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新型宽带无线接入系统研发进展

2009-7-28 13:43| 投稿: net

摘要:      摘要:宽带无线接入系统已经成为宽带接入和移动通信领域面向未来演化的主体方向之一,但在实际应用和产业推广过程中却遇到了很大困难,需要进一步定位宽带无线接...
     摘要:宽带无线接入系统已经成为宽带接入和移动通信领域面向未来演化的主体方向之一,但在实际应用和产业推广过程中却遇到了很大困难,需要进一步定位宽带无线接入系统的典型服务模式,推动宽带无线接入关键技术的创新发展,促进宽带互联网络的骨干支撑作用。文章介绍一种宽带无线多媒体接入系统,尝试将地面数字电视系统与宽带无线接入系统结合在一起,以宽带互联网络为核心网平台,共同构建面向“三网融合”的新型宽带无线接入网络。初步研究结果表明,新型宽带无线接入系统可有效地缓解当前宽带无线接入系统所面临的尴尬局面,并在业务范畴、业务覆盖、频率规划、终端功耗和建网成本等多个方面取得较大竞争优势。   Abstract:Broadband Wireless Access (BWA) has become one of the major directions for the evolution of both broadband access and mobile communications. However, some difficulties emerged during application and industrialization of BWA systems, which call for typical service models, technology innovations and backbone support from broadband Internet. A Broadband Wireless Multimedia (BWM) system is proposed in this paper. The system aims at a new-type “triple-play” BWA network by using the broadband Internet as the core network platform and integrating the terrestrial digital TV broadcasting system and the BWA system with the proprietary intellectual property rights. According to the latest research results, the BWM system is an effective solution to the existing difficulties of BWA systems. Moreover, it is competence in service provision, service coverage, frequency planning, terminal power consumption and cost for network building.   宽带无线接入网络是所有具备宽带接入能力的无线网络的统称,与传统无线通信相比,宽带无线接入系统主要针对接入网络进行宽带传输和无线资源管理的优化,以支持高速数据、实时视频等宽带业务的传送。自1999年IEEE成立802.16标准工作组以来,面向城域覆盖的宽带无线接入系统已迅速成为当今信息技术(IT)和电信领域的研究焦点之一。经过几年的努力,IEEE 802.16标准工作组先后推出了面向固定接入模式和移动接入模式的IEEE 802.16和IEEE 802.16e标准,并在2006年初启动了面向中继拓扑的新型宽带无线接入标准IEEE 802.16j的制订[1-3]。   从技术角度看,IEEE 802.16标准系列的宽带无线接入系统在接入网方面出现了较大的革新,实现了分组域全业务通信,有完善的服务质量(QoS)架构和信令体系,逐步过渡到正交频分多址接入(OFDMA)方式,支持自适应调制编码(AMC)、混合自动重传(HARQ)和多输入多输出(MIMO)等增强策略,但标准也仅仅规定了宽带无线接入网络的空中接口部分,系统完整性需进一步完善。