下一代無線通信系統(tǒng)和支撐業(yè)務(wù)探討

摘要　首先詳細(xì)介紹了各種未來無線通信系統(tǒng)的有關(guān)情況。然后著重介紹了未來無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)的類型和網(wǎng)絡(luò)參考模型，最后展望了下一代無線通信系統(tǒng)的光明前景。

關(guān)鍵詞　下一代無線通信系統(tǒng)　B3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)　無線寬帶　通信系統(tǒng)　支撐業(yè)務(wù)

1、前言

下一代無線通信系統(tǒng)包含B3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)和無線寬帶通信系統(tǒng)，它能夠提供各種傳輸速率、高質(zhì)量的多媒體業(yè)務(wù)，如多媒體動(dòng)畫、電影、電視廣播等。因此，目前在以語音業(yè)務(wù)為代表的傳統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，將會(huì)增加一系列的視頻、音頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)包括基于用戶位置的信息服務(wù)以及在緊急情況下發(fā)送圖片和/或用戶位置信息的服務(wù)，此外還有更多新的增值業(yè)務(wù)有待開發(fā)。

2、未來無線通信系統(tǒng)及其特點(diǎn)

目前，3G業(yè)務(wù)已在包括韓國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家開始運(yùn)營(yíng)，然而尚存在很多問題。最主要的問題是3G缺乏優(yōu)于2G/2.5G的關(guān)鍵應(yīng)用；另一個(gè)問題是投資3G的高額費(fèi)用已經(jīng)超過固有的通話費(fèi)。為此，全球許多3G牌照的持有者推遲或取消了計(jì)劃好的3G商用進(jìn)程，而那些需要使用高數(shù)據(jù)速率和大容量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶正考慮使用無線局域網(wǎng)來替代3G的業(yè)務(wù)。

ITU-R提出了B3G無線通信系統(tǒng)的概念，該系統(tǒng)的需求包括高數(shù)據(jù)速率、低費(fèi)用、采用IPv6、支持高速移動(dòng)以及無限覆蓋等。ITU-R同時(shí)提出了B3G系統(tǒng)的新無線空中接口要求，這種接口可以在移動(dòng)接入時(shí)提供接近100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，而在移動(dòng)狀態(tài)或本地?zé)o線接入時(shí)可以提供接近1Gbit/s的速率。在各種下一代無線通信系統(tǒng)演進(jìn)提案中，有兩條發(fā)展路線正在朝同一個(gè)方向會(huì)合，即無線寬帶化或者寬帶無線化。不同系統(tǒng)及其演進(jìn)關(guān)系如圖1所示。

圖1　未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展

2.1　3GPP數(shù)據(jù)增強(qiáng)系統(tǒng)

為了滿足更高傳輸速率和更少延遲的業(yè)務(wù)要求，3GPP對(duì)空中接口做了改進(jìn)，引入了HSDPA技術(shù)，使之可以支持高達(dá)10Mbit/s的峰值速率。HSDPA是3GPP R5提出的一種增強(qiáng)方案，同時(shí)適用于WCDMA和TD-SCDMA系統(tǒng)，HSDPA的主要目標(biāo)是高速支持“盡力而為”分組數(shù)據(jù)報(bào)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)速率要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IMT-2000的2Mbit/s要求，并且可獲得更少的時(shí)間延遲、更高的系統(tǒng)吞吐容量和更有力的QoS保證。HSDPA主要采用AMC、HARQ和快速調(diào)度技術(shù)。其實(shí)，上述3種技術(shù)都屬于鏈路自適應(yīng)技術(shù)，也可以看成是CDMA技術(shù)中可變擴(kuò)頻技術(shù)和功率控制技術(shù)的進(jìn)一步提升。

目前已經(jīng)有HSDPA的商用試驗(yàn)系統(tǒng)，由于我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA系統(tǒng)向HSDPA的演進(jìn)嚴(yán)重滯后，在HSDPA方面沒有任何知識(shí)產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢(shì)，所以TD-SCDMA的數(shù)據(jù)傳輸增強(qiáng)可以采取其他方案，例如和WiMAX共同組網(wǎng)來提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支撐。

