对发展3G和移动宽带无线接入技术的思考

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对发展3G和移动宽带无线接入技术的思考




    前不久有一篇文章题目是“运营商的烦恼：3G刚有眉目，WiMAX又出来搅局”，非常形象地概括了目前3G和移动宽带无线接入之间的竞争局面。文章指出“3G网络的速度是WiMAX的三十分之一，3G发射塔的覆盖面积是WiMAX的十分之一”。3G采用的是码分多址(CDMA)技术，而WiMAX采用正交频分多址(OFDMA)技术，两种无线电技术的性能差距并没有这么大，实际上造成3G频谱效率低的原因是其面向连接的结构不适应突发式IP数据业务的需求。3G系统采用全IP的结构，无线链路分组化也有可能达到与WiMAX等移动宽带无线接入系统相近的性能，问题是3G目前逐步演进的策略有可能使其失去时间和市场。


    3G是十多年前开发设计的，当时互联网还没有商业化，其设计的基本思路是在话音业务基础上增加多媒体数据业务。3G强调从2G的过渡，保护运营商在 2G的已经有的投资，为此与2G一样，3G仍然是一个面向连接提供端到端专门时分复用(TDM)信道的系统。互联网出现后，第3代移动通信合作计划(3GPP)和3GPP2都开始了IP化的演化进程[1]。3GPP已经布设了提供商业服务的采用电路交换的R99，发表了软交换部分IP化的R4、核心网IP 化有IP多媒体子系统(IMS)的R5，即将推出R6，进一步还有增强型3G。问题是如果仍然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。3G 可以支持话音和低速率数据，但是其容量实际上不能支持多个高速数据用户。没有高速下行分组接入(HSDPA)，3G用户的使用感受实际上和2.5G是差不多的。


1 3G无线链路的分组化
    3GPP和3GPP2都认识到支持高速数据用户的问题，试图在原来的体系框架内，在下行链路中采用分组多址技术，大幅度提高IP数据下载和流媒体速率。3GPP在R5以后的系统中引入了HSDPA[2]，HSDPA使用自适应调制编码(AMC)、混合自动重传(HARQ)和快速调度等技术进一步提高数据速率。在WCDMA R5中引入HSDPA技术后，UTRAN部分的结构基本不变，通过增加插卡，新增了高速媒体访问控制(MAC-hs)功能块，并在物理层新增了3种新的物理信道。3GPP对多输入多输出(MIMO)与高阶调制等技术正在进行研究，希望可以进一步提高下行链路的数据速率。目前HSDPA标称速率为10 Mb/s，实际速率：宏蜂窝为1～1.5 Mb/s，微蜂窝为4～6 Mb/s，甚小蜂窝为大于8 Mb/s。HSDPA的速率与3G WCDMA的384 kb/s相比有了大幅度提高，被称为3.5G系统。3GPP2则发展了CDMA2000 1x EV-DV。HSDPA 和CDMA2000 1x EV-DV的思路及采用的技术是很相近的，发展演化后它们最终目标的差别将很可能仅仅是带宽不同。
HSDPA和CDMA2000 1x EV-DV是在3GPP(3GPP2)框架中发展的，在考虑与原系统核心网络的兼容后，性能会受些影响。如3GPP虽然经过多个版本演化，它的全IP网仍然不是真正意义上的全IP网，因此作为移动宽带无线接入还不够理想，需要进一步向IP演化。尽管如此，HSPDA和CDMA2000 1x EV-DV对于3G满足移动宽带无线接入需求来说是非常重要的一步。


2 系统厂商的努力
    目前有一些系统厂商突破了3G体系结构限制，采用WCDMA，采用全IP核心网，取得了非常好的效果。如SOMA公司的频分复用(FDD)的SOMA系统和IP Wireless公司的采用时分复用(TDD)的IP Wireless系统。
    IP Wireless 公司的系统的移动宽带无线接入技术采用欧洲的UMTS TDD空中无线电标准。UMTS的FDD标准为IMT2000接受，即WCDMA；IMT2000没有接受UMTS的TDD标准而是接受了TD-SCDMA作为TDD的标准。IP Wireless发展了用户分组统计共享空中信道的技术，用户可以保持在线而不占用信道资源。IP Wireless的移动宽带无线接入系统不需要使用成对频谱，可使用5～10 MHz带宽，最高速率可以达到16 Mb/s。
SOMA公司采用WCDMA FDD的空中无线电接口标准，号称采用最先进的技术达到了山农定理的理论极限容量。在媒体访问控制(MAC)层采用高效率的无连接的数据传输，以及采用自适应调制和编码、智能RRM算法来压缩报头减小内部开销；在终端中采用自适应均衡功能消除非视线传输的多径干扰。SOMA的核心网为全IP网，自动配置即插即用。系统使用5 MHz带宽，一个扇区峰值速率可以达到12 Mb/s，一个蜂窝6个扇区峰值速率可以达到72 Mb/s。系统支持室内工作，支持低页面延迟Web浏览、FTP高速文件传输、邮件收发、流视频传输、网络管理。用户可通过网页激活话音和数据业务，通过会话启动协议(SIP)网关实现端到端互连接话音业务。


