移动宽带系统
移动宽带系统(Mobile Broadband System ,MBS)
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什么是移动宽带系统[1]
移动宽带系统(MBS)是欧洲提出的一种旨在提供宽带传输能力的过渡系统，MBS的基本思想是使移动用户(移动速度可以超过100km／h)完全结合入基于ATM的B-ISDN，并能提供其他移动通信系统的所有业务，这就要求在MBS的空中接口处直接转移ATM信元，其ATM信元的转移容量将达到155Mbit／s，欧洲提出的MBS的研究目标，就是为了将全部移动通信能力结合到B-ISDN中，研究开发能够满足宽带移动所需要的新技术和新工艺(主要由于工作频率太高而引起)，并鉴别移动用户对未来通信的需求以及市场特征，检验某些市场因素对此结合产生的影响，最终通过建立实验系统来证明其基本思想的可行性。
移动宽带系统的由来[2]
随着多媒体业务通信和宽带综合业务数字网(B—ISDN)的发展，人们对无线宽带系统的需求日甚，无线ATM成为近年来的研究热点，其中尤以欧洲从RACEⅡ计划开始研究的移动宽带系统(MBS)(R2067)最为典型。
MBS的基本思想是使移动用户(移动速度可以超过100km／h)完全结合入基于ATM 的B-ISDN 并能提供其它移动通信系统的所有业务。这就要求在MBS的空中接口处直接转移ATM 信元，其ATM 信元的转移容量将达到155Mbit／s_1]。因此，这也带来了在其它一系列较低速率移动通信系统中没有遇到过的新问题：一方面MBS的高速率设计迫使其载波选用毫米波波段，如40GHz、60GHz频段；另一方面从网络观点来看，用户的多媒体业务应用需占用系统中较多的可用容量，使得MBS的网络性能比其它较低速率的移动通信系统要求更高、更严。但归根到底，关键还是在于开发适用的低成本毫米波元器件。
欧洲RACEⅡ计划中MBS(R2O67)的研究目标，就是为了将全部移动通信能力结合到B—ISDN中，研究开发能够满足宽带移动所需要的新技术和新工艺(主要由于工作频率太高而引起)，并鉴别移动用户对未来通信的需求以及市场特征，检验某些市场因素对此结合产生的影响，最终通过建立实验系统来证明其基本思想的可行性。具体的一些关键性研究开发工作包括以下几个方面：
① 开发系统结构及其与B—ISDN固定网的接口；
② 研究60GHz无线电波传播特性；
③ 开发包括平面天线在内的低成本毫米波天线；
④ 开发通用的60GHz频段空中接13；
⑤ 开发60GHz频段蜂窝小区划分及覆盖的方法和技术；
⑥ 应用单片微波集成电路新工艺设计、生产和测试上变频器、功率放大器及前置放大／混频器；
⑦ 完成在60GHz无线链路上移动连接总传输速率达到32Mbit／s、对数字视频信息业务提供16Mbit／s数据传输速率的实验系统。
到1995年RACE计划结束时，已从MBS实验系统的开发和运作结果证实了MBS思想是可以实现的，并在系统概念和毫米波器件开发方面为MBS的实用化打下了基础。随后，MBS又被列入ACTS计划(AC2O4：SAMBA)，以期利用RACE计划中的研究成果，根据实际需要和现实可能，为建立泛欧的、具有国际竞争力的移动宽带系统，做进一步验证性的研究和开发尝试。
MBS空中接口和网络协议[2]
因为MBS将基于ATM 的B—ISDN固定服务直接延伸至移动用户，这就要求其无线链路对网络透明，所以在MBS的空中接口协议中不包括ATM适配层(AAL)。图1示出了MBS实验系统空中接口的协议分层模型 ，其中ATM物理层由特定的无线物理层加上互相配合运作的媒介接入控制层和逻辑链路控制层所代替。
在MBS网络中，每个基站服务一个小区，数个基站共同连接到一个基站控制器上。基站控制器类似一个增加了移动管理
控制功能、连接在ATM 固定网上的ATM复用器。在ATM 固定网上还设有一个专用的ATM交换机，用来支持连接不同基站控制器无线小区之间的越区切换。
- 1.M—PHY层
对于MBS这样容量达每秒上百兆的宽带系统，需要占用频谱宽度也将为上百兆赫兹，这是通常用于移动通信而已十分拥挤的UHF频段无法提供的。毫米波段有着较丰富的可用频谱资源，而且在60GHz频段具有峰值高达15dB／kin的氧气吸收可用来增加频率复用和系统容量，因此成为MBS等宽带系统的首选载波。
对于毫米波段，天线的尺寸较小，从而使MBS中的移动终端和基站都能够应用窄波束天线系统。选用窄波束天线不仅可以获得较高的增益，还可因不接收与其指向相差较大的反射波而获得较低的时延散布值。时延散布限制着最大数据传输速率，而这通常又是用均衡器难以完全解决的问题，因此，窄波束天线的应用对此问题的解决有很大的帮助。
在MBS实验系统中，无线接入采用的是目前看来更切合实际的频分多址／时分多址(FDMA／TDMA)技术，调制解调则采用四电平交错正交幅度调制(4OQAM)技术。一个FDMA信道可提供34Mbit／S的净容量，最多可并联使用四个频道以满足高速率需求。
为支持M—MAC层中上行链路分时隙ALOHA的公平性，MBS采用了发射功率控制技术，以消除无线接收的捕获效应。
