2008年无线通信热点技术展望

阳光无线

摘要　根据2007年全球范围内各种无线技术的发展状况，以及未来通信市场的需求，对2008年移动通信和宽带无线接入热点技术及其融合趋势进行了分析与展望。重点讨论了WiMAX、TD-SCDMA、HSPA、LTE、UMB、802.11n以及异构网络融合与选择。
　　在刚刚过去的2007年中，移动通信市场在飞速地演进发展，各种无线技术标准都向着更快、更好、更高效的方向驰骋。在迎面走来的2008年，我们可以看到各路技术大展拳脚的曙光。WP8F计划2008年3月完成征集标准的通函，开始征集新一代无线接入技术标准，4G标准大战即将上演。在未来的4G标准领域，不断演进的各个移动通信技术和宽带无线接入技术的相互融合将成为重要的发展趋势之一。
1、WiMAX
　　WiMAX（World Interoperability for Microwave Access）全称为全球微波接入互操作性，是基于IEEE802.16标准的无线城域网技术。WiMAX能够提供面向互联网的高速连接。由于WiMAX的传输距离最远可达50公里、数据传输的峰值速率高达70 Mbit/s，在移动性与宽带无线接入方面都能有所作为，使其成为处在移动通信网与WLAN之间的中间技术。它是宽带无线接入技术向着高移动性、高服务质量的方向演进的结果。
　　2007年10月19日，WiMAX被ITU批准为移动无线标准，成为了继WCDMA、cdma2000与TD-SCDMA之后的全球第4个有国际影响力的3G标准。但是，这次ITU接受WiMAX的定位是IMT-2000 OFDMA TDD WMAN，这将WiMAX限定为：采用OFDMA多址接入技术，工作于TDD模式，用于无线城域网。尽管有所限制，仍使对其在全球范围内使用统一的频段取得巨大的突破。2007年11月世界无线电大会WRC-07讨论和通过了一些IMT-2000和IMT-Advanced可以使用的频率，确定2.3～2.4 GHz为全球通用的TDD频段。这使得工作于TDD模式的WiMAX有了全球通用的频段，大大拓展了其在全球范围内参与移动通信市场的竞争实力和前景。尽管此前WiMAX论坛一直宣称，WiMAX与原有3G之间是互补关系，这在一定程度上也能从此次被ITU接受的定位上得到验证。但是，由于服务区域对象的交叉，它们在互补的同时也面临竞争。另外，通过进一步的研究、标准化工作以及产业链的推动，在移动通信市场与原有3G及其演进网络之间的正面交锋很有可能在2008年逐渐白热化。
　　除802.16d/e之外，为使WiMAX系统具备更好的兼容性和互通性，IEEE 802.16工作组还围绕802.16d/e标准制定了其他一系列标准，包括802.16g、802.16h、802.16i、802.16j、802.16k和802.16m。其中，802.16m在未来的一到两年内可望出台。该标准非常接近于4G的特点。在该标准中，低速移动环境下的数据传输速率将达到1 Gbit/s，在高速移动环境下也能达到100 Mbit/s。这样的高速率主要归功于采用了多输入多输出（MIMO）技术。如此高的传输速率基本能够满足4G应用场景的要求。这样的传输能力使得802.16m将比LTE和cdma2000 1x EV-DO Rev.c更有优势。IEEE宣称，802.16m标准不是WiMAX的组成部分，但是他们承诺将让802.16m和WiMAX互相兼容。另外，IEEE 802.16m标准也将兼容基于OFDMA标准的4G无线网络。
　　目前，WiMAX在国外已经进入了应用阶段。比如，力挺WiMAX的美国主要电信运营商宣布投入50亿美元部署WiMAX宽带无线网络，而在此之前，韩国电信运营商已经凭借其在WiMAX基础上演化的WiBro，率先体验了下一代移动通信应用的滋味。目前全球宣布正在试点WiMAX的运营商已经达到将近300个。
　　当然，WiMAX的标准和产业仍需完善。比如，为了更好地支持无缝的移动性管理和漫游，保障计费、认证和鉴权（AAA）的便捷，保证用户动态的QoS要求，移动WiMAX核心网的功能应该得到加强。另外，由于缺乏对数据一致性的保证，目前WiMAX切换尚无法保证业务QoS，同时，WiMAX芯片、终端和设备对标准支持能力仍显不足，需要建立更完善的产业链。
