向第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的演進(jìn)

2019-11-03 09:13:55

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供稿：網(wǎng)友

南京郵電學(xué)院李唐
羅文茂
柳薇

　　摘要：4G網(wǎng)絡(luò)具有極大的吸引力,它將提供更高的數(shù)據(jù)速率及在多個(gè)異類無線網(wǎng)絡(luò)之間的漫游能力，因此，首先給出了4G的定義和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后就物理層和ip層技術(shù)論述了移動(dòng)通信向4G的發(fā)展及各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：4G無線網(wǎng)絡(luò)，物理層演進(jìn) 全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

前言

　　3G移動(dòng)通信系統(tǒng)在國外已經(jīng)開始投入商用，其固有的IP核心網(wǎng)絡(luò)可望推動(dòng)多媒體個(gè)人業(yè)務(wù)及移動(dòng)互聯(lián)接入業(yè)務(wù)的發(fā)展，雖然第三代移動(dòng)通信可以比第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的傳輸速率快上千倍，但是仍無法滿足未來多媒體通信的要求，未來各種不同技術(shù)的綜合和互相作用以及真正的寬帶無線變革和以用戶為導(dǎo)向的智能業(yè)務(wù)將引領(lǐng)新一代異類無線網(wǎng)絡(luò)，即通常所說的4G系統(tǒng)。

　　嚴(yán)格地說來，現(xiàn)在還不能對(duì)4G做出確切地定義，因?yàn)槲覀冞€沒有對(duì)2.5G，3G和無線局域網(wǎng)(WLAN)做出嚴(yán)格的區(qū)分，然而，已有文獻(xiàn)給出了4G的一些提法和概念。盡管我們不能很確切的定義4G，但是我們可以給出一些普遍認(rèn)可的4G的提法。目前比較詳細(xì)的解釋是：“第四代移動(dòng)通信的概念可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的和超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))。此外，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是寬帶接入IP系統(tǒng)”。現(xiàn)在還很難預(yù)測什么樣的系統(tǒng)、解決方案和業(yè)務(wù)將在10年之后取得最終成功，以下就近來國際上對(duì)這一領(lǐng)域的研究成果分別對(duì)就其物理層技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)演進(jìn)及無線資源管理方面作一概述。

物理層技術(shù)的演進(jìn)

　　向4G移動(dòng)系統(tǒng)演進(jìn)中的一個(gè)關(guān)鍵問題是物理層技術(shù)，盡管當(dāng)前2.5G和發(fā)展中的3G技術(shù)可以將數(shù)據(jù)傳輸速率分別提高到384kbps和2Mbps，但每用戶的忙時(shí)平均吞吐率最多也不會(huì)超過171kbps，這一帶寬對(duì)于話音，普通數(shù)據(jù)通信和無線互聯(lián)接入雖然足夠，然而新的交互多媒體業(yè)務(wù)如多方視頻會(huì)議，虛擬遠(yuǎn)地視在和移動(dòng)個(gè)人域網(wǎng)將需要80-100Mbps的速度才能滿足要求，4G中的物理層的技術(shù)著眼于頻譜效率的改善、每蜂窩用戶密度的增加和蜂窩覆蓋范圍的擴(kuò)展，它主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

　　頻段分配：無線頻譜是非常有限的資源，806-960MHz和1770-1885MHz已在世界范圍內(nèi)廣泛用于GSM，GSM1800和PCS系統(tǒng)中， 3G系統(tǒng)為滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長和用戶數(shù)量的大量增加，同是考慮到便于全球漫游和手持設(shè)備成本的降低，需要一個(gè)安全，公共和世界范圍內(nèi)通用的頻段。因此，WRC-2000（世界無線通信會(huì)議）定義1900-2025和2110-2200MHz頻段分配給最初的3G系統(tǒng)和衛(wèi)星通信使用，而將806-960MHz、1710-1815和2500-2690MHz頻段作為3G發(fā)展以后追加使用，由于4G系統(tǒng)將需要更大的帶寬，因而它利用了兩個(gè)無需授權(quán)的頻段，一個(gè)在5GHz范圍處，在此頻率處許多寬帶無線通信的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)建立起來，另一個(gè)就是在60GHz范圍處，在此頻段處至少可提供5GHz的可用帶寬，由于5GHz頻段已被各種無線局域網(wǎng)系統(tǒng)（如IEEE802.11a，HiperLAN/2）所使用，而60GHz系統(tǒng)則容易受日益增長的各種無線系統(tǒng)的干擾影響，因而對(duì)于以上頻段還需做進(jìn)一步的研究工作。

