要害詞：無線網絡/第4代移動通信/航空通信/超寬帶無線通信/可重構性
Abstract:Now 3G is speeding up its steps towards the market in the worldwide scope and 4G is under full development. The July issue of IEEE Communications Magazine focused on Europe′s path towards 4G. The main ideas in that issue are summarized in this paper. The emphasis is put on the discussion of the network mobility in Beyond-3G Systems, hotspot WLAN to enhance the performance of 3G and Beyond Cellular Networks, ultra-wideband radio technology, aeronautical communications technology and situation-aware wireless networks.
Key Words:wireless network/4G/aeronautical communication/ultra-wideband wireless communication/reconfigurability
社會的進步和通信技術的發展要求骨干網提供多種不同的接入技術，使其能連接大量各種類型的終端以滿足人們的需求。在各種網絡環境中，從微微網到蜂窩網，以及衛星網等，每一種無線接入技術都能在基于公共的ip平臺上獨立地演進，以支持端到端的IP連接。面臨的挑戰是核心網如何根據用戶的需求和市場的演進方向提供無縫的合成的各種無線接入技術?？芍貥嬀W絡是一種靈活實現各種無線接入的方式，能在各種不同的環境中達到始終最佳連接，并可優化使用稀有的頻譜資源以及最有效的動態頻譜分配。IEEE Communications Magazine 2003年7月集中報導了歐洲走向4G的研發之路[1]。 為了使人們了解相關動態，本文分5個方面扼要介紹發展未來新一代移動/無線系統所面臨的技術挑戰。
1 B3G的網絡移動性
1.1 網絡移動性
典型的B3G系統包括一些不同的接入網絡技術：蜂窩系統、無線局域網(WLAN)以及廣播接入。對于跨越這些異種接入網絡的全IP的應用應具有統一的網絡連接層提供IP連網技術。移動IP提供了節點移動性的解決方案，它獨立于接入網的類型，并對所有的應用透明。網絡移動性十分重要，可歸結為一系列節點的集合移動性的概念。1個IP子網的移動，改變了IP拓撲位置就是典型的網絡移動性。移動網絡的形成可有不同程度的復雜性。最簡單的情況是移動網絡只包含1個移動路由器和1個主機。更為復雜情況的移動網絡是一些IP子網，由本地路由器的互連集合，形成一個可以移動的整體單元，并通過1個或多個移動路由器與IP骨干網相連。移動路由器位于移動網絡的邊緣，它可具有1個或多個接口，與移動網和IP骨干網相連。移動網的內部結構可包括固定與(或)無線部分，且具有相對穩定的拓撲結構。網絡移動性在概念上比眾所周知的節點移動性遠為復雜。1個在家里或遠離家的移動網絡，本身可被移動節點或其他移動網絡所訪問。這種情景可導致移動網絡的多層集合(或稱為巢狀移動網)。這種巢狀移動性是網絡移動性獨一無二的特性。
具體的移動網絡有：
(1)個人數字助理(PDA)與蜂窩網或WLAN連接。
(2)列車上的旅客用具有WLAN卡的便攜電腦與列車上布署的接入點相連。
(3)1輛汽車網絡鏈接其電子部件(例如提供地圖的車上電腦或音響設備)至移動路由器，后者通過蜂窩網與互聯網相連。
(4)移動網絡的多層聚集。
1.2 支持網絡移動性的基本要求
