移動通信的未來發展趨勢討論

2019-11-03 09:25:26

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供稿：網友

信息產業部電信研究院教授級高級工程師雷震洲

　　摘要：在3G大規模商用以后，多媒體服務與應用將會得到廣泛推廣，而3G在速率、服務質量、無縫傳輸等方面的局限性也將日益顯露出來，勢必需要帶寬更寬的無線系統。故移動通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高、功能更強的4G，以在移動環境中支持高清晰度視像和其它寬帶多媒體業務與應用。

　　關鍵詞：移動通信 3G 后3G 4G

　　20世紀90年代以來，移動通信飛速發展，到2002年底全球移動用戶數超過了固定用戶數。目前，中國、美國、日本占據了世界移動市場的前三位。中國的移動用戶數超過了2．5億，美國超過了1億，日本為8200萬。其中日本的移動用戶數于2000年率先超過固定用戶數，且成為世界第一個引入3G并開始商用的國家。目前日本有6000萬以上的人使用移動電話接入互聯網，移動互聯網已被廣泛接受。移動通信的下一步是走向容量更大、速率更高、功能更強的4G。本文旨在探討移動通信的未來研究方向。

　　未來移動通信的定位

　　從服務的角度看，雖然移動通信最初是為了在移動環境中打電話而發明的，但是21世紀的移動通信絕不是單單為了打電話，必須要有新的服務增長點。因此，3G一開始就定位于多媒體業務。除了多媒體業務，未來移動通信還要實現兩個重要方面，即提供無所不在的服務和全球性的服務。

　　多媒體業務將向用戶提供聲、像、圖、文并茂的多種業務，使網上的業務量大大增加。無所不在的服務意指要把通信服務的對象從人擴展到任何一件東西。例如，可以把一個非常小的無線芯片貼在一只正在投遞的袋子上，那么就可以對此袋子進行跟蹤，更好地完成對整個投遞過程的管理。因此，如果任何一件移動的東西都成為移動通信的對象的話，移動通信終端的數量將大大增加，網上流量也將劇增。全球性服務即通過全球范圍的標準化，實現移動通信的全球化。為了在多媒體業務、無所不在的服務和全球性服務這三個方面取得成功，有許多技術問題和管理問題需要解決，尤其在多媒體和無所不在這兩方面存在的問題更是突出。在具有先進多媒體和無所不在服務的環境中，計算機和通信設備將遍布所有地方，通信方式不僅是人與人之間，而且還包括人－機之間和機－機之間的通信。為了促進在這種環境下的多媒體移動通信，需要給所有移動物體賦予無線通信功能；給所有難以安裝固定線路的地方賦予無線通信功能；給所有執行命令、驗證和控制功能的用戶隨身配件賦予無線通信功能。

　　在計及各種家電和需要跟蹤的包裹的情況下，日本曾大膽預測，到2010年僅日本一個國家，連接在移動網上的移動通信終端總數將超過5億。屆時，一個用戶可能使用幾個用于不同目的和場合的終端。終端的數量有可能大大超過人口數。

　　將來的移動網必須具有極強的平臺功能，能為大量無所不在的終端提供不同的服務。根據終端的數量和服務的類型，還要為每一種服務提出一種贏利的商業模式。

　　從3G走向4G

　　移動通信經歷了1G和2G，完成了從模擬技術向數字技術的過渡，現正在向3G過渡和走向更遠的4G，把移動通信從窄帶推向寬帶。

　　3G定位于多媒體ip業務，傳輸容量更大，靈活性更高，形成了家族式的世界單一標準，并將引入新的商業模式。前一階段，由于面臨標準不穩定、產品不成熟、資金不充足、服務不摸門等困難，3G的發展并不順利。2004年將是3G走向大規模商用的關鍵年。

　　從日本發展移動多媒體通信的經驗來看，它們主要著力于以下5個方面來開發新的業務：互聯網、位置信息、信息分發、遙感/遙控和支付。互聯網業務包括ｉ－ｍｏｄｅ。截至2003年1月，ｉ－ｍｏｄｅ已有3 650萬用戶，所提供業務從電子郵件、Web文本瀏覽擴展到內聯網應用。ｉ－ｍｏｄｅ終端采用了彩色液晶顯示，具有多種鈴音。以后又引入了Ｊａｖａ，可以下載名為ｉ－ａｐｐｌｉ的應用程序，速率提高到28．8 ｋｂｉｔ/ｓ，并增加了紅外通信功能，可與其它機器（如零售機等）互動。位置服務包括向用戶提供位置信息和汽車導航等。信息分發業務包括內容分發（如游戲）、視像分發（如廣告、促銷視像、音樂分發），可以根據用戶愛好定制。遙測/遙控業務包括對零售機庫存狀態的管理、對信息家電的遙控等。支付業務關系到移動電子商務，用移動終端來代替錢包購買公共汽車票、火車票、音樂會票以及購物等。

