TD_SCDMA和WiMAX技术融合实现宽带无线移动通信系统

黄健文1陈婧2（1.中国移动通信集团广东有限公司网管维护中心广州510600）（2.广东省气象局广州510600）摘要本文主要论述了基于TD-SCDMA和WiMAX技术融合实现一种新型的宽带无线移动通信系统。在该系统中，TD-SCDMA接入网提供广域无线覆盖，支持高移动性，提供话音业务和中、低速数据业务；WiMAX接入网提供热点区域覆盖，支持游牧移动性，提供高带宽流媒体数据服务，两种接入技术在网络层实现汇聚，通过网络层移动性管理技术，共享核心网络和业务系统，实现两种接入网的统一的无线资源管理以及统一的用户管理和计费，移动终端可以在该系统下的两种网络之间实现无缝漫游和切换。该种新型的移动通信系统能够很好的满足用户对移动通信业务的使用要求，也能够有力支持TD-SCDMA大规模独立组网，增强TD-SCDMA的竞争力；同时，也为TD-SCDMA系统的演进和跨越式发展提出新的思路。关键词网络融合宽带无线移动通信系统从设计之初，WiMAX（本文主要指IEEE802.16e标准[1]）与3G系统就具有不同的应用场景。WiMAX[2]立足于宽带的无线化，而3G系统则立足于移动的宽带化。3G是无线移动广域网（WWAN）标准，主要通过基站广域覆盖，提供大范围、高速移动下的有质量保证的电话和中低速数据传输服务。WiMAX则基于无线城域网（WMAN）标准，主要用于固定和游牧环境下的低成本高速率数据接入服务。它们的业务模式也有很大不同，前者追求可运营、可管理、高质量；后者追求低成本、高速率、高效率和自由开放。因此，从更好的支撑未来移动互联业务的角度来看，WiMAX和3G二者正好可以取长补短，共同为用户提供差异化的服务，从而实现真正意义上的宽带无线移动服务。理论和实践告诉我们，WiMAX可与3G的三个标准（WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA）中任何一个系统融合，产生一个新的、更高水平的无线移动通信系统。但从技术应用互补性和兼容性看，TD-SCDMA[3]与WiMAX是当前无线移动宽带领域互补性、可容性最好的两个系统，也是最容易实现的。从技术的角度来看，WiMAX和TD-SCDMA最大的相同点是它们都采用了TDD方式，这是一种非常适合日益发展的不对称数据业务对频谱资源使用的一种双工方式；但是，在多址技术、天线技术以及调制技术方面，WiMAX选择了AAS、OFDMA以及自适应编码调制技术，从高效和高速率的角度来看，这些技术的选择都比TD-SCDMA更为先进。因此，成熟的WiMAX技术在高效和高速率的TDD系统方面的经验可以为TD-SCDMA借鉴甚至采纳，直至产生一种满足未来综合的宽带化、泛在化、移动化的网络技术，成为未来的发展方向。本文从市场、技术和IPR三个角度论述了TD-SCDMA和WiMAX的互补特性，论述了两者如何在不同层次实现融合以及融合的步骤[4]。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的话音为主，尽管它也提供数据和多媒体，但语音服务仍是它的主打方向；而WiMAX以提供基于宽带互联网的高速数据通信为主，并可按不同QoS要求提供多媒体业务，当然也包含分组的语音业务。二者的融合使TD-SCDMA在3G领域可迅速地提供包含语音、数据和多媒体业务的全面服务，二者的融合不仅可提供高质量的语音服务，也可以提供速率比HSDPA高近5倍的数据和多媒体业务。由于融合后的系统兼有WiMAX的廉价性和应用的广泛性，使它在质量、价格、市场多方面优于单独的3G系统，因此它将有更好的市场和应用前景。1.2技术方面的互补性当初WiMAX立足于宽带（互联网）的无线化，而3G则立足于移动通信的宽带化。前者本来以解决无线宽带接入为主，提供高速率数据和多媒体业务，但目前为适应人们的需求也加入了语音服务。融合后的系统在保证语音质量、容量的同时又有不同级别的QoS和多媒体服务。