走向融合的無線移動通信技術(shù)

摘要　文章對當(dāng)前前沿的無線移動通信技術(shù)(IEEE 802.16、802.20、802.21)進行了概要介紹，并對其中關(guān)鍵技術(shù)和市場發(fā)展進行了深入分析，最后得出未來移動通信融合趨勢的推斷。

1、多彩的無線移動通信世界

　　近年，無線移動通信技術(shù)取得了長足的發(fā)展，移動通信給人們的生活方式帶來了深刻的變革。人們在體驗著第二代移動通信帶來的便利的同時，張開懷抱滿懷信心的迎接第三代移動通信的到來。同時，在無線通信技術(shù)世界里，國際電子與電氣工程師協(xié)會發(fā)布的IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)為無線通信技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻。IEEE 802.11、802.15、802.16、802.20、802.21等工作組提供了從個域網(wǎng)、局域網(wǎng)到城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)各個范疇上的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，并為網(wǎng)絡(luò)融合統(tǒng)一提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

　　毫無疑問，因特網(wǎng)是20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。它徹底的改變了人們獲取信息的方式。經(jīng)過多年發(fā)展，因特網(wǎng)已經(jīng)成為人們生活必不可少的通訊工具。同時，人們也產(chǎn)生了隨時隨地不受限制的使用互聯(lián)網(wǎng)的需求。這種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求為3G系統(tǒng)和802.xx系統(tǒng)提供了施展拳腳的舞臺。

　　無線通信技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)了百花齊放的繁榮景象。這一局面的形成和發(fā)展，為未來網(wǎng)絡(luò)共存與融合發(fā)展埋下了伏筆。我們可以說，多技術(shù)共存在很長一段時間內(nèi)是必然存在的，它們共同創(chuàng)建美好的無線通信的世界。同時，在各自的演進過程中，它們相互補充、相互競爭、互相推動，最終走向相互融合。

2、WiMAX：一種走向移動的無線城域網(wǎng)技術(shù)

　　2.1　WiMAX技術(shù)發(fā)展簡介

　　WiMAX無疑是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門的話題之一。光纖骨干網(wǎng)傳輸速率達Tb/s，局域網(wǎng)傳輸速率也達到百兆bit/s。相比之下，無線城域網(wǎng)的傳輸速率只有幾百kb/s，3G系統(tǒng)在靜止?fàn)顟B(tài)下傳輸速率也不過2Mb/s。無線接入網(wǎng)的傳輸速率已經(jīng)成為制約無線互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的切切實實的瓶頸。IEEE 802.16-2004系統(tǒng)覆蓋的范圍最大可達50公里，可提供最高達70Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，802.16e還支持車速移動下的數(shù)據(jù)通信。這是一個非常吸引人的技術(shù)，給人們推廣無線互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來了很大的想象空間。WiMAX系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)開放、實施成本低廉、保證QoS服務(wù)等優(yōu)點，因而受到眾多通信設(shè)備廠家和運營商的歡迎，將是DSL和CATV等最后一公里接入技術(shù)的最大挑戰(zhàn)。

　　2004年，全球第一塊WiMAX芯片——“Rosedale”誕生，有力的推動了WiMAX技術(shù)商用化進程。2005年被稱為“WiMAX起跑年”。今年，WiMAX產(chǎn)品測試中心已經(jīng)先后建立，下半年將有商用化產(chǎn)品推出市場，加入到日益激烈的無線通信市場競爭中去。加入了移動性支持的IEEE 802.16e標(biāo)志也將于2006年年初發(fā)布。2006年，802.16e的芯片將走入筆記本電腦，實現(xiàn)便攜式應(yīng)用。2007年，手機中將內(nèi)置802.16e芯片，實現(xiàn)全移動式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這就是WiMAX從固定接入走向便攜和移動應(yīng)用的三步走戰(zhàn)略。

　　2.2　WiMAX網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

　　WiMAX可以應(yīng)用在蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站回傳、熱點回傳、小區(qū)寬帶接入和企業(yè)T1接入等場景中，典型應(yīng)用包括VoIP、視頻會議、互動式網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻點播、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作等。通過部署WiMAX系統(tǒng)，用戶可以極大的降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本并獲得滿意的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這對于大部分xDSL業(yè)務(wù)沒有到達的地區(qū)會形成較大的市場沖擊。同時，在具有移動性支持的802.16e實施后，WiMAX在包括發(fā)達地區(qū)的無線寬帶接入市場上也是頗具競爭力的。

