無線城市關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展策略分析

無線城市關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展策略分析引言無線城市的概念源于WiFi技術(shù)（802.11b），初衷是作為有線的延伸，實現(xiàn)固定的無線互聯(lián)網(wǎng)接入，隨著無線接入技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對城市信息化的認(rèn)識的不斷深入，無線城市已經(jīng)發(fā)展到以寬帶移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)通信介質(zhì)，結(jié)合用戶的基本屬性（身份、習(xí)慣、喜好等），為隨時隨地為市政服務(wù)、醫(yī)療、旅游、個人生活等方面提供多種增殖服務(wù)。在現(xiàn)實世界中，無線城市的概念方興未艾，但是實際部署卻差強(qiáng)人意，2007年，美國各大城市開展的無線城市計劃在僅僅風(fēng)靡了2年后淪為雞肋，美國多個城市宣布取消或者暫停該計劃。到底是什么原因造成了技術(shù)先進(jìn)、關(guān)注度高、應(yīng)用前景美好的無線城市遭遇冷落？本文試圖從驅(qū)動技術(shù)的關(guān)鍵需求出發(fā)，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，給出解釋，并在此技術(shù)上，對于無線城市未來的發(fā)展，給出自己的觀點。2無線城市關(guān)鍵技術(shù)分析隨著WiFi無線局域網(wǎng)的誕生，尤其是802.11b系列的通信芯片植入Intel的CPU中，使得無線上網(wǎng)成為可能，也催生了"無線城市"的需求。人們已經(jīng)不滿足與固定場所的辦公上網(wǎng)、分享信息，政府部門也希望能更有效的組織信息資源，更好的服務(wù)于廣大市民。于是，以IT界主導(dǎo)的無線接入技術(shù)逐漸由無線局域網(wǎng)向各個層面擴(kuò)展，向上擴(kuò)展到無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)、無線廣域網(wǎng)，向下還有無線個域網(wǎng)，同時，積極吸納CT行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可運(yùn)營可調(diào)度的能力，全方位、多層次的覆蓋各類通信需求。可以說，無線城市中的技術(shù)是源于IT界，以WiFi，WiMAX等技術(shù)為代表，并吸取了CT界以IMT-2000，IMT-Advanced為代表的成熟經(jīng)驗和技術(shù)的基礎(chǔ)上，IT與CT融合的產(chǎn)物，下面就有針對的選取主要關(guān)鍵技術(shù)點進(jìn)行論述。關(guān)鍵技術(shù)點為了便于闡述，下面就自下而上按照物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層選取部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。1)物理層OFDM：正交頻分復(fù)用，是一種調(diào)制技術(shù)，其核心是通過將較寬的信號帶寬劃分成若干正交的自信道，并使自信道的帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，并通過引入定時偏差（頻域的CP）使得信號在保護(hù)時間間隔內(nèi)變化而不致引起子載波間干擾（ICI）和符號間干擾（ISI）從而有效對抗多徑效應(yīng)，使得非視距傳輸大容量信號成為可能。OFDMA：基于OFDM調(diào)制的多址方式，可用于下行。通過對OFDM調(diào)制信號進(jìn)行靈活的子載波分配（如：相鄰子載波分配和分布式子載波分配）滿足不同的應(yīng)用場景的需求，如，在固定或游牧的應(yīng)用場景下，采用鄉(xiāng)里子載波分配方式可以使得個別子信道具備較高的信噪比；而分布式子載波分配方式可以使得子載波分散在整個頻帶，雖然不會出現(xiàn)非常好或非常差的信道環(huán)境，但是比較適用與具備一定移動性的應(yīng)用場景。根據(jù)子載波的信噪比，在不同子載波上采用不同的調(diào)制編碼方式，可以盡可能提高信道的利用率。GMC：即廣義多載波，是針對上行接入的多址方案，可以與OFDMA結(jié)合應(yīng)用。