雖然節點移動性的解決方案是基于移動IP，但對于網絡移動性有另外一些新的要求。移動網中所有節點通過其永久IP地址都能被達到，并保持正在進行中的會話，即使在移動路由器改變其在互聯網中的接入點時亦如此。為此目的，應達到下列要求：
1.3 支持網絡移動性的基本方法——雙向隧道
支持網絡移動性的基本方法——雙向隧道技術將建立在IPv6基礎上，并只有最小的擴展。在IPv6中采用雙向移動節點-駐地代理(MN-HA)隧道方式，支持移動節點的移動。同樣地，移動路由器(MR)將有1個駐地代理(HA)，也將采用雙向MR-MN隧道在MR移動時保持節點間會話的連續性。MR用捆綁更新的方法將其駐地地址與轉交地址綁定。從MR到HA的流是直接達到的。MR需要將信包封裝，并在MR-HA隧道中發送到HA。后者再將其封裝后轉發到目的地。在另一方面，HA需要截獲所有試圖傳到MR的信包，并通過隧道將它們傳到MR，后者將解封裝并轉發到移動網中去。這些操作能用現存的移動IP協議在IPv4及IPv6中進行，不需對信包格式和協議互相作用方式有所改變。但是HA需要將節點在移動網中的統一地址與MR的駐地地址對應起來，否則，截獲試圖到達移動網中節點的信包后，HA不知道將它們用隧道傳送到哪一個MR中去。識別移動網中的節點，只要知道屬于MR的IP地址的前綴就足夠了。值得一提的是，MR-HA雙向隧道機制足以支持巢式移動網。MR-HA雙向隧道機制能使移動網在另一移動網中移動。另外，移動IP中MN在移動網中移動時可繼續其與核心網的會話。IP層的網絡移動性對未來的B3G系統很重要，但移動網絡要實現無縫移動的最優解決方案還有許多研究工作要做。
2 增強B3G性能的熱點無線局域網
在世界范圍內，3G已在一些國家開始應用。將來用戶還要求有更高數據速率的多媒體服務及無所不在的通信。為達此目的，3G網將繼續演進以能提供更高的數據速率，其將采用新的無線接入技術。一種廣泛期望的演進形式是在熱點地區應用WLAN作為補充。最終，B3G將擴展到能提供數據速率超過100 Mb/s，并與一些技術包括衛星通信及數字廣播技術等互連。顯然，這些網絡將通過基于IP的網絡提供集成及無縫服務。B3G的環境是極為復雜的，涉及聯合鑒權、認證、計費(AAA)，不同網絡/服務器之間無縫切換，以及采用復雜的終端等。
WLAN可在公共及家庭環境中為PC、便攜電腦以及其他設備提供高速數據連接。HIPERLAN/2及IEEE 802.11a可支持多個傳輸模式，提供數據速率高達54 Mb/s。WLAN能支持無線高速互聯網接入及高清楚度音頻和視頻流。目前，WLAN與3G網絡的互連有兩種建議的方法：松耦合和緊耦合。松耦合方式能提供無縫的切換，在WLAN及3G網絡中有相同的安全性水平。該方法要求WLAN及3G核心網有互連接口。緊耦合方式將依靠IP協議進行移動性治理及接入網之間的漫游。該方法要求有用戶身份認證過程。WLAN與核心網的互連由AAA服務器與本地位置登記器協調完成。對于3G蜂窩系統來說WLAN可視為一種補充技術，用來在高業務密度地區(城市中心或商業區)向用戶提供高速數據服務。WLAN能獲得較高的數據速率，但覆蓋范圍較小。如用戶使用雙模終端，則可同時獲得熱點地區高的數據速率與大范圍高速運行中的服務。
3 超寬帶無線技術
B3G的發展，使人們可以實現“每個人和每個設備可在任何地方和任何時間”進行連接。這要依靠于現有的及未來的無線系統的集成，其中包括廣域網、無線局域網、無線個域網、無線身體域網、即興網(Ad hoc)及家庭域網等。未來短距離的無線技術將起到十分要害的作用。每個人和每個設備可由不同類型的通信鏈路相連接，包括：人與人、人與機器、機器與人、機器與機器。通信信息除人與人之間采用語聲及高速數據外，還有大量的低速數據無線部件（如傳感器、信標、身份標等）產生信息，因此未來基于超寬帶無線技術(UMB-RT)的部件將起重要作用。目前短距離的無線通信主要運行在室內環境和單獨模式情況下。
3.1 超寬帶的頻譜效率
