李学春 高立志
现代通信技术的发展事实上就是围绕5W这一目标逐步向前推进的过程。
无线和数据的融合，就是个人化的通信模式和宽带的通信能力以及丰富的通信内容的融合，是通信迈向“5W”发展的必然途径，也是当前通信发展朝着宽带化、智能化和个人化的发展的主要潮流和必然趋势。
第三代移动通信的目标是面向高速数据和多媒体应用。使用时，终端在室内可达2Mb/s，步行时速率为384kb/s，高速车辆行走时为144kb/s。第三代移动通信在国际电信联盟IMT-2000的技术标准要求下，目前已通过了几项主要的3G标准。在发展3G的同时，全球已开始研究开发第四代移动通信（4G）和第五代移动通信（5G）。4G的传输速率可达10Mb/s，可以把蓝牙、无线局域网和3G技术等结合在一起组成无缝的通信解决方案及相应的产品。5G的手机除了通话，接收丰富的多媒体信息外，还可以演示三维立体游戏，参与三维立体电视会议。
一、第三代（3G）移动通信系统
第三代（3G）移动通信技术的研究和发展
尽管发达国家的经济发展处于衰退的边沿，导致移动通信产业在全世界范围内的发展速度放缓，用户平均收入（ARPU）也日趋下降，但用户总量仍保持两位数以上的增长。发达国家的移动通信用户覆盖率大多已达到70％-80％，已接近饱和，为了维持移动通信产业的进一步发展，急需推出能够吸引用户的高附加值数据业务。
第三代移动通信系统采用智能信号处理技术，除了能够支持更高速率的移动多媒业务外，还能提供更高的频谱效率和服务质量，实现基于话音业务为主的多媒体数据通信，并将具有更强的多媒体业务服务能力和极大通信容量，对于新兴的移动运营商具有较大的吸引力；另一方面，欧洲的各大运营商已经耗费了巨额资金获得了第三代移动通信运营执照，为了应对来自资本市场的压力，纷纷采取合作与重组的方式，逐步推进3G网络的建设。
据有关专家预测：进入21世纪移动通信的发展，将以第三代移动通信的应用和运营为起点，走向多媒体通信。随着移动通信与信息家电、消费性电子产品的结合成为未来的发展趋势，第三代移动通信系统将实现宽带和综合多种业务需求，不仅能提供高质量的语音业务，而且能提供高速率的数据传输业务。第三代移动通信系统正在成为世界各国全力投入开发的系统。
第三代移动通信概况
第三代移动通信系统最早1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为IMT-2000（国际移动通信-2000），意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kb/s，预期在2000年左右得到商用。从1997年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进入实质阶段。目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人通信的理想。
目前，第三代移动通信标准有四种：美国的CDMA2000，欧洲的WCDMA，我国的TD-SCDMA与LAS-CDMA。
ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：在室内、手持机及移动三种环境下，支持话音和各种多媒体数据业务（速率达2Mb/s），实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。
一般来说，3G的主要特性有三个：其一就是可以使用同一部手机实现全球漫游，使任意时间、任意地点、任何人之间的交流成为可能；其二是具有高速传输速率，在静止或步行情况下，数据传输速率能达到2Mbit/s，在车速情况下，数据传输速率达到384kbit/s；另外一点就是能提供各项标准的通信业务。
根据国内外多数预测，在21世纪前十余年，第三代移动通信的市场发展可能至少分为如下三个阶段：
·初期，2001-2005年。其特点为：第二代移动通信继续发展和扩大，在第二代移动通信网络的基础上，在局部地区（城市等用户集中地区）提供第三代移动通信业务，数据业务速率限制在384kbps及以下，地区或国际漫游依赖于第二代移动通信系统：