- 2．M—MAC层
要在数个移动站与一个中心基站之间的空中接口透明地转移ATM信元，需用一个MAC方案以协调移动站之间对无线物理信道的竞争，并在无线信道上延伸ATM复用器中的统计复用。当MBS中建立起多个移动站的VCC后，由基站管理它们接入的无线信道。若用在帧结构内进行时隙位置预约的MAC协议，如分组预约多址接入(PRMA)，将会导致较高的排队时延；并且基于PRMA的协议还存在着因预约的时隙未被使用而造成容量浪费的现象，所以MBS采用了一个时隙接一个时隙进行无线信道容量分配(水平预约)的MAC协议，称为动态时隙分配(DSA++)。
DSA++的基本思想是把几个移动站和一个中心基站组成的小区当作分布的排队系统来处理。中心MAC调度在基站控制器内根据测量得的短期容量需求和VCC规定的OoS参
数，并服从“虚时钟”(Virtual clock)或“时延最早到期”(Delay Earliest-due—date)或“时延抖动最早到期”(Jitter Earliest—due—date)的服务策略，来决定每个VC的优先权，而下一个时隙就分配给优先权最高的VC。基站报告上一个上行链路时隙的状态(空闲、成功、碰撞)，并在每一个下行时隙为下一个(或多个)上行时隙预约报文。所以上行链路的时隙有两种：预约时隙和竞争时隙。预约时隙只预约给某规定的排队VC，移动站在每个上行传输的信元中增加了一个后续传输请求的短报文，以申请进一步的时隙预约；而竞争时隙可由每个排队的VC遵照分时隙ALOHA协议随机接入，特别是新呼叫信元则只能在规定的竞争时隙上传送。根据模拟分析结果 ，DSA++能够同时提供较短的传输延时和较大的吞吐量。
- 3.M—LLC层
ATM概念是在假设传输质量能够得到保证的情况下开发的，这在光纤通信系统当然可行。然面由于无线链路的传输质量很差，故需要增加一个可以自适应于空中接口特征的纠错方案。为此，在MBS的M—LLC层中开发了一个自适应于不同服务等级、结合前向纠错(FEC)的选择性重发(ARQ)协议 ]，它与M—MAC协同运作来进行重传数目控制，只有未超过业务规定的最大时延的ATM信元才可重发，一旦超时，ATM信元就被丢弃，这样一来就又起到了流控的作用，防止拥塞的发生。
LLC层的另一个任务，是为那些比一个载波所能提供的数据传输速率要求更高速率的业务，提供多链路并行传输。这只当移动站上有多个收发信机时才适用。
- 4.动态资源管理
MBS因选用60GHz频段使蜂窝小区很小，而且其可支持的移动速度又很高，这使得各小区的业务量分布不均匀。为了有效利用频谱资源，MBS中采用了基于干扰测量的分布式DCA方案：移动站中维持一个具有所有信道干扰测量值的信道表，移动站可根据此表来为新呼叫或越区切换呼叫建立新连接。在越区切换情况下，此新连接将与旧连接并存一段时间，以实现用户察觉不到的“无缝隙”越区切换。基站控制器则掌握一部分信道，当受其控制的某些小区中预先分配的固定信道已不能满足业务量增长需求时，将它们按实际需要动态地分配给这些小区。所以此方案称为“灵活的”DCA方案。
- 5.越区切换
为支持用户的移动性，通信中的移动用户需要有越区切换协议来保护OoS。因为在MBS网络结构中，每个基站服务一个小 ，数个基站连接到一个基站控制器上，而基站控制器则直接连接在B—ISDN上。所以MBS中的越区切换分为两层，即连接同一基站控制器的基站间切换和连接不同基站控制器的基站间切换，并采用基于测量的算法来判决越区切换的发生。
如果只是在一个基站控制器内的基站间越区切换，则切换完全在LLC子层进行，而网络的ATM层不受影响。较低的LLC子层通过建立多个虚连接来为移动用户从一个基站无缝切换到另一个基站。因此越区切换过程对ARQ协议的事件是透明的。
MBS的W．ATM 网将被结合入B—ISDN。由于移动站的移动为之服务的基站控制器也将跟着交换，因此连接不同基站控制器的基站间需要网络支持的越区切换(图1)。网络支持的越区切换需要快速建立ATM虚连接路由，而这是现有的ATM层协议尚不能支持的。如果把每次网络接入点的改变都当作一次新呼叫的建立是不能被接受的，因为这将会丢失ATM信元使QoS降低到不能接受的程度。为使ATM网能支持连接移动宽带终端VCC的越区切换，固定网的功能就得扩充。
一种受推荐的解决方案就是基于“虚树”的概念，它依赖于连接到某ATM交换机的ATM移动服务器(AMS)，如图2所示。当执行由移动站控制的越区切换时，AMS负责网络切换期间的业务持续。每当移动站发生一个呼叫申请，AMS在其管辖区内建立一条从其本身到每个无线接入系统(RAS)的双向链路，并连接到被呼叫的用户，这样的链路称作一个虚分枝(VB)，而整个VB的集合称为虚树(VT)。其中只有一个VB称为激活的(Active)VB，传送用户数据，其它的VB都处于空闲状态。AMS可以是一个经过改进升级的ATM交换机，为激活的双向VB上的ATM信元建立传输路由。当第一个信元从一个由空闲变成激活的VB上到来时，在AMS内的实时控制单元立即识别出此次网络支持的越区切换，并且下行链路也跟着做相应的切换。
