信息产业部电信研究院教授级高级工程师 雷震洲
摘要：在3G大规模商用以后，多媒体服务与应用将会得到广泛推广，而3G在速率、服务质量、无缝传输等方面的局限性也将日益显露出来，势必需要带宽更宽的无线系统。故移动通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高、功能更强的4G，以在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用。
关键词：移动通信 3G 后3G 4G
20世纪90年代以来，移动通信飞速发展，到2002年底全球移动用户数超过了固定用户数。目前，中国、美国、日本占据了世界移动市场的前三位。中国的移动用户数超过了2．5亿，美国超过了1亿，日本为8200万。其中日本的移动用户数于2000年率先超过固定用户数，且成为世界第一个引入3G并开始商用的国家。目前日本有6000万以上的人使用移动电话接入互联网，移动互联网已被广泛接受。移动通信的下一步是走向容量更大、速率更高、功能更强的4G。本文旨在探讨移动通信的未来研究方向。
未来移动通信的定位
从服务的角度看，虽然移动通信最初是为了在移动环境中打电话而发明的，但是21世纪的移动通信绝不是单单为了打电话，必须要有新的服务增长点。因此，3G一开始就定位于多媒体业务。除了多媒体业务，未来移动通信还要实现两个重要方面，即提供无所不在的服务和全球性的服务。
多媒体业务将向用户提供声、像、图、文并茂的多种业务，使网上的业务量大大增加。无所不在的服务意指要把通信服务的对象从人扩展到任何一件东西。例如，可以把一个非常小的无线芯片贴在一只正在投递的袋子上，那么就可以对此袋子进行跟踪，更好地完成对整个投递过程的管理。因此，如果任何一件移动的东西都成为移动通信的对象的话，移动通信终端的数量将大大增加，网上流量也将剧增。全球性服务即通过全球范围的标准化，实现移动通信的全球化。为了在多媒体业务、无所不在的服务和全球性服务这三个方面取得成功，有许多技术问题和管理问题需要解决，尤其在多媒体和无所不在这两方面存在的问题更是突出。在具有先进多媒体和无所不在服务的环境中，计算机和通信设备将遍布所有地方，通信方式不仅是人与人之间，而且还包括人－机之间和机－机之间的通信。为了促进在这种环境下的多媒体移动通信，需要给所有移动物体赋予无线通信功能；给所有难以安装固定线路的地方赋予无线通信功能；给所有执行命令、验证和控制功能的用户随身配件赋予无线通信功能。
在计及各种家电和需要跟踪的包裹的情况下，日本曾大胆预测，到2010年仅日本一个国家，连接在移动网上的移动通信终端总数将超过5亿。届时，一个用户可能使用几个用于不同目的和场合的终端。终端的数量有可能大大超过人口数。
将来的移动网必须具有极强的平台功能，能为大量无所不在的终端提供不同的服务。根据终端的数量和服务的类型，还要为每一种服务提出一种赢利的商业模式。
从3G走向4G
移动通信经历了1G和2G，完成了从模拟技术向数字技术的过渡，现正在向3G过渡和走向更远的4G，把移动通信从窄带推向宽带。
3G定位于多媒体IP业务，传输容量更大，灵活性更高，形成了家族式的世界单一标准，并将引入新的商业模式。前一阶段，由于面临标准不稳定、产品不成熟、资金不充足、服务不摸门等困难，3G的发展并不顺利。2004年将是3G走向大规模商用的关键年。
从日本发展移动多媒体通信的经验来看，它们主要着力于以下5个方面来开发新的业务：互联网、位置信息、信息分发、遥感/遥控和支付。互联网业务包括ｉ－ｍｏｄｅ。截至2003年1月，ｉ－ｍｏｄｅ已有3 650万用户，所提供业务从电子邮件、Web文本浏览扩展到内联网应用。ｉ－ｍｏｄｅ终端采用了彩色液晶显示，具有多种铃音。以后又引入了Ｊａｖａ，可以下载名为ｉ－ａｐｐｌｉ的应用程序，速率提高到28．8 ｋｂｉｔ/ｓ，并增加了红外通信功能，可与其它机器（如零售机等）互动。位置服务包括向用户提供位置信息和汽车导航等。信息分发业务包括内容分发（如游戏）、视像分发（如广告、促销视像、音乐分发），可以根据用户爱好定制。遥测/遥控业务包括对零售机库存状态的管理、对信息家电的遥控等。支付业务关系到移动电子商务，用移动终端来代替钱包购买公共汽车票、火车票、音乐会票以及购物等。
