GSM.11無線網絡接入

2004-06-03
GSM.11是一個可同時支援GPRS和802.11網絡的多模式流動終端技術架構,集無線、基頻、電源管理硬件及通訊協議和設備管理軟件於一身...
GSM.11是一個可同時支援GPRS和802.11網絡的多模式流動終端技術架構,集無線、基頻、電源管理硬件及通訊協議和設備管理軟件於一身。該架構從早期的GMSKGPRS和802.11b迅速地發展成為8PSK EGPRS和802.11g制式。隨著相應技術的廣泛應用,在不久的將來,頻譜的容量問題將成為802.11a與3G蜂窩技術相結合的因由。  

GSM擁有長距離和覆蓋面廣等優勢,但如GPRS一樣,其數據傳輸速率相對較低,最高的速率只有80kbps(一般而言,遠低於這個水平)。EGPRS MCS9的8PSK調幅(於最佳情況下)可將該速率提升三倍。最初的GSM單槽電路交換數據的傳輸速率僅為9600bps,故此,與之相比,以上的數據速率已有明顯的提升,但仍落後於有線寬頻的速率。然而,GSM能夠提供出色的電源管理,其原因在於GSM標準從一開始採用了出於流動性考慮的低電源消耗設計。  

對比之下,802.11提供的數據傳輸速率更高。即使是正常傳輸速率只有11Mbps的802.11b架構,也可以使用戶於每秒傳輸幾兆的數據(確切數字要視乎通訊協議與數據封包大小而定)。如果採用54Mbps的802.11g/a架構,用戶可以得到高達30Mbps的數據速率(視乎通訊協議而定)。它可以與100Mbps Cat 5 UTP乙太網的連續吞吐數據速率相比,與之不同的是,802.11的覆蓋範圍較小,而且,既沒有流動性規定(規格停留於MAC層面),也不對電路交換(語音)連接提供嵌入式支持。此外,在電源管理方面,其規定亦遠少於GSM。  

終端類型  

GSM.11可廣泛應用於各類型的流動終端設備,其中包括僅與外部設備連接的普通電話(或為手提電腦提供的GSM.11 PC卡)、智能手機、無線個人電子手帳及Pocket PC。這些設備在物理層上的差別很小,但在應用層的架構差異則十分明顯。這些差異會影響設備內(或是外)各種處理器任務的最佳劃分。  

高端設備普遍備有獨立主機/應用處理器,可使通訊子系統專注處理其本身的任務。對於各種提供共享通訊基頻處理資源應用的低端設備而言,GSM.11更是一項挑戰,因為資源使用具有嚴格的時間限制,因此,任務的時間安排、優先次序和支持性中斷結構等設計需加以注意,以確保實時通訊任務的可靠執行。  

GSM.11的應用情況和基本原理  

毫無疑問,GSM.11終端的功能取決實際的用途,而這些用途將因應用戶需要和喜好而異。下列便是各類終端的不同應用:  

*語音(電路交換)  

*802.11模式的VoIP  

*MMS  

*Web瀏覽  

*串流影像  

*互動信息服務(可基於特定區域)  

*文檔上傳/下載  

*多人遊戲  

*公司內聯網連接  

*電子郵件  

*網上聊天  

*日誌同步  

*地址簿同步交換  

上述的應用用途表明了需要寬頻連接的應用通常並不需要很高的流動性,而高流動性的應用一般又不需要很多的頻寬,這就是GSM.11的基本原理。雖然 802.11提供的流動性不強(用戶可在房間中來回走動,但不能沿街而行),但是在靜坐或站立情況下,它為用戶提供的頻寬遠遠超過GPRS。相反,流動中的任務,如一邊走路一邊與某人交談或使用基於區域的互動信息服務,一般不需要大量頻寬,鑑於這些情況,具有互補性的GSM和802.11在單一終端設備上的結合是十分自然及有價值。  

服務方案  

隨著技術日趨複雜,3GPP定義了六種WLAN服務方案[1],其規定是按這些方案分階段而設,用戶可能需要較長時間落實最後的方案。  

WLAN聯網服務方案包括  

*方案一:一般計費和客戶服務  

*方案二:基於3GPP系統的接入控制和計費  

*方案三:3GPP系統PS服務接入  

*方案四:服務連續性  

*方案五:不間斷服務  

*方案六:3GPP CS服務接入  

客戶可透過第一種方案同時為兩種服務付費,並且不會對空中接口構成影響;第二種方案包括使用GSM/3G (U)SIM處理802.11接入控制和驗證;第三種方案可讓802.11用戶獲得蜂窩數據封包服務。  

第二種和第三種方案的規定是根據3GPP設計的。這些標準將成為3GPP Release 6 的一部分。3GPP TSG SA2(架構)已準備了系統架構說明[2],而第三階段的實際技術規定將由3GPP TSG CN(核化網絡)子組進行設計。我們可通過規定草案[3]和[4]來了解整個工作進程。  

