走向融合的无线移动通信技术

摘要　文章对当前前沿的无线移动通信技术(IEEE 802.16、802.20、802.21)进行了概要介绍，并对其中关键技术和市场发展进行了深入分析，最后得出未来移动通信融合趋势的推断。

1、多彩的无线移动通信世界

　　近年，无线移动通信技术取得了长足的发展，移动通信给人们的生活方式带来了深刻的变革。人们在体验着第二代移动通信带来的便利的同时，张开怀抱满怀信心的迎接第三代移动通信的到来。同时，在无线通信技术世界里，国际电子与电气工程师协会发布的IEEE 802系列标准为无线通信技术的发展做出了卓越的贡献。IEEE 802.11、802.15、802.16、802.20、802.21等工作组提供了从个域网、局域网到城域网、广域网各个范畴上的无线通信标准，并为网络融合统一提供了参考标准。

　　毫无疑问，因特网是20世纪人类最伟大的发明之一。它彻底的改变了人们获取信息的方式。经过多年发展，因特网已经成为人们生活必不可少的通讯工具。同时，人们也产生了随时随地不受限制的使用互联网的需求。这种移动数据业务需求为3G系统和802.xx系统提供了施展拳脚的舞台。

　　无线通信技术的发展呈现了百花齐放的繁荣景象。这一局面的形成和发展，为未来网络共存与融合发展埋下了伏笔。我们可以说，多技术共存在很长一段时间内是必然存在的，它们共同创建美好的无线通信的世界。同时，在各自的演进过程中，它们相互补充、相互竞争、互相推动，最终走向相互融合。

2、WiMAX：一种走向移动的无线城域网技术

　　2.1　WiMAX技术发展简介

　　WiMAX无疑是当前信息技术领域最热门的话题之一。光纤骨干网传输速率达Tb/s，局域网传输速率也达到百兆bit/s。相比之下，无线城域网的传输速率只有几百kb/s，3G系统在静止状态下传输速率也不过2Mb/s。无线接入网的传输速率已经成为制约无线互联网发展的切切实实的瓶颈。IEEE 802.16-2004系统覆盖的范围最大可达50公里，可提供最高达70Mb/s的数据传输率，802.16e还支持车速移动下的数据通信。这是一个非常吸引人的技术，给人们推广无线互联网应用带来了很大的想象空间。WiMAX系统具有标准开放、实施成本低廉、保证QoS服务等优点，因而受到众多通信设备厂家和运营商的欢迎，将是DSL和CATV等最后一公里接入技术的最大挑战。

　　2004年，全球第一块WiMAX芯片——“Rosedale”诞生，有力的推动了WiMAX技术商用化进程。2005年被称为“WiMAX起跑年”。今年，WiMAX产品测试中心已经先后建立，下半年将有商用化产品推出市场，加入到日益激烈的无线通信市场竞争中去。加入了移动性支持的IEEE 802.16e标志也将于2006年年初发布。2006年，802.16e的芯片将走入笔记本电脑，实现便携式应用。2007年，手机中将内置802.16e芯片，实现全移动式数据业务。这就是WiMAX从固定接入走向便携和移动应用的三步走战略。

　　2.2　WiMAX网络拓扑和网络应用

　　WiMAX可以应用在蜂窝网络基站回传、热点回传、小区宽带接入和企业T1接入等场景中，典型应用包括VoIP、视频会议、互动式网络游戏、视频点播、网络协同工作等。通过部署WiMAX系统，用户可以极大的降低网络建设成本并获得满意的网络服务。这对于大部分xDSL业务没有到达的地区会形成较大的市场冲击。同时，在具有移动性支持的802.16e实施后，WiMAX在包括发达地区的无线宽带接入市场上也是颇具竞争力的。

　　WiMAX标准规定点到多点(PMP)作为必须支持的网络拓扑结构。在这种结构下，每一个基站下连若干个用户站，向上通过BSC连到骨干网。这样就组成了传统的蜂窝网络结构。此外，IEEE 802.16工作组还开创性的将网状网(mesh)技术纳入到标准中来，作为可选的网络拓扑结构。在mesh模式下，WiMAX用户可以通过相邻的其他用户节点，以多跳的方式连接到骨干网。

　　Mesh网络，也称多跳网络，是一种在无线设备间高效传输数据的灵活的体系结构。网状网技术将信号从一个设备传递到另一个节点。网络中的用户节点不仅可以作为mesh网络客户端，同时也起到mesh网络中的路由器的作用。它和Ad hoc网络的一个最大的区别在于流量模型的不同。Ad hoc网络是完全无中心，自组织自管理的。而在无线mesh网络中，相对用户节点存在基站这个和核心网接入的“中心”。同时，在802.16 2004标准中，用户站是固定的，这也与Ad hoc网络极大不同。

