未來的第四代移動通信系統

2019-11-03 09:35:56

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呂智勇　張更新馬刈非解放軍理工大學[摘要 ]:第三代移動通信系統將在 2002年在全球展開應用，而關于第四代移動通信系統的討論也已全面展開。本文介紹了 4G系統的基本要素；完全集中的服務；無所不在的移動接入；不同的用戶設備；自治的網絡；還討論了 4G系統的網絡結構，它包括一個基于 ip的核心網絡和由幾種接入系統組成的接入平臺。

[關鍵詞 ]:4G；移動通信；接入網絡

1.移動通信系統的發展

　　從 80年代起，移動通信發生了重大的變化并取得迅速的發展。 80年代初，引入了利用模擬傳輸方式實現話音業務的第一代移動系統。有幾種標準得以發展，如：美國的 AMPS(先進的移動電話業務 )、英國的 TACS(全接入通信系統 )等。 80年代末，引入了利用數字傳輸方式的第二代移動通信系統。它們提供更高的頻譜利用率、更好的數據業務以及比第一代系統更先進的漫游。 GSM(全球移動通信系統 )、 PDC(個人數字蜂窩 )以及 IS－ 95(US CDMA系統 )都屬于第二代系統。第二代系統將進一步向第三代系統演變，提供更先進的業務，如速率為 100～ 200kbit/s的電路和分組數據業務等，這些演變的系統通常被稱為 2.5代系統。它們有 HSCSD(high－ speed circuit－ switched data)、 GPRS、 EDGE(enhanced data rates for GSM evolution)等。第三代移動通信系統的研究起于 1988年，其代表為：國際電信聯盟 ITU的 IMT－ 2000和歐洲的 UMTS(Universal Mobile Telecommunications Service)，他們的目的是提供高達 2Mbits/s的寬帶數據業務，并且提供電路交換和分組交換業務的全球漫游。 IMT2000支持 TDD和 FDD方式，允許對稱和非對稱的業務 [6]。第三代移動通信系統將會在 2002年在全球展開應用。然而人們對于通信的要求是沒有止境的，人們要求更高的通信速度和更多的業務種類。鑒于制定標準和系統規范的長期性，現在關于第四代移動通信系統的討論也已全面展開。本文描術了 4G系統的基本要素，并討論了 4G系統的網絡結構，它包括一個基于 IP的核心網絡和由幾種接入系統組成的接入平臺。

2. 發展 4G系統的動力

2.1 通信業務和市場對移動通信系統的需求

　　移動通信系統的發展主要受到技術因素和市場需求兩方面的影響。其中因特網的飛速發展對移動通信產生了深遠的影響。大約 80％接入固定網絡的用戶也使用移動通信網絡，他們對利用移動終端接入因特網表現出極大的興趣，這為移動接入業務的開展提供了很大的市場空間。固定接入用戶的增長在 2004年左右達到飽和，而移動接入用戶的數量依然保持高速的增長率，估計移動接入用戶的數量將在 2004年超過固定接入用戶的數量。另外，移動通信所提供的業務結構也發生了巨大的變化。人們已經不再滿足于傳統的話音業務，人們希望移動通信系統能夠提供更廣泛的業務種類，如：因特網接入、電子郵件、實時圖像傳輸、視頻點播、電視、寬帶數據業務等。在第一、二代移動通信系統中占主流的話音業務將逐漸讓位于快速發展的多媒體業務，估計到 2010年，話音業務量與多媒體業務量的比值為 1： 10。移動通信業務的發展如圖 1所示。

　　最后，移動通信模式也將發生巨大變化。現在的通信模式還主要是人與人之間的通信，而以后的通信模式將要發展為人與人、人與機器、機器與人、機器與機器之間的通信。

　　所有這些變化都對移動通信系統提出更高的要求，人們要求移動通信系統可以提供各種多媒體業務，可以滿足各種通信質量要求，可以以各種形式的終端接入；另外，系統還應具備高度的智能化，以滿足通信業務發展、變化的需求。

2.2. 3G系統的限制

　　3G系統相對于 2G系統在通信速度和質量上都有了很大的提高，它可以支持多媒體和 IP類型的業務。基于 W－ CDMA的空中接口設計可以為中等速率的業務 (384kbit/s)提供更大的容量。統計復用的策略可以提高分組傳輸模式的效率。可是 3G系統還是有它自己的局限性。

