移动宽带无线接入新技术——IEEE802.20

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摘要　
      
      IEEE 802.20是一种最新的移动宽带无线接入技术，它是移动性与峰值速率之间的完美结合。基于IEEE 802.20的性能指标，分析了它在移动性、频谱效率、系统覆盖和系统架构等方面的优势，并着重讨论了该标准与其它无线宽带接入技术和移动通信技术之间的互补性与竞争性，最后介绍了其标准化的最新进展。 　　传统的蜂窝移动通信系统可支持高的移动性，但数据传输速率低，难以应对高速下载和实时多媒体的应用。而无线局域网（WLAN）等宽带无线接入系统，虽然拥有较高的数据传输速率，但其移动性能差，只能用于牧游式的无线接入。IEEE 802.20技术恰恰可以有效地解决移动性与传输速率相互矛盾的问题，使用户可以在高速移动中享受宽带接入带来的乐趣。
　　IEEE 802.20技术，即移动宽带无线接入（MBWA：Mobile Broadband Wireless Access），也被称之为Mobile-Fi。这个概念最初是由IEEE 802.16工作组于2002年3月提出的，并成立了相应的研究组，其目标是为了实现在高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE 802.1x协议族在移动性上的劣势。随后，由于在目标市场定位上的分歧，该研究组脱离IEEE 802.16工作组，并于同年9月宣告成立IEEE 802.20工作组。目前，IEEE 802.20标准还处于制定阶段，其最初版本预计于2006年12月颁布。
一、技术特性
　　IEEE 802.20工作组的目标是制定一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统的空中接口规范。在技术的制定时间上，IEEE 802.20远远晚于3G，因而可以充分发挥它的后发优势：在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率；在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构应对突发性数据业务的性能也优于现有的3G技术，与3.5G（HSDPA、EV-DO）性能相当；另外，在实现、部署成本上也具有较大的优势。
　　IEEE 802.20的主要技术特性如下：全面支持实时和非实时业务，在空中接口中不存在电路域和分组域的区分；能保持持续的连通性；频率统一，可复用；支持小区间和扇区间的无缝切换，以及与其它无线技术（802.16、802.11等）间的切换；融入了对QoS的支持，与核心网级别的端到端QoS相一致；支持IPv4和IPv6等具有QoS保证的协议；支持内部状态快速转变的多种MAC协议状态；为上下行链路快速分配所需资源，并根据信道环境的变化自动选择最优的数据传输速率；提供终端与网络间的认证机制；与现有的蜂窝移动通信系统可以共存，降低网络部署成本；包含各个网络间的开放型接口。
　　1.系统性能指标
　　表1和表2分别给出了IEEE 802.20所提出的系统性能指标以及在不同场景下的频谱效率的指标。

