无线ATM终端的实现方案

　　1 宽带无线接入网与Magic WAND项目

　　宽带无线接入网（BRAN）最终的目标是使移动用户能够高速接入现存的核心网络，并在整个无线链路上获得与固定用户相同的QoS（服务质量）。而Magic WAND（Magic WirelessAccessNetwork Demonstrator）是ACTS（AdvancedCommunication Technology and Services）最大的项目之一，其主要的研究的领域就是BRAN。与大多数ACTS研究项目不同的是，WAND覆盖了从无线调制到应用层的整个网络结构，研究的目标是产生一套完全统一的标准和技术规范。由于无线异步转移模式（ATM）技术是实现BRAN最好的方案之一，因此WAND项目采用了无线ATM技术，因而能够提供ATM网高速无缝的接入，同时在无线链路上能保持商定的QoS。但由于用户的移动性和物理媒介所固有的不可靠性，使许多需要解决的技术难题被提到议事日程上来，其中较大的难题就是如何进行移动管理和将53字节长的ATM信元以最小的开销并保持商定的QoS而映射到空中接口中来。

　　Magic WAND（以下简称WAND）项目所研究的BRAN的参考模型如图1所示。

　　2 Magic WAND网络的系统结构和功能

　　2．1 系统结构

　　图2示出了WAND的网络结构，即WAND网络是由无线ATM终端（简称无线终端）、接入点以及支持移动功能的ATM交换机等部分构成的。

　　其中ATM交换机由简单的ATM交换矩阵和称为控制站点的分布式控制单元所组成。控制站点是标准的SUN Ultra工作站，运行UNI3．1网络信令软件，能够实现无线控制功能，如移动管理和无线资源管理等。

　　无线终端是用户设备，通过高速ATM无线链路连接到ATM网上。WAND的用户终端平台包括标准的奔腾PC机和专用的无线子系统。

　　无线子系统工作在5 GHz的频段，能够提供20 Mbit／s速率的数据传输，其主要的功能是将ATM信元高效地映射到空中接口之中，同时还具有数据链路控制和无线调制解调的功能等。由于无线子系统所有与无此使WAND项目中的无线终端能够支持现存的任何应用程序。

　　接入点作为产生无线信元的基站，典型的覆盖范围为50 m。其主要的作用是使多个无线终端能通过空中接口共享无线信道的资源，并保持各自的QoS不变。所有的接入点均可通过ATM网卡和光纤STM＿1链路连接到ATM交换机。

　　2．2系统功能

　　Magic WAND设计的主要目标是保持无线ATM网与有线ATM网的兼容性。因此，必须支持移动功能，即在标准ATM协议栈上增加切换的功能和无线资源管理的功能。

　　无线终端和交换机在建立和释放连接时采用标准的ATM论坛UNI3．1信令，与固定ATM系统一样，信令信息在一个独立的VPI／VCI信道（0／5）中传送。接入点作为复用器，将不同的VPI／VCI连接映射到无线链路上，信令信息透明地穿过接入点。将标准UNI3．1信令进行扩展后，就可进行与登录和切换相关的移动管理。

　　某个接入点空中接口的资源是由称为无线资源管理（RRM）的专用功能实体来控制的，即由RRM负责监视、分配和管理无线资源。当请求建立新的连接时，交换机将查询接入点，以确保在接受连接请求以前获得足够的资源。在呼叫固定网的过程中，ATM交换机进行接入和允许控制（CAC：Call Access Control）有两个相继的阶段，即固定CAC和无线CAC阶段。当ATM交换机收到UNI的SETUP信息时，首先要查询RRM，对无线资源进行预订，然后进行网络资源的申请。网络资源是指ATM交换机和标准ATM网络容量的参数，诸如带宽、端口、缓存量等等。CAC功能由称为无线CAC（WCAC）的专用功能实体来完成。

　　ATM交换机、接入点和移动终端利用AAL5、ATM和ATM物理层（PHY）进行实际的网络传输服务。

　　3　无线终端实现的方案

　　3．1 无线终端的整体结构

　　WAND的无线终端主要由用户终端和无线子系统两部分所组成。无线子系统与RAN相关联，具有数据链路层和物理层的功能。在装备了支持无线功能的PC机上，安装了相应的软件，包括数据链路控制（DLC）和本地控制协议软件，运行在MS＿DOS的环境下。

　　无线终端通过STM＿1多模ATM接口与无线子系统通信，而无线子系统和终端间交换的数据分为本地控制流和通过空中接口传送的端到端业务流。本地控制流由控制无线子系统的一系列信息所组成并通过AAL5及专用的虚容器（VC）进行传输，传输的正确性由称为LCP的简单的“停止——等待”协议来保证。端到端的业务则由用户数据和端到端的信令所组成，无线子系统将业务流作为独立的ATM信元流，直接送到硬件设备中传送。［1］

