第四代移动多媒体通信的演进

    作者：彭小平  陈广辉  何方白

    从第二代、第三代移动通信的演进和多媒体数据通信的演进两个方面，阐述了无线宽带多媒体通信的进展，上述两方面的演进相结合产生了一个新的通信概念？移动宽带系统或称为第四代移动多媒体通信(MMC)。

    MMC能够把远景应用、新的用户接口、数据压缩、适合移动用户的协议和向用户提供足够带宽的传输技术等很好地结合起来。重点介绍了MMC项目在有关应用、用户接口和透明性、压缩、传输协议及无线宽带传输等5个方面的研究成果。

    要害词全球移动通信系统，移动多媒体通信，多媒体数据通信，移动宽带系统，演进

    1、蜂窝移动通信系统的演进

    第一代蜂窝移动通信系统(1G)早在20世纪80年代就已建成，1G主要基于蜂窝结构组网，直接使用模拟语音调制技术，传输速率约2.4kbit/s，不同国家采用不同的工作系统。

    随着微电子技术的发展，利用便携式移动设备通过无线信道可进行全数字通信，基于此，第二代蜂窝移动通信系统应运而生。全球移动通信系统(GSM)现已上升为欧洲标准，并成为世界主要移动通信系统，为7000多欧洲用户提供服务，在世界110多个国家已建200多个GSM网，为1亿多用户服务。在世界范围内，伴随固定网业务的快速发展和通信技术的进步，移动和无线市场正经历着史无前例的增长。现在人们面临两种可能选择：一是GSM演进，二是引入第三代移动通信系统(3G)。

    1.1GSM的演进

    GSM初始的传输速率为9.6kbit/s，若对防差错码性能进行改进，则可增加到14.4kbit/s。高速电路交换数据(HSCSD)采用时分多址(TDMA)技术，将每个物理信道分成几个时隙，每个时隙的传输速率可高达144kbit/s，并能将200kHz载波内的3个时隙合并，形成高速数据传输信道。HSCSD可提供高达64kbit/s的原始数据速率(用户数据速率为38.4kbit/s)。在GSM网络中，无须改变基站任何硬件设备，仅通过软件升级即可达到上述速率。HSCSD实时性好，适合传送对时延特性要求极高的大量数据。

    通用分组无线业务(GPRS，也称GSM2+)，通过分组分配无线资源将数据速率提高到164kbit/s。它以分组方式在GSM网络传输数据和信令，即只在实际传送和接收时才使用无线资源，从而提高了无线信道利用率。GPRS按需动态占用资源，频谱利用率高，非凡适合传输各种突发性强的应用。由于HSCSD和GPRS均需要优先的、专用的、非凡的无线信道，二者之间不可能进行平滑升级。

    GSM演化的改进数据率GSM服务(EDGE)，也称进化的GSM，EDGE能对原先的系统进行很好的改进。EDGE技术主要用于GSM和北美的数字高级移动电话系统(D-AMPS)等现有的数字网络。EDGE基于高水平调制技术，信道调制为8PSK(相移键控)，从而可以将单时隙传输速率提高到48kbit/s。若上/下行信道集中8个时隙传送，则每个方向都可达到384kbit/s的最高传输速率。

    1.2移动通信系统的汇聚--3G

    目前的移动通信系统可分为无绳电话、蜂窝移动通信系统、卫星移动通信系统、无线寻呼和专用移动无线系统5个部分，这5部分现在都包括在一个公共系统即通用移动通信系统(UMTS)中。

    第一代和第二代蜂窝移动通信系统都是在1G频谱范围内使用。当然，一旦早期分配的频谱资源不能满足要求，可以向更高频率扩展。现在无线电治理局将新的2GHz区间频谱分配给移动通信使用。

    当初设计是在任何环境和低速运动情况下，在2GHz频段内传输，传输速率为2Mbit/s。但在很大范围内提供业务时，速率仅为144kbit/s-384kbit/s，144kbit/s是任何条件下都可以达到的最小速率。UMTS必须支持移动速率高达500km/h的用户业务。在本地移动情况下，到2005年，数据速率将可以达到10Mbit/s。

    2、多媒体数据通信

    多媒体通信是指能用多种方法提供信息的通信，即文本、数据、图形、动画制作、图像、声音、语音和静止或运动视频等信息相结合的通信。在定义多媒体通信时，令人关注的特性是不同应用中媒体的灵活性和不同通信对象之间交互作用的可能性。

    在移动电话发生变化的同时，局域网也在变化，这种变化使向用户分配各种无线业务成为可能，局域网(LAN)也向能够提供多媒体业务的无线局域网(WLAN)方向发展。为了发展作为下一代WLAN的高性能WLANHipERLAN2，必须发展宽带无线接入网络(BRAN)。

    在无线通信中，家用射频或蓝牙等其他通信技术也正在发展。

    为了在PC与家用电器之间建立无线数字通信规范，1998年成立了家用射频工作小组(HRFWG)。家用射频(HRF)这种新通信系统的灵活性和移动性强，并且能使不同制造商制造的家用电器之间交互作用。一种新的共享无线接入协议(SWAP)正在发展。家用射频系统用于传输语音和数据业务，并与公用交换电话网(PSTN)和Internet交互作用。HRF工作在2.4GHz频段，使用数字跳频扩频，既支持提供交互作用的语音传输TDMA业务和其他时限业务，也支持高速分组数据传输的带有避免冲突的载波监听多路访问(CSMA/CA)业务。该系统数据速率为lMbit/s或2Mbit/s，使用2FSK或4FSK调制，每个网络可支持127个用户设备。

