南京邮电学院 李唐
罗文茂
柳薇
摘 要：4G网络具有极大的吸引力,它将提供更高的数据速率及在多个异类无线网络之间的漫游能力，因此，首先给出了4G的定义和网络结构，然后就物理层和IP层技术论述了移动通信向4G的发展及各项关键技术。
关键词：4G无线网络，物理层演进 全IP网络结构
前言
3G移动通信系统在国外已经开始投入商用，其固有的IP核心网络可望推动多媒体个人业务及移动互联接入业务的发展，虽然第三代移动通信可以比第二代移动通信系统的传输速率快上千倍，但是仍无法满足未来多媒体通信的要求，未来各种不同技术的综合和互相作用以及真正的宽带无线变革和以用户为导向的智能业务将引领新一代异类无线网络，即通常所说的4G系统。
严格地说来，现在还不能对4G做出确切地定义，因为我们还没有对2.5G，3G和无线局域网(WLAN)做出严格的区分，然而，已有文献给出了4G的一些提法和概念。尽管我们不能很确切的定义4G，但是我们可以给出一些普遍认可的4G的提法。目前比较详细的解释是：“第四代移动通信的概念可称为广带接入和分布网络，具有非对称的和超过2Mbit/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)。此外，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，也是宽带接入IP系统”。现在还很难预测什么样的系统、解决方案和业务将在10年之后取得最终成功，以下就近来国际上对这一领域的研究成果分别对就其物理层技术和网络层技术演进及无线资源管理方面作一概述。
物理层技术的演进
向4G移动系统演进中的一个关键问题是物理层技术，尽管当前2.5G和发展中的3G技术可以将数据传输速率分别提高到384kbps和2Mbps，但每用户的忙时平均吞吐率最多也不会超过171kbps，这一带宽对于话音，普通数据通信和无线互联接入虽然足够，然而新的交互多媒体业务如多方视频会议，虚拟远地视在和移动个人域网将需要80-100Mbps的速度才能满足要求，4G中的物理层的技术着眼于频谱效率的改善、每蜂窝用户密度的增加和蜂窝覆盖范围的扩展，它主要包括以下几个方面的内容：
频段分配：无线频谱是非常有限的资源，806-960MHz和1770-1885MHz已在世界范围内广泛用于GSM，GSM1800和PCS系统中， 3G系统为满足移动数据业务的快速增长和用户数量的大量增加，同是考虑到便于全球漫游和手持设备成本的降低，需要一个安全，公共和世界范围内通用的频段。因此，WRC-2000（世界无线通信会议）定义1900-2025和2110-2200MHz频段分配给最初的3G系统和卫星通信使用，而将806-960MHz、1710-1815和2500-2690MHz频段作为3G发展以后追加使用，由于4G系统将需要更大的带宽，因而它利用了两个无需授权的频段，一个在5GHz范围处，在此频率处许多宽带无线通信的无线局域网系统已经建立起来，另一个就是在60GHz范围处，在此频段处至少可提供5GHz的可用带宽，由于5GHz频段已被各种无线局域网系统（如IEEE802.11a，HiperLAN/2）所使用，而60GHz系统则容易受日益增长的各种无线系统的干扰影响，因而对于以上频段还需做进一步的研究工作。
MIMO/智能天线系统：凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，多输入多输出（MIMO）技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题，传统无线通信理论一直将多径传播视为造成无线信号衰落的干扰之一，而MIMO天线系统恰恰利用了传播环境的多径特性，极大地提高了前向和反向链路的容量，它能提供14.4Mb/s甚至21.6Mb/s的数据传输速率。智能天线具有抑制干扰、自动跟踪信号以及采用空时处理算法形成数字波束等智能功能，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为４Ｇ系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制，研究结果表明在60GHz频段工作需要接入点数量的增加，但却允许无线终端以低成本配置，另一方面，工作于5GHz也是一个重要的可选方案，因为天线单元之间可有充分的非相关间隔（一个波长50mm），在此频段下用户端天线采用双天线阵列是合适的，目前这一方面的研究热点是比较覆盖范围QoS能力与网络结构和终端费用之间的关系。