2.2　cdma2000 1x高速數(shù)據(jù)傳輸演進(jìn)

隨著無線寬帶接入技術(shù)的日益成熟，無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)愈來愈對(duì)傳統(tǒng)的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商形成競(jìng)爭(zhēng)，3GPP2也開始考慮cdma2000空中接口演進(jìn)，初步確定將cdma2000 AIE(Air Interface Evolution，空中接口演進(jìn))劃分為兩個(gè)階段，階段一設(shè)計(jì)目標(biāo)在于提高峰值數(shù)據(jù)速率；保持后向兼容性，技術(shù)增強(qiáng)應(yīng)盡量減小對(duì)基礎(chǔ)硬件的影響，重點(diǎn)是MAC和高層的改進(jìn)；而階段二則基于和其他技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，制定詳細(xì)的性能目標(biāo)，采用增強(qiáng)的CDMA、增強(qiáng)的均衡器、IFDMA、干擾抵消、MIMO和其他先進(jìn)的天線技術(shù)、OFDM(A)以及其他先進(jìn)的編碼技術(shù)等。目前針對(duì)階段一，已經(jīng)有多個(gè)廠商開始提交階段二的文檔，主要涉及對(duì)稱或不對(duì)稱多載波的分配、RLP修改、MAC層修改等。

2.3　3GPP LTE

未來幾年內(nèi)，3GPP無線接入技術(shù)將會(huì)面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，為了保證在未來的一段時(shí)間內(nèi)3GPP無線接入技術(shù)具備競(jìng)爭(zhēng)性，3GPP提出了長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)技術(shù)概念，以進(jìn)行UTRA和UTRAN的演進(jìn)。

LTE的目標(biāo)主要包括降低時(shí)延、提高用戶數(shù)據(jù)速率、增加系統(tǒng)容量和覆蓋、降低運(yùn)營(yíng)成本等。它的研究主要圍繞以下幾方面展開：

●無線接口物理層(包括上行鏈路和下行鏈路)；

●無線接口的2層和3層；

●UTRAN結(jié)構(gòu)；

●射頻(RF)設(shè)置。

2.4　B3G/4G系統(tǒng)

B3G是在第三代移動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)的后三代移動(dòng)通信，又稱第四代移動(dòng)通信(4G)。從技術(shù)的角度來說，B3G/4G移動(dòng)通信應(yīng)與IMT-2000以及目前正在制定中的增強(qiáng)型3G標(biāo)準(zhǔn)有本質(zhì)性的區(qū)別，其核心網(wǎng)絡(luò)可以以演進(jìn)形式發(fā)展，但空中接口應(yīng)當(dāng)是革命性的。

B3G/4G移動(dòng)通信的基本概念還處于研究階段，目前還難以用準(zhǔn)確的語言加以描述。概括起來，未來的第四代移動(dòng)通信應(yīng)當(dāng)具備以下基本特征：

●業(yè)務(wù)。無論何時(shí)何地，能夠?yàn)榻K端用戶提供“身臨其境”的高分辨率業(yè)務(wù)。

●網(wǎng)絡(luò)。能夠使用無所不在的“空間分集”技術(shù)提供廣域服務(wù)，對(duì)抗更高頻段上的電波傳輸特性。

●終端。在體積受限的情況下，能夠使用革命性的多天線技術(shù)，為用戶提供高質(zhì)量的無線通信服務(wù)。

目前，已經(jīng)有一些由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織、歐洲研究機(jī)構(gòu)或通信公司提出未來4G通信系統(tǒng)方案，例如我國(guó)的未來無線通信通用環(huán)境(FuTURE)計(jì)劃、歐洲IST MATRICE項(xiàng)目等。

2.5　WiMAX通信系統(tǒng)

WiMAX主要基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)，它的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在這一技術(shù)集成了Wi-Fi無線接入技術(shù)的移動(dòng)性與靈活性，以及DSL與Cable Modem等基于線纜的傳統(tǒng)寬帶接入技術(shù)的高帶寬特性和相對(duì)理想的QoS。

