當前移動通信領域若干熱點問題及“第四代”移動通信研究

2019-11-03 09:13:33

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供稿：網友

龔克

　　近年來移動通信成為信息領域發展最為迅猛的分支，其熱點技術不斷涌現，應用系統不斷升級。本文僅以2000年VTC會議為話題，就當前移動通信領域的若干熱點問題以及“第三代后”的研究談一些情況和看法。

　　VTC是當前國際移動通信領域最重要的學術會議之一。由于參會者眾多，VTC從1999年起將每一次會議改為每年春秋兩次會議。盡管如此，今年春季會議的參會者仍在一千人以上。這次VTC 2000于5月15至18日在日本東京舉行，這是VTC第一次在亞洲地區舉行年會，這說明了亞洲地區在移動通信開發與應用方面已經占有重要地位。會議開幕式上以“走向第三代及其以后”(Towards IMT-2000 and Beyond)為中心發表了三篇特邀講演，表明移動通信研究熱點正在移向“第三代后”。會員宣讀論文385篇，分為：(1)天線與傳播；(2)無線接入；(3)傳輸技術I/II；(4)多媒體網絡；(5)個人通信；(6)衛星與交通系統，共6大部分。與此平行，會議安排8個討論專場(Panel session)和11個張貼專場(Poster Session)。整個會議開得熱烈緊湊。中國大陸地區被錄用的文章共13篇(來自清華、東南、科大、上交大、北交大、西電、北郵)。

會議的論文和討論，反映了當前移動通信技術的若干熱點問題：

1.天線與傳播問題的研究向智能天線及其相關的傳播問題聚焦

　　關于“天線與傳播”(Antenna & PRopagation) 的研究歷來是無線移動通信領域中的一個重要方面，這次會議共錄用有關論文約80篇。其中，有關“智能天線”、“波束成形”、“發射分集”、“信號方向檢測”、“角度擴散信道”等方面的文章占了絕大多數。明顯的趨勢是傳統地從“模擬”角度所研究的天線與傳播問題正在與“數字”算法緊密結合，研究的熱點在于如何有效地實現信號的空間分割和空間分集，以及信道的時/空特性和時/空聯合處理技術。

2.無線接入研究的重點向分組數據及ip接入轉移

　　無線接入是近年來無線通信領域的熱門話題，起初強調的是如何方便地使電話用戶接入電信網，而VTC 2000上的無線接入專題中的典型的論題卻是“IMT-2000的TCP性能問題”、“用于CDMA系統的新型高效的無線分組數據傳播協議”、“Bluetooth系統的MAC技術”、“多級別業務的呼叫控制”、“無線ATM接入協議”等，大多以分組數據的無線接入為應用背景。顯然，隨著數據業務以及多媒體業務的發展及其超越傳統話音業務的勢頭，無線接入技術研究的重點也在向分組數據及IP接入轉移。

3.無線傳輸技術大多圍繞CDMA(IMT 2000)技術，然而OFDM已甚受關注

　　有關無線傳輸技術的論文約150篇，占這次VTC會議全部論文的約1/3。然而這些文章大多圍繞著CDMA技術的有關問題如：RAKE接收、干擾消除及多用戶檢測、多速率業務問題、Turbo編碼應用、時空聯合處理等。值得注意的是有關OFDM的討論占有比較突出的位置，被專門安排了三個專場“OFDM-1,2,3”，討論的問題有：OFDM的信道估計、峰均比 (Peak-to-Average Ratio)控制、擴散信道中的OFDM傳輸問題(信道估計)、突發OFDM系統、時－頻同步問題、分集問題等。特別有意思是關于與天線陣技術結合的時空編碼技術以求實現更高的編碼增益。

4.各種無線多媒體技術應用于第二代升級系統和第三代系統

　　第二代甚至第三代移動通信系統是以話音業務為主的系統，然而為適應多媒體業務發展的趨勢，一系列新的技術在第二代系統（如GSM）平臺上發展起來，并倍受關注。

5.“第三代之后” 或第四代系統是會議的熱門話題

　　雖然第三代系統尚未走入人們的生活，移動通信的研究開發卻已將目光放到第三代之后，特別是“第四代系統”上，有人甚至還談及第五代系統。會議關于“第三代之后”的專題討論雖然是與其它7個技術專場平行舉行，但仍是人滿為患，100多人的會場擠得滿滿的，室內有20多人站立，門外還站著七、八個人。下面結合會議的有關報告以及筆者本人的認識，談一下有關“第三代之后”或第四代移動通信系統的情況和看法，不當之處，請予指正。

