第四代移動(dòng)多媒體通信的演進(jìn)

摘要　從第二代、第三代移動(dòng)通信的演進(jìn)和多媒體數(shù)據(jù)通信的演進(jìn)兩個(gè)方面，闡述了無(wú)線寬帶多媒體通信的進(jìn)展，上述兩方面的演進(jìn)相結(jié)合產(chǎn)生了一個(gè)新的通信概念？移動(dòng)寬帶系統(tǒng)或稱為第四代移動(dòng)多媒體通信(MMC)。MMC能夠把遠(yuǎn)景應(yīng)用、新的用戶接口、數(shù)據(jù)壓縮、適合移動(dòng)用戶的協(xié)議和向用戶提供足夠帶寬的傳輸技術(shù)等很好地結(jié)合起來(lái)。重點(diǎn)介紹了MMC項(xiàng)目在有關(guān)應(yīng)用、用戶接口和透明性、壓縮、傳輸協(xié)議及無(wú)線寬帶傳輸?shù)?個(gè)方面的研究成果。

關(guān)鍵詞　全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，移動(dòng)多媒體通信，多媒體數(shù)據(jù)通信，移動(dòng)寬帶系統(tǒng)，演進(jìn)

1、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)

　　第一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)早在20世紀(jì)80年代就已建成，1G主要基于蜂窩結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，直接使用模擬語(yǔ)音調(diào)制技術(shù)，傳輸速率約2.4kbit/s，不同國(guó)家采用不同的工作系統(tǒng)。

　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，利用便攜式移動(dòng)設(shè)備通過無(wú)線信道可進(jìn)行全數(shù)字通信，基于此，第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)現(xiàn)已上升為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，并成為世界主要移動(dòng)通信系統(tǒng)，為7 000多歐洲用戶提供服務(wù)，在世界110多個(gè)國(guó)家已建200多個(gè)GSM網(wǎng)，為1億多用戶服務(wù)。在世界范圍內(nèi)，伴隨固定網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展和通信技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)和無(wú)線市場(chǎng)正經(jīng)歷著史無(wú)前例的增長(zhǎng)�，F(xiàn)在人們面臨兩種可能選擇：一是GSM演進(jìn)，二是引入第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)。

　　1.1　GSM的演進(jìn)

　　GSM初始的傳輸速率為9.6kbit/s，若對(duì)防差錯(cuò)碼性能進(jìn)行改進(jìn)，則可增加到14.4kbit/s 。高速電路交換數(shù)據(jù)(HSCSD)采用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，將每個(gè)物理信道分成幾個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的傳輸速率可高達(dá)144kbit/s，并能將200 kHz載波內(nèi)的3個(gè)時(shí)隙合并，形成高速數(shù)據(jù)傳輸信道。HSCSD可提供高達(dá)64kbit/s的原始數(shù)據(jù)速率(用戶數(shù)據(jù)速率為38.4 kbit/s)。在GSM網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)須改變基站任何硬件設(shè)備，僅通過軟件升級(jí)即可達(dá)到上述速率。HSCSD實(shí)時(shí)性好，適合傳送對(duì)時(shí)延特性要求極高的大量數(shù)據(jù)。

　　通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS，也稱GSM2+)，通過分組分配無(wú)線資源將數(shù)據(jù)速率提高到164kbit/s。它以分組方式在GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和信令，即只在實(shí)際傳送和接收時(shí)才使用無(wú)線資源，從而提高了無(wú)線信道利用率。GPRS按需動(dòng)態(tài)占用資源，頻譜利用率高，特別適合傳輸各種突發(fā)性強(qiáng)的應(yīng)用。由于HSCSD和GPRS均需要優(yōu)先的、專用的、特殊的無(wú)線信道，二者之間不可能進(jìn)行平滑升級(jí)。

　　GSM演化的改進(jìn)數(shù)據(jù)率GSM服務(wù)(EDGE)，也稱進(jìn)化的GSM，EDGE能對(duì)原先的系統(tǒng)進(jìn)行很好的改進(jìn)。EDGE技術(shù)主要用于GSM和北美的數(shù)字高級(jí)移動(dòng)電話系統(tǒng)(D-AMPS)等現(xiàn)有的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。EDGE基于高水平調(diào)制技術(shù)，信道調(diào)制為8 PSK(相移鍵控)，從而可以將單時(shí)隙傳輸速率提高到48kbit/s。若上/下行信道集中8個(gè)時(shí)隙傳送，則每個(gè)方向都可達(dá)到384kbit/s的最高傳輸速率。