IEEE 802.16是適用于2-66GHz的空中接口規(guī)范，涵蓋了物理層和媒質(zhì)接入控制層的相關(guān)規(guī)范，此外還有與空中接口協(xié)議相關(guān)的一致性測(cè)試以及不同無線接入系統(tǒng)之間的共存規(guī)范。根據(jù)使用頻段高低的不同，IEEE 802.16系統(tǒng)可分為應(yīng)用于視距和非視距兩種，其中使用2～11GHz頻段的系統(tǒng)應(yīng)用于非視距范圍，而使用11-66GHz頻段的系統(tǒng)應(yīng)用于視距范圍。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)系列又可分為固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)和移動(dòng)寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)，其中的IEEE 802.16、IEEE802.16a、IEEE 802.16d屬于固定無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)，而IEEE802.16e屬于移動(dòng)寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.6　通用無線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)

隨著移動(dòng)因特網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谌粘Ｉ�活和商�?wù)活動(dòng)中總希望能夠以移動(dòng)方式靈活地接入網(wǎng)絡(luò)。然而，無論是Wi-Fi還是WiMAX寬帶無線通信系統(tǒng)，其覆蓋范圍均非常有限，這就需要一種保證高速數(shù)據(jù)連接的同時(shí)，覆蓋范圍和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相當(dāng)?shù)臒o線寬帶網(wǎng)絡(luò)，基于IEEE 802.20的移動(dòng)無線寬帶接入系統(tǒng)正是基于這樣的背景而產(chǎn)生的。

IEEE 802.20主要研究完全基于IP的空中接口方案，將IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)拓展到移動(dòng)通信領(lǐng)域，它的目標(biāo)是建立一個(gè)全世界范圍內(nèi)都能使用的、普通大眾能夠消費(fèi)得起的、普遍服務(wù)的移動(dòng)寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)(MBWA，Mobile Broadband Wireless Access)，以滿足商務(wù)用戶以及家庭用戶的需求。

IEEE 802.20制定了物理層和媒體接入層規(guī)范，工作在3.5GHz頻段，期望的單用戶峰值速率能夠達(dá)到1Mbit/s，支持用戶移動(dòng)速度最高可達(dá)250km/h。IEEE 802.20將主要針對(duì)IP數(shù)據(jù)的傳輸，通過VoIP提供話音業(yè)務(wù)，省略電路域部分使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)能夠簡(jiǎn)化很多。IEEE 802.20期望的頻譜效率、數(shù)據(jù)速率以及支持的用戶數(shù)量都將大大超過現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

3、未來無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)

下一代無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)不僅能夠提供諸如Internet接入和電子商務(wù)等基于有線網(wǎng)絡(luò)的在線業(yè)務(wù)，同時(shí)能提供不同領(lǐng)域的無線移動(dòng)業(yè)務(wù)；并且，移動(dòng)通信技術(shù)及業(yè)務(wù)的進(jìn)步勢(shì)必引出一種無處不在的革命，從而減少生活中時(shí)間空間的限制，最終從根本上改變我們的生活方式。

3.1　3層業(yè)務(wù)類型

為了分析下一代無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)，可以將各種業(yè)務(wù)與其所對(duì)應(yīng)的核心技術(shù)區(qū)分。根據(jù)業(yè)務(wù)的特性和成熟程度，將不同業(yè)務(wù)分為3層：底層(L1)、中間層(L2)和頂層(L3)。3層業(yè)務(wù)的定義如下：

●L1：基本業(yè)務(wù)技術(shù)層，一般由幾種通信系統(tǒng)核心技術(shù)共同來支持和實(shí)現(xiàn)。

●L2：業(yè)務(wù)功能層，由部分L1業(yè)務(wù)聯(lián)合組成業(yè)務(wù)功能，用戶能直接訪問。

●L3：業(yè)務(wù)范圍層，能被用戶在實(shí)際情況下使用的各種業(yè)務(wù)。

需要說明的是，L1的基本業(yè)務(wù)技術(shù)不同于其所對(duì)應(yīng)的通信系統(tǒng)核心技術(shù)，通信系統(tǒng)核心技術(shù)涉及基本通信和信號(hào)處理技術(shù)，它是組成L1的基本業(yè)務(wù)技術(shù)所必需的技術(shù)基礎(chǔ)。而一種L1的基本業(yè)務(wù)技術(shù)一般由幾種通信系統(tǒng)核心技術(shù)共同來支撐。

