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摘 要 對移動通信前20余年的發(fā)展略予回顧，指出其現(xiàn)狀差強人意之處。闡述了當前世界各國相關業(yè)界對于新一代移動通信技術發(fā)展的一些要求、設想和探討。
關鍵詞 移動寬帶系統(tǒng) 無線局域網 高速無需核準的城域網 多點多信道分配系統(tǒng) 移動衛(wèi)星服務系統(tǒng)
移動通信自1980年面市以來，已經走過20幾年，經歷了第一代（1G）和第二代（2G），現(xiàn)正向第三代（3G）平滑演進，并在探索后3G 或4G的前景。
1 移動通信的前20年
第一代移動通信從開始商用到完成使命，大約由1980年持續(xù)到1994年，以頻分多址（FDMA）制式提供普通模擬電話，實際數(shù)據速率為2．4 KBit/S。
第二代移動通信，大約由1995年持續(xù)到本世紀初，采用時分多址（TDMA）制，支持數(shù)據電路交換，提供優(yōu)質數(shù)字電話和簡短文本的傳輸，數(shù)據速率為14．4 KBit/S（實際僅達9．6 KBit/S）。
近年發(fā)展的二代半（2．5G）移動通信支持分組交換，數(shù)據速率目標為115 KBit/S（實際僅為40 KBit/S）。
2G和2．5G移動通信技術，雖較1G有所提高，但隨著用戶數(shù)量的增加以及用戶對多媒體業(yè)務的需求，其在使用頻段、頻譜利用率、接入速率以及網絡能力等方面都顯現(xiàn)不足。
ITU早在20世紀80年代中期就盤算在2000年前后搞出一個工作在2 000 MHｚ頻段的未來陸地移動通信系統(tǒng)（FPＬMTS）。這個系統(tǒng)1996年正式以IMT－2000命名，通稱為第三代移動通信系統(tǒng)（3G）。
3G的目標概括起來如下：
A） 全球統(tǒng)一標準，使用統(tǒng)一頻段，提高頻譜效率；
B） 提供高質量的多媒體服務；
C） 加強安全保密功能；
D） 要求數(shù)據傳輸速率在室內環(huán)境下達到2 MBIT/S（步行384 KBit/S，車行144 KBit/S）。當然，還須容易從2G系統(tǒng)平滑過渡。
3G系統(tǒng)采用碼分多址（CDMA）和分組交換技術。與2G相比，3G系統(tǒng)容量增加，通信質量提高，并能實現(xiàn)全球性的無縫隙漫游，可為用戶提供話音、數(shù)據、圖像、電視等多媒體優(yōu)質服務。
目前，移動通信正處于由2G向3G平滑過渡之中，但原來希望統(tǒng)一標準、統(tǒng)一頻率的目標并沒有達到�，F(xiàn)在有5個不同的3G標準，其中主要是ETSI的以GSM MAP為核心網、FDD WCDMA 為無線接口的標準，ANSI的以IS－41為核心網、FDD CDMA2000為無線接口的標準，以及我國提出的核心網與WCDMA相同的TDD TD－SCDMA為無線接口的標準。
3G移動通信系統(tǒng)比起2G會有很大的改進，但仍然不能滿足用戶要求。主要問題在于：
A） 沒有一個統(tǒng)一的世界標準，難以做到全球無縫隙漫游；
B） 語音是在由2G繼承下來的基礎結構上傳輸，而不是在IP網絡結構上；
C） 視頻傳輸不會達到高清晰度的要求；
D） 數(shù)據速率雖然有所提高，可難以快速傳遞大文本和大的E－Mail附件。
2 ITU對后3G的設想
考慮到3G系統(tǒng)的不足，ITU已對當前的3G系統(tǒng)提出了一些增強要求和措施（可以說是3G的改進型或稱為3．5G）：如引入高速下行鏈路分組接入（HSDPA）技術，采用比較好的調制技術，從而達到10 MBIT/S下行速率，蜂窩內的所有用戶共享這一容量，對處于無干擾區(qū)域的用戶給以較寬的帶寬。又如把IP由核心網絡（CN）擴展到無線接入網（RAN）、使CN與無線局域網（WLAN）互聯(lián)、支持多媒體廣播和組播等。
ITU也開始考慮3G以后（BEyOND IMT－2000） 移動通信系統(tǒng)的遠景，提出了后3G 移動通信系統(tǒng)的概念、框架、研究工作目標涉及主要內容、關鍵性的數(shù)據速率要求以及研究發(fā)展的進程。圖1示出3G和設想中的后3G的主要性能。
