未来移动通信新标准IEEE 802.20

• IEEE 802.20是移动宽带无线接入标准，能在高速移动(250 km/h)环境下支持广域移动。
• IEEE 802.20体系使用纯IP结构，并采用MIMO+OFDM技术、移动性管理技术和分布式安全管理技术来实现高效IP包传输，从而支持多种基于IP的业务。
• IEEE 802.20标准是未来移动通信领域的重要标准之一。

  随着多媒体业务需求的不断增长，人们提出了超(后)3G或4G等未来无线通信技术新概念，多个国际标准化组织和论坛也在积极开展未来移动通信标准的研究工作。国际电子电气工程学会(IEEE)在无线通信领域先后推出了颇具影响力的无线局域网标准IEEE 802.11、无线个域网标准IEEE 802.15和无线城域网标准IEEE 802.16后，又提出了移动宽带无线接入系统(MBWA)物理层及媒体访问控制层标准IEEE 802.20，目标是通过发展基于移动空中接口的高效IP包传输技术，为IP业务的传输能力寻找到高度优化的移动解决途径，实现一种可全球普及、可漫游、支持车速移动和实时在线的公共无线宽带接入网络技术。依赖这一技术，商业用户及家庭终端用户能够产生大量的无线网络需求。

1 IEEE 802.20概述
  移动宽带无线接入系统最初由IEEE 802.16工作组在2002年3月提出，2002年7月IEEE明确MBWA与IEEE 802.16定位于不同的市场应用，2002年9月MBWA执行委员会提议成立新的工作组，2002年12月提议得到批准，IEEE 802.20工作组成立。
IEEE 802.20标准规定了工作在3.5 GHz以下需要申请执照的频段，在5 MHz带宽和移动速度250 km/h的情况下，如何实现每用户峰值速率大于4 Mb/s(下行)/1.2 Mb/s(上行)，每小区的峰值速率大于16 Mb/s(下行)/3.2 Mb/s(上行)的通信连接。
  IEEE 802.20采用纯IP体系结构，标准内容主要包括无线信道模型、越区切换模型、分布式安全管理模型及所支持的业务模型。目前该工作组推出了多种提案，正式标准预计在2004年10月完成。
  未来移动通信网络体系结构的目标是从网络到终端均使用基于IP的协议通信，包括结构IP化、协议IP化、传输与业务IP化的全过程。IEEE 802.20就是采用的这种纯IP结构，其组成包括：IP核心网，含有高速路由器的基站，网络调度器，鉴权、认证和计费(AAA)服务器以及支持各种应用的终端设备。
  在纯IP结构中，基站是含有路由器的实体，能在空中接口中有效支持IP分组的传输。在移动性管理上，基站采用扩展的分层移动IP协议以有效地支持快速越区切换和漫游功能，采用基于IP的AAA机制来实现网络的安全和保密。

2 IEEE 802.20的组成与模型

2.1 无线信道模型
  IEEE 802.20的无线信道模型采用多入多出(MIMO)空间信道模型。对于单入单出(SISO)空间信道模型主要考虑的是接收信号的信号功率分布和多普勒频移信息，而对基于多径衰落和多普勒频移的多入多出空间信道模型，还需要角扩展、功率方位谱、发送端和接收端的天线阵列相关性等信息。
  移动宽带无线信道中，高移动性会导致时域特性的快速变化，多径时延会导致严重的频率选择性衰落，多径角扩展会导致严重的空间信道响应的改变。
  要获取好的性能，接收端和发送端所采用的算法必须准确地跟踪各维信道响应(空间、时间和频率)。因此，多入多出空间信道模型必须捕获所有信道特性，包括：空间特性(如角扩展、功率方位谱、空间相关性)、时域特性(如功率迟延谱)和频域特性(如多普勒频谱)。
  描述IEEE 802.20无线信道的MIMO模型主要有3种：相关模型、放射跟踪模型和散射模型。3种模型的特性如下：
  (1)相关模型
  相关模型通过在发射端和接收端合并独立复高斯信道矩阵来描述空间相关性。对于多径衰落的情况，使用国际电信联盟（ITU）提出的抽头延迟线信道模型来产生功率迟延谱和多普勒频谱。由于相关模型是基于ITU提出的抽头延迟线信道模型，具有易于应用并与已有ITU信道特性描述相兼容的特点。
  (2)射线跟踪模型
  在射线跟踪模型中，假设已知反射物的位置，信道特性通过仿真从每一个发送天线到每一个接收天线的大量数据累加来预测。射线跟踪模型通过使用特定信息，如建立结构库来提供相当准确的信息。但是，由于难以获取详细的地形和建筑物数据库，在室外环境下一般不使用这一复杂的模型。
  (3)散射模型
  散射模型假定了散射物的特定统计分布，利用这种特定统计分布，通过仿真散射物间的相互作用平面波的方向产生信道模型。该模型需要大量参数。
IEEE 802.20的物理信道采用MIMO＋OFDM的信道模式。3种多入多出空间信道模型的选取需要根据具体情况而定。

