要害詞：通信；寬帶無(wú)線接入；全球微波接入互操作性；IP多媒體子系統(tǒng)

Abstract:It is wise for fixed Operators to make use of broadband wireless access technologies, sUCh as IEEE802.16d, to develop their existing fixed broadband IP networks into mobile. Mobile operators have to evolve their networks to 3G for making full use of their current resources, however, the All-IP core network will be a general trend since broadband wireless access adopts the connectionless statistical packet multiplexing technology. Based on the introduction of IEEE802.16d and CDMA2000 1x EV-DV technologies, this paper discusses the development trend of broadband wireless access technologies, and concludes that 3G´s packet technologies are the same as IEEE802.16d/e, and All-IP is the goal. It emphasizes that Chinese TD-SCDMA should develop toward connectionless statistical packet multiplexing as early as possible.

Key Words:3G; broadband wireless access; WiMAX; IMS

    前不久有一篇文章題目是“運(yùn)營(yíng)商的煩惱：3G剛有眉目，WiMAX又出來(lái)攪局”，非常形象地概括了目前3G和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入之間的競(jìng)爭(zhēng)局面。文章指出“3G網(wǎng)絡(luò)的速度是WiMAX的三十分之一，3G發(fā)射塔的覆蓋面積是WiMAX的十分之一”。3G采用的是碼分多址(CDMA)技術(shù)，而WiMAX采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，兩種無(wú)線電技術(shù)的性能差距并沒有這么大，實(shí)際上造成3G頻譜效率低的原因是其面向連接的結(jié)構(gòu)不適應(yīng)突發(fā)式IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。3G系統(tǒng)采用全I(xiàn)P的結(jié)構(gòu)，無(wú)線鏈路分組化也有可能達(dá)到與WiMAX等移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)相近的性能，問題是3G目前逐步演進(jìn)的策略有可能使其失去時(shí)間和市場(chǎng)。

    3G是十多年前開發(fā)設(shè)計(jì)的，當(dāng)時(shí)互聯(lián)網(wǎng)還沒有商業(yè)化，其設(shè)計(jì)的基本思路是在話音業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上增加多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。3G強(qiáng)調(diào)從2G的過渡，保護(hù)運(yùn)營(yíng)商在 2G的已經(jīng)有的投資，為此與2G一樣，3G仍然是一個(gè)面向連接提供端到端專門時(shí)分復(fù)用(TDM)信道的系統(tǒng)。互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)后，第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP)和3GPP2都開始了IP化的演化進(jìn)程[1]。3GPP已經(jīng)布設(shè)了提供商業(yè)服務(wù)的采用電路交換的R99，發(fā)表了軟交換部分IP化的R4、核心網(wǎng)IP 化有IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)的R5，即將推出R6，進(jìn)一步還有增強(qiáng)型3G。問題是假如仍然繼續(xù)保持面向連接的結(jié)構(gòu)，其支持突發(fā)式互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)頻譜效率必然很低。3G 可以支持話音和低速率數(shù)據(jù)，但是其容量實(shí)際上不能支持多個(gè)高速數(shù)據(jù)用戶。沒有高速下行分組接入(HSDPA)，3G用戶的使用感受實(shí)際上和2.5G是差不多的。

