发信人: ydc (高个子,大胖子), 信区: CRC
标  题: 移动宽带系统的关键技术与研究现状
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年12月14日18:55:26 星期四), 站内信件

1 引言

____随着多媒体业务通信和宽带综合业务数字网（B-ISDN）的发展，人们对无线宽
带系统的需求日甚，无线ATM成为近年来的研究热点，其中尤以欧洲从RACEⅡ计划
开始研究的移动宽带系统（MBS）（R2067）最为典型。

____MBS的基本思想是使移动用户（移动速度可以超过100km/h）完全结合入基于
ATM的B-ISDN，并能提供其它移动通信系统的所有业务。这就要求在MBS的空中接口
处直接转移ATM信元，其ATM信元的转移容量将达到155Mbit/s*。因此，这也带来了
在其它一系列较低速率移动通信系统中没有遇到过的新问题：一方面MBS的高速率
设计迫使其载波选用毫米波波段，如40GHz、60GHz频段；另一方面从网络观点来看
，用户的多媒体业务应用需占用系统中较多的可用容量，使得MBS的网络性能比其
它较低速率的移动通信系统要求更高、更严。但归根到底，关键还是在于开发适用
的低成本毫米波元器件。

____欧洲RACEⅡ计划中MBS(R2067)的研究目标，就是为了将全部移动通信能力结合
到B-ISDN中，研究开发能够满足宽带移动所需要的新技术和新工艺（主要由于工作
频率太高而引起），并鉴别移动用户对不来通信的需求以及市场特征，检验某些市
场因素对此结合产生的影响，最终通过建立实验系统来证明其基本思想的可行性。
具体的一些关键性研究开发工作包括以下几个方面*：

　　①开发系统结构及其与B-ISDN固定网的接口；
　　②研究60MHz无线电波传播特性；
　　③开发包括平面天线在内的低成本毫米波天线；
　　④开发通用的60GHz频段空中接口；
　　⑤开发60GHz频段蜂窝小区划分及覆盖的方法和技术；
　　⑥应用单片微波集成电路新工艺设计、生产和测试上变频器、功率放大器及前
置放大/混频器；
　　⑦完成在60GHz无线链路上移动连接总传输速率达到32Mbit/s、对数字视频信
息业务提供16Mbit/s数据传输速率的实验系统。

____到1995年RACE计划结束时，已从MBS实验系统的开发和运作结果证实了MBS思想
是可以实现的，并在系统概念和毫米波器件开发方面为MBS的实用化打下了基础。
随后，MBS又被列入ACTS计划（AC204:SAMBA），以期利用RACE计划中的研究成果，
根据实际需要和现实可能，为建立泛欧的、具有国际竞争力的移动宽带系统，做进
一步验证性的研究和开发尝试。

　

2 MBS空中接口和网络协议

____因为MBS将基于ATM的B-ISDN固定服务直接延伸至移动用户，这就要求其无线链
路对网络透明，所以在MBS的空中接口协议中不包括ATM适配层（AAL）。图1示出了
MBS实验系统空中接口的协议分层模型*，其中ATM 物理层由特定的无线物理层加上
互相配合运作的媒介接入控制层和逻辑链路控制层所代替。

____在MBS网络中，每个基站服务一个小区，数个基站共同连接到一个基站控制器
上。基站控制器类似一个增加了移动管理控制功能、连接在ATM固定网上的ATM复用
器。在ATN固定网上还没有一个专用的ATM交换机，用来支持连接不同基站控制器无
线小区之间的越区切换。

2.1　M-PHY层

____对于MBS这样容量达每秒上百兆的宽带系统，需要占用频谱宽度也将为上百兆
赫兹，这是通常用于移动通信而已十分拥挤的UHF频段无法提供的。毫米波段有着
较丰富的可用频谱资源，而且在60GHz频段具有峰值高达15dB/km的氧气吸收可用来
增加频率复用和系统容量，因此成为MBS 等宽带系统的首选载波*。

____文献[5]等给出了60GHz频段电波在室内外情况下平均功率衰耗和冲击响应的测
量结果。这些结果被用来建立起了60GHz无线信道的损耗和限制的分析模型，而该
模型则是评估和选适用的调制、均衡、同步、信道编码、多址接入、天线构成、低
层协议和小区覆盖等方法的基础*。

____对于毫米波段，天线的尺寸较小，从而使MBS中的移动终端和基站都能够应用
窄波束天线系统。选用窄波束天线不仅可以获得较高的增益，还可因不接收与其指
向相差较大的反射波而获得较低的时延散布值。时延散布限制着最大数据传输速率
， 而这通常又是用均衡器难以完全解决的问题，因此，窄波束天线的应用对此问
题的解决有很大的帮助。

____在MBS实验系统中，无线接入采用的是目前看来更切合实际的频分多址/时分多
址（FDMA/TDMA）技术，调制解调则采用四电平交错正交幅度调制（4OQAM）技术。
一个FDMA信道可提供34Mbit/s的净容量，最多可并联使用四个频道以满足高速率需
求。