　　WiMAX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點到多點(PMP)作為必須支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下，每一個基站下連若干個用戶站，向上通過BSC連到骨干網(wǎng)。這樣就組成了傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，IEEE 802.16工作組還開創(chuàng)性的將網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh)技術(shù)納入到標(biāo)準(zhǔn)中來，作為可選的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在mesh模式下，WiMAX用戶可以通過相鄰的其他用戶節(jié)點，以多跳的方式連接到骨干網(wǎng)。

　　Mesh網(wǎng)絡(luò)，也稱多跳網(wǎng)絡(luò)，是一種在無線設(shè)備間高效傳輸數(shù)據(jù)的靈活的體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)將信號從一個設(shè)備傳遞到另一個節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)中的用戶節(jié)點不僅可以作為mesh網(wǎng)絡(luò)客戶端，同時也起到mesh網(wǎng)絡(luò)中的路由器的作用。它和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的一個最大的區(qū)別在于流量模型的不同。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是完全無中心，自組織自管理的。而在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中，相對用戶節(jié)點存在基站這個和核心網(wǎng)接入的“中心”。同時，在802.16 2004標(biāo)準(zhǔn)中，用戶站是固定的，這也與Ad hoc網(wǎng)絡(luò)極大不同。

　　目前Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已有專有化實施方案。這些專有化方案可將標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi的幾百英尺覆蓋限制擴大到幾英里以上。此外，性能也可以由54Mb/s限制提高到100Mb/s以上。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)用于實現(xiàn)一些城市的全城Wi-Fi接入，如美國新墨西哥洲的Rio Rancho市。IEEE 802.11s工作組已開始致力于Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)計于2007年獲得批準(zhǔn)。

　　在WiMAX系統(tǒng)中使用無線mesh技術(shù)，可以在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期降低WiMAX網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，推動WiMAX用戶的普及。在網(wǎng)絡(luò)邊緣地帶或有遮擋的情況下可以達到擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的目的。當(dāng)然，無線mesh技術(shù)也同樣帶來諸如動態(tài)資源分配、無線路由、網(wǎng)絡(luò)安全等問題。目前，無線mesh網(wǎng)絡(luò)吸引了研究者的關(guān)注，相信這種技術(shù)的采納會給WiMAX技術(shù)的發(fā)展帶來積極的影響。

3、Mobile-Fi：鋪就通往未來移動通信之路

　　3.1　IEEE 802.20簡介

　　IEEE 802.20工作組成立于2002年12月，其目標(biāo)在于為IP業(yè)務(wù)制定出一套基于包的空中接口規(guī)范，設(shè)計初衷就在于與傳統(tǒng)移動通信技術(shù)的競爭。IEEE 802.20規(guī)范全稱為移動寬帶無線接入系統(tǒng)(MBWA，Mobile Broadband Wireless Access)。標(biāo)準(zhǔn)的基本目標(biāo)是提供全球統(tǒng)一平臺，建立基于真正開放標(biāo)準(zhǔn)而不是專有的寬帶無線接入系統(tǒng)的互操作性規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)被認(rèn)為是提供移動業(yè)務(wù)平臺的另一個解決方案，是一種可以和IMT2000、3G和2.5G平臺媲美的廣帶移動接入技術(shù)。

　　802.20系統(tǒng)運行在3.5GHz以下授權(quán)頻段，在時速250公里的情況下，可實現(xiàn)下行1Mb/s的移動通信能力，可以應(yīng)用在鐵路、地鐵以及高速公路、衛(wèi)星通信等高速移動的環(huán)境中。

　　工作頻帶越低，無線信號的路徑衰落越小，覆蓋范圍也越廣。但是，目前低頻段已經(jīng)被衛(wèi)星通信、集群通信等通信方式所占據(jù)，很難找到全球統(tǒng)一的大塊空白頻帶。802.20計劃工作于400MHz至3.5GHz的授權(quán)頻帶內(nèi)。信道帶寬采用1.25MHz或5MHz，因此它可以避開現(xiàn)有無線通信頻段，見縫插針的在低頻段工作。甚至，有研究者建議讓802.20在已有的IMT2000移動通信頻帶內(nèi)工作。IEEE 802.20技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1　IEEE 802.20技術(shù)參數(shù)
[table]