采用逆濾波器組變換(IFBT)實現(xiàn)頻分復(fù)用和頻分多址的方式，與OFDMA該方式具有較低的峰均比,并且能更有效的抵御上行用戶間的定時和頻率同步誤差導(dǎo)致的多址干擾。其關(guān)鍵技術(shù)點如下：復(fù)濾波器組變換理論及快速算法基于DFT擴(kuò)頻的GMC多址方案信號峰均比抑制方法同步定時方法：頻域保護(hù)子帶和時域循環(huán)前綴信道估計與均衡方法2)MAC層MIMO：即多入多出，是利用多組分立的發(fā)射、接收天線的空間分集作用，將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，以提高容量。從信息論的理論分析可知：在功率帶寬受限的無線信道中，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而顯著改善系統(tǒng)容量。當(dāng)前業(yè)界MIMO的流行模式是2×2MIMO，MIMO的原理如上圖2所示。通過與OFDMA、智能天線（波束賦形）等關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，能夠最大限度的改善系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。Mesh：無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種高容量高速率的多點對多點網(wǎng)絡(luò)，采用類似移動自組織網(wǎng)絡(luò)（AdHoc）的多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌ㄟ^引入中繼站來擴(kuò)展城域網(wǎng)基站的無線覆蓋范圍和增強(qiáng)局域網(wǎng)接入點的熱點覆蓋功能。其組網(wǎng)方式如上圖3所示，其中的AdHoc網(wǎng)絡(luò)和無線感知網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于分布式的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。與物理層的OFDM、OFDMA、GMC等關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，使得在非視距的無線傳播環(huán)境下也能進(jìn)行高速分組數(shù)據(jù)傳輸。MAC層采用集中式控制與分布式控制相結(jié)合的方式，以實現(xiàn)充分利用帶寬和物理層先進(jìn)技術(shù)的靈活高效的無線資源分配機(jī)制?？缭轿锢韺雍蚆AC層的關(guān)鍵技術(shù)：軟件無線電、智能天線、QoS。軟件無線電：軟件無線電的基本思想是把盡可能多的無線及個人通信功能通過可編程軟件來實現(xiàn)，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無線電系統(tǒng)，是一種用MAC層軟件和物理層DSP器件相結(jié)合來實現(xiàn)物理層連接的無線通信方式。智能天線：其核心是波束賦形技術(shù)。智能天線應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術(shù)具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量。QoS：通過物理層的AMC、ARQ、HARQ等功能以及MAC層先進(jìn)的調(diào)度算法，可以實現(xiàn)可以按不同業(yè)務(wù)流、不同連接等多種需求劃分的質(zhì)量保證機(jī)制。3)網(wǎng)絡(luò)層INON：即智能節(jié)點重疊網(wǎng)，它是覆蓋在IP核心網(wǎng)上的傳統(tǒng)的彈性重疊網(wǎng)（RON）技術(shù)與分布式哈希表（DHT）技術(shù)相結(jié)合的新型重疊網(wǎng)技術(shù)，主要包括自動組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)資源管理、路由優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，以幫助接入網(wǎng)部分的各接入業(yè)務(wù)解決或優(yōu)化在核心網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸和資源管理等方面的相關(guān)問題，。PMIP：通過移動性管理模塊中的PMIP機(jī)制，使得終端不需要移動IP客戶端軟件即可實現(xiàn)子網(wǎng)間切換，包括在不同的接入路由器之間、以及同一接入路由器的不同端口之間的子網(wǎng)間切換情形?？