通信網(wǎng)banner.jpg)
相關(guān)專題：
北方交通大學(xué)現(xiàn)代通信研究所
摘要 隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)逐步實(shí)施，移動(dòng)通信未來的發(fā)展及演進(jìn)問題成了研究熱點(diǎn)。文章在綜合分析當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，提出了第四代移動(dòng)通信發(fā)展的4種趨勢，并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)問題的實(shí)現(xiàn)思路進(jìn)行分析和闡述。
關(guān)鍵詞 第四代移動(dòng)通信 廣帶化 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊 軟件無線電 靈活自適應(yīng)
移動(dòng)通信已經(jīng)經(jīng)歷了三代發(fā)展歷程，每一代的發(fā)展都基于技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代移動(dòng)通信從發(fā)明蜂窩概念開始，通過頻率復(fù)用增大了系統(tǒng)容量，實(shí)現(xiàn)了語音移動(dòng)通信；第二代移動(dòng)通信用數(shù)字技術(shù)取代模擬技術(shù)，增加了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第三代移動(dòng)通信的頻帶利用率更高，每用戶比特速率更大，并使移動(dòng)通信與Internet進(jìn)一步融合，為移動(dòng)中的人們提供廣泛的基于IP的多媒體業(yè)務(wù)。未來移動(dòng)通信的目標(biāo)是為每個(gè)人提供綜合的廣帶業(yè)務(wù)，并在業(yè)務(wù)獲得及網(wǎng)絡(luò)性能上提供前所未有的靈活性。針對(duì)上述要求，下文將對(duì)第四代移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并介紹當(dāng)前的研究現(xiàn)狀。
1 廣帶化的趨勢
為了滿足第四代移動(dòng)通信的速率及容量要求，必須研究可以提供最大150Mb/s傳輸速率的新的廣帶無線接入系統(tǒng)。自1996年開始，移動(dòng)廣帶系統(tǒng)的研究就在歐洲、美國及日本等地廣泛進(jìn)行。僅以歐洲為例，就有多個(gè)項(xiàng)目在進(jìn)行移動(dòng)廣帶系統(tǒng)研究（如先進(jìn)移動(dòng)廣帶應(yīng)用系統(tǒng)SAMBA、專業(yè)及住宅多媒體廣帶MEDIAN CPN/LAN、無線ATM網(wǎng)絡(luò)演示W(wǎng)AND、ATM無線接入通信系統(tǒng)AWACS、衛(wèi)星移動(dòng)多媒體通信EHF SECOMS以及ACTS廣帶通信聯(lián)合試驗(yàn)和展示ACCORD等）。上述6個(gè)項(xiàng)目中，前4個(gè)研究的是陸地移動(dòng)廣帶系統(tǒng)，第5個(gè)研究衛(wèi)星系統(tǒng)，第6個(gè)研究陸地與衛(wèi)星廣帶系統(tǒng)綜合的問題。在陸地移動(dòng)廣帶系統(tǒng)方面，MEDIAN項(xiàng)目的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)工作于60GHz室內(nèi)環(huán)境的高速WLAN，可支持150Mb/s傳輸速率，WAND實(shí)現(xiàn)了一個(gè)工作在5GHz頻段的無線ATM演示系統(tǒng)，可支持最大20Mb/s的傳輸速率，AWACS項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)工作于19GHz頻段TDD模式的演示系統(tǒng)，可支持34Mb/s傳輸速率，SAMBA是唯一研究移動(dòng)蜂窩廣帶系統(tǒng)的項(xiàng)目，其目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)工作于40GHz頻帶的試驗(yàn)平臺(tái)，支持34Mb/s全雙工傳輸能力。除以上項(xiàng)目外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織ETSI還進(jìn)行了廣帶無線接入網(wǎng)（BRAN）的研究，并對(duì)高性能無線局域網(wǎng)類型2（HIPERLAN2）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
