第四代移動多媒體通信的演進

摘要　從第二代、第三代移動通信的演進和多媒體數(shù)據(jù)通信的演進兩個方面，闡述了無線寬帶多媒體通信的進展，上述兩方面的演進相結合產(chǎn)生了一個新的通信概念？移動寬帶系統(tǒng)或稱為第四代移動多媒體通信(MMC)。MMC能夠把遠景應用、新的用戶接口、數(shù)據(jù)壓縮、適合移動用戶的協(xié)議和向用戶提供足夠帶寬的傳輸技術等很好地結合起來。重點介紹了MMC項目在有關應用、用戶接口和透明性、壓縮、傳輸協(xié)議及無線寬帶傳輸?shù)?個方面的研究成果。

關鍵詞　全球移動通信系統(tǒng)，移動多媒體通信，多媒體數(shù)據(jù)通信，移動寬帶系統(tǒng)，演進

1、蜂窩移動通信系統(tǒng)的演進

　　第一代蜂窩移動通信系統(tǒng)(1G)早在20世紀80年代就已建成，1G主要基于蜂窩結構組網(wǎng)，直接使用模擬語音調制技術，傳輸速率約2.4kbit/s，不同國家采用不同的工作系統(tǒng)。

　　隨著微電子技術的發(fā)展，利用便攜式移動設備通過無線信道可進行全數(shù)字通信，基于此，第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)應運而生。全球移動通信系統(tǒng)(GSM)現(xiàn)已上升為歐洲標準，并成為世界主要移動通信系統(tǒng)，為7 000多歐洲用戶提供服務，在世界110多個國家已建200多個GSM網(wǎng)，為1億多用戶服務。在世界范圍內，伴隨固定網(wǎng)業(yè)務的快速發(fā)展和通信技術的進步，移動和無線市場正經(jīng)歷著史無前例的增長�，F(xiàn)在人們面臨兩種可能選擇：一是GSM演進，二是引入第三代移動通信系統(tǒng)(3G)。

　　1.1　GSM的演進

　　GSM初始的傳輸速率為9.6kbit/s，若對防差錯碼性能進行改進，則可增加到14.4kbit/s 。高速電路交換數(shù)據(jù)(HSCSD)采用時分多址(TDMA)技術，將每個物理信道分成幾個時隙，每個時隙的傳輸速率可高達144kbit/s，并能將200 kHz載波內的3個時隙合并，形成高速數(shù)據(jù)傳輸信道。HSCSD可提供高達64kbit/s的原始數(shù)據(jù)速率(用戶數(shù)據(jù)速率為38.4 kbit/s)。在GSM網(wǎng)絡中，無須改變基站任何硬件設備，僅通過軟件升級即可達到上述速率。HSCSD實時性好，適合傳送對時延特性要求極高的大量數(shù)據(jù)。

　　通用分組無線業(yè)務(GPRS，也稱GSM2+)，通過分組分配無線資源將數(shù)據(jù)速率提高到164kbit/s。它以分組方式在GSM網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)和信令，即只在實際傳送和接收時才使用無線資源，從而提高了無線信道利用率。GPRS按需動態(tài)占用資源，頻譜利用率高，特別適合傳輸各種突發(fā)性強的應用。由于HSCSD和GPRS均需要優(yōu)先的、專用的、特殊的無線信道，二者之間不可能進行平滑升級。

　　GSM演化的改進數(shù)據(jù)率GSM服務(EDGE)，也稱進化的GSM，EDGE能對原先的系統(tǒng)進行很好的改進。EDGE技術主要用于GSM和北美的數(shù)字高級移動電話系統(tǒng)(D-AMPS)等現(xiàn)有的數(shù)字網(wǎng)絡。EDGE基于高水平調制技術，信道調制為8 PSK(相移鍵控)，從而可以將單時隙傳輸速率提高到48kbit/s。若上/下行信道集中8個時隙傳送，則每個方向都可達到384kbit/s的最高傳輸速率。

　　1.2　移動通信系統(tǒng)的匯聚--3G

　　目前的移動通信系統(tǒng)可分為無繩電話、蜂窩移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、無線尋呼和專用移動無線系統(tǒng)5個部分，這5部分現(xiàn)在都包括在一個公共系統(tǒng)即通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)中。

　　第一代和第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)都是在1G頻譜范圍內使用。當然，一旦早期分配的頻譜資源不能滿足要求，可以向更高頻率擴展�，F(xiàn)在無線電管理局將新的2GHz區(qū)間頻譜分配給移動通信使用。

