移动IP技术专题

摘要：移动互联网是当前信息技术研究的一个重点，得到了全世界各行各业的广泛关注。移动互联网技术的关键在于实现便携设备通过无线通信信道接入Internet并获取和显示有效信息，它们主要涉及TCP/IP协议的网络接口层和应用层。文中密切跟踪业界动态，依照TCP/IP协议的参考模型，重点介绍了HSCSD、GPRS、Bluetooth、IMT-2000和WAP等技术，详细讨论了各自的实现方法和特点。最后，从技术和市场两个角度分析了移动互联网的现状以及未来走向，并指出了移动互联网所面临的主要问题，探讨了相应的解决方法。 关键词：移动互联网 HSCSD GPRS Bluetooth IMT-2000 WAP1 引言 　　自70年代末第一代模拟蜂窝移动通信系统问世以来，蜂窝移动通信在技术和市场两个方面都取得了较大的发展。以800MHz的AMPS和D－AMPS标准以及900MHz的TACS和GSM标准为代表的两大体系分别在北美和欧洲取得了巨大的成功。进入90年代，移动通信发展迅猛，现有的GSM和CDMA业务持续发展，备受关注的第三代（3G）移动通信系统，则开始在大规模进入市场前做各方面的准备工作。预计2000年底全球移动用户数将超过5亿，其中中国用户为7000万。与此同时，传呼机、掌上电脑和个人数字助理（PDA）等便携设备的数量也相当可观。 　　另一方面，Internet的触角已渐渐深入到人们日常生活的方方面面。刚开始设计Internet时，我们假定所有的计算机和通信设备都是固定不动的。然而，移动正在变得无处不在。随着个人流动性的增强，移动中便携设备连接到Internet的需求正变得日益迫切。如何让人们能够随时、随地访问Internet，是当前Internet技术研究的一个热点，也是下一代真正的个人通信技术的目标[1,2]。 　　移动通信和互联网已经成为信息产业的两大支柱，他们分别拥有超过4亿和3亿的用户，在中国，目前己分别达到6000万和1690万。而移动互联网由于具有将这两大领域融合的能力，引发了设备制造商、电信运营商、软件开发商以及信息提供商等各方面的极大关注。日本的NTT DOCoMo于1999年2月率先推出了名为I-mode的移动电话上网服务，取得了巨大成功。目前，中国移动通信集团公司已经开始组建中国又一新的公用计算机互联网-"中国移动互联网"，它将高起点地建设成为一个以宽带IP技术为核心，可同时提供话音、图像、数据、多媒体等高品质信息服务的全国性开放型电信网络。预计到今年年底为止，我国移动互联网的用户将达到500万。 　　在技术和市场两种驱动力的作用下，业界涌现出多种移动互联网技术，目前，我们可以采用的主要有：HSCSD、GPRS、Bluetooth以及WAP等等。尽管它们解决问题的层面和侧重点有所不同，但着眼点都是相同的，既便携设备如何接入Internet并获取和显示有效信息。 2 移动互联网技术的划分 　　Internet通过TCP/IP协议（传输控制协议/网间协议）把分布在全世界范围的各种网络连接成一个松散结构的全球网，并使得网络上的各种设备可以交换各种信息[3,4]。移动互联网技术就是要依照TCP/IP协议，特别是网络接口层和应用层协议，提出便携设备连接Internet的方法。 　　移动用户的固有特征决定了在移动中访问Internet的设备必须具备无线通信的能力。目前，便携设备或者不具备远程无线通信的能力，或者现有的数据传输速率达不到要求，业界为此提出了针对网络接口层的Bluetooth和GPRS等技术，用于解决便携设备接入Internet的问题；另一方面，这些设备在内存、处理能力等方面具有极大的局限性，急需解决信息获显示和处理等方面的问题，WAP是业界的事实标准，日本NTT DoCoMo推出的I-mode则是一个成功的典范。我们将各种移动互联网技术的划分如下[5]： 　　 　　处于不同层面的技术可以组合运用，如Bluetooth与GPRS和WAP结合使用可以允许掌上电脑和PDA等便携设备利用移动电话的远程通信能力接入Internet。 3 网络接口层技术 　　网络接口层技术的目的是在无线信道上提供数据传输服务，并进一步提高接入速率。