3G和后3G時代的多媒體通信

李學(xué)春 高立志



　　現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展事實上就是圍繞5W這一目標(biāo)逐步向前推進的過程。



　　無線和數(shù)據(jù)的融合，就是個人化的通信模式和寬帶的通信能力以及豐富的通信內(nèi)容的融合，是通信邁向“5W”發(fā)展的必然途徑，也是當(dāng)前通信發(fā)展朝著寬帶化、智能化和個人化的發(fā)展的主要潮流和必然趨勢。



　　第三代移動通信的目標(biāo)是面向高速數(shù)據(jù)和多媒體應(yīng)用。使用時，終端在室內(nèi)可達2Mb/s，步行時速率為384kb/s，高速車輛行走時為144kb/s。第三代移動通信在國際電信聯(lián)盟IMT-2000的技術(shù)標(biāo)準要求下，目前已通過了幾項主要的3G標(biāo)準。在發(fā)展3G的同時，全球已開始研究開發(fā)第四代移動通信（4G）和第五代移動通信（5G）。4G的傳輸速率可達10Mb/s，可以把藍牙、無線局域網(wǎng)和3G技術(shù)等結(jié)合在一起組成無縫的通信解決方案及相應(yīng)的產(chǎn)品。5G的手機除了通話，接收豐富的多媒體信息外，還可以演示三維立體游戲，參與三維立體電視會議。



一、第三代（3G）移動通信系統(tǒng)



　　第三代（3G）移動通信技術(shù)的研究和發(fā)展



　　盡管發(fā)達國家的經(jīng)濟發(fā)展處于衰退的邊沿，導(dǎo)致移動通信產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)的發(fā)展速度放緩，用戶平均收入（ARPU）也日趨下降，但用戶總量仍保持兩位數(shù)以上的增長。發(fā)達國家的移動通信用戶覆蓋率大多已達到70％-80％，已接近飽和，為了維持移動通信產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，急需推出能夠吸引用戶的高附加值數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。



　　第三代移動通信系統(tǒng)采用智能信號處理技術(shù)，除了能夠支持更高速率的移動多媒業(yè)務(wù)外，還能提供更高的頻譜效率和服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)基于話音業(yè)務(wù)為主的多媒體數(shù)據(jù)通信，并將具有更強的多媒體業(yè)務(wù)服務(wù)能力和極大通信容量，對于新興的移動運營商具有較大的吸引力；另一方面，歐洲的各大運營商已經(jīng)耗費了巨額資金獲得了第三代移動通信運營執(zhí)照，為了應(yīng)對來自資本市場的壓力，紛紛采取合作與重組的方式，逐步推進3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。



　　據(jù)有關(guān)專家預(yù)測：進入21世紀移動通信的發(fā)展，將以第三代移動通信的應(yīng)用和運營為起點，走向多媒體通信。隨著移動通信與信息家電、消費性電子產(chǎn)品的結(jié)合成為未來的發(fā)展趨勢，第三代移動通信系統(tǒng)將實現(xiàn)寬帶和綜合多種業(yè)務(wù)需求，不僅能提供高質(zhì)量的語音業(yè)務(wù)，而且能提供高速率的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。第三代移動通信系統(tǒng)正在成為世界各國全力投入開發(fā)的系統(tǒng)。



第三代移動通信概況



　　第三代移動通信系統(tǒng)最早1985年由國際電信聯(lián)盟（ITU）提出，當(dāng)時稱為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS），1996年更名為IMT-2000（國際移動通信-2000），意即該系統(tǒng)工作在2000MHz頻段，最高業(yè)務(wù)速率可達2000kb/s，預(yù)期在2000年左右得到商用。從1997年開始，由于第二代移動通信系統(tǒng)的巨大成功，用戶的高速增長與有限的系統(tǒng)容量和有限的業(yè)務(wù)之間的矛盾漸趨明顯，第三代移動通信的標(biāo)準化工作開始逐漸進入實質(zhì)階段。目前，第三代移動通信系統(tǒng)的框架已確定，將以衛(wèi)星移動通信網(wǎng)與地面移動通信網(wǎng)結(jié)合，形成一個對全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，滿足城市和偏遠地區(qū)不同密度用戶的通信需求，支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，實現(xiàn)人類個人通信的理想。



