專用無線IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計與實現(xiàn)

隨著無線技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信得到了廣泛的應(yīng)用。以電話業(yè)務(wù)為主的移動運營商都對無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供了支持，但是作為為大眾服務(wù)的公共電信，數(shù)據(jù)傳輸能力是在多用戶之間共享的，對一些特殊部門：如公安、消防等在需要時很難保證得到有效的帶寬支持，何況其中往往有一些不適合在公共電信網(wǎng)絡(luò)里傳輸?shù)拿舾行畔?。這些決定了公共無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在這些專業(yè)部門難以得到有效應(yīng)用。

　　另一方面，隨著三金工程的實施，這些部門逐步建立了較完善的遍布全市的有線網(wǎng)絡(luò)，例如，公安系統(tǒng)的光纖敷設(shè)到了基層派出所。因此，選取恰當(dāng)?shù)幕鶎訂挝?，利用有線網(wǎng)絡(luò)，架設(shè)覆蓋一定范圍的無線通信基站可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全市覆蓋，從而實現(xiàn)無線IP城域網(wǎng)。

　　2 方案設(shè)計

　　系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。圖中BS是無線基站，它與有線網(wǎng)絡(luò)相連，MS是移動終端。SCC是系統(tǒng)控制中心，它包含BS、用戶和終端數(shù)據(jù)庫，操作人員通過CMT管理平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入與修改。在SCC中，每個用戶包含了賬號與密碼、業(yè)務(wù)權(quán)限等靜態(tài)參數(shù)，在用戶登錄時，SCC給終端分配IP地址，并記錄用戶接入的BS地址等動態(tài)參數(shù)。SCC還要對每個BS和終端設(shè)備進行鑒權(quán)和管理，避免丟失的設(shè)備接入系統(tǒng)而損害系統(tǒng)安全性。

　　SPC為業(yè)務(wù)處理中心，是系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)處理單元，它支持任意類型的IP業(yè)務(wù)，為分散業(yè)務(wù)處理負荷，系統(tǒng)中允許若干個SPC存在，每個SPC獨立運作，完成一個或若干個目的IP段的業(yè)務(wù)處理功能。每個SPC至少有兩個網(wǎng)絡(luò)接口，一個分配用于與SCC和BS的通信的IP地址，另外的接口作為無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)接口，按照有線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，該SPC處理的IP業(yè)務(wù)段將按照目的IP地址被路由到對應(yīng)的接口上，從而可被SPC截獲，并完成業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。例如，在圖2中，某SPC有三個網(wǎng)絡(luò)接口，10.3.23.50作為SPC自身的IP地址，用于與SCC和BS的基于TCP的通信，而10.72.0.0/20和10.72.224.0/19為網(wǎng)關(guān)接口，以10.72.0.0/20和10.72.224.0/19為目的地址段的報文將被路由到對應(yīng)的SPC接口上。

　　系統(tǒng)啟動后，BS和SPC分別與SCC建立連接，完成各BS和SPC的初始化過程，隨后SCC向每個BS下發(fā)SPC列表，通知各BS每個SPC的地址和處理的IP業(yè)務(wù)范圍，各BS隨后建立與每個SPC的IP隧道。

　　每個終端開機后，首先掃描無線信道，尋找信號最佳的BS作為接入節(jié)點，向該BS發(fā)起入網(wǎng)請求，在該請求中包含設(shè)備串號、用戶標識、用戶密鑰等信息，BS將對應(yīng)的信息轉(zhuǎn)發(fā)給SCC，SCC鑒權(quán)通過后，登記該用戶的接入基站，修改用戶狀態(tài)，根據(jù)用戶屬性，為用戶分配IP地址，并通知對應(yīng)的BS和終端，完成用戶的入網(wǎng)過程。隨后SCC根據(jù)剛分配的IP地址，確定處理該終端業(yè)務(wù)的SPC，通知該SPC終端接入位置(即BS的地址)。以后每次終端狀態(tài)改變時，SCC都將及時將狀態(tài)推送到對應(yīng)的SPC，使得SPC中保存的用戶狀態(tài)最新。

