摘要 文章對(duì)當(dāng)前前沿的無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)(IEEE 802.16、802.20、802.21)進(jìn)行了概要介紹,并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展進(jìn)行了深入分析,最后得出未來(lái)移動(dòng)通信融合趨勢(shì)的推斷。
1、多彩的無(wú)線移動(dòng)通信世界
近年,無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,移動(dòng)通信給人們的生活方式帶來(lái)了深刻的變革。人們?cè)隗w驗(yàn)著第二代移動(dòng)通信帶來(lái)的便利的同時(shí),張開(kāi)懷抱滿(mǎn)懷信心的迎接第三代移動(dòng)通信的到來(lái)。同時(shí),在無(wú)線通信技術(shù)世界里,國(guó)際電子與電氣工程師協(xié)會(huì)發(fā)布的IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)為無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。IEEE 802.11、802.15、802.16、802.20、802.21等工作組提供了從個(gè)域網(wǎng)、局域網(wǎng)到城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)各個(gè)范疇上的無(wú)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(wú)疑問(wèn),因特網(wǎng)是20世紀(jì)人類(lèi)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(guò)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(shí),人們也產(chǎn)生了隨時(shí)隨地不受限制的使用互聯(lián)網(wǎng)的需求。這種移動(dòng)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(tái)。
無(wú)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(lái)網(wǎng)絡(luò)共存與融合發(fā)展埋下了伏筆。我們可以說(shuō),多技術(shù)共存在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是必然存在的,它們共同創(chuàng)建美好的無(wú)線通信的世界。同時(shí),在各自的演進(jìn)過(guò)程中,它們相互補(bǔ)充、相互競(jìng)爭(zhēng)、互相推動(dòng),最終走向相互融合。
2、WiMAX:一種走向移動(dòng)的無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)
2.1 WiMAX技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介
WiMAX無(wú)疑是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域最熱門(mén)的話(huà)題之一。光纖骨干網(wǎng)傳輸速率達(dá)Tb/s,局域網(wǎng)傳輸速率也達(dá)到百兆bit/s。相比之下,無(wú)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(guò)2Mb/s。無(wú)線接入網(wǎng)的傳輸速率已經(jīng)成為制約無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的切切實(shí)實(shí)的瓶頸。IEEE 802.16-2004系統(tǒng)覆蓋的范圍最大可達(dá)50公里,可提供最高達(dá)70Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率,802.16e還支持車(chē)速移動(dòng)下的數(shù)據(jù)通信。這是一個(gè)非常吸引人的技術(shù),給人們推廣無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)了很大的想象空間。WiMAX系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、實(shí)施成本低廉、保證QoS服務(wù)等優(yōu)點(diǎn),因而受到眾多通信設(shè)備廠家和運(yùn)營(yíng)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(dòng)了WiMAX技術(shù)商用化進(jìn)程。2005年被稱(chēng)為“WiMAX起跑年”。今年,WiMAX產(chǎn)品測(cè)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(chǎng),加入到日益激烈的無(wú)線通信市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中去。加入了移動(dòng)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(shí)現(xiàn)便攜式應(yīng)用。2007年,手機(jī)中將內(nèi)置802.16e芯片,實(shí)現(xiàn)全移動(dòng)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(dòng)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(diǎn)回傳、小區(qū)寬帶接入和企業(yè)T1接入等場(chǎng)景中,典型應(yīng)用包括VoIP、視頻會(huì)議、互動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)游戲、視頻點(diǎn)播、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作等。通過(guò)部署WiMAX系統(tǒng),用戶(hù)可以極大的降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本并獲得滿(mǎn)意的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這對(duì)于大部分xDSL業(yè)務(wù)沒(méi)有到達(dá)的地區(qū)會(huì)形成較大的市場(chǎng)沖擊。同時(shí),在具有移動(dòng)性支持的802.16e實(shí)施后,WiMAX在包括發(fā)達(dá)地區(qū)的無(wú)線寬帶接入市場(chǎng)上也是頗具競(jìng)爭(zhēng)力的。
WiMAX標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定點(diǎn)到多點(diǎn)(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(gè)基站下連若干個(gè)用戶(hù)站,向上通過(guò)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(kāi)創(chuàng)性的將網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh)技術(shù)納入到標(biāo)準(zhǔn)中來(lái),作為可選的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在mesh模式下,WiMAX用戶(hù)可以通過(guò)相鄰的其他用戶(hù)節(jié)點(diǎn),以多跳的方式連接到骨干網(wǎng)。