　　目前，第三代移動通信標(biāo)準有四種：美國的CDMA2000，歐洲的WCDMA，我國的TD-SCDMA與LAS-CDMA。



　　ITU對第三代陸地移動通信系統(tǒng)的基本要求是：在室內(nèi)、手持機及移動三種環(huán)境下，支持話音和各種多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（速率達2Mb/s），實現(xiàn)高質(zhì)量、高頻譜利用率、低成本的無線傳輸技術(shù)以及全球兼容的核心網(wǎng)絡(luò)。



　　一般來說，3G的主要特性有三個：其一就是可以使用同一部手機實現(xiàn)全球漫游，使任意時間、任意地點、任何人之間的交流成為可能；其二是具有高速傳輸速率，在靜止或步行情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率能達到2Mbit/s，在車速情況下，數(shù)據(jù)傳輸速率達到384kbit/s；另外一點就是能提供各項標(biāo)準的通信業(yè)務(wù)。



　　根據(jù)國內(nèi)外多數(shù)預(yù)測，在21世紀前十余年，第三代移動通信的市場發(fā)展可能至少分為如下三個階段：



·初期，2001-2005年。其特點為：第二代移動通信繼續(xù)發(fā)展和擴大，在第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在局部地區(qū)（城市等用戶集中地區(qū)）提供第三代移動通信業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率限制在384kbps及以下，地區(qū)或國際漫游依賴于第二代移動通信系統(tǒng)：



·中期，2004～2010年。它是第三代移動通信系統(tǒng)的高速成長期，其特點為：第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)停止發(fā)展，建設(shè)成功全國或全球覆蓋的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)，全面達到IMT2000的各項要求。



·后期，2010年以后，全球25％以上人口使用第三代移動通信系統(tǒng)，第四代移動通信設(shè)備開始進入市場，提供更高速率的多媒體業(yè)務(wù)。



3G發(fā)展面臨的問題



　　3G的兩個主要標(biāo)準WCDMA（由3GPP制定）和CDMA2000（由3GPP2制定）都有3個版本，每個版本內(nèi)容都有一定差別，還有TD-SCDMA。



　　標(biāo)準的不穩(wěn)定勢必帶來產(chǎn)品不成熟的后果。目前已經(jīng)推向市場的3G系統(tǒng)都是低版本的，要不了多久就需要更新。3G手機產(chǎn)品的滯后現(xiàn)已成為困擾3G發(fā)展的重要問題之一。



　　3G走向商用需要大量資金。僅在歐洲，移動運營商要為3G頻率支付近2000億美元的許可證費，這使一些主要電信運營商普遍陷入了財務(wù)危機，很難在短時間內(nèi)再花費數(shù)千億美元去建設(shè)3G網(wǎng)絡(luò)。



　　3G是定位于移動數(shù)據(jù)和移動多媒體業(yè)務(wù)的。迄今我們都不能很好回答：人們真正的寬帶需求是什么？移動寬帶多媒體業(yè)務(wù)中最具吸引力的是什么？不同國家的不同切入點又是什么？什么能使人們愿意為寬帶付錢，使運營商獲利？回答這些問題是3G目前遇到的最大困難。



　　據(jù)芬蘭研究機構(gòu)VTT公司預(yù)計，十年內(nèi)3G移動電話網(wǎng)絡(luò)就將被一個新的第五代（5G）網(wǎng)絡(luò)所取代。