　　目前Wi-Fi网状网络已有专有化实施方案。这些专有化方案可将标准Wi-Fi的几百英尺覆盖限制扩大到几英里以上。此外，性能也可以由54Mb/s限制提高到100Mb/s以上。网状网络已经用于实现一些城市的全城Wi-Fi接入，如美国新墨西哥洲的Rio Rancho市。IEEE 802.11s工作组已开始致力于Wi-Fi网状网络的标准化，预计于2007年获得批准。

　　在WiMAX系统中使用无线mesh技术，可以在网络建设初期降低WiMAX网络建设成本，推动WiMAX用户的普及。在网络边缘地带或有遮挡的情况下可以达到扩大网络覆盖范围的目的。当然，无线mesh技术也同样带来诸如动态资源分配、无线路由、网络安全等问题。目前，无线mesh网络吸引了研究者的关注，相信这种技术的采纳会给WiMAX技术的发展带来积极的影响。

3、Mobile-Fi：铺就通往未来移动通信之路

　　3.1　IEEE 802.20简介

　　IEEE 802.20工作组成立于2002年12月，其目标在于为IP业务制定出一套基于包的空中接口规范，设计初衷就在于与传统移动通信技术的竞争。IEEE 802.20规范全称为移动宽带无线接入系统(MBWA，Mobile Broadband Wireless Access)。标准的基本目标是提供全球统一平台，建立基于真正开放标准而不是专有的宽带无线接入系统的互操作性规范。该标准被认为是提供移动业务平台的另一个解决方案，是一种可以和IMT2000、3G和2.5G平台媲美的广带移动接入技术。

　　802.20系统运行在3.5GHz以下授权频段，在时速250公里的情况下，可实现下行1Mb/s的移动通信能力，可以应用在铁路、地铁以及高速公路、卫星通信等高速移动的环境中。

　　工作频带越低，无线信号的路径衰落越小，覆盖范围也越广。但是，目前低频段已经被卫星通信、集群通信等通信方式所占据，很难找到全球统一的大块空白频带。802.20计划工作于400MHz至3.5GHz的授权频带内。信道带宽采用1.25MHz或5MHz，因此它可以避开现有无线通信频段，见缝插针的在低频段工作。甚至，有研究者建议让802.20在已有的IMT2000移动通信频带内工作。IEEE 802.20技术参数如表1所示：

表1　IEEE 802.20技术参数
[table]

	技术参数
无线类型	移动广域网(Mobile WAN)
频率(授权频带)	400MHz-3.5GHz
信道带宽	1.25MHz,5MHz
双工方式	TDD,FDD
移动性	250km/hr-ITU-R M.1034-1
单用户最小峰值速率(下行)	1mb/s
单用户最小峰值速率(上行)	300kb/s
单小区最小峰值速率(下行)	4Mb/s
单小区最小峰值速率(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系统不同于802.16系列规范。802.20规范是完全基于移动通信的，而不是从固定无线接入系统修改来适应移动通信系统。

　　3G系统对以往的电路交换进行了继承。由于继续保持面向连接的结构，其支持突发式互联网数据业务时频谱效率必然很低。在没有引入增强型3G系统的支持时，用户使用3G数据业务的感受可能和2.5G系统差不多。802.20技术则不然，它采用“纯IP”的结构，从网络到终端全部使用基于IP的协议进行通信，包括体系结构的IP化、传输与业务的IP化和协议的IP化。纯IP的结构降低了网络复杂度和建设成本。

　　目前，802.20还处于草案制定阶段，要走的路还很长。短时间内无法对现有系统造成冲击。它的出现给WiMAX/3G系统造成一定的竞争压力。但是，技术是相通的。我们注意到802.20与802.16的关键技术在很多方面具有相似之处，因此，这两项技术在各自的形成发展过程中必然形成相互竞争相互推动的局面。

　　表2列出了802.20与2G/3G的主要差异。

表2　802.20与2G/3G系统的比较
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	802.20	GSM GPRS/EDGE	Cdma2000 1xRTT/EV-DO	UMTS
频段	＜3.5GHz授权频带	＜2GHz授权频带	＜3.5GHz授权频带	＜3.5GHz授权频带
LOS/NLOS	NLOS	NLOS	NLOS	NLOS
BW	1.25MHz分组	200KHz电路/分组	1.25MHz电路/分组	5MHz电路/分组
双工方式	TDD/FDD	FDD	FDD	FDD
调制方式	OFDM	GMSK-TDM	CDMA	CDMA
时延	低	高	高	高
类型	对称移动	非对称移动	非对称移动	非对称移动
电路交换/IP数据	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，迎来泛网时代

