无线城市关键技术及发展策略分析

1 引言

无线城市的概念源于WiFi技术（802.11b），初衷是作为有线的延伸，实现固定的无线互联网接入，随着无线接入技术的不断发展和人们对城市信息化的认识的不断深入，无线城市已经发展到以宽带移动互联网为基础通信介质，结合用户的基本属性（身份、习惯、喜好等），为随时随地为市政服务、医疗、旅游、个人生活等方面提供多种增殖服务。

在现实世界中，无线城市的概念方兴未艾，但是实际部署却差强人意，2007年，美国各大城市开展的无线城市计划在仅仅风靡了2年后沦为鸡肋，美国多个城市宣布取消或者暂停该计划。到底是什么原因造成了技术先进、关注度高、应用前景美好的无线城市遭遇冷落？本文试图从驱动技术的关键需求出发，结合关键技术的发展，给出解释，并在此技术上，对于无线城市未来的发展，给出自己的观点。

2 无线城市关键技术分析

随着WiFi无线局域网的诞生，尤其是802.11b系列的通信芯片植入Intel的CPU中，使得无线上网成为可能，也催生了"无线城市"的需求。人们已经不满足与固定场所的办公上网、分享信息，政府部门也希望能更有效的组织信息资源，更好的服务于广大市民。于是，以IT界主导的无线接入技术逐渐由无线局域网向各个层面扩展，向上扩展到无线局域网、无线城域网、无线广域网，向下还有无线个域网，同时，积极吸纳CT行业的先进技术和经验，增强了网络的可运营可调度的能力，全方位、多层次的覆盖各类通信需求。

可以说，无线城市中的技术是源于IT界，以WiFi，WiMAX等技术为代表，并吸取了CT界以IMT-2000，IMT-Advanced为代表的成熟经验和技术的基础上，IT与CT融合的产物，下面就有针对的选取主要关键技术点进行论述。

关键技术点

图1 无线城市中的关键技术点

为了便于阐述，下面就自下而上按照物理层、MAC层和网络层选取部分关键技术进行论述。

1) 物理层

OFDM：正交频分复用，是一种调制技术，其核心是通过将较宽的信号带宽划分成若干正交的自信道，并使自信道的带宽小于信道的相关带宽，并通过引入定时偏差（频域的CP）使得信号在保护时间间隔内变化而不致引起子载波间干扰（ICI）和符号间干扰（ISI）从而有效对抗多径效应，使得非视距传输大容量信号成为可能。

OFDMA：基于OFDM调制的多址方式，可用于下行。通过对OFDM调制信号进行灵活的子载波分配（如：相邻子载波分配和分布式子载波分配）满足不同的应用场景的需求，如，在固定或游牧的应用场景下，采用乡里子载波分配方式可以使得个别子信道具备较高的信噪比；而分布式子载波分配方式可以使得子载波分散在整个频带，虽然不会出现非常好或非常差的信道环境，但是比较适用与具备一定移动性的应用场景。根据子载波的信噪比，在不同子载波上采用不同的调制编码方式，可以尽可能提高信道的利用率。

GMC：即广义多载波，是针对上行接入的多址方案，可以与OFDMA结合应用。采用逆滤波器组变换(IFBT)实现频分复用和频分多址的方式，与OFDMA该方式具有较低的峰均比,并且能更有效的抵御上行用户间的定时和频率同步误差导致的多址干扰。其关键技术点如下：

l 复滤波器组变换理论及快速算法

l 基于DFT扩频的GMC多址方案

l 信号峰均比抑制方法

l 同步定时方法：频域保护子带和时域循环前缀

l 信道估计与均衡方法

2) MAC层

图2 MIMO基本原理图

MIMO：即多入多出，是利用多组分立的发射、接收天线的空间分集作用，将通信链路分解成为许多并行的子信道，以提高容量。从信息论的理论分析可知：在功率带宽受限的无线信道中，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而显著改善系统容量。当前业界MIMO的流行模式是2×2MIMO，MIMO的原理如上图2所示。