	技術(shù)參數(shù)
無線類型	移動廣域網(wǎng)(Mobile WAN)
頻率(授權(quán)頻帶)	400MHz-3.5GHz
信道帶寬	1.25MHz,5MHz
雙工方式	TDD,FDD
移動性	250km/hr-ITU-R M.1034-1
單用戶最小峰值速率(下行)	1mb/s
單用戶最小峰值速率(上行)	300kb/s
單小區(qū)最小峰值速率(下行)	4Mb/s
單小區(qū)最小峰值速率(下行)	800kb/s
安全性支持	AES(Advanced Encryption Standard
兼容性	IMT-2000,802.11g

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　　802.20系統(tǒng)不同于802.16系列規(guī)范。802.20規(guī)范是完全基于移動通信的，而不是從固定無線接入系統(tǒng)修改來適應(yīng)移動通信系統(tǒng)。

　　3G系統(tǒng)對以往的電路交換進行了繼承。由于繼續(xù)保持面向連接的結(jié)構(gòu)，其支持突發(fā)式互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時頻譜效率必然很低。在沒有引入增強型3G系統(tǒng)的支持時，用戶使用3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的感受可能和2.5G系統(tǒng)差不多。802.20技術(shù)則不然，它采用“純IP”的結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)到終端全部使用基于IP的協(xié)議進行通信，包括體系結(jié)構(gòu)的IP化、傳輸與業(yè)務(wù)的IP化和協(xié)議的IP化。純IP的結(jié)構(gòu)降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和建設(shè)成本。

　　目前，802.20還處于草案制定階段，要走的路還很長。短時間內(nèi)無法對現(xiàn)有系統(tǒng)造成沖擊。它的出現(xiàn)給WiMAX/3G系統(tǒng)造成一定的競爭壓力。但是，技術(shù)是相通的。我們注意到802.20與802.16的關(guān)鍵技術(shù)在很多方面具有相似之處，因此，這兩項技術(shù)在各自的形成發(fā)展過程中必然形成相互競爭相互推動的局面。

　　表2列出了802.20與2G/3G的主要差異。

表2　802.20與2G/3G系統(tǒng)的比較
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	802.20	GSM GPRS/EDGE	Cdma2000 1xRTT/EV-DO	UMTS
頻段	＜3.5GHz授權(quán)頻帶	＜2GHz授權(quán)頻帶	＜3.5GHz授權(quán)頻帶	＜3.5GHz授權(quán)頻帶
LOS/NLOS	NLOS	NLOS	NLOS	NLOS
BW	1.25MHz分組	200KHz電路/分組	1.25MHz電路/分組	5MHz電路/分組
雙工方式	TDD/FDD	FDD	FDD	FDD
調(diào)制方式	OFDM	GMSK-TDM	CDMA	CDMA
時延	低	高	高	高
類型	對稱移動	非對稱移動	非對稱移動	非對稱移動
電路交換/IP數(shù)據(jù)	IP＞1Mb/s	Both 128/384kb/s	Both 144kb/s/2Mb/s	Both 144kb/s/384kb/s

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4、IEEE 802.21：融合，迎來泛網(wǎng)時代

　　4.1　IEEE 802.21簡介

　　無線通信網(wǎng)絡(luò)如此繁多，對于運營商和用戶來說不見得完全是一件好事。對于用戶來說，必須攜帶若干個不同的無線通信終端才能保證在不同的環(huán)境中保持通暢的信息服務(wù)；而對運營商來說則需要建立不同的“無所不在”的網(wǎng)絡(luò)提供給用戶。這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)維護費用的劇增和平均收益的降低。因此，保持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間漫游和通信就是一件非常緊急的需求。慶幸的是，很多通信專家們注意到了這個問題。IEEE 802.21工作組就致力于用標(biāo)準(zhǔn)的形式將異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間無縫切換進行規(guī)范，以消除未來可能的混亂狀態(tài)，達到運營商和用戶的雙贏。

　　不同類型的802網(wǎng)絡(luò)有不同的媒體訪問控制(MAC)。高層移動性管理協(xié)議，例如Mobile IP也可以支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換。但是Mobile IP把下層網(wǎng)絡(luò)視作透明，沒有從802網(wǎng)絡(luò)搜集有關(guān)底層網(wǎng)絡(luò)情況等相關(guān)信息的途徑。因此，把Mobile IP用作漫游的方式存在網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)時延等問題，會造成持續(xù)幾秒的中斷。這對于電信級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來說是難以忍受的。因此，有必要在二層協(xié)議和三層協(xié)議之間開發(fā)一套與媒質(zhì)無關(guān)的切換技術(shù)來提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換服務(wù)。