　　MIMO/智能天線系統(tǒng)：憑借在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面卓越的性能表現(xiàn)，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中炙手可熱的課題，傳統(tǒng)無線通信理論一直將多徑傳播視為造成無線信號(hào)衰落的干擾之一，而MIMO天線系統(tǒng)恰恰利用了傳播環(huán)境的多徑特性，極大地提高了前向和反向鏈路的容量，它能提供14.4Mb/s甚至21.6Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。智能天線具有抑制干擾、自動(dòng)跟蹤信號(hào)以及采用空時(shí)處理算法形成數(shù)字波束等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號(hào)來波的方向自適應(yīng)地調(diào)整方向圖，跟蹤強(qiáng)信號(hào)，減少或抵消干擾信號(hào)。智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價(jià)，因此其勢必會(huì)成為４Ｇ系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和瞬時(shí)響應(yīng)速率，因此需要選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制，研究結(jié)果表明在60GHz頻段工作需要接入點(diǎn)數(shù)量的增加，但卻允許無線終端以低成本配置，另一方面，工作于5GHz也是一個(gè)重要的可選方案，因?yàn)樘炀€單元之間可有充分的非相關(guān)間隔（一個(gè)波長50mm），在此頻段下用戶端天線采用雙天線陣列是合適的，目前這一方面的研究熱點(diǎn)是比較覆蓋范圍QoS能力與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端費(fèi)用之間的關(guān)系。

　　自適應(yīng)調(diào)制/編碼速率：為達(dá)到帶寬效率、性能和信號(hào)發(fā)射功率的最佳化，新的4G系統(tǒng)將可根據(jù)具體的信道條件和對(duì)信道質(zhì)量的估計(jì)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)選擇調(diào)制和編碼速率開銷，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM調(diào)制和1/2，2/3，3/4誤差校正開銷都是可選的方案。此外，在60GHz系統(tǒng)中具有很大的突發(fā)差錯(cuò)，在4G系統(tǒng)中使用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)可以避免載波間干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣信道條件下的傳輸性能。新的話音編碼技術(shù)如非連接發(fā)送（DTX）可以在無話音期間節(jié)省發(fā)射帶寬、可變比特率（VBR）編碼可以增加網(wǎng)絡(luò)容量，改善蜂窩邊緣地區(qū)的覆蓋，這兩項(xiàng)技術(shù)均可使話音對(duì)帶寬的需求降低50%左右。

　　軟件無線電：在4G系統(tǒng)中，由于移動(dòng)用戶在不同的系統(tǒng)間漫游，系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)內(nèi)部需要無縫切換，而且隨著4G系統(tǒng)的發(fā)展，會(huì)不斷有新的業(yè)務(wù)、新的需求出現(xiàn)，這些都需要對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置。軟件無線電控制著用戶端設(shè)備的數(shù)字部件，并自動(dòng)裝載和初始化適當(dāng)?shù)能浖K，以適應(yīng)當(dāng)前區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)狀況及調(diào)制技術(shù)。利用軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)的再配置，可以保證4G系統(tǒng)具有良好的靈活性、可擴(kuò)展性，并且可利用單一終端在不同的接入系統(tǒng)中進(jìn)行漫游。

全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演進(jìn)

　　移動(dòng)通信從第二代向第三代演進(jìn)使得核心網(wǎng)由電路交換轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦驘o連接的分組交換，進(jìn)一步的要求是使核心網(wǎng)獨(dú)立于接入技術(shù)。綜觀當(dāng)前的發(fā)展趨勢，IP被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信最適合的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，統(tǒng)一的IP核心網(wǎng)將使不同的無線和有線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與融合，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：IP可運(yùn)行于不同的無線接入網(wǎng)絡(luò)之上，獨(dú)立于物理傳輸媒體和接入技術(shù)，使得無線網(wǎng)絡(luò)更具擴(kuò)展性；采用IP可以與因特網(wǎng)等有線網(wǎng)絡(luò)很好的綜合；無線網(wǎng)絡(luò)采用IP還可參考因特網(wǎng)上業(yè)已成熟的業(yè)務(wù)管理和QoS模型提高無線網(wǎng)絡(luò)支持多媒體業(yè)務(wù)的能力；另外采用IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸和信令有助形成統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和管理方案。第四代移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中對(duì)于公用電話網(wǎng)和2G以及未實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P的3G網(wǎng)絡(luò)等通過特定的網(wǎng)關(guān)連接，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)等互聯(lián)、綜合和重疊的現(xiàn)象。與4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)的技術(shù)問題有：