·中期，2004～2010年。它是第三代移动通信系统的高速成长期，其特点为：第二代移动通信网络和系统停止发展，建设成功全国或全球覆盖的第三代移动通信网络，全面达到IMT2000的各项要求。
·后期，2010年以后，全球25％以上人口使用第三代移动通信系统，第四代移动通信设备开始进入市场，提供更高速率的多媒体业务。
3G发展面临的问题
3G的两个主要标准WCDMA（由3GPP制定）和CDMA2000（由3GPP2制定）都有3个版本，每个版本内容都有一定差别，还有TD-SCDMA。
标准的不稳定势必带来产品不成熟的后果。目前已经推向市场的3G系统都是低版本的，要不了多久就需要更新。3G手机产品的滞后现已成为困扰3G发展的重要问题之一。
3G走向商用需要大量资金。仅在欧洲，移动运营商要为3G频率支付近2000亿美元的许可证费，这使一些主要电信运营商普遍陷入了财务危机，很难在短时间内再花费数千亿美元去建设3G网络。
3G是定位于移动数据和移动多媒体业务的。迄今我们都不能很好回答：人们真正的宽带需求是什么？移动宽带多媒体业务中最具吸引力的是什么？不同国家的不同切入点又是什么？什么能使人们愿意为宽带付钱，使运营商获利？回答这些问题是3G目前遇到的最大困难。
据芬兰研究机构VTT公司预计，十年内3G移动电话网络就将被一个新的第五代（5G）网络所取代。
VTT研究教授Pertti Raatikainen说：“在未来5-10年里，人们可以通过多网络终端、GPRS、3G和无线局域网实现连接，而这种在不同网络之间的漫游就被成为4G/但是，2010年以后，一种被称为5G的网络将会使3G变得过时。
3G技术的局限性
尽管3G要比2G优越得多，但3G仍然遗留了一些尚未解决或仅解决了一部分的问题，在支持爆炸式增长的多媒体方面，3G系统还存在着一定的局限性。3G的局限性和困难主要体现在如下几个方面。
·难以支持更高速率的业务。3G移动通信系统采用CDMA技术，CDMA是一干扰受限各种不同QoS和性能要求的高速业务之间过多的干扰，使得采用CDMA技术的3G移动通信系统难以支持更高速率的业务，无法满足人们对未来高速多媒体业务的爆炸性要求。
·频谱资源的缺乏和带宽饱和。在12GHz频段附近分配给3G系统使用的可用带宽不久将饱和，而使用时分多址方式又受到无线管理部门的限制。
·在支持下一代的因特网协议（IPv6）方面存在困难。根据人们预测，IPv4能支持的因特网地址在2005年就会被耗尽。为了解决IP地址不足的问题，必须采用新版本的因特网协议IPv6，IPv6能满足庞大的3G设备对网络地址的需求。但在现有3G系统中难以实现支持新版本的因特网协议（IPv6）。
·要实现在不同频段间的不同业务环境中的漫游显得非常困难。
·无法提供全范围的多速率业务。由于受到3G空中接口标准的限制，3G系统难以提供具有不同QoS和性能要求的各种多速率业务。
·缺乏端到端的无线传输机制。用户在跨越一个可移动的子网（如蓝牙、PAN等）和固定网络时，3G缺乏端到端的无缝传输机制。
·费用高昂。由于3G运营商们在3G许可证上花费了数十亿美元的巨额费用，而且在构建3G网络时，为了克服一系列技术难题，提供吸引人的商业服务模式等方面又要花费一笔不小的开支。因此，运营商将会把这些费用转嫁到用户身上，使得3G的费用就变得格外高昂。据初步估计，在不包括用户下载的数据费用时，3G业务月租费也将在90～100美元左右，这样高的价格将很难吸引用户。
为了解决3G中遇到的上述问题，满足人们对高速数据业务的需求，有必要开发具有更强大多媒体业务能力，能提供更多应用业务和更高传输容量的4G移动通信系统。I
二、未来的移动宽带服务
在3G脚跟未稳、步履维艰的时候，包括第4代（4G）在内的后3G移动通信系统现在已引起了业界关注，被提到研究日程。那么，它的动力来自何方？
从目前来看，移动业务的一个增长点就是以IP业务为代表的数据业务。在2001年11月份仅一个月全世界就发送了300亿条短信息；日本I-mode的用户数现在已经超过3000万，全球已经推出的WAP手机超过5000万部。WAP网站超过一万个。据对未来来移动市场的预测，话音业务增长慢，到2010年比现在约增加1倍。多媒体业务量在2005年左右约与话音业务相等，但将继续高速增长，到2010年约占全部业务的70％-80％。