____为支持M-MAC层中上行链路分时隙ALOHA的公平性，MBS采用了发射功率控制技
术，以消除无线接收的捕获效应。

2.2 M-MAC层

____要在数个移动站与一个中心基站之间的空中接口透明地转移ATM信元，需用一
个MAC方案以移动站之间对无线物理信道的竞争，并在无线信道上延伸ATM复用器中
的统计复用。当MBS中建立起多个移动站的VCC后，由基站管理它们接入的无线信道
。若用在帧结构内进行时隙位置预约的MAC协议，如分组预约多址接入（PRMA），
将会导致较高的排队时延；并且基于PRMA的协议还存在着因预约的时隙未被使用而
造成容量浪费的现象，所以MBS采用了一个时隙接一个时隙进行无线信道容量分配
（水平预约）的MAC协议，称为动态时隙分配（DSA++）*。

____DSA++的基本思想是把几个移动站和一个中心基站组成的小区当作分布的排队
系统来处理。中心MAC调度在基站控制器内根据测量得的短期容量需求和VCC规定的
QoS参数，并服从"虚时钟"（Virtual clock）或"时延最早到期"（Delay 
Earliest-due-date）或"时延抖动最早到期"（Jitter Earliest-due-date）的服
务策略，来决定每个VC的优先权，而下一个时隙就分配给优先权最高的VC。基站报
告上一个上行链路时隙的状态（空闲、成功、碰撞），并在每一个下行时隙为下一
个（或多个）上行时隙预约报文。所以上行链路的时隙有两种：预约时隙和竞争时
隙。预约时隙只预约给某规定的排队VC，移动站在每个上行传输的信元中增加了一
个后续传输请求的短报文，以申请进一步的时隙预约；而竞争时隙可由每个排队的
VC遵照分时隙ALOHA协议随机接入，特别是新呼叫信元则只能在规定的竞争时隙上
传送。根据模氦分析结果*，DSA++ 能够同时提供较短的传输延时和较大的吞吐量
。

2.3 M-LLC层

____ATM概念是在假设传输质量能够得到保证的情况下开发的，这在光纤通信系统
当然可行。然而由于无线链路的传输质量很差，故需要增加一个可以自适应于空中
接口特征的纠错方案。为此，在MBS的M-LLC层中开发了一个自适应于不同服务等级
、结合前向纠错（FEC）的选择性重发（ARQ）协议*，它与M-MAC协同运作来进行重
传数目控制，只有未超过业务规定的最大时延的ATM信元才可重发，一旦超过，
ATM信元就被丢弃，这样一来就又起到了流控的作用，防止拥塞的发生。文献[10]
中给出了该协议在性能模氦结果，表明该协议可以使无线链路的通信质量大为改善
。

____LLC层的另一个任务，是为那些比一个载波所能提供的数据传输速率要求更高
速率的业务，提供多链路并行传输。这只当移动站上有多个收发信机时才适用。

2.4　动态资源管理

____MBS因选用60GHz频段使蜂窝小区很小，而且其可支持的移动速度又很高，这使
得各小区的业务量分布不均匀。为了有效利用频谱资源，MBS中采用了基于干扰测
量值的信道表，移动站可根据此表来为新呼叫或越区切换呼叫建立新连接。在越区
切换情况下， 此新连接将与旧连接并存一段时间，以实现用户察觉不到的"无缝隙
"越区切换。基站控制器则掌握一部分信产信当受其控制的某些小区中预先分配的
固定信道已不能满足业务量增长需求时，将它们按实际需要动态地分配给这些小区
。所以此方案称为"灵活的"DCA方案*。

2.5　越区切换

____为支持用户的移动性，通信中的移动用户需要有越区切换协议来保护QoS。因
为在MBS网络结构中，每个基站服务一个小区，数个基站连接到一个基站控制器上
，而基站控制器则直接连接在B-ISDN。所以MBS中的越区切换分为两层， 即接同一
基站控制器的基站间切换和连接不同基站控制器的基站间切换，并采用基于测量的
算法来判决越区切换的发生*。

____如果只是在一个基站控制器内的基站间越区切换，则切换完全在LLC子层进行
，而网络的ATM层不受影响。较低的LLC子层通过建立多个虚连接来为移动用户从一
个基站无缝切换到另一个基站。因此越区切换过程对ARQ协议的事件是透明的。

____MBS的W-ATM网将被结合入B-ISDN。由于移动站的移动，为之服务的基站控制器
也将跟着交换，因此连接不同基站控制器的基站间需要网络支持的越区切换（图1
）。网络支持的越区切换需要快速建立ATM虚连接路由，而这是现有的ATM层协议尚
不能支持的。 如果把每次网络接入点的改变都当作一次新呼叫的建立是不能被接
受的，因为这将会丢失ATM信元使QoS降低到不能接受的程度。为使ATM网能支持连
接移动宽带终端VCC的越区切换，固定网的功能就得扩充。