　　3．2 设计用户终端的软件环境

　　WAND用户终端的应用程序和IWF软件可以在MicrosoftWindowsNT4．0环境下实现。Windows NT内部结构分成两个独立的部分，即核模式（Kernel Mode）和用户模式（UserMode）。用户模式采用了客户／服务器的结构，而核模式采用了分层的结构。［2］

　　在Windows NT体系中，用户模式下运行的服务器程序为用户提供了应用编程的接口（API），这样WAND应用程序就能通过WIN32 API予以实现，就是说WAND的用户终端软件可作为Windows NT网络结构的一部分。在WindowsNT的I／O系统中有内建的网络实体，其I／O管理器负责整个I／O系统的管理，因而WAND应用程序能通过内建的API和传输服务来访问网络服务。内建的API是由相应的动态链接库（DLL）提供的，DLL能使应用程序以用户模式去访问由核模式协议驱动程序提供的传输服务。提供传输服务的传输协议的集合包括TCP／IP、IPX／SPX、NETBEUI等。

　　在Windows NT4．0下，支持以太网、令牌环和FDDI，而且Windows NT模块化的设计允许厂商在I／O系统中增加新的传输服务，因此模块化的结构和Windows NT4．0中的WINSOCK2API能为已知QoS的多媒体应用提供本地ATM的传输服务。

　　另外，需要有网络设备接口规程（NDIS），该规程是微软公司和3COM公司于1989年提出并设计的，可在网络层和物理层之间提供一个标准的接口，这接口在协议驱动程序看来是媒体访问控制（MAC）层服务所唯一的，因此便于隐藏底层网卡驱动程序的细节。图3所示的就是NDIS库与网卡驱动程序之间的关系。

　　从图中可以看出NDIS不但规定了网卡驱动程序在它的顶层所必须提供的原语，而且其本身也提供了操作系统所支持的功能，以致于网卡驱动器能通过NDIS来访问系统资源和网卡硬件。总之NDIS是为满足不同MAC层协议的网卡而定义的，且WAND用户终端网卡驱动程序符合NDIS3．0规范。

　　3．3 用户终端驱动软件的设计

　　WAND用户终端驱动软件，简称用户终端软件，是由以图3中所示的NDIS3．0网卡驱动程序为蓝本实现的。从NDIS接口的角度可以看成是以太网卡驱动器，包括LAN仿真客户（LEC）、本地ATM服务（NASP）和支持移动功能的ATM软件。用户终端软件的结构如图4所示。

　　Windows NT4．0的网络结构主要依赖于传统的无连接的网络技术，比如以太网、令牌环网或FDDI等等，而在WAND系统中，底层网络是ATM，因此必须使用LAN仿真软件来提供传统的无连接网络的服务。LAN仿真软件在顶层提供了以太网和令牌环网络的接口，使得所有的NT应用程序，在不做任何修改的情况下就能在WAND用户终端上运行。除了支持移动功能的ATM软件外，WAND还需实现面向Winsock 2的ATM传输服务和名字解析服务（NSP）。对于ATM传输服务，在顶层提供了一个SPI（ServiceProvider Interface）接口，而在底层提供了一个ATM软件接口。

　　对于NDIS接口，需将传输服务分为顶层和底层两部分，底层称为NASP，存在于网卡驱动程序之中，以通过对标准的NDIS接口进行扩展来提供本地ATM服务。顶层则称为WSATM（Winsock ATM），由用户模式的WSATM DLL和核模式的WSATM驱动程序所组成。WSATM提供的SPI接口通过Winsock DLL映射到Winsock 2 API，而WSATM驱动程序则实现了基于Winsock的数据结构和约定，可以通过扩展的NDIS接口使用网卡中的NASP层提供本地ATM的服务。对于名字解析服务，可在文本形式的ATM主机名和20字节长的ATM地址间进行映射。

　　包括LAN仿真功能在内的标准UNI3．1ATM协议软件是可以购买得到的，但必须进行二次开发，否则不能支持移动通信的功能。其二次开发的具体内容是实现移动管理控制（MMC）、呼叫控制（CC）和本地控制协议（LCP）。实现支持移动功能的ATM协议软件包的方案如图5所示。