　　虽然在标准、产业链、运营经验等方面还不够成熟，但这一日益被市场认可的新兴技术必将在2008年的无线通信市场上掀起一番波澜，同时也将在4G标准的竞争中占有一席之地。
2、TD-SCDMA
　　2007年是TD-SCDMA发展的丰收年。TD-SCDMA产业链已经从系统设备、芯片、终端到测试设备的各个环节都为规模化商用做足了准备，也预示着TD实验网的告捷，商用将正式进入倒计时。
　　TD-SCDMA之所以能在短时间内异军突起，除了中国政府的鼎力支持外，更重要的也是由于其本身在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率的灵活性及成本等方面的独特技术优势。具体来讲，其技术优势在于采用了以下三种先进的无线技术：
　　（1）智能天线，可以极大地降低多址干扰、提高系统容量、提高接收灵敏度、降低发射功率和无线基站的成本。
　　（2）上行同步，可以简化基站硬件，降低无线基站的成本。
　　（3）软件无线电，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理是此系统可以灵活地使用新技术的关键，也可以降低产品的开发周期和成本。
　　伴随着商用化的进程，有关标准后续演进方案的制定也在紧锣密鼓地进行着。TD-SCDMA系统的接入阶段演进方案（3.5G）包括高速下行分组接入技术（TD-HSDPA）和高速上行分组接入技术（TD-HSUPA）两个组成部分。
　　TD-HSDPA的标准化工作早已完成，成熟的产品也已推出。中国移动在多个城市部署的TD-SCDMA试商用网已经全面支持HSDPA。HSDPA具有高速数据传输和超大用户容量，通过实施包括物理层短帧、自适应编码调制、快速混合自动重传技术和快速调度技术可以使峰值数据传输速率达到10 Mbit/s，大大改善了用户使用数据下载服务的体验。
　　TD-HSUPA的标准化工作分为3GPP和中国通信标准化协会（CCSA）两部分。其中，3GPP部分自2006年3月开始立项，已于2007年6月完成全部标准化工作。而CCSA标准化工作也于2007年4月开始立项，按照计划将于2008年6月结束，其目的是将3GPP的单载波HSUPA方案引入到CCSAN频点和多载波协议框架中。
　　另外，在长期演进方面，3GPP RAN1会议通过了LTE TDD融合的帧结构的建议，今后LTE TDD的帧结构不再分为Type1和Type2，而是统一为一种。融合的LTE TDD帧结构基于TD-SCDMA的帧结构，这为TD-SCDMA进入LTE TDD乃至4G标准开启了大门。而此前，中国TD-SCDMA对于LTE TDD的帧结构被列为Type2。
　　结合目前TD-SCDMA、TD-SCDMA增强、TD-LTE技术标准在3GPP开展的基础和延续性，从TD-SCDMA、TD-SCDMA增强到TD-LTE，再到IMT-Advanced（4G）TDD是明确合理的演进路线。这样，不仅可以确保4G TDD技术上的先进性，而且有利于TD-SCDMA及其后续技术在市场应用上的延续和拓展。
3、WCDMA/HSPA/LTE
　　目前，WCDMA在3G全球商用网中占有着最大的份额。但是传统的384 kbit/s的数据传输速率已经不能满足日益增长的数据业务需求，所以，向具有更高数据传输速率的下一代移动通信技术演进是发展的必然。WCDMA/HSPA/LTE的发展便是3GPP框架内一个具有渐进性、延续性的发展过程。
　　HSPA分为HSDPA和HSUPA。其中，HSDPA的标准化早已完成，商用化也正在如火如荼地展开。而HSUPA标准化刚刚完成，成熟的系列商用化产品链有待开发完善。
　　HSDPA技术是提高WCDMA网络高速下行数据传输速率最为重要的技术，是3GPP在R5协议中为了满足上下行数据业务不对称的需求提出来的，它可以在不改变已经建设的WCDMA系统网络结构的基础上，大大提高用户下行数据业务速率（理论最大值可达14.4 Mbit/s），该技术是WCDMA网络建设中提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。在HSDPA技术方案中，涉及到的关键技术主要包括自适应编码调制、HARQ、快速蜂窝选择（FCS）、MIMO等。
　　3GPP中确定了HSDPA演进的三个阶段：