1 3G無(wú)線鏈路的分組化
    3GPP和3GPP2都熟悉到支持高速數(shù)據(jù)用戶的問題，試圖在原來(lái)的體系框架內(nèi)，在下行鏈路中采用分組多址技術(shù)，大幅度提高IP數(shù)據(jù)下載和流媒體速率。3GPP在R5以后的系統(tǒng)中引入了HSDPA[2]，HSDPA使用自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動(dòng)重傳(HARQ)和快速調(diào)度等技術(shù)進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率。在WCDMA R5中引入HSDPA技術(shù)后，UTRAN部分的結(jié)構(gòu)基本不變，通過增加插卡，新增了高速媒體訪問控制(MAC-hs)功能塊，并在物理層新增了3種新的物理信道。3GPP對(duì)多輸入多輸出(MIMO)與高階調(diào)制等技術(shù)正在進(jìn)行研究，希望可以進(jìn)一步提高下行鏈路的數(shù)據(jù)速率。目前HSDPA標(biāo)稱速率為10 Mb/s，實(shí)際速率：宏蜂窩為1～1.5 Mb/s，微蜂窩為4～6 Mb/s，甚小蜂窩為大于8 Mb/s。HSDPA的速率與3G WCDMA的384 kb/s相比有了大幅度提高，被稱為3.5G系統(tǒng)。3GPP2則發(fā)展了CDMA2000 1x EV-DV。HSDPA 和CDMA2000 1x EV-DV的思路及采用的技術(shù)是很相近的，發(fā)展演化后它們最終目標(biāo)的差別將很可能僅僅是帶寬不同。
HSDPA和CDMA2000 1x EV-DV是在3GPP(3GPP2)框架中發(fā)展的，在考慮與原系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)的兼容后，性能會(huì)受些影響。如3GPP雖然經(jīng)過多個(gè)版本演化，它的全I(xiàn)P網(wǎng)仍然不是真正意義上的全I(xiàn)P網(wǎng)，因此作為移動(dòng)寬帶無(wú)線接入還不夠理想，需要進(jìn)一步向IP演化。盡管如此，HSPDA和CDMA2000 1x EV-DV對(duì)于3G滿足移動(dòng)寬帶無(wú)線接入需求來(lái)說是非常重要的一步。

2 系統(tǒng)廠商的努力
    目前有一些系統(tǒng)廠商突破了3G體系結(jié)構(gòu)限制，采用WCDMA，采用全I(xiàn)P核心網(wǎng)，取得了非常好的效果。如SOMA公司的頻分復(fù)用(FDD)的SOMA系統(tǒng)和IP Wireless公司的采用時(shí)分復(fù)用(TDD)的IP Wireless系統(tǒng)。
    IP Wireless 公司的系統(tǒng)的移動(dòng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)采用歐洲的UMTS TDD空中無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)。UMTS的FDD標(biāo)準(zhǔn)為IMT2000接受，即WCDMA；IMT2000沒有接受UMTS的TDD標(biāo)準(zhǔn)而是接受了TD-SCDMA作為TDD的標(biāo)準(zhǔn)。IP Wireless發(fā)展了用戶分組統(tǒng)計(jì)共享空中信道的技術(shù)，用戶可以保持在線而不占用信道資源。IP Wireless的移動(dòng)寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)不需要使用成對(duì)頻譜，可使用5～10 MHz帶寬，最高速率可以達(dá)到16 Mb/s。
SOMA公司采用WCDMA FDD的空中無(wú)線電接口標(biāo)準(zhǔn)，號(hào)稱采用最先進(jìn)的技術(shù)達(dá)到了山農(nóng)定理的理論極限容量。在媒體訪問控制(MAC)層采用高效率的無(wú)連接的數(shù)據(jù)傳輸，以及采用自適應(yīng)調(diào)制和編碼、智能RRM算法來(lái)壓縮報(bào)頭減小內(nèi)部開銷；在終端中采用自適應(yīng)均衡功能消除非視線傳輸?shù)亩鄰礁蓴_。SOMA的核心網(wǎng)為全I(xiàn)P網(wǎng)，自動(dòng)配置即插即用。系統(tǒng)使用5 MHz帶寬，一個(gè)扇區(qū)峰值速率可以達(dá)到12 Mb/s，一個(gè)蜂窩6個(gè)扇區(qū)峰值速率可以達(dá)到72 Mb/s。系統(tǒng)支持室內(nèi)工作，支持低頁(yè)面延遲Web瀏覽、FTP高速文件傳輸、郵件收發(fā)、流視頻傳輸、網(wǎng)絡(luò)治理。用戶可通過網(wǎng)頁(yè)激活話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，通過會(huì)話啟動(dòng)協(xié)議(SIP)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)端到端互連接話音業(yè)務(wù)。

