一种基于IP的网络新技术：Flash-OFDM

摘要由于OFDM系统具有良好的特性，因此将成为B3G蜂窝移动通信网络的无线接入技术，其中以Flash-OFDM技术最受瞩目。Flash-OFDM技术从物理层到网络层都具有很多优势。Flash-OFDM利用快速跳频技术对信号扩频，具有频率分配能力，减小了同一区域内用户间的相互干扰；其空中接口采用分组转发，支持全IP通信；其MAC层不但增强了空中接口的性能，而且支持全IP网络接口。Flash-OFDM技术已经成为3G的强有力对手受到广泛关注，同样，Flash-OFDM技术的联合发送、联合检测、动态分组分配等许多方面还需要进一步的深入研究。文中将对该技术做一简单分析并展望其应用前景。

一、引言

无缝宽带接入和多业务综合接入是人们一直以来的梦想，也是各研究机构和标准化组织的长期目标。第二代移动通信技术：GSM和CDMA已经基本实现了全球无缝覆盖，但仍有两个问题始终未得到解决。首先，数据传输的速率不超过2Mbps，远不能满足宽带业务的需求；其次GSM网和CDMA网间漫游没有实现，同时二者业务接入的能力还很不灵活。为此，IEEE定义了IEEE802.20MBWA（MobileBroadband Wireless Access Systems）标准，基本特性和目标为：更高的数据率、更高的频谱利用率、更高的业务质量（QoS），完全透明地支持实时和非实时应用、支持不同技术间的漫游和切换、是能无缝链接到Internet的全IP网络。

Flash-OFDM是由Flarion公司自行研发出来的无线宽带技术，因为拥有低延迟的特点，所以能够应用在实时数据传输上。能在移动环境下工作，是一种移动宽带接入Internet解决方案。

Flash-OFDM全称FastLow-latencyAccesswith Seamless Handoff-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，即"快速低时延接入/无缝切换的正交频分复用"，俗称"快闪式—正交频分复用"，它采用OFDM原理并结合了跳频技术。简单地说，Flash-OFDM是由使用多个正交载波进行高速数据通信的OFDM技术衍生出来的通信方式之一。

Flash-OFDM采用FDD双工方式。上下行链路是数百个子信道组成的宽带载波（扩频的OFDM），传输数据时给每个用户分配子信道。每个子信道采用自适应调制和先进的编码技术，可以提高频谱利用率。Flash-OFDM的频带宽度为1.25MHz，使用频率间隔为12.5kHz的副载波，最大转输速度为3.2Mbit/s，平均数据传输速度达1.5Mbit/s。

Flash-OFDM在时间上以跳频方式使用OFDM的副载波，通过高速切换副载波，使得相邻节点可以使用相同频率的副载波，进而可提高频率利用率。Flash-OFDM利用快速跳频技术把信号扩频，具有频率分集能力，减小了同一小区内的用户间干扰，它同时具有OFDM和跳频扩频技术的优点。除了跳频外，为解决小区间干扰，采用了功率控制，用户只发射它能有效通信的功率。此外Flash-OFDM的空中接口采用分组业务，支持全IP通信。

本论文将介绍Flash-OFDM网络体系结构的层次模型及物理层、MAC/LLC层并与现有3G技术对比，从交换技术、频谱利用率、成本、延迟、业务接入能力等方面阐述其优越性。

二、Flash-OFDM的系统结构

有线的IP通信系统中采用"分层"网络协议，其中物理层，数据链路层及网络层的主要功能是负责网络接口。Flash-OFDM采用相同的方法把它应用于无线媒介中。

图1是将异构系统互连的空中接口分层结构。可看出，传统的空中接口采用了水平分层式设计的互连系统结构，即同等层实体之间的通信由该层的协议管理。

Flash-OFDM不同于传统的网络，它从系统的观点出发，对物理层、数据链路层采用了特殊的综合垂直设计（见图1），这种设计为移动宽带数据网提供了理想的链路层，满足移动数据包通信业务的特殊需求。但是为了完全把所有有线互联网或内部网固有的IP应用（包括交互式数据应用和对等网络应用）无缝的移植到无线网络上，需要根据IP数据的特点对空中接口的各层都进行自下而上的协同设计和优化。因此，Flash-OFDM对网络层和网络层以上的层采取基于纯IP的水平分层式设计，能利用现存的IP下部结构设备，从而使Flash-OFDM的链路层融合到更宽广的网络中。