對用戶來說，高速數據速率、在任何時間和地點進行接入、無邊界的移動性、智能化、跨網絡時服務不被中斷等是基本要求，采用UMB-RT對實現目前存在的上述要求是一種潛在的解決方案。同時目前頻率資源的匱乏也是影響B3G發展的問題，采用共享現有的無線電頻譜資源的方法已被美國及其他國家政府主管部門所接受?，F有的共識是UWB-RT對家庭連網、娛樂市場以及以用戶為中心的無線世界將產生極大的影響。對于超寬帶（UWB）技術的通用定義是產生的信號的分數帶寬大于0.2，或整個傳輸帶寬至少為500 MHz。這一UWB定義不僅能設計出比經典窄帶系統具有較低衰落門限的無線電系統，且具有在數據傳輸中精確的定位能力。例如，采用多跳路由，UWB發射機可減少其功率幅射及覆蓋面積，使得在給定面積內有較大數目的發射機同時工作，從而增加頻譜的重用及更高的單位面積的容量。按需建立動態即興網對頻譜重疊和重用技術組合應用非凡有效。增加頻譜有效性可用空間容量來度量。由于系統最大傳輸范圍與數據速率成反比，故連續的無所不在的全部時間的覆蓋使系統運營價格隨數據速率的增加大為增加。短距離無線系統覆蓋面積相對較小(微/微微小區)，非凡是UWB-RT對未來高空間容量網絡的實現十分重要。另外，UWB-RT系統可提供極大的靈活性保持小區的空間容量，以自適應大數目的低速數據節點或小數目的高速數據節點。具體實施時由實際應用的要求來決定。
3.2 超寬帶無線技術的潛在應用
在實際應用中UWB-RT在較短的距離內可支持超過100 Mb/s的數據速率。另外，UWB-RT也可用于低數據速率而增加鏈路距離。
UWB-RT的應用場合主要有：
以上各類應用中在系統價格、覆蓋范圍、數據速率、位置精確度、電池壽命、對信道條件的自適應的優化問題方面還有許多工作要做。
3.3 技術上的挑戰
UWB在技術上有一些問題尚待解決。如UWB部件之間的干擾，能達到的服務質量(QoS)，知道位置系統所要求的精確度等。技術挑戰也存在于調制和編碼領域。對于自適應調制方法和信道編碼方式應考慮UWB無線信道在時域的特性。UWB射頻平均EIRP很低，一般小于0.56 mW，但在很小的時間段內蜂值功率相對很高。先進的UWB MIMO系統則能提供高的鏈路可靠性和數據速率的自適應能力，同時，它還具有較好的抗碼間干擾(ISI)和抗信道間干擾(ICI)的能力。UWB接收機帶內干擾的消除、多徑干擾及交叉部件干擾、接收機和網絡級的同步保持等問題都尚待解決。為了改進自適應調制方法，有必要確定測量噪聲電平和干擾性能。此外，模擬前端的動態范圍，數字基帶實現時的硬件價格、功率消耗，接收機性能等問題也都未解決。對于UWB頻帶在設計上應用的特定電路元件，如寬帶低噪聲放大器、功率放大器以及高速模/數變換器等的研制都是嚴重的技術挑戰。
4 航空通信技術的演進
旅客要求空中旅行更為舒適、安全和有效，因此航空公司和客機生產廠商需要采用航空通信以滿足這些要求。旅客航空通信目前的發展趨勢是在機艙中實現個人無線通信和多媒體的數據上網。以前的飛機運營商僅提供低速的準全球通信服務，而目前旅客要求兆比特每秒以上的傳輸速率以滿足新的多種服務和應用，因為高數據速率才能為旅客提供飛行中的娛樂、互聯網應用和個人通信服務。旅客更愿意用一些個人化的設備，如移動電話、PDA、便攜電腦等。很顯然，飛機上需要一種無線接入的解決方案。飛機上的無線網絡還能支持航線上工作人員日常工作中的需求，同時也可節省機上安裝有線網絡的費用。目前只有少數航空公司的航線上有無線接入設備，而且由于系統受到帶寬的限制，不能滿足旅客互聯網服務的需要。航空通信服務的演進趨有兩種：一是改進機艙技術，使之具有對用戶友好的個人及多媒體通信環境；二是改進空間段通信技術，答應更高比特率的服務。歐洲航天局(ESA)大力推進航空通信的發展，安排了多個研究計劃，總的目標是使空中旅客能獲得與地面上相同的無線個人及多媒體通信服務。
