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无线宽带移动多媒体通信探讨

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1. 引言
 
   到2001年底,全球移动电话用户总数突破了10亿大关,并有100多个国家的移动用户数超过了固定用户数。移动通信已成为普遍接入的必要手段之一,而不再是传统所认为的固定电话的补充。另一方面,定向话音仍是当前移动通信的主要业务,但包括高速数据在内的多媒体业务的比重逐年增加,预计2010年话音业务和多媒体业务之比将为1:2 。移动多媒体业务是把文本、图形、语音和视频等信息以任意组合的方式给移动用户提供的服务。为了提供优质的移动多媒体业务,必须构筑大范围覆盖的高质量无线宽带网络。从2002年开始,无线宽带网的建设进入高速发展阶段,许多国家均在政府支持和电信制造商、运营商的积极投入下,研究和建设各种不同类型的无线宽带网络。
 
    我们知道,无线通信是利用无线电波(电磁波、激光)在空间的传播来传递声音、文字、图像和其它信息的。空间信道具有可移动性、共享性、广播性和可迅速建设等优点,同时也具有高干扰、强衰落、窄带宽的缺点。因此,无线宽带网络需要特殊的发送和接收技术来保证。本文按固定无线接入、移动无线接入和蜂窝移动三大系列介绍国内外无线宽带网络的现状和发展。
 
 2.固定无线宽带接入通信系统
 
   由于固定无线接入比移动通信场合容易现实操作,智能天线、软件无线电、现代编码调制及自适应信号处理等功率/频谱有效利用的新技术往往首先在固定无线接入中试验与装备应用,固定无线接入往往成为新一代移动通信的技术先导。
 
   目前,与xDSL、HFC、FTTx、APON等有线宽带传输的发展相对应,LMDS、MMDS、SFO等无线宽带接入亦在快速推进。固定无线宽带接入系统采用 TDMA和CDMA等多址技术将点对点微波传输系统发展到一点对多点的无线集中系统,它可以提供本地交换局至终端用户之间的宽带通信服务。
 
 2.1 本地多点分配接入系统 (LMDS)
 
    LMDS在1998年被美国电信界评选为十大新兴通信技术之一。其最大的特点在于宽带特性,可用频谱往往达1GHz以上。在不同国家或地区,电信管理部门分配给LMDS的具体工作频段及频带宽度有所不同,其中大部分国家将 27.5GHz~29.5GHz定为LMDS频段。我国则采用26GHz及38GHz。
 
   由于该技术利用高容量点对多点毫米波进行传输,它几乎可以提供任何种类的业务,如话音、数据及视频图像等,能够实现从64Kbps到2Mbps,甚至高达155Mbps的用户接入速率,并具有很高的可靠性,被认为是一种"无线光纤"技术。它是解决电信接入网问题的利器,为电信运营商开展业务、发展用户提供了高成效、低成本的有效手段。尤其适合于新兴运营商进入电信市场。
 
   LMDS系统通常由四个部分组成:基础骨干网络、基站、用户端设备以及网管系统。由于LMDS直接支持无线ATM协议,可以使链路效率得到提高。
 
 2.2 多点多信道分布式系统 (MMDS)
 
   LMDS的缺点是覆盖范围小,为了覆盖30平方英里以上的面积,可以使用另外一种成本低廉的宽带无线技术—MMDS技术,它有时被称为无线DSL。如图1所示,MMDS不需要本地电信或有线广播公司的干涉就能够通过用户安装在屋顶上的天线为每位用户提供服务。

图1 MMDS宽带接入图
 
   MMDS最初用于单向传输的影像广播服务,包括城市与城市之间的无线网络系统。现在则可以采用双向的数据业务传输,允许更加灵活地使用MMDS频谱。而LMDS技术,则属于区域性的无线技术,可被应用在城市内、郊区等小范围的通信网络,它们的比较如表1。

 表1 LMDS 与MMDS的比较

2.3自由空间光通信(FSO)
 
   激光无线通信与以往的利用电磁波(radio)的无线通信相比,具有容量大、发射装置和功率小、不用政府特许证、对人体无影响等优点。但容易受到天气和障碍物的影响,一般用于近距离室内通信,如各种遥控信号的传递、微机间和手机间的数据通信等。现在开始应用到室外通信,但需要使用抗天气劣化的自适应技术。
 
   自由空间光通信(FSO)使用光脉冲调制信号,按照FSO联盟的规定可以采用两个红外线波长:长波长1550nm和短波长800nm。以提供100、155和622Mbps的数据速率。
 