这期间的业务特征主要是：（1）多媒出业务量年均增长率高达40％；（2）将出现10Mbit/s级的超高速多媒体业务（VHMM），估计占高速多媒体业务（HMM）的一半。3G是定位于多媒体服务与应用的，所以可以预料在3G以后多媒体服务与应用将广泛使用起来。这就需要用带宽更宽的无线技术与功能更强的终端来支持，对用户而言，更需要的是不同环境之间的无缝传输、良好的服务质量（QoS）和能够导致充分竞争与新商业模式的出现。3G在这些方面都有一定的局限性，其带宽能力是有限的，因为它的最高速率才2Mbit/s，而且只能在很短的距离范围内和有限的移动条件下提供。将来用户为了运行一个特别的应用程序，可能需要目前一个小区的全部容量。这时容量就成为一个问题了，就需要后3G系统来解决。
此外，根据发展趋势，将来随着IPv6的实施，下一代便携式消费者电器和通信设备将支持高速率的多媒体业务。其应用包括高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等。这些应用必须得到几十Mbit/s高速率无线网络的支持和服务，这种网络称为无线个人域网（WPAN），它也是属于4G系统的一个成员。
三、第四代移动通信系统的展望
据有关专家预测，在今后10年移动电话和Internet服务的发展将使移动多媒体服务到2010年在发达国家将占60％的份额。这种趋势迫使人们考虑新一代的系统，它能在所有的环境和各种移动状态中传送无线多媒体服务，满足用户服务质量（QoS）的要求。
因此，随着第三代移动通信系统的标准化工作的进展，第四代移动通信系统的研讨也开始走上舞台。第四代移动通信系统在业务上、功能上、频带上都将不同于第三代系统，第四代移动通信的概念可称为广带（Broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。
另外，第四代移动通信将在不同的固定和无线平台和跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互助网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。
对于4G核心网络，具有电信级QoS的IPv6将是未来的主要发展趋势。
作为第四代移动通信技术，其主要的要求是：
第一，数据率要超过UMTS，即从2Mb/s提高到100Mb/s，移动速度上要从步行到车速。
第二，满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。广带无线局域网（WLAN）应能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，并形成综合广带通信网（IBCN）。
第三，对全速移动用户能提供150Mb/s的高质量的影像服务。
据有关专家预测：这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能的第四代移动通信系统，很可能到2010年就会出现相关的实验系统和手机模型。
4G移动通信系统介绍
第一、二代移动通信系统的空中接口速率只有几百Kbit/s，即将投入使用的3G移动通信系统IMT-2000在室内环境下能提供2Mbit/s的速率，在车速情况下其速率至少为144kbit/s。当今的移动通信系统正向着高数据率、高度移动性和大范围覆盖方向发展。
随着具有更强数据通信能力的第3G移动通信系统IMT-2000投入使用和Internet业务的爆炸性增长，人们对移动多媒体业务的需求也会更加强烈。通过移动网络提供访问Internet，收发Email，多媒体视频等数据业务已经吸引了业界的极大注意。根据国外有关部门的研究表明，在1999～2010年间，话音业务的用户数将增长1.5倍，其业务量将翻倍，但从2010年后，话音业务量不会再有大的增长，将维持在稳定水平。不过，2010年后，基于3G系统的多媒体业务会迅速增长。据估计，到2010年，多媒体业务量将会是话音业务量的之倍。2010年以后的多媒体业务量将以年均40％的增长率发展，到2015年的多媒体业务量将是目前的23倍，届时的多媒体和话音业务量之比将达到10∶1。