2.2 移动性管理及切换模型
  如果移动节点(MN)需要与固定用户通信，则需要家代理(HA)和外地代理(FA)参与。家代理和外地代理可以是驻留在基站路由器的专用通信模块，也可以采用另外的通信设备来实现。
  家代理负责截获所有发往已经移出家网的MN的报文，并通过隧道将它们发送到该MN最新告知的转交地址(CoA)。
  外地代理通过周期性发送代理公告或响应移动的代理请求来告知MN它已移动到外地网，并向MN提供路由服务。
  IEEE 802.20中，移动节点为移动台(MS)。MS在不同基站(BS)间切换时，可采用先中断后切换和先切换后中断两种方式。MS收到相邻基站的广播信息后，会监测侦听范围内来自所有基站的无线信号并测量信号强度，以便寻找适合作为目的基站的相邻基站。当发现一个信号强度大于原基站的相邻基站，MS通知原基站它在两个基站的重叠区内并希望切换，同时通知原基站有关目标基站的地址。当收到MS的信息，原基站通过骨干网向目标基站发送有关MS及切换的信息。此后，目标基站为MS选择接入资源，并通过原基站通知MS接入资源、定时信息及功率等级。
  对于先中断后切换方式，原基站首先终止与MS的连接，之后MS开始切换，建立起与目标基站的连接。
  对于先切换后中断，MS通过广播信息和接入信息获取转交地址，并向HA登记新的CoA，从而把业务转向目的基站，但此时MS还保持与原基站的连接，这种方式不会带来信息传递的时延和丢包。当MS登记消息到达家网，家代理开始把包转交给新的CoA。在一段时间后，MS才关闭与原基站的连接，以确保原基站中不再有发往MS的包。

2.3 分布式安全模型
  IEEE 802.20采用分布式安全模型来进行网络的安全管理。分布式安全模型是相对于集中式安全模型而言的，集中式安全模型使用一个安全管理器来识别其他设备，每个设备必须信任同一个安全管理器或子安全管理器。如需更改安全管理器，设备和安全管理器间重新建立密钥管理关系的代价是非常昂贵的。而分布式安全模型中，各设备只需把自己当作安全管理器，不依赖其他设备来实现信任功能。某一设备状态的改变不会影响其他设备间的密钥关系。
  IEEE 802.20的分布式安全机制包括公钥建立机制、密钥传输机制和数据传输机制几部分，完成密钥产生、传输与管理的整个过程。

2.4 业务模型
  随着各种便于移动的终端设备(如笔记本电脑、个人数字助理及智能电话等)的出现与普及，移动通信业务的需求也在不断增长，包括WWW、文件传输(FTP)、E-mail、电视会议、VoIP、即时消息、PDA同步及文件共享等。

3 标准前景分析与展望
  与当前的3G技术相比，IEEE 802.20标准对高速移动状态下的通信连接拥有超凡的支持能力，技术优势明显。市场研究公司ABI预测，到2008年无线城域网(采用IEEE 802.16a和IEEE 802.20标准)设备的总体销售额将超过15亿美元。
  基于IEEE 802.20系统的普及可能还需要几年的时间。虽然目前不会对第3代移动通信有现实的威胁，但在未来的几年里，必将会形成很大的冲击。
  IEEE 802.20能够提供3G的覆盖范围和WLAN的数据传输速率，且能支持250 km/h的车速移动，因此，IEEE 802.20具有广阔的应用前景。从技术角度而言，IEEE 802.20几乎采用了各种无线通信与移动通信的新技术，如纯IP的网络结构、多入多出空间信道模型、正交频分复用（OFDM）技术、分布式安全技术等。IEEE 802.20必将在未来移动通信中发挥重要的作用。

(西安电子科技大学ISN国家重点实验室  李晓辉 刘晓军 刘乃安)