后3G或4G移動通信系統(tǒng)的具體情況現(xiàn)在很難想象，但是后3G或4G時代的寬帶移動通信系統(tǒng)肯定不會像前幾代那樣只是蜂窩產業(yè)獨家的天下。后3G 或4G系統(tǒng)將匯集無線接入、無線移動、無線LAN等先進技術，并結合全IP網絡，為用戶提供一個安全可靠、使用方便的無線移動INTErNET系統(tǒng)，能滿足人類社會在未來若干年內對移動通信業(yè)務的要求。
3 當前的一些研究動向
ITU計劃在2004年征集有關后3G或4G移動通信系統(tǒng)的方案。世界上一些有關部門、機構和學校已經在積極組織力量進行探索，并進行著大量的研究工作。
3．1 移動寬帶系統(tǒng)（MBS）
移動寬帶系統(tǒng)（MBS）是由歐洲委員會組織一些公司和學校合作完成的移動寬帶設計方案。其物理層是基于大多數(shù)2G電話的TDMA變種，較高層則基于ATM。前面各代移動通信主要用于通話，間或兼容一些諸如短信之類的業(yè)務，而MBS則要使各種形式的服務分開。它是一個大的數(shù)據信道設施，可供各種形式的服務單獨應用。
估計此系統(tǒng)要商業(yè)化還得15年時間，開始使用可能在2010年，大量展開服務估計要到2020年。在這段時間，技術指標要改變，物理層將以為克服無線信號多徑傳輸干擾而設計的正交頻分復用（OFDM）技術為基礎，同時放棄ATM改為面對IPｖ6，要用以前不用的40 GHｚ或60 GHｚ頻譜來滿足極其寬闊的帶寬要求。
3．2 IEEE 802．11系列
目前，在移動中接入INTErNET的最快方法是通過無線LAN。美國IEEE于上世紀末開發(fā)了IEEE 802．11標準系列產品，其中有802．11、802．11A和802．11B，以及還在研發(fā)中的802．11G。802．11技術不太成熟，未見商用產品；802．11A有技術優(yōu)勢， 但難度大，商品化較晚，當前市場上大量使用的是802．11B。
802．11B（常稱為WI－FI）工作于無需發(fā)證的2．4 GHｚ頻段，采用直接序列擴譜（DSSS）技術，最大物理速率達11 MBIT/S，實際通過量（第三層）最高可達6 MBIT/S，如果用作蜂窩，認為可以達到3．5G的要求。
802．11A工作于無需發(fā)證的5 GHｚ頻段，采用比DSSS相對復雜的正交頻分復用（OFDM）技術，最高物理速率達54 MBIT/S， 實際通過量最高可達31 MBIT/S。除數(shù)據速率比較高、頻帶比較寬、干擾比較少外，5 GHｚ波段的信道數(shù)量總是比較多也是802．11A的優(yōu)點。802．11A存在的問題是與802．11B產品的兼容性和互操作性問題。
為了解決互操作性，IEEE發(fā)展 了802．11G，用以擴展802．11B的數(shù)據速率和覆蓋范圍并與其兼容。802．11B和802．11A的覆蓋范圍分別為100 M和80 M。802．11G使用2．4 GHｚ頻段，采用了OFDA技術，覆蓋范圍可望達到150 M，但速率沒有802．11A快，物理層速率可達54 MBIT/S，而實際通過量只有12 MBIT/S。
為了提高802．11系列的工作能力，IEEE正在研究發(fā)展一些新標準：
A） 802．11E旨在使802．11網絡的ＱOS性能有所提高，用等同的TDMA模式取代以太網類似的MAC層，并對重要業(yè)務添加特殊糾錯；
B） 802．11F打算改進802．11中的交接（HANDOｖEr）機制，使用戶在2個不同的無線信道切換段或在2個附屬于不同網絡的接入點（AP）之間漫游時保持連接，這對于無線LAN的移動性非常重要；
C） 802．11H要使802．11A的無線電發(fā)射功率和信道選擇得到較好的控制；
D） 802．11I著力提高802．11系統(tǒng)的安全保密問題。