　　為了促進這些多媒體業務的發展，日本決定采用高速低價的發展策略，故率先開發實施了3G系統IMT－2000，成為世界上3G最早商用化的國家。第一個開通3G的運營商是日本NTT DoCoMo，它采用WCDMA標準，業務名稱為FOMA，向用戶提供各種高質量的多媒體業務，包括話音和圖像。所提供的業務如表1所示。

　　可以預料，在3G大規模商用以后，多媒體服務與應用將會得到廣泛應用，而隨之3G在速率、QoS、無縫傳輸等方面的局限性也將日益顯露出來，勢必需要帶寬更寬的無線系統。故移動通信的下一步必定是走向容量更大、速率更高、功能更強的4G，以在移動環境中支持高清晰度視像和其它寬帶多媒體業務與應用。

　　自20世紀90年代末以來，互聯網用戶數在全世界迅速增長，利用ADSL，CATV和FTTH等技術推動了寬帶接入的發展，同時通信費用卻在不斷下降，使寬帶業務的市場滲透率迅速提高。這說明通信公司必須通過科學管理而不是惡性價格戰來降低通信費用，提高市場滲透率。對移動通信來說同樣如此，需要通過擴大系統容量來降低投資成本。作為寬帶多媒體信息社會中的無線基礎設施，4G系統具有極其重要的位置。故降低其系統成本，使建造經濟的系統成為頭等重要的事情。當然，除此以外還有其它一些重要問題，包括提供無縫服務，提高傳輸速率，改善用戶使用方便性，把3G網、固定無線接入網、WLAN等網絡綜合在一起，營造一個無所不在的通信環境，建立新的商業模式等。為了解決這些問題，必須加大研發力度。

　　圖1表示后3G（包括4G）系統的定位。圖1中縱軸代表移動性，橫軸代表以Ｍｂｉｔ/ｓ計的信息速度。從圖1中看，4G系統的業務范圍與移動性必須與3G系統兼容，故4G必將基于蜂窩系統，但在有限的移動范圍內它還必須容納WLAN，以獲得高速。在4G系統中還要增加一條軸，代表無所不在的能力。為了提供這種能力，要求網絡能夠處理完全不同于現有通信的業務模型。例如，可以要求網絡有效處理低速傳輸的間歇信號，它們由許多終端產生，但每個信號的業務量很小。在有些情況下，終端之間的連接主要基于特別連接（ａｄｈｏｃ）的局部網絡。

　　因此，在4G時代，需要多種多樣的接入和組網能力。4G系統需要新的射頻技術、高效的無線接入技術、新的自適應多址和信道編碼技術、基于軟件無線電的多模終端與基站技術、系統兼容和演進技術與策略、“天－地”一體化技術、網絡智能化技術。

　　4G系統的實施與普及將有助于彌合醫療、教育、信息和其它方面的鴻溝，對環境問題和老齡化社會將作出巨大貢獻。

　　在一個布滿4G系統的社會中，家庭醫療和遠程診斷將成為常事，在家里和人口稀少地區就可以基于高清晰度圖像傳輸技術進行專家檢查、開處方。沒有常駐醫生的遠程手術室和虛擬醫院也將成為現實。對于個人健康管理，借助4G可以采取預防性醫療措施。個人相關數據可以通過內置于手表、附件和其它日用物件的傳感器被傳送到醫院，診斷結果則回送給個人。

　　在教育方面，預期在偏僻地區與大城市之間利用視像的多媒體教育以及利用移動終端的室外現場工作將會很快發展起來。

　　另外，各種信息終端的接口將被簡化，無論老幼均能方便使用。不管所用語言的不同，使用這些終端都能使日常生活變得更加方便。配備無線通信功能的傳感器和控制芯片將附著在物體、動物和植物的身上，對提高后勤工作效率、保護全球環境和防止災難等方面作出貢獻。