　　4.1　IEEE 802.21简介

　　无线通信网络如此繁多，对于运营商和用户来说不见得完全是一件好事。对于用户来说，必须携带若干个不同的无线通信终端才能保证在不同的环境中保持通畅的信息服务；而对运营商来说则需要建立不同的“无所不在”的网络提供给用户。这导致网络维护费用的剧增和平均收益的降低。因此，保持异构网络之间漫游和通信就是一件非常紧急的需求。庆幸的是，很多通信专家们注意到了这个问题。IEEE 802.21工作组就致力于用标准的形式将异构网络之间无缝切换进行规范，以消除未来可能的混乱状态，达到运营商和用户的双赢。

　　不同类型的802网络有不同的媒体访问控制(MAC)。高层移动性管理协议，例如Mobile IP也可以支持异构网络的切换。但是Mobile IP把下层网络视作透明，没有从802网络搜集有关底层网络情况等相关信息的途径。因此，把Mobile IP用作漫游的方式存在网络发现和网络时延等问题，会造成持续几秒的中断。这对于电信级的网络服务来说是难以忍受的。因此，有必要在二层协议和三层协议之间开发一套与媒质无关的切换技术来提供异构网络切换服务。

　　IEEE工作组于2003年开始讨论有关“媒质独立切换业务(Media-independent Handover Services)”标准的需求，于2004年3月正式开始运转，并于2004年9月开始征集有关提案。预计今年将会有第一版的草案发布。

　　4.2　协议结构

　　在802.21标准中，假设移动节点(MN，Mobile Node)为多模节点，可以支持以下多个网络接口标准：

　　◆基于有线类型，如以太网的802.3标准；

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

　　◆其他的蜂窝通信的空中无线接口：3GPP、3GPP2。

　　在802标准家族中的切换有802.3、802.11、802.16异构网络之间的切换以及802.11网络之间通过ESS(Extend Service Set)的切换。标准也提供802标准和非802蜂窝网络(如3GPP和3GPP2)之间的快速切换方法，主要有802.3/802.11/802.16与蜂窝网络之间的切换。2.5层在各标准的MAC之上，并将各种不同的MAC层向上统一为一个接口。2.5层从二层获得触发事件或者信息来完成不同的切换进程。2.5层对物理层和MAC层以及上层实体，如Mobile IP，都分别定义了业务接入点(SAP，Service　Access Point)。2.5层为上层业务监视和控制不同链路层的状态。

　　4.3　功能需求

　　IEEE 802.21工作组致力于完成以下内容的标准化工作。

　　(1)业务连续性(Service Continuity)

　　业务连续性要求在同一网络内部和不同网络之间切换时发生。标准要求提供无缝切换能力，即在切换时对会话无损的切换。

　　(2)应用类型(Application Class)

　　对于实时业务、时延敏感/不敏感业务、尽力而为业务进行区分服务，并在各网络之间完成映射。

　　(3)服务质量(QoS)

　　由于各类网络对QoS保障的机制不同，甚至有些网络缺少QoS保障机制，在发生网络间切换的时候，有必要建立一套QoS映射机制以确保业务质量。对于无法保证服务质量的网络，业务可能会被降级处理。

　　(4)网络发现(Network Discovery)

　　2.5层协议应通过下层协议触发或获取信息来协助高层完成网络的发现。

　　(5)网络选择(Network Selection)

　　在切换进程初始化的时候，标准应当可以提供网络的最优选择，其中包括获得不同网络的链路接入和使用信息、链路质量、开销、安全机制、供应商信息等。

　　(6)安全性(Security)

　　标准需要对不同网络系统的安全性提供一套映射的方法。单项接入技术的安全性需要得到保证而不会因为切换的发生得到损失。

　　(7)电源管理(Power Management)

　　标准应对网络扫描进程提供有效的电源管理方案。这就需要设计一个好的睡眠机制和切换机制。

5、结束语

　　基于固定无线接入技术的802.16-2004已经发布，人们也在企盼着加入了移动性支持的802.16e的推出。此外，802.16还需要经历大规模组网的考验，其网络结构、运营模式、网络融合等方面还需要做进一步的研究。

　　未来的无线通信世界是一个多网并存，相互补充相互竞争的世界，以WiMAX技术为代表的宽带无线接入技术受到众多厂商和运营商的青睐，为其奠定了良好的发展基础。我们相信，在未来多网并存的无线通信世界，各网之间要有一个让用户满意的配合，WiMAX与3G、B3G、Wi-Fi技术的融合将更加引人注目。
作者：张勇　宋俊德   来源：中国联通网站