　　（1）在3GPP R5中，引进诸如由控制信道支持的高速下行共享信道，自适应调制技术（QPSK & 16QAM），速率匹配以及NodeB的共享媒体高速访问控制（MAC-hs）等新的特性，用以获得10.8 Mbit/s的峰值数据速率。
　　（2）在3GPP R6中，引入天线阵列处理技术以提高峰值数据速率至30 Mbit/s。这种天线阵列技术主要包括面向单天线移动通信系统的基于波束成形技术的智能天线，以及面向多天线移动通信系统的MIMO技术。
　　（3）最后一个阶段正在研究当中。在此阶段，通过引入OFDM技术（每用户设备选择子载波传输）和64QAM调制将使峰值速率达到50 Mbit/s以上。主要的新特性包括结合更高调制方案和阵列处理的正交频分复用（OFDM）物理层；具有快速调度算法的MAC-hs/OFDM，根据空中接口质量为每一个用户设备选择专用的子载波，从而优化传输性能；作为控制实体的多标准MAC（Mx-MAC），以实现正交频分多址（OFDMA）和码分多址（CDMA）信道间的快速交换。
　　HSDPA目前已在全球范围内进入规模商用化阶段。截至2007年上半年，全球部署了200多个WCDMA网络，其中有144个网络已经升级或者新增了HSPA功能，还有40多个运营商正在进行HSDPA的测试。2008年将会有更多WCDMA网络升级成为HSDPA。预计到2011年，HSDPA将占领全球3.5G移动宽带市场的主体，市场份额大约为65%。
　　HSUPA是3GPP协议体系在R6版本中引入的无线侧上行链路增强技术。HSUPA通过采用多码传输、HARQ、基于Node B的快速调度以及2 ms。TTI短帧传输等关键技术，使得单小区最大上行数据吞吐率达到5.76 Mbit/s，大大增强了WCDMA上行链路的数据业务承载能力和频谱利用率。
　　由于HSUPA的实现难度高于HSDPA，其标准化工作也相应滞后，导致还没有太多成熟的商用产品。但是随着手机游戏、视频共享等互动业务的需求大量增加，将来必能适应市场的需要而快速发展起来。
　　LTE项目是近两年来3GPP框架内为了应对WiMAX等领先通信技术的挑战于2005年底紧急启动的规模庞大的新技术研发项目。作为3G向后的演进，LTE得到了各大通信企业、高校和通信研究机构的广泛关注与参与。它采用OFDM和MIMO作为无线网络演进的惟一标准，大大改进并增强了3G的空中接入技术。数据传输能力方面，在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbit/s与上行50 Mbit/s的峰值速率，同时，改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。与3G甚至HSPA相比，LTE在高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等方面都更具技术优势。
　　由于全球有多家实力雄厚的移动运营商表示其下一代网络都将采取相同的移动通信技术LTE，使得LTE在4G领域占尽先机，市场前景一片光明。
4、cdma2000/EV-DO/UMB
　　CDMA发展组织（CDG）和3GPP2于2007年9月发布了超移动宽带（UMB）空中接口规范。UMB是全球首个基于IP的移动宽带标准，是cdma2000系列标准的演进升级版本，也就是继EV-DO Rev.A/B之后的Rev.C，是3GPP2进行的AIE第二阶段的工作。为兼容cdma2000 1x和1x EV-DO系统，UMB支持与现有cdma2000 1x和1x EV-DO系统进行跨系统间的无缝切换。UMB系统以OFDMA为多址接入技术，能够使纯IP以及各类可变包长的数据传输速度达到比目前商用系统更高的数量级，从根本上提高用户体验和增强运营商的赢利能力。它在数据传输速率、延迟性、覆盖度、移动能力及布建弹性等方面都更具优势。UMB的最高数据下载速率将达到288 Mbit/s，而最高上传速率将达到75 Mbit/s，空中接口的平均传输时延达到14.3 ms，支持的终端移动速率超过300 km/h。可以在1.25 MHz和20 MHz间以约150 kHz的频率增量灵活部署，使其拥有更大的带宽、频段和波段选择范围，以及网络的可升级性和灵活性。