    SOMA采用WCDMA空中無(wú)線電技術(shù)，大幅度提高了寬帶無(wú)線接入速率和頻譜效率，超過3G WCDMA，達(dá)到和WiMAX(IEEE 802.16a)相近的水平。說明限制3G WCDMA頻譜效率的是以電路交換話音業(yè)務(wù)為主的面向連接的體制。
要注重的是，盡管SOMA自己認(rèn)為將在3GPP的R6中能夠和WCDMA融合，但是3GPP并沒有表明這個(gè)意向。3GPP仍然在沿著HSDPA演化。

3 固定移動(dòng)寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展
    由于3G不能很好地支持寬帶無(wú)線接入，向全I(xiàn)P化演化需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。IEEE 802工作組在成功制訂無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，按照寬帶無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入需求，進(jìn)一步發(fā)展制訂了無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN )標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.16d/e、無(wú)線廣域(WWAN)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.20以及漫游切換標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.21。

3.1 無(wú)線城域網(wǎng)/固定移動(dòng)寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)
    IEEE 802.16[3]最初被設(shè)計(jì)用于固定無(wú)線視線通信，提供點(diǎn)到點(diǎn)的連接，采用TDMA-TDD/FDD體制，使用11～66 GHz頻段，速率最高可以達(dá)到155 Mb/s。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)  2001年12月發(fā)布，2002年12月發(fā)布IEEE 802.16互用性標(biāo)準(zhǔn)。

    為了滿足固定寬帶無(wú)線接入的需求，需要提供點(diǎn)到多點(diǎn)的非視線通信能力，為此，IEEE進(jìn)一步發(fā)展了IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.16a使用2～11 GHz頻段，占用20 MHz帶寬時(shí)速率可達(dá)75 Mb/s，采用SC2/OFDM/OFDMA/OFDMA2物理層體制；點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)大蜂窩工作時(shí)主要采用OFDM/OFDMA體制。IEEE 802.16a是按照支持互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)的，采用快速調(diào)度、自適應(yīng)編碼調(diào)制和自動(dòng)重發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線鏈路的分組化。IEEE 802.16a標(biāo)準(zhǔn)2003年1月發(fā)布。IEEE 802.16a寬帶無(wú)線接入系統(tǒng)可以服務(wù)于居民區(qū)，有3種應(yīng)用方式：一是用于數(shù)字用戶線(DSL)的補(bǔ)充，寬帶無(wú)線接入(BWA)系統(tǒng)的工作距離遠(yuǎn)于 DSL，但可以提供同樣的業(yè)務(wù)；二是相互競(jìng)爭(zhēng)的運(yùn)營(yíng)商可以用BWA在別的運(yùn)營(yíng)商擁有市話網(wǎng)的地區(qū)提供寬帶接入業(yè)務(wù)；三是用于干線，連接蜂窩基站。BWA與固定寬帶網(wǎng)相比經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯(價(jià)格在2萬(wàn)美元以下的無(wú)線基站，可以同時(shí)為60個(gè)客戶提供1.5 Mb/s 速率的連接)。目前IEEE 802.16和IEEE 802.16a經(jīng)過修訂統(tǒng)一命名為IEEEE 802.16d，標(biāo)準(zhǔn)即將發(fā)布。在市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)寬帶無(wú)線接入需求的推動(dòng)下，2002年IEEE 802設(shè)立了固定移動(dòng)寬帶無(wú)線接入(FMBWA)研究組，在IEEE 802.16a的基礎(chǔ)上增加移動(dòng)能力將BWA變?yōu)镕MBWA，形成了IEEE 802.16e。IEEE 802.16e使用2～6 GHz頻段，采用與IEEE 802.16a同樣的工作體制，在占用5 MHz帶寬時(shí)上、下行鏈路最高速率都可以達(dá)到15 Mb/s，頻譜效率為3 bps/Hz，支持本地和地區(qū)的移動(dòng)性，支持漫游和切換，移動(dòng)速度可以達(dá)到150 km/h。IEEE 802.16e的主要問題是切換問題，要求盡量少改變IEEE 802.16a的物理/媒體訪問控制層標(biāo)準(zhǔn)。2003年9月推出了IEEE 802.16e草案第一稿，有望在2004年內(nèi)提出標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 無(wú)線廣域網(wǎng)/移動(dòng)寬帶無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)
    在發(fā)展制訂IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，IEEE無(wú)線工作組建立了一個(gè)新的工作組——IEEE 802.20發(fā)展移動(dòng)寬帶無(wú)線接入（MBWA）。MBWA空中接口使用與3G同樣的頻率，但是要求有更高的頻譜效率。IEEE 802.20工作于3 GHz以下頻段，信道帶寬與3G系統(tǒng)相同，有1.25 MHz和5 MHz兩種。在占用帶寬5 MHz時(shí)，最高下、上行用戶峰值數(shù)據(jù)速率分別為4 Mb/s和1.2 Mb/s，每個(gè)蜂窩(扇區(qū))下、上行峰值集中數(shù)據(jù)速率分別為
16 Mb/s和3.2 Mb/s；在占用帶寬為1.25 MHz時(shí)，最高下、上行用戶峰值數(shù)據(jù)速率分別為1 Mb/s和0.3 Mb/s，每個(gè)蜂窩(扇區(qū))下、上行峰值集中數(shù)據(jù)速率分別為4 Mb/s和0.8 Mb/s。頻譜效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的各種3G系統(tǒng)。