Mesh網(wǎng)絡(luò),也稱(chēng)多跳網(wǎng)絡(luò),是一種在無(wú)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(hào)從一個(gè)設(shè)備傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的用戶(hù)節(jié)點(diǎn)不僅可以作為mesh網(wǎng)絡(luò)客戶(hù)端,同時(shí)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(gè)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(wú)中心,自組織自管理的。而在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中,相對(duì)用戶(hù)節(jié)點(diǎn)存在基站這個(gè)和核心網(wǎng)接入的“中心”。同時(shí),在802.16 2004標(biāo)準(zhǔn)中,用戶(hù)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(zhuān)有化實(shí)施方案。這些專(zhuān)有化方案可將標(biāo)準(zhǔn)Wi-Fi的幾百英尺覆蓋限制擴(kuò)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(shí)現(xiàn)一些城市的全城Wi-Fi接入,如美國(guó)新墨西哥洲的Rio Rancho市。IEEE 802.11s工作組已開(kāi)始致力于Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化,預(yù)計(jì)于2007年獲得批準(zhǔn)。
在WiMAX系統(tǒng)中使用無(wú)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(dòng)WiMAX用戶(hù)的普及。在網(wǎng)絡(luò)邊緣地帶或有遮擋的情況下可以達(dá)到擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的目的。當(dāng)然,無(wú)線mesh技術(shù)也同樣帶來(lái)諸如動(dòng)態(tài)資源分配、無(wú)線路由、網(wǎng)絡(luò)安全等問(wèn)題。目前,無(wú)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(huì)給WiMAX技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)積極的影響。
3、Mobile-Fi:鋪就通往未來(lái)移動(dòng)通信之路
3.1 IEEE 802.20簡(jiǎn)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(jì)初衷就在于與傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。IEEE 802.20規(guī)范全稱(chēng)為移動(dòng)寬帶無(wú)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(tái),建立基于真正開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)而不是專(zhuān)有的寬帶無(wú)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(dòng)業(yè)務(wù)平臺(tái)的另一個(gè)解決方案,是一種可以和IMT2000、3G和2.5G平臺(tái)媲美的廣帶移動(dòng)接入技術(shù)。
802.20系統(tǒng)運(yùn)行在3.5GHz以下授權(quán)頻段,在時(shí)速250公里的情況下,可實(shí)現(xiàn)下行1Mb/s的移動(dòng)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(dòng)的環(huán)境中。
工作頻帶越低,無(wú)線信號(hào)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(jì)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(kāi)現(xiàn)有無(wú)線通信頻段,見(jiàn)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(dòng)通信頻帶內(nèi)工作。IEEE 802.20技術(shù)參數(shù)如表1所示:
[table]
技術(shù)參數(shù) | |
無(wú)線類(lèi)型 | 移動(dòng)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(dòng)性 | 250km/hr-ITU-R M.1034-1 |
單用戶(hù)最小峰值速率(下行) | 1mb/s |
單用戶(hù)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 |
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(dòng)通信的,而不是從固定無(wú)線接入系統(tǒng)修改來(lái)適應(yīng)移動(dòng)通信系統(tǒng)。
3G系統(tǒng)對(duì)以往的電路交換進(jìn)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(shí)頻譜效率必然很低。在沒(méi)有引入增強(qiáng)型3G系統(tǒng)的支持時(shí),用戶(hù)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(jìn)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(zhǎng)。短時(shí)間內(nèi)無(wú)法對(duì)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(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)技術(shù)在各自的形成發(fā)展過(guò)程中必然形成相互競(jìng)爭(zhēng)相互推動(dòng)的局面。
表2列出了802.20與2G/3G的主要差異。
[table]
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(shí)延 | 低 | 高 | 高 | 高 |
類(lèi)型 | 對(duì)稱(chēng)移動(dòng) | 非對(duì)稱(chēng)移動(dòng) | 非對(duì)稱(chēng)移動(dòng) | 非對(duì)稱(chēng)移動(dòng) |
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 |
4、IEEE 802.21:融合,迎來(lái)泛網(wǎng)時(shí)代
4.1 IEEE 802.21簡(jiǎn)介