自适应调制/编码速率：为达到带宽效率、性能和信号发射功率的最佳化，新的4G系统将可根据具体的信道条件和对信道质量的估计动态自适应选择调制和编码速率开销，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM调制和1/2，2/3，3/4误差校正开销都是可选的方案。此外，在60GHz系统中具有很大的突发差错，在4G系统中使用正交频分复用（OFDM）技术可以避免载波间干扰，增强系统在恶劣信道条件下的传输性能。新的话音编码技术如非连接发送（DTX）可以在无话音期间节省发射带宽、可变比特率（VBR）编码可以增加网络容量，改善蜂窝边缘地区的覆盖，这两项技术均可使话音对带宽的需求降低50%左右。
软件无线电：在4G系统中，由于移动用户在不同的系统间漫游，系统之间以及系统内部需要无缝切换，而且随着4G系统的发展，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。软件无线电控制着用户端设备的数字部件，并自动装载和初始化适当的软件模块，以适应当前区域的网络状况及调制技术。利用软件无线电技术实现移动终端和网络的再配置，可以保证4G系统具有良好的灵活性、可扩展性，并且可利用单一终端在不同的接入系统中进行漫游。
全IP网络结构演进
移动通信从第二代向第三代演进使得核心网由电路交换转变为面向无连接的分组交换，进一步的要求是使核心网独立于接入技术。综观当前的发展趋势，IP被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术，统一的IP核心网将使不同的无线和有线接入技术实现互联与融合，其优点表现为：IP可运行于不同的无线接入网络之上，独立于物理传输媒体和接入技术，使得无线网络更具扩展性；采用IP可以与因特网等有线网络很好的综合；无线网络采用IP还可参考因特网上业已成熟的业务管理和QoS模型提高无线网络支持多媒体业务的能力；另外采用IP协议进行数据业务传输和信令有助形成统一的无线网络传输和管理方案。第四代移动通信的网络结构如图1所示，其中对于公用电话网和2G以及未实现全IP的3G网络等通过特定的网关连接，使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。与4G网络结构相关的技术问题有：
无线局域网/3G的融合：无线局域网技术已经获得了巨大的市场份额，它在2.4GHz和5GHz频段处的业务将得到进一步的增长，由于无线局域网已广泛使用，因而移动用户要能在无线局域网和蜂窝网络之间无缝漫游，着重强调解决这种漫游问题的第一个协议就是移动IP协议，此后，为解决移动IP在蜂窝中应用时传输时延的增加和QoS的限制问题，人们又提出了各种不同的协议，分级移动IP、蜂窝IP、HAWAII、移动IPv6、分级移动IPv6和快速切换协议均为其中的一些扩展。
无缝IP移动性：无缝和普遍移动性对4G网络来说是一个必不可少的功能，除了要求无线局域网与蜂窝网络的融合以外，4G无线网络还将包括由多个制造商的多种不同设备及多种不同技术构建的网络以达到覆盖特定的地理区域的目的，每一种网络（如GSM、DCS、GPRS、CDMAx、UMTS、蓝牙、IEEE802.11a、HiperLAN）都遵循自身的规范和标准，并有着自已不同的蜂窝覆盖网络，各种技术构成的网络在地理区域上将可能是重叠的，蜂窝小区的物理或逻辑区域和传输特性，包括其使用的带宽、每小区的终端密度，连接建立时间，呼叫中断概率等也随不同技术而显著变化，特别是对60GHz系统，其覆盖和切换中的不稳定情况将是网络的主要限制因素。