从覆盖和漫游的性能看，3G是无线广域网（WWAN），与2G融合追求的目的一样就是在任何时间任何地点任何人能够得到任何服务。而WiMAX则面向无线城域网，它也采用与其他系统的融合，以达到更广泛的覆盖。目前TD-SCDMA可提供的最高速率为2Mbit/s（技术上是以128kbit/s数据为基本服务单位为最好），在这一点上如果TD-SCDMA要与其他两个系统在数据服务上比拼，那么就必须再投入大量人力、物力、财力。如果TD-SCDMA要追赶HSDPA以及以后的LTE、AIE，对一个目前投资总值在20亿人民币的产业链来说，是一个十分沉重的负担，也是一个难以如期完成的任务。因此，我们要寻找一个跳跃的发展策略。如果采用与WiMAX技术融合的方案，速率方面可在1~2年内提供出75Mbit/s的数据服务，其覆盖范围也可达50km。此外由于两种技术均为TDD，其频带的选择也十分靠近，融合后的频谱利用率更高，二者的标准化工作也均趋于成熟，其技术性和性能方面的融合不仅具有可能性、而且具有可行性。1.3IPR问题困扰3G发展的另一个问题是IPR问题。中国唯一具有核心知识产权的TD-SCDMA在IPR方面比其他两个系统具有优势。WiMAX这项技术仅有几年历史，我国的中兴和华为开始WiMAX研发的时候，几乎与其他国外厂商处在同一个水平线上。据中兴的同行介绍，尽管WiMAX宣布了中国采用它可免知识产权费用，中国的华为、中兴等并没有放松IPR的工作。WiMAX的专利主要集中在物理层、MAC层以及应用层几方面。某国内著名通信制造商表示：“如果国内企业在WiMAX技术的核心专利加起来的话将比在TD-SCDMA上所掌握的核心专利还要多。”TD-SCDMA与WiMAX融合系统如果起源于中国，与我国其他系统相比，我们将在这一领域占有最好的IPR状况，并为将来的国内4G的发展奠定很好的起点。2TD-SCDMA和WiMAX在不同层次实现融合2.1业务融合根据融合的程度及实现的复杂性，宽带无线通信系统的融合可能发生在不同的层次，但是对于最终用户而言，业务融合才是信息整合时代人们最为期盼和最为需要的。当前人们热议的三网融合，在现阶段其实也就是指三种不同网络上的业务融合，核心在于提供综合信息的融合业务。从业务需求方面讲，多种业务融合的市场需求已经出现，语音、数据、多媒体信息的融合，有线与无线业务的融合等，都对下一代网络发展提出新的需求。在激烈的电信市场竞争中，融合业务作为一种新业务是有力的竞争手段之一，可以使用户享受到更加全面、综合的电信业务，同时增加运营商的企业竞争能力，吸引用户，提高收益，进而促进整个电信市场的发展。业务融合的目标是在网络互通的基础上共享业务系统，通过统一的业务系统为最终用户提供统一的业务体验，使用户通过不同的类型的终端接入不同的网络访问和使用同样的业务，实现统一帐单、统一数据库管理等功能，并尽可能实现业务的统一开发和控制。对用户来说，业务融合要以保障现有服务质量为基础，提供更加丰富的业务；对运营商来说，业务融合要以重用现有的网络资源为主，支持向网络融合、终端融合后的业务移动性和移动环境下的PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建业务无缝切换为最终目标的平滑演进。考虑到现阶段的可实施性和操作性，目前TD-SCDMA和WiMAX业务融合首先要解决的问题就是WiMAX与TD-SCDMA网络的互通，在此基础上实现PS域、IMS域的融合，并且实现和CS域的互通。WiMAX与TD-SCDMA融合后的业务提供如表1所示。为了实现业务融合的目标，需要解决一些基本问题，包括：（1）如何统一不同网络中的标识，保证用户在不同网络中使用同样的标识来访问业务，现阶段如果不能保证标识对于用户统一，则至少应该保证对于网络是统一的，即不同网络中的用户标识在网络级要进行关联；（2）网络需要对用户的标识或标识关联信息以及用户的业务签约信息进行统一的管理，保证这些信息对提供融合业务的网络是共享的，用户只需要注册一次业务，就可以在不同网络中直接使用，而不需要重新注册；（3）对于用户来说，享用融合业务最直观的体验就是能为在不同网络中使用的所有业务支付一张帐单，因此，不同网络中用户使用业务产生的计费信息应该能够综合起来，最后由后台计费系统进行统一处理，输出一张帐单。