 3 移动无线宽带接入通信系统
 
    移动通信是处于移动状态的通信对象之间的通信,一般采用无线方式。移动通信系统可以分为两大类:移动无线接入通信系统和蜂窝移动无线通信系统。前者依赖于现有网络系统,仅仅是现有网络的接入系统;后者是一个完全独立的网络系统,除了骨干传输部分外,都需要重新建立。移动无线接入通信系统以往主要包括第一代(CT1)、第二代(CT2)、第三代(CT3和PHS)无绳电话,它们仅提供语音和低速数据业务。移动无线宽带接入通信系统则有以下几种:
 
 3.1 宽带无线局域网络(WLAN)
 
   无线局域网络是便携式移动通信的产物,终端多为便携式微机。如图2所示,其构成包括无线网卡、无线接入点(AP)和无线路由器等。目前最流行的是IEEE802.11系列标准,它们主要用于解决办公室、校园、机场、车站及购物中心等处用户终端的无线接入。

图2 802.11网络的典型应用
 
   在802.11的基础上,IEEE相继推出了802.11b和802.11a两个标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。802.11b使用动态速率漂移,可因环境变化,在11 Mbps、5.5 Mbps、2 Mbps、1 Mbps之间切换,且在2Mbps、1Mbps速率时与802.11兼容。 802.11a工作在5GHz频段,物理层速率可达54Mbps,传输层可达25Mbps。可提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口,以及TDD/TDMA的空中接口。
 
 表 2 无线局域网标准比较

  目前,2波段兼容(2.4GHz 802.11b 和 5GHz 802.11a)的产品最为流行,3波段 (2.4GHz 802.11b, 5GHz 802.11a和1.8 GHz GSM/GPRS/WCDMA) 产品也走出了实验室。另外,802.11g标准刚刚被推出,它可以在2.4GHz频段上实现54Mbps的数据速率。
 欧洲的宽带WLAN标准是HiperLAN2,它与IEEE 802.11a非常相似。它希望和3G移动通信协议互通,并且能提供不同等级的QoS,以满足多媒体或VoIP等不同类型的应用需求。
 
 3.2 无线ATM网络
 
    无线ATM的目的是在ATM骨干网的基础上实现端到端的ATM连接,以提供质量可保证的各种服务,如ABR、VBR、CBR和UBR等。由于无线 ATM网络采用的无线传输信道与ATM骨干网所采用的光纤传输信道具有很大的差异,一些新的问题,如介质共享性、广播性、较长的传输延时、较高的信道误比特率以及信道衰落的影响等等,必须加以解决。因而无线ATM除了具有与ATM相同的ATM层、AAL层以及信令部分外,还要增加与无线通信有关的无线物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、数据链路控制层(DLC),以及相应的无线控制功能,这样才能在无线网络中实现ATM服务。为支持对各种业务的服务质量控制,DLC协议常常针对不同的业务采用不同的差错控制方式;MAC协议则一般采用信道动态分配算法来支持业务速率的可变。
 
    另外,无线ATM通信网要支持移动用户,因此网络应具有移动管理功能。当无线ATM通信网采用微蜂窝小区形式的网络结构时,越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线ATM网和现有的移动通信系统(如GSM)相比具有一些不同的特点。例如,无线ATM网可支持多种类型的业务及多速率业务的通信,越区切换时需保证各种业务的服务质量 (信元丢失率、延时等)不恶化;ATM信元字头没有序号字段,越区切换时可能出现信元次序混乱,造成信元丢失;现有的ATM网络采用固定VP/VC连接方式(即固定路由),而越区切换需更新原来的连接、重建路由。这就必须研究适用于无线ATM网络的切换控制方案。

 关于无线ATM的无线接口方面和移动管理方面的标准分别由ETSI和ATM论坛负责制定。依据这些标准,许多无线ATM系统被推出,如表3所示。无线ATM技术在生活中的深层次应用主要包括如何帮助人们完成远程医疗、保健和教育。
 
 表3 无线ATM系统比较

  移动无线宽带接入还包括欧洲ACTS项目中著名的AWACS、SAMBA及MEDLAN系统,其工作频段分别使用19GHz、40GHz、 61GHz等,MEDIAN为室内慢速移动,AWACS及SAMBA可用于室外较高移动速度的情况,覆盖范围一般较小,为数十米至200米左右。它们的目标是实现155Mbps乃至速率更高的移动或半移动环境下高速优质多媒体个人通信服务。
 
   另外,在移动无线宽带接入通信方面还有两个技术动向应引起注意:
 
   最近美国FCC公布了最新频率分配政策,批准有限使用在超宽频带(UWB)上传送高速数据的非许可无线系统,但UWB的使用须高于3.1GHz或低于960MHz。有些厂商已经开始推出UWB产品的试验样机,它最适用于拥挤的室内通信。
 