　　IEEE工作組于2003年開始討論有關(guān)“媒質(zhì)獨立切換業(yè)務(wù)(Media-independent Handover Services)”標(biāo)準(zhǔn)的需求，于2004年3月正式開始運轉(zhuǎn)，并于2004年9月開始征集有關(guān)提案。預(yù)計今年將會有第一版的草案發(fā)布。

　　4.2　協(xié)議結(jié)構(gòu)

　　在802.21標(biāo)準(zhǔn)中，假設(shè)移動節(jié)點(MN，Mobile Node)為多模節(jié)點，可以支持以下多個網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)：

　　◆基于有線類型，如以太網(wǎng)的802.3標(biāo)準(zhǔn)；

　　◆IEEE 802.xx家族：802.11、802.15、802.16、802.20；

　　◆其他的蜂窩通信的空中無線接口：3GPP、3GPP2。

　　在802標(biāo)準(zhǔn)家族中的切換有802.3、802.11、802.16異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換以及802.11網(wǎng)絡(luò)之間通過ESS(Extend Service Set)的切換。標(biāo)準(zhǔn)也提供802標(biāo)準(zhǔn)和非802蜂窩網(wǎng)絡(luò)(如3GPP和3GPP2)之間的快速切換方法，主要有802.3/802.11/802.16與蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的切換。2.5層在各標(biāo)準(zhǔn)的MAC之上，并將各種不同的MAC層向上統(tǒng)一為一個接口。2.5層從二層獲得觸發(fā)事件或者信息來完成不同的切換進程。2.5層對物理層和MAC層以及上層實體，如Mobile IP，都分別定義了業(yè)務(wù)接入點(SAP，Service　Access Point)。2.5層為上層業(yè)務(wù)監(jiān)視和控制不同鏈路層的狀態(tài)。

　　4.3　功能需求

　　IEEE 802.21工作組致力于完成以下內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

　　(1)業(yè)務(wù)連續(xù)性(Service Continuity)

　　業(yè)務(wù)連續(xù)性要求在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和不同網(wǎng)絡(luò)之間切換時發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)要求提供無縫切換能力，即在切換時對會話無損的切換。

　　(2)應(yīng)用類型(Application Class)

　　對于實時業(yè)務(wù)、時延敏感/不敏感業(yè)務(wù)、盡力而為業(yè)務(wù)進行區(qū)分服務(wù)，并在各網(wǎng)絡(luò)之間完成映射。

　　(3)服務(wù)質(zhì)量(QoS)

　　由于各類網(wǎng)絡(luò)對QoS保障的機制不同，甚至有些網(wǎng)絡(luò)缺少Q(mào)oS保障機制，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)間切換的時候，有必要建立一套QoS映射機制以確保業(yè)務(wù)質(zhì)量。對于無法保證服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)可能會被降級處理。

　　(4)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)(Network Discovery)

　　2.5層協(xié)議應(yīng)通過下層協(xié)議觸發(fā)或獲取信息來協(xié)助高層完成網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)。

　　(5)網(wǎng)絡(luò)選擇(Network Selection)

　　在切換進程初始化的時候，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)當(dāng)可以提供網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)選擇，其中包括獲得不同網(wǎng)絡(luò)的鏈路接入和使用信息、鏈路質(zhì)量、開銷、安全機制、供應(yīng)商信息等。

　　(6)安全性(Security)

　　標(biāo)準(zhǔn)需要對不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性提供一套映射的方法。單項接入技術(shù)的安全性需要得到保證而不會因為切換的發(fā)生得到損失。

　　(7)電源管理(Power Management)

　　標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)掃描進程提供有效的電源管理方案。這就需要設(shè)計一個好的睡眠機制和切換機制。

5、結(jié)束語

　　基于固定無線接入技術(shù)的802.16-2004已經(jīng)發(fā)布，人們也在企盼著加入了移動性支持的802.16e的推出。此外，802.16還需要經(jīng)歷大規(guī)模組網(wǎng)的考驗，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運營模式、網(wǎng)絡(luò)融合等方面還需要做進一步的研究。

　　未來的無線通信世界是一個多網(wǎng)并存，相互補充相互競爭的世界，以WiMAX技術(shù)為代表的寬帶無線接入技術(shù)受到眾多廠商和運營商的青睞，為其奠定了良好的發(fā)展基礎(chǔ)。我們相信，在未來多網(wǎng)并存的無線通信世界，各網(wǎng)之間要有一個讓用戶滿意的配合，WiMAX與3G、B3G、Wi-Fi技術(shù)的融合將更加引人注目。