一、 引言
近年來，移動通信與互聯網是通信業發展潛力最大的2個領域。在邏輯上，下一步需要對這兩種技術進行結合，使信息的接入既不受信息源的限制，又不受接入者的位置限制，在此思想下誕生了無線移動互聯網。它的出現使得人們的日常工作與生活產生了巨大的變革，從此便可以在移動中從Internet上獲取豐富多彩的多媒體信息。但最初為互聯網設計的Internet協議針對的是有線網絡，由于無線鏈路本身所具有的波動性、不確定性等固有缺點，這些協議在無線鏈路上傳送時性能將會大大降低，因而如何提高移動互聯網的性能以及如何發展無線移動互聯網成了一個值得研究的課題。本文從物理層、數據鏈路層和網絡層等3個方面入手，就技術的角度對此問題作了較為深入的分析與探討。?
二、物理層技術的分析與探討
在物理層上，面臨的主要問題是如何克服無線信道的時間彌散和頻率彌散，提高無線信道傳輸的速率與質量。由于無線信道存在的多徑等效應，數字信號在無線信道上傳輸時會產生一定的時延，造成接收信號中前后碼元的重疊，即所謂的碼間干擾（ISI），從而引起判決出錯，嚴重影響了信號的傳輸質量。特別是在提高碼元速率時，這種影響將會更大，因為碼元的速度越高，碼元周期就會越短，時延擴展會跨越更多的碼元，更容易造成碼間的干擾。另一方面，碼元速率提高后，信號的帶寬會變寬，當信號帶寬接近或大于信道的相關帶寬時，信道的時間彌散就將對接收信號造成頻率選擇性衰落。所以說時間彌散是無線信道傳輸速率受限的一個主要原因。雖然目前的單載波調制解調系統中使用的均衡技術，可以在一定程度上減輕時間彌散問題，但是以增加噪聲為代價的。而且，單載波系統中較短的信元周期，也嚴重影響了系統對噪聲和衰落的抵抗性。
隨著無線移動互聯網中各種多媒體業務，特別是實時性業務的出現，接入和數據傳輸的速率都需要有較大的提高。鑒于目前單載波調制解調技術的不足，在無線移動互聯網今后的發展中，物理層上需要采用新的調制解調技術。由前面的分析可知，這種調制解調技術既要有較高的信元傳輸速率，又要有較長的碼元周期（減輕ISI），于是產生了這樣一個想法：將所要傳輸的數據流分解成若干個子數據流，用這些子數據流去并行調制若干個載波，然后合成輸出，這樣一來每個子數據流就可以具有低得多的傳輸比特速率，減小了前后碼元的重疊機會和信號的傳輸帶寬，從而降低了ISI和頻率選擇性衰落，而總的傳輸速率并不會降低，相反如果適當提高子數據流的傳輸速率，還可以提高整個數據流的傳輸速率，整個過程相當于是對速率的一次“分集”過程，這種想法即我們所說的多載波調制（MCM）技術。MCM可以通過多種技術途徑來實現，其中正交頻分復用（OFDM）是目前研究的熱點。在多載波調制的思想下OFDM將串行的數據流轉換成速率較低的若干個支路，再各自調制到相互正交的子載波上，最后合成輸出。由于子載波之間是相互正交的，允許子載波間頻譜的重疊，相比傳統單載波系統中整個頻帶被劃分為N個互不混疊的子信道而言，MCM可以大大提高頻譜的利用率。而且，OFDM棄用了傳統的用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式來選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，既可以被看作是一種調制技術，也可以被看成是一種復用技術，增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。