吕智勇 张更新 马刈非 解放军理工大学
[摘 要 ]:第 三 代 移 动 通 信 系 统 将 在 2002年 在 全 球 展 开 应 用 ， 而 关 于 第 四 代 移 动 通 信 系 统 的 讨 论 也 已 全 面 展 开 。 本 文 介 绍 了 4G系 统 的 基 本 要 素 ； 完 全 集 中 的 服 务 ； 无 所 不 在 的 移 动 接 入 ； 不 同 的 用 户 设 备 ； 自 治 的 网 络 ； 还 讨 论 了 4G系 统 的 网 络 结 构 ， 它 包 括 一 个 基 于 IP的 核 心 网 络 和 由 几 种 接 入 系 统 组 成 的 接 入 平 台 。
[关 键 词 ]:4G； 移 动 通 信 ； 接 入 网 络
1.移 动 通 信 系 统 的 发 展
从 80年 代 起 ， 移 动 通 信 发 生 了 重 大 的 变 化 并 取 得 迅 速 的 发 展 。 80年 代 初 ， 引 入 了 利 用 模 拟 传 输 方 式 实 现 话 音 业 务 的 第 一 代 移 动 系 统 。 有 几 种 标 准 得 以 发 展 ， 如 ： 美 国 的 AMPS(先 进 的 移 动 电 话 业 务 )、 英 国 的 TACS(全 接 入 通 信 系 统 )等 。 80年 代 末 ， 引 入 了 利 用 数 字 传 输 方 式 的 第 二 代 移 动 通 信 系 统 。 它 们 提 供 更 高 的 频 谱 利 用 率 、 更 好 的 数 据 业 务 以 及 比 第 一 代 系 统 更 先 进 的 漫 游 。 GSM(全 球 移 动 通 信 系 统 )、 PDC(个 人 数 字 蜂 窝 )以 及 IS－ 95(US CDMA系 统 )都 属 于 第 二 代 系 统 。 第 二 代 系 统 将 进 一 步 向 第 三 代 系 统 演 变 ， 提 供 更 先 进 的 业 务 ， 如 速 率 为 100～ 200kbit/s的 电 路 和 分 组 数 据 业 务 等 ， 这 些 演 变 的 系 统 通 常 被 称 为 2.5代 系 统 。 它 们 有 HSCSD(high－ speed circuit－ switched data)、 GPRS、 EDGE(enhanced data rates for GSM evolution)等 。 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 研 究 起 于 1988年 ， 其 代 表 为 ： 国 际 电 信 联 盟 ITU的 IMT－ 2000和 欧 洲 的 UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service)， 他 们 的 目 的 是 提 供 高 达 2Mbits/s的 宽 带 数 据 业 务 ， 并 且 提 供 电 路 交 换 和 分 组 交 换 业 务 的 全 球 漫 游 。 IMT2000支 持 TDD和 FDD方 式 ， 允 许 对 称 和 非 对 称 的 业 务 [6]。 第 三 代 移 动 通 信 系 统 将 会 在 2002年 在 全 球 展 开 应 用 。 然 而 人 们 对 于 通 信 的 要 求 是 没 有 止 境 的 ， 人 们 要 求 更 高 的 通 信 速 度 和 更 多 的 业 务 种 类 。 鉴 于 制 定 标 准 和 系 统 规 范 的 长 期 性 ， 现 在 关 于 第 四 代 移 动 通 信 系 统 的 讨 论 也 已 全 面 展 开 。 本 文 描 术 了 4G系 统 的 基 本 要 素 ， 并 讨 论 了 4G系 统 的 网 络 结 构 ， 它 包 括 一 个 基 于 IP的 核 心 网 络 和 由 几 种 接 入 系 统 组 成 的 接 入 平 台 。