缭組AC層和網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)：二、三層切換和PMIP（代理MIP）。子網(wǎng)間的快速切換技術(shù)：包括跨越不同子網(wǎng)間的切換判決算法和切換方式、切換和認(rèn)證方式的配合、二層三層切換的整體性能優(yōu)化策略等；垂直切換技術(shù)：是異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)之間的切換，技術(shù)關(guān)鍵點包括：切換度量的評估算法和切換策略；技術(shù)發(fā)展趨勢圖5移動通信技術(shù)發(fā)展展望-未來無線城市的場景從關(guān)鍵技術(shù)角度看，無線城市是IT界驅(qū)動的，以WiFi，WiMAX等技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的；而從業(yè)務(wù)驅(qū)動的角度看，無線城市的目的是服務(wù)于市政、交通、醫(yī)療、旅游甚至安全等層面需求，通過強(qiáng)大的通信能力，為政府更好的服務(wù)于市民提供支撐。通過分析，不難發(fā)現(xiàn)，無線城市的客戶層面是寬泛的，各層面的客戶需求是有差異的，有側(cè)重接入能力和速率的，有側(cè)重移動性的，也有更看重安全的，為此，就需要一類技術(shù)，能夠靈活的滿足差異化的需求。借用業(yè)界專家的觀點："無線城市是地方政府繼自來水、電力、道路、下水道之外的第五項公共設(shè)施。"這是對無線城市定位焦貼切的詮釋。發(fā)展好無線城市，需要跳出傳統(tǒng)的電信運(yùn)營的概念，而應(yīng)該將無線城市作為一種廣泛服務(wù)于通、國防、醫(yī)療、金融等領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施加以規(guī)劃和建設(shè)。簡單的將固定寬帶網(wǎng)絡(luò)無線化，使其具備一定移動性，或者是將現(xiàn)有的2G、3G窄帶網(wǎng)絡(luò)寬帶化，著眼于"管道運(yùn)營"，而不去考慮各行業(yè)的差異化增值業(yè)務(wù)和各行業(yè)的共性支撐需求，這樣的無線城市是沒有存在價值的，其投資回報也是不成比例的。技術(shù)上述認(rèn)識，筆者看來，無線城市的發(fā)展應(yīng)該從以下方面入手：策略1：在提高和完善各行業(yè)信息化水平的基礎(chǔ)上，做好頂層規(guī)劃和設(shè)計，建設(shè)好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺和共性支撐平臺。MIS：ManagementInformationSystemSIS：ServiceInformationSystemRCIS：RegionalCollaborativeInformationSystem無線城市的實質(zhì)是城域的信息化，可以說信息化是內(nèi)容，通信設(shè)施是形式，建設(shè)和發(fā)展無線城市的本質(zhì)是建立城域范圍內(nèi)可協(xié)同的行業(yè)信息服務(wù)平臺，是信息化平臺的協(xié)同問題?；仡櫺袠I(yè)信息化的歷程，，基本按照MIS，SIS和RCIS等三個階段發(fā)展演進(jìn)著，由最初的基于財務(wù)、行政為核心的管理信息系統(tǒng)（MIS）到以業(yè)務(wù)流程實現(xiàn)為核心的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)（SIS），未來即將發(fā)展到以行業(yè)信息系統(tǒng)相協(xié)同的區(qū)域協(xié)同信息系統(tǒng)（RCIS），筆者認(rèn)為，RCIS就是無線城市的愿景和實現(xiàn)目標(biāo)。為了實現(xiàn)協(xié)同，首先要使得被協(xié)同的各行業(yè)系統(tǒng)具備可供協(xié)同的基礎(chǔ)，即可以共享的數(shù)據(jù)、相對規(guī)范的業(yè)務(wù)流程以及行業(yè)人員先進(jìn)的管理水平，缺一不可；然后才是將這些信息孤島的互連，創(chuàng)造新的協(xié)同業(yè)務(wù)，作為城市級的服務(wù)提供給廣大市民。為此，無線城市不是傳統(tǒng)意義上單一的巨系統(tǒng)，而是由千差萬別的行業(yè)信息系統(tǒng)相結(jié)合出來的復(fù)合型巨系統(tǒng)。