　　無線局域網(wǎng)/3G的融合：無線局域網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)獲得了巨大的市場份額，它在2.4GHz和5GHz頻段處的業(yè)務(wù)將得到進(jìn)一步的增長，由于無線局域網(wǎng)已廣泛使用，因而移動(dòng)用戶要能在無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間無縫漫游，著重強(qiáng)調(diào)解決這種漫游問題的第一個(gè)協(xié)議就是移動(dòng)IP協(xié)議，此后，為解決移動(dòng)IP在蜂窩中應(yīng)用時(shí)傳輸時(shí)延的增加和QoS的限制問題，人們又提出了各種不同的協(xié)議，分級(jí)移動(dòng)IP、蜂窩IP、HAWAII、移動(dòng)IPv6、分級(jí)移動(dòng)IPv6和快速切換協(xié)議均為其中的一些擴(kuò)展。

　　無縫IP移動(dòng)性：無縫和普遍移動(dòng)性對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)來說是一個(gè)必不可少的功能，除了要求無線局域網(wǎng)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的融合以外，4G無線網(wǎng)絡(luò)還將包括由多個(gè)制造商的多種不同設(shè)備及多種不同技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到覆蓋特定的地理區(qū)域的目的，每一種網(wǎng)絡(luò)（如GSM、DCS、GPRS、CDMAx、UMTS、藍(lán)牙、IEEE802.11a、HiperLAN）都遵循自身的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并有著自已不同的蜂窩覆蓋網(wǎng)絡(luò)，各種技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)在地理區(qū)域上將可能是重疊的，蜂窩小區(qū)的物理或邏輯區(qū)域和傳輸特性，包括其使用的帶寬、每小區(qū)的終端密度，連接建立時(shí)間，呼叫中斷概率等也隨不同技術(shù)而顯著變化，特別是對(duì)60GHz系統(tǒng)，其覆蓋和切換中的不穩(wěn)定情況將是網(wǎng)絡(luò)的主要限制因素。

　　位置管理：在異類、多制造商4G網(wǎng)絡(luò)中的無縫移動(dòng)性需要HLR/VLR的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃以及利用注冊(cè)信息的高級(jí)位置管理機(jī)制并在小區(qū)級(jí)范圍內(nèi)確定終端的確切位置，位置管理提供兩類操作，即1、位置更新或者說是注冊(cè)操作，在此操作中終端告知網(wǎng)絡(luò)它的當(dāng)前位置；2、尋呼或搜索操作，在此操作中網(wǎng)絡(luò)定位終端。位置更新和尋呼兩類操作之間的折衷取決于不同的參數(shù)，如呼叫到達(dá)率、小區(qū)的大小和數(shù)量、終端的移動(dòng)速度和方向等。4G網(wǎng)絡(luò)中位置管理要研究的主要有基于高級(jí)位置管理的技術(shù)如全球定位系統(tǒng)GPS，起源蜂窩小區(qū)（Cell Of Origin）定位技術(shù)COO和增強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度定位（ESS）技術(shù)。此外，4G網(wǎng)絡(luò)中的位置管理業(yè)務(wù)除了處理用戶的位置信息之外，還將是其他附加信息如用戶ID、用戶分布、多個(gè)終端的ID和IP地址、統(tǒng)一記帳和計(jì)費(fèi)等功能的智能結(jié)合體，從而使4G網(wǎng)絡(luò)中的位置管理業(yè)務(wù)具有更加復(fù)雜的功能。

　　非對(duì)稱的無線基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和IP多播：移動(dòng)互聯(lián)和IP多播是未來的無線系統(tǒng)的顯著特征，充分利用上述思想對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)可在網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和配置費(fèi)用上起到顯著的作用。

　　Ad hoc/個(gè)人域網(wǎng)：下一代網(wǎng)絡(luò)要能支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性和以個(gè)人為中心的網(wǎng)絡(luò)，個(gè)人域網(wǎng)可能包含任何屬于或由網(wǎng)絡(luò)用戶攜帶的設(shè)備的集合體。