與60 GHｚ的MBS一樣，以無線LAN為基礎進行接入的問題也是每個接入點或基站能達到的距離很小，戶內大約100 M，戶外環(huán)境好的情況下也僅有幾百米。這就是說，無線LAN在公眾應用方面目前只能局限于少數(shù)熱點，如空港旅客休息廳、會議中心、大旅館以及商業(yè)區(qū)等。要想擴大服務范圍，有些服務商寄希望于與現(xiàn)有的專用無線LAN協(xié)作，讓他們來填補空隙。
有些蜂窩運營商打算投入無線LAN產業(yè)，利用他們現(xiàn)有的計費基礎設施和客戶關系，提供蜂窩電話和802．11相結合的組件。
IEEE正在搞一個稱為高速無需核準的城域網（HUMAN）計劃。它是一個使用802．11A做點對點鏈路的無線本地回路系統(tǒng)。筆記本電腦和蜂窩電話的用戶可以在建筑物內，由802．11A LAN通過屋頂上的定向收發(fā)設備與外界聯(lián)通。
3．3 HIPErLAN2
HIPErLAN2是歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）于上世紀末開始組織研究發(fā)展的。
HIPErLAN2與IEEE 802．11A在物理層差不多，即都工作在5 GHｚ，也采用OFDM技術，給出同樣的數(shù)據速率，即最大物理速率高達54 MBIT/S，實際通過量達31 MBIT/S。二者的差別主要在MAC層，802．11A是沿用以前的無線以太網功能，而HIPErLAN2的MAC協(xié)議既支持對時間要求嚴格的業(yè)務，也支持異步數(shù)據，這樣分組語音和視頻可以得到較好的ＱOS。HIPErLAN2與有線側的接口連接，適應ATM、3G移動系統(tǒng)、1394網絡以及IP網絡。
HIPErLAN2設計得既是LAN也是WAN，并有較好的漫游性能。它的數(shù)據鏈路控制/無線鏈路控制子層具有發(fā)射功率控制和動態(tài)頻率選擇功能，從而提高頻譜效率并降低其他同頻系統(tǒng)干擾的可能性。HIPErLAN2支持認證、加密，具有較好的安全保密功能。
HIPErLAN2接入點覆蓋范圍也很小，戶內約100 M，戶外幾百米，與802．11A基本相同。
3．4 5－UP
IEEE和ETSI有一個名為5 GHｚ伙伴計劃（5GPP）的合作項目，打算把802．11A和HIPErLAN2合成一個標準，暫時命名為5 GHｚ統(tǒng)一協(xié)議（5－UP）。這個標準試圖把2個甚至3個信道結合起來，提供比現(xiàn)有的系統(tǒng)高得多的數(shù)據速率。
5－UP將2個信道結合時，物理層速率可提高為108 MBIT/S，實際最大通過量為72 MBIT/S，信道間隔50 MHｚ。如果采取3個信道結合，提供的實際通過量大約可達100 MBIT/S，這顯然高過大多數(shù)筆記本電腦能有的速率。
3．5 多點多信道分配系統(tǒng)（MMDS）
固定系統(tǒng)已經具備可與DSＬ、電纜調制解調器甚至光纖相競爭的多兆比（MUｌTIMEGABIT）速度。有些服務商打算給現(xiàn)有的寬帶系統(tǒng)加上移動性能。當用戶移動時，ISP上行鏈路的固定天線旋轉，其波束跟蹤對準用戶。
較有可能成為下一代移動通信候選者的多點多信道分配系統(tǒng)（MMDS）使用蜂窩網絡那樣的點對多點式結構和與3G相同的頻譜，覆蓋也大約與3G相同（35哩），其最大數(shù)據速率小于10 MBIT/S（準確數(shù)字隨供應商而變），相當于3．5G 的速率。
固定無線增加移動性的困難是要求鏈路兩端之間視距無阻擋，且設備相當大，要有專業(yè)技術人員來安裝。由于這類設備大多屬專賣，即使客戶可以挪動但也不能漫游進入以另一賣方技術建成的蜂窩。
IEEE正在制訂關于MMDS的標準——802．16A，以促進互操作性（現(xiàn)有的 802．16標準只涉及較高頻率的固定鏈路，難以適應移動性）。IEEE 802．16A也以OFDM為基礎，像新一代蜂窩打算用的多徑技術那樣降低對視距的要求。
3．6 移動衛(wèi)星服務（MSS）系統(tǒng)
要做到全球無縫隙覆蓋必須借助移動衛(wèi)星系統(tǒng)。2001年7月，美國FCC批準了8個移動衛(wèi)星服務系統(tǒng)，要求在2007年建成投產，速率大致達到ISDN的速率，話音達到長話的質量，能夠傳送視頻和多媒體信息。其中2個MSS系統(tǒng)都是各用1個GEO衛(wèi)星只覆蓋美洲，另外幾個分別用ＬEO和MEO衛(wèi)星網絡覆蓋全球。