为了促进这些多媒体业务的发展，日本决定采用高速低价的发展策略，故率先开发实施了3G系统IMT－2000，成为世界上3G最早商用化的国家。第一个开通3G的运营商是日本NTT DoCoMo，它采用WCDMA标准，业务名称为FOMA，向用户提供各种高质量的多媒体业务，包括话音和图像。所提供的业务如表1所示。
可以预料，在3G大规模商用以后，多媒体服务与应用将会得到广泛应用，而随之3G在速率、QoS、无缝传输等方面的局限性也将日益显露出来，势必需要带宽更宽的无线系统。故移动通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高、功能更强的4G，以在移动环境中支持高清晰度视像和其它宽带多媒体业务与应用。
自20世纪90年代末以来，互联网用户数在全世界迅速增长，利用ADSL，CATV和FTTH等技术推动了宽带接入的发展，同时通信费用却在不断下降，使宽带业务的市场渗透率迅速提高。这说明通信公司必须通过科学管理而不是恶性价格战来降低通信费用，提高市场渗透率。对移动通信来说同样如此，需要通过扩大系统容量来降低投资成本。作为宽带多媒体信息社会中的无线基础设施，4G系统具有极其重要的位置。故降低其系统成本，使建造经济的系统成为头等重要的事情。当然，除此以外还有其它一些重要问题，包括提供无缝服务，提高传输速率，改善用户使用方便性，把3G网、固定无线接入网、WLAN等网络综合在一起，营造一个无所不在的通信环境，建立新的商业模式等。为了解决这些问题，必须加大研发力度。
图1表示后3G（包括4G）系统的定位。图1中纵轴代表移动性，横轴代表以Ｍｂｉｔ/ｓ计的信息速度。从图1中看，4G系统的业务范围与移动性必须与3G系统兼容，故4G必将基于蜂窝系统，但在有限的移动范围内它还必须容纳WLAN，以获得高速。在4G系统中还要增加一条轴，代表无所不在的能力。为了提供这种能力，要求网络能够处理完全不同于现有通信的业务模型。例如，可以要求网络有效处理低速传输的间歇信号，它们由许多终端产生，但每个信号的业务量很小。在有些情况下，终端之间的连接主要基于特别连接（ａｄ ｈｏｃ）的局部网络。
因此，在4G时代，需要多种多样的接入和组网能力。4G系统需要新的射频技术、高效的无线接入技术、新的自适应多址和信道编码技术、基于软件无线电的多模终端与基站技术、系统兼容和演进技术与策略、“天－地”一体化技术、网络智能化技术。
4G系统的实施与普及将有助于弥合医疗、教育、信息和其它方面的鸿沟，对环境问题和老龄化社会将作出巨大贡献。
在一个布满4G系统的社会中，家庭医疗和远程诊断将成为常事，在家里和人口稀少地区就可以基于高清晰度图像传输技术进行专家检查、开处方。没有常驻医生的远程手术室和虚拟医院也将成为现实。对于个人健康管理，借助4G可以采取预防性医疗措施。个人相关数据可以通过内置于手表、附件和其它日用物件的传感器被传送到医院，诊断结果则回送给个人。
在教育方面，预期在偏僻地区与大城市之间利用视像的多媒体教育以及利用移动终端的室外现场工作将会很快发展起来。
另外，各种信息终端的接口将被简化，无论老幼均能方便使用。不管所用语言的不同，使用这些终端都能使日常生活变得更加方便。配备无线通信功能的传感器和控制芯片将附着在物体、动物和植物的身上，对提高后勤工作效率、保护全球环境和防止灾难等方面作出贡献。
对4G系统的技术要求