通过与OFDMA、智能天线（波束赋形）等关键技术相结合，能够最大限度的改善系统的容量和覆盖范围。

图3 无线Mesh组网方式示意图

Mesh：无线Mesh网络是一种高容量高速率的多点对多点网络，采用类似移动自组织网络（AdHoc）的多跳网络拓扑，通过引入中继站来扩展城域网基站的无线覆盖范围和增强局域网接入点的热点覆盖功能。其组网方式如上图3所示，其中的AdHoc网络和无线感知网络相当于分布式的无线Mesh网络。与物理层的OFDM、OFDMA、GMC等关键技术相结合，使得在非视距的无线传播环境下也能进行高速分组数据传输。MAC层采用集中式控制与分布式控制相结合的方式，以实现充分利用带宽和物理层先进技术的灵活高效的无线资源分配机制。

跨越物理层和MAC层的关键技术：软件无线电、智能天线、QoS。

l 软件无线电：软件无线电的基本思想是把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统，是一种用MAC层软件和物理层DSP器件相结合来实现物理层连接的无线通信方式。

l 智能天线：其核心是波束赋形技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等功能，既能改善信号质量又能增加传输容量。

l QoS：通过物理层的AMC、ARQ、HARQ等功能以及MAC层先进的调度算法，可以实现可以按不同业务流、不同连接等多种需求划分的质量保证机制。

3) 网络层

图4 基于智能节点重叠网的PureIP的核心网络

INON：即智能节点重叠网，它是覆盖在IP核心网上的传统的弹性重叠网（RON）技术与分布式哈希表（DHT）技术相结合的新型重叠网技术，主要包括自动组网、网络资源管理、路由优化等关键技术，以帮助接入网部分的各接入业务解决或优化在核心网上的数据传输和资源管理等方面的相关问题，如图上4所示。

PMIP：通过移动性管理模块中的PMIP机制，使得终端不需要移动IP客户端软件即可实现子网间切换，包括在不同的接入路由器之间、以及同一接入路由器的不同端口之间的子网间切换情形。

跨越MAC层和网络层的关键技术：二、三层切换和PMIP（代理MIP）。

l 子网间的快速切换技术：包括跨越不同子网间的切换判决算法和切换方式、切换和认证方式的配合、二层三层切换的整体性能优化策略等；

l 垂直切换技术：是异质网络之间的切换，技术关键点包括：切换度量的评估算法和切换策略；

技术发展趋势

图5 移动通信技术发展展望-未来无线城市的场景

从关键技术角度看，无线城市是IT界驱动的，以WiFi，WiMAX等技术为基础发展起来的；而从业务驱动的角度看，无线城市的目的是服务于市政、交通、医疗、旅游甚至安全等层面需求，通过强大的通信能力，为政府更好的服务于市民提供支撑。通过分析，不难发现，无线城市的客户层面是宽泛的，各层面的客户需求是有差异的，有侧重接入能力和速率的，有侧重移动性的，也有更看重安全的，为此，就需要一类技术，能够灵活的满足差异化的需求。而单纯应用IT界的技术，灵活由于但是安全性和可靠性不足；单纯应用CT界的技术，安全可靠、用户基础好但是成本高、灵活性差，因此，技术层面的融合是必然，笔者的观点是：在技术层面，ICT（IT+CT）是无线城市的基础。在关键技术分析章节，已经将无线城市所涵盖的主要关键技术进行了论述，未来无线城市的发展，必然有赖于上述技术的演进和完善，对于技术本身的发展趋势，不是本文的重点，笔者更关心的是在一定的系统层面，对无线城市中的宏观技术发展给出趋势的分析。

1) 全网IP化

图6 无线城市全网IP化示意图

未来的无线城市将是全网IP化，从核心网-接入网-用户设备均支持IP协议。从网络体系结构看，今后的无线城市核心网络更加卡开放、扁平化，便于网络能够更加直接地接入到IP网络。从具体协议层面看，核心网络必然将业务、控制和传输等分开，使核心网络的演进独立于各种具体的无线接入方案（空中接口标准），能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。

