無線寬帶移動多媒體通信研究論文

1、無線寬帶移動多媒體通信研究論文 1.引言 到2001年底，全球移動電話用戶總數(shù)突破了10億大關，并有100多個國家的移動用戶數(shù)超過了固定用戶數(shù)。移動通信已成為普遍接入的必要手段之一，而不再是傳統(tǒng)所認為的固定電話的補充。另一方面，定向話音仍是當前移動通信的主要業(yè)務，但包括高速數(shù)據(jù)在內(nèi)的多媒體業(yè)務的比重逐年增加，預計2010年話音業(yè)務和多媒體業(yè)務之比將為1：2。移動多媒體業(yè)務是把文本、圖形、語音和視頻等信息以任意組合的方式給移動用戶提供的服務。為了提供優(yōu)質(zhì)的移動多媒體業(yè)務，必須構筑大范圍覆蓋的高質(zhì)量無線寬帶網(wǎng)絡。從2002年開始，無線寬帶網(wǎng)的建設進入高速發(fā)展階段，許多國家均在政府支持和電信制造商、

2、運營商的積極投入下，研究和建設各種不同類型的無線寬帶網(wǎng)絡。 我們知道，無線通信是利用無線電波(電磁波、激光)在空間的傳播來傳遞聲音、文字、圖像和其它信息的?？臻g信道具有可移動性、共享性、廣播性和可迅速建設等優(yōu)點，同時也具有高干擾、強衰落、窄帶寬的缺點。因此，無線寬帶網(wǎng)絡需要特殊的發(fā)送和接收技術來保證。本文按固定無線接入、移動無線接入和蜂窩移動三大系列介紹國內(nèi)外無線寬帶網(wǎng)絡的現(xiàn)狀和發(fā)展。 2固定無線寬帶接入通信系統(tǒng) 由于固定無線接入比移動通信場合容易現(xiàn)實操作，智能天線、軟件無線電、現(xiàn)代編碼調(diào)制及自適應信號處理等功率/頻譜有效利用的新技術往往首先在固定無線接入中試驗與裝備應用，固定無線接入往往成為

3、新一代移動通信的技術先導。 目前，與xDSL、HFC、FTTx、APON等有線寬帶傳輸?shù)陌l(fā)展相對應，LMDS、MMDS、SFO等無線寬帶接入亦在快速推進。固定無線寬帶接入系統(tǒng)采用TDMA和CDMA等多址技術將點對點微波傳輸系統(tǒng)發(fā)展到一點對多點的無線集中系統(tǒng)，它可以提供本地交換局至終端用戶之間的寬帶通信服務。 2.1本地多點分配接入系統(tǒng)(LMDS) LMDS在1998年被美國電信界評選為十大新興通信技術之一。其最大的特點在于寬帶特性，可用頻譜往往達1GHz以上。在不同國家或地區(qū)，電信管理部門分配給LMDS的具體工作頻段及頻帶寬度有所不同，其中大部分國家將27.5GHz29.5GHz定為LMDS頻

4、段。我國則采用26GHz及38GHz。 由于該技術利用高容量點對多點毫米波進行傳輸，它幾乎可以提供任何種類的業(yè)務，如話音、數(shù)據(jù)及視頻圖像等，能夠?qū)崿F(xiàn)從64Kbps到2Mbps，甚至高達155Mbps的用戶接入速率，并具有很高的可靠性，被認為是一種”無線光纖”技術。它是解決電信接入網(wǎng)問題的利器，為電信運營商開展業(yè)務、發(fā)展用戶提供了高成效、低成本的有效手段。尤其適合于新興運營商進入電信市場。 LMDS系統(tǒng)通常由四個部分組成：基礎骨干網(wǎng)絡、基站、用戶端設備以及網(wǎng)管系統(tǒng)。由于LMDS直接支持無線ATM協(xié)議，可以使鏈路效率得到提高。 2.2多點多信道分布式系統(tǒng)(MMDS) LMDS的缺點是覆蓋范圍小，為

