。在有关移动接收的几种标准的制定过程中,都采用OFDM作为其核心技术。
〖正文〗
随着数字技术、信息技术和网络技术的迅猛发展,无线传播领域正在引发一场深刻的技术革命,就在这一两年间,无线数字媒体的类型骤然丰富,除传统媒体之外,手机电视、车载移动电视,楼宇分类电视,多媒体信息亭、地铁多媒体信息系统等新兴媒体纷纷涌现,移动接收是个热点,尤其是广播电视的移动接收,成为发展方向之一。在早期,这种移动性主要受电源供电、设备尺寸的限制,基本上没有办法实现,移动接收带来的技术问题也没有提到议事日程上。在电子管时代,器件的尺寸比较大,耗电也多,真正的“移动”只在军事方面,便携式的收音机也有,但一直不能普及。到了晶体管时代,收音机小到可以放在口袋里,广播的移动接收算是在一定程度上解决了。但是电视的移动接收问题要比广播的移动接收困难得多,所以至今还没有得到解决。
一、数字电视地面广播(DTTB:DigitalTelevisionTerrestrialBroadcdsting)
在现代通信中,通信传输手段主要是光纤、卫星、数字微波等,加上地面无线电视广播电视发射构成信息主体。目前在我国数字电视按信号传输方式可以分为地面无线传输数字电视、卫星传输数字电视、有线传输数字电视三类。而移动电视是数字电视地面广播的重要应用。数字电视地面广播在应用需求上要求实现移动和便携接收的功能,使整个技术系统的要求最高。它具备无线数字系统所共有的优点,较之卫星接收,有实现容易、价格低廉的特点;较之有线接收不易受城市施工建设、自然灾害战争等因素造成的断网影响;数字电视地面广播通过电视台制高点天线发射无线电波,覆盖电视用户,用户通过接收天线和电视机收看电视节目,主要的受众也是针对本地区的。完善的数字电视地面广播系统所具备的蜂窝单频网功能,不仅提高了频谱的利用率,而且可应用与宽带无线接入市场;而移动和便携的独特优势使该系统能满足现代信息社会“信息到人”的要求,也就是无论何人何时在何地均能任意获取他想得到的信息。
二、移动接收所遇到的主要问题
移动接收采用的方式是无线数字信号发射、地面接收。因此,移动接收所遇到的问题之一就是衰落,这是所有无线通信系统都会遇到的问题。对于固定接收可以采用分集接收等方法予以克服,但对于移动接收而言分集接收的方法显然不实用,因此衰落问题尤为突出。
电波在沿地表传播中会受到各种阻碍物的反射、散射和吸收,实际到达收信天线处的电波除了来自发射天线的直接波外,还存在来自各种物体(包括地面)的反射波和散射波。反射波和散射波在收信天线处形成干涉场,此外,在移动通信中,还存在因移动台(天线)的快速移动而划过颠簸的波节和波幅的驻播现象及由于多普勒效应而造成的相移,凡此种种原因,就使得实际移动台接收到的场强在振幅和相位上均随时随地在急骤变化,使信号很不稳定,这就是无线电波的衰落现象。衰落的严重程度通常随频率或路径长度的增加而增大。目前还无法对衰落进行精确的预测,但区分绕射衰落和多径衰落两种不同类型的衰落是十分重要的。前者为慢衰落,短期信号中值电平在长期中的起伏;后者为快衰落,即瞬时信号电平在短期中的起伏。这两种衰落的表现和影响是不同的。
另外,与其他无线通信系统不同的是,移动接收的关键点是移动。因此,移动接收还存在一个其他无线通信不会遇到的问题,这就是多普勒效应。
在日常生活中,我们会注意到远处迎面驶来发出警报声的警车在离你越近时,汽笛声的音调越高。从警车到达你所在位置开始,音调开始降低,而当警车离开你后,听到的音调会越来越低,这种现象就称为多普勒效应。奥地利物理学家多普勒是这样解释这种现象的:朝你驶来的警车发出的声波对你而言稍微压缩从而相对集中,这时你听到的声音波长短于该声源静止时的波,而短波音调是高的。相反,离你而去的声源的声波稍微扩散,这时你听到的波长比该声源静止时的波长长,长波音调是低的,这样的效应对电磁波同样适用。比如一个趋近我们的天线发出的信号,它的频率高于该天线相对于我们静止时的频率,波长相对变短;相反,一个离我们远去的天线发出的信号,其频率则会低于该天线在相对我们静止时相对于我们的频率,波长相对变长。同时波长的位移量与天线的运动速度存在正比关系,即速度越快,则波长移动越大。以上现象就是多普勒效应(Doppler)。
系统方面,移动接收还要考虑覆盖网的建设,接收机(特别是便携机)的耗电,接收天线的安装等问题。
从基本原理考虑,模拟广播电视信号是不宜实现移动接收的。为了解决移动接收中遇到的问题,广播电视信号必须首先实现数字化。利用数字技术无线接收,可有效解决以上问题。只要在信号有效覆盖范围内,所有移动交通工具,只要配有接收设备,都可以接收数字移动电视信号。
三、移动接收中的关键技术——OFDM
OFDM是正交频分复用(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)的缩写,是在严重电磁干扰的通信环境下保证数据稳定完整传输的技术措施.