　　MMC在Q．93B的基础上添加了切换、登记／离开网络、位置更新等过程所需的请求／响应的信令对，以支持移动功能。当移动终端加电后，就向其所属的网络进行登记，当移动终端离开WATM覆盖区域时，MMC切换进程因移动终端改变自己的接入点，而负责对所有活动连接的路由进行重新配置。MMC还从CC层检索各条连接和它们的状态信息，当需要进行切换时，移动终端或网络即进入切换进程。当移动终端进入新的接入点后，又激活了MMC位置更新进程，这时会将所有的移动管理信令通过Q.SAAL层与标准的UNI信令一起利用UNI信令信道传送到交换机。另外，MMC利用LCP层提供的服务与（无线子系统的）DLC层进行交互，进而利用从DLC层检索到的信息进行切换决策。如果成功切换，那么MMC负责重新配置DLC层；如果切换失败，则MMC会通知CC释放所有活动的连接。

　　CC层位于信令服务用户（LEC和NASP）和Q．93B的中间层。信令服务用户将CC层视为标准的Q．93B信令服务接口，而Q．93B将CC层视为标准的信令服务用户。CC层跟踪各条连接及其状态。当请求建立新连接或释放旧连接时，CC层会通过LCP层与无线子系统交互。当请求建立新连接时，CC层向DLC层为新连接请求所需资源。当资源充足时，DLC层接受连接，CC层将请求传到Q．93B层，当资源不足时，拒绝连接建立的信息被传送到相应的信令用户。释放连接时，CC层将信息送到DLC软件，从而释放所保留的资源。

　　3．4 无线子系统的硬件设计

　　无线子系统的发送端从用户终端接收ATM信元流，并将其转化为MPDU（Medium AccessControl Protocol Data Unit）单元在无线信道上发送。在接收端则将MPDU单元转化成ATM信元流并将其送到ATM上层协议进行处理。无线子系统有三个主要的部件，即：DLC软件、帧处理器和无线调制解调器（Modem硬件）。其中DLC软件利用TDMA技术和基于竞争的资源预订策略，将面向连接的ATM服务映射到高速无线链路之中。在链路中除了端到端的用户数据和信令信息以外，还需传送一些为无线子系统和用户终端之间进行交换的本地控制信息。因此，DLC软件需由控制数据通道（用来处理内部控制信息）和用户数据通道（用来传输用户数据）来组成。

　　控制数据通道主要包括：信息处理器、分段／重组模块和调度器。信息处理器利用内部LCP层的服务与用户终端进行通信，并能通过空中接口发送各种无线链路控制信息，从而实现与其它无线子系统的通信。分段／重组模块用来匹配控制信息和DLC层协议数据单元（PDU）。调度器则保证在空中接口保持已接受的连接及其QoS参数。另外，每个MAC帧的帧头都指出了上行和下行链路的周期和不同移动终端间的时隙的分配情况。

　　对于用户数据通道，是由数据链路控制模块和专用的帧处理器MPDU所组成的。因为一个字节长度的HEC域要在ATM网卡的物理层中处理，所以所收到的ATM信元长度为52 Byte。数据链路控制模块将48 Byte长的用户载荷和4 Byte长的头部分开，并将ATM信元转化成DLC载荷。在转化的过程中，信元的VPI／VCI值被变为 8 bit的MVC识别符，而DLC层则利用两种可选的纠错方案补偿因无线链路不可靠而造成的误码，并利用前向误码纠错（FEC）来处理实时接收的数据流。对于对延时不敏感的数据流需由带有简单的GO＿BACK＿N机制的ARQ协议来处理。

　　MPDU处理器用来控制无线链路，并在无线Modem和用户终端间传输MPDU信号。它通过标准的PCI总线与运行DLC软件的PC机相连，并用直接存储器存取（DMA）技术在无线硬件和PC平台间传送数据。Modem和PC机间准确的时间关系是由时间戳确定的。DLC软件将时间戳发送到帧处理器，指示帧处理器中的当前帧应在哪个时隙中发送，由帧处理器控制数据传送并保证发送机和接收机不会同时打开，以使用同一个载波频率。

　　WAND无线Modem工作在5．15 GHz～ 5．3 GHz频段，最大的数据传输速率（DLC层速率）为20 Mbit／s，最大的发射功率为1 w。

　　参考文献

　　1 Juha Ala＿Laurila，JussiLemilainen．Imple＿ mentationofthe wireless ATMaccesstemin al Computer Networks＆ISDN．1999（9）

　　2 Intel.WindowssocketsAPI(Revision).1996

　　3 Draft ES 21.01 Universal Mobile Telecomm unication Systems (UMTS).System concepts and reference model for the UMTS.

　　4 J.Mikkonen et al.The Magic WAND-functionaloverview,IEEEJSACJournal.1998(16)

　　5 G.Awata et al.Magic WAND:the DLC implementation Summit,Aalborg,Denmark.1997,10