5、了覆蓋30平方英里以上的面積，可以使用另外一種成本低廉的寬帶無線技術MMDS技術，它有時被稱為無線DSL。如圖1所示，MMDS不需要本地電信或有線廣播公司的干涉就能夠通過用戶安裝在屋頂上的天線為每位用戶提供服務。 圖1MMDS寬帶接入圖 MMDS最初用于單向傳輸?shù)挠跋駨V播服務，包括城市與城市之間的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)?，F(xiàn)在則可以采用雙向的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸，允許更加靈活地使用MMDS頻譜。而LMDS技術，則屬于區(qū)域性的無線技術，可被應用在城市內(nèi)、郊區(qū)等小范圍的通信網(wǎng)絡，它們的比較如表1。 表1LMDS與MMDS的比較 2.3自由空間光通信(FSO) 激光無線通信與以往的利用電磁波(radio)的無線通信相比

6、，具有容量大、發(fā)射裝置和功率小、不用政府特許證、對人體無影響等優(yōu)點。但容易受到天氣和障礙物的影響，一般用于近距離室內(nèi)通信，如各種遙控信號的傳遞、微機間和手機間的數(shù)據(jù)通信等?，F(xiàn)在開始應用到室外通信，但需要使用抗天氣劣化的自適應技術。 自由空間光通信(FSO)使用光脈沖調(diào)制信號，按照FSO聯(lián)盟的規(guī)定可以采用兩個紅外線波長：長波長1550nm和短波長800nm。以提供100、155和622Mbps的數(shù)據(jù)速率。 3移動無線寬帶接入通信系統(tǒng) 移動通信是處于移動狀態(tài)的通信對象之間的通信，一般采用無線方式。移動通信系統(tǒng)可以分為兩大類：移動無線接入通信系統(tǒng)和蜂窩移動無線通信系統(tǒng)。前者依賴于現(xiàn)有網(wǎng)絡系統(tǒng)，僅僅是

7、現(xiàn)有網(wǎng)絡的接入系統(tǒng)；后者是一個完全獨立的網(wǎng)絡系統(tǒng)，除了骨干傳輸部分外，都需要重新建立。移動無線接入通信系統(tǒng)以往主要包括第一代(CT1)、第二代(CT2)、第三代(CT3和PHS)無繩電話，它們僅提供語音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務。移動無線寬帶接入通信系統(tǒng)則有以下幾種： 3.1寬帶無線局域網(wǎng)絡(WLAN) 無線局域網(wǎng)絡是便攜式移動通信的產(chǎn)物，終端多為便攜式微機。如圖2所示，其構成包括無線網(wǎng)卡、無線接入點（AP）和無線路由器等。目前最流行的是IEEE802.11系列標準，它們主要用于解決辦公室、校園、機場、車站及購物中心等處用戶終端的無線接入。 圖2802.11網(wǎng)絡的典型應用 在802.11的基礎上，IEEE

8、相繼推出了802.11b和802.11a兩個標準。三者之間技術上的主要差別在于MAC子層和物理層。802.11b使用動態(tài)速率漂移，可因環(huán)境變化，在11Mbps、5.5Mbps、2Mbps、1Mbps之間切換，且在2Mbps、1Mbps速率時與802.11兼容。802.11a工作在5GHz頻段，物理層速率可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps?？商峁?5Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結構接口，以及TDD/TDMA的空中接口。 表2無線局域網(wǎng)標準比較 目前，2波段兼容(2.4GHz802.11b和5GHz802.11a)的產(chǎn)品最為流行，3波段(2.4GHz802.11b,5

9、GHz802.11a和1.8GHzGSM/GPRS/WCDMA)產(chǎn)品也走出了實驗室。另外，802.11g標準剛剛被推出，它可以在2.4GHz頻段上實現(xiàn)54Mbps的數(shù)據(jù)速率。 歐洲的寬帶WLAN標準是HiperLAN2，它與IEEE802.11a非常相似。它希望和3G移動通信協(xié)議互通，并且能提供不同等級的QoS，以滿足多媒體或VoIP等不同類型的應用需求。 3.2無線ATM網(wǎng)絡 無線ATM的目的是在ATM骨干網(wǎng)的基礎上實現(xiàn)端到端的ATM連接，以提供質(zhì)量可保證的各種服務，如ABR、VBR、CBR和UBR等。由于無線ATM網(wǎng)絡采用的無線傳輸信道與ATM骨干網(wǎng)所采用的光纖傳輸信道具有很大的差異，一些