具体到TD-SCDMA和WiMAX网络的业务融合，为了解决以上提到的一些基本问题，需要首先研究得出二者业务融合的网络体系结构。TD-SCDMA是通过GGSN与外部数据网络如Internet、SPN进行通信，并且通过GGSN连接到IMS网络。所以，只要WiMAX能够接入到TD-SCDMA的GGSN，则就能够享受到3GPP提供的PS域、IMS域业务，并可以实现两网在所有业务域的互通。2.2网络融合图1描述了一个未来的无线网络场景。在图中，我们可以看到存在各种类型的无线接入网络，例如TD-SCDMA、WiMAX、cdma2000和未来的4G网络等。这些接入网络提供不同范围和速率的无线接入，满足不同的业务需求。它们通过各自的网关接入到一个统一的IP核心网中，共享的业务系统。通过网络层移动性管理等网络融合的关键技术，移动终端能够在这些不同类型的网络中实现无缝切换和漫游，从而获得无所不在的、性能更好、价格更便宜的服务。例如，移动终端可以从TD-SCDMA网络无缝切换到WiMAX网络覆盖区，获得WiMAX网络提供的宽带数据服务。网络融合涉及到移动通信系统的多个层面，包括业务层面、控制层面、接入层面、传送层面。各个层面的关键问题包括：统一的业务提供、快速鉴权与计费、移动性管理、安全性管理、QoS控制、无线资源管理、频率规划等。在业务层面上，基于IMS的融合提供统一的业务；在控制层面上，基于网络层移动性管理等关键技术提供无缝切换和漫游；在接入层面上，通过联合的无线资源管理和QoS控制技术保障平滑的业务；在传送层面上，基于IPv6或者NGN等关键技术保障传送质量。其中，基于IP的网络层移动性管理技术将是网络融合的关键问题和重要技术之一。业务网络域业务能力业务提供业务划分CS域基于电路交换的业务，典型业务如话音、SMS等TD-SCDMA在所有的覆盖区域内全部由TD-SCDMA来提供CS域的业务，WiMAX的VoIP和IM可以分别与TD-SCDMA的话音和SMS实现互通；PS域基于分组交换的业务，典型业务如无线上网、流媒体业务等TD-SCDMA和WiMAX利用TD-SCDMA提供广域覆盖内高速移动下的中低速数据传输及流媒体业务，利用WiMAX网络在热点地区为用户提供固定或游牧方式下的高速上网业务及其他数据业务；IMS域基于SIP提供的业务，典型业务如VoIP、PoC、多媒体会议、IPTV等TD-SCDMA和WiMAX利用TD-SCDMA提供广域覆盖内高速移动下的基于IP的话音、数据及多媒体业务，利用WiAMX网络在热点地区为用户提供固定或游牧方式下的基于IP的话音、数据及多媒体业务；表1WiMAX与TD-SCDMA融合下的业务提供PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建在该系统中，TD-SCDMA接入网提供广域无线覆盖，支持高移动性，提供话音业务和中、低速数据业务。WiMAX接入网提供热点区域覆盖，支持游牧移动性，提供高带宽流媒体数据服务，两种接入技术在网络层实现汇聚，通过网络层移动性管理技术，共享核心网络和业务系统，实现两种接入网的统一的无线资源管理以及统一的用户管理和计费，移动终端可以在该系统下的两种网络之间实现无缝漫游和切换。该种新型的移动通信系统能够很好的满足用户对移动通信业务的使用要求，也能够有力支持TD-SCDMA大规模独立组网，增强TD-SCDMA的竞争力；同时，也为TD-SCDMA系统的演进和跨越式发展提出新的思路。2.3技术融合“技术”本身有广义、狭义的概念之分，因此“技术融合”也有广义和狭义的概念之分，这里我们是指一种狭义的技术融合，是指那些能够使用在不同网络或系