OFDM的基本原理是:高速信息数据流通过串/并变换,分配到速率相对较低的若干子信道中传输,每个子信道中的符号周期相对增加,这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外,由于引入保护间隔,在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下,可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔,还可避免多径带来的信道间干扰。
在过去的频分复用系统中,整个带宽分成N个子频带,子频带之间不重叠,为了避免子频带间相互干扰,频带间通常加保护带宽,但这会使频谱利用率下降。为了克服这个缺点,OFDM采用N个重叠的子频带,子频带间正交,因而在接收端无需分离频谱就可将信号接收下来。
OFDM的特点是各子载波相互正交,扩频调制后的频谱可相互重叠,不但减少了子载波间的相互干扰,还大大提高了频谱利用率。主要技术特点如下:
1)可有效对抗信号波形间的干扰,适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输;
2)通过各子载波的联合编码,具有很强的抗衰落能力;
3)各子信道的正交调制和解调可通过离散傅利叶反变换和离散傅利叶变换实现;
OFDM能够有效地对抗衰落和多普勒现象带来的负面影响,使受到干扰的信号能够可靠地接收。OFDM码率低,又加入了时间保护间隔,具有极强的抗干扰能力。其多径时延小于保护间隔,所以系统不受码间干扰的困扰。
在有关移动接收的几种标准的制定过程中,都采用OFDM作为其核心技术。
四、移动接收制式
众所周知,地面数字电视广播系统目前有多种制式,这些制式总体上可以分为单载波方式和多载波方式两类,美国用的ATSC是单载波的,欧洲的DVB-T是多载波的。英国是实施DVB-T标准最成功的一个国家,并成功地开通了地面数字电视广播。法国、瑞典、西班牙在实施地面数字广播方面也获得了成功。除我国自己提出的若干种制式,我国DTTB的制定原理是:(1)传输信息要大,支持包括高清电视的多媒体广播服务;(2)抗干扰能力强,在一般室内环境下可接收;(3)与现有模拟广播电视频道兼容,并有利于频道规划和摸拟向数字过渡;(4)具有灵活性;支持标准高清晰度和高清晰度兼容的是视广播,支持移动接收设备,支持便携接收设备;(5)具有可扩展性;支持包括互联网的交互数据综合业务,支持广播网络化的发展需要。整体性能指标应优于或相当于相应的国外现有标准的性能。
在欧洲,针对DVB-T(DigitalvideobroadcastingTerrestrial)在移动接收中的不足,人们提出了一种DVB-H的制式专门用于移动接收,而原有的数字音频广播(DAB)也发展到播出多媒体,下文将重点比较DVB-H和DAB的差别。
DAB是在1988到1992年间开发的。系统当初主要打算作为音频广播,但对传送数据和多媒体业务也有准备。尽管到目前为止在许多国家没有达到普及的程度,但DAB业务已经在多个国家开始。DAB系统,尤其是它的传输网络,是以1.5m的天线高度作为户外的接收而设计的。因此,DAB为汽车接收提供良好的覆盖。
DVB-H(Digitalvideobroadcastinghandheld),通过地面数字广播网络向便携/手持终端提供多媒体业务所制定的传输标准。该标准是欧洲的数字电视标准DVB-T的扩展应用。和DVB-T相比,DVB-H终端具有功耗更低、移动接收和抗干扰性更强的特点,因此该标准适用于移动电话、手持计算机等小型便携设备通过地面数字电视广播网络接收信号。也可以说DVB-H标准依托DVB-T传输系统,通过增加一定的附加功能和改进技术使手机等手持便携设备能够在固定和移动状态下稳定地接收广播电视信号。如图1