　　1.2　移動(dòng)通信系統(tǒng)的匯聚--3G

　　目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)可分為無(wú)繩電話、蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線尋呼和專用移動(dòng)無(wú)線系統(tǒng)5個(gè)部分，這5部分現(xiàn)在都包括在一個(gè)公共系統(tǒng)即通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)中。

　　第一代和第二代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)都是在1G頻譜范圍內(nèi)使用。當(dāng)然，一旦早期分配的頻譜資源不能滿足要求，可以向更高頻率擴(kuò)展�，F(xiàn)在無(wú)線電管理局將新的2GHz區(qū)間頻譜分配給移動(dòng)通信使用。

　　當(dāng)初設(shè)計(jì)是在任何環(huán)境和低速運(yùn)動(dòng)情況下，在2GHz頻段內(nèi)傳輸，傳輸速率為2Mbit/s。但在很大范圍內(nèi)提供業(yè)務(wù)時(shí)，速率僅為144kbit/s-384kbit/s，144kbit/s是任何條件下都可以達(dá)到的最小速率。UMTS必須支持移動(dòng)速率高達(dá)500 km/h的用戶業(yè)務(wù)。在本地移動(dòng)情況下，到2005年，數(shù)據(jù)速率將可以達(dá)到10Mbit/s。

2、多媒體數(shù)據(jù)通信

　　多媒體通信是指能用多種方法提供信息的通信，即文本、數(shù)據(jù)、圖形、動(dòng)畫制作、圖像、聲音、語(yǔ)音和靜止或運(yùn)動(dòng)視頻等信息相結(jié)合的通信。在定義多媒體通信時(shí)，令人關(guān)注的特性是不同應(yīng)用中媒體的靈活性和不同通信對(duì)象之間交互作用的可能性。

　　在移動(dòng)電話發(fā)生變化的同時(shí)，局域網(wǎng)也在變化，這種變化使向用戶分配各種無(wú)線業(yè)務(wù)成為可能，局域網(wǎng)(LAN)也向能夠提供多媒體業(yè)務(wù)的無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)方向發(fā)展。為了發(fā)展作為下一代WLAN的高性能WLANHIPERLAN 2，必須發(fā)展寬帶無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)(BRAN)。

　　在無(wú)線通信中，家用射頻或藍(lán)牙等其他通信技術(shù)也正在發(fā)展。

　　為了在PC與家用電器之間建立無(wú)線數(shù)字通信規(guī)范，1998年成立了家用射頻工作小組(HRFWG)。家用射頻(HRF)這種新通信系統(tǒng)的靈活性和移動(dòng)性強(qiáng)，并且能使不同制造商制造的家用電器之間交互作用。一種新的共享無(wú)線接入?yún)f(xié)議(SWAP)正在發(fā)展。家用射頻系統(tǒng)用于傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并與公用交換電話網(wǎng)(PSTN)和Internet交互作用。HRF工作在2.4 GHz頻段，使用數(shù)字跳頻擴(kuò)頻，既支持提供交互作用的語(yǔ)音傳輸TDMA業(yè)務(wù)和其他時(shí)限業(yè)務(wù)，也支持高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸в斜苊鉀_突的載波監(jiān)聽多路訪問(CSMA/CA)業(yè)務(wù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為lMbit/s或2Mbit/s，使用2FSK或4FSK調(diào)制，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可支持127個(gè)用戶設(shè)備。

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種低功耗無(wú)線技術(shù)，是無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性全球規(guī)范，它提供低成本、近距離的無(wú)線通信，目標(biāo)是取代現(xiàn)有PC、打印機(jī)、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿和移動(dòng)電話等設(shè)備上的有線接口，隨時(shí)隨地用無(wú)線接口代替有線電纜連接。藍(lán)牙技術(shù)工作在不須執(zhí)照全球通用的2.45 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mbit/s，使用跳頻擴(kuò)展頻譜，在2.402GHz-2.480GHz內(nèi)共有79個(gè)信道可供跳頻使用，信道間隔均為1 MHz。

