多媒体通信

１ 前言

    无线通信技术及系统、产业与服务在进入９０年代后，以其高速、超高速发展而著称，在通信领域十分引人注目。面对２１世纪，无线通信将在两个方面突飞猛进：一是基于移动通信技术和系统实现室内或室外用户的话音和数据通信；一是提供“无缝”连接或无线连接、支持各种宽带信息业务和服务的无线多媒体通信。

    为适应这种发展要求，移动通信正积极研究和开发第３代系统，提供包括８～３２ｋｂｉｔ／ｓ（话音和数据）、６４～１４４ｋｂｉｔ／ｓ（ＩＳＤＮ）、３８４ｋｂｉｔ／ｓ～２Ｍｂｉｔ／ｓ（电视图像）速率的多媒体通信服务。但由于移动通信首先要满足高速移动的需要，满足大区覆盖、全球覆盖的要求，而话音和数据通信是其最主要的业务和应用，因此，移动通信系统能提供的３８４ｋｂｉｔ／ｓ～２Ｍｂｉｔ／ｓ业务，更多的是在室内环境或非移动情况下应用。

    无线接入系统（如无线本地环路）早期是为不发达国家和地区的通信普及和边远、分散地区的通信需要而提出的。近几年，它的高速发展开始被发达国家所关注和广泛研究，并已在积极开发基于无线接入的无线本地环和无线局域网发展起来的无线多媒体通信。尽管它不能覆盖全球和大区，也不太考虑高速移动下的应用可能，而着眼于真正能使多媒体通信广泛应用的室内外无线工作环境，提供比２Ｍｂｉｔ／ｓ高得多的信息数据传输速率。目前提供的商用实验系统已经达到２０ Ｍｂｉｔ／ｓ，高达６０Ｍｂｉｔ／ｓ以上的无线多媒体技术和系统也在研究、开发之中，可直接与ＡＴＭ、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或Ｉｎｔｒａｎｅｔ网络联结。

     各种无线通信和移动通信系统在不同信息传输速率和终端移动特性上的适用能力。显然，无线多媒体通信中，正在研讨的ＩＭＴ２０００标准化系统，如ＣＤ-ＭＡ Ｏｎｅ、Ｗ－ＣＤＭＡ建议，能很好满足高达３８４ｋｂｉｔ／ｓ的移动环境下的多媒体通信需求，而更高速率多媒体业务的发展则依赖于无线多媒体接入系统。

２ 无线多媒体通信的系统结构

    无线多媒体通信系统是为提供多媒体业务无线接入的通信系统，其系统结构与固定网络有着密切的关系，它的系统结构中，无线多媒体终端具有多媒体终端和无线通信的功能。目前，大多数是采用笔记本电脑加上无线通信单元（电脑外接部件）作为随身携带的无线多媒体终端。第３代移动通信系统的研究、开发可望在２１世纪初，推出类似ＮＯＫＩＡ ９０００个人通信机大小的个人无线多媒体终端，在不同环境从事不同的多媒体业务通信。

    基站同常规的移动通信、无线通信的基站一样，实现与终端的双向通信和与基站控制器的连接。

    基站控制器是实现能接入不同固定多媒体通信网络的重要设备，通过协议转换、信号格式帧重组等技术，来完成接入功能。由于ＡＴＭ交换机和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ路由器的协议和通信规范不同，基站控制器除完成对基站的控制管理、数据业务通信外，还要有接入网络适配器、ＡＴＭ接口、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接口及相应的支持软件。

     无线网络管理中心完成对无线网络部分和无线多媒体通信终端用户的管理、控制和监测，并作各种业务统计和运行性能分析。

从现在的研究开发和应用情况看，已实现系统结构的无线多媒体通信的还不多，而是在此基础上作了相应的简化。国外正在开发的一种无线多媒体通信系统结构，其针对ＡＴＭ网络来实现无线多媒体通信。系统结构中，无线接入站相当于基站，直接接入ＡＴＭ交换机。无线监控站作为ＡＴＭ交换机的外设，实现无线通信管理功能。

    由于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络和应用的高速发展，越来越显示出它在多媒体通信中的强大生命力，基于Ｉｎｔｅｒ-ｎｅｔ网络的无线多媒体通信也越来越受重视。最近，我们基于国外的研究发展，提出了如图４所示的无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ多媒体通信系统的体系结构，它仅由无线多媒体终端、无线路由器和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络组成，采用无线通信手段实现Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络的所有多媒体通信功能，包括话音通信。