未来4G的系统容量必须至少10倍于3G系统，而每比特成本却要降低为3G的1/10～1/100，以致不会让用户在扩大信息量时经济负担过重。为了按用户需求提供多种多媒体业务，4G必须引入各种ＱｏＳ水平。在IP网中还必须支持IPｖ6，好给移动终端提供巨量的IP地址，尤其在人－机通信和机－机通信中使用。从用户友好的角度看，4G要大大缩短接入服务器的耗费时间，从而保证无缝服务，这在3G系统中也是不够的。具体的主要技术要求如下：
·高速传输（平均速率可达200 Ｍｂｉｔ/ｓ，高峰时下降至50～100 Ｍｂｉｔ/ｓ）；
·大容量（约10倍于3G系统）；
·支持下一代互联网（IPｖ6，ＱｏＳ）；
·无缝服务；
·灵活的网络结构；
·使用微波频段（3～6 GＨｚ）；
·低系统成本（3G系统的 1/10～1/100）。
在组网方面，关键是构成一个具有足够可靠性的IP网和提供灵活的网络配置，能使各种接入方法（将来接入方法会更多）实现无缝连接。至于终端，除了现有终端进一步演进成为通用的几合一移动终端以外，功能有限的芯片型终端（非常之小，自身不能提供任何业务）可望浮出水面，形成无所不在的环境。
在服务方面，4G与3G相比将有很大不同。例如传送一个10 MB的文件，4G的下载时间只需1 ｓ，而3G需要200 ｓ。因此4G比3G能以更高的速率来完成多媒体应用。在传输大量图像信息时，4G移动终端将能显示虚拟三维高质量图像，而3G不能。借助于这种能力，家长可以观察他们的孩子在托儿所做什么，科学家可以从远处监视野生动物的生活，人们可以不出门看电影，如此等等。4G还可传送带有真实情感的通信场景，其中三维的声音、光线和气氛都可传到对端，再生现场情况，从而实现虚拟现实，让你感到身临其境。例如，你在远地就能感受到现场采访的氛围，能感知采访人与被采访人的真实情感。这用二维的图像与声音是做不到的。利用这种能力不仅可增强会议电视的效果，而且还可能在远地进行复杂的外科手术，或者与机器人和工人一起配合组装设备。
未来的移动通信技术
21世纪我们将进入信息社会——一个以人为本、更加注重精神粮食的社会，人性、环境和信息将成为这个社会的关键词。因此在21世纪的信息通信系统必须围绕以人为本来进行研究开发。潜在的研究方向包括：如何满足人性的需求和充分利用五个感官（触、尝、听、看、闻）及人工智能；如何通过智能化来补充人的能力；如何通过机器人和可佩带设备来实现新的通信方式；如何克服通信质量的限制来扩大人的空间。
在人类通信中，如何很好地实现感情的相互传递是今后十分重要的课题。虽然可视电话和虚拟现实能够完成用户影像和活动情况（在电脑空间的有限范围之内）的传递，但是对传递感情而言它们是远远不够的。如果我们能把声音、图像或数据加在一起，再加入真实的感觉（包括通信时的感情、用户周围的氛围以及用户实际活动情况），那么就有可能建立更加充满感情的通信方式，有人把这种通信方式称作“遥现”（Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）。例如，日本现正在开发一种叫“替身”（Ａｖａｔａｒ）的接口。这种接口能把你自己的实际感觉传送给有形的机器人，利用手势和机器人的摄像头来遥控机器人，完成与另一方的通信。人的脑电波、肌电能力和其它生物信息通过无线网传给替身机器人，此机器人不仅用作虚拟替身，而且还用作有重量和大小的实际替身。这种全新的无线通信方式的应用领域将极其广泛，包括公共场所、住家和娱乐场所等。
在21世纪，预计移动通信在信息通信领域的发展将达到顶峰，世界各国的用户数将继续增长。移动通信将成为宽带信息通信的使能器，使无所不在的通信成为现实。为了使移动多媒体得到充分的发展，除了在每个国家及时引入和不断扩展ＩＭＴ－2000之外，还需要不断改进无线系统和核心网，开拓新的服务应用，开发小型高功能终端。技术创新和挑战在未来必将接二连三。为了迎接挑战，实现人类的目标，全世界从事移动通信的研究人员和工程师必须互相交流、共同合作，在全球范围内一起推动研发工作和标准化工作的开展，携手共进。
摘自 世界电信
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