　　多媒體數(shù)據(jù)通信和移動(dòng)電話正在同步發(fā)展，未來(lái)通信系統(tǒng)即所謂的“移動(dòng)多媒體通信”將采用新的概念和技術(shù)。

3、關(guān)于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）

　　只有在3G變成現(xiàn)實(shí)后，才會(huì)有第四代、第五代等未來(lái)各代移動(dòng)通信系統(tǒng)。3G能否成功引入，關(guān)鍵在于向用戶提供的服務(wù)與這些服務(wù)的價(jià)格能否很好地協(xié)調(diào)。

　　1992年-1995年期間，歐洲提出移動(dòng)寬帶系統(tǒng)(MBS)項(xiàng)目，該項(xiàng)目是歐洲先進(jìn)通信研究和發(fā)展(RACE)項(xiàng)目中的一部分。MBS目標(biāo)是在移動(dòng)多媒體通信中，制定高移動(dòng)性和高數(shù)據(jù)率的未來(lái)室外蜂窩設(shè)想方案。雖然歐洲無(wú)線通信局已考慮了新業(yè)務(wù)的頻譜需要，但到目前為止尚未開展標(biāo)準(zhǔn)化工作。

4、移動(dòng)多媒體通信項(xiàng)目

　　4G需要?jiǎng)?chuàng)新的觀念，但通過對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化增強(qiáng)仍未找到所需概念。在歐洲的移動(dòng)多媒體通信項(xiàng)目中，對(duì)用戶方面已給予足夠重視。移動(dòng)多媒體通信項(xiàng)目在以下5個(gè)研究領(lǐng)域取得了一些研究成果。

　　4.1　應(yīng)用：工作協(xié)調(diào)

　　多媒體被認(rèn)為最適合非標(biāo)準(zhǔn)工作情況。非標(biāo)準(zhǔn)工作情況是指專業(yè)人員遇到不能用已知方法或因?qū)�業(yè)人員缺乏某些專業(yè)知識(shí)而不能解決的復(fù)雜問題。這些情況主要出現(xiàn)在緊急服務(wù)、醫(yī)療救濟(jì)和災(zāi)難處理中。到目前為止，醫(yī)療救護(hù)業(yè)務(wù)和光復(fù)印機(jī)的維護(hù)及修理這兩個(gè)研究領(lǐng)域已取得很大成果。

　　4.2　用戶接口和透明性

　　根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，從一個(gè)局到另一個(gè)局的通信相當(dāng)容易。然而，當(dāng)希望通信的對(duì)方較遠(yuǎn)時(shí)，距離遠(yuǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施不足有可能降低它們之間的通信效果。通過移動(dòng)視頻傳輸系統(tǒng)提供實(shí)際連接時(shí)，若采用具有可佩戴設(shè)備(如頭盔式顯示器)的計(jì)算機(jī)，則很有潛力改進(jìn)這種情況。在MMC項(xiàng)目中提供的頭盔式顯示器能透明地提供真實(shí)信息，提出透明信息意味著考慮了經(jīng)歷過的真實(shí)信息的特性和頭盔式顯示器的接受特性。當(dāng)在預(yù)測(cè)領(lǐng)域的任何部分不能提供真實(shí)信息時(shí)，就必須解決透明性問題。

　　4.3　壓縮

　　在誤碼率非常低的傳輸信道中，大多數(shù)壓縮方法表現(xiàn)得十分完美；但即使在誤差比較規(guī)則的無(wú)線信道中，許多壓縮方式卻表現(xiàn)得不盡如人意。比特率極低的壓縮不是主要目的，為了完成強(qiáng)烈依靠上下文的任務(wù)，要重點(diǎn)保證質(zhì)量足夠好。因此，在無(wú)線通信中，降低比特率是重要的，但不是最重要的目標(biāo)。更重要的是在MPEG-4多媒體應(yīng)用中，借助視頻分析工具，盡可能使壓縮(與傳輸系統(tǒng)合作)最大限度地減少無(wú)線信道中的誤碼率問題。