無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)如此繁多,對(duì)于運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)來(lái)說(shuō)不見(jiàn)得完全是一件好事。對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō),必須攜帶若干個(gè)不同的無(wú)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(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)則需要建立不同的“無(wú)所不在”的網(wǎng)絡(luò)提供給用戶(hù)。這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)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(zhuān)家們注意到了這個(gè)問(wèn)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(wú)縫切換進(jìn)行規(guī)范,以消除未來(lái)可能的混亂狀態(tài),達(dá)到運(yùn)營(yíng)商和用戶(hù)的雙贏。
不同類(lèi)型的802網(wǎng)絡(luò)有不同的媒體訪問(wèn)控制(MAC)。高層移動(dòng)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(méi)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(shí)延等問(wèn)題,會(huì)造成持續(xù)幾秒的中斷。這對(duì)于電信級(jí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來(lái)說(shuō)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(kāi)發(fā)一套與媒質(zhì)無(wú)關(guān)的切換技術(shù)來(lái)提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換服務(wù)。
IEEE工作組于2003年開(kāi)始討論有關(guān)“媒質(zhì)獨(dú)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(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),并于2004年9月開(kāi)始征集有關(guān)提案。預(yù)計(jì)今年將會(huì)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(dòng)節(jié)點(diǎn)(MN,Mobile Node)為多模節(jié)點(diǎn),可以支持以下多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn):
◆基于有線類(lèi)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(wú)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(guò)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(gè)接口。2.5層從二層獲得觸發(fā)事件或者信息來(lái)完成不同的切換進(jìn)程。2.5層對(duì)物理層和MAC層以及上層實(shí)體,如Mobile IP,都分別定義了業(yè)務(wù)接入點(diǎn)(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(shí)發(fā)生。標(biāo)準(zhǔn)要求提供無(wú)縫切換能力,即在切換時(shí)對(duì)會(huì)話(huà)無(wú)損的切換。
(2)應(yīng)用類(lèi)型(Application Class)
對(duì)于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、時(shí)延敏感/不敏感業(yè)務(wù)、盡力而為業(yè)務(wù)進(jìn)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(lèi)網(wǎng)絡(luò)對(duì)QoS保障的機(jī)制不同,甚至有些網(wǎng)絡(luò)缺少Q(mào)oS保障機(jī)制,在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)間切換的時(shí)候,有必要建立一套QoS映射機(jī)制以確保業(yè)務(wù)質(zhì)量。對(duì)于無(wú)法保證服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò),業(yè)務(wù)可能會(huì)被降級(jí)處理。
(4)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)(Network Discovery)
2.5層協(xié)議應(yīng)通過(guò)下層協(xié)議觸發(fā)或獲取信息來(lái)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(jìn)程初始化的時(shí)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(kāi)銷(xiāo)、安全機(jī)制、供應(yīng)商信息等。
(6)安全性(Security)
標(biāo)準(zhǔn)需要對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性提供一套映射的方法。單項(xiàng)接入技術(shù)的安全性需要得到保證而不會(huì)因?yàn)榍袚Q的發(fā)生得到損失。
(7)電源管理(Power Management)
標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)掃描進(jìn)程提供有效的電源管理方案。這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)好的睡眠機(jī)制和切換機(jī)制。
5、結(jié)束語(yǔ)
基于固定無(wú)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(dòng)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(yàn),其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)模式、網(wǎng)絡(luò)融合等方面還需要做進(jìn)一步的研究。
未來(lái)的無(wú)線通信世界是一個(gè)多網(wǎng)并存,相互補(bǔ)充相互競(jìng)爭(zhēng)的世界,以WiMAX技術(shù)為代表的寬帶無(wú)線接入技術(shù)受到眾多廠商和運(yùn)營(yíng)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(lái)多網(wǎng)并存的無(wú)線通信世界,各網(wǎng)之間要有一個(gè)讓用戶(hù)滿(mǎn)意的配合,WiMAX與3G、B3G、Wi-Fi技術(shù)的融合將更加引人注目。