這些新系統(tǒng)使用2 GHｚ頻率，非常接近目前大多數(shù)國家核發(fā)給3G使用的頻率， 從而可以使用較輕、較便宜的雙模終端，并且可在地面和衛(wèi)星接入點使用類似的無線部件。
幾個MSS系統(tǒng)中目前比較有希望的是新IrIDIUM、GｌOBAｌSTAr和ICO。新IrIDIUM和GｌOBAｌSTAr工作在ＬEO，ICO工作在MEO。不過新IrIDIUM和GｌOBAｌSTAr也在計劃把MSS網絡建立在MEO之上。各MSS系統(tǒng)都要在地面上設置中繼站，以增強衛(wèi)星通信能力，提供室內服務。技術上的進步，使它們有可能開發(fā)SUPEr GEO衛(wèi)星網絡，用比蜂窩手機大不了多少的設備來接收。
�。蘀O衛(wèi)星網絡建設投資太高，運營維護費用又大，從而MSS有向先進的GEO寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。對于GEO衛(wèi)星通信等待時間長的問題，需要改變TCP和HTTP，標準辦法是采用TCPSAT增大窗口尺寸。有的公司采用虛假確認（SPOOFING）方法，通過UDP發(fā)送數(shù)據。
ITU早在1992年推薦IMT－2000蜂窩網絡的同時，也推薦了IMT－2000衛(wèi)星網絡，希望它能延伸地面移動通信系統(tǒng)的覆蓋范圍。上世紀90年代，大約有20個稱為全球衛(wèi)星移動個人通信（GMPCS）的系統(tǒng)著手開發(fā)。這種系統(tǒng)與MSS不同的是使用的頻率比3G蜂窩電話的高，不能提供類似3G的服務水平。
3．7 全IP
新一代移動通信需要充分利用IP網絡作為所有業(yè)務的承載，實現(xiàn)端到端的IP多媒體移動業(yè)務。3GPP r5版本已提到將IP從核心網擴展到無線接入網，形成全IP網絡結構，使控制和業(yè)務分離。隨著移動通信技術和INTErNET技術的不斷發(fā)展和結合，新一代移動通信網和INTErNET網將會逐漸融合為一體。
近若干年來，INTErNET急劇發(fā)展，現(xiàn)用的IP協(xié)議版本——IPｖ4的32位長的地址空間已逐漸顯現(xiàn)不足，其他一些性能也不如人意。新一代IP協(xié)議——IPｖ6于1994年開始開發(fā)至今，其好處不只是地址空間大（128位長的地址空間），而且針對現(xiàn)代網絡的需求，增加了有關網絡安全、自動配置、資源預留、優(yōu)先級別以及多播（MUｌTICAST）等功能。特別是在移動IP 方面，IPｖ6的功能遠優(yōu)于IPｖ4。
有人預測，到2005年，幾乎一切都將以IPｖ6為基礎（與現(xiàn)有的INTErNET保持兼容）。日本政府要求2006年所有日本的ISP都支持IPｖ6，和后3G的發(fā)展保持一致。歐洲和亞洲其他一些國家也在考慮做出類似的規(guī)定。
應該指出，IPｖ6在安全性、服務質量、移動應用、路由選擇、MUｌTIHOMING等方面還不是無懈可擊。為了更好地支持聯(lián)網，與移動通信系統(tǒng)融合，世界各國許多相關機構都在進行著研究工作。
IETF是IPｖ6標準制定工作的主體，目前ITU－T成立了相應的工作組來制定相關標準。鑒于IPｖ6的重要作用，特別是對下一代網絡的巨大影響，必將有更多國際標準化組織和機構參與IPｖ6標準的完善工作。
3．8 移動IP
在IPｖ4中，所有要發(fā)給移動節(jié)點的信息包都要經由用戶的歸屬網絡通過隧道發(fā)送，歸屬網絡中的歸屬代理收到后，把它們發(fā)往轉交地址。但這樣會額外增加路由選擇的跳數(shù)，延長等待時間，并耗費帶寬。
1996年標準化的MIPｖ4 （MOBIｌE IPｖ4） 原版，使移動節(jié)點直接對相應節(jié)點發(fā)出應答。為了與較高等級協(xié)議一致，信息包中的源地址域必須是歸屬網絡上的永久地址。后來由于出現(xiàn)了偽造IP地址信息包，引出DOS問題，從而需要在輸入輸出端口增加濾波設施。2002年MIPｖ4更新，將三角形路徑改為雙向隧道，使所有雙向信息包都經由歸屬網絡傳送。這個標準帶來的問題是耗費更多的帶寬、路由選擇跳數(shù)更多、等待時間更長，以至于影響到在無線網絡上實現(xiàn)ＶOIP。