　　VTT研究教授Pertti Raatikainen說：“在未來5-10年里，人們可以通過多網(wǎng)絡(luò)終端、GPRS、3G和無線局域網(wǎng)實現(xiàn)連接，而這種在不同網(wǎng)絡(luò)之間的漫游就被成為4G/但是，2010年以后，一種被稱為5G的網(wǎng)絡(luò)將會使3G變得過時。



3G技術(shù)的局限性



　　盡管3G要比2G優(yōu)越得多，但3G仍然遺留了一些尚未解決或僅解決了一部分的問題，在支持爆炸式增長的多媒體方面，3G系統(tǒng)還存在著一定的局限性。3G的局限性和困難主要體現(xiàn)在如下幾個方面。



·難以支持更高速率的業(yè)務(wù)。3G移動通信系統(tǒng)采用CDMA技術(shù)，CDMA是一干擾受限各種不同QoS和性能要求的高速業(yè)務(wù)之間過多的干擾，使得采用CDMA技術(shù)的3G移動通信系統(tǒng)難以支持更高速率的業(yè)務(wù)，無法滿足人們對未來高速多媒體業(yè)務(wù)的爆炸性要求。



·頻譜資源的缺乏和帶寬飽和。在12GHz頻段附近分配給3G系統(tǒng)使用的可用帶寬不久將飽和，而使用時分多址方式又受到無線管理部門的限制。



·在支持下一代的因特網(wǎng)協(xié)議（IPv6）方面存在困難。根據(jù)人們預(yù)測，IPv4能支持的因特網(wǎng)地址在2005年就會被耗盡。為了解決IP地址不足的問題，必須采用新版本的因特網(wǎng)協(xié)議IPv6，IPv6能滿足龐大的3G設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)地址的需求。但在現(xiàn)有3G系統(tǒng)中難以實現(xiàn)支持新版本的因特網(wǎng)協(xié)議（IPv6）。



·要實現(xiàn)在不同頻段間的不同業(yè)務(wù)環(huán)境中的漫游顯得非常困難。



·無法提供全范圍的多速率業(yè)務(wù)。由于受到3G空中接口標(biāo)準的限制，3G系統(tǒng)難以提供具有不同QoS和性能要求的各種多速率業(yè)務(wù)。



·缺乏端到端的無線傳輸機制。用戶在跨越一個可移動的子網(wǎng)（如藍牙、PAN等）和固定網(wǎng)絡(luò)時，3G缺乏端到端的無縫傳輸機制。



·費用高昂。由于3G運營商們在3G許可證上花費了數(shù)十億美元的巨額費用，而且在構(gòu)建3G網(wǎng)絡(luò)時，為了克服一系列技術(shù)難題，提供吸引人的商業(yè)服務(wù)模式等方面又要花費一筆不小的開支。因此，運營商將會把這些費用轉(zhuǎn)嫁到用戶身上，使得3G的費用就變得格外高昂。據(jù)初步估計，在不包括用戶下載的數(shù)據(jù)費用時，3G業(yè)務(wù)月租費也將在90～100美元左右，這樣高的價格將很難吸引用戶。



　　為了解決3G中遇到的上述問題，滿足人們對高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，有必要開發(fā)具有更強大多媒體業(yè)務(wù)能力，能提供更多應(yīng)用業(yè)務(wù)和更高傳輸容量的4G移動通信系統(tǒng)。I



二、未來的移動寬帶服務(wù)



　　在3G腳跟未穩(wěn)、步履維艱的時候，包括第4代（4G）在內(nèi)的后3G移動通信系統(tǒng)現(xiàn)在已引起了業(yè)界關(guān)注，被提到研究日程。那么，它的動力來自何方？



