當(dāng)前移動(dòng)通信領(lǐng)域若干熱點(diǎn)問題及“第四代”移動(dòng)通信研究

龔克



　　近年來移動(dòng)通信成為信息領(lǐng)域發(fā)展最為迅猛的分支，其熱點(diǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用系統(tǒng)不斷升級(jí)。本文僅以2000年VTC會(huì)議為話題，就當(dāng)前移動(dòng)通信領(lǐng)域的若干熱點(diǎn)問題以及“第三代后”的研究談一些情況和看法。



　　VTC是當(dāng)前國(guó)際移動(dòng)通信領(lǐng)域最重要的學(xué)術(shù)會(huì)議之一。由于參會(huì)者眾多，VTC從1999年起將每一次會(huì)議改為每年春秋兩次會(huì)議。 盡管如此，今年春季會(huì)議的參會(huì)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(qū)舉行年會(huì)，這說明了亞洲地區(qū)在移動(dòng)通信開發(fā)與應(yīng)用方面已經(jīng)占有重要地位。會(huì)議開幕式上以“走向第三代及其以后”(Towards IMT-2000 and Beyond)為中心發(fā)表了三篇特邀講演，表明移動(dòng)通信研究熱點(diǎn)正在移向“第三代后”。會(huì)員宣讀論文385篇，分為：(1)天線與傳播；(2)無(wú)線接入；(3)傳輸技術(shù)I/II；(4)多媒體網(wǎng)絡(luò)；(5)個(gè)人通信；(6)衛(wèi)星與交通系統(tǒng)，共6大部分。與此平行，會(huì)議安排8個(gè)討論專場(chǎng)(Panel Session)和11個(gè)張貼專場(chǎng)(Poster Session)。整個(gè)會(huì)議開得熱烈緊湊。中國(guó)大陸地區(qū)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(huì)議的論文和討論，反映了當(dāng)前移動(dòng)通信技術(shù)的若干熱點(diǎn)問題：



1.天線與傳播問題的研究向智能天線及其相關(guān)的傳播問題聚焦



　　關(guān)于“天線與傳播”(Antenna & Propagation) 的研究歷來是無(wú)線移動(dòng)通信領(lǐng)域中的一個(gè)重要方面，這次會(huì)議共錄用有關(guān)論文約80篇。其中，有關(guān)“智能天線”、“波束成形”、“發(fā)射分集”、“信號(hào)方向檢測(cè)”、“角度擴(kuò)散信道”等方面的文章占了絕大多數(shù)。明顯的趨勢(shì)是傳統(tǒng)地從“模擬”角度所研究的天線與傳播問題正在與“數(shù)字”算法緊密結(jié)合，研究的熱點(diǎn)在于如何有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的空間分割和空間分集，以及信道的時(shí)/空特性和時(shí)/空聯(lián)合處理技術(shù)。



2.無(wú)線接入研究的重點(diǎn)向分組數(shù)據(jù)及IP接入轉(zhuǎn)移



　　無(wú)線接入是近年來無(wú)線通信領(lǐng)域的熱門話題，起初強(qiáng)調(diào)的是如何方便地使電話用戶接入電信網(wǎng)，而VTC 2000上的無(wú)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(tǒng)的新型高效的無(wú)線分組數(shù)據(jù)傳播協(xié)議”、“Bluetooth系統(tǒng)的MAC技術(shù)”、“多級(jí)別業(yè)務(wù)的呼叫控制”、“無(wú)線ATM接入?yún)f(xié)議”等，大多以分組數(shù)據(jù)的無(wú)線接入為應(yīng)用背景。顯然，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展及其超越傳統(tǒng)話音業(yè)務(wù)的勢(shì)頭，無(wú)線接入技術(shù)研究的重點(diǎn)也在向分組數(shù)據(jù)及IP接入轉(zhuǎn)移。



3.無(wú)線傳輸技術(shù)大多圍繞CDMA(IMT 2000)技術(shù)，然而OFDM已甚受關(guān)注



　　有關(guān)無(wú)線傳輸技術(shù)的論文約150篇，占這次VTC會(huì)議全部論文的約1/3。然而這些文章大多圍繞著CDMA技術(shù)的有關(guān)問題如：RAKE接收、干擾消除及多用戶檢測(cè)、多速率業(yè)務(wù)問題、Turbo編碼應(yīng)用、時(shí)空聯(lián)合處理等。值得注意的是有關(guān)OFDM的討論占有比較突出的位置，被專門安排了三個(gè)專場(chǎng)“OFDM-1,2,3”，討論的問題有：OFDM的信道估計(jì)、峰均比 (Peak-to-Average Ratio)控制、擴(kuò)散信道中的OFDM傳輸問題(信道估計(jì))、突發(fā)OFDM系統(tǒng)、時(shí)－頻同步問題、分集問題等。特別有意思是關(guān)于與天線陣技術(shù)結(jié)合的時(shí)空編碼技術(shù)以求實(shí)現(xiàn)更高的編碼增益。