2. 发 展 4G系 统 的 动 力
2.1 通 信 业 务 和 市 场 对 移 动 通 信 系 统 的 需 求
移 动 通 信 系 统 的 发 展 主 要 受 到 技 术 因 素 和 市 场 需 求 两 方 面 的 影 响 。 其 中 因 特 网 的 飞 速 发 展 对 移 动 通 信 产 生 了 深 远 的 影 响 。 大 约 80％ 接 入 固 定 网 络 的 用 户 也 使 用 移 动 通 信 网 络 ， 他 们 对 利 用 移 动 终 端 接 入 因 特 网 表 现 出 极 大 的 兴 趣 ， 这 为 移 动 接 入 业 务 的 开 展 提 供 了 很 大 的 市 场 空 间 。 固 定 接 入 用 户 的 增 长 在 2004年 左 右 达 到 饱 和 ， 而 移 动 接 入 用 户 的 数 量 依 然 保 持 高 速 的 增 长 率 ， 估 计 移 动 接 入 用 户 的 数 量 将 在 2004年 超 过 固 定 接 入 用 户 的 数 量 。 另 外 ， 移 动 通 信 所 提 供 的 业 务 结 构 也 发 生 了 巨 大 的 变 化 。 人 们 已 经 不 再 满 足 于 传 统 的 话 音 业 务 ， 人 们 希 望 移 动 通 信 系 统 能 够 提 供 更 广 泛 的 业 务 种 类 ， 如 ： 因 特 网 接 入 、 电 子 邮 件 、 实 时 图 像 传 输 、 视 频 点 播 、 电 视 、 宽 带 数 据 业 务 等 。 在 第 一 、 二 代 移 动 通 信 系 统 中 占 主 流 的 话 音 业 务 将 逐 渐 让 位 于 快 速 发 展 的 多 媒 体 业 务 ， 估 计 到 2010年 ， 话 音 业 务 量 与 多 媒 体 业 务 量 的 比 值 为 1： 10。 移 动 通 信 业 务 的 发 展 如 图 1所 示 。
最 后 ， 移 动 通 信 模 式 也 将 发 生 巨 大 变 化 。 现 在 的 通 信 模 式 还 主 要 是 人 与 人 之 间 的 通 信 ， 而 以 后 的 通 信 模 式 将 要 发 展 为 人 与 人 、 人 与 机 器 、 机 器 与 人 、 机 器 与 机 器 之 间 的 通 信 。
所 有 这 些 变 化 都 对 移 动 通 信 系 统 提 出 更 高 的 要 求 ， 人 们 要 求 移 动 通 信 系 统 可 以 提 供 各 种 多 媒 体 业 务 ， 可 以 满 足 各 种 通 信 质 量 要 求 ， 可 以 以 各 种 形 式 的 终 端 接 入 ； 另 外 ， 系 统 还 应 具 备 高 度 的 智 能 化 ， 以 满 足 通 信 业 务 发 展 、 变 化 的 需 求 。
2.2. 3G系 统 的 限 制
3G系 统 相 对 于 2G系 统 在 通 信 速 度 和 质 量 上 都 有 了 很 大 的 提 高 ， 它 可 以 支 持 多 媒 体 和 IP类 型 的 业 务 。 基 于 W－ CDMA的 空 中 接 口 设 计 可 以 为 中 等 速 率 的 业 务 (384kbit/s)提 供 更 大 的 容 量 。 统 计 复 用 的 策 略 可 以 提 高 分 组 传 输 模 式 的 效 率 。 可 是 3G系 统 还 是 有 它 自 己 的 局 限 性 。
由 于 很 多 用 户 干 扰 ， 利 用 CDMA很 难 达 到 很 高 的 通 信 速 率 ；