    MBWA的接入網(wǎng)、核心網(wǎng)被全I(xiàn)P化，稱為全I(xiàn)P網(wǎng)，以區(qū)別于3GPP和3GPP2演化的目標(biāo)。MBWA空中鏈路被簡(jiǎn)單地看成為一種非凡的IP網(wǎng)間鏈路。MBWA在鏈路層傳輸IP，使用所有現(xiàn)存IP特征和能力。跨鏈路使用 IP 協(xié)議和應(yīng)用流而不進(jìn)行修改，如TCP按照標(biāo)準(zhǔn)工作，不修改堆棧(和有線網(wǎng)中一樣)，不需要專門的網(wǎng)關(guān)。

   IEEE 802.20支持移動(dòng)性，最高移動(dòng)速度可以達(dá)到250 km/h。目前的問題是IEEE 802.20與IEEE 802.16e 采用類似技術(shù)，由于性能和應(yīng)用沒有拉開差距，發(fā)展前景不明朗。

3.3 IEEE 802.21切換研究組
    為了解決移動(dòng)用戶在IEEE 802.11/15/16/20系統(tǒng)之間的漫游切換問題，2003年IEEE 802無(wú)線工作組成立了IEEE 802 切換研究組——Handoff ECSG。目前已經(jīng)正式命名為IEEE 802.21 工作組，負(fù)責(zé)制訂公共切換框架用于有線和無(wú)線IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)(如IEEE 802.3/11/16/15)，規(guī)范在不同IEEE 802媒體之間進(jìn)行軟硬件切換的要求以及相應(yīng)的切換機(jī)制。IEEE 802工作組主要規(guī)范物理層和MAC層，包括定義需求和從第三層產(chǎn)生切換觸發(fā)以減少物理/MAC重接時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延。此外IEEE 802第二層和第二層以下層能降低總的切換時(shí)延，將非常有利于實(shí)時(shí)應(yīng)用。

4 演化和發(fā)展趨勢(shì)
    隨著寬帶網(wǎng)物理網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的快速發(fā)展和普及，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站開始贏利，互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)正在形成。互聯(lián)網(wǎng)電話、即時(shí)通信IM、網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)電視以及各種P2P業(yè)務(wù)等的快速發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)模式強(qiáng)烈沖擊傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)模式。游牧和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入與寬帶互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合將進(jìn)一步提升互聯(lián)網(wǎng)無(wú)所不在的能力，將成為未來(lái)主流的市場(chǎng)需求。NGN的基本架構(gòu)是各種固定和移動(dòng)接入使用統(tǒng)一的IP核心網(wǎng)，無(wú)縫連接可以使用戶自由移動(dòng)漫游切換。