目前，采用电路交换的GSM系统满足不了高速接入互联网的需要，业界推出了HSCSD、GPRS、EDGE等技术标准，这也是为了保护对第二代（2G）移动通信系统的投资；3G移动通信系统定位于移动多媒体运用，并能够在移动环境下提供互联网服务，但3G的大规模布网至少要等到2002年以后；掌上电脑、PDA等便携设备需要通过运用Bluetooth（蓝牙）技术才能获得Internet的接入能力。 　　3.1 HSCSD 　　HSCSD（High Speed Circuit Switch Data）利用移动电话网，如TACS、AMPS和GSM等提供的电路交换服务来传送数据。用户通过呼叫建立电路，电路建立后一直由用户占有，直到用户使用完毕后释放电路。它利用语音信息传输数据，与固定电话网上的数据传输相似。以前GSM网利用调制解调器可提供速率为9.6kbps的数据传输服务，欧洲电信标准委员会ETSI现已推出新的HSCSD标准，该标准在对原来线路纠错方法进行改进后，可使单个时隙的数据传输速率提高50％，从而达到14.4kbps。此外，通过适当的时隙捆绑技术，单个用户可以同时占用多个时隙，使一个数据信道传输速率大大提高，最高可达57.6 kbps[1]。 　　与HSCSD类似，CDPD（Cellular Digital Packet Data）是利用北美模拟蜂窝电话系统的空闲信道来传送IP包的一种标准，最大数据传输速率为11kbps。在CDPD系统里，许多用户可以同时共享一个无线信道。 　　3.2 GPRS 　　GSM是目前使用最广泛的移动通信系统，网络遍布130多个国家，具有180多个运营商。ETSI定义了一种高速率的、基于分组交换的数据传输系统GPRS，它的推出标志着人们在GSM的发展史上迈出了意义最重大的一步。 　　GPRS（通用分组无线服务）又称作GSM Phase 2+，其数据传输速率可达115kbps。除能够为用户提供端到端的分组交换之外，GPRS还能够在有限范围内为用户提供无线局域网的通信能力，并具有网管简单和保障现有资源等方面的优点。GPRS备受关注的另一方面原因在于它对IP和X.25协议的完全透明支持。通过GPRS，移动台可以在GSM网络上实现对IP和X.25网络的访问和应用[1,6]。 　　 　　　　　　　　　　　　　　　图1 GPRS的系统结构 　　GPRS的主要优势包括：充分利用现有的GSM网络，并提高了接入速率，使运营商可以方便的推出此项业务；用户总是在线，不用拨号；资费比较合理，用户只需按数据流量付费；具备前后向兼容能力等。但GPRS的数据传输速率仍然具有一定的局限性。在GPRS实施之后，还可以考虑采用替代技术EDGE（Enhanced Data for GSM Evolution），目前EDGE的标准正在制定过程中，它将采用新的调制技术，高效利用200kHz的载波，使数据传输速率最高达到384kbps（8个时隙捆绑在一起），接近3G的水平。如果运营商拥有3G的频谱，则可从GPRS直接过渡到3G移动通信系统。 　　3.3 IMT-2000 　　3G移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）在1985年提出概念，当时称之为"未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）"，到1996年时考虑到其商用的时间（2000年左右）和工作的频段（2000MHZ）更名为IMT-2000，其含义是"国际移动通信系统2000" [7]。同时，其单个信道可以最多可提供正好2000K的数据传输速率。目前，IMT-2000第一阶段的标准制定工作已经完成，到2000年底将完成更加详细的技术规范。 　　3G移动通信系统的重要特征不仅在于采用了码分多址（CDMA）等技术，而且具备高速移动数据的传输能力，即能够提供音频、视频、接入互联网等移动多媒体业务。IMT-2000的技术规范包括无线传输技术和网络接口技术两部分，针对前者，ITU、电信产业界及电信运营商联合制定了包括W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA三种方式的技术规范，其中TD-CDMA技术规范包括电信科学技术研究院代表我国提出的TD-SCDMA技术标准，这三种方式正在扩频速率等方面走向融合；针对后者，IP方式的宽带网络采用的可能性最大。 　　