由 于 空 中 接 口 标 准 对 核 心 网 的 限 制 ， 3G系 统 所 能 提 供 服 务 速 率 的 动 态 范 围 不 大 ， 不 能 满 足 各 种 业 务 类 型 要 求 。
分 配 给 3G系 统 的 频 率 资 源 已 经 趋 于 饱 和 。
基 于 以 上 原 因 ， 人 们 希 望 在 下 一 代 移 动 通 信 系 统 中 ， 这 些 问 题 得 以 解 决 。
3. 4G系 统 结 构
3.1.网 络 结 构
在 第 一 代 移 动 通 信 系 统 向 第 二 代 移 动 通 信 系 统 的 进 化 过 程 中 ， 我 们 看 到 了 模 拟 通 信 向 数 字 通 信 、 单 一 业 务 向 多 种 业 务 的 转 换 ； 在 第 二 代 移 动 通 信 系 统 向 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 演 变 过 程 中 ， 我 们 看 到 单 一 媒 体 向 多 媒 体 ， 人 与 人 之 间 业 务 向 人 与 机 器 之 间 业 务 的 转 化 ； 而 在 第 三 代 移 动 通 信 系 统 向 4G系 统 的 转 化 过 程 中 ， 我 们 将 看 到 一 个 动 态 的 、 自 适 应 的 、 智 能 的 系 统 。 在 该 系 统 中 ， 核 心 网 和 无 线 接 入 网 是 紧 密 结 合 在 一 起 的 ， 而 不 像 以 前 ， 各 成 系 统 。
第 四 代 移 动 通 信 系 统 应 具 备 以 下 几 种 基 本 特 性 ：
(1)完 全 集 中 的 服 务 ： 个 人 通 信 、 信 息 系 统 、 广 播 和 娱 乐 等 各 项 业 务 将 会 结 合 成 一 个 整 体 ， 提 供 给 用 户 比 以 往 更 广 泛 的 服 务 和 应 用 ； 系 统 的 使 用 将 会 更 加 的 安 全 、 方 便 以 及 更 加 照 顾 用 户 的 个 性 。
(2)无 所 不 在 的 移 动 接 入 ： 在 4G系 统 中 ， 移 动 接 入 将 是 提 供 话 音 、 高 速 信 息 业 务 、 广 播 以 及 娱 乐 等 业 务 的 主 要 接 入 方 式 ， 人 们 可 以 随 时 、 随 地 接 入 到 系 统 中 。
(3)各 式 各 样 的 用 户 设 备 ： 用 户 将 使 用 各 式 各 样 的 移 动 设 备 接 入 到 4G系 统 中 来 。 设 备 与 人 之 间 的 交 流 不 再 仅 仅 是 简 单 的 听 、 说 、 看 ， 还 可 以 通 过 其 他 途 径 与 用 户 进 行 交 流 。 这 将 大 在 方 便 人 们 的 使 用 ， 特 别 是 某 些 残 疾 用 户 的 使 用 。
(4)自 治 的 网 络 结 构 ： 4G系 统 的 网 络 将 是 一 个 完 全 自 治 的 、 自 适 应 的 网 络 ， 它 可 以 自 动 管 理 、 动 态 改 变 自 己 的 结 构 以 满 足 系 统 变 化 和 发 展 的 要 求 。
人 们 在 制 定 第 三 代 移 动 通 信 系 统 的 标 准 时 就 发 现 ， 不 存 在 某 一 种 单 一 的 无 线 技 术 对 于 所 有 的 业 务 都 适 用 [2][3]。 因 此 ， 在 4G系 统 中 ， 各 种 不 同 的 接 入 系 统 结 合 成 一 个 公 共 的 平 台 ， 它 们 互 相 补 充 、 互 相 协 作 以 满 足 不 同 业 务 的 要 求 。 根 据 预 测 ， 在 未 来 系 统 中 将 会 有 以 下 几 种 接 入 技 术 ：