10、新的問題，如介質(zhì)共享性、廣播性、較長的傳輸延時、較高的信道誤比特率以及信道衰落的影響等等，必須加以解決。因而無線ATM除了具有與ATM相同的ATM層、AAL層以及信令部分外，還要增加與無線通信有關的無線物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制層(MAC)、數(shù)據(jù)鏈路控制層(DLC)，以及相應的無線控制功能，這樣才能在無線網(wǎng)絡中實現(xiàn)ATM服務。為支持對各種業(yè)務的服務質(zhì)量控制，DLC協(xié)議常常針對不同的業(yè)務采用不同的差錯控制方式；MAC協(xié)議則一般采用信道動態(tài)分配算法來支持業(yè)務速率的可變。 另外，無線ATM通信網(wǎng)要支持移動用戶，因此網(wǎng)絡應具有移動管理功能。當無線ATM通信網(wǎng)采用微蜂窩小區(qū)形式的網(wǎng)絡結構時，越區(qū)切換

11、控制就是移動管理的一項關鍵技術。無線ATM網(wǎng)和現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)(如GSM)相比具有一些不同的特點。例如，無線ATM網(wǎng)可支持多種類型的業(yè)務及多速率業(yè)務的通信，越區(qū)切換時需保證各種業(yè)務的服務質(zhì)量(信元丟失率、延時等)不惡化；ATM信元字頭沒有序號字段，越區(qū)切換時可能出現(xiàn)信元次序混亂，造成信元丟失；現(xiàn)有的ATM網(wǎng)絡采用固定VPVC連接方式(即固定路由)，而越區(qū)切換需更新原來的連接、重建路由。這就必須研究適用于無線ATM網(wǎng)絡的切換控制方案。 關于無線ATM的無線接口方面和移動管理方面的標準分別由ETSI和ATM論壇負責制定。依據(jù)這些標準，許多無線ATM系統(tǒng)被推出，如表3所示。無線ATM技術在生活中的

12、深層次應用主要包括如何幫助人們完成遠程醫(yī)療、保健和教育。 表3無線ATM系統(tǒng)比較 移動無線寬帶接入還包括歐洲ACTS項目中著名的AWACS、SAMBA及MEDLAN系統(tǒng)，其工作頻段分別使用19GHz、40GHz、61GHz等，MEDIAN為室內(nèi)慢速移動，AWACS及SAMBA可用于室外較高移動速度的情況，覆蓋范圍一般較小，為數(shù)十米至200米左右。它們的目標是實現(xiàn)155Mbps乃至速率更高的移動或半移動環(huán)境下高速優(yōu)質(zhì)多媒體個人通信服務。 另外，在移動無線寬帶接入通信方面還有兩個技術動向應引起注意： 最近美國FCC公布了最新頻率分配政策，批準有限使用在超寬頻帶（UWB）上傳送高速數(shù)據(jù)的非許可無線系

13、統(tǒng)，但UWB的使用須高于3.1GHz或低于960MHz。有些廠商已經(jīng)開始推出UWB產(chǎn)品的試驗樣機，它最適用于擁擠的室內(nèi)通信。 作為一種多跳無中心分布控制網(wǎng)絡，自組網(wǎng)(adhoc)的研究方興未艾，它組網(wǎng)靈活、生存力強，可以迅速應用到某些特殊環(huán)境和緊急情況,是無線網(wǎng)絡發(fā)展的新方向。 4蜂窩移動無線通信系統(tǒng) 蜂窩移動無線通信系統(tǒng)是當前移動通信的主力軍，它采用蜂窩結構，頻率可重復利用，實現(xiàn)了大區(qū)域覆蓋；并支持漫游和越區(qū)切換，實現(xiàn)了高速移動環(huán)境下的不間斷通信。從70年代起，它已經(jīng)歷了第一代(1G)、第二代(2G)并開始進入第三代(3G)，未來向超（Beyond）3G過渡。圖3描述了移動無線接入和蜂窩移動