還有，OFDM系統中的各個載波可以根據頻譜利用率和誤碼率的最佳平衡為原則給子載波選擇不同的調制方式，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。但OFDM也有不足之處，最主要的是對載頻的偏置非常敏感^［１］，原因是在頻率選擇性深衰落情況下，OFDM系統在相應子載波上的數據可能會遭到破壞。為此，我們將OFDM與直接序列擴頻相結合，使信號可以在多個載波上進行擴展，這樣一來便可以利用未被破壞的子載波上的信息恢復出原始數據，實現對頻率的分集。另外，隨著CDMA技術的不斷發展，OFDM和CDMA的融合將越來越受到人們的重視，可以出現多種新的多址方案，如Linnartz提出的MC-CDMA^［２］；V.Dasilva和E.S.Sousa提出的DS-CDMA（MC-DS-CDMA）^［３］和L.Vandendorpe提出的多音CDMA（MT-CDMA）^［４］等。正是由于OFDM技術具有抗多徑干擾能力強、頻譜利用率高的優點，將迅速成為無線移動互聯網發展中一項關鍵的物理層技術。
三、數據鏈路層技術的分析與探討
由于無線鏈路中存在的多種效應，如多徑效應、多普勒效應等，無線鏈路的特性更為復雜，誤碼率更高，帶寬容量更低。因此Internet協議在無線鏈路上傳送時性能將會大幅度地下降，其中影響最大的要屬誤幀率了，如在WLAN中，相距約25 m傳輸1 400字節的UDP分組時平均誤幀率就達到了1.55%。蜂窩系統情況更糟，通常還要低一個數量級。盡管采用降低鏈路幀長度的方法可以適當降低誤幀率，但代價是增加鏈路幀的頭部開銷，降低了鏈路的使用效率。這樣一來，原先為有線鏈路設計的協議將不完全適合于無線鏈路的應用需求，如LAN中使用的是帶沖突檢測的載波偵聽多址接入CSMA/CD協議，而在WLAN中使用了帶沖突避免的CSMA/CA協議。這是因為在有線環境中，沖突檢測快，在無線環境中，沖突檢測則要浪費大量的帶寬，在設計時應盡量給予避免。
由于有線Internet協議與無線鏈路的應用需要并不完全匹配，需要對相應的協議進行適當的修改，以滿足應用的需求。目前主要有2種修改方法，一種是修改高層協議，從修改Internet協議入手，一種是修改低層協議，從修改數據鏈路層入手。盡管這些修改在某種程度上起到了一定的效果，但仍存在著諸多不足，如通過低層方式進行錯誤恢復時存在著反向恢復慢的問題，無法實現位置的獨立性，在傳輸的位置與方向上存在著約束；而且，單一業務鏈路層也不能為不同業務提供不同的服務質量（QoS），會出現將高級別QoS所需的開銷加到不需要此服務應用的情況，造成資源的利用率的下降，如基于TCP的應用對時延并不敏感，但對數據丟失非常敏感，需要全面錯誤恢復機制對數據丟失進行恢復，而基于實時UDP業務對時延敏感，對數據丟失卻并不十分敏感，因而只需要部分錯誤恢復即可；還有，目前的鏈路層在通過現有方法改動后仍無法實現對多業務的支持，隨著Internet提供業務的增多，單一業務鏈路層的這種局限性將會越發明顯；另外，隨著今后不可預見的需求逐漸增多，單一業務鏈路層的可擴展性也有待于提高。