无 线 蜂 窝 移 动 系 统 (包 括 第 二 代 移 动 通 信 系 统 、 第 三 代 移 动 通 信 系 统 以 及 新 的 无 线 接 口 )；
无 绳 系 统 (DECT)；
短 距 离 接 入 系 统 (蓝 牙 和 DECT数 字 系 统 )；
宽 带 本 地 接 入 网 WLAN(ETSI BRAN HIPERLAN)；
固 定 接 入 和 无 线 环 路 系 统 ；
卫 星 系 统 ；
广 播 系 统 (DAB和 DVB－ T)；
有 线 系 统 (双 绞 线 的 xDSL和 同 轴 线 上 的 CATV系 统 )。
以 上 各 种 接 入 系 统 都 是 针 对 某 一 类 型 的 业 务 而 专 门 设 计 的 。 他 们 通 过 媒 体 接 入 系 统 连 接 到 基 于 IP的 核 心 网 中 ， 形 成 一 个 公 共 的 、 灵 活 的 、 可 扩 展 的 平 台 。 系 统 结 构 如 图 2所 示 ：
由 于 这 些 接 入 系 统 各 自 拥 有 不 同 的 应 用 领 域 、 小 区 范 围 以 及 无 线 环 境 ， 因 此 可 以 将 它 们 以 一 种 分 层 的 结 构 组 织 起 来 。 我 们 主 要 将 它 们 分 为 5层 ：
(1)分 配 层 ： 主 要 由 DAB和 DVB－ T系 统 组 成 ， 它 的 服 务 小 区 范 围 较 大 ， 特 别 适 合 广 播 业 务 。 另 外 ， 它 们 可 与 GSM、 UMTS、 PSTN、 ISDN等 网 络 结 合 ， 由 这 些 系 统 提 供 上 行 链 路 ， 而 由 DAB和 DVB－ T系 统 提 供 宽 带 下 载 信 道 。
(2)蜂 窝 层 ： 蜂 窝 层 包 括 第 二 代 、 第 三 代 移 动 通 信 系 统 以 及 新 的 无 线 接 口 (用 于 提 供 更 高 速 率 的 信 息 服 务 )， 这 些 系 统 主 要 是 为 个 人 通 信 服 务 的 ， 它 们 个 有 较 大 的 系 统 容 量 。
(3)热 点 小 区 ： 对 于 高 速 信 号 传 输 的 应 用 环 境 和 个 人 连 接 服 务 ， 例 如 ： 公 司 、 会 议 中 心 、 机 场 等 地 方 ， 宽 带 本 地 接 入 网 WLAN是 最 好 的 选 择 。 它 支 持 自 适 应 的 调 制 方 式 、 不 对 称 的 数 据 通 信 以 及 高 速 的 信 号 传 输 。
(4)个 人 网 络 层 ： 个 人 网 络 指 的 是 办 公 室 、 家 庭 等 短 距 离 应 用 环 境 ， 不 同 的 设 备 之 间 可 以 通 过 蓝 牙 、 DECT等 系 统 连 接 在 一 起 。 另 外 ， 这 些 系 统 也 可 以 作 为 个 人 链 路 连 接 到 其 它 的 网 络 层 或 直 接 连 接 到 媒 体 接 入 系 统 。
(5)固 定 层 ： 固 定 接 入 系 统 指 由 双 绞 线 、 同 轴 电 缆 、 光 纤 等 组 成 的 系 统 。 此 外 ， 固 定 无 线 接 入 或 无 线 本 地 环 系 统 也 可 以 归 到 这 一 类 。 它 们 主 要 是 提 供 高 的 系 统 容 量 ， 用 以 支 持 个 人 通 信 服 务 。
移 动 终 端 接 入 到 系 统 中 时 ， 它 根 据 自 己 的 业 务 类 型 ， 自 动 的 选 择 接 入 系 统 ， 以 达 到 对 业 务 的 最 佳 支 持 。
3.2 软 件 系 统
