一種基于IP的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)：Flash-OFDM

　　無縫寬帶接入和多業(yè)務(wù)綜合接入是人們一直以來的夢想，也是各研究機構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化組織的長期目標(biāo)。第二代移動通信技術(shù)：GSM和CDMA已經(jīng)基本實現(xiàn)了全球無縫覆蓋，但仍有兩個問題始終未得到解決。首先，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾什怀^2Mbps，遠不能滿足寬帶業(yè)務(wù)的需求；其次GSM網(wǎng)和CDMA網(wǎng)間漫游沒有實現(xiàn)，同時二者業(yè)務(wù)接入的能力還很不靈活。為此，IEEE定義了IEEE802.20MBWA（MobileBroadband Wireless Access Systems）標(biāo)準(zhǔn)，基本特性和目標(biāo)為：更高的數(shù)據(jù)率、更高的頻譜利用率、更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS），完全透明地支持實時和非實時應(yīng)用、支持不同技術(shù)間的漫游和切換、是能無縫鏈接到Internet的全IP網(wǎng)絡(luò)。

　　Flash-OFDM是由Flarion公司自行研發(fā)出來的無線寬帶技術(shù)，因為擁有低延遲的特點，所以能夠應(yīng)用在實時數(shù)據(jù)傳輸上。能在移動環(huán)境下工作，是一種移動寬帶接入Internet解決方案。

　　Flash-OFDM全稱FastLow-latencyAccesswith Seamless Handoff-Orthogonal Freq

　　Flash-OFDM采用FDD雙工方式。上下行鏈路是數(shù)百個子信道組成的寬帶載波（擴頻的OFDM），傳輸數(shù)據(jù)時給每個用戶分配子信道。每個子信道采用自適應(yīng)調(diào)制和先進的編碼技術(shù)，可以提高頻譜利用率。Flash-OFDM的頻帶寬度為1.25MHz，使用頻率間隔為12.5kHz的副載波，最大轉(zhuǎn)輸速度為3.2Mbit/s，平均數(shù)據(jù)傳輸速度達1.5Mbit/s。

　　Flash-OFDM在時間上以跳頻方式使用OFDM的副載波，通過高速切換副載波，使得相鄰節(jié)點可以使用相同頻率的副載波，進而可提高頻率利用率。Flash-OFDM利用快速跳頻技術(shù)把信號擴頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區(qū)內(nèi)的用戶間干擾，它同時具有OFDM和跳頻擴頻技術(shù)的優(yōu)點。除了跳頻外，為解決小區(qū)間干擾，采用了功率控制，用戶只發(fā)射它能有效通信的功率。此外Flash-OFDM的空中接口采用分組業(yè)務(wù)，支持全IP通信。

　　本論文將介紹Flash-OFDM網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次模型及物理層、MAC/LLC層并與現(xiàn)有3G技術(shù)對比，從交換技術(shù)、頻譜利用率、成本、延遲、業(yè)務(wù)接入能力等方面闡述其優(yōu)越性。

　　二、Flash-OFDM的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　有線的IP通信系統(tǒng)中采用“分層”網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其中物理層，數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是負責(zé)網(wǎng)絡(luò)接口。Flash-OFDM采用相同的方法把它應(yīng)用于無線媒介中。

　　圖1是將異構(gòu)系統(tǒng)互連的空中接口分層結(jié)構(gòu)?？煽闯?，傳統(tǒng)的空中接口采用了水平分層式設(shè)計的互連系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，即同等層實體之間的通信由該層的協(xié)議管理。