3.4 Bluetooth 　　Bluetooth主要面向网络中的各类数据及语音设备（如PC、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等），通过无线方式将它们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。也就是说，利用Bluetooth技术，无需连线就能把传呼机、掌上电脑、PDA和移动电话等各种各样的电子设备连接。 　　在移动互联网的技术中，Bluetooth的目标是实现以移动电话为中心，把个人携带的设备连接成 PAN（个人局域网）从而实现无线访问Internet[8]。一个PAN最多可由8台这样的设备组成：其中一台为通信的主叫方，其余则为通信的受取方；受取方可同时与其它PAN进行通信，从而实现PAN之间的互连。Bluetooth采用了不必经过申请便可利用的2.4GHz ISM（工业、科学、医学用）频带，最大传输距离为10米，可支持多种应用[1]。此外，它还采用了多项先进技术以提高性能[1,8]： 　　①利用基于1600跳/秒的跳频技术和79个分组的交换协议、可变的电源输出以及短数据包传输等技术提高系统抗干扰性能。 　　②以每秒1M的码元速率传输，充分利用信道的最大有效带宽。 　　③连续可变斜率增量调制的语音编码可以在高误码率的情况下正常工作。 　　④快速确认技术允许有附加的低速率编码被发送到链路上。 　　⑤精心设计的无线电空中接口使电耗达到最小，延长了电池使用时间。 　　Bluetooth的协议栈如图2所示[8]。除了数据链路层和物理层协议之外，系统将根据不同的用户模式，只使用其中的一列或多列协议，而进行互操作的设备必须需要使用相同的协议栈。该协议栈可以实现如下功能：设备配置及诊断、Bluetooth设备的发现、电缆仿真、与外围设备的通信、音频通信及呼叫控制，以及交换名片和电话号码等。 　　 　　　　　　　　　　　　　　　图2 Bluetooth协议栈 4 应用层技术 　　移动互联网需要解决的另外一个问题是如何实现便携设备获取和显示Internet信息。由于信道容量的限制及移动通信制式、终端数据格式、显示模式的多样性，使得在移动互联网应用中不能再沿用固定互联网中的一些标准，尤其是应用层的一些标准。 　　日本的NTT DOCoMo于1999年2月率先推出了名为I-mode的移动电话上网服务，取得了巨大成功。1997年6月，Ericsson、Motorola、Nokia和Phone.com四家公司发起WAP论坛，目标是定义一种适用于不同无线网络技术的全球无线协议规范，以通过加强网络的功能来弥补便携设备资源的限制，从而解决用便携设备上网浏览的问题。WAP已经被世界上75%的移动电话厂商接受，成为数字移动电话和其他无线终端上的无线信息和电话服务的实际世界标准。 　　WAP作为一种无线应用程序的编程模型和语言，首次定义了一个开放的标准结构和一套用来实现无线终端接入Internet的协议，它包括如下五个方面的内容[9,10]： 　　① WAP的编程模型。WAP尽可能多的兼容现有的标准，以最大限度地保护现有投资。这个模型（见图3）在很大程度上利用了现有的WWW编程模型，应用开发人员可以继续使用自己熟悉的现有开发工具（如Web服务器、XML工具）。 　　 　　　　　　　　　　　　　图3 WAP的编程模型 　　② WAP网关。WAP规范使用标准的Web代理技术将无线网络与Web连接起来。通过增强网络功能大大的减少了便携终端上的操作负载，为便携设备实现访问Internet的功能提供了基础。此外，网络还可以利用WAP网关来为用户提供各种服务。 　　③ 遵守XML标准的无线标记语言（WML）和用于便携终端的微浏览器规范。WML和WML Script将文件分割成一套容易定义的用户交互操作单元，以利于小屏幕显示；微浏览器的规范定义了便携终端如何解释WML和WMLScript，并且如何把信息正确地显示给用户。用户可以方便的进行交互操作。 　　④ 轻量级协议栈。这个协议栈将无线终端接入Internet的带宽需求降到最低，可以为无线网络节省大约50%的带宽。保证了各种无线网络都可以使用WAP规范。