根據(jù)使用的核心技術(shù)不同可以將未來的無線通信系統(tǒng)所支撐的業(yè)務(wù)定義為不同的L1業(yè)務(wù)技術(shù)，例如VoIP、廣播組播系統(tǒng)(MBMS)等，L1業(yè)務(wù)技術(shù)可以認(rèn)為是支持所有高層業(yè)務(wù)的基本技術(shù)。L2業(yè)務(wù)可以由部分L1業(yè)務(wù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，一個(gè)L3業(yè)務(wù)范圍包含不同L2業(yè)務(wù)功能。比如：交通業(yè)務(wù)包含導(dǎo)航業(yè)務(wù)、基于內(nèi)容的業(yè)務(wù)、定位業(yè)務(wù)等。圖2定義了8種下一代無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)范圍，即8種L3業(yè)務(wù)范圍。 

圖2　L1/L2/L3業(yè)務(wù)關(guān)系

3.2　參考網(wǎng)絡(luò)模型

為了支撐未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的豐富多彩的業(yè)務(wù)，需要一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)參考體系架構(gòu)，參考網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要著眼于L1業(yè)務(wù)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，具體如圖3所示。該網(wǎng)絡(luò)參考體系架構(gòu)可分為4個(gè)模塊：用戶設(shè)備及接入模塊、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供層模塊、網(wǎng)絡(luò)控制層模塊及固定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)模塊。

●用戶設(shè)備及接入模塊：描述與用戶設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)配置元素及功能。為提供下一代無線通信系統(tǒng)支撐業(yè)務(wù)，需要配置一些網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)元素，包括歸屬服務(wù)器、移動(dòng)接入服務(wù)器、用戶設(shè)備資料服務(wù)器、呼叫管理、多模用戶設(shè)備、移動(dòng)網(wǎng)關(guān)和智能記錄管理服務(wù)器等。

●網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供層模塊：描述用戶設(shè)備及接入端與業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)段間的網(wǎng)絡(luò)配置元素及功能，包括LBS服務(wù)器、消息服務(wù)器、支付服務(wù)器、移動(dòng)入口服務(wù)器和存儲(chǔ)服務(wù)器等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)元素。

●網(wǎng)絡(luò)控制層模塊：負(fù)責(zé)控制網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供層模塊，需要啟動(dòng)與轉(zhuǎn)換編碼服務(wù)器、接入網(wǎng)關(guān)、媒體網(wǎng)關(guān)/媒體資源處理器、位置信息服務(wù)器、VoIP服務(wù)器以及QoS管理服務(wù)器等。

●固定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)模塊：描述通過運(yùn)營(yíng)商而不是業(yè)務(wù)提供者與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供層模塊相連接的增值功能及網(wǎng)絡(luò)配置單元。組成包括背景服務(wù)器、用戶及設(shè)備資料服務(wù)器、移動(dòng)接入服務(wù)器、支付代理服務(wù)器、呼叫中心以及存儲(chǔ)服務(wù)器等。

4、總結(jié)

隨著信息通信產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，無線通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合已經(jīng)成為必然趨勢(shì)，因特網(wǎng)普及加快了兩種技術(shù)的融合。全球通信產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出移動(dòng)化、寬帶化、IP化的趨勢(shì)。因特網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，以及便攜機(jī)、PDA等移動(dòng)智能終端使用率的日益增長(zhǎng)，給廣大用戶提供了諸多便利，同時(shí)也導(dǎo)致用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)提出了更高的要求，如隨時(shí)隨處自由接入因特網(wǎng)、能享受更多的業(yè)務(wù)，更高的服務(wù)質(zhì)量、安全且有保障的網(wǎng)絡(luò)等，其發(fā)展前景可以樂見，是下一代通信網(wǎng)絡(luò)重要的組成部分。