   作为一种多跳无中心分布控制网络,自组网(ad hoc) 的研究方兴未艾,它组网灵活、生存力强,可以迅速应用到某些特殊环境和紧急情况, 是无线网络发展的新方向。
 
 4.蜂窝移动无线通信系统
 
    蜂窝移动无线通信系统是当前移动通信的主力军,它采用蜂窝结构,频率可重复利用,实现了大区域覆盖;并支持漫游和越区切换,实现了高速移动环境下的不间断通信。从70年代起,它已经历了第一代(1G)、第二代(2G)并开始进入第三代(3G),未来向超(Beyond)3G过渡。图3描述了移动无线接入和蜂窝移动无线通信系统的发展过程,它们的数据传输速率分别对应于不同的固定通信系统,其中MMAC、HAPS和ITS将在后面介绍。
 
 图3 不同移动通信系统与固定通信系统的比较

 
   1G采用FDMA和模拟调制,由于频率利用率低、通话质量差、容量小,在中国已经退出市场。目前,国内外的主流系统是2G,它采用TDMA/CDMA和数字调制,提高了系统容量和通话质量。但1G/2G主要提供语音服务,为了提供自由的移动多媒体接入,例如话音、可视电话和高速数据传输,则需要发展3G和超3G移动通信系统。
 
 4.1 第三代移动通信系统 (3G)
 
    为了支持多媒体业务和全球无缝漫游,90年代初,一些标准化组织就已经对3G进行研究。在1999年10月的ITU芬兰会议上,3G(即 IMT-2000)的无线接口技术规范(如图4)获得通过,标志着第三代技术的格局最终确定。它分为CDMA和TDMA两大类共五种技术,其中主流技术为三种CDMA技术:CDMA-DS(直接扩频)即欧洲和日本共同提出的WCDMA技术;CDMA-MC(多载波)即美国提出的cdma2000技术;CDMA-TDD(时分双工)包括我国提出的TD-SCDMA和欧洲提出的UTRA TDD。这些标准的制定主要靠3GPP和3GPP2两个国际组织。
 
 图4 IMT-2000标准

   3GPP研究制定并推广基于演变的GSM核心网络的3G标准,即WCDMA、TDS-CDMA等。 GSM系统在向3G演进的过程中,其无线接入网络采用新型WCDMA技术,引入了适于分组数据传输的协议和机制,可支持144Kbps、384Kbps、 2Mbps的数据速率,这是一个革命性的变化。而在网络部分则采用演进的方式,即在初期针对话音和数据业务分别接入到不同的交换网络--电路型和分组型的交换网络。通过提高现有GSM的传输带宽,逐步向提供3G所要求的2Mbps速率的方向努力。目前,3GPP完成了许多标准版本,其中版本5完成了IP多媒体子系统的定义,诸如路由选取及多媒体会话,其下行峰值数据速率可高达8-10Mbps,并具有高的数据吞吐量和低的延时。
 
   按照从事CDMA2000标准研究的国际组织—3GPP2的规范,窄带CDMA系统 (IS-95) 无论是无线接口部分还是网络部分在向3G过渡时,都将采用演进的方式。cdma2000-1X商用初期,网络部分在窄带CDMA网络基础上,保持电路交换、引入分组交换,以分别支持话音和移动IP业务。为了进一步增强传输能力, 3GPP2开始制订支持速率高于2Mbps的cdma2000-1X增强标准,其中高通公司的HDR、摩托罗拉和诺基亚公司联合提交的1Xtreme,还有中国的LAS-CDMA都作为候选技术在探讨中。

   目前移动通信业界已基本达成一个共识:未来的移动通信核心网络将是一个全IP的宽带分组网络。3GPP和3GPP2都将3G发展的目标设定为全IP网,它将承载从实时话音、视频到Web浏览、电子商务等多种业务。
 
    IMT-2000的原意是指2000年在2000MHz频段实现2000Kbps的数据传输速率。但由于2.5G和WLAN的加强运作,延长了2G的寿命,再加上超(beyond)3G的基本概念与框架结构的研究已经启动,这使得3G处于2.5G/WLAN及超3G的夹击之下。另外3G标准和技术上也存在一些问题,近来世界经济也处于低潮,这都使得3G的大规模使用比预想的要晚些到来。
 
    为了在2G网络上实现移动数据通信,许多2.5G过渡方案被提出,象GPRS和WAP技术。目前发展最快的是NTT DoCoMo公司的i-mode,它很好地实现了在线上网。在i-mode的基础上,i-motion、i-area、i-appli等业务陆续在日本被推出。为了更好地提供这些服务,NTT DoCoMo公司于2001年10月1日开通了世界上第一个商业3G网—FOMA系统。