位置管理：在异类、多制造商4G网络中的无缝移动性需要HLR/VLR的扩展网络规划以及利用注册信息的高级位置管理机制并在小区级范围内确定终端的确切位置，位置管理提供两类操作，即1、位置更新或者说是注册操作，在此操作中终端告知网络它的当前位置；2、寻呼或搜索操作，在此操作中网络定位终端。位置更新和寻呼两类操作之间的折衷取决于不同的参数，如呼叫到达率、小区的大小和数量、终端的移动速度和方向等。4G网络中位置管理要研究的主要有基于高级位置管理的技术如全球定位系统GPS，起源蜂窝小区（Cell Of Origin）定位技术COO和增强的信号强度定位（ESS）技术。此外，4G网络中的位置管理业务除了处理用户的位置信息之外，还将是其他附加信息如用户ID、用户分布、多个终端的ID和IP地址、统一记帐和计费等功能的智能结合体，从而使4G网络中的位置管理业务具有更加复杂的功能。
非对称的无线基础设施结构和IP多播：移动互联和IP多播是未来的无线系统的显著特征，充分利用上述思想对网络进行设计可在网络的基础设施建设和配置费用上起到显著的作用。
Ad hoc/个人域网：下一代网络要能支持Ad hoc网络的移动性和以个人为中心的网络，个人域网可能包含任何属于或由网络用户携带的设备的集合体。
无线资源管理
移动商务和对QoS要求较高的各类业务在未来将持续增长，这需要一个具有丰富连接性和智能的QoS无线分组网络的支撑，多运营商配置、无需授权频段和Ad hoc网络拓扑等各类结构的存在使得具有不同QoS方案的不同域之间的移动性和互相作用，从而显著增加了系统的全局复杂度。
端到端的QoS支持需要一个简单的解决方案，在过去的几年里几个关键的IP QoS保证机制已经得到标准化，IntServ/RSVP（集成业务体系结构/资源预留协议），diffserv（区分业务），MPLS（多协议标签交换），SIP（会话发起协议），COPS（公共开放策略服务协议）这些协议将在未来的全IP网络中起到重要的作用，在移动通信方面，3GPP已经提出了一个端到端的移动QoS方案，其中的关键单元是协调业务连接处理的业务管理部分、维护所有网络实体已分配的和可用的资源的许可控制管理部分以及按照QoS需求和业务条件在共享同一资源的业务之间分配可用资源的资源管理部分。
中间件环境和业务
以上描述的各类技术在新的，真正可用的宽带移动业务出现之前仍然不会得到普及，许多的应用已经开始考虑了，其中移动互联接入，移动多方视频会议，移动虚拟专网，移动远端视在和移动商务是它的潜在的新应用，但以上各种应用目前还没有一个是确定和至关重要的应用，因此，与其建立一个特定的应用，不如将精力集中于建立一个强大的中间件和业务环境，以支持任何个性化的服务、接入与路由功能。中间件环境桥接应用层与物理层，物理层与中间件环境之间的接口应是一种开放的IP接口。中间件环境与应用层之间的接口也应是开放接口，以利于第三方开发和提供新的应用与服务。此类中间件的关键方面包括：网络激活、QoS映射、地址变换、即插即用、安全管理、对视频和多媒体流的支持、内容服务、安全和统一的计费机制等。
结论
对空中接口的改进，网络结构的升级，端到端QoS的保证和新的业务的准备将是走向下一代无线网络的驱动力量，与3G系统相比，4G的优势在于：高带宽、低比特成本、高移动性、无线QoS资源控制，支持多种QoS需求、面向分组、支持不对称业务、不需频率许可证、覆盖区域广及在不同系统间可以无缝漫游。预计在2010年4G将成为市场主流技术，并可望解决现有多种移动通信系统的兼容性问题。现在还很难预测向4G网络演进的确切的安全的方案，然而，有一点可以肯定的，那就是，为了在下一个十年迈向4G，现今我们仍然需要对物理层和网络层相关基础技术作进一步的研究，加强第四代移动通信系统的研究，有助于我国在未来移动通信技术的竞争中占据有利地位。我国应建立具有自主知识产权的4G相关技术标准，并根据此标准建设适合新一代移动通信发展趋势的无线IP移动通信网络。
摘自 通信市场
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