第四代移動通信的發(fā)展趨勢

雷春娟　李承恕
北方交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所
　　摘要　隨著第三代移動通信系統(tǒng)逐步實施，移動通信未來的發(fā)展及演進問題成了研究熱點。文章在綜合分析當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，提出了第四代移動通信發(fā)展的4種趨勢，并對關(guān)鍵技術(shù)問題的實現(xiàn)思路進行分析和闡述。


　　關(guān)鍵詞　第四代移動通信　廣帶化　網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊　軟件無線電　靈活自適應(yīng)


　　移動通信已經(jīng)經(jīng)歷了三代發(fā)展歷程，每一代的發(fā)展都基于技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代移動通信從發(fā)明蜂窩概念開始，通過頻率復(fù)用增大了系統(tǒng)容量，實現(xiàn)了語音移動通信；第二代移動通信用數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)，增加了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第三代移動通信的頻帶利用率更高，每用戶比特速率更大，并使移動通信與Internet進一步融合，為移動中的人們提供廣泛的基于IP的多媒體業(yè)務(wù)。未來移動通信的目標(biāo)是為每個人提供綜合的廣帶業(yè)務(wù)，并在業(yè)務(wù)獲得及網(wǎng)絡(luò)性能上提供前所未有的靈活性。針對上述要求，下文將對第四代移動通信的發(fā)展趨勢進行分析，并介紹當(dāng)前的研究現(xiàn)狀。


　　1　廣帶化的趨勢


　　為了滿足第四代移動通信的速率及容量要求，必須研究可以提供最大150Mb/s傳輸速率的新的廣帶無線接入系統(tǒng)。自1996年開始，移動廣帶系統(tǒng)的研究就在歐洲、美國及日本等地廣泛進行。僅以歐洲為例，就有多個項目在進行移動廣帶系統(tǒng)研究（如先進移動廣帶應(yīng)用系統(tǒng)SAMBA、專業(yè)及住宅多媒體廣帶MEDIAN CPN/LAN、無線ATM網(wǎng)絡(luò)演示W(wǎng)AND、ATM無線接入通信系統(tǒng)AWACS、衛(wèi)星移動多媒體通信EHF SECOMS以及ACTS廣帶通信聯(lián)合試驗和展示ACCORD等）。上述6個項目中，前4個研究的是陸地移動廣帶系統(tǒng)，第5個研究衛(wèi)星系統(tǒng)，第6個研究陸地與衛(wèi)星廣帶系統(tǒng)綜合的問題。在陸地移動廣帶系統(tǒng)方面，MEDIAN項目的目標(biāo)是實現(xiàn)一個工作于60GHz室內(nèi)環(huán)境的高速WLAN，可支持150Mb/s傳輸速率，WAND實現(xiàn)了一個工作在5GHz頻段的無線ATM演示系統(tǒng)，可支持最大20Mb/s的傳輸速率，AWACS項目開發(fā)了一個工作于19GHz頻段TDD模式的演示系統(tǒng)，可支持34Mb/s傳輸速率，SAMBA是唯一研究移動蜂窩廣帶系統(tǒng)的項目，其目標(biāo)是開發(fā)一個工作于40GHz頻帶的試驗平臺，支持34Mb/s全雙工傳輸能力。除以上項目外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織ETSI還進行了廣帶無線接入網(wǎng)（BRAN）的研究，并對高性能無線局域網(wǎng)類型2（HIPERLAN2）進行標(biāo)準(zhǔn)化。


　　目前，移動廣帶系統(tǒng)（MBS）的研究工作仍在全世界范圍內(nèi)進行著，典型的項目有基于IP的廣帶接入無線網(wǎng)絡(luò)（BRAIN）、無線室內(nèi)靈活高比特速率Modem結(jié)構(gòu)（WIND-FLEX）、自適應(yīng)廣帶固定和移動無線接入網(wǎng)絡(luò)光波束成形天線（OBANET）、高數(shù)據(jù)速率多媒體衛(wèi)星廣帶接入（BRAHMS）等。這些項目的共同目標(biāo)是研究可以增大無線空中最大傳輸容量技術(shù)，這些技術(shù)可以基于用戶前端網(wǎng)絡(luò)（如WLAN、蜂窩廣帶移動網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)）。各種移動廣帶技術(shù)的研究及系統(tǒng)創(chuàng)建是邁向第四代移動通信的關(guān)鍵步驟，這些系統(tǒng)可以在室內(nèi)（或室外）環(huán)境為UMTS提供容量（或覆蓋范圍）補充，既滿足第四代移動通信系統(tǒng)對廣帶傳輸?shù)囊�求，又可以通過衛(wèi)星系統(tǒng)達到無所不在的覆蓋。上述系統(tǒng)研究的另一個共同特征是促進端到端的IP應(yīng)用，基于共同的IP平臺，使不同網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)可以便易地融合，使未來移動系統(tǒng)成為一個真正的基于IP的多媒體廣帶無線接入系統(tǒng)。