表1　IEEE 802.20系统性能指标

表2　不同场景下的频谱效率

　　从性能指标中，我们可以看出：
　　（1）在移动性上，802.20相比于802.16具有很大的优势——可支持的最高速率为250 km/h，已经达到了传统移动通信技术（如2G和3G）的性能。可见，它将是IEEE步入移动通信领域的基石。
　　（2）在频谱效率上，802.20远远高于当前的主流移动技术。举例来说，对于下行链路中的频谱效率，CDMA 2000 1x最高为0.1 bit/s/Hz/cell，EV-DO最高为0.5 bit/s/Hz/cell，而802.20却大于1 bit/s/Hz/cell。因此，对于运营商来说802.20的到来是个福音——花相同价钱买来的频谱资源，却可以提供更高速率的接入服务。这既是802.20自身强有力的“卖点”，更是移动通信技术发展的大势所趋。
　　（3）对于非视距（NLOS）环境下的系统覆盖，802.20的单小区覆盖半径为15 km，属于广域网技术；而802.16的单小区覆盖半径小于5 km，属于城域网技术。这说明802.20与802.16的目标市场不同，它们不存在直接的竞争。直接与802.20形成竞争的是WCMDA等3G技术和HSDPA等3G演进技术。
　　（4）IEEE 802.20规定其MAC帧往返时延小于10 ms，加上无线链路控制层和应用层上产生的处理时延，足以满足ITU-T的G.114所规定的电话语音传输最大往返时延（＜300 ms）的要求，因而完全可以基于802.20来提供优质的无线VoIP语音业务。
　　（5）在下行链路，802.20可以提供大于1 Mbit/s的峰值速率，远远高于3G技术的性能指标——步行环境下384 kbit/s，高速移动环境下144 kbit/s。
　　2.纯IP架构
　　IEEE 802.20秉承了IEEE 802协议族的纯IP架构。纯IP架构，与3GPP和3GPP2所提出的全IP概念有所不同——前者是核心网和无线接入网都基于IP传输，而后者仅仅实现了核心网的IP化。设计架构的差异使802.20与其它3G技术相比具有明显的优势：
　　（1）其物理层和MAC层都专为突发型分组数据业务而设计，并能够自适应无线信道环境，因此在处理突发性数据业务方面具有与生俱来的优越性。而WCMDA等3G技术虽然对语音业务能够很好地支持，但因为其设计初衷是要保持与GSM等2.5G技术的兼容，所以对数据业务的支撑力度显得较为单薄。
　　（2）组网方式灵活简单，便于融合现有的IP网络和未来的基于IMS的核心网。
　　（3）可充分利用现有的基于IP的各种协议，易于实现灵活的业务部署。
　　数据业务将逐渐成为未来移动应用的主体，因此与之相对应的纯IP架构将是未来移动通信技术发展的方向。实际上，3GPP和3GPP2已经认识到他们目前的系统在提供数据业务方面的局限性，并尝试在原有的系统框架基础上，在下行链路中采用分组接入技术。例如，3GPP的R5引入了HSDPA技术，以大幅提高IP数据下载速率和流媒体速率。
二、802.20与其它技术间的关系
　　当前，移动通信技术标准繁多，不同的技术之间既互补又相互竞争。下面，我们来具体分析一下802.20与当前各种主流技术间的关系。
　　1.与802.11、802.16间的关系
　　IEEE 802.11标准及其子集是无线局域网的主流标准之一，也被称为Wi-Fi。该标准的制定工作起步较早，技术相对成熟，其中802.11g（峰值速率54 Mbit/s）在商用中比较普及，802.11n（峰值速率100 Mbit/s）也已经有产品面世。
　　IEEE 802.16标准及其子集是针对微波和毫米波频段（2～11 GHz）提出的无线城域网（WMAN）技术标准，也被称为WiMAX。其峰值速率可达70 Mbit/s，并具有较强的移动性，因而得到了业界的普遍关注和支持。
　　上述两种技术标准主要是针对牧游式的无线接入，提供步行速率的移动性。与它们不同的是，802.20的目标市场定位于无线广域网，强调它对高速移动性的支持。
　　可见，这三种技术存在很强的互补性。若将它们混合组网，取长补短，将是一种非常好的全网覆盖解决方案，原因是：
　　（1）可以基于802.21（媒质无关切换：Media Independent Handover）来实现这三种技术间的无缝切换：当用户处于热点地区时，切换到802.11或802.16的网络以获得更高的接入速率；当用户离开热点地区时，切换到802.20的网络，这样可以在保证较高接入速率的前提下，获得更好的移动性。
　　（2）因为这三种技术在系统架构上都是纯IP的，所以相互间的接口简单，只要其共享的核心网是标准的IP网，就可以实现相互间的互联。
　　（3）同样因为三者的纯IP架构，使得它们具有较强的相似性，所以其多模终端可以达到较高的集成度，从而降低成本。
　　但是，随着802.16e标准的提出（已于2005年12月正式发布），802.20与802.16之间确实存在着一定的竞争关系。这是因为802.16e在802.16a的基础上增强了移动性，其用户移动速率可高达150 km/h，这使得两者的目标市场产生了一定的重叠。但从系统覆盖的角度来看，802.20是广域网技术，而802.16是城域网技术，所以两者之间主要体现互补性。
　　2.与3G技术间的关系
　　所谓3G技术，是指以WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA三大标准为基础的第三代蜂窝移动通信系统。因为这三大技术标准在技术特性和性能指标上相差无几，所以将其作为一个整体，来讨论它们与802.20之间的关系。
　　表3从目标市场和技术特点入手，对802.20和3G两种技术进行了比较。我们从中可以看出，两者确实存在较多的相似性，也就导致了它们之间的竞争性：