该协议栈如图4所示。 　　 　　　　　　　　　　　　　　图4 WAP的体系结构 　　⑤ 无线电话应用（WTA）框架。WTA允许无线移动电话接入各种电话功能如呼叫控制、电话本访问和文电信息显示。这样，服务提供商就能够开发各种电话应用并将其集成到WAP服务中。　WAP解决了无线网络中的低带宽、高延迟特性等问题，通过对会话层、处理层、传输层的改进提供了更适合于无线网络环境的HTTP功能；针对手持设备内存、电源的特殊情况进行了优化；并通过WTLS（无线传输层安全）协议提供了一个客户端和服务器之间安全的无线连接，使得便携设备通过无线网络安全的访问Internet成为可能。但WAP的应用还非常简单，需要不断的改进，而且如何将WML和HTML真正的融合起来以便与WWW服务一体化还需要解决很多问题。 5 展望 　　自去年移动互联网的风潮掀起之后，设备制造商和应用供应商投入了大笔资金迎接这场风潮的到来。今年Ericsson推出了第一部内嵌Bluetooth技术的GPRS电话R520，Siemens则亮出了具有世界领先水平的HSCSD和GPRS技术产品。商用的GPRS系统目前已经成熟，可以进行大规模的布网建设。在3G移动通信系统的研发方面，Ericsson、Nokia等公司已经开发出W-CDMA试验系统；Nortel、Motorola等公司也在积极开发CDMA2000试验系统；国内一些公司在3G方面也有所进展，其中中兴通信的W-CDMA试验系统已经具备国际先进水平，同时，我国也正在组织国内力量与Siemens等国外企业合作，共同开发TD-SCDMA的系统及设备。在内容提供方面，许多IT业的巨子已经开始了他们的WAP实施计划，如Siemens委托Yahoo为WAP的网络内容提供商、Sohu与Nokia宣布联手推出WAP服务等。 　　便携设备上网以后主要有三大方面的应用，即公众服务、个人信息服务和商业应用，它孕育着一个巨大的市场。尽管预测大多是乐观的，但是我们应该看到，移动互联网技术仍有它们的局限性和急待解决的问题，主要有： 　　① 无线通信的信道传输速率有限，即便是3G其速率也只有2Mbps，故而限制了应用。 　　② WAP技术尚未形成全球统一的正式标准，还面临着其它技术的挑战，存在不同厂商产品间的互操作性问题，给规模生产、降低成本带来难度。 　　③ 网上信息资源不够多，信息内容不够丰富，而上网费用也偏高，不利于市场开拓。 　　④ 便携设备显示、存储和处理的资源有限，目前只能浏览文本内容，而如何方便操作也是一个难题。 　　按照半导体技术和移动通信技术的发展规律，处理能力更强的便携设备和数据传输速率更高的无线通信技术将不断的产生，上述问题也能够得到合理的解决。例如：目前处于预研阶段的第四代移动通信系统采用了OFDM（正交频分多址）技术，单个信道的传输速率最高可以达到10Mbps；WAP也正在不断的改进过程中，它的功能将日趋强大。所以，我们相信移动互联网的技术将得到新的发展，运用也将越来越普及。 参考文献 　　1 丁美玲，陈抗生. 移动INTERNET的解决方案. 电信科学，2000，16(10)：10～14. 　　2 沈庆国. 移动计算机通信网络. 北京：人民邮电出版社，1999. 　　3 Andrew S.Tanenbaum. Computer Network. Prentice Hall，Inc.，1996. 　　4 Douglas E.Comer. Internetworking With TCP/IP. Prentice Hall，Inc.，1996. 　　5 Ed Taylor. The network Architecture Design Handbook. McGraw-Hill，1998. 　　6 ETSI. ETSI EN 301 344 V6.4.1. 1999. 　　7 王京. 移动通信向第三代演进. 中国无线通信，2000，6(5)：9～12. 　　8 Bluetooth Special Internet Group. Bluetooth White Paper. 1999. 　　9 WAP Forum. WAP Architecture. 1999. 　　10 WAP Forum. WAP WAE. 1999.