超3G研究的最新進展

王靖宇



　　摘 要：超3G在ＩＴＵ－Ｒ范圍內(nèi)的各項研究工作還剛剛開始，基本上還處于制定工作計劃的階段。但目前關(guān)于對超3G頻率需求計算方法的研究，已經(jīng)有一些國家提出了自己的建議，主要是日本和德國。超3G研究工作，特別是頻譜計算、業(yè)務(wù)預(yù)測、新的無線接入和核心網(wǎng)技術(shù)方面研究工作的開展，對我國的研究機構(gòu)、相關(guān)公司和高校都是一個繼續(xù)趕超世界先進通信技術(shù)，獲取成果的絕好機會。


　　主題詞：移動通信　　第三代移動通信　　超3G　　頻率需求　　頻譜 ＩＴＵ－Ｒ




　　所謂超3G即Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｅｙｏｎｄ IMT-2000，是ＩＴＵ－Ｒ范圍內(nèi)的稱謂，目前還沒有正式名稱。但關(guān)于超3G會給通信業(yè)帶來什么樣的革命，給廣大用戶帶來什么業(yè)務(wù)，卻已經(jīng)在ＩＴＵ－Ｒ討論多年了。在２００２年１０月結(jié)束的ＩＴＵ－Ｒ ＷＰ８Ｆ工作組第９次會議上，關(guān)于超3G的遠(yuǎn)景已經(jīng)確定；從２００３年４月份的ＷＰ８Ｆ第十次會議開始，ＷＰ８Ｆ的工作已經(jīng)全面轉(zhuǎn)向了超3G，超3G將是ＷＰ８Ｆ工作組今后５～１０年的核心工作。


　　3G在我國還沒有商用，現(xiàn)在談超3G似乎更遙不可及。但實際上，由于頻率分配工作往往要比實際業(yè)務(wù)開展超前８～１０年左右開始進行，所以現(xiàn)在就必須開始著手對２０１０年之后的業(yè)務(wù)進行研究，對頻率需求進行估計。目前ＩＴＵ－Ｒ關(guān)于超3G的工作剛剛啟動，很多還處于制定工作計劃階段。對我國來講，現(xiàn)在正是及時進行跟蹤，針對性地開展研究工作，并在最后的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作中取得成果、在未來的通信系統(tǒng)中擁有更多知識產(chǎn)權(quán)（ＩＰＲ）的一個非常好的機會。


　　本文介紹超3G的遠(yuǎn)景，以及目前ＩＴＵ－Ｒ ＷＰ８Ｆ工作組關(guān)于超3G頻譜計算的最新進展。


超3G的遠(yuǎn)景


　　超3G的遠(yuǎn)景就是ＩＴＵ為超3G系統(tǒng)制定的目標(biāo)。ＩＴＵ關(guān)于超3G系統(tǒng)的能力可用圖１表示，因為這個圖有點像汽車，因此也稱為汽車圖。這張圖表示了IMT-2000，IMT-2000增強系統(tǒng)以及超3G等系統(tǒng)支持業(yè)務(wù)移動性以及業(yè)務(wù)速率的能力。 圖１中最左邊深灰色的部分是目前IMT-2000系統(tǒng)所具有的能力，中間灰色部分指IMT-2000增強型系統(tǒng)的能力，最右邊淺灰色部分指超3G系統(tǒng)的能力。后兩種系統(tǒng)主要有以下特點。


１． IMT-2000增強技術(shù)


　　IMT-2000增強技術(shù)是指在IMT-2000系統(tǒng)的基礎(chǔ)上連續(xù)穩(wěn)定演進的技術(shù)。比如目前IMT-2000中ＷＣＤＭＡ系統(tǒng)的能力可以達(dá)到８～１０ Ｍｂｉｔ／ｓ，而根據(jù)預(yù)測，今后１０年內(nèi)系統(tǒng)可達(dá)到的速率會不斷提高，在２００５年左右IMT-2000增強系統(tǒng)的下行速率目標(biāo)是３０ Ｍｂｉｔ／ｓ。







２．超3G系統(tǒng)


