要害詞：通信；寬帶無線接入；全球微波接入互操作性；IP多媒體子系統

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“運營商的煩惱：3G剛有眉目，WiMAX又出來攪局”，非常形象地概括了目前3G和移動寬帶無線接入之間的競爭局面。文章指出“3G網絡的速度是WiMAX的三十分之一，3G發射塔的覆蓋面積是WiMAX的十分之一”。3G采用的是碼分多址(CDMA)技術，而WiMAX采用正交頻分多址(OFDMA)技術，兩種無線電技術的性能差距并沒有這么大，實際上造成3G頻譜效率低的原因是其面向連接的結構不適應突發式IP數據業務的需求。3G系統采用全IP的結構，無線鏈路分組化也有可能達到與WiMAX等移動寬帶無線接入系統相近的性能，問題是3G目前逐步演進的策略有可能使其失去時間和市場。

    3G是十多年前開發設計的，當時互聯網還沒有商業化，其設計的基本思路是在話音業務基礎上增加多媒體數據業務。3G強調從2G的過渡，保護運營商在 2G的已經有的投資，為此與2G一樣，3G仍然是一個面向連接提供端到端專門時分復用(TDM)信道的系統?；ヂ摼W出現后，第3代移動通信合作計劃(3GPP)和3GPP2都開始了IP化的演化進程[1]。3GPP已經布設了提供商業服務的采用電路交換的R99，發表了軟交換部分IP化的R4、核心網IP 化有IP多媒體子系統(IMS)的R5，即將推出R6，進一步還有增強型3G。問題是假如仍然繼續保持面向連接的結構，其支持突發式互聯網數據業務時頻譜效率必然很低。3G 可以支持話音和低速率數據，但是其容量實際上不能支持多個高速數據用戶。沒有高速下行分組接入(HSDPA)，3G用戶的使用感受實際上和2.5G是差不多的。

1 3G無線鏈路的分組化
    3GPP和3GPP2都熟悉到支持高速數據用戶的問題，試圖在原來的體系框架內，在下行鏈路中采用分組多址技術，大幅度提高IP數據下載和流媒體速率。3GPP在R5以后的系統中引入了HSDPA[2]，HSDPA使用自適應調制編碼(AMC)、混合自動重傳(HARQ)和快速調度等技術進一步提高數據速率。在WCDMA R5中引入HSDPA技術后，UTRAN部分的結構基本不變，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對多輸入多輸出(MIMO)與高階調制等技術正在進行研究，希望可以進一步提高下行鏈路的數據速率。目前HSDPA標稱速率為10 Mb/s，實際速率：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。3GPP2則發展了CDMA2000 1x EV-DV。HSDPA 和CDMA2000 1x EV-DV的思路及采用的技術是很相近的，發展演化后它們最終目標的差別將很可能僅僅是帶寬不同。
HSDPA和CDMA2000 1x EV-DV是在3GPP(3GPP2)框架中發展的，在考慮與原系統核心網絡的兼容后，性能會受些影響。如3GPP雖然經過多個版本演化，它的全IP網仍然不是真正意義上的全IP網，因此作為移動寬帶無線接入還不夠理想，需要進一步向IP演化。盡管如此，HSPDA和CDMA2000 1x EV-DV對于3G滿足移動寬帶無線接入需求來說是非常重要的一步。

2 系統廠商的努力
    目前有一些系統廠商突破了3G體系結構限制，采用WCDMA，采用全IP核心網，取得了非常好的效果。如SOMA公司的頻分復用(FDD)的SOMA系統和IP Wireless公司的采用時分復用(TDD)的IP Wireless系統。
    IP Wireless 公司的系統的移動寬帶無線接入技術采用歐洲的UMTS TDD空中無線電標準。UMTS的FDD標準為IMT2000接受，即WCDMA；IMT2000沒有接受UMTS的TDD標準而是接受了TD-SCDMA作為TDD的標準。IP Wireless發展了用戶分組統計共享空中信道的技術，用戶可以保持在線而不占用信道資源。IP Wireless的移動寬帶無線接入系統不需要使用成對頻譜，可使用5～10 MHz帶寬，最高速率可以達到16 Mb/s。
SOMA公司采用WCDMA FDD的空中無線電接口標準，號稱采用最先進的技術達到了山農定理的理論極限容量。在媒體訪問控制(MAC)層采用高效率的無連接的數據傳輸，以及采用自適應調制和編碼、智能RRM算法來壓縮報頭減小內部開銷；在終端中采用自適應均衡功能消除非視線傳輸的多徑干擾。SOMA的核心網為全IP網，自動配置即插即用。系統使用5 MHz帶寬，一個扇區峰值速率可以達到12 Mb/s，一個蜂窩6個扇區峰值速率可以達到72 Mb/s。系統支持室內工作，支持低頁面延遲Web瀏覽、FTP高速文件傳輸、郵件收發、流視頻傳輸、網絡治理。用戶可通過網頁激活話音和數據業務，通過會話啟動協議(SIP)網關實現端到端互連接話音業務。