　　進入無線網(wǎng)絡(luò)中的IP包可以由無線終端產(chǎn)生，或者由無線網(wǎng)之外的節(jié)點產(chǎn)生。無線終端產(chǎn)生的IP包首先被對應(yīng)的基站接收到，基站選擇處理該用戶業(yè)務(wù)的SPC，將完整IP報文通過基站與SPC之間的隧道轉(zhuǎn)發(fā)到SPC，SPC將從TCP消息中提取到終端的原始報文，如果目的地址在自己的處理范圍內(nèi)，則查找對應(yīng)目的地址所在的基站，將原始報文再次以隧道方式轉(zhuǎn)發(fā)給目的基站，由目的基站通過無線接口下發(fā)給目的終端處理;否則SPC對原始報文加入二層幀頭，轉(zhuǎn)發(fā)給對應(yīng)的路由器，使得該報文進入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過正常的路由過程送到目的終端或者路由到其他SPC的網(wǎng)關(guān)接口進行處理。

　　按照設(shè)計過程，無線網(wǎng)外進入網(wǎng)內(nèi)的報文將按照目的地址進行路由，必然會路由到某個SPC的網(wǎng)關(guān)接口上。綜合以上，當(dāng)SPC接收到IP報文時，將按照圖3對報文進行處理。

　　終端在移動過程中，需要進行位置更新。為此，終端不停檢測網(wǎng)絡(luò)信號，發(fā)現(xiàn)有信號更好的小區(qū)時，終端向新小區(qū)的BS發(fā)起切換請求，BS響應(yīng)并轉(zhuǎn)發(fā)切換請求至SCC，SCC更新用戶狀態(tài)，并通知SPC用戶新位置，SCC向原接入小區(qū)發(fā)出切換通知，并向新小區(qū)發(fā)送確認消息。

　　3 路由方案分析與比較

　　通過以上分析可以看出，該方案中充分利用了原有的網(wǎng)絡(luò)，對原有有線網(wǎng)絡(luò)進行了無線擴展。這個方案中，需要對移動終端預(yù)留部分地址，并對這些地址段進行必要的路由設(shè)置，除此之外，不需要對原有的網(wǎng)絡(luò)做更多的調(diào)整，就可以滿足需要。整個方案中，支持全IP業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)可以由終端產(chǎn)生，也支持移動終端作為移動服務(wù)器(通過固定用戶的IP地址即可)。系統(tǒng)中可以根據(jù)需要增加SPC，設(shè)置BS，不影響其他任何網(wǎng)絡(luò)用戶，使得擴展無線子網(wǎng)后，對原有網(wǎng)絡(luò)的影響減為最小。

　　我們沒有采用移動IP方案進行終端的路由方案，主要有三點原因：一是移動IP方案中，在每個涉及到的網(wǎng)段都要添加家鄉(xiāng)代理和外地代理，系統(tǒng)維護工作量大;二是移動IP方案需要移動終端的支持，并會在無線接口上產(chǎn)生眾多的無線廣播消息;三是移動IP是一個一般性的解決方案，適用于在互聯(lián)網(wǎng)上支持移動性，分布式的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)方式不利于進行業(yè)務(wù)記錄等。

　　作為目前研究熱點的802.16的網(wǎng)絡(luò)層，它的技術(shù)有待進一步標準化，設(shè)備的產(chǎn)品化有待成熟，也不適合專業(yè)網(wǎng)的特定背景。

　　4 結(jié)語

　　本文提出了一種新的支持終端移動的IP接入方案，并軟件實現(xiàn)了其中SCC，SPC，BS的功能。我們利用一臺路由器將他們連接起來，通過PC機模擬終端的入網(wǎng)和移動操作，證明了這種方案的可行性。后續(xù)工作將主要集中在利用WiMax建立無線試驗系統(tǒng)，并研究在城域范圍內(nèi)無線布網(wǎng)的問題。

發(fā)布者：小宇