(1) 開展第四代移動通信系統的研究已經刻不容緩

　　第一代移動通信系統(AMPS、TACS等)規模商業應用是在80年代初，大約有10年多的巿場壽命；而在第一代移動通信推向巿場的時候，第二代移動通信的研究就已經開始了，特別是，當第二代移動通信還未推向商用時，第三代移動通信的標準化研究就啟動了(1987年)。歷史經驗說明，一個技術標準產生之后（甚至在它商用之前），其技術的缺陷或局限就已經表露出來；而當該技術應用在巿場上走向頂峰時，它刺激出來的巿場需求正在超越其業務供給能力，新一代技術就應運而生了。第一代(80年代初－90年代末)是如此，第二代(90年代初、中期－2000年代初、中期)也是如此，第三代(2000年代初、中期－2010年代初期) 也將必然如此。更何況隨著電子信息技術的飛速發展，一代技術的巿場壽命越來越短，這是歷史發展的邏輯。所以，在當前第三代系統的標準化即將完成，應用系統即將推出的時候，新一代（第四代）移動通信系統的研究已是刻不容緩。事實上，國際電信聯盟(ITU)去年(1999年9月)即把“第三代之后”的移動通信系統下的標準化問題提上了日程，在ITU-R的工作計劃中列入了“IMT 2000及其以后的系統”(IMT-2000 & System Beyond IMT-200)。并分設了兩個工作組(working party)，”IMT2000 & Beyond (satellite)”(WP8D) 和”(IMT2000 & Beyond: Primary Responsibility (Terrestrial)” (WP8F)，應該指出的是，對于中國來說，不失時機地集中力量開展第四代移動通信系統技術的研究是我們實現“跨越式”發展的重要契機。我國開展第一代移動通信系統研究（“七五”攻關）已是該系統商用“走紅”之日，其結果可以說是徒勞無功；對第二代移動系統的研究幾乎是與該系統走向商用同時的，結果是在該系統走向強弩之末時，為國產化盡了一份力量；對第三代移動系統的研究是在該系統標準化活動進入高潮時開展的，所以較之以前有了更多的主動權，對第三代系統的國產化也有理由寄予更大的期望。在此基礎上，倘在第四代移動通信系統標準化活動之初就果斷而有力地推動開展國內的研究活動，將有可能使我國比較徹底地擺脫在移動通信技術上的被動狀態，真正成為世界上的移動通信大國，不僅有巿場優勢，而且有技術優勢。

(2)什么是“第四代”移動通信技術？

　　毫無疑問，現在要想說清楚這個問題還為時尚早。筆者近年（特別是98年以來）看到的有關第四代移動通信系統的文章和報告，對這個問題也是各抒己見，莫衷一是。大概有這么幾種看法：

　　* 移動業務的發展和迅速普及，將很快顯現頻譜的貧乏，不僅第二代系統頻段已經飽和，就是第三代系統的頻段也將很快不敷使用。所以，第四代移動通信系統將是建立在新的頻段（比如5-8GHz乃至更高）上的無線通信系統，因而將以新的射頻技術為支撐并充分利用其頻譜資源。與高頻段傳播相關聯的問題，如有效利用功率、有效利用天線增益、合理進行小區布局等以抵消高傳輸損耗、低繞射能力等負面效應。

　　* 多媒體業務的發展及其對話音業務的超越，將使得以話音業務為基本業務的移動通信系統（包括第三代系統），變得力不從心。比如第三代系統雖能支持2Mbps的數據傳輸速率，卻僅只在靜止的小范圍(如室內)且以降低用戶容量為代價；況且即使2Mbps的速率比起日新月異的因特網傳輸速度來，也將顯得難以忍受。所以，基于分組數據的高速率傳輸(10 Mbps以上)將是第四代系統的主要標志，為此需克服在無線信道中影響可靠的寬帶傳輸的一系列問題，引入新的自適應多址和信道編碼技術，如基于突發(burst-by-burst)的自適應TDMA/CDMA/OFDM以及編碼、交織技術等。

　　* 由于以IMT-2000為代表的第三代移動通信在事實上終未能實現全球統一技術標準的目標，比如現在作為第三代系統無線傳輸技術標準“家庭”(RTT Family)成員的技術即有五類之多：(1) IMT-2000 CDMA DS (WCDMA)；(2) IMT-2000 CDMA MC (CDMA2000)；(3) IMF2000 CDMA TDD (我國電信科學技術研究院建議的TD-SCDM即屬此類)；(4) IMT-2000 TDMA SC(TDD方式)；(5) IMT-2000 FDMA/TDMA (DECT)。另外，IMT2000的空間(衛星)部分遠未能如愿。所以，第四代移動通信系統應該成為真正的“全球一統”（包括衛星部分）的系統。為此，需研究如何對主要技術的兼容/演進技術與策略、研究“天－地”一體化，研究基于軟件無線電的多制式的終端與基站系統。