　　2　網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊的趨勢


　　未來的廣帶無線接入系統(tǒng)將包括許多互聯(lián)或綜合的子系統(tǒng)，為固定和移動用戶提供無縫的廣帶業(yè)務(wù)，這些子系統(tǒng)包括上述可提供高速數(shù)據(jù)速率的各種移動廣帶系統(tǒng)（MBS）、固定無線接入（FWA）系統(tǒng)、廣帶衛(wèi)星多媒體（BSM）以及可支持高速移動的UMTS和GSM等。這些起初都為不同的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)建的，并向不同的方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)的融合演進以及用戶對廣帶無逢接入的需求，這些系統(tǒng)將基于IP不斷地互聯(lián)和綜合，互聯(lián)是為了提供無所不在的覆蓋，網(wǎng)絡(luò)綜合主主要指網(wǎng)絡(luò)功能的綜合，使每個子系統(tǒng)都可以提供相同的業(yè)務(wù)，可以為相同的用戶服務(wù)（GSM、UMTS不能提供廣帶業(yè)務(wù)，但可通過下面將提到的網(wǎng)絡(luò)重疊策略實現(xiàn)，而GSM、UMTS可以為同一范圍內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)用戶服務(wù)以節(jié)省廣帶系統(tǒng)的資源），雖然各自采用不同的結(jié)構(gòu)和接入技術(shù)。由于各種網(wǎng)絡(luò)受其工作頻帶和技術(shù)等因素限制，覆蓋范圍差異很大，而且為了滿足機場和市中心等人多地區(qū)的高容量需求，可以在UMTS上重疊創(chuàng)建移動廣帶系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)呈重疊趨勢，并可根據(jù)用戶應(yīng)用對速率及QoS性能的要求，動態(tài)地選擇接入網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)資源使用狀況發(fā)生變化時，還可以靈活地使應(yīng)用業(yè)務(wù)在不同的空中接口技術(shù)、不同的接入網(wǎng)絡(luò)間快速切換，前提是用戶終端具備多模、多頻帶操作能力。無論網(wǎng)絡(luò)如何互聯(lián)、綜合或重疊，用戶只需提供所需業(yè)務(wù)的QoS要求，即可以得到透明服務(wù)，不必關(guān)心為其提供服務(wù)的具體技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，也不用了解終端如何與不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)商qoS、網(wǎng)絡(luò)間如何進行動態(tài)全速的資源分配、終端如何在不同的技術(shù)模式和網(wǎng)絡(luò)間切換和漫游、漫游中不同的網(wǎng)絡(luò)如何克服通信操作的差異，自適應(yīng)地滿足其變化的QoS要求等等。上述廣帶化以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊的趨勢為第四代廣帶無縫移動通信提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。


　　3　軟件無線電的趨勢


　　為了實現(xiàn)無縫接入和透明業(yè)務(wù)，用戶終端必須是可多模、多頻帶操作，而且必須能自動進行模式識別，并可在用戶和網(wǎng)絡(luò)指示下或根據(jù)用戶及QoS要求，自適應(yīng)地進行模式切換以及相應(yīng)的一系列操作，這樣的終端又稱為可配置終端�？膳渲媒K端將滿足人們對高靈活性、可擴展性以及多功能通信設(shè)備的需求，真正實現(xiàn)個人通信的單號碼特征（無論在家、辦公室、移動中以及任何通信環(huán)境均采用同一終端）。目前，對可配置終端的研發(fā)主要基于軟件無線電技術(shù)，軟件無線電技術(shù)被認為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)，下面對利用軟件無線電技術(shù)開發(fā)可配置終端應(yīng)具備的主要框架、功能及特點進行描述。


　　可配置用戶終端應(yīng)具備模式識別和模式轉(zhuǎn)換的功能，為了輔助不同模式間的切換，終端還應(yīng)具有適時的軟件下載功能以及可配置的基帶結(jié)構(gòu)是可配置終端應(yīng)具備的基本特征。


