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)和標準化組織的長期目標。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）標準，基本特性和目標為：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)。可看出，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小；不同的基站使用不同的跳頻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）。可見Flash-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。

　　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標準。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?？煽康逆溌?，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。