一種基于IP的網絡新技術：Flash-OFDM

　　無縫寬帶接入和多業務綜合接入是人們一直以來的夢想，也是各研究機構和標準化組織的長期目標。第二代移動通信技術：GSM和CDMA已經基本實現了全球無縫覆蓋，但仍有兩個問題始終未得到解決。首先，數據傳輸的速率不超過2Mbps，遠不能滿足寬帶業務的需求；其次GSM網和CDMA網間漫游沒有實現，同時二者業務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：更高的數據率、更高的頻譜利用率、更高的業務質量（QoS），完全透明地支持實時和非實時應用、支持不同技術間的漫游和切換、是能無縫鏈接到Internet的全IP網絡。

　　Flash-OFDM是由Flarion公司自行研發出來的無線寬帶技術，因為擁有低延遲的特點，所以能夠應用在實時數據傳輸上。能在移動環境下工作，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。上下行鏈路是數百個子信道組成的寬帶載波（擴頻的OFDM），傳輸數據時給每個用戶分配子信道。每個子信道采用自適應調制和先進的編碼技術，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，最大轉輸速度為3.2Mbit/s，平均數據傳輸速度達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利用快速跳頻技術把信號擴頻，具有頻率分集能力，減小了同一小區內的用戶間干擾，它同時具有OFDM和跳頻擴頻技術的優點。除了跳頻外，為解決小區間干擾，采用了功率控制，用戶只發射它能有效通信的功率。此外Flash-OFDM的空中接口采用分組業務，支持全IP通信。

　　本論文將介紹Flash-OFDM網絡體系結構的層次模型及物理層、MAC/LLC層并與現有3G技術對比，從交換技術、頻譜利用率、成本、延遲、業務接入能力等方面闡述其優越性。

　　二、Flash-OFDM的系統結構

　　有線的IP通信系統中采用“分層”網絡協議，其中物理層，數據鏈路層及網絡層的主要功能是負責網絡接口。Flash-OFDM采用相同的方法把它應用于無線媒介中。

　　圖1是將異構系統互連的空中接口分層結構。可看出，傳統的空中接口采用了水平分層式設計的互連系統結構，即同等層實體之間的通信由該層的協議管理。

　　Flash-OFDM不同于傳統的網絡，它從系統的觀點出發，對物理層、數據鏈路層采用了特殊的綜合垂直設計（見圖1），這種設計為移動寬帶數據網提供了理想的鏈路層，滿足移動數據包通信業務的特殊需求。但是為了完全把所有有線互聯網或內部網固有的IP應用（包括交互式數據應用和對等網絡應用）無縫的移植到無線網絡上，需要根據IP數據的特點對空中接口的各層都進行自下而上的協同設計和優化。因此，Flash-OFDM對網絡層和網絡層以上的層采取基于純IP的水平分層式設計，能利用現存的IP下部結構設備，從而使Flash-OFDM 的鏈路層融合到更寬廣的網絡中。

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相結合，使之成為擴頻系統并且同一蜂窩內子載波相互正交。

　　Flash-OFDM引入了快跳頻技術，即用戶可以根據按偽隨機碼（PN）規律變化的跳頻圖案，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，從而在宏觀上實現了頻譜的擴展。對于快跳頻，一個符號根據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，減小了同一小區內的用戶間干擾，它同時具有OFDM和跳頻擴頻技術的優點。

另外，在同一蜂窩中的每個用戶都使用不同的資源（小頻段），相互之間并不會產生干擾。另外還實現了更大的數據容量（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系統的移動設備功率消耗很大，并且導致射頻放大器的功率效率降低、系統成本增高。但是在Flash-OFDM系統中，OFDM峰均比的問題能得到解決，因此它的移動設備功率消耗與傳統CDMA系統相當。

　　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IP基站—RR提出的帶寬需求，分配少數的上行鏈路資源到每個移動設備。RR也可以根據用戶數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（自動重發請求）相結合達到高可靠性，對多點傳送及廣播傳送僅用FEC。上行鏈路和下行鏈路的ARQ響應時間都很低，至少都低于現在2.5G和3G標準。高可靠性和低時延的結合對透明IP方式交互式數據應用

　　另外，Flash-OFDM資源細分的優點還使得MAC層能夠有效地進行無線包交換，同時具有提供服務質量（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常可靠的鏈路，并且延遲很小。因此網絡層傳輸的延遲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用。

　　2.3Flash-OFDM網絡層

　　網絡層提供MAC層和骨干網的接口，它的功能包括IP會話管理；管理多種工作模式，如Flash-OFDM/802.11，Flash-OFDM/Bluetooth雙模；可實現基站、移動臺和用戶的授權、認證。另外還提供與AAA系統的接口、路由管理、數據加密等。