　　信源編碼研究工作已在以下兩個(gè)領(lǐng)域開展，并建出了兩種技術(shù)：

　　a)移動(dòng)視頻通信中的低碼速運(yùn)動(dòng)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)H.263，在MMC項(xiàng)目中提出的這種技術(shù)基于lTU H.263推薦的高壓縮方法。視頻信源編碼的基本結(jié)構(gòu)包含關(guān)于不同幀編碼的參考幀和提高在作為不可靠的被檢測(cè)宏塊編碼中的可能性兩個(gè)部分。

　　b)視頻對(duì)象的波行壓縮：在傳輸過程中難免會(huì)發(fā)生誤差，所以壓縮必須足以減少誤差�，F(xiàn)已提出結(jié)合極坐標(biāo)和離散余弦變換的等高線編碼技術(shù)。

　　4.4　傳輸協(xié)議

　　在所有開放系統(tǒng)互連(OSI)層中，采取各種措施解決無(wú)線信道中的不利因素。根據(jù)高層不必知道低層向高層提供業(yè)務(wù)的方法，很難保持OSI處于理想狀況。在鏈路層，可以通過前向糾錯(cuò)和自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)，減少傳輸誤差，但會(huì)出現(xiàn)時(shí)延并影響高層性能表現(xiàn)。在MMC項(xiàng)目中，分層協(xié)議結(jié)構(gòu)能夠?qū)σ苿?dòng)多媒體通信中的各種業(yè)務(wù)流量提供不同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。分層結(jié)構(gòu)體系是通過混合的時(shí)分復(fù)用/頻分復(fù)用(TDM/FDM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在TDM/FDM技術(shù)中，幀(最大的數(shù)據(jù)單元)由包、小片段和無(wú)線數(shù)據(jù)單元組成。根據(jù)分配帶寬和調(diào)制及編碼技術(shù)已取得的進(jìn)展，分層處理使未來(lái)擴(kuò)展變得更容易。

　　更進(jìn)一步的工作是完成在虛擬蜂窩網(wǎng)(VCN)中能提供將多個(gè)接收機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)的通信系統(tǒng)。VCN采用虛擬小區(qū)結(jié)構(gòu)，定義為預(yù)定大小的區(qū)域并實(shí)際上在移動(dòng)臺(tái)周圍形成�；�本思想是多個(gè)基站可以接收同一個(gè)移動(dòng)臺(tái)信息，反之亦然，多個(gè)基站能夠?qū)��?shù)據(jù)傳送往同一移動(dòng)臺(tái)。一般認(rèn)為，虛擬小區(qū)概念在很大程度上增強(qiáng)了傳輸質(zhì)量。

　　MMC項(xiàng)目提供了一個(gè)VCN，用來(lái)連接基站和移動(dòng)用戶。這意味著在每個(gè)時(shí)刻每個(gè)工作的移動(dòng)臺(tái)都能與多個(gè)基站保持聯(lián)系。高速蜂窩網(wǎng)絡(luò)測(cè)試正在進(jìn)行，該測(cè)試由工作在2.4GHz的射頻和低功率處理單元進(jìn)行。通過平行放置多個(gè)單元可獲得高達(dá)25Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。

　　4.5　無(wú)線寬帶傳輸

　　未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)主要由室內(nèi)外環(huán)境下提供的不均勻?qū)拵�業(yè)務(wù)和變化速率的移動(dòng)性決定，由于這些不均勻通信業(yè)務(wù)變得越來(lái)越復(fù)雜和多媒體的引入，使被交換的信息總量不斷增加。根據(jù)移動(dòng)業(yè)務(wù)情況可知，阻礙信息社會(huì)實(shí)現(xiàn)的原因之一取決于可得到的頻譜資源。近年來(lái)，由于頻譜資源的缺乏和新技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在整個(gè)世界都把注意力集中到毫米波段，在MMC項(xiàng)目中是中心傳輸頻率為60GHz的V波段(40 GHz-75 GHz)。標(biāo)準(zhǔn)已得到發(fā)展，相關(guān)技術(shù)亦已提出，措施正在實(shí)施，并成功建立了信道模擬器。調(diào)制系統(tǒng)選用正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)，該技術(shù)的特長(zhǎng)是處理多徑接收問題。近來(lái)，關(guān)于OFDM的研究，涉及到先進(jìn)的同步規(guī)則系統(tǒng)和非線性功率放大器的影響。