既然利用現有方法提高無線鏈路Internet性能還存在著許多不足，就需要有新的方法來解決，研究表明通過鏈路層方案提高無線Internet性能是可行的^［５］。從前面的分析可以看出，這種新的鏈路層方法應具備位置獨立性、分層機制、易于配置、資源利用率高、多業務支持、可擴展性好等特征，為此，我們可以通過多業務鏈路層方案來實現。圖1是多業務鏈路層結構示意圖，其中分組分類器的作用是檢查每個分組的頭域，通過設置的Hashing函數將其映射到查詢表的入口，再根據表中的設置將分組匹配到相應的業務模塊中進行處理；業務模塊是用來提供具體業務的，在概念上講是一個單獨實體，功能上等同于單業務鏈路層；分組調度器的任務是根據高層對業務速率的設置將無線鏈路的帶寬合理分配給每個業務，在這里業務速率信息的取得主要有兩種方式：直接設置或間接設置，直接設置意為高層知道鏈路層存在多種業務，直接為調度器設置業務速率（此時不需要分類器的測量），間接設置意為數據分類器定期測量每種業務通過的總數據分組大小，經計算得出高層分配給每個業務的帶寬共享情況。

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在無線移動互聯網中運用多業務鏈路層方案，關鍵是要實現其與現有Internet的兼容，從以上分析可以看出，多業務鏈路層的關鍵就是實現數據分組到鏈路可用業務模塊的映射，但由于IP沒有提供在鏈路層管理多業務的能力，多業務鏈路層應能完成這種映射。在映射過程中，能夠獲取的唯一信息就是Internet數據包，我們可以讓數據分類器將接收到的Internet數據包按照IP、TCP及UDP的頭域進行識別并把它們匹配到不同的業務模塊中，不匹配的分組將被映射到缺省業務模塊，直接送至現有鏈路層。被匹配到不同業務模塊的分組，將根據數據調度器中速率表的分配共享鏈路帶寬。這樣一來各種業務就可以根據自身的需求獲得不同的帶寬，充分利用無線帶寬，從而提高了無線鏈路的資源利用率。也正是因為在提高無線Internet性能上的這些優點，多業務鏈路層將在無線移動互聯網的發展中越發受到重視。
四、網絡層技術的分析與探討
在網絡層上，目前迫切需要解決的是IP地址空間的擴展和IP地址的移動性問題。我們知道，IPv4只有32 bit地址長度，它所能提供的地址總數大約只有42億個，目前大約只剩下27%的容量，估計到2006年就會被分配完。為了緩解這種壓力，目前也采用了一些解決的臨時措施，其中較具有代表性的有CIDR（無分類域間選路）和“專用地址+網絡地址解析（NAT）”等，CIDR的主要思想是采用幾個連續的C類地址（即相同的前綴）取代一個單獨的B類地址，以解決B類地址的匱乏問題，此方法也被稱為“路由表聚類”。地址轉換(NAT)技術的思路是在網絡內部使用私有地址，在接入互聯網時轉換為公有地址，以達到擴展地址空間的目的。但這些方案最大的不足是可擴展性不強，只能作為一種短期解決方案，IPv4地址向IPv6地址的過渡將是無線移動互聯網發展中一個必然的趨勢。IPv6采用了128 bit的地址空間，理論上其巨大的地址空間（2¹²⁸，約3.4×10³⁸個）可以給地球上的每一滴水和每一顆沙粒分配一個IP地址，因而在擴展到IPv6后，IP地址空間不足問題便可迎刃而解。IPv6的出現雖然解決了IP地址空間不足問題，但同時又對路由器提出了新的挑戰，因為目前路由器在容量上已出現了瓶頸，其有限的處理能力很難再處理128　bit的地址空間。鑒于此，在組網時作者建議采用IPv4和IPv6混合組網的方式，即在接入網上使用IPv6地址，在骨干網上仍使用IPv4地址。但利用這種方式進行組網時IPv4和IPv6網絡間的互通問題又被提了出來，為此我們給出以下解決方案：（1）雙協議DSTM，根據網絡資源情況，讓移動終端同時具有IPv4和IPv6雙協議棧；（2）6 to 4，核心網用IPv4而邊緣網用IPv6，中間用網關進行轉換；（3）6 in 4，將多個到達同一核心網出口的IPv6數據包封裝在IPv4數據包中以隧道方式發送。圖2是此方法的示意圖。?