無線資源管理

　　移動(dòng)商務(wù)和對(duì)QoS要求較高的各類業(yè)務(wù)在未來將持續(xù)增長，這需要一個(gè)具有豐富連接性和智能的QoS無線分組網(wǎng)絡(luò)的支撐，多運(yùn)營商配置、無需授權(quán)頻段和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞雀黝惤Y(jié)構(gòu)的存在使得具有不同QoS方案的不同域之間的移動(dòng)性和互相作用，從而顯著增加了系統(tǒng)的全局復(fù)雜度。

　　端到端的QoS支持需要一個(gè)簡單的解決方案，在過去的幾年里幾個(gè)關(guān)鍵的IP QoS保證機(jī)制已經(jīng)得到標(biāo)準(zhǔn)化，IntServ/RSVP（集成業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)/資源預(yù)留協(xié)議），diffserv（區(qū)分業(yè)務(wù)），MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換），SIP（會(huì)話發(fā)起協(xié)議），COPS（公共開放策略服務(wù)協(xié)議）這些協(xié)議將在未來的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)中起到重要的作用，在移動(dòng)通信方面，3GPP已經(jīng)提出了一個(gè)端到端的移動(dòng)QoS方案，其中的關(guān)鍵單元是協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)連接處理的業(yè)務(wù)管理部分、維護(hù)所有網(wǎng)絡(luò)實(shí)體已分配的和可用的資源的許可控制管理部分以及按照QoS需求和業(yè)務(wù)條件在共享同一資源的業(yè)務(wù)之間分配可用資源的資源管理部分。

中間件環(huán)境和業(yè)務(wù)

　　以上描述的各類技術(shù)在新的，真正可用的寬帶移動(dòng)業(yè)務(wù)出現(xiàn)之前仍然不會(huì)得到普及，許多的應(yīng)用已經(jīng)開始考慮了，其中移動(dòng)互聯(lián)接入，移動(dòng)多方視頻會(huì)議，移動(dòng)虛擬專網(wǎng)，移動(dòng)遠(yuǎn)端視在和移動(dòng)商務(wù)是它的潛在的新應(yīng)用，但以上各種應(yīng)用目前還沒有一個(gè)是確定和至關(guān)重要的應(yīng)用，因此，與其建立一個(gè)特定的應(yīng)用，不如將精力集中于建立一個(gè)強(qiáng)大的中間件和業(yè)務(wù)環(huán)境，以支持任何個(gè)性化的服務(wù)、接入與路由功能。中間件環(huán)境橋接應(yīng)用層與物理層，物理層與中間件環(huán)境之間的接口應(yīng)是一種開放的IP接口。中間件環(huán)境與應(yīng)用層之間的接口也應(yīng)是開放接口，以利于第三方開發(fā)和提供新的應(yīng)用與服務(wù)。此類中間件的關(guān)鍵方面包括：網(wǎng)絡(luò)激活、QoS映射、地址變換、即插即用、安全管理、對(duì)視頻和多媒體流的支持、內(nèi)容服務(wù)、安全和統(tǒng)一的計(jì)費(fèi)機(jī)制等。

結(jié)論

　　對(duì)空中接口的改進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，端到端QoS的保證和新的業(yè)務(wù)的準(zhǔn)備將是走向下一代無線網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)力量，與3G系統(tǒng)相比，4G的優(yōu)勢在于：高帶寬、低比特成本、高移動(dòng)性、無線QoS資源控制，支持多種QoS需求、面向分組、支持不對(duì)稱業(yè)務(wù)、不需頻率許可證、覆蓋區(qū)域廣及在不同系統(tǒng)間可以無縫漫游。預(yù)計(jì)在2010年4G將成為市場主流技術(shù)，并可望解決現(xiàn)有多種移動(dòng)通信系統(tǒng)的兼容性問題。現(xiàn)在還很難預(yù)測向4G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的確切的安全的方案，然而，有一點(diǎn)可以肯定的，那就是，為了在下一個(gè)十年邁向4G，現(xiàn)今我們?nèi)匀恍枰獙?duì)物理層和網(wǎng)絡(luò)層相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)作進(jìn)一步的研究，加強(qiáng)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，有助于我國在未來移動(dòng)通信技術(shù)的競爭中占據(jù)有利地位。我國應(yīng)建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)適合新一代移動(dòng)通信發(fā)展趨勢的無線IP移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。

摘自　通信市場

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