向第四代移動通信系統的演進

2019-11-03 09:13:55

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

南京郵電學院李唐
羅文茂
柳薇

　　摘要：4G網絡具有極大的吸引力,它將提供更高的數據速率及在多個異類無線網絡之間的漫游能力，因此，首先給出了4G的定義和網絡結構，然后就物理層和ip層技術論述了移動通信向4G的發展及各項關鍵技術。

　　關鍵詞：4G無線網絡，物理層演進全IP網絡結構

前言

　　3G移動通信系統在國外已經開始投入商用，其固有的IP核心網絡可望推動多媒體個人業務及移動互聯接入業務的發展，雖然第三代移動通信可以比第二代移動通信系統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向的智能業務將引領新一代異類無線網絡，即通常所說的4G系統。

　　嚴格地說來，現在還不能對4G做出確切地定義，因為我們還沒有對2.5G，3G和無線局域網(WLAN)做出嚴格的區分，然而，已有文獻給出了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可的4G的提法。目前比較詳細的解釋是：“第四代移動通信的概念可稱為廣帶接入和分布網絡，具有非對稱的和超過2Mbit/s的數據傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統和互操作的廣播網絡(基于地面和衛星系統)。此外，第四代移動通信系統將是多功能集成的寬帶移動通信系統，也是寬帶接入IP系統”?，F在還很難預測什么樣的系統、解決方案和業務將在10年之后取得最終成功，以下就近來國際上對這一領域的研究成果分別對就其物理層技術和網絡層技術演進及無線資源管理方面作一概述。

物理層技術的演進

　　向4G移動系統演進中的一個關鍵問題是物理層技術，盡管當前2.5G和發展中的3G技術可以將數據傳輸速率分別提高到384kbps和2Mbps，但每用戶的忙時平均吞吐率最多也不會超過171kbps，這一帶寬對于話音，普通數據通信和無線互聯接入雖然足夠，然而新的交互多媒體業務如多方視頻會議，虛擬遠地視在和移動個人域網將需要80-100Mbps的速度才能滿足要求，4G中的物理層的技術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展，它主要包括以下幾個方面的內容：

　　頻段分配：無線頻譜是非常有限的資源，806-960MHz和1770-1885MHz已在世界范圍內廣泛用于GSM，GSM1800和PCS系統中， 3G系統為滿足移動數據業務的快速增長和用戶數量的大量增加，同是考慮到便于全球漫游和手持設備成本的降低，需要一個安全，公共和世界范圍內通用的頻段。因此，WRC-2000（世界無線通信會議）定義1900-2025和2110-2200MHz頻段分配給最初的3G系統和衛星通信使用，而將806-960MHz、1710-1815和2500-2690MHz頻段作為3G發展以后追加使用，由于4G系統將需要更大的帶寬，因而它利用了兩個無需授權的頻段，一個在5GHz范圍處，在此頻率處許多寬帶無線通信的無線局域網系統已經建立起來，另一個就是在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系統（如IEEE802.11a，HiperLAN/2）所使用，而60GHz系統則容易受日益增長的各種無線系統的干擾影響，因而對于以上頻段還需做進一步的研究工作。

　　MIMO/智能天線系統：憑借在提高系統頻譜利用率方面卓越的性能表現，多輸入多輸出（MIMO）技術已經成為移動通信技術發展進程中炙手可熱的課題，傳統無線通信理論一直將多徑傳播視為造成無線信號衰落的干擾之一，而MIMO天線系統恰恰利用了傳播環境的多徑特性，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的數據傳輸速率。智能天線具有抑制干擾、自動跟蹤信號以及采用空時處理算法形成數字波束等智能功能，其基本工作原理是根據信號來波的方向自適應地調整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。智能天線可以提高信噪比，提升系統通信質量，緩解無線通信日益發展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統整體造價，因此其勢必會成為４Ｇ系統的關鍵技術。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實現的復雜程度和瞬時響應速率，因此需要選擇較好算法實現波束的智能控制，研究結果表明在60GHz頻段工作需要接入點數量的增加，但卻允許無線終端以低成本配置，另一方面，工作于5GHz也是一個重要的可選方案，因為天線單元之間可有充分的非相關間隔（一個波長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是比較覆蓋范圍QoS能力與網絡結構和終端費用之間的關系。