　　目前，尽管有多家通信巨头的支持，但cdma2000以及EV-DO网络的数量仍在全球范围内出现下滑，这为UMB的市场推广带来了不利因素。另外，UMB计划将于2009年中商用，但目前还没有任何一家运营商表示愿意测试该项技术，这使得UMB的市场前景有些扑朔迷离。
5、Wi-Fi
　　802.11标准Wi-Fi（Wireless Fidelity）凭借较高的传输速度和较广的覆盖范围在无线局域网领域叱咤风云，使人一提起WLAN便想到802.11。如今，绝大部分笔记本电脑和很多家庭或办公室局域网络都采用了Wi-Fi。
　　相对于当前的802.11a/b/g标准，802.11n将在传输速度以及有效距离方面大大提高。802.11n引入了一系列最新的无线传输技术：通过采用MIMO OFDM技术，使数据传输速率提高到300 Mbit/s甚至600 Mbit/s；通过采用智能天线技术，可以动态调整波束，保证用户接收到稳定的信号，并可以减少其他信号的干扰，其覆盖范围可以扩大到好几平方公里，极大地提高了WLAN的移动性。另外，802.11n的工作模式包含2.4 GHz和5.8 GHz两个工作频段，可以与802.11a/b/g标准兼容。
　　2007年初，802.11n的标准草案升级到了2.0版本，随后Wi-Fi联盟也推出了802.11n标准草案2.0版本的认证计划。不过，由于各方的较量，正式的标准出台可能要在2009年之后。虽然标准未正式确定，市场上却早已经涌现一大批基于802.11n标准草案的产品，再一次出现“标准未出，产品先行”的情况。由此可见产业界对802.11n市场前景的认可，都想在标准出台之前抢占先机。几个月前美国Morrisville州立学院通过将近900个接入点部署了基于802.11n标准草案的无线校园网。这一事件大大刺激了业界对802.11n前景的展望。
　　因为802.11n的出现将极大地刺激高质量语音、视频传输的应用，将来人们有望在办公室或家里拨打高IP电话和可视电话。未来两年，承接11b/g在WLAN中的广泛应用，随着标准的出台和产品的规模效应，802.11n将替代11b/g成为新一代无线局域网的主流标准。在802.11n草案产品向802.11n正式标准演进的过程中，众多设备提供商和芯片企业均表示在技术上已不存在问题，当802.11n标准正式颁布之后，设备提供商均表示其802.11n草案产品将得到顺利升级。其高速的数据传输速率和更广的信号覆盖范围将大大提高无线局域网应用的用户体验，扩大WLAN的市场规模，也将大力促进Wi-Fi无线城市的建设。
6、异构网络融合
　　在各种移动通信技术和宽带无线接入技术方兴未艾、蓬勃发展的环境下，将来不可能会有一种技术一统天下的局面。随着无线市场的进一步发展，各种不同网络重叠覆盖的情况将越来越普遍。为充分利用网络资源，为用户营造最好的服务体验，不同接入网络的融合与选择将成为未来4G标准需要充分考虑的关键技术之一。未来的无线通信网络能将多种无线网络整合为一个无缝连接的以IP技术为核心的异构网络。
　　为了实现3G与WiMAX或WLAN的融合，3GPP组织在原有移动网络结构实体的基础上增加了两个实体：一个是WLAN接入网关（WAG），负责为进出宽带接入网的分组选路，还有计费等其他功能；另一个是分组数据网关（PDG），功能类似于GGSN，负责IP地址管理、隧道处理、业务授权和选择等功能。HSS和AAA两个功能实体也增加了相应的功能来实现WiMAX UE的支持。
　　根据欧洲电信标准协会（ETSI）的建议，WLAN和3G混合组网有松耦合（Loosely-coupled）和紧耦合（tightly-coupled）两种模式。
　　以WiMAX和TD-SCDMA的融合为例，在松耦合模式下，WiMAX系统网关（GW）通过Gi接口与TD-SCDMA系统的GGSN相连。而在紧耦合模式下，WiMAX接入网部分通过Gb接口与TD网络的SGSN连接，对SGSN屏蔽了WiMAX的特性，使得SGSN把WiMAX系统看作是一个单独的基站（BS）子系统。WiMAX系统使用TD-SCDMA网络的鉴权、计费和认证。
　　目前，对异构网络的研究得到了各大通信企业和研究机构的广泛关注。未来的无线通信领域将会因为异构网络融合技术而更加丰富多彩。对异构网络融合的支持也将成为各主流标准演进的重点考虑方面之一。在未来的几年内，通过进一步的研究和标准的确立，异构网络融合技术会有一个大的飞跃，将使得各种技术能够充分发挥各自独特的优势，为用户提供全新的业务体验。