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吕智勇 张更新马刈非解放军理工大学
[摘要]:第三代移动通信系统将在2002年在全球展开应用，而关于第四代移动通信系统的讨论也已全面展开。本文介绍了4G系统的基本要素；完全集中的服务；无所不在的移动接入；不同的用户设备；自治的网络；还讨论了4G系统的网络结构，它包括一个基于IP的核心网络和由几种接入系统组成的接入平台。
[关键词]:4G；移动通信；接入网络 1.移动通信系统的发展 从80年代起，移动通信发生了重大的变化并取得迅速的发展。80年代初，引入了利用模拟传输方式实现话音业务的第一代移动系统。有几种标准得以发展，如：美国的AMPS(先进的移动电话业务)、英国的TACS(全接入通信系统)等。80年代末，引入了利用数字传输方式的第二代移动通信系统。它们提供更高的频谱利用率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游。GSM(全球移动通信系统)、PDC(个人数字蜂窝)以及IS－95(USCDMA系统)都属于第二代系统。第二代系统将进一步向第三代系统演变，提供更先进的业务，如速率为100～200kbit/s的电路和分组数据业务等，这些演变的系统通常被称为2.5代系统。它们有HSCSD(high－speedcircuit－switcheddata)、GPRS、EDGE(enhanceddataratesforGSMevolution)等。第三代移动通信系统的研究起于1988年，其代表为：国际电信联盟ITU的IMT－2000和欧洲的UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsService)，他们的目的是提供高达2Mbits/s的宽带数据业务，并且提供电路交换和分组交换业务的全球漫游。IMT2000支持TDD和FDD方式，允许对称和非对称的业务[6]。第三代移动通信系统将会在2002年在全球展开应用。然而人们对于通信的要求是没有止境的，人们要求更高的通信速度和更多的业务种类。鉴于制定标准和系统规范的长期性，现在关于第四代移动通信系统的讨论也已全面展开。本文描术了4G系统的基本要素，并讨论了4G系统的网络结构，它包括一个基于IP的核心网络和由几种接入系统组成的接入平台。 2.发展4G系统的动力 2.1通信业务和市场对移动通信系统的需求 移动通信系统的发展主要受到技术因素和市场需求两方面的影响。其中因特网的飞速发展对移动通信产生了深远的影响。大约80％接入固定网络的用户也使用移动通信网络，他们对利用移动终端接入因特网表现出极大的兴趣，这为移动接入业务的开展提供了很大的市场空间。固定接入用户的增长在2004年左右达到饱和，而移动接入用户的数量依然保持高速的增长率，估计移动接入用户的数量将在2004年超过固定接入用户的数量。另外，移动通信所提供的业务结构也发生了巨大的变化。人们已经不再满足于传统的话音业务，人们希望移动通信系统能够提供更广泛的业务种类，如：因特网接入、电子邮件、实时图像传输、视频点播、电视、宽带数据业务等。在第一、二代移动通信系统中占主流的话音业务将逐渐让位于快速发展的多媒体业务，估计到2010年，话音业务量与多媒体业务量的比值为1：10。移动通信业务的发展如图1所示。 最后，移动通信模式也将发生巨大变化。现在的通信模式还主要是人与人之间的通信，而以后的通信模式将要发展为人与人、人与机器、机器与人、机器与机器之间的通信。 所有这些变化都对移动通信系统提出更高的要求，人们要求移动通信系统可以提供各种多媒体业务，可以满足各种通信质量要求，可以以各种形式的终端接入；另外，系统还应具备高度的智能化，以满足通信业务发展、变化的需求。 2.2.3G系统的限制 3G系统相对于2G系统在通信速度和质量上都有了很大的提高，它可以支持多媒体和IP类型的业务。基于W－CDMA的空中接口设计可以为中等速率的业务(384kbit/s)提供更大的容量。统计复用的策略可以提高分组传输模式的效率。可是3G系统还是有它自己的局限性。 由于很多用户干扰，利用CDMA很难达到很高的通信速率； 由于空中接口标准对核心网的限制，3G系统所能提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求。 分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和。 基于以上原因，人们希望在下一代移动通信系统中，这些问题得以解决。 3.4G系统结构 3.1.网络结构 在第一代移动通信系统向第二代移动通信系统的进化过程中，我们看到了模拟通信向数字通信、单一业务向多种业务的转换；在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的演变过程中，我们看到单一媒体向多媒体，人与人之间业务向人与机器之间业务的转化；而在第三代移动通信系统向4G系统的转化过程中，我们将看到一个动态的、自适应的、智能的系统。在该系统中，核心网和无线接入网是紧密结合在一起的，而不像以前，各成系统。 第四代移动通信系统应具备以下几种基本特性： (1)完全集中的服务：个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务将会结合成一个整体，提供给用户比以往更广泛的服务和应用；系统的使用将会更加的安全、方便以及更加照顾用户的个性。 (2)无所不在的移动接入：在4G系统中，移动接入将是提供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等业务的主要接入方式，人们可以随时、随地接入到系统中。 (3)各式各样的用户设备：用户将使用各式各样的移动设备接入到4G系统中来。设备与人之间的交流不再仅仅是简单的听、说、看，还可以通过其他途径与用户进行交流。这将大在方便人们的使用，特别是某些残疾用户的使用。 (4)自治的网络结构：4G系统的网络将是一个完全自治的、自适应的网络，它可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。 人们在制定第三代移动通信系统的标准时就发现，不存在某一种单一的无线技术对于所有的业务都适用[2][3]。