　　當初設計是在任何環(huán)境和低速運動情況下，在2GHz頻段內傳輸，傳輸速率為2Mbit/s。但在很大范圍內提供業(yè)務時，速率僅為144kbit/s-384kbit/s，144kbit/s是任何條件下都可以達到的最小速率。UMTS必須支持移動速率高達500 km/h的用戶業(yè)務。在本地移動情況下，到2005年，數(shù)據(jù)速率將可以達到10Mbit/s。

2、多媒體數(shù)據(jù)通信

　　多媒體通信是指能用多種方法提供信息的通信，即文本、數(shù)據(jù)、圖形、動畫制作、圖像、聲音、語音和靜止或運動視頻等信息相結合的通信。在定義多媒體通信時，令人關注的特性是不同應用中媒體的靈活性和不同通信對象之間交互作用的可能性。

　　在移動電話發(fā)生變化的同時，局域網(wǎng)也在變化，這種變化使向用戶分配各種無線業(yè)務成為可能，局域網(wǎng)(LAN)也向能夠提供多媒體業(yè)務的無線局域網(wǎng)(WLAN)方向發(fā)展。為了發(fā)展作為下一代WLAN的高性能WLANHIPERLAN 2，必須發(fā)展寬帶無線接入網(wǎng)絡(BRAN)。

　　在無線通信中，家用射頻或藍牙等其他通信技術也正在發(fā)展。

　　為了在PC與家用電器之間建立無線數(shù)字通信規(guī)范，1998年成立了家用射頻工作小組(HRFWG)。家用射頻(HRF)這種新通信系統(tǒng)的靈活性和移動性強，并且能使不同制造商制造的家用電器之間交互作用。一種新的共享無線接入?yún)f(xié)議(SWAP)正在發(fā)展。家用射頻系統(tǒng)用于傳輸語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，并與公用交換電話網(wǎng)(PSTN)和Internet交互作用。HRF工作在2.4 GHz頻段，使用數(shù)字跳頻擴頻，既支持提供交互作用的語音傳輸TDMA業(yè)務和其他時限業(yè)務，也支持高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸в斜苊鉀_突的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA/CA)業(yè)務。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為lMbit/s或2Mbit/s，使用2FSK或4FSK調制，每個網(wǎng)絡可支持127個用戶設備。

　　藍牙技術是一種低功耗無線技術，是無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它提供低成本、近距離的無線通信，目標是取代現(xiàn)有PC、打印機、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿和移動電話等設備上的有線接口，隨時隨地用無線接口代替有線電纜連接。藍牙技術工作在不須執(zhí)照全球通用的2.45 GHz工業(yè)、科學和醫(yī)學(ISM)頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit/s，使用跳頻擴展頻譜，在2.402GHz-2.480GHz內共有79個信道可供跳頻使用，信道間隔均為1 MHz。

　　多媒體數(shù)據(jù)通信和移動電話正在同步發(fā)展，未來通信系統(tǒng)即所謂的“移動多媒體通信”將采用新的概念和技術。

3、關于第四代移動通信系統(tǒng)（4G）

　　只有在3G變成現(xiàn)實后，才會有第四代、第五代等未來各代移動通信系統(tǒng)。3G能否成功引入，關鍵在于向用戶提供的服務與這些服務的價格能否很好地協(xié)調。

　　1992年-1995年期間，歐洲提出移動寬帶系統(tǒng)(MBS)項目，該項目是歐洲先進通信研究和發(fā)展(RACE)項目中的一部分。MBS目標是在移動多媒體通信中，制定高移動性和高數(shù)據(jù)率的未來室外蜂窩設想方案。雖然歐洲無線通信局已考慮了新業(yè)務的頻譜需要，但到目前為止尚未開展標準化工作。

4、移動多媒體通信項目

　　4G需要創(chuàng)新的觀念，但通過對現(xiàn)有系統(tǒng)進行優(yōu)化增強仍未找到所需概念。在歐洲的移動多媒體通信項目中，對用戶方面已給予足夠重視。移動多媒體通信項目在以下5個研究領域取得了一些研究成果。

　　4.1　應用：工作協(xié)調

　　多媒體被認為最適合非標準工作情況。非標準工作情況是指專業(yè)人員遇到不能用已知方法或因專業(yè)人員缺乏某些專業(yè)知識而不能解決的復雜問題。這些情況主要出現(xiàn)在緊急服務、醫(yī)療救濟和災難處理中。到目前為止，醫(yī)療救護業(yè)務和光復印機的維護及修理這兩個研究領域已取得很大成果。