　　對4G系統的技術要求

　　未來4G的系統容量必須至少10倍于3G系統，而每比特成本卻要降低為3G的1/10～1/100，以致不會讓用戶在擴大信息量時經濟負擔過重。為了按用戶需求提供多種多媒體業務，4G必須引入各種ＱｏＳ水平。在IP網中還必須支持IPｖ6，好給移動終端提供巨量的IP地址，尤其在人－機通信和機－機通信中使用。從用戶友好的角度看，4G要大大縮短接入服務器的耗費時間，從而保證無縫服務，這在3G系統中也是不夠的。具體的主要技術要求如下：

　　·高速傳輸（平均速率可達200 Ｍｂｉｔ/ｓ，高峰時下降至50～100 Ｍｂｉｔ/ｓ）；

　　·大容量（約10倍于3G系統）；

　　·支持下一代互聯網（IPｖ6，ＱｏＳ）；

　　·無縫服務；

　　·靈活的網絡結構；

　　·使用微波頻段（3～6 GＨｚ）；

　　·低系統成本（3G系統的 1/10～1/100）。

　　在組網方面，關鍵是構成一個具有足夠可靠性的IP網和提供靈活的網絡配置，能使各種接入方法（將來接入方法會更多）實現無縫連接。至于終端，除了現有終端進一步演進成為通用的幾合一移動終端以外，功能有限的芯片型終端（非常之小，自身不能提供任何業務）可望浮出水面，形成無所不在的環境。

　　在服務方面，4G與3G相比將有很大不同。例如傳送一個10 MB的文件，4G的下載時間只需1 ｓ，而3G需要200 ｓ。因此4G比3G能以更高的速率來完成多媒體應用。在傳輸大量圖像信息時，4G移動終端將能顯示虛擬三維高質量圖像，而3G不能。借助于這種能力，家長可以觀察他們的孩子在托兒所做什么，科學家可以從遠處監視野生動物的生活，人們可以不出門看電影，如此等等。4G還可傳送帶有真實情感的通信場景，其中三維的聲音、光線和氣氛都可傳到對端，再生現場情況，從而實現虛擬現實，讓你感到身臨其境。例如，你在遠地就能感受到現場采訪的氛圍，能感知采訪人與被采訪人的真實情感。這用二維的圖像與聲音是做不到的。利用這種能力不僅可增強會議電視的效果，而且還可能在遠地進行復雜的外科手術，或者與機器人和工人一起配合組裝設備。

　　未來的移動通信技術

　　21世紀我們將進入信息社會——一個以人為本、更加注重精神糧食的社會，人性、環境和信息將成為這個社會的關鍵詞。因此在21世紀的信息通信系統必須圍繞以人為本來進行研究開發。潛在的研究方向包括：如何滿足人性的需求和充分利用五個感官（觸、嘗、聽、看、聞）及人工智能；如何通過智能化來補充人的能力；如何通過機器人和可佩帶設備來實現新的通信方式；如何克服通信質量的限制來擴大人的空間。

　　在人類通信中，如何很好地實現感情的相互傳遞是今后十分重要的課題。雖然可視電話和虛擬現實能夠完成用戶影像和活動情況（在電腦空間的有限范圍之內）的傳遞，但是對傳遞感情而言它們是遠遠不夠的。如果我們能把聲音、圖像或數據加在一起，再加入真實的感覺（包括通信時的感情、用戶周圍的氛圍以及用戶實際活動情況），那么就有可能建立更加充滿感情的通信方式，有人把這種通信方式稱作“遙現”（Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）。例如，日本現正在開發一種叫“替身”（Ａｖａｔａｒ）的接口。這種接口能把你自己的實際感覺傳送給有形的機器人，利用手勢和機器人的攝像頭來遙控機器人，完成與另一方的通信。人的腦電波、肌電能力和其它生物信息通過無線網傳給替身機器人，此機器人不僅用作虛擬替身，而且還用作有重量和大小的實際替身。這種全新的無線通信方式的應用領域將極其廣泛，包括公共場所、住家和娛樂場所等。

　　在21世紀，預計移動通信在信息通信領域的發展將達到頂峰，世界各國的用戶數將繼續增長。移動通信將成為寬帶信息通信的使能器，使無所不在的通信成為現實。為了使移動多媒體得到充分的發展，除了在每個國家及時引入和不斷擴展ＩＭＴ－2000之外，還需要不斷改進無線系統和核心網，開拓新的服務應用，開發小型高功能終端。技術創新和挑戰在未來必將接二連三。為了迎接挑戰，實現人類的目標，全世界從事移動通信的研究人員和工程師必須互相交流、共同合作，在全球范圍內一起推動研發工作和標準化工作的開展，攜手共進。

摘自　世界電信

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