第四種方案是指蜂窩載波和802.11載波之間數據封包服務的連續性,但不包括無縫切換;第五種方案在規定中加入了具有延時要求的無縫切換服務;第六種方案加入了802.11 VoIP與蜂窩電路交換服務間的語音通話切換;當然,這種方案在將來的推廣性不大。  

無線電兼容性  

對於GSM.11終端來說,如何設計無線子系統以使物理層實現同步操作是十分重要的。如果能夠實現同步操作,則可解決實體軟件的時間安排問題,特別是 802.11信號、DTIM幀和GSM傳呼的監聽需要,以及減小因GSM位置變更或GPRS路由區域變更(終端依賴於GSM端傳輸)所造成的影響。我們需要研究RF子系統傳輸對於其他子系統接收器的影響,並著眼於有用和無用的信號發射。GSM在無線通信管理上有一套綜合規定,其中包括信號靈敏度、信號阻塞、頻帶內雜波、頻帶外雜波、發射電源及頻譜。802.11 RF規定的主要內容是基本共存條件,但並沒有提及其他一些重要問題(例如信號阻塞問題)。這兩套規定表明,如果兩種無線裝置只是勉強符合要求(如 802.11),則各接收器將無法接收其他子系統發射的信號,因此,我們必須通過實際GSM和802.11終端性能的測量,以找出「真正」終端的實際功能,並為子系統的設計變化(及附加成本)進行評估,以實現協同操作。一些手持設備的初步測量顯示,若設計得當,在不需要對正在使用的802.11無線裝置進行大改動的情況下,GSM與802.11無線裝置是可以一同操作的。  

基頻要求  

802.11(特別是11a/g)的主要基頻問題在於比EGPRS更高的數據速率,它要求在加密、調製、解密、計時和數據緩衝等方面的硬件支持。 54Mbps的空中數據無法穿過任何相應的微處理器。方案需要廣泛使用DMA和共享存儲器來實現不同系統組件間的數據傳輸。MAC層以下的部分要求特定的微處理器和硬件支持,而MAC層及其之上的協議層可在GSM基頻處理器上運行(至少當GSM處於空閒模式時)。  

電源管理  

強大的電源管理是實用流動終端設計的關鍵所在。GSM對電源的管理十分重視,其許多功能均有助減少終端的電源消耗,例如,一個閒置模式的GSM手持設備最多只有2%(一般只有1%)的時間處於工作狀態。雖然802.11包含一些終端休眠的規定,但由於該標準最初是為手提電腦無線連接而設計的,因此,與 GSM固有的低電源消耗相比,它並沒有任何優勢。802.11基頻的高數據速率,在啟動時,較GSM基頻消耗更多的電源,然而,在每位元的傳輸消耗的能量方面,802.11比GSM的整體效率更高。  

協議問題  

802.11標準只擴展到MAC層。根據設計,它位於802.2邏輯連接制層之下;TCP/IP通常位於其上方。對於GSM.11來說,TCP/IP層的多個載波端口中至少有一個端口需要通過 802.11(其他端口通過GPRS)進行連接。這是許多TCP/IP方案的共同特點。  

如果同時使用兩個標準(例如切換過程),則GSM.11中會產生一些與物理層有關的協議問題。即使無線裝置允許兩個物理層同時工作,兩個系統上相應的事件計時也有可能在基頻處理器上引起資源衝突。  

其他與流動管理有關的協議問題包括:  

*了解已登入802.11的GSM網絡是否可使用  

*了解已登入GSM的802.11網絡是否可使用  

*確定終端是否能夠使用限有網絡  

*確定在同時登入的情況下,使用哪種網絡具體標準如何?  

*實現以上所項提及的各級切換  

在用戶介面上亦反映出這些問題的各方面。在某些情況下,我們需要盡量簡化為用戶提供的複雜選項。  

在最初階段,GSM.11終端在兩種載波間只提供有限的整合,並可採用普通的GPRS和802.11b模式,基礎設施最初將不支援GSM和802.11間的自動轉換。然而,將來希望看到EGPRS和802.11g提供更大的頻寬,基礎設施的整合更趨緊密,以及進一步推動上述方案。  

GSM.11快速部署 進攻3G服務需求  

3G蜂窩通訊的定位變得十分有意思,雖然802.11(特別是802.11a/g)的靈活性較弱,但比3G提供更大的頻寬。我們可以想像,由於 GSM.11可以全面地滿足用戶的需要,因此,GSM.11的快速部署將大大削減3G服務的需求。現在,很多地區還在使用GSM(EGPRS)蜂窩通訊,3G只是在個別人口密集的大都市中部署,所有終端均採用雙頻制式。即使如此,802.11熱點仍是寬頻服務的主要提供區域,因此,三頻制式終端將成為標準。無論怎樣,在今後幾年,Internet及萬維網的無間斷接入必將成為一大趨勢。  

(作者為TTPCom系統設計師,從事GSM/GPRS系統研發和設計)  

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