目前，移動(dòng)廣帶系統(tǒng)（MBS）的研究工作仍在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行著，典型的項(xiàng)目有基于IP的廣帶接入無線網(wǎng)絡(luò)（BRAIN）、無線室內(nèi)靈活高比特速率Modem結(jié)構(gòu)（WIND-FLEX）、自適應(yīng)廣帶固定和移動(dòng)無線接入網(wǎng)絡(luò)光波束成形天線（OBANET）、高數(shù)據(jù)速率多媒體衛(wèi)星廣帶接入（BRAHMS）等。這些項(xiàng)目的共同目標(biāo)是研究可以增大無線空中最大傳輸容量技術(shù)，這些技術(shù)可以基于用戶前端網(wǎng)絡(luò)（如WLAN、蜂窩廣帶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)）。各種移動(dòng)廣帶技術(shù)的研究及系統(tǒng)創(chuàng)建是邁向第四代移動(dòng)通信的關(guān)鍵步驟，這些系統(tǒng)可以在室內(nèi)（或室外）環(huán)境為UMTS提供容量（或覆蓋范圍）補(bǔ)充，既滿足第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)廣帶傳輸?shù)囊�，又可以通過衛(wèi)星系統(tǒng)達(dá)到無所不在的覆蓋。上述系統(tǒng)研究的另一個(gè)共同特征是促進(jìn)端到端的IP應(yīng)用，基于共同的IP平臺(tái)，使不同網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)可以便易地融合，使未來移動(dòng)系統(tǒng)成為一個(gè)真正的基于IP的多媒體廣帶無線接入系統(tǒng)。
2 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊的趨勢
未來的廣帶無線接入系統(tǒng)將包括許多互聯(lián)或綜合的子系統(tǒng)，為固定和移動(dòng)用戶提供無縫的廣帶業(yè)務(wù)，這些子系統(tǒng)包括上述可提供高速數(shù)據(jù)速率的各種移動(dòng)廣帶系統(tǒng)（MBS）、固定無線接入（FWA）系統(tǒng)、廣帶衛(wèi)星多媒體（BSM）以及可支持高速移動(dòng)的UMTS和GSM等。這些起初都為不同的應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)建的，并向不同的方向發(fā)展。隨著網(wǎng)絡(luò)的融合演進(jìn)以及用戶對(duì)廣帶無逢接入的需求，這些系統(tǒng)將基于IP不斷地互聯(lián)和綜合，互聯(lián)是為了提供無所不在的覆蓋，網(wǎng)絡(luò)綜合主主要指網(wǎng)絡(luò)功能的綜合，使每個(gè)子系統(tǒng)都可以提供相同的業(yè)務(wù)，可以為相同的用戶服務(wù)（GSM、UMTS不能提供廣帶業(yè)務(wù)，但可通過下面將提到的網(wǎng)絡(luò)重疊策略實(shí)現(xiàn)，而GSM、UMTS可以為同一范圍內(nèi)的低速率數(shù)據(jù)用戶服務(wù)以節(jié)省廣帶系統(tǒng)的資源），雖然各自采用不同的結(jié)構(gòu)和接入技術(shù)。由于各種網(wǎng)絡(luò)受其工作頻帶和技術(shù)等因素限制，覆蓋范圍差異很大，而且為了滿足機(jī)場和市中心等人多地區(qū)的高容量需求，可以在UMTS上重疊創(chuàng)建移動(dòng)廣帶系統(tǒng)，使網(wǎng)絡(luò)呈重疊趨勢，并可根據(jù)用戶應(yīng)用對(duì)速率及QoS性能的要求，動(dòng)態(tài)地選擇接入網(wǎng)絡(luò)，在系統(tǒng)資源使用狀況發(fā)生變化時(shí)，還可以靈活地使應(yīng)用業(yè)務(wù)在不同的空中接口技術(shù)、不同的接入網(wǎng)絡(luò)間快速切換，前提是用戶終端具備多模、多頻帶操作能力。無論網(wǎng)絡(luò)如何互聯(lián)、綜合或重疊，用戶只需提供所需業(yè)務(wù)的QoS要求，即可以得到透明服務(wù)，不必關(guān)心為其提供服務(wù)的具體技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，也不用了解終端如何與不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)商qoS、網(wǎng)絡(luò)間如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)全速的資源分配、終端如何在不同的技術(shù)模式和網(wǎng)絡(luò)間切換和漫游、漫游中不同的網(wǎng)絡(luò)如何克服通信操作的差異，自適應(yīng)地滿足其變化的QoS要求等等。