移 动 用 户 在 不 同 的 系 统 中 漫 游 时 ， 需 要 系 统 之 间 以 及 系 统 内 部 之 间 进 行 无 缝 切 换 。 而 且 在 4G系 统 中 会 不 断 有 新 的 业 务 、 新 的 需 求 出 现 ， 这 些 都 需 要 对 终 端 和 网 络 节 点 进 行 重 新 配 置 。 要 实 现 这 一 功 能 ， 需 要 一 个 分 布 式 的 配 置 控 制 方 式 ， 图 3显 示 了 内 部 网 络 节 点 和 外 部 网 络 的 配 置 结 构 ：
当 移 动 终 端 在 不 同 的 系 统 中 漫 游 时 ， 我 们 需 要 改 变 它 的 工 作 模 式 ， 使 其 可 以 适 应 不 同 的 工 作 环 境 。 另 外 ， 当 系 统 的 业 务 量 及 业 务 类 型 发 生 变 化 时 ， 我 们 还 应 及 时 更 改 网 络 节 点 的 配 置 ， 使 系 统 始 终 保 持 在 最 优 工 作 状 态 。 为 此 ， 我 们 需 要 一 个 网 络 监 视 单 元 ， 监 视 网 络 业 务 和 环 境 的 变 化 ， 需 要 一 个 网 络 管 理 模 块 控 制 终 端 和 网 络 的 配 置 ， 保 持 用 户 终 端 与 网 络 之 间 的 同 步 ， 还 需 要 一 个 软 件 下 载 中 心 ， 用 以 提 供 所 需 要 的 软 件 配 置 文 件 。 利 用 软 件 无 线 电 技 术 实 现 移 动 终 端 和 网 络 的 再 配 置 ， 是 保 证 4G系 统 具 有 良 好 的 灵 活 性 、 扩 展 性 ， 以 及 利 用 单 一 终 端 在 不 同 的 接 入 系 统 中 实 现 漫 游 的 关 键 技 术 。
4. 关 键 技 术
在 下 一 代 移 动 通 信 系 统 中 ， 还 有 几 个 关 键 技 术 有 待 于 我 们 进 一 步 研 究 和 解 决 。
信 道 传 输 ： 频 谱 资 源 是 一 种 有 限 的 资 源 ， 在 4G系 统 中 ， 我 们 一 方 面 要 采 用 有 效 的 措 施 提 高 频 谱 利 用 率 ， 另 一 方 面 我 们 要 开 发 新 的 频 谱 资 源 。 因 此 ， 研 究 高 频 段 宽 带 信 号 传 输 特 性 就 变 得 非 常 重 要 。 欧 洲 的 AWACS项 目 研 究 宽 带 无 线 接 入 系 统 在 17～ 19GHz频 段 内 的 传 输 特 性 ； SAMBA项 目 研 究 接 入 系 统 在 30～ 40GHz频 段 内 的 传 输 特 性 ； MEDIAN项 目 研 究 宽 带 无 线 接 入 系 统 在 69GHz频 段 内 的 传 输 特 性 。
调 制 和 信 号 传 输 技 术 ： 在 高 频 段 进 行 高 速 移 动 通 信 ， 信 号 将 受 到 严 重 的 频 率 选 择 性 衰 落 ， 因 此 我 们 需 要 选 择 合 适 的 传 输 技 术 ， 如 ： 采 用 多 载 波 传 输 方 式 ， 以 及 自 适 应 均 衡 等 技 术 来 对 抗 频 率 选 择 性 衰 落 。 此 外 ， 我 们 还 可 以 利 用 RAKE接 收 、 跳 频 以 及 Turbo码 等 技 术 来 增 加 系 统 的 性 能 。
