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移動寬頻系統

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出自 MBA智库百科(https://wiki.mbalib.com/)

移動寬頻系統(Mobile Broadband System ,MBS)

目錄

[隱藏]

什麼是移動寬頻系統[1]

  移動寬頻系統(MBS)是歐洲提出的一種旨在提供寬頻傳輸能力的過渡系統,MBS的基本思想是使移動用戶(移動速度可以超過100km/h)完全結合入基於ATMB-ISDN,並能提供其他移動通信系統的所有業務,這就要求在MBS的空中介面處直接轉移ATM信元,其ATM信元的轉移容量將達到155Mbit/s,歐洲提出的MBS的研究目標,就是為了將全部移動通信能力結合到B-ISDN中,研究開發能夠滿足寬頻移動所需要的新技術和新工藝(主要由於工作頻率太高而引起),並鑒別移動用戶對未來通信的需求以及市場特征,檢驗某些市場因素對此結合產生的影響,最終通過建立實驗系統來證明其基本思想的可行性。

移動寬頻系統的由來[2]

  隨著多媒體業務通信和寬頻綜合業務數字網(B—ISDN)的發展,人們對無線寬頻系統的需求日甚,無線ATM成為近年來的研究熱點,其中尤以歐洲從RACEⅡ計劃開始研究的移動寬頻系統(MBS)(R2067)最為典型。

  MBS的基本思想是使移動用戶(移動速度可以超過100km/h)完全結合入基於ATM 的B-ISDN 並能提供其它移動通信系統的所有業務。這就要求在MBS的空中介面處直接轉移ATM 信元,其ATM 信元的轉移容量將達到155Mbit/s_1]。因此,這也帶來了在其它一系列較低速率移動通信系統中沒有遇到過的新問題:一方面MBS的高速率設計迫使其載波選用毫米波波段,如40GHz、60GHz頻段;另一方面從網路觀點來看,用戶的多媒體業務應用需占用系統中較多的可用容量,使得MBS的網路性能比其它較低速率的移動通信系統要求更高、更嚴。但歸根到底,關鍵還是在於開發適用的低成本毫米波元器件。

  歐洲RACEⅡ計劃中MBS(R2O67)的研究目標,就是為了將全部移動通信能力結合到B—ISDN中,研究開發能夠滿足寬頻移動所需要的新技術和新工藝(主要由於工作頻率太高而引起),並鑒別移動用戶對未來通信的需求以及市場特征,檢驗某些市場因素對此結合產生的影響,最終通過建立實驗系統來證明其基本思想的可行性。具體的一些關鍵性研究開發工作包括以下幾個方面:

  ① 開發系統結構及其與B—ISDN固定網的介面;

  ② 研究60GHz無線電波傳播特性;

  ③ 開發包括平面天線在內的低成本毫米波天線;

  ④ 開發通用的60GHz頻段空中接13;

  ⑤ 開發60GHz頻段蜂窩小區劃分及覆蓋的方法和技術;

  ⑥ 應用單片微波集成電路新工藝設計、生產和測試上變頻器、功率放大器及前置放大/混頻器;

  ⑦ 完成在60GHz無線鏈路上移動連接總傳輸速率達到32Mbit/s、對數字視頻信息業務提供16Mbit/s數據傳輸速率的實驗系統。

  到1995年RACE計劃結束時,已從MBS實驗系統的開發和運作結果證實了MBS思想是可以實現的,併在系統概念和毫米波器件開發方面為MBS的實用化打下了基礎。隨後,MBS又被列入ACTS計劃(AC2O4:SAMBA),以期利用RACE計劃中的研究成果,根據實際需要和現實可能,為建立泛歐的、具有國際競爭力的移動寬頻系統,做進一步驗證性的研究和開發嘗試。

MBS空中介面和網路協議[2]