　　Flash-OFDM不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，它從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用了特殊的綜合垂直設(shè)計（見圖1），這種設(shè)計為移動寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)提供了理想的鏈路層，滿足移動數(shù)據(jù)包通信業(yè)務(wù)的特殊需求。但是為了完全把所有有線互聯(lián)網(wǎng)或內(nèi)部網(wǎng)固有的IP應(yīng)用（包括交互式數(shù)據(jù)應(yīng)用和對等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用）無縫的移植到無線網(wǎng)絡(luò)上，需要根據(jù)IP數(shù)據(jù)的特點對空中接口的各層都進行自下而上的協(xié)同設(shè)計和優(yōu)化。因此，F(xiàn)lash-OFDM對網(wǎng)絡(luò)層和網(wǎng)絡(luò)層以上的層采取基于純IP的水平分層式設(shè)計，能利用現(xiàn)存的IP下部結(jié)構(gòu)設(shè)備，從而使Flash-OFDM 的鏈路層融合到更寬廣的網(wǎng)絡(luò)中。

圖1 空中接口比較

　　2.1Flash-OFDM物理層

　　Flash-OFDM物理層把OFDM的基本原理與跳頻技術(shù)相結(jié)合，使之成為擴頻系統(tǒng)并且同一蜂窩內(nèi)子載波相互正交。

　　Flash-OFDM引入了快跳頻技術(shù)，即用戶可以根據(jù)按偽隨機碼（PN）規(guī)律變化的跳頻圖案，選擇所使用的子載波頻率，進行跳頻。子載波依照跳頻圖案隨時間變化而變化，這些瞬時窄帶頻譜在一個很寬的頻帶內(nèi)跳變，形成一個跳頻帶寬。由于跳頻速率很快，從而在宏觀上實現(xiàn)了頻譜的擴展。對于快跳頻，一個符號根據(jù)跳頻圖案在多個不同的跳頻載波上傳輸，可以讓頻率選擇性衰落造成的損失降至最?。徊煌幕臼褂貌煌奶l模式并且每一個基站都使用可用的全部頻譜（因此頻率再用率高達1）?？梢奆lash-OFDM采用快跳頻技術(shù)充分利用頻譜，并把信號擴頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區(qū)內(nèi)的用戶間干擾，它同時具有OFDM和跳頻擴頻技術(shù)的優(yōu)點。

另外，在同一蜂窩中的每個用戶都使用不同的資源（小頻段），相互之間并不會產(chǎn)生干擾。另外還實現(xiàn)了更大的數(shù)據(jù)容量（物理層容量是CDMA的3倍），頻譜利用率也得到極大的提高。

　　OFDM有一個主要缺點：峰均比較高，峰均比問題使OFDM系統(tǒng)的移動設(shè)備功率消耗很大，并且導(dǎo)致射頻放大器的功率效率降低、系統(tǒng)成本增高。但是在Flash-OFDM系統(tǒng)中，OFDM峰均比的問題能得到解決，因此它的移動設(shè)備功率消耗與傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)相當(dāng)。

　　2.2Flash-OFDMMAC/LLC層

　　在Flash-OFDM中，MAC層通過劃分上行鏈路和下行鏈路的帶寬資源來共享物理層容量。Flash-OFDM根據(jù)IP基站—RR提出的帶寬需求，分配少數(shù)的上行鏈路資源到每個移動設(shè)備。RR也可以根據(jù)用戶數(shù)量靈活快速地改變上下行鏈路資源分配。

　　Flash-OFDM的LLC層的下行鏈路支持單點傳送，多點傳送及廣播傳送；上行鏈路僅支持單點傳送。對單點傳送，采用FEC（前向糾錯）編碼和ARQ（自動重發(fā)請求）相結(jié)合達到高可靠性，對多點傳送及廣播傳送僅用FEC。上行鏈路和下行鏈路的ARQ響應(yīng)時間都很低，至少都低于現(xiàn)在2.5G和3G標(biāo)準(zhǔn)。高可靠性和低時延的結(jié)合對透明IP方式交互式數(shù)據(jù)應(yīng)用

　　另外，F(xiàn)lash-OFDM資源細分的優(yōu)點還使得MAC層能夠有效地進行無線包交換，同時具有提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）的能力。它還支持利用本地（而不是端到端）反饋的鏈路層把一個不可靠的無線信道建立成非常可靠的鏈路，并且延遲很小。因此網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)难舆t很小并且沒有大的延遲抖動。因而，可以支持（包）語音之類的交互式應(yīng)用。

