现有通信系统向4G通信系统的演化及展望

沈 慧

南京邮电学院 南京210003

　　摘 要 随着第三代移动通信系统逐步实施，移动通信未来的发展及演进问题成了研究热点。本文综合分析了从现有通信系统向4G通信系统演化过程中所面临的难题，以及为了解决这些难题所提出的技术，并且预见了4G通信系统的发展趋势。

　　关键词 3G 4G IMT-2000 QoS

　　一、为什么要向4G通信系统演化



　　伴随着移动通信技术和移动通信市场的迅速发展，越来越多的国家已经开始部署第三代移动通信网络即3G网络。在3G网络标准IMT-2000中，概括了3G的主要特点：宽带互联，终端的移动性增强以及能够提供比2G更丰富多彩的服务。但是3G却面临一个严峻的环境，即由于3G运营牌照的昂贵和缺乏像2G中的语音和短消息这样成功的业务，导致了移动运营商们不敢冒险全面快速的部署3G网络。这就给了其他无线技术发展的机会，例如：无线局域网（WLAN）和蓝牙（Bluetooth）。


　　随着无线技术的种类越来越多，我们迫切需要将这些无线技术整合到一个统一的网络环境中去，这就是正在形成的B3G通信系统和未来的4G通信系统。B3G和4G通信系统将是未来提供宽带接入，全球无缝漫游和无处不在的数据，语音业务的最合适和最好的技术。

　　二、演化过程中的难题及解决方法



　　向4G系统的演化面临很多关键的难题，例如：网络结构的提升，信令协议的增强，要提供端对端的服务质量保证（QoS），全球范围内的无线漫游以及富有弹性的服务提供。而实现这些最基本最重要的就是物理层技术的演化。虽然现在的2.5G和3G技术可以将传输速率由348kb/s提高到2Mb/s，但是当系统繁忙时的传输速率却不会超过171kb/s。这个速率可以满足基本的语音，数据通信和无线Internet接入的要求，却不能满足互动的多媒体服务的要求比如视频会议。


　　为了提高物理层传输速率，现在提出的技术包括：（1）TDD-CDMA即time division duplex (TDD) mode of the code division multiple access(CDMA)。TDD-CDMA能够提供不对称的上下行链路传输，简化了为了提高下行链路覆盖而进行的天线部署，能够为基站和移动终端提供更加先进的接收技术。（2）OWSS即OWDM Spread Spectrum。OWSS主要是通过OWSS脉冲（pulse）来进行通信，而这个脉冲是在OWDM和扩频概念结合的基础上产生的。这一技术的优点有能够在频率选择性衰落环境下提供固有的健壮性，由于脉冲的宽频谱特性从而可以更加有效的进行均衡等等。


　　除了对于物理层的要求，4G网络同样对移动网络结构和上层协议栈提出了要求，对应于这一要求已经提出的技术有transparent IP Radio Access即透明的IP无线接入。


　　对于4G网络中的QoS，目前以下两种解决方案。一种是采用无线适配层，另一种是采用自适应终端和QoS代理。在第一种方案中，IP业务与经过的所有网络建立QoS合同，每个网络通过在IP层与RAT之间增加无线适配层（WAL）来保证各自的QoS合同，从而保证端到端的QoS。不同网络需要的WAL不同，但具有相同的结构和操作模式，一般包括传输/链路层控制机制（负责补偿不同的无线媒体损耗，提高可靠性及网络吞吐量）和业务控制机制（负责根据业务延时要求进行资源优先级分配）。WAL是一个开放的解决方案，可以根据网络特点和业务要求，增加或删减处理模块，模块的功能和属性也可采用软件无线电技术进行自适应配置和升级。第二种方法采用自适应终端和QoS代理，QoS代理位于无线接入网中，当终端检测到另一种更适合的网络模式时（包括重叠网络结构情况的模式切换和跨多网络时的模式间漫游），通知当前网络中的QoS代理与新网络中的QoS代理进行业务QoS协商，协商完成时，新网络中的QoS代理已通知资源管理控制模块进行相应的资源预留，自适应终端也根据协商的结果，自适应地调整其业务参数，然后进行模式转换（即网间切换），每次切换时进行同样操作也可保证端到端的QoS。

　　三、4G通信系统的发展趋势



　　4G通信系统的目标是为每个人提供综合的宽带业务，并在业务获得及网络性能上提供前所未有的灵活性。因此我们可以由这一目标来看4G通信系统的发展趋势。


　　1. 高速互联的趋势


　　为了满足第四代移动通信的速率及容量要求，必须研究可以提供最大150Mb/s传输速率的新的宽带无线接入系统。各种移动宽带技术的研究及系统创建是迈向第四代移动通信的关键步骤，这些系统可以在室内（或室外）环境为UMTS提供容量（或覆盖范围）补充，既满足第四代移动通信系统对宽带传输的要求，又可以通过卫星系统达到无所不在的覆盖。上述系统研究的另一个共同特征是促进端到端的IP应用，基于共同的IP平台，使不同网络和技术可以便易地融合，使未来移动系统成为一个真正的基于IP的多媒体宽带无线接入系统。


　　2. 网络集成的趋势


　　网络的集成包括了网络的互联，网络功能的综合和构建多重网络。未来的宽带无线接入系统将包括许多互联或综合的子系统，为固定和移动用户提供无缝的宽带业务，这些子系统包括上述可提供高速数据速率的各种移动宽带系统（MBS）、固定无线接入（FWA）系统、宽带卫星多媒体（BSM）以及可支持高速移动的UMTS和GSM等。这些起初都为不同的应用领域创建的，并向不同的方向发展。随着网络的融合演进以及用户对宽带无缝接入的需求，这些系统将基于IP不断地互联和综合，互联是为了提供无所不在的覆盖，网络综合主要指网络功能的综合，使每个子系统都可以提供相同的业务，可以为相同的用户服务（GSM、UMTS不能提供宽带业务，但可通过下面将提到的构建多重网络策略实现，而GSM、UMTS可以为同一范围内的低速率数据用户服务以节省宽带系统的资源），虽然各自采用不同的结构和接入技术。由于各种网络受其工作频带和技术等因素限制，覆盖范围差异很大，而且为了满足机场和市中心等人多地区的高容量需求，可以在UMTS上重叠创建移动宽带系统，构建多重网络，并可根据用户应用对速率及QoS性能的要求，动态地选择接入网络，在系统资源使用状况发生变化时，还可以灵活地使应用业务在不同的空中接口技术、不同的接入网络间快速切换，前提是用户终端具备多模、多频带操作能力。无论网络如何互联、网络功能如何综合或构建怎样的多重网络，用户只需提供所需业务的QoS要求，即可以得到透明服务，不必关心为其提供服务的具体技术和标准，也不用了解终端如何与不同的网络协商QoS、网络间如何进行动态全速的资源分配、终端如何在不同的技术模式和网络间切换和漫游、漫游中不同的网络如何克服通信操作的差异，自适应地满足其变化的QoS要求等等。上述宽带化以及网络集成的趋势为第四代宽带无缝移动通信提供了网络基础。


　　3. 软件无线电的趋势


　　为了实现无缝接入和透明业务，用户终端必须是可多模、多频带操作，而且必须能自动进行模式识别，并可在用户和网络指示下或根据用户及QoS要求，自适应地进行模式切换以及相应的一系列操作，这样的终端又称为可配置终端。可配置终端将满足人们对高灵活性、可扩展性以及多功能通信设备的需求，真正实现个人通信的单号码特征（无论在家、办公室、移动中以及任何通信环境均采用同一终端）。目前，对可配置终端的研发主要基于软件无线电技术，软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。


　　4. 灵活和自适应的发展趋势


　　包括了灵活的资源管理结构和自适应的端到端QoS保证。


　　不同网络因地域的分布差异及资源管理可扩展性的需要，要求资源管理采用一种分布式结构，可采用固定网常用的智能代理方法第四代移动通信综合了多种RAT和网络，但要求网络层采用全IP的方式，实现无所不在的连接，不同的RAT提供无缝的下层业务承载。现在采用的技术一种是采用无线适配层，另一种是采用自适应终端和QoS代理，而未来的趋势将是以上方法或更多方法的有效结合。

　　四、结束语



　　至此我们讨论了从现有通信系统向4G通信系统演化所面临的难题，提出的技术和发展的趋势。虽然不能预见在未来的4G通信系统最终会采取什么样的技术，但是我们相信不论采用何种技术，宽带，高速，灵活将是4G通信系统追求的目标。
----《中国数据通信》