  因為MBS將基於ATM 的B—ISDN固定服務直接延伸至移動用戶,這就要求其無線鏈路對網路透明,所以在MBS的空中介面協議中不包括ATM適配層(AAL)。圖1示出了MBS實驗系統空中介面的協議分層模型 ,其中ATM物理層由特定的無線物理層加上互相配合運作的媒介接入控制層和邏輯鏈路控制層所代替。

  Image:MBS协议分层模型.jpg

  在MBS網路中,每個基站服務一個小區,數個基站共同連接到一個基站控制器上。基站控制器類似一個增加了移動管理

  控制功能、連接在ATM 固定網上的ATM復用器。在ATM 固定網上還設有一個專用的ATM交換機,用來支持連接不同基站控制器無線小區之間的越區切換。

  1.M—PHY層

  對於MBS這樣容量達每秒上百兆的寬頻系統,需要占用頻譜寬度也將為上百兆赫茲,這是通常用於移動通信而已十分擁擠的UHF頻段無法提供的。毫米波段有著較豐富的可用頻譜資源,而且在60GHz頻段具有峰值高達15dB/kin的氧氣吸收可用來增加頻率復用和系統容量,因此成為MBS等寬頻系統的首選載波。

  對於毫米波段,天線的尺寸較小,從而使MBS中的移動終端和基站都能夠應用窄波束天線系統。選用窄波束天線不僅可以獲得較高的增益,還可因不接收與其指向相差較大的反射波而獲得較低的時延散佈值。時延散佈限制著最大數據傳輸速率,而這通常又是用均衡器難以完全解決的問題,因此,窄波束天線的應用對此問題的解決有很大的幫助。

  在MBS實驗系統中,無線接入採用的是目前看來更切合實際的頻分多址/時分多址(FDMA/TDMA)技術,調製解調則採用四電平交錯正交幅度調製(4OQAM)技術。一個FDMA通道可提供34Mbit/S的凈容量,最多可並聯使用四個頻道以滿足高速率需求。

  為支持M—MAC層中上行鏈路分時隙ALOHA的公平性,MBS採用了發射功率控制技術,以消除無線接收的捕獲效應。

  2.M—MAC層

  要在數個移動站與一個中心基站之間的空中介面透明地轉移ATM信元,需用一個MAC方案以協調移動站之間對無線物理通道的競爭,併在無線通道上延伸ATM復用器中的統計復用。當MBS中建立起多個移動站的VCC後,由基站管理它們接入的無線通道。若用在幀結構內進行時隙位置預約的MAC協議,如分組預約多址接入(PRMA),將會導致較高的排隊時延;並且基於PRMA的協議還存在著因預約的時隙未被使用而造成容量浪費的現象,所以MBS採用了一個時隙接一個時隙進行無線通道容量分配(水平預約)的MAC協議,稱為動態時隙分配(DSA++)。

  DSA++的基本思想是把幾個移動站和一個中心基站組成的小區當作分佈的排隊系統來處理。中心MAC調度在基站控制器內根據測量得的短期容量需求和VCC規定的OoS參

  數,並服從“虛時鐘”(Virtual clock)或“時延最早到期”(Delay Earliest-due—date)或“時延抖動最早到期”(Jitter Earliest—due—date)的服務策略,來決定每個VC的優先權,而下一個時隙就分配給優先權最高的VC。基站報告上一個上行鏈路時隙的狀態(空閑、成功、碰撞),併在每一個下行時隙為下一個(或多個)上行時隙預約報文。所以上行鏈路的時隙有兩種:預約時隙和競爭時隙。預約時隙只預約給某規定的排隊VC,移動站在每個上行傳輸的信元中增加了一個後續傳輸請求的短報文,以申請進一步的時隙預約;而競爭時隙可由每個排隊的VC遵照分時隙ALOHA協議隨機接入,特別是新呼叫信元則只能在規定的競爭時隙上傳送。根據模擬分析結果 ,DSA++能夠同時提供較短的傳輸延時和較大的吞吐量