由此可见，未来多媒体业务量至少是当前3G系统所承诺容量的10倍。而且，由于当前的3G系统还存在着一定的局限性，3G系统有限的容量很难支持今后爆炸式增长的多媒体业务，难以满足人们对多媒体业务的需求，在这种情况下，4G移动通信系统的研究就自然成为了国内外研究的热点。
4G的特点
与3G相比，4G技术无论在通信范围、通信质量、支持高速数据不够媒体业务的能力等其它任何方面都比3G有很多超越之处。
·高速信息传输率
4G移动通信技术的信息传输速率要比3G移动通信技术的信息传输速率高一个数量级。目前，3G系统在室内静止环境下的最高速率能达妻2Mbit/s，车速环境下为144kbit/s，正在开发的5GHz频带的无线局域网（WLANS）和其它无线宽带接入系统在室内/步行环境下能支持20～30Mbit/s的传输速率，而在4G系统，由于采用了宽带OFDM技术，在车辆情况下其最低能支持的速率也将超过20Mbits/s。
·高效使用无线频谱资源
与3G系统相比4G系统的一个主要优势在于其采用的OFDM技术能够高效使用无线频谱资源。与3G系统不同的是，4G中采用的OFDM技术每Hz的带宽更高，无线系统的容量也更大，而且OFDM技术抗信号衰落性能更好。
·智能的资源分配
在资源分配方面，4G也要比3G灵活得多，4G中的资源分配具有根强的智能性、自组织性和灵活性，能根据网络中业务流量和业务特征进行自适应的资源分配，该技术能根据网络的动态和自行变化的信道条件，使低码速率与高码速率的用户能够共存。因此，在资源的智能化分配方面4G要比2G、3G先进。
·广泛的覆盖面积
移动通信的一个主要优点就是具有独立于时间和地点进行通信的能力，扩展移动通信系统的服务区域一直以来就是移动运营商的一个重要问题。2G系统已经覆盖了将近100％的有人口地区，人们预计4G系统的覆盖面积也会与2G系统相当。
4G系统的传输速率超过20Mbit/s，是2G的1000多倍，3G的10倍多。一般地，在其它条件相同情况下，由于4G的无线信号以更高的速率传输，因此为了补偿增加的噪声干扰值，4G系统的基站（BS）覆盖半径将会变小。另外，4G系统将工作在更高的频段上，其无线信号的传输损耗也高于2G和3G系统。根据有关计算，在无线传输方案不变情况下，当工作频率为2GHz，信道速率大于30Mbit/s或者工作于8GHz频率，信道速率大于2Mbit/s时，小区半径将不到3G系统的一半。这表明，如果要达到与3G系统一样的覆盖面积，4G系统的基站数量将会是3G系统的4倍。
此外，为了承载大量增长的业务，4G系统的容量应比现有3G系统容量大10倍，考虑到由于受受到频率资源的限制，增加系统容量的其中一个解决方案就是通过减少基站的覆盖半径来达到。
·分层的服务区域
尽管人们希望所有终端都能通过无线链路连接到网络，但由于受到功率和天线尺寸的限制，小型终端要直接连到4G系统还是很困难的，尽管如此，但在短距离内，小型终端之间还是能够交换无线信号的。另外，通过使用4G系统中的微型基站，小型终端可以通过微型基站接入4G系统。在4G中，微型基站起到移动终端的作用。采用这种配置后，4G的服务区域就由许多重叠小区组成。
由于多媒体通信是数据通信的发展趋势，这对通信系统提出了越来越高的要求；发过来，移动通信系统的发展又进一步刺激了多媒体通信的更快发展，从而演绎了一幅波澜壮阔的发展局面。我们相信，在不久的将来4G在业务、功能、频宽上均有别于3G，应该将会是将所有无线服务综合在一起，能在任何地方接入因特网，包括定位定时、数据收集、远程控制等功能。预计两年后3G的传输速度上限2Mbit/s很可能会到达饱和，所以4G将会是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP的系统，是新一代的移动通信系统，它必将使移动多媒体通信达到一种崭新的发展境界。
李学养 北京首信通信股份有限公司IP网络技术研究所所长，工学硕士，副教授
高立志 北京首信通信股份有限公司与清华大学联合培养的博士后
摘自 中国无线通信
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