３ 无线多媒体通信的关键技术

（１）射频技术

    射频技术是传统技术，从技术发展角度看，它好象变化不很明显，但新频段的开发和应用却是日新月异。第３代移动通信系统规定使用２ＧＨｚ频段，因此无线接入系统使用的该频段不得不相应调整。已有明确提议无线多媒体通信系统使用２．５ＧＨｚ频段和５ＧＨｚ频段的建议，以此实现１０Ｍｂｉｔ／ｓ的信息传输速率，最高可达２０Ｍｂｉｔ／ｓ。５ＧＨｚ频段规划为无线ＡＴＭ系统用的频段，各国计划安排情况如图５所示，带宽为１００ＭＨｚ或２００ＭＨｚ。这些频段都是传播特性不很好、衰落大、干扰大的频段。因此，射频技术就成了无线多媒体通信系统的关键技术之一。

     此外，为传送更高速率的多媒体业务数据，还在积极研究、开发１７ＧＨｚ、１９ＧＨｚ、３０ＧＨｚ、４０ＧＨｚ、６０ＧＨｚ频段的应用。其中，１７ＧＨｚ、１９ＧＨｚ频段的研究、开发目标是达到３０～５０Ｍｂｉｔ／ｓ，６０ＧＨｚ频段的研究、开发目标是达到１５５Ｍｂｉｔ／ｓ。

（２）多址方式和调制技术

     ＣＤＭＡ是下一代移动通信的代表性多址方式和调制技术，数据传输速率高达２Ｍｂｉｔ／ｓ，能实现多媒体通信。对能传送更高速率的无线多媒体通信，是不是仍然采用ＣＤ-ＭＡ技术呢？这不是能简单回答的问题。从现有研究、开发和应用的情况看，若传输数据速率低于１０Ｍｂｉｔ／ｓ，ＣＤＭＡ多址方式和ＴＤ-ＭＡ多址方式仍然是主流。但要实现每秒几十兆比特的无线多媒体通信，ＣＤＭＡ的技术特点和优势就很难体现。ＴＤＭＡ也有高速定时同步的技术困难，因而多半采用正交频分多路（ＯＦＤＭ）方式。这种技术方式不要求特别高的宽带线形功放，也不太担心可能的高功率信号对常规信号功率的影响。ＯＦＤＭ的数字信号处理比工作在相应速率的均衡技术简单。由于载波间频率正交，ＯＦＤＭ有较好的多路干扰抑制能力。另外，采用对多路载波进行编码的办法，信号峰值功率更接近于平均功率，传输条件好时，可增加传送速率；通信环境恶劣时，可适当降低速率来提高信噪比、信号干扰比，保证可靠通信。当然，在实现高速信息传输时，ＯＦＤＭ方法和调制技术，要求有快速自动增益控制（ＡＧＣ）能力以及快速跟踪接收能力。

      例如，有１６个正交载波作多路通信，从这１６个载波中取８个载波来传送，按１６取８的组合关系，可一次传送２４比特数据。若按１．２μｓ传送一次，能实现２０Ｍｂｉｔ／ｓ的数据速率。如果改变不同组合关系，很容易实现２０Ｍｂｉｔ／ｓ、１５Ｍｂｉｔ／ｓ、１０Ｍｂｉｔ／ｓ和５Ｍｂｉｔ／ｓ的速率。

（３）高速信号处理接收技术

     ＯＦＤＭ通信方式与ＣＤＭＡ方式一样，几乎完全依赖于数字信号处理接收技术。越高的信息速率依赖性越明显，需要高速ＤＳＰ器件来处理，以保证实现对速率高达２０Ｍｂｉｔ／ｓ数据的准确接收。

      主要的信号处理有高速信号发射处理、基于快速傅立叶变换（ＦＦＴ）的接收匹配滤波处理、频率和相位的同步跟踪处理及数据解调处理。其中，匹配滤波和同步跟踪特别需要有极大灵活性和可编程能力的高速信号处理器来实现。另一出路是利用专门的超高速计算机处理模块来实现。