    蓝牙技术是一种低功耗无线技术，是无线数据与语音通信的开放性全球规范，它提供低成本、近距离的无线通信，目标是取代现有PC、打印机、传真机、键盘、游戏操纵杆和移动电话等设备上的有线接口，随时随地用无线接口代替有线电缆连接。蓝牙技术工作在不须执照全球通用的2.45GHz工业、科学和医学(ISM)频段，数据传输速率为1Mbit/s，使用跳频扩展频谱，在2.402GHz-2.480GHz内共有79个信道可供跳频使用，信道间隔均为1MHz。

    多媒体数据通信和移动电话正在同步发展，未来通信系统即所谓的“移动多媒体通信”将采用新的概念和技术。

    3、关于第四代移动通信系统（4G）

    只有在3G变成现实后，才会有第四代、第五代等未来各代移动通信系统。3G能否成功引入，要害在于向用户提供的服务与这些服务的价格能否很好地协调。

    1992年-1995年期间，欧洲提出移动宽带系统(MBS)项目，该项目是欧洲先进通信研究和发展(RACE)项目中的一部分。MBS目标是在移动多媒体通信中，制定高移动性和高数据率的未来室外蜂窝设想方案。虽然欧洲无线通信局已考虑了新业务的频谱需要，但到目前为止尚未开展标准化工作。

    4、移动多媒体通信项目

    4G需要创新的观念，但通过对现有系统进行优化增强仍未找到所需概念。在欧洲的移动多媒体通信项目中，对用户方面已给予足够重视。移动多媒体通信项目在以下5个研究领域取得了一些研究成果。

    4.1应用：工作协调

    多媒体被认为最适合非标准工作情况。非标准工作情况是指专业人员碰到不能用已知方法或因专业人员缺乏某些专业知识而不能解决的复杂问题。这些情况主要出现在紧急服务、医疗救济和灾难处理中。到目前为止，医疗救护业务和光复印机的维护及修理这两个研究领域已取得很大成果。

    4.2用户接口和透明性

    根据现有技术，从一个局到另一个局的通信相当轻易。然而，当希望通信的对方较远时，距离远和基础设施不足有可能降低它们之间的通信效果。通过移动视频传输系统提供实际连接时，若采用具有可佩戴设备(如头盔式显示器)的计算机，则很有潜力改进这种情况。在MMC项目中提供的头盔式显示器能透明地提供真实信息，提出透明信息意味着考虑了经历过的真实信息的特性和头盔式显示器的接受特性。当在猜测领域的任何部分不能提供真实信息时，就必须解决透明性问题。

    4.3压缩

    在误码率非常低的传输信道中，大多数压缩方法表现得十分完美；但即使在误差比较规则的无线信道中，许多压缩方式却表现得不尽如人意。比特率极低的压缩不是主要目的，为了完成强烈依靠上下文的任务，要重点保证质量足够好。因此，在无线通信中，降低比特率是重要的，但不是最重要的目标。更重要的是在MPEG-4多媒体应用中，借助视频分析工具，尽可能使压缩(与传输系统合作)最大限度地减少无线信道中的误码率问题。

    信源编码研究工作已在以下两个领域开展，并建出了两种技术：

    a)移动视频通信中的低码速运动图像编码标准H.263，在MMC项目中提出的这种技术基于lTUH.263推荐的高压缩方法。视频信源编码的基本结构包含关于不同帧编码的参考帧和提高在作为不可靠的被检测宏块编码中的可能性两个部分。

    b)视频对象的波行压缩：在传输过程中难免会发生误差，所以压缩必须足以减少误差。现已提出结合极坐标和离散余弦变换的等高线编码技术。

    4.4传输协议

    在所有开放系统互连(OSI)层中，采取各种措施解决无线信道中的不利因素。根据高层不必知道低层向高层提供业务的方法，很难保持OSI处于理想状况。在链路层，可以通过前向纠错和自动请求重发，减少传输误差，但会出现时延并影响高层性能表现。在MMC项目中，分层协议结构能够对移动多媒体通信中的各种业务流量提供不同的服务质量(QoS)。分层结构体系是通过混合的时分复用/频分复用(TDM/FDM)技术实现，在TDM/FDM技术中，帧(最大的数据单元)由包、小片段和无线数据单元组成。根据分配带宽和调制及编码技术已取得的进展，分层处理使未来扩展变得更轻易。

    更进一步的工作是完成在虚拟蜂窝网(VCN)中能提供将多个接收机数据结合起来的通信系统。VCN采用虚拟小区结构，定义为预定大小的区域并实际上在移动台四周形成。基本思想是多个基站可以接收同一个移动台信息，反之亦然，多个基站能够将数据传送往同一移动台。一般认为，虚拟小区概念在很大程度上增强了传输质量。

    MMC项目提供了一个VCN，用来连接基站和移动用户。这意味着在每个时刻每个工作的移动台都能与多个基站保持联系。高速蜂窝网络测试正在进行，该测试由工作在2.4GHz的射频和低功率处理单元进行。通过平行放置多个单元可获得高达25Mbit/s的数据速率。

    4.5无线宽带传输

    未来移动通信系统主要由室内外环境下提供的不均匀宽带业务和变化速率的移动性决定，由于这些不均匀通信业务变得越来越复杂和多媒体的引入，使被交换的信息总量不断增加。根据移动业务情况可知，阻碍信息社会实现的原因之一取决于可得到的频谱资源。近年来，由于频谱资源的缺乏和新技术的出现，现在整个世界都把注重力集中到毫米波段，在MMC项目中是中心传输频率为60GHz的V波段(40GHz-75GHz)。标准已得到发展，相关技术亦已提出，措施正在实施，并成功建立了信道模拟器。调制系统选用正交频分复用(OFDM)技术，该技术的特长是处理多径接收问题。近来，关于OFDM的研究，涉及到先进的同步规则系统和非线性功率放大器的影响。