　　* 由于新的網絡和傳輸技術的發展，已有移動通信系統對網絡資源和無線資源(Radio Resources，不僅是頻譜資源還有功率、時間、碼道、波束/天線增益)等的利用遠不能滿足需要，特別是隨著無線－有線網絡一體化的趨勢發展，第四代移動信系統將是基于全新網絡體制的系統，或者說其無線部分將是對新網絡(智能的、支持多業務的、可進行移動管理)的“無線接入”。因而其技術將主要是(1)新型智能網絡和(2)高效的無線接入技術。“自適應”和智能化將是新一代技術的突出特征。

　　* 隨著多種無線技術的數字化，如數字音頻和數字視頻技術等，各種數字無線技術將走向融融合。因而下一代的移動通信系統將不是單純的(傳統意義上)的“通信”系統，而是融合了數字通信、數字音/視頻接收(點播)/和因特網接入的嶄新的系統。

　　如此等等，將不同側重的觀點放在一起，似乎可以得到某種啟示。

(3) 國外有關第四代移動信的研究

　　除了ITU-R新近開展的有關活動以及有關公司、大學的分散研究之外，筆者認為比較有規模的是歐洲的BRAIN計劃。該計劃是西門子公司，英國電信(BT)、法國電信(CNET)、日本電信(NTT)、愛立信公司、諾吉亞、倫敦大學國王學院等合作進行的，以歐洲為主。它提出一種基于IP核心網絡的、適于不對稱傳輸的、支持多速率的至20Mbps、兼容多種體制(如GSM，UTRAN等)的系統設想(參見圖1)。

圖1

　　另外有日本NTT DoCoMo的“次世代通信系統”。該公司自九八年以來，調兵遣將(包括招兵買馬)成立了專門的研究室，比較系統地進行研究。他們從業務增長的需求預測入手，提出移動數據率將向100Mbps推進，第四代將實現數十兆比特/秒的傳輸能力；基于每年“流量”(Traffic)增長40%的預測，到2015年前，多媒體業務將占到91%，屆時將是第四代出生之機；進而，他們提出對第四代系統的七條企盼：(1)高數據率(車載2Mbps，步行20Mbps)，(2)支持下一代因特網(IPV6，Mo-IP等)，(3)高容量(5-10倍于第三代)，(4)與固定公共網與專用網的”無縫”連接，(5)對新業務的靈活性，(6)高頻段(3-8GHz)，(7)低成本(第三代的十分之一)。他們針對”如何降低成本”，“如何降低功率要求”等方面開展了研究工作。其設想的第四代無線傳輸如圖2。

圖2

　　再就是西門子公司的研究工作。他們同樣是出于對業務增長的預測特別是數據業務的增長，并充分考慮許多已有的和正在發展的相關技術，如HYPERLAN，BLUETOOTH等等，提出了有關第四代的系統設想(參見圖3)。特別有意思的是，他們提出了一種自組織的無線接口技術，即每一個移動終端可以根據需要提供中繼服務，這樣可以大大改善網絡覆蓋、縮短傳輸距離。他們提出第四代系統的應有特性是：(1)多速率傳輸和短距連接，(2)高效頻譜共享，(3)新的網絡類型和網絡管理(自組織、動態規劃、動態頻率指配等)，(4)支持對稱與不對稱傳輸；(5)支持實時QoS的分組傳輸，(6)基于1P的核心網絡。

圖3

　　他們認為該系統面臨的主要技術挑戰將是(1)有效使用頻譜資源的物理層技術（如調制、編制技術等），(2)支持物理層技術的算法（信道、流量和業務自適應算法、頻譜共享算法，自適應天線算法等），(3)寬帶無線信道模型，(4)接入網的高層協議技術（自適應和自優化的無線資源配置、網絡規劃與管理等），(5)不同接入系統的互操作（水平與垂直切換技術等），(6)移動1P(支持實時/非實時QoS和GoS、移動管理與切換、安全機制等)。

　　綜上所述，筆者認為當前已經開展的第四代系統的研究主要是概念研究，著重于需求分析和使能技術的分析。可以說，尚在起步階段。我國的研究機構（特別是大學）以及有遠見的公司應充分關注、果斷投入、奮起直追。

摘自《中國移動通信》2001年第1期

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