　　超3G系統(tǒng)會需要新的作為補充性的無線接入技術(shù)，這些補充性的無線接入技術(shù)也會作為IMT-2000增強系統(tǒng)和其他無線系統(tǒng)的補充，預(yù)計在２０１０年可以支持移動環(huán)境下５０～１００ Ｍｂｉｔ／ｓ的接入速率，在低速移動的情況下可以支持的接入速率能達(dá)到１ Ｇｂｉｔ／ｓ。
　�。桑裕諏Τ�3G制定了“在任何時間、任何地點最佳接入系統(tǒng)”的目標(biāo)，這個目標(biāo)要求超3G是一個無縫的網(wǎng)絡(luò)，即各種接入系統(tǒng)都能通過媒體接入系統(tǒng) （ Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｓｙｓｔｅｍ）接入同一個基于ＩＰ或分組的核心網(wǎng)。根據(jù)不同的應(yīng)用、小區(qū)范圍、無線環(huán)境，不同的接入系統(tǒng)按照分層結(jié)構(gòu)進行組織，各種接入技術(shù)的關(guān)系是一個在同一平臺上互補的關(guān)系（見圖２）。





ＩＴＵ關(guān)于超3G的工作計劃


　　和IMT-2000的工作方式類似，ＩＴＵ超3G預(yù)計的是從大約２０１５年開始的頻率需求，并將在ＷＲＣ－０７大會上討論超3G的頻率需求。 因此，ＷＰ８Ｆ工作組制定的工作計劃需要準(zhǔn)備預(yù)備性會議（ＣＰＭ）報告中關(guān)于頻率需求的部分，在ＷＲＣ－０７之后，再開始著手在所分配的頻段中進行標(biāo)準(zhǔn)化的細(xì)節(jié)工作。


　　到目前為止，ＩＴＵ－Ｒ ＷＰ８Ｆ工作組對超3G的業(yè)務(wù)、市場和頻率需求的計算方法的研究工作都集中在業(yè)務(wù)組，業(yè)務(wù)組的工作內(nèi)容涉及未來業(yè)務(wù)和市場方面，主要為：


　　·促進和協(xié)調(diào)市場預(yù)測研究；


　　·完成ＷＲＣ－０７和頻譜需求相關(guān)的業(yè)務(wù)、市場、頻譜計算方法的相關(guān)文件；


　　·給出超3G可能提供的業(yè)務(wù)例子；


　　·指導(dǎo)整個ＷＰ８Ｆ工作組的工作方向，并對未來市場和業(yè)務(wù)做出預(yù)測。


　　根據(jù)業(yè)務(wù)組的工作任務(wù)，業(yè)務(wù)組分為業(yè)務(wù)（Ｓｅｒｖｉｃｅ）、市場（Ｍａｒｋｅｔ）、方法（Ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ）等三個子組，三個子組之間既相互聯(lián)系，又并行開展工作，其工作流程圖見圖３。當(dāng)然，這些分工有可能在以后隨著研究工作的進展發(fā)生變動，尤其是頻率計算方法子組，目前雖然在業(yè)務(wù)組，但也有一種觀點認(rèn)為頻率計算方法應(yīng)放在頻譜組。因為在確定頻率計算方法之后，頻譜組將按照確定的方法對超3G所需要的頻譜進行估計。







超3G的頻率需求計算方法研究


　　關(guān)于超3G頻率需求計算的方法，遠(yuǎn)景工作組在２００２年２月份就有文稿提出，可見各國早已開展了對超3G頻率需求計算方法的研究工作。２００３年４月份的ＷＰ８Ｆ工作組會議上，頻率計算方法子工作組的第一次會議中又有多篇針對頻率需求計算方法的文稿。這次會議是該組的第一次會議，重點是制定該組的工作計劃及頻譜計算方法的工作范圍，但卻已經(jīng)有多種計算方法提出。下面對此做簡單介紹。


１．研究新的頻率需求計算方法的必要性


　�。桑裕眨�Ｒ 對IMT-2000系統(tǒng)頻率需求的計算方法采用Ｍ．１３９０建議中規(guī)定的方法，是基于從現(xiàn)在起大約到２０１０年間２Ｇ和3G的混合技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的。這種方法中的業(yè)務(wù)模型是基于語音業(yè)務(wù)，還包括一些峰值可達(dá)到２ Ｍｂｉｔ／ｓ的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)的模型都用一種簡單的峰值流量模型來表示。對頻率的估計是基于１９９６～１９９８年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些方法有很多明顯的不足。