建設(shè)和完善無線城市，需要從城市管理的高度出發(fā)，關(guān)注市民的基本屬性、身份識別、信用機(jī)制、各要素的地理信息識別、各層面的安全機(jī)制（網(wǎng)絡(luò)安全、內(nèi)容安全、信息加密與身份認(rèn)證等）等基礎(chǔ)的共性問題著手，做好規(guī)劃和設(shè)計，這樣才能避免重復(fù)投資和走彎路。策略2：無線城市的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)該統(tǒng)一運(yùn)營，以優(yōu)化資源使用效率，保證整體服務(wù)質(zhì)量。無線城市是協(xié)同的綜合信息服務(wù)平臺，必然會構(gòu)筑在多個運(yùn)營商的通信系統(tǒng)上，甚至還會有第三方運(yùn)營服務(wù)提供商的參與，從承載層面，網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同甚至融合是必然的?；趨^(qū)域協(xié)同的業(yè)務(wù)勢必需要通過多種制式的通信系統(tǒng)進(jìn)行資源整合來為用戶提供服務(wù)。如果由多家運(yùn)營，尤其是多家之間還有一定的競爭關(guān)系，一方面會造成協(xié)同的服務(wù)質(zhì)量和合作效率將很難達(dá)到最優(yōu)；另一方面，會造成發(fā)展無線城市過程中的重復(fù)建設(shè)、重復(fù)投資現(xiàn)象。為此，在無線城市的建設(shè)和發(fā)展過程中，有必要考慮增加"基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供商"這樣的角色，將電信運(yùn)營商的基礎(chǔ)通信資源和低附加值的維護(hù)部分資產(chǎn)進(jìn)行整合、從主業(yè)剝離，并在此基礎(chǔ)上為實現(xiàn)無線城市有針對性進(jìn)行重點設(shè)施建設(shè)和資源維護(hù)。同時從效益、安全等各方面出發(fā)，增強(qiáng)國家監(jiān)管的作用，逐步將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供商重新劃歸國有。電信運(yùn)營商和其他服務(wù)提供商可以通過租賃的方式獲得固定設(shè)施資源，并在此基礎(chǔ)上通過不斷推出各類無線城市增值應(yīng)用和信息整合服務(wù)來獲取利潤。策略3：要實現(xiàn)無線城市的可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約能源是必須面對的問題?？v觀IT和CT行業(yè)的技術(shù)的發(fā)展，可以用"更高、更快、更強(qiáng)"來概括，即更高的系統(tǒng)能耗、更快的速率（更大的帶寬、更快的處理速率）、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)（更安全、更可靠），正是在這一理念的指導(dǎo)下，僅用了30余年，移動通信產(chǎn)業(yè)從無到有，發(fā)展到數(shù)十億用戶，伴隨著無線城市的誕生，通信類、消費(fèi)電子類、甚至行業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)開始融合，更多的應(yīng)用帶來了更多的市場機(jī)遇和經(jīng)濟(jì)繁榮。但是在繁榮的背后，如何利用好能源，集約的發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)的問題逐漸會引起人們的關(guān)注。據(jù)IT行業(yè)統(tǒng)計，日常使用的計算機(jī)中，只有30%的能耗是直接服務(wù)于計算的，其余的70%能耗存在進(jìn)一步降低的可能；在歐洲，很多國家都已經(jīng)在居民家中安裝能量消耗裝置，用以給居民直觀的每日能耗提示。包括我國在內(nèi)的很多國家也積極地對風(fēng)、水、甚至生物能源進(jìn)行挖掘，以期可再生的使用能源。上述例子可以看出，節(jié)能、可持續(xù)耗能已經(jīng)成為全球關(guān)注的重點議題，要實現(xiàn)無線城市的可持續(xù)發(fā)展，就有必要將如何節(jié)能，如何可持續(xù)的利用能源提到議事日程上來。以下幾個想法正是筆者基于節(jié)能的認(rèn)識，提供的幾個觀點：優(yōu)化管理流程和業(yè)務(wù)流程，更充分的利用協(xié)同的便利新能源（風(fēng)、水、太陽能、生物能等）的挖掘和新材料的運(yùn)用更有效的利用頻譜資源：使用無線感知技術(shù)在已分配的頻譜上進(jìn)行頻率復(fù)用；提高新系統(tǒng)的頻譜效率積極探索未來通信系統(tǒng)的節(jié)能方案：無源設(shè)備、覆蓋范圍