14、無線通信系統(tǒng)的發(fā)展過程，它們的數(shù)據(jù)傳輸速率分別對應于不同的固定通信系統(tǒng)，其中MMAC、HAPS和ITS將在后面介紹。 圖3不同移動通信系統(tǒng)與固定通信系統(tǒng)的比較 1G采用FDMA和模擬調(diào)制，由于頻率利用率低、通話質(zhì)量差、容量小，在中國已經(jīng)退出市場。目前，國內(nèi)外的主流系統(tǒng)是2G，它采用TDMA/CDMA和數(shù)字調(diào)制，提高了系統(tǒng)容量和通話質(zhì)量。但1G/2G主要提供語音服務，為了提供自由的移動多媒體接入，例如話音、可視電話和高速數(shù)據(jù)傳輸，則需要發(fā)展3G和超3G移動通信系統(tǒng)。 4.1第三代移動通信系統(tǒng)（3G） 為了支持多媒體業(yè)務和全球無縫漫游，90年代初，一些標準化組織就已經(jīng)對3G進行研究。在1999年1

15、0月的ITU芬蘭會議上，3G（即IMT2000）的無線接口技術規(guī)范（如圖4）獲得通過，標志著第三代技術的格局最終確定。它分為CDMA和TDMA兩大類共五種技術，其中主流技術為三種CDMA技術：CDMADS（直接擴頻）即歐洲和日本共同提出的WCDMA技術；CDMAMC（多載波）即美國提出的cdma2000技術；CDMA-TDD（時分雙工）包括我國提出的TDSCDMA和歐洲提出的UTRATDD。這些標準的制定主要靠3GPP和3GPP2兩個國際組織。 圖4IMT2000標準 3GPP研究制定并推廣基于演變的GSM核心網(wǎng)絡的3G標準，即WCDMA、TDS-CDMA等。GSM系統(tǒng)在向3G演進的過程中，其

16、無線接入網(wǎng)絡采用新型WCDMA技術，引入了適于分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和機制，可支持144Kbps、384Kbps、2Mbps的數(shù)據(jù)速率，這是一個革命性的變化。而在網(wǎng)絡部分則采用演進的方式，即在初期針對話音和數(shù)據(jù)業(yè)務分別接入到不同的交換網(wǎng)絡-電路型和分組型的交換網(wǎng)絡。通過提高現(xiàn)有GSM的傳輸帶寬，逐步向提供3G所要求的2Mbps速率的方向努力。目前，3GPP完成了許多標準版本，其中版本5完成了IP多媒體子系統(tǒng)的定義，諸如路由選取及多媒體會話，其下行峰值數(shù)據(jù)速率可高達8-10Mbps，并具有高的數(shù)據(jù)吞吐量和低的延時。 按照從事CDMA2000標準研究的國際組織3GPP2的規(guī)范，窄帶CDMA系統(tǒng)(IS-

17、95)無論是無線接口部分還是網(wǎng)絡部分在向3G過渡時，都將采用演進的方式。cdma2000-1X商用初期，網(wǎng)絡部分在窄帶CDMA網(wǎng)絡基礎上，保持電路交換、引入分組交換，以分別支持話音和移動IP業(yè)務。為了進一步增強傳輸能力，3GPP2開始制訂支持速率高于2Mbps的cdma2000-1X增強標準，其中高通公司的HDR、摩托羅拉和諾基亞公司聯(lián)合提交的1Xtreme，還有中國的LASCDMA都作為候選技術在探討中。 目前移動通信業(yè)界已基本達成一個共識：未來的移動通信核心網(wǎng)絡將是一個全IP的寬帶分組網(wǎng)絡。3GPP和3GPP2都將3G發(fā)展的目標設定為全IP網(wǎng)，它將承載從實時話音、視頻到Web瀏覽、電子商務

18、等多種業(yè)務。 IMT-2000的原意是指2000年在2000MHz頻段實現(xiàn)2000Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。但由于2.5G和WLAN的加強運作，延長了2G的壽命，再加上超（beyond）3G的基本概念與框架結構的研究已經(jīng)啟動，這使得3G處于2.5G/WLAN及超3G的夾擊之下。另外3G標準和技術上也存在一些問題，近來世界經(jīng)濟也處于低潮，這都使得3G的大規(guī)模使用比預想的要晚些到來。 為了在2G網(wǎng)絡上實現(xiàn)移動數(shù)據(jù)通信，許多2.5G過渡方案被提出，象GPRS和WAP技術。目前發(fā)展最快的是NTTDoCoMo公司的i-mode，它很好地實現(xiàn)了在線上網(wǎng)。在i-mode的基礎上，i-motion、i-area