航空通信服務所需的多種服務都各有其帶寬要求和通信協議的類型。通常在機艙中設有電視屏幕、遠程醫療設備、衛星電話，旅客能通過自備的移動電話、便攜電腦實現通信。有些航線將會推出WLAN實現通信，但蜂窩通信仍在禁止之列。航空通信服務主要的無線接入技術有GSM、通用移動通信系統(UMTS)和通用移動通信系統的無線接入網(UTRAN)空中接口技術，WLAN技術，藍牙(Bluetooth)技術等。
5 位置可知的無線網絡
移動電話用戶希望在不同的環境無縫地接入各種服務，即要求多個不同種類的網絡能夠共存，并互為補充，提供無所不在的連接。運營商則希望所提供的移動連接數據速率能與固定互聯網接入相當，而每比特的價格保持現有水平。要實現能夠提供全國范圍的覆蓋及更高的數據速率，直接的方案是應用大量的網絡節點(即各種接入點、基站等)。一個較好的實現方法是采用一些信息站，部署在靠近網絡節點處，使得很高的數據傳輸速率成為可能。在離信息站一定范圍之外，則只提供中等的數據傳輸速率。智能網絡可優化資源分配，以提供可以部署的容量。由于業務量和傳播環境隨時間變化，用戶QoS的變化有時很顯著。對于微小區，環境隨變化造成的起伏主要引起蜂窩覆蓋和容量的變化。為了在時變網絡中保持QoS并減小開銷，可采用自適應或動態網絡，非凡可以采用具有位置可知性的自組織或自動化技術以獲得動態網絡性能。一個設計很好的動態規劃系統應當能最大化頻譜有效性，優化要害參數(如覆蓋及容量)。動態規劃系統能使網絡運營商有效地利用網絡資源，增加收益。動態規劃系統能使用戶在移動應用的各種環境下獲得高的QoS。動態網絡體系結構可減少網絡對規劃參數的敏感性。采用自愈網絡的概念也可使最初網絡的規劃保持較長的時間周期。對于構造一個智能網絡，統計推理技術、組合優化及博奕論等都是規劃工具所必需的數學基礎。
位置可知的無線網絡原理：
(1)系統對環境的變化的響應自動完成
系統一旦檢測到外部條件的變化，立即產生相應反應?？捎脙煞N方法來實現自組織網絡：一種方法是采用從上而下的規劃方法，可稱為分群控制；另一種方法是采用局部相互作用反向規劃的方法。在分群控制方法中，將網絡元素加以分層，無線網絡控制器(RNC)位于頂層，控制節點俯視下層的網絡節點，由中心節點形成使整個分群獲得最好性能的全部決定；局部相互作用的方法則具有平面的結構，系統處于無中心的模式中，每1節點獨立作出決策，由局部網絡元素集合起來的性能去支配網絡全局的性能。
(2)物理層完成位置可知功能
位置可知功能將網絡目前狀態的局部知識提供給基站。這些知識是基于采用邏輯傳感器獲得的對四周環境的觀察。其模型可分為3層：第1層是網絡元素對環境的感知。要求基站檢測地理上的特征及鄰近的動態變化。這樣可以檢測出對等端，建立平均路徑損失或額外的可用容量。第2層為對目前狀態的理解，由第1層獲得的數據來形成環境的圖像。在此階段基站必須決定出環境中擾動的性質。第3層則為規劃未來的狀態，也是最基本的評估功能。在此階段要求基站根據狀態起動正確的動作，最好的選擇是使整個系統具有最小的負面影響。
6 結束語
上面介紹了歐洲向4G演進過程中將采用的一些技術，對于中國發展4G有重要的參考價值。中國有關部門應當早日研究相關新技術，踏踏實實地開展4G的研發工作。
7 參考文獻
[1] IEEE Communications Magazine. Composite Reconfigurable Wireless Networks: The EU R&D Path Toward 4G [DB/OL]. http://dl.comsoc.org/cocoon/comsoc/servlets/OntologySearch?query=&node=TOC1350&render=false&type=1&node=TOC1350&render=false&type=1
作者簡介： 李承恕，北京交通大學教授，博士生導師?，F任北京交通大學現代通信研究所名譽所長，兼任中國通信學會常務理事、無線通信委員會副主任委員。主持多項國家自然科學基金、國家“863”計劃等高科技研究項目。
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