    SOMA采用WCDMA空中无线电技术，大幅度提高了宽带无线接入速率和频谱效率，超过3G WCDMA，达到和WiMAX(IEEE 802.16a)相近的水平。说明限制3G WCDMA频谱效率的是以电路交换话音业务为主的面向连接的体制。
要注意的是，尽管SOMA自己认为将在3GPP的R6中能够和WCDMA融合，但是3GPP并没有表明这个意向。3GPP仍然在沿着HSDPA演化。


3 固定移动宽带无线接入标准的进展
    由于3G不能很好地支持宽带无线接入，向全IP化演化需要一个漫长的过程。IEEE 802工作组在成功制订无线局域网(WLAN)标准的基础上，按照宽带无线互联网接入需求，进一步发展制订了无线城域网(WMAN )标准：IEEE 802.16d/e、无线广域(WWAN)标准：IEEE 802.20以及漫游切换标准：IEEE 802.21。

3.1 无线城域网/固定移动宽带无线接入标准
    IEEE 802.16[3]最初被设计用于固定无线视线通信，提供点到点的连接，采用TDMA-TDD/FDD体制，使用11～66 GHz频段，速率最高可以达到155 Mb/s。IEEE 802.16标准  2001年12月发布，2002年12月发布IEEE 802.16互用性标准。


    为了满足固定宽带无线接入的需求，需要提供点到多点的非视线通信能力，为此，IEEE进一步发展了IEEE 802.16a标准。IEEE 802.16a使用2～11 GHz频段，占用20 MHz带宽时速率可达75 Mb/s，采用SC2/OFDM/OFDMA/OFDMA2物理层体制；点对多点大蜂窝工作时主要采用OFDM/OFDMA体制。IEEE 802.16a是按照支持互联网业务需求设计的，采用快速调度、自适应编码调制和自动重发技术实现无线链路的分组化。IEEE 802.16a标准2003年1月发布。IEEE 802.16a宽带无线接入系统可以服务于居民区，有3种应用方式：一是用于数字用户线(DSL)的补充，宽带无线接入(BWA)系统的工作距离远于 DSL，但可以提供同样的业务；二是相互竞争的运营商可以用BWA在别的运营商拥有市话网的地区提供宽带接入业务；三是用于干线，连接蜂窝基站。BWA与固定宽带网相比经济优势明显(价格在2万美元以下的无线基站，可以同时为60个客户提供1.5 Mb/s 速率的连接)。目前IEEE 802.16和IEEE 802.16a经过修订统一命名为IEEEE 802.16d，标准即将发布。在市场对移动宽带无线接入需求的推动下，2002年IEEE 802设立了固定移动宽带无线接入(FMBWA)研究组，在IEEE 802.16a的基础上增加移动能力将BWA变为FMBWA，形成了IEEE 802.16e。IEEE 802.16e使用2～6 GHz频段，采用与IEEE 802.16a同样的工作体制，在占用5 MHz带宽时上、下行链路最高速率都可以达到15 Mb/s，频谱效率为3 bps/Hz，支持本地和地区的移动性，支持漫游和切换，移动速度可以达到150 km/h。IEEE 802.16e的主要问题是切换问题，要求尽量少改变IEEE 802.16a的物理/媒体访问控制层标准。2003年9月推出了IEEE 802.16e草案第一稿，有望在2004年内提出标准。

3.2 无线广域网/移动宽带无线接入标准
    在发展制订IEEE 802.16e标准的同时，IEEE无线工作组建立了一个新的工作组——IEEE 802.20发展移动宽带无线接入（MBWA）。MBWA空中接口使用与3G同样的频率，但是要求有更高的频谱效率。IEEE 802.20工作于3 GHz以下频段，信道带宽与3G系统相同，有1.25 MHz和5 MHz两种。在占用带宽5 MHz时，最高下、上行用户峰值数据速率分别为4 Mb/s和1.2 Mb/s，每个蜂窝(扇区)下、上行峰值集中数据速率分别为
16 Mb/s和3.2 Mb/s；在占用带宽为1.25 MHz时，最高下、上行用户峰值数据速率分别为1 Mb/s和0.3 Mb/s，每个蜂窝(扇区)下、上行峰值集中数据速率分别为4 Mb/s和0.8 Mb/s。频谱效率远高于现有的各种3G系统。