因此，在4G系统中，各种不同的接入系统结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同业务的要求。根据预测，在未来系统中将会有以下几种接入技术： 无线蜂窝移动系统(包括第二代移动通信系统、第三代移动通信系统以及新的无线接口)； 无绳系统(DECT)； 短距离接入系统(蓝牙和DECT数字系统)； 宽带本地接入网WLAN(ETSIBRANHIPERLAN)； 固定接入和无线环路系统； 卫星系统； 广播系统(DAB和DVB－T)； 有线系统(双绞线的xDSL和同轴线上的CATV系统)。 以上各种接入系统都是针对某一类型的业务而专门设计的。他们通过媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。系统结构如图2所示： 由于这些接入系统各自拥有不同的应用领域、小区范围以及无线环境，因此可以将它们以一种分层的结构组织起来。我们主要将它们分为5层： (1)分配层：主要由DAB和DVB－T系统组成，它的服务小区范围较大，特别适合广播业务。另外，它们可与GSM、UMTS、PSTN、ISDN等网络结合，由这些系统提供上行链路，而由DAB和DVB－T系统提供宽带下载信道。 (2)蜂窝层：蜂窝层包括第二代、第三代移动通信系统以及新的无线接口(用于提供更高速率的信息服务)，这些系统主要是为个人通信服务的，它们个有较大的系统容量。 (3)热点小区：对于高速信号传输的应用环境和个人连接服务，例如：公司、会议中心、机场等地方，宽带本地接入网WLAN是最好的选择。它支持自适应的调制方式、不对称的数据通信以及高速的信号传输。 (4)个人网络层：个人网络指的是办公室、家庭等短距离应用环境，不同的设备之间可以通过蓝牙、DECT等系统连接在一起。另外，这些系统也可以作为个人链路连接到其它的网络层或直接连接到媒体接入系统。 (5)固定层：固定接入系统指由双绞线、同轴电缆、光纤等组成的系统。此外，固定无线接入或无线本地环系统也可以归到这一类。它们主要是提供高的系统容量，用以支持个人通信服务。 移动终端接入到系统中时，它根据自己的业务类型，自动的选择接入系统，以达到对业务的最佳支持。 3.2软件系统 移动用户在不同的系统中漫游时，需要系统之间以及系统内部之间进行无缝切换。而且在4G系统中会不断有新的业务、新的需求出现，这些都需要对终端和网络节点进行重新配置。要实现这一功能，需要一个分布式的配置控制方式，图3显示了内部网络节点和外部网络的配置结构： 当移动终端在不同的系统中漫游时，我们需要改变它的工作模式，使其可以适应不同的工作环境。另外，当系统的业务量及业务类型发生变化时，我们还应及时更改网络节点的配置，使系统始终保持在最优工作状态。为此，我们需要一个网络监视单元，监视网络业务和环境的变化，需要一个网络管理模块控制终端和网络的配置，保持用户终端与网络之间的同步，还需要一个软件下载中心，用以提供所需要的软件配置文件。利用软件无线电技术实现移动终端和网络的再配置，是保证4G系统具有良好的灵活性、扩展性，以及利用单一终端在不同的接入系统中实现漫游的关键技术。 4.关键技术 在下一代移动通信系统中，还有几个关键技术有待于我们进一步研究和解决。 信道传输：频谱资源是一种有限的资源，在4G系统中，我们一方面要采用有效的措施提高频谱利用率，另一方面我们要开发新的频谱资源。因此，研究高频段宽带信号传输特性就变得非常重要。欧洲的AWACS项目研究宽带无线接入系统在17～19GHz频段内的传输特性；SAMBA项目研究接入系统在30～40GHz频段内的传输特性；MEDIAN项目研究宽带无线接入系统在69GHz频段内的传输特性。 调制和信号传输技术：在高频段进行高速移动通信，信号将受到严重的频率选择性衰落，因此我们需要选择合适的传输技术，如：采用多载波传输方式，以及自适应均衡等技术来对抗频率选择性衰落。此外，我们还可以利用RAKE接收、跳频以及Turbo码等技术来增加系统的性能。 系统管理资源：在高速移动通信系统中，不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率，而且基站和终端的发功率也限制了用户的传输速率，因此，采用一种好的无线资源管理策略，它可以检测可用的资源以及信号的质量，然后根据不同用户、不同业务质量要求动态的分配频率资源和信号发射功率，这样可以大大提高系统的性能。 软件无线电：软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种开放式结构。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用之以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。欧洲FIRST计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模可编程手机中。美国麻省理工学院提出的SpectrumWare计划，为软件无线电技术与计算机技术的融合开创了先例。 智能天线：智能天线能根据信号来波的方向，自适应地调整其方向图、跟踪强信号、减少或抵消干扰信号。它可以提高信干比、增加移动通信系统容量、提高移动通信系统频谱利用率、降低信号发射功率、提高通信的覆盖范围，因此它受到广泛的关注。欧洲通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段的智能天线技术的研究，称之为TSUNAMT。 网络结构和协议：采用基于IP技术的网络结构可以有效地处理IP分组业务，也可以方便的提供广播多播业务。在这里的一个关键问题是：如何选择一个适合IP分组传输、位置登记、基站网络配置、以及无线质量控制的空中接口协议。 5.总结 移动通信系统的发展具有一定的继承性，4G系统是从3G系统的基础上演化而来，因此在4G系统中，多个不同的接入系统将结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作以满足不同业务的要求。它将支持多媒体通信、无线接入宽带固定网、以及在不同系统之间的漫游。未来移动通信系统的发展与我们这里所描述的4G系统可能不完全一样，但可以肯定的是，它必具备以下基本特征：完全集中的服务；无所不在的移动接入；不同的用户设备；自治的网络结构。
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