新的 MIPｖ6（MOBIｌE IPｖ6）盡可能地避免過多使用隧道，從而解除了帶寬和等待時間長的問題。雖然每次會晤的頭幾個信息包仍然經由歸屬代理走隧道，但是移動節(jié)點還給每個相應節(jié)點送出綁定更新，后面的信息包可以直接送，就像移動節(jié)點在訪問的網絡中一樣。對所有的移動子網，如移動車輛中的WLAN，道理同樣適用。這可以使用可擴展的頭部來完成，使IPｖ6的信息包具有有關ＱOS和優(yōu)先性等問題的額外的協(xié)議信息。
在移動IP中，使用擴展頭部讓每個信息包中既有永久地址也有轉交地址，滿足較高等級協(xié)議和INTErNET路由器的要求。MIPｖ6的信息包傳輸情況如圖2所示。
圖2中，移動節(jié)點開始進入受訪網絡時，申請轉交地址，并通知其歸屬網絡上的代理①；相應節(jié)點開始時把信息包發(fā)往移動節(jié)點的歸屬地址②；隨后信息包通過隧道發(fā)往轉交地址③；移動節(jié)點隨即把轉交地址通知相應節(jié)點④；此后，信息包直接互換交流⑤。
另外由于移動節(jié)點可能移動很快，為了防止節(jié)點積累過多老的轉交地址，在MIPv6中對轉接地址給定了一個終止時間。
MIPv6可以說是IPv6的一種誘人的應用。IETF正在進一步改進和補充MIPv6功能的工作，如分級移動管理、AAA、安全性、FAST HANDOFF等。
3．9 系統(tǒng)框架
無線LAN或MBS的接入點（AP）或基站能達到的距離都很短，要想全部覆蓋一個不大的區(qū)域就可能需要設置成百上千個小蜂房（PICOCEll）。新一代移動通信系統(tǒng)單獨依靠無線LAN或MBS可能不現(xiàn)實。
ITU關于BEｙOND IMT2000研究工作的時間表給出，3G系統(tǒng)標準的增強工作要持續(xù)到2006年，其系統(tǒng)發(fā)展時期會持續(xù)到2010年。因此，新一代移動通信系統(tǒng)必須兼容3G甚至2G系統(tǒng)。
4GMF提到新一代寬帶無線移動通信系統(tǒng)將包括無線接入、無線移動、無線LAN、PDM等網絡，集成的新一代移動通信系統(tǒng)將為無線用戶提供寬帶無線接入服務，通過應用層直到MAC層都有相應的ＱOS， 保證無線移動INTErNET業(yè)務應用。
西門子公司對新一代系統(tǒng)提出了一個框架設想。這是為滿足不同環(huán)境條件和不同業(yè)務要求而設想的多層次、相互重疊的立體化網絡框架。這些層次包含無線個域網層（WPAN，如藍牙）、無線局域網層（WLAN，HIPErLAN，BRAN）、無線蜂窩層（CEｌｌUｌAr，如3G，甚至2．5G） 以及分配層 （如DAB或DVB）等。同一系統(tǒng)內水平切換，不同系統(tǒng)間垂直切換。系統(tǒng)框架要求有一個IP核心網絡，有自組織功能、動態(tài)規(guī)劃管理、動態(tài)頻率分配、多種速率傳輸?shù)取?br />
歐洲另一新的研究項目BRAIN（BrOADBAND RADiO ACCESS FOr IP－BASED NETWOrk）是由西門子和其他一些公司合作進行的。它的特點是BRAIN和RAN分別經由各自的MIP網關接入IP骨干網，從而兼容UMTS、GPRS等多種體系。
一般看法，新一代移動通信系統(tǒng)將由無線局域網、蜂窩網和衛(wèi)星網三者結合而成。衛(wèi)星部分與地面部分的結合目前有3種不同設想。
A） 衛(wèi)星網絡自成系統(tǒng)，本身具備所有應有的網絡功能；
B） 衛(wèi)星網絡與地面網絡綜合為一體，網絡功能不重復；
C） 衛(wèi)星部分簡單地用于延伸地面部分（固定和/或蜂窩）。
4 結束語
上面提到的只是對新一代移動通信的一些思路或概念化設想，這些思路或設想綜合起來似能展現(xiàn)出一個并不十分渺茫的新一代移動通信系統(tǒng)的前景。
摘自《郵電設計技術》