    SOMA采用WCDMA空中無線電技術，大幅度提高了寬帶無線接入速率和頻譜效率，超過3G WCDMA，達到和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務為主的面向連接的體制。
要注重的是，盡管SOMA自己認為將在3GPP的R6中能夠和WCDMA融合，但是3GPP并沒有表明這個意向。3GPP仍然在沿著HSDPA演化。

3 固定移動寬帶無線接入標準的進展
    由于3G不能很好地支持寬帶無線接入，向全IP化演化需要一個漫長的過程。IEEE 802工作組在成功制訂無線局域網(WLAN)標準的基礎上，按照寬帶無線互聯網接入需求，進一步發展制訂了無線城域網(WMAN )標準：IEEE 802.16d/e、無線廣域(WWAN)標準：IEEE 802.20以及漫游切換標準：IEEE 802.21。

3.1 無線城域網/固定移動寬帶無線接入標準
    IEEE 802.16[3]最初被設計用于固定無線視線通信，提供點到點的連接，采用TDMA-TDD/FDD體制，使用11～66 GHz頻段，速率最高可以達到155 Mb/s。IEEE 802.16標準  2001年12月發布，2002年12月發布IEEE 802.16互用性標準。

    為了滿足固定寬帶無線接入的需求，需要提供點到多點的非視線通信能力，為此，IEEE進一步發展了IEEE 802.16a標準。IEEE 802.16a使用2～11 GHz頻段，占用20 MHz帶寬時速率可達75 Mb/s，采用SC2/OFDM/OFDMA/OFDMA2物理層體制；點對多點大蜂窩工作時主要采用OFDM/OFDMA體制。IEEE 802.16a是按照支持互聯網業務需求設計的，采用快速調度、自適應編碼調制和自動重發技術實現無線鏈路的分組化。IEEE 802.16a標準2003年1月發布。IEEE 802.16a寬帶無線接入系統可以服務于居民區，有3種應用方式：一是用于數字用戶線(DSL)的補充，寬帶無線接入(BWA)系統的工作距離遠于 DSL，但可以提供同樣的業務；二是相互競爭的運營商可以用BWA在別的運營商擁有市話網的地區提供寬帶接入業務；三是用于干線，連接蜂窩基站。BWA與固定寬帶網相比經濟優勢明顯(價格在2萬美元以下的無線基站，可以同時為60個客戶提供1.5 Mb/s 速率的連接)。目前IEEE 802.16和IEEE 802.16a經過修訂統一命名為IEEEE 802.16d，標準即將發布。在市場對移動寬帶無線接入需求的推動下，2002年IEEE 802設立了固定移動寬帶無線接入(FMBWA)研究組，在IEEE 802.16a的基礎上增加移動能力將BWA變為FMBWA，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帶寬時上、下行鏈路最高速率都可以達到15 Mb/s，頻譜效率為3 bps/Hz，支持本地和地區的移動性，支持漫游和切換，移動速度可以達到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/媒體訪問控制層標準。2003年9月推出了IEEE 802.16e草案第一稿，有望在2004年內提出標準。

3.2 無線廣域網/移動寬帶無線接入標準
    在發展制訂IEEE 802.16e標準的同時，IEEE無線工作組建立了一個新的工作組——IEEE 802.20發展移動寬帶無線接入（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系統相同，有1.25 MHz和5 MHz兩種。在占用帶寬5 MHz時，最高下、上行用戶峰值數據速率分別為4 Mb/s和1.2 Mb/s，每個蜂窩(扇區)下、上行峰值集中數據速率分別為
16 Mb/s和3.2 Mb/s；在占用帶寬為1.25 MHz時，最高下、上行用戶峰值數據速率分別為1 Mb/s和0.3 Mb/s，每個蜂窩(扇區)下、上行峰值集中數據速率分別為4 Mb/s和0.8 Mb/s。頻譜效率遠高于現有的各種3G系統。