____一种受推荐的解决方案就是基于"虚树"的概念，它依赖于连接到某ATM交换机
的ATM移动服务器（AMS），如图2所示。当执行由移动站控制的越区切换时，AMS负
责网络切换期间的业务持续。每当移动站发生一个呼叫申请，AMS在其管辖区内建
立一条从其本身到每个无线接入系统（RAS）的双向链路，并连接到被呼叫的用户
，这样的链路称作一个分枝（VB），而整个VB的集合称为虚树（VT）。其中只有一
个VB称为激活的（Active）VB，传送用户数据，其它的VB都处于空闲状态。AMS可
以是一个经过改进升级的ATM交换机，为激活的双向VB上的ATM信元建立传输路由。
 当第一个信元从一个由空闲变成激活的VB上到来时，在AMS内的实时控制单元立即
识别出此次网络支持的越区切换，并且下行链路也跟着做相应的切换。

　

3 需要进一步研究的课题

3.1 有关M-PHY层的课题

（1）40GHz频段毫米波电波传播特性的研究

____MBS选用60GHz频段是因为其15dB/km的氧气吸收可利用来提高频率复用率和系
统容量。但氧气吸收也限制了蜂窝小区的覆盖范围，使得在高速移动中通信的用户
过于频繁地经历越区切换，影响其QoS。为此，ACTS计划的SAMBA项目已着手进行大
气衰耗仅约为0.1dB/km的40GHz频段毫米波的应用研究*。

（2）毫米波辐射对人体的危害

____若MBS移动终端像现在的移动电话那样使用，则必须通过估计头产中或人体最
接近辐射系统的其综部位的规定吸收率（ASR）以确定发射机最大辐射功率标准。
然而，SAR的计算非常复杂，需用数值法求解积分或微分方程（矩量法或限定微分
法）， 而且需建立适当的毫米波辐射侵入人体深度的模型*。

（3）空分多址（SDMA）应用

____由于MBS中采用的窄波束天线系统可用来实现SDMA，以进一步提高频谱利用率
和系统容量，因此需要开发一种智能波束控制算法，使基站天线快速指向通信中的
移动站。当然，相应的多址协议也必须适应SDMA。目前，ACTS计划中的TRUNAMI(Ⅱ
)正在进行这项研究*。

（4）自适应调制技术和正交频分多址（OFDM）技术

____MBS中应该采用自适应调制技术，根据无线信道的实际情况，选择使用4OQAM或
16OQAM（也可以考虑选择使用4OQAM或16OQAM或64OQAM的自适应调制技术*，这种自
适应可编程调制的快速算法目前正在研究之中。另外，正交频分多址技术（OFDM）
也可能为MBS所用，ACTS计划中的许多项目，如有关WLAN的两个项目MEDIAN（
60GHz）和WAND（17GHz）等，也都在研究应用这一技术**。它的优点是抗多径传播
能力较强以及频谱利用率较高，缺点是设备复杂、信号处理时间较长、发射功率较
大且对非线性极其敏感（需要线性大功率微波放大器）等*。如何克服这些缺点，
使OFDM 满足高速移动通信的要求，是当前正在研究的一个热点。

3.2　网络控制的相关课题

（1）越区切换优先的DCA方案

____目前MBS中的DCA方案将越区切换呼叫与新呼叫一视同仁。但从用户的观点来看
，由于越区切换而造成的通信中断比新呼叫被堵塞更令人难以容忍。因此，应赋予
越区切换呼叫以优先权。最常见的办法就是留一定的容量给越区切换专用，其它容
量则与新呼叫共享。这样，改进的DCA 算法就应根据各个基站实际测量或者统计预
测得到的瞬时容量需求，动态地预留越区切换的专用容量。

（2）建立最佳路由

____为支持宏分集和网络范围的越区切换，保证QoS，需要开发一种最佳路由算法
，特别要求能够防止越区切换期间的信元丢失。

（3）防止越区切换期间发生信元丢失的方案

____由于基于"虚树"的越区切换方案，不能保证AMS在切换期间从上行链路接收到
的ATM信元具有与源终端发出时同样的排序，因此，所有错序的信元将会丢失。文
献[4]指出，通过在每次网络切换时计算其错序信元数以分析此方案的性能，结果
发现它只适用于ABR类业务。并给出了一些防止ATM信元在网络切换期间丢失的方案
，如：用切换信道重建VCC路由、支持网络切换的序号以及VCC的串联与最佳路由等
。文献[14]对已提出的各种越区切换方案进行比较，并推荐了建立最近共同节点重
复路由（NCNR-Nearest Common Node Rerouting）的方案。

____越区切换始终是包括MBS在内的W-ATM蜂窝网研究的热点。

　

4 总结

____由于MBS可以为移动用户提供与固定B-ISDN一致的服务，且支持的移动速度将
超过100km/h，因而将具有较强的竞争能力，必将获得广泛的应用。实验系统的建
立，证明了MBS思想的可行性，但要达到MBS预期目标还需在关键技术上有所突破。
我们希望读者通过本文可以了解国外的有关研究动态，跟踪世界无线通信的研究发
展趋势。



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