　　從目前來看，移動業(yè)務(wù)的一個增長點就是以IP業(yè)務(wù)為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在2001年11月份僅一個月全世界就發(fā)送了300億條短信息；日本I-mode的用戶數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)超過3000萬，全球已經(jīng)推出的WAP手機超過5000萬部。WAP網(wǎng)站超過一萬個。據(jù)對未來來移動市場的預(yù)測，話音業(yè)務(wù)增長慢，到2010年比現(xiàn)在約增加1倍。多媒體業(yè)務(wù)量在2005年左右約與話音業(yè)務(wù)相等，但將繼續(xù)高速增長，到2010年約占全部業(yè)務(wù)的70％-80％。



　　這期間的業(yè)務(wù)特征主要是：（1）多媒出業(yè)務(wù)量年均增長率高達40％；（2）將出現(xiàn)10Mbit/s級的超高速多媒體業(yè)務(wù)（VHMM），估計占高速多媒體業(yè)務(wù)（HMM）的一半。3G是定位于多媒體服務(wù)與應(yīng)用的，所以可以預(yù)料在3G以后多媒體服務(wù)與應(yīng)用將廣泛使用起來。這就需要用帶寬更寬的無線技術(shù)與功能更強的終端來支持，對用戶而言，更需要的是不同環(huán)境之間的無縫傳輸、良好的服務(wù)質(zhì)量（QoS）和能夠?qū)е鲁浞指偁幣c新商業(yè)模式的出現(xiàn)。3G在這些方面都有一定的局限性，其帶寬能力是有限的，因為它的最高速率才2Mbit/s，而且只能在很短的距離范圍內(nèi)和有限的移動條件下提供。將來用戶為了運行一個特別的應(yīng)用程序，可能需要目前一個小區(qū)的全部容量。這時容量就成為一個問題了，就需要后3G系統(tǒng)來解決。



　　此外，根據(jù)發(fā)展趨勢，將來隨著IPv6的實施，下一代便攜式消費者電器和通信設(shè)備將支持高速率的多媒體業(yè)務(wù)。其應(yīng)用包括高質(zhì)量聲像配送、多兆字節(jié)音樂和圖像文檔傳送等。這些應(yīng)用必須得到幾十Mbit/s高速率無線網(wǎng)絡(luò)的支持和服務(wù)，這種網(wǎng)絡(luò)稱為無線個人域網(wǎng)（WPAN），它也是屬于4G系統(tǒng)的一個成員。



三、第四代移動通信系統(tǒng)的展望



　　據(jù)有關(guān)專家預(yù)測，在今后10年移動電話和Internet服務(wù)的發(fā)展將使移動多媒體服務(wù)到2010年在發(fā)達國家將占60％的份額。這種趨勢迫使人們考慮新一代的系統(tǒng)，它能在所有的環(huán)境和各種移動狀態(tài)中傳送無線多媒體服務(wù)，滿足用戶服務(wù)質(zhì)量（QoS）的要求。



　　因此，隨著第三代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準化工作的進展，第四代移動通信系統(tǒng)的研討也開始走上舞臺。第四代移動通信系統(tǒng)在業(yè)務(wù)上、功能上、頻帶上都將不同于第三代系統(tǒng)，第四代移動通信的概念可稱為廣帶（Broadband）接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱的超過2Mb/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)）。



　　另外，第四代移動通信將在不同的固定和無線平臺和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)運行中提供無線服務(wù)，可以在任何地方寬帶接入互助網(wǎng)，包含衛(wèi)星通信，能提供信息通信之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。同時，第四代移動通信系統(tǒng)將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。



　　對于4G核心網(wǎng)絡(luò)，具有電信級QoS的IPv6將是未來的主要發(fā)展趨勢。



　　作為第四代移動通信技術(shù)，其主要的要求是：



　　第一，數(shù)據(jù)率要超過UMTS，即從2Mb/s提高到100Mb/s，移動速度上要從步行到車速。



　　第二，滿足第三代移動通信尚不能達到的在覆蓋、質(zhì)量、造價上支持的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務(wù)的需要。廣帶無線局域網(wǎng)（WLAN）應(yīng)能與B-ISDN和ATM兼容，實現(xiàn)廣帶多媒體通信，并形成綜合廣帶通信網(wǎng)（IBCN）。