DVB-H采用时分数字多媒体广播带宽、以脉冲方式发送各频道的数据。一般情况下,除接收所需频道的数据外,调谐器电路在其它时间均处于关闭状态,因此可有效减少耗电。图2是DVB-H传输系统框图。
图2
DAB(DigitalAudioBroadcasting)适合于多媒体的分发,而DVB-H则是来自DVB的最新标准,它们有不同的历史:
DVB-T接收机的普及是令人鼓舞的。在德国的柏林,2003年从模拟转换到数字电视之后,卖出的DVB-T接收机达到250,000台。不同的欧盟赞助项目,如ACTS-MOTIVATE(1998-99),MCP(2000-2001)和CONFLUENT(2002-2003),对DVB-T用作移动和手提式接收进行过考察,也对接收机进行了优化。结论是,使用(双天线)分集接收机技术可以使DVB-T实现高速移动接收。
在对DVB-T的移动性进行测试的时候,也提出了DVB-T在移动环境下是否适合其他多媒体应用的问题。移动电话制造商,对通过DVB-T的高数据率的应用提供移动的多媒体服务特别感兴趣。其动机是,在移动电话商业价值链中,电视是最后一个不在手上的链路。由于用DVB-T向移动电话广播有缺点,所以有了制定以DVB-T为基础的,专用于手持接收机的标准的主意。这方案叫做DVB-H。
DVB-H的基本商业要求是用电池供电的小的屏幕移动终端。它应该能够在手提式的,移动的和室内的环境中,使用单一天线接收多媒体业务。
五、DAB和DVB-H在技术上的异同
从总体上看,DAB和DVB-T/H传输系统是以相同的调制和编码技术为基础的,这就是编码正交频分频复用(COFDM)。它们之间的差别主要是在特定的区域,如载波间隔,载波调制,FFT的大小(也就是副载波的数量)等等。
FFT大小:DAB在一个1.5MHz的信道里,可以应用256,512,1k和2k的FFT;DVB-H可以在5,6,7或8MHz带宽的信道中应用2k,4k和8k的FFT。
时间分片:DVB-H的时间分片是一种在接收机上节省功率的新机制。如果在没有业务传输的那些时间段,接收机可以断开,那么就可以节省电池的电力。DVB-H的时间分片意味着数据是以突发脉冲串的方式传输的,这些脉冲串从几毫秒到几秒之间。这项技术以下列二个与业务有关的问题的折衷为基础:业务需要什么数据率?而在接收机这边应当节省多少电池的电力?
DAB也是用串的形式传输数据的。这种“数据脉冲串”是DAB帧的一部份,帧跟随在一个无效符号后,持续24ms。
时间交织:DVB-H没有采用时间交织,因为DVB-T标准不提供时间交织:DVB-T原先不是作为高速移动接收而设计的。DAB从一开始就是为移动接收而设计的。时间交织解决了在单天线的移动接收条件下的衰落问题。时间交织把突发误码分配在一个较大的时段上,使得FEC能够校改正这些误码。在移动接收中,更有可能出现的是突发误码而不是单个误码。在DAB中,时间交织工作在16个“数据串”上。一个数据串持续24ms,使得时间交织工作在384ms上。
不相等的误码保护(UEP):不相等的误码保护意味着在解码过程中,较重要的比特的保护优于较低重要性的比特。DAB支持UEP。这意味着对解码过程,比特是依照它们的重要性进行保护的。这对移动和便携接收是非常重要的,因为一般来说,恶劣的接收条件是无可避免的,在恶劣的接收条件下的服务性能是关键问题。借助UEP,通过设计相对于主业务保护的不同的误码保护类型,就可以把失效特性对客观或主观的服务品质实现最佳化。DVB-T/H没有准备UEP。这意味着,那些损害某些重要信息(例如控制信息)的误码只能像那些不明显的比特那样来保护。对于用户,不明显的比特是否被破坏是不要紧的,他们最关心的是,重要的同步是否丢失。