一般认为,宽带无线接入网既支持与专网,又支持与宽带互联网进行系统整合,例如,宽带无线接入网与专用IP核心网(如NGN/IMS)整合构成电信运营网,而与公众互联网整合则构成宽带无线互联网。但从产业角度讲,宽带无线接入系统如要迅速发展至少还须解决另外4个方面的问题,就是杀手级业务、良好的运行频率、终端低功耗和公众互联网核心支撑能力。纵观当今以IEEE 802.16系列标准为基础的宽带无线接入系统,如果不能妥当地解决这些问题,其在产业化过程中必然会遇到许多意想不到的困难。   自2003年起,在中国有较大影响的FuTURE研究计划开始有选择地将宽带无线接入关键技术列入攻关内容,并先后取得了一系列重要成果,积累了相当数量的知识产权。同时受国际形势的影响,中国各级标准化组织开始制订对应于IEEE 802.16标准系列的行业标准,并酝酿相关国家标准。其中比较有影响的是由中国3部委(中国国家发改委、信息产业部和科技部)联合成立的宽带无线接入工作组、中国通信标准化协会TC5 WG3工作组以及中国国家信息标准化委员会宽带无线多媒体标准工作组。   与其他工作组相比,中国国家通信标准化委员会的宽带无线多媒体标准的定位与典型宽带无线接入系统明显不同,是自主宽带无线接入系统和数字地面电视系统的内在融合,技术基础主要来自于FuTURE研究计划、中国下一代互联网(CNGI)研究计划以及中国颁布的自主移动电视标准,并在一定程度上吸收了IEEE 802.16系列标准的优点。宽带无线多媒体标准推荐使用超高频(UHF)频段,但也支持其他频段(如3.5 GHz)的运行;可以分解成广播电视系统和宽带无线接入系统单独运营,但也支持联合运营,是无线“三网融合”的有效解决手段;推荐基于点对点(P2P)会话初始协议(SIP)的智能节点层叠网(叠加在公众互联网上的有一定QoS保障的虚拟网)作为宽带无线多媒体接入网的核心网,但也支持与NGN/IMS接口。空中接口在上行采用面向低功耗优化的广义多载波(GMC)技术。   1  宽带无线多媒体接入网的关键技术   本文重点讨论宽带无线多媒体接入网涉及到的主要关键技术,包括无线网络架构、物理层关键技术以及MAC层关键技术。对其他关键技术,如安全加密子层技术、核心网技术等,限于篇幅不予详述。   1.1 无线网络架构   宽带无线多媒体系统必须解决广播电视和宽带无线接入的统一传输和资源协调问题,在无线网络架构中最大程度地重用数字地面电视网络和无线城域网络的现有资源,实现网络架构方面的融合。宽带无线多媒体的网络拓扑有3种类型,分别支持广播电视和宽带无线接入两种典型业务。   1.1.1 大区覆盖模式   以大区覆盖方式为广播电视提供无线网络是当前地面数字电视系统普遍采用的方式,宽带无线多媒体系统沿用了这个技术,并依需求支持多区单频组网(SFN),以提供区域性的广播电视业务。其网络拓扑如图1所示。   根据宽带无线多媒体系统的技术特点,大区覆盖模式既可以视之为单独运营的模式,也可以视之为与宽带无线接入网相融合的预先部署模式。在第2种运营场景里,一旦以小区覆盖模式为主体的宽带无线接入网部署完毕,宽带无线多媒体系统就可以过渡到大小区混合覆盖模式,提供广播电视和宽带无线接入业务。   1.1.2 小区覆盖模式   小区覆盖模式是宽带无线多媒体系统提供双向业务的前提。小区覆盖模式依据运行需求又可以进一步分为热点覆盖和蜂窝覆盖模式,而蜂窝覆盖模式类似于传统的移动通信蜂窝网络。基于小区覆盖模式,宽带无线多媒体系统也能够在一定范围内进行单频组网以提供广播电视业务,因此,小区覆盖模式将是宽带无线多媒体系统商业运营中的主体组网模式之一。其网络拓扑如图2所示。   基于小区覆盖模式,宽带无线多媒体可在一定程度上提供融合的广播电视和宽带无线接入业务,这也是与传统蜂窝移动通信系统相兼容的无线网络规划方式,因此,可以考虑与传统2G和3G移动通信系统共站址的运营模式。   1.1.3 大小区混合覆盖模式   大小区混合覆盖模式是宽带无线多媒体系统推荐的无线组网方式,其网络拓扑如图3所示。换言之,就是以地面数字电视系统的大区覆盖模式提供广播电视业务,而以蜂窝小区覆盖模式提供宽带无线接入业务。