移动互联网的结构与特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图12.31移动互联网的接入方式WPAN 主要用于家庭网络等个人区域网场合，以IEEE 802.15为基础，被称为接入网的“最后100米”。WLAN 的主要问题是不能提供QoS保证和可靠传输。MulteFire的主要思想是将LTE技术移植到尚无管制的5 GHz非授权频段，为用户提供比WLAN 更高的用户容量，更大的覆盖范围，更高的组网密度，但同样的简单部署。MulteFire独立运行于非授权频谱中，不需要在授权频谱中有一个“锚点”。综上所述，移动互联网的关键技术特征包括以下方面。

从层次上看，移动互联网可分为终端/设备层、接入/网络层和应用/业务层，其最显著特征是多样性。应用或业务的种类是多种多样的，对应的通信模式和服务质量要求也各不相同，接入层支持多种无线接入模式，但在网络层以IP协议为主，终端也是种类繁多，注重个性化，一个终端上通常会同时运行多种应用。

世界无线研究论坛（WWRF）认为移动互联网是自适应的、个性化的、能够感知周围环境的服务，它给出的移动互联网参考模型如图12.30所示。各种应用通过开放的应用程序接口（API）获得用户交互支持或移动中间件支持，移动中间件层由多个通用服务元素构成，包括建模服务、存在服务、移动数据管理、配置管理、服务发现、事件通知和环境监测等。互联网协议族主要有IP服务协议、传输协议、机制协议、联网协议、控制与管理协议等，同时还负责网络层到链路层的适配功能。操作系统完成上层协议与下层硬件资源之间的交互。硬件/固件则指组成终端和设备的器件单元。

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图12.30　移动互联网的参考模型

移动互联网支持多种无线接入方式，根据覆盖范围的不同，可分为无线个域网（WPAN）接入、无线局域网（WLAN）接入、无线广域网（WWAN）接入和卫星接入，如图12.31所示。各种技术客观上存在部分功能重叠的现象，但更多的是相互补充、相互促进的关系，具有不同的市场定位。

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图12.31　移动互联网的接入方式

WPAN 主要用于家庭网络等个人区域网场合，以IEEE 802.15为基础，被称为接入网的“最后100米”。蓝牙（Bluetooth）是目前最流行的WPAN 技术，其典型通信距离为10 m，带宽为3 Mbit/s。低功耗蓝牙BLE（Bluetooth Low Energy）协议使用相同的2.4 GHz非授权频率，可降低通信速率至125 kbit/s，但扩展通信距离至500 m，较传统蓝牙省电90%，主要面向极低功耗的物联网链接。其他技术，如超宽带（UWB）技术侧重于近距离高速传输，而Zigbee技术则专门用于短距离的低速数据传输。

WLAN 主要用于商务休闲和企业校园等网络环境，以IEEE 802.11标准为基础，被广泛称为WiFi（无线相容性认证）网络，支持静止和低速移动，其中802.11g的覆盖范围约100 m，带宽可达54 Mbit/s，而802.11n 的支持速率理论上可高达600 Mbit/s。借鉴蜂窝网的OFDMA、MIMO 和载波聚合等技术，考虑高密度部署场景和更高的频谱效率需求，802.11ax可支持160 MHz带宽，8天线，下行速率可达约1 Gbit/s。WiFi技术成熟，目前处于快速发展阶段，已在机场、酒店和校园网等场合得到广泛应用。

WLAN 的主要问题是不能提供QoS保证和可靠传输。对于有QoS需求，但无力从政府购买授权频谱的用户，如工业用户，可以选择MulteFire技术。MulteFire的主要思想是将LTE技术移植到尚无管制的5 GHz非授权频段，为用户提供比WLAN 更高的用户容量，更大的覆盖范围，更高的组网密度，但同样的简单部署。用户只需要购买类似于WLAN 接入点的节点设备，并将其连入光纤或者毫米波网络。MulteFire独立运行于非授权频谱中，不需要在授权频谱中有一个“锚点”。在使用5 GHz非授权频谱时，MulteFire空口尽量拷贝LTE 技术，频谱方面采用梳状频段，即将在1 MHz带宽（5 GHz非授权频谱功率度量单位）分配的功率压缩到180 k Hz（1个LTE子载波），由此获得更高的功率谱密度。MAC 层使用与WLAN相同的Listen-Before-Talk协议，避免对同样工作在5 GHz的WLAN 设备产生干扰，以及不同MulteFire网络之间的共存。测试证明，MulteFire的传输距离比WLAN 远50%，室外覆盖面积大2倍。

WWAN 是指利用现有移动通信网络（如3G 和4G）实现互联网接入，具有网络覆盖范围广、支持高速移动性、用户接入方便等优点。3G 网络的基站覆盖范围可达7 km，在室内、室外和行车环境中能够分别支持至少2 Mbit/s、384 kbit/s以及144 kbit/s的传输速度。目前三种主流3G 制式分别是WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，已在世界范围内展开应用，其共同目标是实现移动业务的宽带化。4G 移动通信系统统称为IMT-Advanced，采用载波聚合、增强的多天线传输、协作多点传输和中继等多种关键技术，其下行峰值速率可达1 Gbit/s。当前3GPP正在开发5G 技术标准，5G 频谱往更高频发展，强调更大带宽，5G 空口通过增大单载波带宽和Massive MIMO 技术进一步提升网速和增强覆盖，通过Short TTI、灵活改变TTI时长、快速反馈和重传等技术来降低时延。5G 核心网基于服务化、软件化架构，并通过网络切片、控制/用户面分离等技术，使得可以网络定制化、开放化和服务化，以面向万物互联和各行各业。

虽然运营商的移动网络能够覆盖地球上90%以上的人口，但考虑到蜂窝网基站覆盖的经济性，其仅能够较好地覆盖约10%地球表面的人口稠密区域，卫星互联网的提出就是为了解决其余人口稀疏地区的接入，5G 技术也考虑把卫星互联网作为地面固定基站和地面移动通信网络的补充。卫星互联网的基本概念是把WLAN 路由器放在近地轨道卫星上，通过几百甚至数千颗卫星组成星座，用大量小型卫星实现WLAN 信号的强度和覆盖面。卫星互联网的关键在于频谱和轨位，这些都是全球性的稀缺资源。对于卫星频谱，各个国家之间分配的方式是先到先得。根据ITU 空间频率轨道资源分配规则，哪个国家优先向国际电联申报，就可以获得优先使用权。卫星轨位是在卫星运行中必须占据某个轨道位置，其中有位于赤道上空的对地静止轨道，有近地轨道和遥远的中轨道等。如今，卫星制造、地面站和接收天线、运载火箭发射技术都已经比较成熟和廉价，卫星互联网已成为可能，但尚处于发展初期。

综上所述，移动互联网的关键技术特征包括以下方面。

①移动性管理：支持全球漫游，移动对终端和移动子网是透明的。

②IP透明性：网络层使用IP协议族，对底层技术不构成影响。

③多种接入方式：允许终端接入方式的多样性。

④寻址与定位：保证各用户通信地址的唯一性，能够全球定位，以提供与位置相关的服务。

⑤个性化服务：提供用户指定信息。

⑥安全性和服务质量保证。