    MBWA的接入網、核心網被全IP化，稱為全IP網，以區別于3GPP和3GPP2演化的目標。MBWA空中鏈路被簡單地看成為一種非凡的IP網間鏈路。MBWA在鏈路層傳輸IP，使用所有現存IP特征和能力?？珂溌肥褂?IP 協議和應用流而不進行修改，如TCP按照標準工作，不修改堆棧(和有線網中一樣)，不需要專門的網關。

   IEEE 802.20支持移動性，最高移動速度可以達到250 km/h。目前的問題是IEEE 802.20與IEEE 802.16e 采用類似技術，由于性能和應用沒有拉開差距，發展前景不明朗。

3.3 IEEE 802.21切換研究組
    為了解決移動用戶在IEEE 802.11/15/16/20系統之間的漫游切換問題，2003年IEEE 802無線工作組成立了IEEE 802 切換研究組——Handoff ECSG。目前已經正式命名為IEEE 802.21 工作組，負責制訂公共切換框架用于有線和無線IEEE 802標準(如IEEE 802.3/11/16/15)，規范在不同IEEE 802媒體之間進行軟硬件切換的要求以及相應的切換機制。IEEE 802工作組主要規范物理層和MAC層，包括定義需求和從第三層產生切換觸發以減少物理/MAC重接時產生的時延。此外IEEE 802第二層和第二層以下層能降低總的切換時延，將非常有利于實時應用。

4 演化和發展趨勢
    隨著寬帶網物理網絡和業務的快速發展和普及，互聯網網站開始贏利，互聯網生態系統正在形成?；ヂ摼W電話、即時通信IM、網絡游戲、網絡電視以及各種P2P業務等的快速發展，使得互聯網運營模式強烈沖擊傳統電信運營模式。游牧和移動寬帶無線接入與寬帶互聯網結合將進一步提升互聯網無所不在的能力，將成為未來主流的市場需求。NGN的基本架構是各種固定和移動接入使用統一的IP核心網，無縫連接可以使用戶自由移動漫游切換。

    IEEE 802.16d/e是專門為游牧和移動寬帶無線接入設計的，可以滿足上述各種應用的需求。其物理層和MAC層被優化設計用于支持突發分組數據，共享無線電鏈路。對于統一的純IP核心網，IEEE 802.21協議解決各種不同接入網絡的漫游和切換問題。對于固定網絡運營商而言，利用已經有的寬帶IP網的基礎，采用IEEE 802.16d/e等寬帶無線接入技術從固定、游牧接入和移動接入演化是明智的選擇。

     對于移動運營商而言，為發揮已經有的資源的效益，沿3G路線演化是既定的選擇。但是目前的3G系統的速率和容量都不能滿足移動寬帶接入的需求，發展高速分組技術，如HSDPA(R5)和HSUPA (R6)，可以提高速度滿足寬帶無線接入需求。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的競爭力。按照3GPP 的計劃，HSDPA經過3步演化之后，將采用OFDM，這將和IEEE 802.16d/e很相似，可以說將會殊途同歸。問題是，目前3GPP的從R4、R5、R6到增強3G的演化路線的演進進度太慢，有可能將失去市場機會，被WiMAX和其他技術搶占先機。如SOMA今天已經達到的性能，3GPP在R6中才可能達到，而目前R4尚無商業布設，R6則至少是二三年后的事情。標準的不斷改變會使運營商無所適從(今天剛投資建一個系統，明天又要改)。從發展看移動寬帶無線接入采用無連接的分組統計復用、純IP核心網已經是大勢所趨，應該盡快完成過渡。一步到位是有益的。

    對于TD-SCDMA ，由于2005年WCDMA的HSDPA將商業化，屆時TD-SCDMA 假如沒有類似的產品在競爭中將處于劣勢位置。雖然 WCDMA和TD-SCDMA都采用3GPP的核心網，但是TD-SCDMA不能使用WCDMA發展的HSDPA產品。TD-SCDMA應盡快發展自己的類似技術。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。這樣一來TD-SCDMA將有可能成為一種高性能的移動寬帶無線接入技術，具有更強的競爭力。TD- SCDMA的自主知識產權原來主要集中在空中無線電部分，采用純IP核心網后可以發展到整個系統擁有自主知識產權。

5 參考文獻
[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，中國科學院聲學研究所DSP工程中心研究員，中國科健股份有限公司董事長，信息產業部通信科技委委員，廣播電影電視總局高級技術顧問。曾任中國科學院秘書長、聲學研究所所長。