　　自適應調制/編碼速率：為達到帶寬效率、性能和信號發射功率的最佳化，新的4G系統將可根據具體的信道條件和對信道質量的估計動態自適應選擇調制和編碼速率開銷，BPSK、QPSK、16QAM、64QAM調制和1/2，2/3，3/4誤差校正開銷都是可選的方案。此外，在60GHz系統中具有很大的突發差錯，在4G系統中使用正交頻分復用（OFDM）技術可以避免載波間干擾，增強系統在惡劣信道條件下的傳輸性能。新的話音編碼技術如非連接發送（DTX）可以在無話音期間節省發射帶寬、可變比特率（VBR）編碼可以增加網絡容量，改善蜂窩邊緣地區的覆蓋，這兩項技術均可使話音對帶寬的需求降低50%左右。

　　軟件無線電：在4G系統中，由于移動用戶在不同的系統間漫游，系統之間以及系統內部需要無縫切換，而且隨著4G系統的發展，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。軟件無線電控制著用戶端設備的數字部件，并自動裝載和初始化適當的軟件模塊，以適應當前區域的網絡狀況及調制技術。利用軟件無線電技術實現移動終端和網絡的再配置，可以保證4G系統具有良好的靈活性、可擴展性，并且可利用單一終端在不同的接入系統中進行漫游。

全IP網絡結構演進

　　移動通信從第二代向第三代演進使得核心網由電路交換轉變為面向無連接的分組交換，進一步的要求是使核心網獨立于接入技術。綜觀當前的發展趨勢，IP被認為是下一代移動通信最適合的網絡層技術，統一的IP核心網將使不同的無線和有線接入技術實現互聯與融合，其優點表現為：IP可運行于不同的無線接入網絡之上，獨立于物理傳輸媒體和接入技術，使得無線網絡更具擴展性；采用IP可以與因特網等有線網絡很好的綜合；無線網絡采用IP還可參考因特網上業已成熟的業務管理和QoS模型提高無線網絡支持多媒體業務的能力；另外采用IP協議進行數據業務傳輸和信令有助形成統一的無線網絡傳輸和管理方案。第四代移動通信的網絡結構如圖1所示，其中對于公用電話網和2G以及未實現全IP的3G網絡等通過特定的網關連接，使得整個網絡呈現廣域網、局域網等互聯、綜合和重疊的現象。與4G網絡結構相關的技術問題有：

　　無線局域網/3G的融合：無線局域網技術已經獲得了巨大的市場份額，它在2.4GHz和5GHz頻段處的業務將得到進一步的增長，由于無線局域網已廣泛使用，因而移動用戶要能在無線局域網和蜂窩網絡之間無縫漫游，著重強調解決這種漫游問題的第一個協議就是移動IP協議，此后，為解決移動IP在蜂窩中應用時傳輸時延的增加和QoS的限制問題，人們又提出了各種不同的協議，分級移動IP、蜂窩IP、HAWAII、移動IPv6、分級移動IPv6和快速切換協議均為其中的一些擴展。

　　無縫IP移動性：無縫和普遍移動性對4G網絡來說是一個必不可少的功能，除了要求無線局域網與蜂窩網絡的融合以外，4G無線網絡還將包括由多個制造商的多種不同設備及多種不同技術構建的網絡以達到覆蓋特定的地理區域的目的，每一種網絡（如GSM、DCS、GPRS、CDMAx、UMTS、藍牙、IEEE802.11a、HiperLAN）都遵循自身的規范和標準，并有著自已不同的蜂窩覆蓋網絡，各種技術構成的網絡在地理區域上將可能是重疊的，蜂窩小區的物理或邏輯區域和傳輸特性，包括其使用的帶寬、每小區的終端密度，連接建立時間，呼叫中斷概率等也隨不同技術而顯著變化，特別是對60GHz系統，其覆蓋和切換中的不穩定情況將是網絡的主要限制因素。