  3.M—LLC層

  ATM概念是在假設傳輸質量能夠得到保證的情況下開發的,這在光纖通信系統當然可行。然面由於無線鏈路的傳輸質量很差,故需要增加一個可以自適應於空中介面特征的糾錯方案。為此,在MBS的M—LLC層中開發了一個自適應於不同服務等級、結合前向糾錯(FEC)的選擇性重發(ARQ)協議 ],它與M—MAC協同運作來進行重傳數目控制,只有未超過業務規定的最大時延的ATM信元才可重發,一旦超時,ATM信元就被丟棄,這樣一來就又起到了流控的作用,防止擁塞的發生。

  LLC層的另一個任務,是為那些比一個載波所能提供的數據傳輸速率要求更高速率的業務,提供多鏈路並行傳輸。這隻當移動站上有多個收發信機時才適用。

  4.動態資源管理

  MBS因選用60GHz頻段使蜂窩小區很小,而且其可支持的移動速度又很高,這使得各小區的業務量分佈不均勻。為了有效利用頻譜資源,MBS中採用了基於干擾測量的分散式DCA方案:移動站中維持一個具有所有通道干擾測量值的通道表,移動站可根據此表來為新呼叫或越區切換呼叫建立新連接。在越區切換情況下,此新連接將與舊連接並存一段時間,以實現用戶察覺不到的“無縫隙”越區切換。基站控制器則掌握一部分通道,當受其控制的某些小區中預先分配的固定通道已不能滿足業務量增長需求時,將它們按實際需要動態地分配給這些小區。所以此方案稱為“靈活的”DCA方案。

  5.越區切換

  為支持用戶的移動性,通信中的移動用戶需要有越區切換協議來保護OoS。因為在MBS網路結構中,每個基站服務一個小 ,數個基站連接到一個基站控制器上,而基站控制器則直接連接在B—ISDN上。所以MBS中的越區切換分為兩層,即連接同一基站控制器的基站間切換和連接不同基站控制器的基站間切換,並採用基於測量的演算法來判決越區切換的發生。

  如果只是在一個基站控制器內的基站間越區切換,則切換完全在LLC子層進行,而網路的ATM層不受影響。較低的LLC子層通過建立多個虛連接來為移動用戶從一個基站無縫切換到另一個基站。因此越區切換過程對ARQ協議的事件是透明的。

  MBS的W.ATM 網將被結合入B—ISDN。由於移動站的移動為之服務的基站控制器也將跟著交換,因此連接不同基站控制器的基站間需要網路支持的越區切換(圖1)。網路支持的越區切換需要快速建立ATM虛連接路由,而這是現有的ATM層協議尚不能支持的。如果把每次網路接入點的改變都當作一次新呼叫的建立是不能被接受的,因為這將會丟失ATM信元使QoS降低到不能接受的程度。為使ATM網能支持連接移動寬頻終端VCC的越區切換,固定網的功能就得擴充。

  一種受推薦的解決方案就是基於“虛樹”的概念,它依賴於連接到某ATM交換機的ATM移動伺服器(AMS),如圖2所示。當執行由移動站控制的越區切換時,AMS負責網路切換期間的業務持續。每當移動站發生一個呼叫申請,AMS在其管轄區內建立一條從其本身到每個無線接入系統(RAS)的雙向鏈路,並連接到被呼叫的用戶,這樣的鏈路稱作一個虛分枝(VB),而整個VB的集合稱為虛樹(VT)。其中只有一個VB稱為激活的(Active)VB,傳送用戶數據,其它的VB都處於空閑狀態。AMS可以是一個經過改進升級的ATM交換機,為激活的雙向VB上的ATM信元建立傳輸路由。當第一個信元從一個由空閑變成激活的VB上到來時,在AMS內的實時控制單元立即識別出此次網路支持的越區切換,並且下行鏈路也跟著做相應的切換。

  Image:应用虚树概念的网路切换.jpg

參考文獻

  1. 趙強等編著.基於軟交換的NGN技術與應用開發實例.人民郵電出版社,2009.02.
  2. 2.0 2.1 王捷.移動寬頻系統的關鍵技術與研究現狀[J]電信科學.1998年7期
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