这样做的好处是:广播电视业务通常是面向区域覆盖的,网络容量不是首要矛盾,以大区基站提供服务既可以避免基站同步、小区切换等开销,又可以有效降低组网和设备成本。   以大小区混合覆盖模式规划无线网络是宽带无线多媒体系统采用的一项新技术,其技术可行性仍需进一步论证,只有经过反复试验才能最终核定。   1.2 物理层关键技术   宽带无线多媒体系统的物理层以多址技术、广播技术和其他增强型技术(如MIMO、AMC等)为基础。   1.2.1 无线帧结构   宽带无线多媒体系统的空口无线帧主要由广电数据和宽带无线接入数据组成,二者以时分复用(TDM)的方式实现整个无线帧的资源复用,如图4所示。宽带无线接入数据又分成上行数据(UL)和下行数据(DL),实现双向通信的时分双工(TDD)方式。   1.2.2 上行多址方案   随着Web2.0时代的来临,传统上下行带宽不对称、上行能力较下行能力为弱的现象即将消失,迫切需要增强和扩展上行多址方案的传输能力。宽带无线多媒体系统采纳FuTURE计划的研究成果广义多载波(GMC)作为上行接入的多址方案,具有与国际同类主流技术相比拟的综合指标,并体现出更为稳健的传输性能。图5给出了宽带无线多媒体系统采用的GMC方案的原理图。   与IEEE 802.16e OFDMA方案相比,GMC方案在付出较小计算和硬件复杂度代价的前提下拥有一定的技术优势:   (1)与OFDMA相比,GMC发射机生成信号的峰均比(PAPR)存在较大优势,达到2~4 dB。   (2)GMC针对发射信号设置了频域保护子带和时域循环前缀,其接收机同步精度需求比OFDMA方案要明显降低。   (3)GMC可有效抑制因远近效应、同步或者功率控制欠佳引起的多址干扰,传输性能比较稳健。   1.2.3 下行多址方案   OFDMA多址技术是当今宽带无线通信领域几乎公认的下行方案第一优选,实现简单,易于集成MIMO等增强技术。经过反复讨论,宽带无线多媒体标准工作组建议沿用这一技术。除此之外,宽带无线多媒体系统还希望吸收FuTURE计划的研究成果统一的多输入多输出(U-MIMO)作为多天线传输部分的解决方案,以有效提升系统和终端的吞吐量,并适度抑制移动信道的衰落效应。图6所示为经典OFDMA方案的发射原理,MIMO传输原理如图7所示。   与其他MIMO传输技术相比,U-MIMO技术较好地保持了下列技术优势:   (1)环境适应性强。基于环境探测机制易适应空间相关性存在较大差异场景的通信需求。   (2)发射和检测算法简单。基于预编码机制统一生成发送信号流,而基于MMSE/SIC统一实现时空信号的二维检测,复杂度不高。   (3)信道编码和空时发射/检测算法分开实施。当正交变换为GMD变换时,空间多流共享相同码率的信道编码码流,对于闭环控制机制和反馈信令信道的压力明显降低。   1.2.4 下行广播方案   无线帧结构显示,广播数据和宽带无线接入数据通过TDM的方式进行复用。初步评估结果表明,这样的复用结构有利于广播业务和宽带无线接入业务的独立运营。基于此,下行广播方案和宽带无线接入方案的耦合性和相互依存性应尽量降低方可以达到既定目标;另一方面,这样的处理方法也能够最大程度上重用现已颁布的移动电视和宽带无线接入的创新成果,达到技术开发和产业应用的双赢。   以国家广电系统新近颁布的移动电视标准——STiMi(基于OFDMA的广电行业标准《广播信道帧结构、信道编码和调制》)仅在带宽配置等参数设计和部分技术方面与宽带无线接入系统进行了融合。原则上讲,宽带无线多媒体系统还可以与其他地面数字电视系统进行融合,这完全取决于运营方面的需求,灵活性很强,在此不予详述。   1.3 MAC层关键技术   作为无线资源管理的协调中心,媒体接入控制(MAC)层协议和相关技术制约着整个接入网的运行效率和稳健性。IEEE 802.16e标准针对全分组域提供了信令结构和QoS体系,依靠无线资源调度策略实现了全业务的调度和控制,有效地缓解了传统电路域或者电路分组混合域的实现对硬件支撑系统的成本压力,应视之为新一代宽带无线通信里程碑式的技术进展。   宽带无线多媒体系统的MAC层协议栈在信令结构和QoS体系上最大程度地参考了IEEE 802.16e标准,但结合移动电视业务的特殊需求,重新设计形成了广电业务和宽带无线接入业务的MAC融合体,称为融合媒体接入控制(CoMAC)协议栈。