　　 由于很多用戶干擾，利用 CDMA很難達到很高的通信速率；

　　 由于空中接口標準對核心網的限制， 3G系統所能提供服務速率的動態范圍不大，不能滿足各種業務類型要求。

　　 分配給 3G系統的頻率資源已經趨于飽和。

　　基于以上原因，人們希望在下一代移動通信系統中，這些問題得以解決。

3. 4G系統結構

3.1.網絡結構

　　在第一代移動通信系統向第二代移動通信系統的進化過程中，我們看到了模擬通信向數字通信、單一業務向多種業務的轉換；在第二代移動通信系統向第三代移動通信系統的演變過程中，我們看到單一媒體向多媒體，人與人之間業務向人與機器之間業務的轉化；而在第三代移動通信系統向 4G系統的轉化過程中，我們將看到一個動態的、自適應的、智能的系統。在該系統中，核心網和無線接入網是緊密結合在一起的，而不像以前，各成系統。

　　第四代移動通信系統應具備以下幾種基本特性：

　　(1)完全集中的服務：個人通信、信息系統、廣播和娛樂等各項業務將會結合成一個整體，提供給用戶比以往更廣泛的服務和應用；系統的使用將會更加的安全、方便以及更加照顧用戶的個性。

　　(2)無所不在的移動接入：在 4G系統中，移動接入將是提供話音、高速信息業務、廣播以及娛樂等業務的主要接入方式，人們可以隨時、隨地接入到系統中。

　　(3)各式各樣的用戶設備：用戶將使用各式各樣的移動設備接入到 4G系統中來。設備與人之間的交流不再僅僅是簡單的聽、說、看，還可以通過其他途徑與用戶進行交流。這將大在方便人們的使用，特別是某些殘疾用戶的使用。

　　(4)自治的網絡結構： 4G系統的網絡將是一個完全自治的、自適應的網絡，它可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。

　　人們在制定第三代移動通信系統的標準時就發現，不存在某一種單一的無線技術對于所有的業務都適用 [2][3]。因此，在 4G系統中，各種不同的接入系統結合成一個公共的平臺，它們互相補充、互相協作以滿足不同業務的要求。根據預測，在未來系統中將會有以下幾種接入技術：

　　 無線蜂窩移動系統 (包括第二代移動通信系統、第三代移動通信系統以及新的無線接口 )；

　　 無繩系統 (DECT)；

　　 短距離接入系統 (藍牙和 DECT數字系統 )；

　　 寬帶本地接入網 WLAN(ETSI BRAN HIPERLAN)；

　　 固定接入和無線環路系統；

　　 衛星系統；

　　 廣播系統 (DAB和 DVB－ T)；

　　 有線系統 (雙絞線的 xDSL和同軸線上的 CATV系統 )。

　　以上各種接入系統都是針對某一類型的業務而專門設計的。他們通過媒體接入系統連接到基于 IP的核心網中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺。系統結構如圖 2所示：

　　由于這些接入系統各自擁有不同的應用領域、小區范圍以及無線環境，因此可以將它們以一種分層的結構組織起來。我們主要將它們分為 5層：

　　(1)分配層：主要由 DAB和 DVB－ T系統組成，它的服務小區范圍較大，特別適合廣播業務。另外，它們可與 GSM、 UMTS、 PSTN、 ISDN等網絡結合，由這些系統提供上行鏈路，而由 DAB和 DVB－ T系統提供寬帶下載信道。

　　(2)蜂窩層：蜂窩層包括第二代、第三代移動通信系統以及新的無線接口 (用于提供更高速率的信息服務 )，這些系統主要是為個人通信服務的，它們個有較大的系統容量。

　　(3)熱點小區：對于高速信號傳輸的應用環境和個人連接服務，例如：公司、會議中心、機場等地方，寬帶本地接入網 WLAN是最好的選擇。它支持自適應的調制方式、不對稱的數據通信以及高速的信號傳輸。

　　(4)個人網絡層：個人網絡指的是辦公室、家庭等短距離應用環境，不同的設備之間可以通過藍牙、 DECT等系統連接在一起。另外，這些系統也可以作為個人鏈路連接到其它的網絡層或直接連接到媒體接入系統。

　　(5)固定層：固定接入系統指由雙絞線、同軸電纜、光纖等組成的系統。此外，固定無線接入或無線本地環系統也可以歸到這一類。它們主要是提供高的系統容量，用以支持個人通信服務。