　　模式識別是支持系統(tǒng)間漫游的關(guān)鍵模塊，其功能是發(fā)現(xiàn)、識別和監(jiān)測新的無線接入技術(shù)（RAT），并在檢測到一個RAT時與之相連，并獲取其可以提供的業(yè)務(wù)以及質(zhì)量參數(shù)信息。模式識別程序分為盲識別和輔助識別。盲識別指終端在無需外界支持或先驗知識情況下完全自主的模式識別方式，而輔助識別是在給出一些關(guān)于無線環(huán)境的信息條件下進行的。識別RAT需進行某種能量檢測，檢測能量的大小、頻譜分布以及該能量與一些預(yù)先定義函數(shù)的相關(guān)性等參數(shù)，幫助確定一種RAT。就模式識別進行的時間而言，可將其分為兩種，即起始模式識別和交替模式識別。起始模式識別的特點是，終端在打開電源后，首先在較大頻譜范圍內(nèi)掃描搜索所有可能的模式，然后再選擇合適的工作模式；交替模式識別時，首先尋找一個可工作的模式進行連接，然后在該工作模式網(wǎng)絡(luò)的輔助下進行其它模式識別。


　　模式切換一般發(fā)生于下述情況：當(dāng)前工作模式的質(zhì)量變得不可接受時，或根據(jù)用戶、業(yè)務(wù)提供者、網(wǎng)絡(luò)提供者的指示要求新模式明顯優(yōu)于當(dāng)前模式時，在網(wǎng)絡(luò)重疊的情況下模式切換還可以被用來進行網(wǎng)絡(luò)負荷平衡。模式轉(zhuǎn)換要涉及終端和網(wǎng)絡(luò)的重新配置以及網(wǎng)絡(luò)資源的重新分配，必要時還需下載相應(yīng)軟件，包括應(yīng)用和業(yè)務(wù)提供軟件、用于改變空中接口和承載業(yè)務(wù)的RAT協(xié)議棧以及安裝所需的設(shè)備配置文件和許可等。進行模式轉(zhuǎn)換后，終端還需進行鑒權(quán)和位置信息更新，然后便可以起動在新無線網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)。為了減少終端與網(wǎng)絡(luò)實仨的交互，節(jié)省無線鏈路資源，可通過當(dāng)前無線接入網(wǎng)中的代理配置管理器（PRM）實體與新網(wǎng)絡(luò)的PRM進行交互，了解新網(wǎng)絡(luò)可提供的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)承載參數(shù)，代替終端進行業(yè)務(wù)協(xié)商和業(yè)務(wù)請求，為終端的模式切換做好準(zhǔn)備，從而保證業(yè)務(wù)在模式切換中的不間斷性。


　　為了適應(yīng)不同模式RAT對基帶功能（如調(diào)制解調(diào)器、FEC和譯碼等）的不同要求，可配置終端的基帶也必須具有可配置特點，即通過重新配置基帶處理鏈上各節(jié)點的屬性及功能，滿足模式切換或應(yīng)用QoS的動態(tài)要求，可配置基帶系統(tǒng)包含一個可配置基帶管理模塊，負責(zé)接收來自終端高層管理模塊的指示，下載重新配置基帶節(jié)需要的軟件，構(gòu)造符合要求的基帶處理鏈，并指示基帶處理鏈間的轉(zhuǎn)換。


　　軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RAT的自我更新及演進功能，同樣也應(yīng)具備基帶可配置、開放的結(jié)構(gòu)、模塊及系統(tǒng)升級能力、適時的軟件下載更新能力以及與終端及網(wǎng)管動態(tài)交互的能力等。與可配置終端應(yīng)用不同的是，無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟件無線電的情況更復(fù)雜，涉及的因素更多，需要更深入的研究。


　　4　靈活和自適應(yīng)的發(fā)展趨勢


　　第四代移動通信具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊、終端的跨模式漫游、端到端的IP多媒體應(yīng)用等特性，在許多網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)環(huán)節(jié)上都需要靈活和自適應(yīng)的解決方案。其中，通用靈活的系統(tǒng)資源管理方法以及跨越不同網(wǎng)絡(luò)RAT的端到端QoS保證被認為是綜合廣帶多媒體通信的挑戰(zhàn)。


　　4.1　靈活的資源管理結(jié)構(gòu)