4.各種無(wú)線多媒體技術(shù)應(yīng)用于第二代升級(jí)系統(tǒng)和第三代系統(tǒng)


　　第二代甚至第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是以話音業(yè)務(wù)為主的系統(tǒng)，然而為適應(yīng)多媒體業(yè)務(wù)發(fā)展的趨勢(shì)，一系列新的技術(shù)在第二代系統(tǒng)（如GSM）平臺(tái)上發(fā)展起來，并倍受關(guān)注。



5.“第三代之后” 或第四代系統(tǒng)是會(huì)議的熱門話題



　　雖然第三代系統(tǒng)尚未走入人們的生活，移動(dòng)通信的研究開發(fā)卻已將目光放到第三代之后，特別是“第四代系統(tǒng)”上，有人甚至還談及第五代系統(tǒng)。會(huì)議關(guān)于“第三代之后”的專題討論雖然是與其它7個(gè)技術(shù)專場(chǎng)平行舉行，但仍是人滿為患，100多人的會(huì)場(chǎng)擠得滿滿的，室內(nèi)有20多人站立，門外還站著七、八個(gè)人。下面結(jié)合會(huì)議的有關(guān)報(bào)告以及筆者本人的認(rèn)識(shí)，談一下有關(guān)“第三代之后”或第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的情況和看法，不當(dāng)之處，請(qǐng)予指正。



(1) 開展第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)刻不容緩



　　第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(AMPS、TACS等)規(guī)模商業(yè)應(yīng)用是在80年代初，大約有10年多的巿場(chǎng)壽命；而在第一代移動(dòng)通信推向巿場(chǎng)的時(shí)候，第二代移動(dòng)通信的研究就已經(jīng)開始了，特別是，當(dāng)?shù)诙�代移�?dòng)通信還未推向商用時(shí)，第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)化研究就啟動(dòng)了(1987年)。歷史經(jīng)驗(yàn)說明，一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生之后（甚至在它商用之前），其技術(shù)的缺陷或局限就已經(jīng)表露出來；而當(dāng)該技術(shù)應(yīng)用在巿場(chǎng)上走向頂峰時(shí)，它刺激出來的巿場(chǎng)需求正在超越其業(yè)務(wù)供給能力，新一代技術(shù)就應(yīng)運(yùn)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(shù)的飛速發(fā)展，一代技術(shù)的巿場(chǎng)壽命越來越短，這是歷史發(fā)展的邏輯。所以，在當(dāng)前第三代系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化即將完成，應(yīng)用系統(tǒng)即將推出的時(shí)候，新一代（第四代）移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究已是刻不容緩。事實(shí)上，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)去年(1999年9月)即把“第三代之后”的移動(dòng)通信系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)化問題提上了日程，在ITU-R的工作計(jì)劃中列入了“IMT 2000及其以后的系統(tǒng)”(IMT-2000 & System Beyond IMT-200)。并分設(shè)了兩個(gè)工作組(working party)，”IMT2000 & Beyond (satellite)”(WP8D) 和”(IMT2000 & Beyond: Primary Responsibility (Terrestrial)” (WP8F)，應(yīng)該指出的是，對(duì)于中國(guó)來說，不失時(shí)機(jī)地集中力量開展第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的研究是我們實(shí)現(xiàn)“跨越式”發(fā)展的重要契機(jī)。我國(guó)開展第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究（“七五”攻關(guān)）已是該系統(tǒng)商用“走紅”之日，其結(jié)果可以說是徒勞無(wú)功；對(duì)第二代移動(dòng)系統(tǒng)的研究幾乎是與該系統(tǒng)走向商用同時(shí)的，結(jié)果是在該系統(tǒng)走向強(qiáng)弩之末時(shí)，為國(guó)產(chǎn)化盡了一份力量；對(duì)第三代移動(dòng)系統(tǒng)的研究是在該系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)進(jìn)入高潮時(shí)開展的，所以較之以前有了更多的主動(dòng)權(quán)，對(duì)第三代系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化也有理由寄予更大的期望。在此基礎(chǔ)上，倘在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)之初就果斷而有力地推動(dòng)開展國(guó)內(nèi)的研究活動(dòng)，將有可能使我國(guó)比較徹底地?cái)[脫在移動(dòng)通信技術(shù)上的被動(dòng)狀態(tài)，真正成為世界上的移動(dòng)通信大國(guó)，不僅有巿場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，而且有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。