    IEEE 802.16d/e是專門為游牧和移動(dòng)寬帶無(wú)線接入設(shè)計(jì)的，可以滿足上述各種應(yīng)用的需求。其物理層和MAC層被優(yōu)化設(shè)計(jì)用于支持突發(fā)分組數(shù)據(jù)，共享無(wú)線電鏈路。對(duì)于統(tǒng)一的純IP核心網(wǎng)，IEEE 802.21協(xié)議解決各種不同接入網(wǎng)絡(luò)的漫游和切換問題。對(duì)于固定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商而言，利用已經(jīng)有的寬帶IP網(wǎng)的基礎(chǔ)，采用IEEE 802.16d/e等寬帶無(wú)線接入技術(shù)從固定、游牧接入和移動(dòng)接入演化是明智的選擇。

     對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商而言，為發(fā)揮已經(jīng)有的資源的效益，沿3G路線演化是既定的選擇。但是目前的3G系統(tǒng)的速率和容量都不能滿足移動(dòng)寬帶接入的需求，發(fā)展高速分組技術(shù)，如HSDPA(R5)和HSUPA (R6)，可以提高速度滿足寬帶無(wú)線接入需求。盡管由于體制的束縛，性能、靈活性和成本與IEEE 802.16d/e相比都要差一些，但還是可以大大提高3G的競(jìng)爭(zhēng)力。按照3GPP 的計(jì)劃，HSDPA經(jīng)過3步演化之后，將采用OFDM，這將和IEEE 802.16d/e很相似，可以說將會(huì)殊途同歸。問題是，目前3GPP的從R4、R5、R6到增強(qiáng)3G的演化路線的演進(jìn)進(jìn)度太慢，有可能將失去市場(chǎng)機(jī)會(huì)，被WiMAX和其他技術(shù)搶占先機(jī)。如SOMA今天已經(jīng)達(dá)到的性能，3GPP在R6中才可能達(dá)到，而目前R4尚無(wú)商業(yè)布設(shè)，R6則至少是二三年后的事情。標(biāo)準(zhǔn)的不斷改變會(huì)使運(yùn)營(yíng)商無(wú)所適從(今天剛投資建一個(gè)系統(tǒng)，明天又要改)。從發(fā)展看移動(dòng)寬帶無(wú)線接入采用無(wú)連接的分組統(tǒng)計(jì)復(fù)用、純IP核心網(wǎng)已經(jīng)是大勢(shì)所趨，應(yīng)該盡快完成過渡。一步到位是有益的。

    對(duì)于TD-SCDMA ，由于2005年WCDMA的HSDPA將商業(yè)化，屆時(shí)TD-SCDMA 假如沒有類似的產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)中將處于劣勢(shì)位置。雖然 WCDMA和TD-SCDMA都采用3GPP的核心網(wǎng)，但是TD-SCDMA不能使用WCDMA發(fā)展的HSDPA產(chǎn)品。TD-SCDMA應(yīng)盡快發(fā)展自己的類似技術(shù)。此外，TD-SCDMA可以考慮擺脫3GPP演化路線的束縛，一步到位采用純IP核心網(wǎng)。這樣一來(lái)TD-SCDMA將有可能成為一種高性能的移動(dòng)寬帶無(wú)線接入技術(shù)，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。TD- SCDMA的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)原來(lái)主要集中在空中無(wú)線電部分，采用純IP核心網(wǎng)后可以發(fā)展到整個(gè)系統(tǒng)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

5 參考文獻(xiàn)
[1] 3GPP TR 25.892 V6.0.0. Feasibility Study for Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) for UTRAN Enhancement (Release 6) [S].
[2] Jeroen Wigard, Troels Kolding, Klaus Pedersen. High Speed Downlink Packet Access (HSDPA) for WCDMA [Z]. Nokia Networks.
[3] IEEE P802.16-REVd/D5-2004. Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [S].

侯自強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所DSP工程中心研究員，中國(guó)科健股份有限公司董事長(zhǎng)，信息產(chǎn)業(yè)部通信科技委委員，廣播電影電視總局高級(jí)技術(shù)顧問。曾任中國(guó)科學(xué)院秘書長(zhǎng)、聲學(xué)研究所所長(zhǎng)。