表3　IEEE 802.20与3G技术的对比

　　（1）两者的目标市场重叠较大。首先，它们都是广域网技术。其次，802.20具有低时延架构，它可以基于VoIP技术来提供高质量的语音业务，也就是说它可以支持3G所能提供的全部业务。
　　（2）在物理层核心技术上802.20更为先进，因而拥有更具吸引力的性能优势。
　　（3）802.20的纯IP架构使它在组网成本上具有较明显的价格优势。因而在部署广域网时，性价比高的802.20将更受运营商青睐。
　　虽然802.20在技术上优于3G，但是其产品的市场化还尚需时日，在短期内不可能撼动3G的市场地位。另外，目前3G已经取得了实质性进展，制造商和运营商都进行了大量投入，他们不会轻易放弃3G技术。同时，电信监管部门也不会让已有的投资付诸东流。所以，从市场发展的角度来看，802.20只能作为3G的补充，它们之间主要体现互补与合作的关系。
　　3.与3GPP LTE间的关系
　　LTE（Long Term Evolution）是国际标准化组织3GPP在2004年底提出的研究计划，旨在提高3G技术在宽带无线接入市场的竞争力。它分为两个阶段：研究项目（Study Item）阶段，将在2006年中期结束，主要完成需求的定义和候选技术的征集、评估工作；工作项目（Work Item）阶段，将在2006年中期之前启动、2007年中期结束，主要是讨论和起草标准的细节。
　　LTE的市场定位是弥补3G技术在分组接入方面的不足，它的技术特性与802.20极为相似：都是针对广域网的移动通信技术——LTE支持最高的移动速率为350 km/h，并且能在15～120 km/h下提供高性能的服务；物理层技术都是基于OFDM和MIMO——频谱效率都很高，并且摆脱了高通公司的CDMA专利制约；都支持低的时延——LTE的接入网时延在1O ms以内，控制平面时延小于100 ms；都是基于IP的架构——LTE的目标是建立一个无线接入网与固网融合的纯IP的核心网，以满足宽带无线接入的需求。
　　市场定位与技术特性的相似性，最终导致了802.20与LTE之间的完全竞争性。在标准化历程中，802.20虽占先机，但优势不明显。在业界的影响力上，LTE虽占上风，但802.20受到高通的支持，也不容小视。将来二者在市场上的竞争必然异常激烈。
三、标准化最新进展
　　2005年11月至2006年1月，IEEE 802.20工作组开始了标准的起草工作，并于2006年1月15日在美国夏威夷召开的会议上，就候选物理层技术进行了投票。最终，FDD模式中，高通的技术提案“MBFDD”获得通过；TDD模式中，高通和京瓷的综合提案“MBTDD”（包括MBTDD 625k-MC）获得通过。虽然这两种提案都遭到一些阵营的强烈反对，但最终在投票结果中仍以较大优势胜出。
　　2006年5月，802.20工作组将再次召开会议，就标准草案进行第二轮投票。按照IEEE的标准通过流程，若支持率达到75%以上，即视为通过。如果投票顺利，该草案将于2006年7月被提交至局域网/城域网标准委员会（LMSC）进行发起人投票，若支持率达到90%以上，草案将被提交至IEEE标准组织（IEEE-SA）进行最后的审批，并发布为正式的标准。按照计划，其标准将于2006年12月正式发布。就目前的情况来看，时间非常紧迫，标准的制定工作相当紧张。
四、结语
　　高移动性和高吞吐量必然是未来无线通信市场的重要需求。IEEE 802.20正是为满足这一需求而专门设计的宽带无线接入技术，并具有性能好、效率高、成本低和部署灵活等特点。802.20在移动性上优于802.16和802.11，在数据吞吐量上强于3G技术，其设计理念也符合下一代技术的发展方向，因而确实是一种非常有前景的无线技术。但是，它的正式标准还未出台，产业链的形成也尚需时日，同时它还要面对3GPP LTE的竞争，所以现在还很难判定它在未来市场中的位置。不过，802.20的出现，确实在整个移动通信行业产生了“鲶鱼效应”，有力地促进了同类技术的不断更新和发展。对于它今后的技术走向和市场化发展，我们应该继续保持关注。