上述廣帶化以及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊的趨勢為第四代廣帶無縫移動(dòng)通信提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
3 軟件無線電的趨勢
為了實(shí)現(xiàn)無縫接入和透明業(yè)務(wù)，用戶終端必須是可多模、多頻帶操作，而且必須能自動(dòng)進(jìn)行模式識(shí)別，并可在用戶和網(wǎng)絡(luò)指示下或根據(jù)用戶及QoS要求，自適應(yīng)地進(jìn)行模式切換以及相應(yīng)的一系列操作，這樣的終端又稱為可配置終端。可配置終端將滿足人們對(duì)高靈活性、可擴(kuò)展性以及多功能通信設(shè)備的需求，真正實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信的單號(hào)碼特征（無論在家、辦公室、移動(dòng)中以及任何通信環(huán)境均采用同一終端）。目前，對(duì)可配置終端的研發(fā)主要基于軟件無線電技術(shù)，軟件無線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)，下面對(duì)利用軟件無線電技術(shù)開發(fā)可配置終端應(yīng)具備的主要框架、功能及特點(diǎn)進(jìn)行描述。
可配置用戶終端應(yīng)具備模式識(shí)別和模式轉(zhuǎn)換的功能，為了輔助不同模式間的切換，終端還應(yīng)具有適時(shí)的軟件下載功能以及可配置的基帶結(jié)構(gòu)是可配置終端應(yīng)具備的基本特征。
模式識(shí)別是支持系統(tǒng)間漫游的關(guān)鍵模塊，其功能是發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和監(jiān)測新的無線接入技術(shù)（RAT），并在檢測到一個(gè)RAT時(shí)與之相連，并獲取其可以提供的業(yè)務(wù)以及質(zhì)量參數(shù)信息。模式識(shí)別程序分為盲識(shí)別和輔助識(shí)別。盲識(shí)別指終端在無需外界支持或先驗(yàn)知識(shí)情況下完全自主的模式識(shí)別方式，而輔助識(shí)別是在給出一些關(guān)于無線環(huán)境的信息條件下進(jìn)行的。識(shí)別RAT需進(jìn)行某種能量檢測，檢測能量的大小、頻譜分布以及該能量與一些預(yù)先定義函數(shù)的相關(guān)性等參數(shù)，幫助確定一種RAT。就模式識(shí)別進(jìn)行的時(shí)間而言，可將其分為兩種，即起始模式識(shí)別和交替模式識(shí)別。起始模式識(shí)別的特點(diǎn)是，終端在打開電源后，首先在較大頻譜范圍內(nèi)掃描搜索所有可能的模式，然后再選擇合適的工作模式；交替模式識(shí)別時(shí)，首先尋找一個(gè)可工作的模式進(jìn)行連接，然后在該工作模式網(wǎng)絡(luò)的輔助下進(jìn)行其它模式識(shí)別。
模式切換一般發(fā)生于下述情況：當(dāng)前工作模式的質(zhì)量變得不可接受時(shí)，或根據(jù)用戶、業(yè)務(wù)提供者、網(wǎng)絡(luò)提供者的指示要求新模式明顯優(yōu)于當(dāng)前模式時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)重疊的情況下模式切換還可以被用來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷平衡。模式轉(zhuǎn)換要涉及終端和網(wǎng)絡(luò)的重新配置以及網(wǎng)絡(luò)資源的重新分配，必要時(shí)還需下載相應(yīng)軟件，包括應(yīng)用和業(yè)務(wù)提供軟件、用于改變空中接口和承載業(yè)務(wù)的RAT協(xié)議棧以及安裝所需的設(shè)備配置文件和許可等。進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換后，終端還需進(jìn)行鑒權(quán)和位置信息更新，然后便可以起動(dòng)在新無線網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)。