　　根據(jù)預(yù)測，未來超3G的業(yè)務(wù)將會從面向語音的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向多媒體業(yè)務(wù)，基于ＩＰ的業(yè)務(wù)將會成為主要角色。正是因為這些原因，未來的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)會設(shè)計得能更經(jīng)濟地傳送分組數(shù)據(jù)。另外，由于業(yè)務(wù)會變得更具多樣性，對各種復(fù)雜的環(huán)境、地理區(qū)域以及不同的時間僅僅考慮峰值業(yè)務(wù)量值，也就是說把業(yè)務(wù)和環(huán)境割裂開來考慮也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。


　　在Ｍ．１３９０所采用的方法中，業(yè)務(wù)和環(huán)境獨立處理，比如僅通過對每種環(huán)境的各種業(yè)務(wù)的峰值相加得到總頻譜需求，而并沒有考慮到各種業(yè)務(wù)的使用實際是相關(guān)的。例如，用戶正在使用某種多媒體業(yè)務(wù)時，再使用話音業(yè)務(wù)的可能性就很小。此外，這種方法還假設(shè)每種業(yè)務(wù)的峰值流量都產(chǎn)生于同一小區(qū)，顯然計算時也是一個問題。這種方法的局限性可以概括為：


　　·僅關(guān)注于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而實際上未來的超3G包括多種接入技術(shù)；


　　·僅考慮了忙時的情況，而不是同時考慮和時間相關(guān)的業(yè)務(wù)以及接入策略；


　　·沒有明顯地區(qū)別分組和電路交換業(yè)務(wù)；


　　·僅限于３ ＧＨｚ之下的頻譜；


　　·對于各種接入環(huán)境和移動性的系統(tǒng)能力沒有區(qū)別；


　　·僅簡單地考慮了頻譜效率的改進；


　　·對不同的環(huán)境只進行獨立考慮；


　　·對于非同時產(chǎn)生的忙時話務(wù)僅僅通過簡單的加權(quán)相加來處理。


　　由于上述的這些局限性，目前方法子工作組正在研究對超3G頻譜計算的新方法，并提出兩種觀點：一種是基于計算的方法，一種是基于蒙特卡羅仿真方法。根據(jù)工作計劃，這些方法將在２００３年９月底到１０月份進行的第１１次會議進行討論，因此目前還沒有結(jié)論。屆時還可能會有更多關(guān)于計算方法的建議提出，我國也可以根據(jù)自己的情況提出相關(guān)建議。下面介紹一下現(xiàn)在提出的這兩種方法，供大家參考。
　�。ǎ保�對Ｍ．１３９０中確定性計算的修正方法


　　日本提出了對Ｍ．１３９０確定性計算改進的方法，引入了兩種新業(yè)務(wù)類型ＵＨＭＭ（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｅｄｉａ）和ＶＨＭＭ （Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｍｕｌｔｉ－Ｍｅｄｉａ），以及可變比特率（ＶＢＲ）和不變比特率（ＣＢＲ）兩種業(yè)務(wù)模型來計算超3G的頻譜。日本還在模型的環(huán)境中補充了在遠(yuǎn)景建議中提出的新無線環(huán)境“熱點”（Ｈｏｔ Ｓｐｏｔ），通過對業(yè)務(wù)滲透率進行修正，對ＶＢＲ的業(yè)務(wù)通過加權(quán)因子修正來進行計算。


　　對業(yè)務(wù)滲透率的修正主要通過環(huán)境加權(quán)矩陣Ｅ（式（３）來進行修正，矩陣Ｐ（式（２））是滲透率矩陣，修正后的滲透率矩陣Ｑ（式（１））可以用式（４）表示。在兩種不相關(guān)的環(huán)境中加權(quán)因子是０。