    MBWA的接入网、核心网被全IP化，称为全IP网，以区别于3GPP和3GPP2演化的目标。MBWA空中链路被简单地看成为一种特殊的IP网间链路。MBWA在链路层传输IP，使用所有现存IP特征和能力。跨链路使用 IP 协议和应用流而不进行修改，如TCP按照标准工作，不修改堆栈(和有线网中一样)，不需要专门的网关。


   IEEE 802.20支持移动性，最高移动速度可以达到250 km/h。目前的问题是IEEE 802.20与IEEE 802.16e 采用类似技术，由于性能和应用没有拉开差距，发展前景不明朗。

3.3 IEEE 802.21切换研究组
    为了解决移动用户在IEEE 802.11/15/16/20系统之间的漫游切换问题，2003年IEEE 802无线工作组成立了IEEE 802 切换研究组——Handoff ECSG。目前已经正式命名为IEEE 802.21 工作组，负责制订公共切换框架用于有线和无线IEEE 802标准(如IEEE 802.3/11/16/15)，规范在不同IEEE 802媒体之间进行软硬件切换的要求以及相应的切换机制。IEEE 802工作组主要规范物理层和MAC层，包括定义需求和从第三层产生切换触发以减少物理/MAC重接时产生的时延。此外IEEE 802第二层和第二层以下层能降低总的切换时延，将非常有利于实时应用。


4 演化和发展趋势
    随着宽带网物理网络和业务的快速发展和普及，互联网网站开始赢利，互联网生态系统正在形成。互联网电话、即时通信IM、网络游戏、网络电视以及各种P2P业务等的快速发展，使得互联网运营模式强烈冲击传统电信运营模式。游牧和移动宽带无线接入与宽带互联网结合将进一步提升互联网无所不在的能力，将成为未来主流的市场需求。NGN的基本架构是各种固定和移动接入使用统一的IP核心网，无缝连接可以使用户自由移动漫游切换。


    IEEE 802.16d/e是专门为游牧和移动宽带无线接入设计的，可以满足上述各种应用的需求。其物理层和MAC层被优化设计用于支持突发分组数据，共享无线电链路。对于统一的纯IP核心网，IEEE 802.21协议解决各种不同接入网络的漫游和切换问题。对于固定网络运营商而言，利用已经有的宽带IP网的基础，采用IEEE 802.16d/e等宽带无线接入技术从固定、游牧接入和移动接入演化是明智的选择。


     对于移动运营商而言，为发挥已经有的资源的效益，沿3G路线演化是既定的选择。但是目前的3G系统的速率和容量都不能满足移动宽带接入的需求，发展高速分组技术，如HSDPA(R5)和HSUPA (R6)，可以提高速度满足宽带无线接入需求。尽管由于体制的束缚，性能、灵活性和成本与IEEE 802.16d/e相比都要差一些，但还是可以提高3G的竞争力。按照3GPP 的计划，HSDPA经过3步演化之后，将采用OFDM，这将和IEEE 802.16d/e很相似，可以说将会殊途同归。问题是，目前3GPP的从R4、R5、R6到增强3G的演化路线的演进进度太慢，有可能将失去市场机会，被WiMAX和其他技术抢占先机。如SOMA今天已经达到的性能，3GPP在R6中才可能达到，而目前R4尚无商业布设，R6则至少是二三年后的事情。标准的不断改变会使运营商无所适从(今天刚投资建一个系统，明天又要改)。从发展看移动宽带无线接入采用无连接的分组统计复用、纯IP核心网已经是大势所趋，应该尽快完成过渡。一步到位是有益的。


    对于TD-SCDMA ，由于2005年WCDMA的HSDPA将商业化，届时TD-SCDMA 如果没有类似的产品在竞争中将处于劣势位置。虽然 WCDMA和TD-SCDMA都采用3GPP的核心网，但是TD-SCDMA不能使用WCDMA发展的HSDPA产品。TD-SCDMA应尽快发展自己的类似技术。此外，TD-SCDMA可以考虑摆脱3GPP演化路线的束缚，一步到位采用纯IP核心网。这样一来TD-SCDMA将有可能成为一种高性能的移动宽带无线接入技术，具有更强的竞争力。TD- SCDMA的自主知识产权原来主要集中在空中无线电部分，采用纯IP核心网后可以发展到整个系统拥有自主知识产权