图8所示为CoMAC的基本结构。   概括而言,CoMAC协议栈具有下列技术特征:   (1)具备3种典型的子层划分:网络适配子层(NAS)、媒体控制与管理子层(MCMS)和安全子层(SES)。   (2)QoS体系原则上支持4种业务等级,即主动授权业务(UGS)、实时轮询业务(RTPS)、非实时轮询业务(NRTPS)和尽力传输业务(BE)。移动电视业务原则上也划归UGS业务类型,但由网络侧启动服务。   (3)整个信令系统均面向连接运行,以动态流的方式管理所有连接。   (4)全体分组业务由MCMS子层管理和调度,同时,移动切换和无线资源管理的其他组成部分也由MCMS子层负责实施。   2  研发进展   针对宽带无线多媒体系统的总体研制工作始于2004年晚些时候,其中部分关键技术在2006年下半年完成的FuTURE研究计划中的测试外场进行过验证。其后,为进一步扩大成果,在上海市科委、发改委和信息委等部门的鼎力支持下,以上海无线通信研究中心、中科院微系统所和上海睿智通无线技术有限公司为技术主体,联合中科院其他研究所、国家信息标准化委员会、东南大学、清华大学、上海交通大学等高等院校的研发力量,策划了崇明岛宽带无线多媒体系统示范外场,并配合作为国家信息标准化委员会宽带无线多媒体标准的验证外场。同期研制相关设备及软件系统,包括未来将对产业产生巨大推动作用的核心芯片。   目前,崇明岛宽带无线多媒体示范外场一期工程已经完成,成功地构建了覆盖崇明岛重要景区的宽带无线接入网络,但是,一期的网络尚不能够将广播电视业务和宽带接入业务有机地整合在一起,换言之,一期的网络还是构建于宽带无线接入技术的基础之上。图9描述了一期网络覆盖的基本情况。根据规划,2007年底之前将在崇明岛示范外场演示具有“三网融合”功能的宽带无线多媒体系统。   3  结束语   本文介绍了国家信息标准化委员会宽带无线多媒体标准工作组的近期工作成果,提供了一种面向无线“三网融合”的技术解决方案,将广播电视和宽带无线接入业务有机地组合在一起,并简要介绍了其网络、传输、协议等方面的关键技术。目前,宽带无线多媒体系统的研制工作总体上还处于标准制订和验证阶段,产业联盟尚没有建立,距离产业化要求还有很大差距,需要今后几年持续不断地努力才有可能最终达成技术自主创新和服务于产业的双重成果。   4  参考文献   [1] IEEE 802.16-2004. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: air interface for fixed broadband wireless access systems [S]. 2004.   [2] IEEE 802.16e-2005. IEEE standard for local and metropolitan area networks, Part 16: air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems [S]. 2005.   [3] GY/T 220.1-2006. 移动多媒体广播, 第1部分: 广播信道帧结构、信道编码和调制 [S]. 2006.   作者简介:   张小东,中科院上海无线通信研究中心主任助理兼副总工程师,中科院上海微系统与信息技术研究所研究员。先后参与10项国家和省部级项目,已发表学术论文30多篇,申请国家发明专利30多项、国际发明专利3项。 卜智勇,上海无线通信研究中心副主任,中科院上海微系统与信息技术研究所研究员,上海睿智通无线通信技术有限公司总裁。先后主持和参与多项国家和省部级项目,已发表学术论文20多篇,申请国家发明专利20多项。 尤肖虎,东南大学信息科学与工程学院院长、移动通信国家重点实验室主任、博士生导师,长江学者奖励计划特聘教授,国家级有突出贡献的中青年专家。长期从事无线移动通信研究与开发,1999—2002年担任国家第3代移动通信系统研究开发项目总体组组长,目前担任国家“863”计划通信技术主题专家组副组长、未来移动通信总体专家组组长。

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