CDPD(蜂窝数字分组数据网)技术

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1  引言
    随着计算机和通信技术的发展，无线移动数据通信在现代社会人们的流动中悄然兴起。现代便携机、个人数字助理机(PDA)等的出现更为无线移动数据通信的实现提供了有利条件，因此灵活、方便、高效的无线移动数据通信近几年来在国际上得到了迅速的发展和应用，成为无线通信中的新热点。其中CDPD(蜂窝数字分组数据网)被公认为目前最佳的无线数据格式。它是基于现有蜂窝电话网的以数字分组技术为基础、以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通信技术。CDPD始于美国，1992年开始研究，1995年中推出第一个商用CDPD网络，至今美国已基本实现全国覆盖。我国1995年开始可行性研究，1996年上海建成试验网，1997年底原邮电部决定建设“中国公用无线数据通信网”。采用CDPD技术。本文将详细介绍CDPD的网络结构、协议模型及帧结构。
    2  CDPD的网络结构

    CDPD由以下四部分组成：移动终端系统(MES)、移动数据基站(MDBS)、移动数据交换系统(MDIS)和CDPD骨干网，其网络结构如图1所示。
    移动终端系统(MES)：它由移动终端和CDPD无线Modem组成，CDPD无线Modem负责管理无线链路和协议，通常，移动终端与无线Modem之间的通信采用标准的串口协议，如：串行网际协议(SLIP)或点对点协议(PPP)，MODEM接口有RS?232，PCMCIA和内置PCI插槽型。
    移动数据基站(MDBS)：每个基站最多可安装六块信道板，每块信道板为移动终端提供一个19．2kbps的空中接入，使移动终端进行全双工分组数据传输，同时它也负责频谱监测、频率管理。它通过一根64kbps帧中继与交换机相联。
    移动数据交换系统(MDIS)：它由分组服务器和管理服务器组成。分组服务器负责数据分组交换。管理服务器负责用户帐户、计费和移动性管理，移动性管理采用Internet标准组织IETF(InternetEngineeringTaskForce)制定的移动IP模式。
    CDPD骨干网：它由通用的中间系统(IS)组成，它实际上是IP路由器。IS提供无连接的数据报业务，根据每个分组的目的地址和当前的网络拓扑对分组进行路由。CDPD是基于TCP／IP的开放系统，可方便接入Internet，还支持OSI标难协议CLNP(无连接的网络协议)。
    3  CDPD的协议模型

    MES和MDIS之间的CDPD分层协议模型如图2所示。Um接口是CDPD的空中接口。Um接口上的通信协议有5层，自下而上依次为物理层、MAC(媒体接入控制)层、LLC(逻辑链路控制)层、SNDCP(子网依赖结合协议)层和网络层。
    Um接口的物理层为射频接口部分，而物理链路则负责提供空中接口的射频信道。MES与MDBS间靠一对30kHz的RF信道进行通信，从MDBS至MES的信道称正向信道，从MES至MDBS的信道称反向信道，一对正、反向信道形成了一条CDPD信道流。信道流使用的调制方式为GMSK(相对带宽BT＝0.5)，调制速率为19．2kb／s。物理层还与无线资源管理实体(RRME)相接口，通过这个接口，RRME对RF信道对、传输功率电平和物理链路的通断进行控制，并检测RF信道信号电平和估算它的通信能力。
    MAC为媒体接入控制层。MAC层的主要作用是定义和分配空中接口的CDPD逻辑信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。CDPD的逻辑信道分广播信道和点对点业务信道，广播信道又分为控制和管理两种，控制信道用于广播控制信息，管理信道用于广播无线资源管理信息(如：信道流识别参数、小区配置参数、信道接入参数和信道质量评估参数)。点对点业务信道用于单个MES与其服务MDIS间的信息传输。每个逻辑信道都分配了一个叫临时设备识别号(TEI)的信道号，TEI＝1为广播控制信道，TEI＝0为广播管理信道，TEI＝16至227?1分配给点对点业务信道，它在点对点数据链路连接建立之前，分配给与这次连接相对应的MES，该MES就用分配的TEI值发送并接收包含指定TEI值的帧。MAC层通过一个依赖于执行的接口与RRME通信，通过这个接口MAC层通知RRME，它是否与当前所选的正向信道同步，并给RRME传递有关所收到比特和块错误数的状态信息，因此，RRME可评估一条给定CDPD信道的接收能力，并提供无线资源管理功能。
    LLC层为逻辑链路控制层。它是一种基于ITU?T建议Q．920和Q．921的无线链路协议，称为移动数据链路协议(MDLP)，在MES内实现的MDLP与位于它的服务MDIS中的对等MDLP通信。LLC层负责在高层SNDCP(子网依赖结合协议)层的SNDC数据单元上形成LLC地址、帧字段，从而生成完整的LLC帧。另外LLC可以实现一点对多点的寻址和数据的重发控制。
    MDBS中的LLR层是逻辑链路转送层。这一层负责转送MES和MDIS之间的LLC帧。LLR层对于MDLP数据单元来说是完全透明的，即不负责处理MDIP数据。
    SNDCP层为子网依赖结合层。它的作用是完成传送数据的分组、打包、数据压缩，确定TCP／IP地址和加密方式，提供SNDCP顶层多个网络层实体的复接。MES和MDIS间传送的数据被分割为一个或多个NPDU(网络协议数据单元)数据包单元。NPDU数据包单元生成后被放置到LLC帧内。
    网络层的协议为TCP／IP和X..25协议。
    4  CDPD的信道流