2) 泛在性（ubiquitous）

未来的无线城市将是一个泛在的网络，在多种技术体制的协作下，实现按需覆盖和接入，有针对性的为不同行业的用户提供特色服务，在无线城市中，服务的重点是整个城市辖区内的行业应用，而不是像2G、3G等公众系统一样的普遍服务。如上图5，通过HAPS和卫星通信，可以为城市管理提供应急通信、高精度的定位服务，通过2G（GSM）、3G（UMTS）的网络，结合ADSL等有线技术，可以为行业用户提供资源共享、协同的渠道，通过WiFi、Bluetooth、RFID等技术，可以在行业内部进行资源共享与管理等服务。

笔者认为：在未来的无线城市网络中，技术体制是多样的，提供业务是产异化的，但是基础设施和运维管理将是统一的。

3) 终端即计算

"网络即计算。"-SUN公司的名言

借用这一"名言"，笔者认为，"终端即计算"是未来无线城市中通信技术发展的另一重要趋势，随着集成制造能力的提升，20-30年的时间，移动终端已经由以米为单位缩小到以厘米为单位，大容量电池、日益增长的运算、存储能力使得相机、娱乐等功能可以轻易的集成到掌上型终端上。可以预见在不远的将来，随着终端制造的集成度、运算能力、能源提供进一步加强，终端将不但能够成为用户个人的娱乐、通信中心，而且能够成为运营商通信系统侧的一部分（系统接入边缘将向用户端推移），"分担"一定的系统运算、资源调度能力，使得通信服务的延伸不简单通过无休止的部署、优化基站节点来实现，而是通过用户之间的资源协调来辅助完成，这一概念，很类似于现在互联网上内容分发的P2P机制。笔者预计：系统的作用会逐渐弱化，取而代之的是终端在未来通信的演进中的作用日益增强。

4) 人机通信、机机通信将会得到蓬勃发展

在无线城市中，各通信系统的用户将不不止是人本身，机器、物品的比重将会逐渐增多。智能交通、各要素（人、物品、建筑等）的地理信息识别、物流管理、小额支付等等方面，主要的通信单元都是物品和机器，人的参与比例越来越小。随着RFID、无线传感器等技术、产品的日益成熟，餐饮、旅游等传统的服务业也会显著增加人机通信、机机通信的比重。

3 无线城市发展策略

基于上述技术层面分析，结合无线城市的业务需求，笔者认为：无线城市的需求和落脚点是政府，电信运营商、第三方运营服务提供商等都应该是参与者，应该将电信基础设施作为建设无线城市的既存基础加以充分利用，建设无线城市的重点并不是上新系统，而应该将重点放在互连、互通和网络演进上，这样可以避免大量的通信设施的重复建设。

借用业界专家的观点："无线城市是地方政府继自来水、电力、道路、下水道之外的第五项公共设施。"这是对无线城市定位焦贴切的诠释。发展好无线城市，需要跳出传统的电信运营的概念，而应该将无线城市作为一种广泛服务于通、国防、医疗、金融等领域基础设施加以规划和建设。简单的将固定宽带网络无线化，使其具备一定移动性，或者是将现有的2G、3G窄带网络宽带化，着眼于"管道运营"，而不去考虑各行业的差异化增值业务和各行业的共性支撑需求，这样的无线城市是没有存在价值的，其投资回报也是不成比例的。

技术上述认识，笔者看来，无线城市的发展应该从以下方面入手：

策略1：在提高和完善各行业信息化水平的基础上，做好顶层规划和设计，建设好基础数据平台和共性支撑平台。

MIS：ManagementInformationSystem

SIS：ServiceInformationSystem

RCIS：RegionalCollaborativeInformationSystem

图7 无线城市发展阶段示意图

无线城市的实质是城域的信息化，可以说信息化是内容，通信设施是形式，建设和发展无线城市的本质是建立城域范围内可协同的行业信息服务平台，是信息化平台的协同问题。

回顾行业信息化的历程，如图7所示，基本按照MIS，SIS和RCIS等三个阶段发展演进着，由最初的基于财务、行政为核心的管理信息系统（MIS）到以业务流程实现为核心的业务信息系统（SIS），未来即将发展到以行业信息系统相协同的区域协同信息系统（RCIS），笔者认为，RCIS就是无线城市的愿景和实现目标。为了实现协同，首先要使得被协同的各行业系统具备可供协同的基础，即可以共享的数据、相对规范的业务流程以及行业人员先进的管理水平，缺一不可；然后才是将这些信息孤岛的互连，创造新的协同业务，作为城市级的服务提供给广大市民。