图1 空中接口比较

2.1Flash-OFDM物理层

Flash-OFDM物理层把OFDM的基本原理与跳频技术相结合，使之成为扩频系统并且同一蜂窝内子载波相互正交。

Flash-OFDM引入了快跳频技术，即用户可以根据按伪随机码（PN）规律变化的跳频图案，选择所使用的子载波频率，进行跳频。子载波依照跳频图案随时间变化而变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽。由于跳频速率很快，从而在宏观上实现了频谱的扩展。对于快跳频，一个符号根据跳频图案在多个不同的跳频载波上传输，可以让频率选择性衰落造成的损失降至最小；不同的基站使用不同的跳频模式并且每一个基站都使用可用的全部频谱（因此频率再用率高达1）。可见Flash-OFDM采用快跳频技术充分利用频谱，并把信号扩频，具有频率分集能力，减小了同一小区内的用户间干扰，它同时具有OFDM和跳频扩频技术的优点。

另外，在同一蜂窝中的每个用户都使用不同的资源（小频段），相互之间并不会产生干扰。另外还实现了更大的数据容量（物理层容量是CDMA的3倍），频谱利用率也得到极大的提高。

OFDM有一个主要缺点：峰均比较高，峰均比问题使OFDM系统的移动设备功率消耗很大，并且导致射频放大器的功率效率降低、系统成本增高。但是在Flash-OFDM系统中，OFDM峰均比的问题能得到解决，因此它的移动设备功率消耗与传统CDMA系统相当。

2.2Flash-OFDMMAC/LLC层

在Flash-OFDM中，MAC层通过划分上行链路和下行链路的带宽资源来共享物理层容量。Flash-OFDM根据IP基站—RR提出的带宽需求，分配少数的上行链路资源到每个移动设备。RR也可以根据用户数量灵活快速地改变上下行链路资源分配。

Flash-OFDM的LLC层的下行链路支持单点传送，多点传送及广播传送；上行链路仅支持单点传送。对单点传送，采用FEC（前向纠错）编码和ARQ（自动重发请求）相结合达到高可靠性，对多点传送及广播传送仅用FEC。上行链路和下行链路的ARQ响应时间都很低，至少都低于现在2.5G和3G标准。高可靠性和低时延的结合对透明IP方式交互式数据应用的支持和高突发速率是十分重要的。

另外，Flash-OFDM资源细分的优点还使得MAC层能够有效地进行无线包交换，同时具有提供服务质量（QoS）的能力。它还支持利用本地（而不是端到端）反馈的链路层把一个不可靠的无线信道建立成非常可靠的链路，并且延迟很小。因此网络层传输的延迟很小并且没有大的延迟抖动。因而，可以支持（包）语音之类的交互式应用。

2.3Flash-OFDM网络层

网络层提供MAC层和骨干网的接口，它的功能包括IP会话管理；管理多种工作模式，如Flash-OFDM/802.11，Flash-OFDM/Bluetooth双模；可实现基站、移动台和用户的授权、认证。另外还提供与AAA系统的接口、路由管理、数据加密等。

从全IP的观点看，Flash-OFDM代表了理想的空中链路，支持移动性和基于QoS的业务。物理层和MAC层为移动宽带数据特殊设计，紧密相连的物理层和MAC层使基站控制信道的分配，以一定的优先级传送不同业务，如基于IP的话音、视频会议等。空中链路使用户数据率和频谱利用率提高。它是基于IP的分布式网络，支持实时的交互式业务和端到端的IP连接，能满足业务提供者和运营商的需要，易于部署和网络演进。Flash-OFDM网络的核心无线路由器是一个集成了无线基站和IP接入路由器功能的设备，能够提供全面的移动性和覆盖广域网络的能力。无线路由器连接到所有的移动网络设备，并和IP网络相联，它集成了所有的网络接入功能，可以无限地扩展IP网络边缘。