    CDPD的信道流由MDBS与MES之间的一对正、反向信道构成，信道流传输LPDU帧数据流，如图3所示。
    在正、反向信道上，帧数据流划分为由274连续比特组成的段，每个段前置8比特色码，形成一手列282比特(或47个6比特码字)固定长的连续不断的数据块，色码用于同信道干扰检测，其中三比特用于标识MDIS，由同一个MDIS控制的小区内发送的所有信道流具有相同的值。色码的其它五个比特用于标识与同一个MDIS相连的MDBS上的小区，在一个小区内，RF信道具有相同的色码值。
    数据块用对称的(63，47)Reed-Solomon码进行纠错编码，生成378比特固定长的RS编码块序列，其中信息段由47个6比特码字构成，校验段由16个6比特码字构成，这样，每个编码块可纠正8比特的错码。然后再用生成多项式为g(x)＝x9十x8十x5十x4十l的9阶扰码器进行扰码，以减小在传输比特流中长“1”或长“0”串的可能性。正向信道在扰码后与特定的42比特控制标志交织，每10个6比特码字含一个6比特的控制标志。控制标志包含了反向信道的忙／闲状态、正向信道同步字、解码状态和MAC电平等信息。反向信道则用7比特的连续指示标识与每个RS块交织，每9个6比特符号1比特，用来指示反向传送脉冲是否结束，当为全“1”序列则表示后续有更多的RS块，当为全“0”序列表明是最后的传输块。在反向信道上还要先发送：a)38比特的“0”和“1”交替的前置码，它帮助MDBS检测发送的开始和捕捉定时同步；b)反向同步字RSW，它是一个22比特格式，帮助捕捉块同步。
    5  CDPD的媒体接入规程
    MES用一种时隙非连续的数字监测多址接入／冲突检测(DSMA／CD)算法接入反向信道，此法类似于用于以太网的载波监测多址接入／冲突检测，但是在CDPD中，因为MES不能直接监测反向信道的状态(因为它们使用不同的接收和发射频带)，要应用不同的冲突检测方法。
    DSMA／CD利用正向信道流中的忙／闲和解码状态标志，忙／闲标志是一个5比特序列，每60比特在正向信道发送1次(即每微时隙周期一次)，这个标志给周期性的二进制信息提供了表明反向信道忙／闲的微时隙解决途径。解码状态标志是一个5比特序列，它用来指示MDBS是否成功地在反向信道上解码出前面的块，若解码成功，解码状态标志为“00000”，若不成功则为“11111”。要发送的MES首先监测忙／闲标志位(该标志每个微时隙更新一次)，如果反向信道忙，MES延迟一个随机的微时隙后再监测忙／闲标志，这种接入方法称为非连续的，一旦监测到反向信道空闲，MES就开始发送，发送只在一个微时隙边界处开始，所以接入方法使用了“时隙”这一术语。当MDBS一检测到反向信道有发送时，它便对忙／闲标志置位，告知其它MES该信道忙。在MES开始一次发送后，它检查收到的每个前向信道块的解码状态标志，并根据这一标志值恢复和中断（挂起）发送，这一标志提供继续发送过程的“实时”信息。如果解码状态标志显示MDBS到目前为止没遇到解码错误，MES就继续发送，否则，MES停止发送，待延迟一指数形时间后再尝试重新接入反向信道。
    6  帧结构

    对等LLC实体间的信息传输是通过一序列的帧或LPDU来实现的，帧的一般结构如图4所示。地址段说明帧是命令或响应(段C／R)，并区分携带TEI值的帧的虚数据链路信道(换句话说，对点对点链路，它识别要接收的命令帧和发送响应帧)，扩展地址(EA)段用于说明地址段的长度。
    控制段说明帧的一般类型，它可以是下列之一：编号信息(I)、监测(S)和无编号的(U)。S帧用于执行数据链路监测控制，例如，确认接收到正确的I帧或请求错误帧重发。U帧用于提供附加的控制功能(即数据链响连接的建立和释放)和使用无确认信息传输方式来传输数据。
    7  结束语
    CDPD既可作为一个独立的蜂窝系统来实现，也可作为构建在现有蜂窝电话网的一个分组交换系统来实现，这时它可充分利用现有的蜂窝设施实现快速的组网，且安装成本比较低。在利用现有蜂窝电话网进行组网时，由于CDPD采用信道跳频技术，使得当正在传输CDPD数据流的信道被话音业务占用时，能立即选择另一条空闲信道来继续CDPD数据流的传输。随着Internet的飞速发展，移动通信与Internet的结合已成必然，这为移动数据通信提供了一个广阔的空间，移动数据通信必将成为移动通信发展的一个重要方向。
    作者：曹春生