(2)什么是“第四代”移動(dòng)通信技術(shù)？



　　毫無(wú)疑問，現(xiàn)在要想說清楚這個(gè)問題還為時(shí)尚早。筆者近年（特別是98年以來）看到的有關(guān)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的文章和報(bào)告，對(duì)這個(gè)問題也是各抒己見，莫衷一是。大概有這么幾種看法：



　　* 移動(dòng)業(yè)務(wù)的發(fā)展和迅速普及，將很快顯現(xiàn)頻譜的貧乏，不僅第二代系統(tǒng)頻段已經(jīng)飽和，就是第三代系統(tǒng)的頻段也將很快不敷使用。所以，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是建立在新的頻段（比如5-8GHz乃至更高）上的無(wú)線通信系統(tǒng)，因而將以新的射頻技術(shù)為支撐并充分利用其頻譜資源。與高頻段傳播相關(guān)聯(lián)的問題，如有效利用功率、有效利用天線增益、合理進(jìn)行小區(qū)布局等以抵消高傳輸損耗、低繞射能力等負(fù)面效應(yīng)。



　　* 多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展及其對(duì)話音業(yè)務(wù)的超越，將使得以話音業(yè)務(wù)為基本業(yè)務(wù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)（包括第三代系統(tǒng)），變得力不從心。比如第三代系統(tǒng)雖能支持2Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，卻僅只在靜止的小范圍(如室內(nèi))且以降低用戶容量為代價(jià)；況且即使2Mbps的速率比起日新月異的因特網(wǎng)傳輸速度來，也將顯得難以忍受。所以，基于分組數(shù)據(jù)的高速率傳輸(10 Mbps以上)將是第四代系統(tǒng)的主要標(biāo)志，為此需克服在無(wú)線信道中影響可靠的寬帶傳輸?shù)囊幌盗袉栴}，引入新的自適應(yīng)多址和信道編碼技術(shù)，如基于突發(fā)(burst-by-burst)的自適應(yīng)TDMA/CDMA/OFDM以及編碼、交織技術(shù)等。



　　* 由于以IMT-2000為代表的第三代移動(dòng)通信在事實(shí)上終未能實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，比如現(xiàn)在作為第三代系統(tǒng)無(wú)線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)“家庭”(RTT Family)成員的技術(shù)即有五類之多：(1) IMT-2000 CDMA DS (WCDMA)；(2) IMT-2000 CDMA MC (CDMA2000)；(3) IMF2000 CDMA TDD (我國(guó)電信科學(xué)技術(shù)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(wèi)星)部分遠(yuǎn)未能如愿。所以，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)該成為真正的“全球一統(tǒng)”（包括衛(wèi)星部分）的系統(tǒng)。為此，需研究如何對(duì)主要技術(shù)的兼容/演進(jìn)技術(shù)與策略、研究“天－地”一體化，研究基于軟件無(wú)線電的多制式的終端與基站系統(tǒng)。



　　* 由于新的網(wǎng)絡(luò)和傳輸技術(shù)的發(fā)展，已有移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源和無(wú)線資源(Radio Resources，不僅是頻譜資源還有功率、時(shí)間、碼道、波束/天線增益)等的利用遠(yuǎn)不能滿足需要，特別是隨著無(wú)線－有線網(wǎng)絡(luò)一體化的趨勢(shì)發(fā)展，第四代移動(dòng)信系統(tǒng)將是基于全新網(wǎng)絡(luò)體制的系統(tǒng)，或者說其無(wú)線部分將是對(duì)新網(wǎng)絡(luò)(智能的、支持多業(yè)務(wù)的、可進(jìn)行移動(dòng)管理)的“無(wú)線接入”。因而其技術(shù)將主要是(1)新型智能網(wǎng)絡(luò)和(2)高效的無(wú)線接入技術(shù)�！白赃m應(yīng)”和智能化將是新一代技術(shù)的突出特征。


　　* 隨著多種無(wú)線技術(shù)的數(shù)字化，如數(shù)字音頻和數(shù)字視頻技術(shù)等，各種數(shù)字無(wú)線技術(shù)將走向融融合。因而下一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)將不是單純的(傳統(tǒng)意義上)的“通信”系統(tǒng)，而是融合了數(shù)字通信、數(shù)字音/視頻接收(點(diǎn)播)/和因特網(wǎng)接入的嶄新的系統(tǒng)。