　　對于１６種業(yè)務(wù)類型，也可通過修正后的忙時試呼（ＢＨＣＡ）矩陣Ｂｓ（式（５）），原ＢＨＣＡ用矩陣Ｂ（式（７））表示，加權(quán)矩陣為Ｓ。


　�。ǎ玻┟商乜�羅仿真方法


　　德國提出針對超3G的蒙特卡羅仿真方法重點考慮了超3G系統(tǒng)中多種無線接入技術(shù)的仿真實現(xiàn)，具體的流程如圖４所示。其仿真步驟為：







　　·根據(jù)市場預(yù)測和可能的用戶密度產(chǎn)生每種環(huán)境下的業(yè)務(wù)需求；


　　·根據(jù)系統(tǒng)定義產(chǎn)生無線接入技術(shù)的主要技術(shù)特性參數(shù)；


　　·結(jié)合以上兩條的結(jié)果，將業(yè)務(wù)映射到相應(yīng)的無線接入技術(shù)，產(chǎn)生每種環(huán)境下對每種接入技術(shù)的用戶需求；


　　·通過蒙特卡羅仿真，得到不同環(huán)境和不同傳播條件下各種接入技術(shù)所需的頻率資源；


　　·計算得到所需的頻率資源總和。


２．對兩種方法的評價


　　由于對頻譜需求計算方法在ＷＰ８Ｆ工作組還沒有進行討論，下面談一下筆者對這兩種算法的看法。


　　通過對Ｍ．１３９０中確定性計算進行修正的計算方法的主要優(yōu)點是僅僅通過計算就可以得到最終結(jié)果，比較簡單清晰。這種算法需要確定加權(quán)矩陣Ｅ和Ｓ中的各個加權(quán)因子，而在3G系統(tǒng)還沒有很成功地開展應(yīng)用的情況下進行估計是比較困難的，而如果對加權(quán)因子的估計不正確，就會對最終結(jié)果的正確性產(chǎn)生很大的影響。另外，由于多種技術(shù)的引入，簡單地通過加權(quán)因子能否確切反應(yīng)超3G系統(tǒng)的復(fù)雜性還需要進一步研究，確定性計算也較難將不同無線接入系統(tǒng)間的動態(tài)關(guān)系體現(xiàn)出來。



　　蒙特卡羅仿真方法如何得到正確的業(yè)務(wù)、系統(tǒng)等模型也至關(guān)重要，模型的偏差可能會導(dǎo)致致命的頻率估計錯誤。另外，目前對超3G系統(tǒng)的性能的研究以及對各種統(tǒng)計數(shù)據(jù)的統(tǒng)計都有限，對發(fā)現(xiàn)正確的模型也比較困難。蒙特卡羅仿真像基于靜態(tài)的快拍�煟樱睿幔穑螅瑁铮簦牱绞阶ヅ南到y(tǒng)的瞬間狀態(tài)和性能，缺乏連續(xù)性。超3G系統(tǒng)是多種技術(shù)和系統(tǒng)的結(jié)合，對超3G系統(tǒng)的仿真應(yīng)采用何種仿真方法還有待研究。另外由于計算機系統(tǒng)的處理能力有限，超3G系統(tǒng)的大業(yè)務(wù)量、多種系統(tǒng)并存的情況，對系統(tǒng)仿真系統(tǒng)本身的能力也將會是一種挑戰(zhàn)。


　　因此以上兩種方法都不盡完美，對頻率的計算都各有優(yōu)缺點，存在不少需改進之處，因此可考慮兩種方法的結(jié)合運用。相信方法子組今后會看到更多的方法建議，為超3G的頻率計算找到合適的方法。


結(jié)　　語


　　從前面的介紹可以看出，ＩＴＵ對于超3G的研究工作剛剛開始，還沒有結(jié)論性的成果。因此，這是我國通信界繼續(xù)趕超國際技術(shù)發(fā)展的一個很好的機會。特別是在頻譜計算、業(yè)務(wù)預(yù)測以及新的無線接入和核心網(wǎng)技術(shù)方面，我國各公司、研究機構(gòu)、高校等如能積極組織起來，根據(jù)自身的特長在相應(yīng)的領(lǐng)域分工合作，開展研究，相信在超3G的領(lǐng)域中，我國定能取得更好的成果。




摘自　世界電信