 4.2超第三代移动通信系统

   如图3所示,即使3G系统建成了,也仅仅实现了相当于窄带ISDN的数据速率。为了提供交互式移动多媒体服务、更高速数据接入(相当于宽带 ISDN)、真正的全球漫游和服务可携带性,超3G的研究已经启动。目前的设想是将各种无线接入手段(包括宏/微蜂窝漫游、高/低速率传输等)组合起来,与以IPv6为基础的核心网相连接,构成超3G的框架,从而形成慢速移动与快速移动的有机融合。ITU认为,可以将IMT重新定义为Internet Mobile/Multimedia Telecommunications即互联网移动/多媒体通信。目前,超3G的研究主要包括:
 
 多媒体接入通信系统(MMAC)--高速率传输

   MMAC是由日本推出的多媒体无线接入系统,其目标是通过便携式可视电话和因特网获得信息。如表4所示,目前主要提供两类高速无线接入。第一类用于室内外宽带移动通信系统,用3-60GHz频段传输30Mbps的数据,该项目从2001年开始;第二类提供超高速WLAN室内接入,传输速率达到 600Mbps,采用60GHz频率,即毫米波。但是这些系统不能提供大范围覆盖,也不能用于车辆业务环境,只能用于“热点地区”。研制出的毫米波样机可以演示60GHz的WLAN与ATM或100BASE以太网接口,其数据速率可以达到155Mbps。

 表4系统诸元表

移动宽带系统(MBS) --高速率传输
 
   欧洲MBS的目标是使蜂窝系统具备低时延、高QoS保证,数据传输率达到155Mbps的水平,比现行速率要快数千倍。MBS将朝着“与服务无关性”方向发展,即随着数据传输率的提高,无线通信设备将能实现任何应用。
 
    MBS创建于1995年,原型的数据传输率为34M的水平,但通过并行运用多路链接可提高数据传输率。MBS经过很多室内和室外环境的测试,包括在比较拥塞的城区以每小时30英里的速度行进。MBS的物理层采用独特的TDMA技术,这也是大多数2G蜂窝电话所采纳的标准;更高层则采用ATM方式。不过开发人员认为,MBS原型的功能仍不是很强,成熟的产品将在2010年出现。这期间规范肯定要作相应变更,物理层将会采用OFDM技术,网络层则会采用 IP协议。
 
 智能运输系统(ITS)--高速度移动
 
   ITS是新型的传输系统,由先进的信息通信网组成,为用户道路、车辆等提供高速运动中的信息传递。ITS不仅提供道路情况、交通事故等,同时还能为驾驶员和乘客提供多媒体业务。
 
    ITS由9个开发层面组成,包括导航系统、电子长途数据采集(ETC)、安全行车辅助系统等。ETC是利用两对5.8GHz的频段进行连续的长途数据采集。ITS的通信系统分为路途车辆通信和车辆互通,其中最主要的是路途车辆通信。ITS系统在沿途布上光纤网,光纤无线收发信机是关键技术。
 
 平流层高空平台(HAPS)--宏蜂窝漫游
 
    HAPS系统基于高空平台提供多媒体电信业务和大气层监测。基站将被安放在长时间停留在空中的气艇、气球或其他飞行器上。这些飞行器处于距地面 20km至50km的空中,基本静止。基站之间彼此通过光互连链路形成网络。由于基站所处位置很高,使得每个基站有非常大的覆盖范围。因此,只需较少的基站就可以完成全网覆盖,部署较快。

   按照设计目标,HAPS将兼取卫星系统和地面通信系统的长处,以作为地面移动通信系统强有力的补充手段。HAPS可以支持固定终端、便携终端和移动终端。典型的接入速率为25Mbps,对于有些固定终端可达几百Mbps。由于采用了毫米波频段(47/48GHz),容许使用高增益小口径天线。
 
 5 结语

   无线通信方式深深改变了我们和世界,它与我们的生活、工作和娱乐已经紧密相连。回溯到60年前,绝大多数国际电话是通过无线短波传送的,人们也通过无线方式获取最新时事新闻。展望未来,多数国际呼叫仍将通过手持或可携带的终端收发,而且这些设备还能从全球不同渠道接收网页和实时视频的更新。目前移动通信、图象通信和互联网正走向融合,多媒体业务将成为今后移动通信业的一个新的增长点。无线将越来越多地被用于提供接入,而使用有线网络提供长途大容量传输。


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