　　如此等等，將不同側(cè)重的觀點(diǎn)放在一起，似乎可以得到某種啟示。



(3) 國(guó)外有關(guān)第四代移動(dòng)信的研究



　　除了ITU-R新近開展的有關(guān)活動(dòng)以及有關(guān)公司、大學(xué)的分散研究之外，筆者認(rèn)為比較有規(guī)模的是歐洲的BRAIN計(jì)劃。該計(jì)劃是西門子公司，英國(guó)電信(BT)、法國(guó)電信(CNET)、日本電信(NTT)、愛立信公司、諾吉亞、倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院等合作進(jìn)行的，以歐洲為主。它提出一種基于IP核心網(wǎng)絡(luò)的、適于不對(duì)稱傳輸?shù)摹⒅С侄嗨俾实闹?0Mbps、兼容多種體制(如GSM，UTRAN等)的系統(tǒng)設(shè)想(參見圖1)。






　　另外有日本NTT DoCoMo的“次世代通信系統(tǒng)”。該公司自九八年以來，調(diào)兵遣將(包括招兵買馬)成立了專門的研究室，比較系統(tǒng)地進(jìn)行研究。他們從業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需求預(yù)測(cè)入手，提出移動(dòng)數(shù)據(jù)率將向100Mbps推進(jìn)，第四代將實(shí)現(xiàn)數(shù)十兆比特/秒的傳輸能力；基于每年“流量”(Traffic)增長(zhǎng)40%的預(yù)測(cè)，到2015年前，多媒體業(yè)務(wù)將占到91%，屆時(shí)將是第四代出生之機(jī)；進(jìn)而，他們提出對(duì)第四代系統(tǒng)的七條企盼：(1)高數(shù)據(jù)率(車載2Mbps，步行20Mbps)，(2)支持下一代因特網(wǎng)(IPV6，Mo-IP等)，(3)高容量(5-10倍于第三代)，(4)與固定公共網(wǎng)與專用網(wǎng)的”無(wú)縫”連接，(5)對(duì)新業(yè)務(wù)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(duì)”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(shè)想的第四代無(wú)線傳輸如圖2。






　　再就是西門子公司的研究工作。他們同樣是出于對(duì)業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)特別是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，并充分考慮許多已有的和正在發(fā)展的相關(guān)技術(shù)，如HYPERLAN，BLUETOOTH等等，提出了有關(guān)第四代的系統(tǒng)設(shè)想(參見圖3)。特別有意思的是，他們提出了一種自組織的無(wú)線接口技術(shù)，即每一個(gè)移動(dòng)終端可以根據(jù)需要提供中繼服務(wù)，這樣可以大大改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋、縮短傳輸距離。他們提出第四代系統(tǒng)的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)類型和網(wǎng)絡(luò)管理(自組織、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、動(dòng)態(tài)頻率指配等)，(4)支持對(duì)稱與不對(duì)稱傳輸；(5)支持實(shí)時(shí)QoS的分組傳輸，(6)基于1P的核心網(wǎng)絡(luò)。







　　他們認(rèn)為該系統(tǒng)面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)將是(1)有效使用頻譜資源的物理層技術(shù)（如調(diào)制、編制技術(shù)等），(2)支持物理層技術(shù)的算法（信道、流量和業(yè)務(wù)自適應(yīng)算法、頻譜共享算法，自適應(yīng)天線算法等），(3)寬帶無(wú)線信道模型，(4)接入網(wǎng)的高層協(xié)議技術(shù)（自適應(yīng)和自優(yōu)化的無(wú)線資源配置、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與管理等），(5)不同接入系統(tǒng)的互操作（水平與垂直切換技術(shù)等），(6)移動(dòng)1P(支持實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)QoS和GoS、移動(dòng)管理與切換、安全機(jī)制等)。



　　綜上所述，筆者認(rèn)為當(dāng)前已經(jīng)開展的第四代系統(tǒng)的研究主要是概念研究，著重于需求分析和使能技術(shù)的分析�？梢哉f，尚在起步階段。我國(guó)的研究機(jī)構(gòu)（特別是大學(xué)）以及有遠(yuǎn)見的公司應(yīng)充分關(guān)注、果斷投入、奮起直追。




摘自《中國(guó)移動(dòng)通信》2001年第1期