　　2.3Flash-OFDM網(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層提供MAC層和骨干網(wǎng)的接口，它的功能包括IP會話管理；管理多種工作模式，如Flash-OFDM/802.11，F(xiàn)lash-OFDM/Bluetooth雙模；可實現(xiàn)基站、移動臺和用戶的授權(quán)、認證。另外還提供與AAA系統(tǒng)的接口、路由管理、數(shù)據(jù)加密等。

　　從全IP的觀點看，F(xiàn)lash-OFDM代表了理想的空中鏈路，支持移動性和基于QoS的業(yè)務(wù)。物理層和MAC層為移動寬帶數(shù)據(jù)特殊設(shè)計，緊密相連的物理層和MAC層使基站控制信道的分配，以一定的優(yōu)先級傳送不同業(yè)務(wù)，如基于IP的話音、視頻會議等?？罩墟溌肥褂脩魯?shù)據(jù)率和頻譜利用率提高。它是基于IP的分布式網(wǎng)絡(luò)，支持實時的交互式業(yè)務(wù)和端到端的IP連接，能滿足業(yè)務(wù)提供者和運營商的需要，易于部署和網(wǎng)絡(luò)演進。Flash-OFDM網(wǎng)絡(luò)的核心無線路由器是一個集成了無線基站和IP接入路由器功能的設(shè)備，能夠提供全面的移動性和覆蓋廣域網(wǎng)絡(luò)的能力。無線路由器連接到所有的移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，并和IP網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，它集成了所有的網(wǎng)絡(luò)接入功能，可以無限地擴展IP網(wǎng)絡(luò)邊緣。

　　三、Flash-OFDM與3G的區(qū)別比較

　　與其他通信網(wǎng)絡(luò)尤其是3G相比，現(xiàn)在新出現(xiàn)的基于OFDM原理的Flash-OFDM技術(shù)具有以下特征：

　　1、空中接口的層設(shè)計優(yōu)化

　　所有傳統(tǒng)的蜂窩式無線系統(tǒng)，包括3G，基本上都是圍繞電路交換話音進行設(shè)計的，它們主要在物理層上設(shè)計和優(yōu)化。而Flash-OFDM設(shè)計新的空中接口，并對協(xié)議棧的各層（物理層、MAC/LL層和網(wǎng)絡(luò)層等）都進行了優(yōu)化，特別是MAC層和LL層，使IP數(shù)據(jù)在各層得到優(yōu)化，滿足移動數(shù)據(jù)應(yīng)用的特殊需求。選擇OFDM為多址技術(shù)不僅僅只是出于對物理層的考慮，而且還考慮了MAC/LL層和網(wǎng)絡(luò)層的需求。

　　2、采用分組交換

　　所有蜂窩無線系統(tǒng)，包括3G，采用的都是電路交換系統(tǒng)。電路交換網(wǎng)絡(luò)建立的是物理連接，即僅在物理層利用信道資源建立數(shù)據(jù)通路，連接一旦建立通信質(zhì)量就可保證，但電路交換對突發(fā)數(shù)據(jù)流量效率很低。

　　Flash-OFDM采用端到端的分組交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而不是傳統(tǒng)的電路交換系統(tǒng)。分組交換網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)于空中接口的三層（物理層、MAC/LLC層、網(wǎng)絡(luò)層），它能有效解決突發(fā)數(shù)據(jù)流問題，從而克服電路交換式架構(gòu)遺留下來的障礙，這種系統(tǒng)能夠在不同投資規(guī)模下提供有利可圖的無線數(shù)據(jù)服務(wù)。

　　3、全IP支撐

　　以往的技術(shù)，包括采用電路交換的GSM系統(tǒng)都無法滿足移動IP要解決的第一個問題—高速接入互聯(lián)網(wǎng)的需要，可見3G不完全支持IP。