系 统 管 理 资 源 ： 在 高 速 移 动 通 信 系 统 中 ， 不 仅 频 率 资 源 限 制 移 动 用 户 信 号 的 传 输 速 率 ， 而 且 基 站 和 终 端 的 发 功 率 也 限 制 了 用 户 的 传 输 速 率 ， 因 此 ， 采 用 一 种 好 的 无 线 资 源 管 理 策 略 ， 它 可 以 检 测 可 用 的 资 源 以 及 信 号 的 质 量 ， 然 后 根 据 不 同 用 户 、 不 同 业 务 质 量 要 求 动 态 的 分 配 频 率 资 源 和 信 号 发 射 功 率 ， 这 样 可 以 大 大 提 高 系 统 的 性 能 。
软 件 无 线 电 ： 软 件 无 线 电 是 将 标 准 化 、 模 块 化 的 硬 件 功 能 单 元 经 过 一 个 通 用 硬 件 平 台 ， 利 用 软 件 加 载 方 式 来 实 现 各 种 类 型 的 无 线 电 通 信 系 统 的 一 种 开 放 式 结 构 。 通 过 下 载 不 同 的 软 件 程 序 ， 在 硬 件 平 台 上 可 以 实 现 不 同 的 功 能 ， 用 之 以 实 现 在 不 同 的 系 统 中 利 用 单 一 的 终 端 进 行 漫 游 ， 它 是 解 决 移 动 终 端 在 不 同 系 统 中 工 作 的 关 键 技 术 。 欧 洲 FIRST计 划 将 软 件 无 线 电 技 术 应 用 到 设 计 多 频 /多 模 可 编 程 手 机 中 。 美 国 麻 省 理 工 学 院 提 出 的 Spectrum Ware计 划 ， 为 软 件 无 线 电 技 术 与 计 算 机 技 术 的 融 合 开 创 了 先 例 。
智 能 天 线 ： 智 能 天 线 能 根 据 信 号 来 波 的 方 向 ， 自 适 应 地 调 整 其 方 向 图 、 跟 踪 强 信 号 、 减 少 或 抵 消 干 扰 信 号 。 它 可 以 提 高 信 干 比 、 增 加 移 动 通 信 系 统 容 量 、 提 高 移 动 通 信 系 统 频 谱 利 用 率 、 降 低 信 号 发 射 功 率 、 提 高 通 信 的 覆 盖 范 围 ， 因 此 它 受 到 广 泛 的 关 注 。 欧 洲 通 信 委 员 会 在 RACE计 划 中 实 施 了 第 一 阶 段 的 智 能 天 线 技 术 的 研 究 ， 称 之 为 TSUNAMT。
网 络 结 构 和 协 议 ： 采 用 基 于 IP技 术 的 网 络 结 构 可 以 有 效 地 处 理 IP分 组 业 务 ， 也 可 以 方 便 的 提 供 广 播 多 播 业 务 。 在 这 里 的 一 个 关 键 问 题 是 ： 如 何 选 择 一 个 适 合 IP分 组 传 输 、 位 置 登 记 、 基 站 网 络 配 置 、 以 及 无 线 质 量 控 制 的 空 中 接 口 协 议 。
5. 总 结
移 动 通 信 系 统 的 发 展 具 有 一 定 的 继 承 性 ， 4G系 统 是 从 3G系 统 的 基 础 上 演 化 而 来 ， 因 此 在 4G系 统 中 ， 多 个 不 同 的 接 入 系 统 将 结 合 成 一 个 公 共 的 平 台 ， 它 们 互 相 补 充 、 互 相 协 作 以 满 足 不 同 业 务 的 要 求 。 它 将 支 持 多 媒 体 通 信 、 无 线 接 入 宽 带 固 定 网 、 以 及 在 不 同 系 统 之 间 的 漫 游 。 未 来 移 动 通 信 系 统 的 发 展 与 我 们 这 里 所 描 述 的 4G系 统 可 能 不 完 全 一 样 ， 但 可 以 肯 定 的 是 ， 它 必 具 备 以 下 基 本 特 征 ： 完 全 集 中 的 服 务 ； 无 所 不 在 的 移 动 接 入 ； 不 同 的 用 户 设 备 ； 自 治 的 网 络 结 构 。
摘自《移动通信》2001.8
|