　　第三，對全速移動用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量的影像服務(wù)。



　　據(jù)有關(guān)專家預(yù)測：這種以寬帶、接入因特網(wǎng)、具有多種綜合功能的第四代移動通信系統(tǒng)，很可能到2010年就會出現(xiàn)相關(guān)的實驗系統(tǒng)和手機模型。



4G移動通信系統(tǒng)介紹



　　第一、二代移動通信系統(tǒng)的空中接口速率只有幾百Kbit/s，即將投入使用的3G移動通信系統(tǒng)IMT-2000在室內(nèi)環(huán)境下能提供2Mbit/s的速率，在車速情況下其速率至少為144kbit/s。當(dāng)今的移動通信系統(tǒng)正向著高數(shù)據(jù)率、高度移動性和大范圍覆蓋方向發(fā)展。



　　隨著具有更強數(shù)據(jù)通信能力的第3G移動通信系統(tǒng)IMT-2000投入使用和Internet業(yè)務(wù)的爆炸性增長，人們對移動多媒體業(yè)務(wù)的需求也會更加強烈。通過移動網(wǎng)絡(luò)提供訪問Internet，收發(fā)Email，多媒體視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)已經(jīng)吸引了業(yè)界的極大注意。根據(jù)國外有關(guān)部門的研究表明，在1999～2010年間，話音業(yè)務(wù)的用戶數(shù)將增長1.5倍，其業(yè)務(wù)量將翻倍，但從2010年后，話音業(yè)務(wù)量不會再有大的增長，將維持在穩(wěn)定水平。不過，2010年后，基于3G系統(tǒng)的多媒體業(yè)務(wù)會迅速增長。據(jù)估計，到2010年，多媒體業(yè)務(wù)量將會是話音業(yè)務(wù)量的之倍。2010年以后的多媒體業(yè)務(wù)量將以年均40％的增長率發(fā)展，到2015年的多媒體業(yè)務(wù)量將是目前的23倍，屆時的多媒體和話音業(yè)務(wù)量之比將達到10∶1。



　　由此可見，未來多媒體業(yè)務(wù)量至少是當(dāng)前3G系統(tǒng)所承諾容量的10倍。而且，由于當(dāng)前的3G系統(tǒng)還存在著一定的局限性，3G系統(tǒng)有限的容量很難支持今后爆炸式增長的多媒體業(yè)務(wù)，難以滿足人們對多媒體業(yè)務(wù)的需求，在這種情況下，4G移動通信系統(tǒng)的研究就自然成為了國內(nèi)外研究的熱點。



4G的特點



　　與3G相比，4G技術(shù)無論在通信范圍、通信質(zhì)量、支持高速數(shù)據(jù)不夠媒體業(yè)務(wù)的能力等其它任何方面都比3G有很多超越之處。



·高速信息傳輸率



　　4G移動通信技術(shù)的信息傳輸速率要比3G移動通信技術(shù)的信息傳輸速率高一個數(shù)量級。目前，3G系統(tǒng)在室內(nèi)靜止環(huán)境下的最高速率能達妻2Mbit/s，車速環(huán)境下為144kbit/s，正在開發(fā)的5GHz頻帶的無線局域網(wǎng)（WLANS）和其它無線寬帶接入系統(tǒng)在室內(nèi)/步行環(huán)境下能支持20～30Mbit/s的傳輸速率，而在4G系統(tǒng)，由于采用了寬帶OFDM技術(shù)，在車輛情況下其最低能支持的速率也將超過20Mbits/s。



·高效使用無線頻譜資源



　　與3G系統(tǒng)相比4G系統(tǒng)的一個主要優(yōu)勢在于其采用的OFDM技術(shù)能夠高效使用無線頻譜資源。與3G系統(tǒng)不同的是，4G中采用的OFDM技術(shù)每Hz的帶寬更高，無線系統(tǒng)的容量也更大，而且OFDM技術(shù)抗信號衰落性能更好。