三、Flash-OFDM与3G的区别比较

与其他通信网络尤其是3G相比，现在新出现的基于OFDM原理的Flash-OFDM技术具有以下特征：

1、空中接口的层设计优化

所有传统的蜂窝式无线系统，包括3G，基本上都是围绕电路交换话音进行设计的，它们主要在物理层上设计和优化。而Flash-OFDM设计新的空中接口，并对协议栈的各层（物理层、MAC/LL层和网络层等）都进行了优化，特别是MAC层和LL层，使IP数据在各层得到优化，满足移动数据应用的特殊需求。选择OFDM为多址技术不仅仅只是出于对物理层的考虑，而且还考虑了MAC/LL层和网络层的需求。

2、采用分组交换

所有蜂窝无线系统，包括3G，采用的都是电路交换系统。电路交换网络建立的是物理连接，即仅在物理层利用信道资源建立数据通路，连接一旦建立通信质量就可保证，但电路交换对突发数据流量效率很低。

Flash-OFDM采用端到端的分组交换网络系统，而不是传统的电路交换系统。分组交换网络对应于空中接口的三层（物理层、MAC/LLC层、网络层），它能有效解决突发数据流问题，从而克服电路交换式架构遗留下来的障碍，这种系统能够在不同投资规模下提供有利可图的无线数据服务。

3、全IP支撑

以往的技术，包括采用电路交换的GSM系统都无法满足移动IP要解决的第一个问题—高速接入互联网的需要，可见3G不完全支持IP。

而Flash-OFDM采用"纯IP"解决方案，IP多点传送到无线路由器，然后再用链路层多点传送，这与IP-CSMA/CD相似，这样，Flash-OFDM就可以实现了全IP化，所以各种互联网协议，如TCP/IP传输控制协议，能够平稳而有效地在Flash-OFDM无线链路上运行，而3G网络不能有效地支持TCP/IP。

4、话音与数据的融合

Flash-OFDM不是提供把语音和数据流量置于同等地位的改良型3G，而是完全消除了语音和数据两者之间的差异，把两种信号作为纯IP数据通过无线电波从网络发送到用户。蜂窝传输需要建立含有许多数据包的庞大的"数据帧"，Flash-OFDM却可以高速传输数据包。这样一来，丢失一两个数据包不会破坏传输。这降低了数据开销、简化了传输。

5、低时延

3G系统的时延一般在200ms-400ms，而flash-OFDM系统理想情况下的时延是35ms，实验结果时延也在35ms-50ms之间，这与现在大多数有线宽带系统相似。

6、频带利用率高

大多数3G服务至少需要5MHZ的带宽，Flash-OFDM的信号却只需要1.25MHZ。flash-OFDM技术比较突出的地方就是即使在窄带带宽下也能够发出大量的数据，这意味着运营商可以利用已经拥有的有限（当然也是昂贵的）带宽为更多用户提供服务。

7、低成本

使用flash-OFDM技术，运营商只需要为每位用户投入10美元，这种技术的带宽价格只有3G网络的十分之一。另外它的基站硬件可以提供冰箱大小的同类设备一样大的覆盖面，但占用面积只有一半。其它无线系统需要昂贵的软硬件把IP数据包转化成语音，但flash-OFDM却不需要。Flarion称，它的技术有望使运营商把升级至3G基站的成本节省90%。

四、结论和展望

3G是以话音为主的蜂窝网，它虽然比2G、2.5G等的传输速率快很多，但仍无法满足未来多媒体通信的要求，并且其投入成本高。现在Flarion提出的Flash-OFDM无线技术的主要优势是可以把大量数据塞入比较小的带宽里面，解决3G的不足。和现有的以OFDM为基础的系统（例如DSL）不同，Flash-OFDM不仅仅是一种物理层的解决方案，它更是一种采用了OFDM独特的物理特性的系统级技术，使得在蜂窝网络中能增强更高层的性能优势，获得非常有效的数据包传送，以及很低的信号延迟。它以IP透明方式使网络无缝延展到广阔的移动环境中，能够解决3G出现的问题、面对现在移动通信发展要求的挑战，因此这种技术在未来将是非常有前途的。Flash-OFDM的缺点就在于缺乏产业链条的支撑，这会使其陷入孤军奋战的境地，Flarion也意识到了这一点，正在积极寻找合作伙伴，并已经与西门子签订了合作协议，共同研发产品。如果Flash-OFDM能够像当年的CDMA那样寻找到一个可以大规模应用的市场，那么这项技术将独立地发展下去，否则最终只能与其它技术融合，成为下一代移动通信技术的一部分。

作者：刘耀宇 张海林 来源：中国联通网站