　　從全IP的觀點看，Flash-OFDM代表了理想的空中鏈路，支持移動性和基于QoS的業務。物理層和MAC層為移動寬帶數據特殊設計，緊密相連的物理層和MAC層使基站控制信道的分配，以一定的優先級傳送不同業務，如基于IP的話音、視頻會議等。空中鏈路使用戶數據率和頻譜利用率提高。它是基于IP的分布式網絡，支持實時的交互式業務和端到端的IP連接，能滿足業務提供者和運營商的需要，易于部署和網絡演進。Flash-OFDM網絡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備，能夠提供全面的移動性和覆蓋廣域網絡的能力。無線路由器連接到所有的移動網絡設備，并和IP網絡相聯，它集成了所有的網絡接入功能，可以無限地擴展IP網絡邊緣。

　　三、Flash-OFDM與3G的區別比較

　　與其他通信網絡尤其是3G相比，現在新出現的基于OFDM原理的Flash-OFDM技術具有以下特征：

　　1、空中接口的層設計優化

　　所有傳統的蜂窩式無線系統，包括3G，基本上都是圍繞電路交換話音進行設計的，它們主要在物理層上設計和優化。而Flash-OFDM設計新的空中接口，并對協議棧的各層（物理層、MAC/LL層和網絡層等）都進行了優化，特別是MAC層和LL層，使IP數據在各層得到優化，滿足移動數據應用的特殊需求。選擇OFDM為多址技術不僅僅只是出于對物理層的考慮，而且還考慮了MAC/LL層和網絡層的需求。

　　2、采用分組交換

　　所有蜂窩無線系統，包括3G，采用的都是電路交換系統。電路交換網絡建立的是物理連接，即僅在物理層利用信道資源建立數據通路，連接一旦建立通信質量就可保證，但電路交換對突發數據流量效率很低。

　　Flash-OFDM采用端到端的分組交換網絡系統，而不是傳統的電路交換系統。分組交換網絡對應于空中接口的三層（物理層、MAC/LLC層、網絡層），它能有效解決突發數據流問題，從而克服電路交換式架構遺留下來的障礙，這種系統能夠在不同投資規模下提供有利可圖的無線數據服務。

　　3、全IP支撐

　　以往的技術，包括采用電路交換的GSM系統都無法滿足移動IP要解決的第一個問題—高速接入互聯網的需要，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就可以實現了全IP化，所以各種互聯網協議，如TCP/IP傳輸控制協議，能夠平穩而有效地在Flash-OFDM無線鏈路上運行，而3G網絡不能有效地支持TCP/IP。

4、話音與數據的融合

　　Flash-OFDM不是提供把語音和數據流量置于同等地位的改良型3G，而是完全消除了語音和數據兩者之間的差異，把兩種信號作為純IP數據通過無線電波從網絡發送到用戶。蜂窩傳輸需要建立含有許多數據包的龐大的“數據幀”，Flash-OFDM卻可以高速傳輸數據包。這樣一來，丟失一兩個數據包不會破壞傳輸。這降低了數據開銷、簡化了傳輸。

　　5、低時延

　　3G系統的時延一般在200ms-400ms，而flash-OFDM系統理想情況下的時延是35ms，實驗結果時延也在35ms-50ms之間，這與現在大多數有線寬帶系統相似。

　　6、頻帶利用率高

　　大多數3G服務至少需要5MHZ的帶寬，Flash-OFDM的信號卻只需要1.25MHZ。flash-OFDM技術比較突出的地方就是即使在窄帶帶寬下也能夠發出大量的數據，這意味著運營商可以利用已經擁有的有限（當然也是昂貴的）帶寬為更多用戶提供服務。

　　7、低成本

　　使用flash-OFDM技術，運營商只需要為每位用戶投入10美元，這種技術的帶寬價格只有3G網絡的十分之一。另外它的基站硬件可以提供冰箱大小的同類設備一樣大的覆蓋面，但占用面積只有一半。其它無線系統需要昂貴的軟硬件把IP數據包轉化成語音，但flash-OFDM卻不需要。 Flarion稱，它的技術有望使

　　四、結論和展望

　　3G是以話音為主的蜂窩網，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。現在Flarion提出的Flash-OFDM無線技術的主要優勢是可以把大量數據塞入比較小的帶寬里面，解決3G的不足。和現有的以OFDM為基礎的系統（例如DSL）不同，Flash-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級技術，使得在蜂窩網絡中能增強更高層的性能優勢，獲得非常有效的數據包傳送，以及很低的信號延遲。它以IP透明方式使網絡無縫延展到廣闊的移動環境中，能夠解決3G出現的問題、面對現在移動通信發展要求的挑戰，因此這種技術在未來將是非常有前途的。Flash-OFDM的缺點就在于缺乏產業鏈條的支撐，這會使其陷入孤軍奮戰的境地，Flarion也意識到了這一點，正在積極尋找合作伙伴，并已經與西門子簽訂了合作協議，共同研發產品。如果Flash-OFDM能夠像當年的CDMA那樣尋找到一個可以大規模應用的市場，那么這項技術將獨立地發展下去，否則最終只能與其它技術融合，成為下一代移動通信技術的一部分。