為了減少終端與網(wǎng)絡(luò)實(shí)仨的交互，節(jié)省無線鏈路資源，可通過當(dāng)前無線接入網(wǎng)中的代理配置管理器（PRM）實(shí)體與新網(wǎng)絡(luò)的PRM進(jìn)行交互，了解新網(wǎng)絡(luò)可提供的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)承載參數(shù)，代替終端進(jìn)行業(yè)務(wù)協(xié)商和業(yè)務(wù)請(qǐng)求，為終端的模式切換做好準(zhǔn)備，從而保證業(yè)務(wù)在模式切換中的不間斷性。
為了適應(yīng)不同模式RAT對(duì)基帶功能（如調(diào)制解調(diào)器、FEC和譯碼等）的不同要求，可配置終端的基帶也必須具有可配置特點(diǎn)，即通過重新配置基帶處理鏈上各節(jié)點(diǎn)的屬性及功能，滿足模式切換或應(yīng)用QoS的動(dòng)態(tài)要求，可配置基帶系統(tǒng)包含一個(gè)可配置基帶管理模塊，負(fù)責(zé)接收來自終端高層管理模塊的指示，下載重新配置基帶節(jié)需要的軟件，構(gòu)造符合要求的基帶處理鏈，并指示基帶處理鏈間的轉(zhuǎn)換。
軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)RAT的自我更新及演進(jìn)功能，同樣也應(yīng)具備基帶可配置、開放的結(jié)構(gòu)、模塊及系統(tǒng)升級(jí)能力、適時(shí)的軟件下載更新能力以及與終端及網(wǎng)管動(dòng)態(tài)交互的能力等。與可配置終端應(yīng)用不同的是，無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)軟件無線電的情況更復(fù)雜，涉及的因素更多，需要更深入的研究。
4 靈活和自適應(yīng)的發(fā)展趨勢
第四代移動(dòng)通信具有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)/綜合/重疊、終端的跨模式漫游、端到端的IP多媒體應(yīng)用等特性，在許多網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)環(huán)節(jié)上都需要靈活和自適應(yīng)的解決方案。其中，通用靈活的系統(tǒng)資源管理方法以及跨越不同網(wǎng)絡(luò)RAT的端到端QoS保證被認(rèn)為是綜合廣帶多媒體通信的挑戰(zhàn)。
4.1 靈活的資源管理結(jié)構(gòu)
不同網(wǎng)絡(luò)因地域的分布差異及資源管理可擴(kuò)展性的需要，要求資源管理采用一種分布式結(jié)構(gòu)，可采用固定網(wǎng)常用的智能代理方法。另外，未來移動(dòng)通信網(wǎng)的運(yùn)營方法也會(huì)朝著網(wǎng)絡(luò)提供者（NP）及提供者（SP）的格局發(fā)展，不同的SP向一個(gè)或多個(gè)NP購買容量，用戶則向SP購買業(yè)務(wù)。不同的SP和NP有不同的商業(yè)模式和利益目標(biāo)，資源管理不但要解決基于應(yīng)用的容量分配問題，還要協(xié)商和平衡各代表實(shí)體的利益和要求。一種基于代理的資源管理結(jié)構(gòu)模型，它包含三個(gè)平面，資源代理、用戶代理、SP代理和NP代理等位于不同的平面和層次，每一代理都由響應(yīng)部分（負(fù)責(zé)快速響應(yīng)請(qǐng)求）、思考部分（優(yōu)化小區(qū)間分配）和協(xié)作部分（用于代理間的協(xié)調(diào)工作）組成。三個(gè)平面的功能分別是：工具平面包含一些實(shí)體，負(fù)責(zé)保證協(xié)商平面的順利、安全交互，為協(xié)商平面提供合約、協(xié)議和鑒權(quán)等支持；協(xié)商平面是用戶、SP和NP交互的平面，提供本層各代理之間的通信接口和與相鄰層的業(yè)務(wù)交互接口；資源平面是NP對(duì)其小區(qū)內(nèi)及小區(qū)間資源進(jìn)行管理的平面，負(fù)責(zé)管理所有的低層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，包括切換和小區(qū)選擇管理、小區(qū)大小管理以及超負(fù)荷時(shí)將業(yè)務(wù)向其它網(wǎng)絡(luò)輸送均衡的管理等�？梢钥闯鲞@個(gè)結(jié)構(gòu)模型可提供各層次提供通信協(xié)調(diào)和交互，具有可擴(kuò)展性，可用于未來高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和多變的應(yīng)用要求。