为此，无线城市不是传统意义上单一的巨系统，而是由千差万别的行业信息系统相结合出来的复合型巨系统。建设和完善无线城市，需要从城市管理的高度出发，关注市民的基本属性、身份识别、信用机制、各要素的地理信息识别、各层面的安全机制（网络安全、内容安全、信息加密与身份认证等）等基础的共性问题着手，做好规划和设计，这样才能避免重复投资和走弯路。

策略2：无线城市的相关基础设施应该统一运营，以优化资源使用效率，保证整体服务质量。

无线城市是协同的综合信息服务平台，必然会构筑在多个运营商的通信系统上，甚至还会有第三方运营服务提供商的参与，从承载层面，网络的协同甚至融合是必然的。基于区域协同的业务势必需要通过多种制式的通信系统进行资源整合来为用户提供服务。如果由多家运营，尤其是多家之间还有一定的竞争关系，一方面会造成协同的服务质量和合作效率将很难达到最优；另一方面，会造成发展无线城市过程中的重复建设、重复投资现象。

为此，在无线城市的建设和发展过程中，有必要考虑增加"基础网络设施提供商"这样的角色，将电信运营商的基础通信资源和低附加值的维护部分资产进行整合、从主业剥离，并在此基础上为实现无线城市有针对性进行重点设施建设和资源维护。同时从效益、安全等各方面出发，增强国家监管的作用，逐步将基础网络设施提供商重新划归国有。电信运营商和其他服务提供商可以通过租赁的方式获得固定设施资源，并在此基础上通过不断推出各类无线城市增值应用和信息整合服务来获取利润。

策略3：要实现无线城市的可持续发展，节约能源是必须面对的问题。

纵观IT和CT行业的技术的发展，可以用"更高、更快、更强"来概括，即更高的系统能耗、更快的速率（更大的带宽、更快的处理速率）、更强大的网络（更安全、更可靠），正是在这一理念的指导下，仅用了30余年，移动通信产业从无到有，发展到数十亿用户，伴随着无线城市的诞生，通信类、消费电子类、甚至行业应用产品已经开始融合，更多的应用带来了更多的市场机遇和经济繁荣。但是在繁荣的背后，如何利用好能源，集约的发展这个产业的问题逐渐会引起人们的关注。

据IT行业统计，日常使用的计算机中，只有30%的能耗是直接服务于计算的，其余的70%能耗存在进一步降低的可能；在欧洲，很多国家都已经在居民家中安装能量消耗装置，用以给居民直观的每日能耗提示。包括我国在内的很多国家也积极地对风、水、甚至生物能源进行挖掘，以期可再生的使用能源。上述例子可以看出，节能、可持续耗能已经成为全球关注的重点议题，要实现无线城市的可持续发展，就有必要将如何节能，如何可持续的利用能源提到议事日程上来。以下几个想法正是笔者基于节能的认识，提供的几个观点：

l 优化管理流程和业务流程，更充分的利用协同的便利

l 新能源（风、水、太阳能、生物能等）的挖掘和新材料的运用

l 更有效的利用频谱资源：使用无线感知技术在已分配的频谱上进行频率复用；提高新系统的频谱效率

l 积极探索未来通信系统的节能方案：无源设备、覆盖范围的缩小、mesh、ad hoc组网方式、终端的休眠模式等。

4 结论

针对当前业界无线城市发展过程中，理论概念如火如荼，实际应用形同鸡肋的现象，笔者认为：这是由于在无线城市的商用部署之初，没有分析清楚无线城市的本质。其实，无线城市的实质是城域的信息化协同，即信息化是无线城市的内容，通信设施是无线城市的形式。建设和发展无线城市从根本上是建立城域范围内可协同的行业信息服务平台，是解决信息化平台的协同问题。在此，笔者试图通过一定的思索和分析，提出无线城市的发展趋势，给出无线城市的发展建议，希望能给大家以启发。