      高速信号接收处理中，纠错技术也是十分重要和有效的。在高速数据速率下实现高纠错处理能力也是面临的重要课题。

（４）系统软件

    无线多媒体通信的有效实现，同其他通信系统一样，离不开软件支持，通常分为物理层、链路层、网络层和应用层。要实现可靠的无线高速数据通信，空中接口的物理层软件取决于通信方式和信号处理方法，链路层软件与移动通信和现有无线接入系统有相当大的类似之处，完全不同的主要是反映在网络层。无线多媒体通信要能接入ＡＴＭ网络，及要能接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络，这就必须有研究、开发无线ＡＴＭ接口软件及无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接口软件。４ 实验系统

对于无线多媒体通信系统，尽管已有一些总数据速率能达到每秒几兆比特的通信产品，但仅仅是实现点对多点的少量几个用户的通信，而且用户数一多，用户数据传送速率就急剧下降。目前真正意义上的无线多媒体高速通信基本上处于实验阶段，典型的系统有ＭＢＳ、ＡＷＡＣＳ、ＡＷＡ等系统。

     ＭＢＳ（Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｓｙｓ-ｔｅｍ）是欧洲提出的，号称为面向未来的第４代移动通信系统的建议。实际上，它是适合于小区短距离的无线多媒体通信的典型系统，因为它使用４０ＧＨｚ频段（３９．５～

４０．５ＧＨｚ，４２．５～４３．５ＧＨｚ）和６４ＧＨｚ频段（６２～６３ＧＨｚ，６５～６６ＧＨｚ），工作半径为６０～１００ｍ，且只能在短距离无遮挡情况下应用。它采用ＴＤＭＡ多址方式及４／１６正交处理的正交调幅调制（ＯＱＡＭ），能传送高达３４Ｍｂｉｔ／ｓ的数据速率。

      ＡＷＡＣＳ（ＡＴＭ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃ-ｃｅｓｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）是参考日本的ＡＷＡ由英法意几家公司提出的，目标是实现用户传送数据的最大速率不低于３４Ｍｂｉｔ／ｓ，最小速率要能低于１．５Ｍｂｉｔ／ｓ。采用ＴＤＤ的ＣＤＭＡ方式，可利用ＣＤ-ＭＡ的扩频编码码长的不同来实现不同速率（最低扩频增益为２），使用１９ＧＨｚ频段，正交ＱＰＳＫ（ＯＱＰＳＫ）调制，信号相干检测，小区工作半径为５０～１００ｍ。

     日本提出的ＡＷＡ（ＡＴＭ Ｗｉｒｅ-ｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ）系统，是想利用３～３０ＧＨｚ的某一频段，采用ＴＤＭＡ的四相移相键控（ＱＰＳＫ）调制，向每个用户提供１２Ｍｂｉｔ／ｓ的数据传输能力。

    中国科学技术大学最近完成了国家“８６３”高技术计划的无线多媒体业务接入技术的研究课题，采用宽带ＣＤＭＡ的双正交码和分组Ｍ－ａｒｙ技术，使用５ＭＨｚ载波信号带宽，扩频增益不低于３２、６４，分配２个码道实现１４４ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输，５个码道实现３８４ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输。在此基础上，采用类似ＯＦＤＭ方式的多载波方法，能实现２～２５Ｍｂｉｔ／ｓ的信息数据传输，以及第３代移动通信技术和系统，为无线多媒体通信技术和系统的研究、开发打下了良好基础。

５ 应用前景

    无线多媒体通信是实现高达每秒几十兆比特的信息数据速率的无线传输，其应用前景是十分广阔的。远程医疗、家庭医院和紧急救护是它的典型应用之一，病人可以在任何地方、任何时候得到第一流专家的诊断、治疗和救护。家庭办公也是９０年代开始兴起和实验的工作方式，无线多媒体通信将提供实现家庭办公的真正可能。信息大楼和信息化办公室是实现信息社会的重要目标，也是无线多媒体通信的又一典型应用。电视现场采访、电视实况转播乃至电视摄影，都为无线多媒体通信的应用提供了广阔天地。

（收稿日期：１９９８－０９－０８）

[摘要] 文章基于能提供广泛应用的高速无线多媒体通信技术和系统的研究、开发情况，介绍和讨论了无线多媒体通信的体系结构、关键技术、典型系统和它的应用前景。

[关键词] 无线多媒体通信 系统 码分多址 正交频分多路

[Abstract] Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｒ-ｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｔｙｐｉ-ｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｕｌｔｉ-ｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｏｄａｙ＇ｓ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ-ｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｙｓｔｅｍ．

[Keywords] Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍ-ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ＣＤＭＡ ＯＦＤＭ