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考慮到無線移動互聯網環境，在解決了地址空間問題后，接下來要解決的便是實現IP地址的移動性難題。目前，由于IP地址與連接到Internet的接入點唯一識別，當移動節點從一個子網移動到另一個子網時，發送給它的數據包將會被傳送到原來的子網，而不是現在的子網，移動節點將接收不到此數據包，以致于通信不能正常進行，因此需要一種移動IPv6方案以來確保移動節點可以以一個永久的IPv6地址進行通信。目前主要有2種新型的IPv6移動協議，一個是IETF在1996年10月發布的支持主機移動的Mobile IPv6（MIPv6）協議^［６］，另一個是IETF第49屆會議上，Fumio Teraoka等日本學者提出的LIN6^{［７，８］}。兩者在設計原理上有很大不同，MIPv6沿用了IP協議原有的標識節點方式，在移動節點的本地網絡上設置本地代理（HA）服務器完成移動節點的IP數據報轉發工作，其解決移動IP問題的基本思想與處理蜂窩移動電話呼叫有點相似，即使用漫游、位置登記、隧道、鑒權等技術，使移動節點能夠使用固定IP地址，一次登錄即可實現任意位置上保持與IP主機的單一鏈路連接，保證通信的持續進行。LIN6中為了更方便地標識移動節點，引入了與傳統Internet不同的終端識別方式：位置無關的節點識別號，采用節點識別號作為標識節點的方式，通過設立的映射代理來保存移動節點的當前位置信息，其基本思想是采用節點標識號和節點位置信息相分離的方法，用位置無關的節點識別號統一標識各個節點，在進行每次通信前，通過查詢映射代理來獲取移動節點的當前位置信息。兩者在解決IP移動性問題時各有優缺點，相比LIN6，MIPv6的優點在于：MIPv6更能適應原來的IPv6網絡協議，其在支持節點的移動性上只是在本地鏈路中引入了本地代理，且充分利用了IPv6的擴展頭域來實現對移動性的支持，因此更有利于在IPv6網絡的逐步引入與實現；如前所述，MIPv6沿用了IPv6標識節點的方式，標識節點空間的地址長度為128　bit，而128　bit的LIN6通用識別號中，前64　bit為LIN6固定前綴，后64　bit為LIN6節點識別號（如圖3），為區分LIN6地址和IPv6地址，64　bit的LIN6節點識別號中高24　bit為固定值，實際上只有40　bit的地址長度，因此MIPv6中可用的地址空間要遠遠大于LIN6。?

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LIN6的優點主要在于：LIN6不需要采用IPv6的擴展頭域就可以很好地實現對移動性的支持，節省了IP數據報的頭開銷；LIN6中用于管理節點識別號與AGUA網絡前綴之間映射關系的映射代理（MA）可以在備份后放置于網絡的任何地方，因而不存在MIPv6中的單點故障問題，可靠性大大提高；LIN6節點在通信時首先通過查詢DNS獲取LIN6節點的映射代理地址，然后通過查詢映射代理來直接獲取節點當前的網絡前綴信息，避免了MIPv6在通信建立初期存在的三角路由問題；與MIPv6中通過本地代理解析轉發方式不同，LIN6中采用了端到端的通信模型，且未使用隧道（Tunnel）技術，大大節省了網絡的資源。
無論哪種方式，主要目的是解決IP地址的移動性問題，這一點也是無線移動互聯網發展中所期望的，因此移動IPv6技術將成為無線移動互聯網發展中網絡層關鍵技術之一。?
五、結語
無線移動互聯網有其廣闊的發展空間，采用何種技術與方式進行發展是目前人們正在研究的一項重要課題，對其技術的探討也較多，如智能天線技術、軟件無線電技術、時域技術、下行高速包交換數據傳輸技術、聯合檢測技術、多入多出天線（MIMO）技術、自適應物理層技術、多層自適應技術、Ad Hoc技術等。當然影響無線移動互聯網發展的因素很多，除技術因素外，還有應用和需求的一面，要能夠推出各種體現自身特點的殺手性應用（Killer Application）。本文主要從技術的角度對未來無線移動互聯網的發展進行了分析與探討：物理層上，可以通過OFDM、OFDM?+技來提高調制解調的速度與性能，以達到提高無線信道性能的目的；數據鏈路層上，可以通過多業務方案來克服目前單一業務鏈路層的弊端，以提高無線鏈路的Internet性能；網絡層上，IPv4向IPv6網絡的過渡是必須的，但在過渡過程中可能會受到現有路由器處理能力的制約，因而在組網方式上建議采用IPv4和IPv6混合組網模式。在IP移動性方面，MIPv6和LIN6兩種方案各有優缺點，其中MIPv6是目前的研究熱點，而LIN6依其所具有的高可靠性也可以在一些對可靠性要求較高的通信系統如軍事通信系統中找到自己的應用空間。