19、、i-appli等業(yè)務陸續(xù)在日本被推出。為了更好地提供這些服務，NTTDoCoMo公司于2001年10月1日開通了世界上第一個商業(yè)3G網(wǎng)FOMA系統(tǒng)。 4.2超第三代移動通信系統(tǒng) 如圖3所示，即使3G系統(tǒng)建成了，也僅僅實現(xiàn)了相當于窄帶ISDN的數(shù)據(jù)速率。為了提供交互式移動多媒體服務、更高速數(shù)據(jù)接入(相當于寬帶ISDN)、真正的全球漫游和服務可攜帶性，超3G的研究已經(jīng)啟動。目前的設想是將各種無線接入手段（包括宏/微蜂窩漫游、高/低速率傳輸?shù)龋┙M合起來，與以IPv6為基礎的核心網(wǎng)相連接，構成超3G的框架，從而形成慢速移動與快速移動的有機融合。ITU認為，可以將IMT重新定義為InternetMob

20、ile/MultimediaTelecommunications即互聯(lián)網(wǎng)移動/多媒體通信。目前，超3G的研究主要包括： 多媒體接入通信系統(tǒng)（MMAC）-高速率傳輸 MMAC是由日本推出的多媒體無線接入系統(tǒng)，其目標是通過便攜式可視電話和因特網(wǎng)獲得信息。如表4所示，目前主要提供兩類高速無線接入。第一類用于室內(nèi)外寬帶移動通信系統(tǒng)，用3-60GHz頻段傳輸30Mbps的數(shù)據(jù)，該項目從2001年開始；第二類提供超高速WLAN室內(nèi)接入，傳輸速率達到600Mbps，采用60GHz頻率，即毫米波。但是這些系統(tǒng)不能提供大范圍覆蓋，也不能用于車輛業(yè)務環(huán)境，只能用于“熱點地區(qū)”。研制出的毫米波樣機可以演示60GHz

21、的WLAN與ATM或100BASE以太網(wǎng)接口，其數(shù)據(jù)速率可以達到155Mbps。 表4系統(tǒng)諸元表 移動寬帶系統(tǒng)(MBS)-高速率傳輸 歐洲MBS的目標是使蜂窩系統(tǒng)具備低時延、高QoS保證，數(shù)據(jù)傳輸率達到155Mbps的水平，比現(xiàn)行速率要快數(shù)千倍。MBS將朝著“與服務無關性”方向發(fā)展，即隨著數(shù)據(jù)傳輸率的提高，無線通信設備將能實現(xiàn)任何應用。 MBS創(chuàng)建于1995年，原型的數(shù)據(jù)傳輸率為34M的水平，但通過并行運用多路鏈接可提高數(shù)據(jù)傳輸率。MBS經(jīng)過很多室內(nèi)和室外環(huán)境的測試，包括在比較擁塞的城區(qū)以每小時30英里的速度行進。MBS的物理層采用獨特的TDMA技術，這也是大多數(shù)2G蜂窩電話所采納的標準；更高層則采用ATM方式。不過開發(fā)人員認為，MBS原型的功能仍不是很強，成熟的產(chǎn)品將在2010年出現(xiàn)。這期間規(guī)范肯定要作相應變更，物理層將會采用OFDM技術，網(wǎng)絡層則會采用IP協(xié)議。 智能運輸系統(tǒng)（ITS）-高速度移動 ITS是新型的傳輸系統(tǒng)，由先進的信息通信網(wǎng)組成，為用戶道路、車輛等提供高速運動中的信息傳遞。ITS不僅提供道路情況、交通事故等，同時還能為駕駛員和乘客提供多媒體業(yè)務。 ITS由9個開發(fā)層面組成，包括導航系統(tǒng)、電子長途數(shù)