　　4.2　用戶接口和透明性

　　根據(jù)現(xiàn)有技術，從一個局到另一個局的通信相當容易。然而，當希望通信的對方較遠時，距離遠和基礎設施不足有可能降低它們之間的通信效果。通過移動視頻傳輸系統(tǒng)提供實際連接時，若采用具有可佩戴設備(如頭盔式顯示器)的計算機，則很有潛力改進這種情況。在MMC項目中提供的頭盔式顯示器能透明地提供真實信息，提出透明信息意味著考慮了經(jīng)歷過的真實信息的特性和頭盔式顯示器的接受特性。當在預測領域的任何部分不能提供真實信息時，就必須解決透明性問題。

　　4.3　壓縮

　　在誤碼率非常低的傳輸信道中，大多數(shù)壓縮方法表現(xiàn)得十分完美；但即使在誤差比較規(guī)則的無線信道中，許多壓縮方式卻表現(xiàn)得不盡如人意。比特率極低的壓縮不是主要目的，為了完成強烈依靠上下文的任務，要重點保證質量足夠好。因此，在無線通信中，降低比特率是重要的，但不是最重要的目標。更重要的是在MPEG-4多媒體應用中，借助視頻分析工具，盡可能使壓縮(與傳輸系統(tǒng)合作)最大限度地減少無線信道中的誤碼率問題。

　　信源編碼研究工作已在以下兩個領域開展，并建出了兩種技術：

　　a)移動視頻通信中的低碼速運動圖像編碼標準H.263，在MMC項目中提出的這種技術基于lTU H.263推薦的高壓縮方法。視頻信源編碼的基本結構包含關于不同幀編碼的參考幀和提高在作為不可靠的被檢測宏塊編碼中的可能性兩個部分。

　　b)視頻對象的波行壓縮：在傳輸過程中難免會發(fā)生誤差，所以壓縮必須足以減少誤差。現(xiàn)已提出結合極坐標和離散余弦變換的等高線編碼技術。

　　4.4　傳輸協(xié)議

　　在所有開放系統(tǒng)互連(OSI)層中，采取各種措施解決無線信道中的不利因素。根據(jù)高層不必知道低層向高層提供業(yè)務的方法，很難保持OSI處于理想狀況。在鏈路層，可以通過前向糾錯和自動請求重發(fā)，減少傳輸誤差，但會出現(xiàn)時延并影響高層性能表現(xiàn)。在MMC項目中，分層協(xié)議結構能夠對移動多媒體通信中的各種業(yè)務流量提供不同的服務質量(QoS)。分層結構體系是通過混合的時分復用/頻分復用(TDM/FDM)技術實現(xiàn)，在TDM/FDM技術中，幀(最大的數(shù)據(jù)單元)由包、小片段和無線數(shù)據(jù)單元組成。根據(jù)分配帶寬和調制及編碼技術已取得的進展，分層處理使未來擴展變得更容易。

　　更進一步的工作是完成在虛擬蜂窩網(wǎng)(VCN)中能提供將多個接收機數(shù)據(jù)結合起來的通信系統(tǒng)。VCN采用虛擬小區(qū)結構，定義為預定大小的區(qū)域并實際上在移動臺周圍形成�；�本思想是多個基站可以接收同一個移動臺信息，反之亦然，多個基站能夠將數(shù)據(jù)傳送往同一移動臺。一般認為，虛擬小區(qū)概念在很大程度上增強了傳輸質量。

　　MMC項目提供了一個VCN，用來連接基站和移動用戶。這意味著在每個時刻每個工作的移動臺都能與多個基站保持聯(lián)系。高速蜂窩網(wǎng)絡測試正在進行，該測試由工作在2.4GHz的射頻和低功率處理單元進行。通過平行放置多個單元可獲得高達25Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

　　4.5　無線寬帶傳輸

　　未來移動通信系統(tǒng)主要由室內外環(huán)境下提供的不均勻寬帶業(yè)務和變化速率的移動性決定，由于這些不均勻通信業(yè)務變得越來越復雜和多媒體的引入，使被交換的信息總量不斷增加。根據(jù)移動業(yè)務情況可知，阻礙信息社會實現(xiàn)的原因之一取決于可得到的頻譜資源。近年來，由于頻譜資源的缺乏和新技術的出現(xiàn)，現(xiàn)在整個世界都把注意力集中到毫米波段，在MMC項目中是中心傳輸頻率為60GHz的V波段(40 GHz-75 GHz)。標準已得到發(fā)展，相關技術亦已提出，措施正在實施，并成功建立了信道模擬器。調制系統(tǒng)選用正交頻分復用(OFDM)技術，該技術的特長是處理多徑接收問題。近來，關于OFDM的研究，涉及到先進的同步規(guī)則系統(tǒng)和非線性功率放大器的影響。