·智能的資源分配



　　在資源分配方面，4G也要比3G靈活得多，4G中的資源分配具有根強的智能性、自組織性和靈活性，能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量和業(yè)務(wù)特征進行自適應(yīng)的資源分配，該技術(shù)能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)和自行變化的信道條件，使低碼速率與高碼速率的用戶能夠共存。因此，在資源的智能化分配方面4G要比2G、3G先進。



·廣泛的覆蓋面積



　　移動通信的一個主要優(yōu)點就是具有獨立于時間和地點進行通信的能力，擴展移動通信系統(tǒng)的服務(wù)區(qū)域一直以來就是移動運營商的一個重要問題。2G系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了將近100％的有人口地區(qū)，人們預(yù)計4G系統(tǒng)的覆蓋面積也會與2G系統(tǒng)相當(dāng)。



　　4G系統(tǒng)的傳輸速率超過20Mbit/s，是2G的1000多倍，3G的10倍多。一般地，在其它條件相同情況下，由于4G的無線信號以更高的速率傳輸，因此為了補償增加的噪聲干擾值，4G系統(tǒng)的基站（BS）覆蓋半徑將會變小。另外，4G系統(tǒng)將工作在更高的頻段上，其無線信號的傳輸損耗也高于2G和3G系統(tǒng)。根據(jù)有關(guān)計算，在無線傳輸方案不變情況下，當(dāng)工作頻率為2GHz，信道速率大于30Mbit/s或者工作于8GHz頻率，信道速率大于2Mbit/s時，小區(qū)半徑將不到3G系統(tǒng)的一半。這表明，如果要達到與3G系統(tǒng)一樣的覆蓋面積，4G系統(tǒng)的基站數(shù)量將會是3G系統(tǒng)的4倍。



　　此外，為了承載大量增長的業(yè)務(wù)，4G系統(tǒng)的容量應(yīng)比現(xiàn)有3G系統(tǒng)容量大10倍，考慮到由于受受到頻率資源的限制，增加系統(tǒng)容量的其中一個解決方案就是通過減少基站的覆蓋半徑來達到。



·分層的服務(wù)區(qū)域



　　盡管人們希望所有終端都能通過無線鏈路連接到網(wǎng)絡(luò)，但由于受到功率和天線尺寸的限制，小型終端要直接連到4G系統(tǒng)還是很困難的，盡管如此，但在短距離內(nèi)，小型終端之間還是能夠交換無線信號的。另外，通過使用4G系統(tǒng)中的微型基站，小型終端可以通過微型基站接入4G系統(tǒng)。在4G中，微型基站起到移動終端的作用。采用這種配置后，4G的服務(wù)區(qū)域就由許多重疊小區(qū)組成。



　　由于多媒體通信是數(shù)據(jù)通信的發(fā)展趨勢，這對通信系統(tǒng)提出了越來越高的要求；發(fā)過來，移動通信系統(tǒng)的發(fā)展又進一步刺激了多媒體通信的更快發(fā)展，從而演繹了一幅波瀾壯闊的發(fā)展局面。我們相信，在不久的將來4G在業(yè)務(wù)、功能、頻寬上均有別于3G，應(yīng)該將會是將所有無線服務(wù)綜合在一起，能在任何地方接入因特網(wǎng)，包括定位定時、數(shù)據(jù)收集、遠程控制等功能。預(yù)計兩年后3G的傳輸速度上限2Mbit/s很可能會到達飽和，所以4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP的系統(tǒng)，是新一代的移動通信系統(tǒng)，它必將使移動多媒體通信達到一種嶄新的發(fā)展境界。



李學(xué)養(yǎng) 北京首信通信股份有限公司IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所所長，工學(xué)碩士，副教授



高立志 北京首信通信股份有限公司與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士后




摘自　中國無線通信