4.2 自適應(yīng)的端到端QoS保證
第四代移動(dòng)通信綜合了多種RAT和網(wǎng)絡(luò)，但要求網(wǎng)絡(luò)層采用全I(xiàn)P的方式，實(shí)現(xiàn)無所不在的連接，不同的RAT提供無縫的下層業(yè)務(wù)承載。通常，IP流會(huì)跨多網(wǎng)傳輸，對(duì)于保證端到端的qos問題，可有用以下兩種解決方案。一種是采用無線適配層，另一種是采用自適應(yīng)終端和QoS代理。在第一種方案中，IP業(yè)務(wù)與經(jīng)過的所有網(wǎng)絡(luò)建立QoS合同，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過在IP層與RAT之間增加無線適配層（WAL）來保證各自的QoS合同，從而保證端到端的qoS。不同網(wǎng)絡(luò)需要的WAL不同，但具有相同的結(jié)構(gòu)和操作模式，一般包括傳輸/鏈路層控制機(jī)制（負(fù)責(zé)補(bǔ)償不同的無線媒體損耗，提高可靠性及網(wǎng)絡(luò)吞吐量）和業(yè)務(wù)控制機(jī)制（負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)延時(shí)要求進(jìn)行資源優(yōu)先級(jí)分配）。WAL是一個(gè)開放的解決方案，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)要求，增加或刪減處理模塊，模塊的功能和屬性也可采用軟件無線電技術(shù)進(jìn)行自適應(yīng)配置和升級(jí)。第二種方法采用自適應(yīng)終端和QoS代理，QoS代理位于無線接入網(wǎng)中，當(dāng)終端檢測到另一種更適合的網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)（包括重疊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況的模式切換和跨多網(wǎng)絡(luò)時(shí)的模式間漫游），通知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理與新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理進(jìn)行業(yè)務(wù)QoS協(xié)商，協(xié)商完成時(shí)，新網(wǎng)絡(luò)中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進(jìn)行相應(yīng)的資源預(yù)留，自適應(yīng)終端也根據(jù)協(xié)商的結(jié)果，自適應(yīng)地調(diào)整其業(yè)務(wù)參數(shù)，然后進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換（即網(wǎng)間切換），每次切換時(shí)進(jìn)行同樣操作也可保證端到端的QoS。未來的趨勢將是以上方法或更多方法的有效結(jié)合。
目前，對(duì)第四代移動(dòng)通信（4G）進(jìn)行確切定義還為時(shí)尚早，本文根據(jù)當(dāng)前的研究方向及現(xiàn)狀對(duì)4G發(fā)展的趨勢進(jìn)行預(yù)測，分析了4G可能具備的特點(diǎn)：例如4G將采用新的無線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣帶要求；將包含不同的網(wǎng)絡(luò)和不同的RAT，終端和基站會(huì)采用軟件無線電技術(shù)，具有多模、可配置、易升級(jí)及開放的特性，將采用端到端IP結(jié)構(gòu)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，提供端到端的廣帶多媒體業(yè)務(wù)等，要實(shí)現(xiàn)上述要求，技術(shù)解決方案應(yīng)具有靈活、自適應(yīng)的特點(diǎn)。文章還對(duì)配置終端的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)資源的管理、端到端QoS的自適應(yīng)保證等重要問題進(jìn)行了分析和探討，給出了框架和思路。
摘自《電信快報(bào)》