　　而Flash-OFDM采用“純IP”解決方案，IP多點傳送到無線路由器，然后再用鏈路層多點傳送，這與IP-CSMA/CD相似，這樣， Flash-OFDM就可以實現(xiàn)了全IP化，所以各種互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，如TCP/IP傳輸控制協(xié)議，能夠平穩(wěn)而有效地在Flash-OFDM無線鏈路上運行，而3G網(wǎng)絡(luò)不能有效地支持TCP/IP。

4、話音與數(shù)據(jù)的融合

　　Flash-OFDM不是提供把語音和數(shù)據(jù)流量置于同等地位的改良型3G，而是完全消除了語音和數(shù)據(jù)兩者之間的差異，把兩種信號作為純IP數(shù)據(jù)通過無線電波從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶。蜂窩傳輸需要建立含有許多數(shù)據(jù)包的龐大的“數(shù)據(jù)幀”，F(xiàn)lash-OFDM卻可以高速傳輸數(shù)據(jù)包。這樣一來，丟失一兩個數(shù)據(jù)包不會破壞傳輸。這降低了數(shù)據(jù)開銷、簡化了傳輸。

　　5、低時延

　　3G系統(tǒng)的時延一般在200ms-400ms，而flash-OFDM系統(tǒng)理想情況下的時延是35ms，實驗結(jié)果時延也在35ms-50ms之間，這與現(xiàn)在大多數(shù)有線寬帶系統(tǒng)相似。

　　6、頻帶利用率高

　　大多數(shù)3G服務(wù)至少需要5MHZ的帶寬，F(xiàn)lash-OFDM的信號卻只需要1.25MHZ。flash-OFDM技術(shù)比較突出的地方就是即使在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)，這意味著運營商可以利用已經(jīng)擁有的有限（當(dāng)然也是昂貴的）帶寬為更多用戶提供服務(wù)。

　　7、低成本

　　使用flash-OFDM技術(shù)，運營商只需要為每位用戶投入10美元，這種技術(shù)的帶寬價格只有3G網(wǎng)絡(luò)的十分之一。另外它的基站硬件可以提供冰箱大小的同類設(shè)備一樣大的覆蓋面，但占用面積只有一半。其它無線系統(tǒng)需要昂貴的軟硬件把IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成語音，但flash-OFDM卻不需要。 Flarion稱，它的技術(shù)有望使

　　四、結(jié)論和展望

　　3G是以話音為主的蜂窩網(wǎng)，它雖然比2G、2.5G等的傳輸速率快很多，但仍無法滿足未來多媒體通信的要求，并且其投入成本高?，F(xiàn)在Flarion提出的Flash-OFDM無線技術(shù)的主要優(yōu)勢是可以把大量數(shù)據(jù)塞入比較小的帶寬里面，解決3G的不足。和現(xiàn)有的以O(shè)FDM為基礎(chǔ)的系統(tǒng)（例如DSL）不同，F(xiàn)lash-OFDM不僅僅是一種物理層的解決方案，它更是一種采用了OFDM獨特的物理特性的系統(tǒng)級技術(shù)，使得在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中能增強更高層的性能優(yōu)勢，獲得非常有效的數(shù)據(jù)包傳送，以及很低的信號延遲。它以IP透明方式使網(wǎng)絡(luò)無縫延展到廣闊的移動環(huán)境中，能夠解決3G出現(xiàn)的問題、面對現(xiàn)在移動通信發(fā)展要求的挑戰(zhàn)，因此這種技術(shù)在未來將是非常有前途的。Flash-OFDM的缺點就在于缺乏產(chǎn)業(yè)鏈條的支撐，這會使其陷入孤軍奮戰(zhàn)的境地，F(xiàn)larion也意識到了這一點，正在積極尋找合作伙伴，并已經(jīng)與西門子簽訂了合作協(xié)議，共同研發(fā)產(chǎn)品。如果Flash-OFDM能夠像當(dāng)年的CDMA那樣尋找到一個可以大規(guī)模應(yīng)用的市場，那么這項技術(shù)將獨立地發(fā)展下去，否則最終只能與其它技術(shù)融合，成為下一代移動通信技術(shù)的一部分。