多协议封包-前向误码纠错(MPE-FEC):在DVB-H中,多协议封包结合附加的前向纠错(FEC),是用来改善单天线的移动接收的。但是这种误码保护只在一个时间片工作。但传输的误码通常不是单个的误码而是作为突发误码串出现的,如果时间片被扰乱太多,业务就丢失,不仅在时间片的期间,也延伸直到下个时间片被传输的期间。MPE-FEC是一个在较高的协议层的附加FEC,能够校正在较低层上的剩余误码,但只能在某个范围内。因此,DVB-H对它的有效比特没有独立的保护。现在计划进行进一步的实验室测试和现场试验,以研究带和不带MPE-FEC两种情况下,只用一个天线的DVB-H的接收性能。DAB不使用MPE-FEC,因为这只是在一个较高的传输层上的一个附加的误码保护机制。不过在DAB中使用MPE-FEC或类似的误码保护系统也不是问题。WorldDAB协会现在正在考虑DAB标准的扩展,它会包括像DVB-H那样基于MPE-FEC的误码保护方案,或者如DVB-T和DVB-S标准所用的,MPEG-2传输流的基于R-S码。
可扩缩性:DAB的复接是以864个容量单元为基础的,它们可以组合起来以适合业务需要的任何数据率。因此业务数据率的最小值受容量单元的限制。根据所选择的误码保护,这在1.3kbit/s的数量级:作为数据业务,通常用8kbit/s的倍数。DVB-H提供的业务可以从0-10Mbit/s。它只取决于时间片的大小。
因为各种不同的理由,如果每个业务用的数据率为300kbit/s或更少,DAB更适合移动终端的技术需求。举例来说,它在多工方面比较简单。经由DAB可以传输四到六套节目,然而在DVB-H有30套或更多的节目需要复接。这么多节目的处理是更困难的。利用差分相移键控(DQPSK),DAB的解调技术比较简单。藉由这种解调技术,接收机的复杂性减少了。在接收机方面,DAB只需要DVB-T的5-20%的功率,而DVB-H消耗DVB-T的大约33%的功率。功率的减少取决于业务的数据率。
相对DVB-H,DAB的带宽较低,DAB发射网络比DVB-H发射网络的功率小得多。DVB-H网络的发射功率至少与DVB-T相同。通过利用大的SFN,DAB可以提供高的网络频谱效率。此外,通过为每个业务运行者进行频谱规划,频率资源可以非常有效地利用。今天,DAB音频业务在L波段上用得不多,这波段仍然有DAB多工可用的频谱。
六、DVB-H和DAB的其他方面
全国性的单频网:大体而言,DVB-H和DAB都可能建立全国性的单频网,但是,因为减少自扰的灵敏度,DAB允许大的SFN。这是非常有频谱效率的。与此相比,用16QAM模式的DVB-T/H,最大的SFN大约是200km。
在欧洲,DVB-H和DAB之间开始合作,目标是回答下列问题:是否有一个以DAB为基础的,类似DVB-H的,有用的或可能的标准一种迎合两个标准的最终用户器件是否容易实现?DAB向移动用户提供DVB-H业务需要什么?人们正在协调DAB和DVB-H。例如让DAB能使用DVB-H的MPE-FEC。另外,另一种可能性可能在比较高层,例如视频编码(MPEG-4,H.264)和传输层(IP的使用)。真正需要的是在IP-Datacast/DVB-H业务和DAB物理层之间有一个公共接口定义。
有人提出,移动接收应当用DAB,他的理由是:从标准化进程的最开始,DAB就是为用单天线作移动接收而设计的;数据率从小显示到1.2Mbit/s(在较低的误码保护为1.5Mbit/s)是可扩展的;DAB发射网络的建立比DVB-H网络便宜;由于它的时间交织特征,DAB对脉冲噪声是稳健的;DAB需要的发射机功率比DVB-H低;不管音频还是多媒体业务,DAB都是由广播界推动的。
小结
广播电视的移动接收作为当前的技术热点,尽管它的市场前景和受众分析还有待进一步的研究,但它的技术还在发展中。要说哪一种制式最适合移动接收还为时尚早,因为每种制式都会根据市场的需要及时改进其技术,从而改善其移动接收的性能。
参考文献: