4G概念移动通信

1、引言

随着对带宽的需求的增加，通信技术的发展一度出现2.5G和2.75G的中间过渡代。当3G移动业务刚刚迈出脚步，就出现了支持语音、数据和视频三种格式的传输技术高速下行链路分组接入技术。与此同时，真正意义上的宽带数据速率标准4G概念也开始出现，它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统、互操作的广播网络和卫星系统等，将是多功能集成的宽带移动通信系统，可以提供的数据传输速率高达100 Mbit/s甚至更高，也是宽带接入IP系统。

从通信技术标准的发展历程来看，可分成四大主线和两大派别。其中四大主线指：3GPP、3GPP2，WiMAX和区域性标准；两大派别指：北美的IEEE 802.xx标准和欧洲的3G的UMTS标准。标准的分化加大了低成本建设网络的复杂度。定义可用的频谱资源是另一种分化标准，而且这种分化标准便于引入新的技术。最佳的分配方案就是在全球范围下进行资源的统一分配，但是由于无线规划需要与异构频谱资源的部署相适应，随着频谱需求区域规模的扩大，很难达成统一的无线规划方案。但是我们可以在相同频带内使用不同的标准，前提是终端用户能自由选择无线接入方式。

2、4G的概念和要求

简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这种新网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。4G最突出的特点之一，就是网路传输速率达到了前所未有的100Mbit/s，完全能够满足用户的上网需求。4G系统总的技术目标和特点可以概括为：系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势。以下从不同的角度讨论4G系统的要求。

2.1　从网络角度

统一的移动性和安全性管理，要求考虑不同网络对等实体的交互。主要解决的问题是漫游时会话的不间断性和服务的流动性，目前已经出现一些解决方案来完成此项功能，如移动IP技术和会话初始协议（SIP）。

端到端的QoS协商支持，涉及到网络层及以上的互联网协议体系。3GPP起草了UMTS网络的综合QoS架构，现在正致力于通用的QoS架构的研究。

采用中介服务器进行用户认证、授权和计费。随着IP网络的发展，运营商需要必需为上千并发用户经由不同技术同时接入网络提供AAA服务，还必须能安全地支持跨网AAA服务，且应具有良好的扩展性，这就要求扩展现有AAA协议的功能。鉴此，IETF正着手开发下一代AAA协议，即Diameter 协议。Diameter是一个轻型的对等式的AAA协议，采用了改进的重发机制，提高网络可靠性，同时还提供一种新的端到端的安全机制。图1所示为 Diameter新引入的中介服务器向漫游用户提供AAA服务。采用中介服务器可以减少访问网络代理服务器的配置工作量，网络扩展时只需要更新中介服务器的配置，有利于提高协议的可扩展性。

图1　Diameter中介服务器

2.2　从终端角度

支持多种通信模式，具有适应能力和重配置能力。终端可以通过自身的重配置来改变接入方式，开放式的软件无线电架构和标准化环境为此提供可能。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变 QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端。

ABC连接。ABC（Always Best Connected）使终端在不同无线接入网中实现无缝切换，通过给每个用户提供最合适的服务来达到整个网络的最优性能和资源利用率。实现ABC业务的关键技术在于接入网络的选择，影响接入网选择的QoS因子有：可达性、吞吐量、时间集、可靠性、安全性和成本。我们用X代表越小越好的因子集，如功率，误码率等，用Y代表越大越好的因子集，如安全性，可靠性，吞吐量等。Sb代表大于门限值Ts才符合要求的元素集合，如带宽、覆盖面积，Ss代表小于门限值Tb才符合要求的元素集合，如抖动、时延。这样网络选择就可归结为基于约束的优化问题：

W1，W2是权重，用户可以通过改变形W1，W2和Ts，Tb的值来选择满足自己要求的接入网，从而实现个性化服务。

接入网的发现和选择。在GSM网中，基站通过周期性地广播信号到终端进行业务处理，但在4G异构网络中，如图2所示，由于不同的接入协议和无线技术，需要用到比较复杂的技术，这里提供两种参考方案：一种是使用软件无 线电技术扫描可用网络；另一种是使用无线广播信道广播终端用户所能到达的接入网。

2.3　从用户角度

用户信息管理。在ABC服务中，需要考虑用户的参数选择来决定网络的选择。通过广播自己的配置参数，用户可以接入相同的无线广播信道并发现可达接入网。

单识别机制。每个用户分配一个独立于终端和接入网的唯一标识码和动态的移动IP地址，并且运用动态的移动IP地址管理架构方便内部用户交互式地实时通信管理。

2.4　从业务角度

在有限的接入网和终端资源条件下，业务相对于接入网和终端的适应性以及复杂环境中的业务部署和实施，需要充分利用终端和基础网络的可配置性，才可以使资源利用率达到最优。

可以使用相同的无线广播信道，完成接入网的业务广播和检测功能。这样做有利于业务的快速建立，保证业务连续性和ABS（Always Best Service）。根据前面提到的ABC技术，网络总是能给用户提供一个在相对区域范围内的最好服务。

3、4G中的IP网络结构

3.1　IPv6技术

IPv6技术以其巨大的地址空间将在一段可预见的时期内，它能够为所有网络设备提供一个全球唯一的地址。IPv6的基本特性是支持无状态和有状态两种地址自动分配方式，在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。移动IPv6（MIPv6）在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址，这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。

3.2　IP网络架构

在4G中网络的设计架构将会简化。对于基于IP网络的宽带无线接入，可以有两种设计架构，一种是全IP网络架构，如图3所示。在这种网络设计模型中，基站不仅可以具有信号的物理传输功能，还可以对无线资源进行管理，扮演接入路由器的功能，缺点是会引入较大的开销，尤其是在移动终端进行切换时对移动IP地址进行的配置的过程。另一种是基于子网的IP架构，如图4所示，其中几个相邻基站组成子网接入基于IP接入网的路由器。这时，基站和接入路由器分别负责管理第二层和第三层的协议，当用户在相邻基站间发生切换时，只涉及到第二层的切换协议，不需要改变第三层的移动IP的地址。表1是两种网络的比较。

表1　两种类型的网络参数比较

图3　4G全IP网络

图4　基于子网的4G IP网络

4、结束语

本文从不同的角度给出了4G概念的定义和要求，同时，我们给出了两种4G中IP网络的接入技术，并且对各自的特点做了比较。未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。随着新技术和新需求的不断出现，4G必然会取代3G，成为未来移动通信领域的主导技术。