　　不同網(wǎng)絡(luò)因地域的分布差異及資源管理可擴展性的需要，要求資源管理采用一種分布式結(jié)構(gòu)，可采用固定網(wǎng)常用的智能代理方法。另外，未來移動通信網(wǎng)的運營方法也會朝著網(wǎng)絡(luò)提供者（NP）及提供者（SP）的格局發(fā)展，不同的SP向一個或多個NP購買容量，用戶則向SP購買業(yè)務(wù)。不同的SP和NP有不同的商業(yè)模式和利益目標(biāo)，資源管理不但要解決基于應(yīng)用的容量分配問題，還要協(xié)商和平衡各代表實體的利益和要求。一種基于代理的資源管理結(jié)構(gòu)模型，它包含三個平面，資源代理、用戶代理、SP代理和NP代理等位于不同的平面和層次，每一代理都由響應(yīng)部分（負責(zé)快速響應(yīng)請求）、思考部分（優(yōu)化小區(qū)間分配）和協(xié)作部分（用于代理間的協(xié)調(diào)工作）組成。三個平面的功能分別是：工具平面包含一些實體，負責(zé)保證協(xié)商平面的順利、安全交互，為協(xié)商平面提供合約、協(xié)議和鑒權(quán)等支持；協(xié)商平面是用戶、SP和NP交互的平面，提供本層各代理之間的通信接口和與相鄰層的業(yè)務(wù)交互接口；資源平面是NP對其小區(qū)內(nèi)及小區(qū)間資源進行管理的平面，負責(zé)管理所有的低層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，包括切換和小區(qū)選擇管理、小區(qū)大小管理以及超負荷時將業(yè)務(wù)向其它網(wǎng)絡(luò)輸送均衡的管理等�？梢钥闯鲞@個結(jié)構(gòu)模型可提供各層次提供通信協(xié)調(diào)和交互，具有可擴展性，可用于未來高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多變的應(yīng)用要求。


　　4.2　自適應(yīng)的端到端QoS保證


　　第四代移動通信綜合了多種RAT和網(wǎng)絡(luò)，但要求網(wǎng)絡(luò)層采用全IP的方式，實現(xiàn)無所不在的連接，不同的RAT提供無縫的下層業(yè)務(wù)承載。通常，IP流會跨多網(wǎng)傳輸，對于保證端到端的qos問題，可有用以下兩種解決方案。一種是采用無線適配層，另一種是采用自適應(yīng)終端和QoS代理。在第一種方案中，IP業(yè)務(wù)與經(jīng)過的所有網(wǎng)絡(luò)建立QoS合同，每個網(wǎng)絡(luò)通過在IP層與RAT之間增加無線適配層（WAL）來保證各自的QoS合同，從而保證端到端的qoS。不同網(wǎng)絡(luò)需要的WAL不同，但具有相同的結(jié)構(gòu)和操作模式，一般包括傳輸/鏈路層控制機制（負責(zé)補償不同的無線媒體損耗，提高可靠性及網(wǎng)絡(luò)吞吐量）和業(yè)務(wù)控制機制（負責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)延時要求進行資源優(yōu)先級分配）。WAL是一個開放的解決方案，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點和業(yè)務(wù)要求，增加或刪減處理模塊，模塊的功能和屬性也可采用軟件無線電技術(shù)進行自適應(yīng)配置和升級。第二種方法采用自適應(yīng)終端和QoS代理，QoS代理位于無線接入網(wǎng)中，當(dāng)終端檢測到另一種更適合的網(wǎng)絡(luò)模式時（包括重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況的模式切換和跨多網(wǎng)絡(luò)時的模式間漫游），通知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理與新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理進行業(yè)務(wù)QoS協(xié)商，協(xié)商完成時，新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進行相應(yīng)的資源預(yù)留，自適應(yīng)終端也根據(jù)協(xié)商的結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整其業(yè)務(wù)參數(shù)，然后進行模式轉(zhuǎn)換（即網(wǎng)間切換），每次切換時進行同樣操作也可保證端到端的QoS。未來的趨勢將是以上方法或更多方法的有效結(jié)合。


　　目前，對第四代移動通信（4G）進行確切定義還為時尚早，本文根據(jù)當(dāng)前的研究方向及現(xiàn)狀對4G發(fā)展的趨勢進行預(yù)測，分析了4G可能具備的特點：例如4G將采用新的無線接入技術(shù)實現(xiàn)廣帶要求；將包含不同的網(wǎng)絡(luò)和不同的RAT，終端和基站會采用軟件無線電技術(shù)，具有多模、可配置、易升級及開放的特性，將采用端到端IP結(jié)構(gòu)促進網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，提供端到端的廣帶多媒體業(yè)務(wù)等，要實現(xiàn)上述要求，技術(shù)解決方案應(yīng)具有靈活、自適應(yīng)的特點。文章還對配置終端的實現(xiàn)、系統(tǒng)資源的管理、端到端QoS的自適應(yīng)保證等重要問題進行了分析和探討，給出了框架和思路。



摘自《電信快報》