　　位置管理：在異類、多制造商4G網絡中的無縫移動性需要HLR/VLR的擴展網絡規劃以及利用注冊信息的高級位置管理機制并在小區級范圍內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操作，在此操作中終端告知網絡它的當前位置；2、尋呼或搜索操作，在此操作中網絡定位終端。位置更新和尋呼兩類操作之間的折衷取決于不同的參數，如呼叫到達率、小區的大小和數量、終端的移動速度和方向等。4G網絡中位置管理要研究的主要有基于高級位置管理的技術如全球定位系統GPS，起源蜂窩小區（Cell Of Origin）定位技術COO和增強的信號強度定位（ESS）技術。此外，4G網絡中的位置管理業務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、多個終端的ID和IP地址、統一記帳和計費等功能的智能結合體，從而使4G網絡中的位置管理業務具有更加復雜的功能。

　　非對稱的無線基礎設施結構和IP多播：移動互聯和IP多播是未來的無線系統的顯著特征，充分利用上述思想對網絡進行設計可在網絡的基礎設施建設和配置費用上起到顯著的作用。

　　Ad hoc/個人域網：下一代網絡要能支持Ad hoc網絡的移動性和以個人為中心的網絡，個人域網可能包含任何屬于或由網絡用戶攜帶的設備的集合體。

無線資源管理

　　移動商務和對QoS要求較高的各類業務在未來將持續增長，這需要一個具有豐富連接性和智能的QoS無線分組網絡的支撐，多運營商配置、無需授權頻段和Ad hoc網絡拓撲等各類結構的存在使得具有不同QoS方案的不同域之間的移動性和互相作用，從而顯著增加了系統的全局復雜度。

　　端到端的QoS支持需要一個簡單的解決方案，在過去的幾年里幾個關鍵的IP QoS保證機制已經得到標準化，IntServ/RSVP（集成業務體系結構/資源預留協議），diffserv（區分業務），MPLS（多協議標簽交換），SIP（會話發起協議），COPS（公共開放策略服務協議）這些協議將在未來的全IP網絡中起到重要的作用，在移動通信方面，3GPP已經提出了一個端到端的移動QoS方案，其中的關鍵單元是協調業務連接處理的業務管理部分、維護所有網絡實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需求和業務條件在共享同一資源的業務之間分配可用資源的資源管理部分。

中間件環境和業務

　　以上描述的各類技術在新的，真正可用的寬帶移動業務出現之前仍然不會得到普及，許多的應用已經開始考慮了，其中移動互聯接入，移動多方視頻會議，移動虛擬專網，移動遠端視在和移動商務是它的潛在的新應用，但以上各種應用目前還沒有一個是確定和至關重要的應用，因此，與其建立一個特定的應用，不如將精力集中于建立一個強大的中間件和業務環境，以支持任何個性化的服務、接入與路由功能。中間件環境橋接應用層與物理層，物理層與中間件環境之間的接口應是一種開放的IP接口。中間件環境與應用層之間的接口也應是開放接口，以利于第三方開發和提供新的應用與服務。此類中間件的關鍵方面包括：網絡激活、QoS映射、地址變換、即插即用、安全管理、對視頻和多媒體流的支持、內容服務、安全和統一的計費機制等。

結論

　　對空中接口的改進，網絡結構的升級，端到端QoS的保證和新的業務的準備將是走向下一代無線網絡的驅動力量，與3G系統相比，4G的優勢在于：高帶寬、低比特成本、高移動性、無線QoS資源控制，支持多種QoS需求、面向分組、支持不對稱業務、不需頻率許可證、覆蓋區域廣及在不同系統間可以無縫漫游。預計在2010年4G將成為市場主流技術，并可望解決現有多種移動通信系統的兼容性問題?，F在還很難預測向4G網絡演進的確切的安全的方案，然而，有一點可以肯定的，那就是，為了在下一個十年邁向4G，現今我們仍然需要對物理層和網絡層相關基礎技術作進一步的研究，加強第四代移動通信系統的研究，有助于我國在未來移動通信技術的競爭中占據有利地位。我國應建立具有自主知識產權的4G相關技術標準，并根據此標準建設適合新一代移動通信發展趨勢的無線IP移動通信網絡。

摘自　通信市場

上一篇：GPRS數據業務的無線容量規劃

下一篇：影響WCDMA容量的一個重要因素