　　移動終端接入到系統中時，它根據自己的業務類型，自動的選擇接入系統，以達到對業務的最佳支持。

3.2 軟件系統

　　移動用戶在不同的系統中漫游時，需要系統之間以及系統內部之間進行無縫切換。而且在 4G系統中會不斷有新的業務、新的需求出現，這些都需要對終端和網絡節點進行重新配置。要實現這一功能，需要一個分布式的配置控制方式，圖 3顯示了內部網絡節點和外部網絡的配置結構：

　　當移動終端在不同的系統中漫游時，我們需要改變它的工作模式，使其可以適應不同的工作環境。另外，當系統的業務量及業務類型發生變化時，我們還應及時更改網絡節點的配置，使系統始終保持在最優工作狀態。為此，我們需要一個網絡監視單元，監視網絡業務和環境的變化，需要一個網絡管理模塊控制終端和網絡的配置，保持用戶終端與網絡之間的同步，還需要一個軟件下載中心，用以提供所需要的軟件配置文件。利用軟件無線電技術實現移動終端和網絡的再配置，是保證 4G系統具有良好的靈活性、擴展性，以及利用單一終端在不同的接入系統中實現漫游的關鍵技術。

4. 關鍵技術

　　在下一代移動通信系統中，還有幾個關鍵技術有待于我們進一步研究和解決。

　　 信道傳輸：頻譜資源是一種有限的資源，在 4G系統中，我們一方面要采用有效的措施提高頻譜利用率，另一方面我們要開發新的頻譜資源。因此，研究高頻段寬帶信號傳輸特性就變得非常重要。歐洲的 AWACS項目研究寬帶無線接入系統在 17～ 19GHz頻段內的傳輸特性； SAMBA項目研究接入系統在 30～ 40GHz頻段內的傳輸特性； MEDIAN項目研究寬帶無線接入系統在 69GHz頻段內的傳輸特性。

　　 調制和信號傳輸技術：在高頻段進行高速移動通信，信號將受到嚴重的頻率選擇性衰落，因此我們需要選擇合適的傳輸技術，如：采用多載波傳輸方式，以及自適應均衡等技術來對抗頻率選擇性衰落。此外，我們還可以利用 RAKE接收、跳頻以及 Turbo碼等技術來增加系統的性能。

　　 系統管理資源：在高速移動通信系統中，不僅頻率資源限制移動用戶信號的傳輸速率，而且基站和終端的發功率也限制了用戶的傳輸速率，因此，采用一種好的無線資源管理策略，它可以檢測可用的資源以及信號的質量，然后根據不同用戶、不同業務質量要求動態的分配頻率資源和信號發射功率，這樣可以大大提高系統的性能。

　　 軟件無線電：軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統的一種開放式結構。通過下載不同的軟件程序，在硬件平臺上可以實現不同的功能，用之以實現在不同的系統中利用單一的終端進行漫游，它是解決移動終端在不同系統中工作的關鍵技術。歐洲 FIRST計劃將軟件無線電技術應用到設計多頻 /多模可編程手機中。美國麻省理工學院提出的 Spectrum Ware計劃，為軟件無線電技術與計算機技術的融合開創了先例。

　　 智能天線：智能天線能根據信號來波的方向，自適應地調整其方向圖、跟蹤強信號、減少或抵消干擾信號。它可以提高信干比、增加移動通信系統容量、提高移動通信系統頻譜利用率、降低信號發射功率、提高通信的覆蓋范圍，因此它受到廣泛的關注。歐洲通信委員會在 RACE計劃中實施了第一階段的智能天線技術的研究，稱之為 TSUNAMT。

　　 網絡結構和協議：采用基于 IP技術的網絡結構可以有效地處理 IP分組業務，也可以方便的提供廣播多播業務。在這里的一個關鍵問題是：如何選擇一個適合 IP分組傳輸、位置登記、基站網絡配置、以及無線質量控制的空中接口協議。

5. 總結

　　移動通信系統的發展具有一定的繼承性， 4G系統是從 3G系統的基礎上演化而來，因此在 4G系統中，多個不同的接入系統將結合成一個公共的平臺，它們互相補充、互相協作以滿足不同業務的要求。它將支持多媒體通信、無線接入寬帶固定網、以及在不同系統之間的漫游。未來移動通信系統的發展與我們這里所描述的 4G系統可能不完全一樣，但可以肯定的是，它必具備以下基本特征：完全集中的服務；無所不在的移動接入；不同的用戶設備；自治的網絡結構。

摘自《移動通信》2001.8

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