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移动通信后3G或4G技术前景探索
hc360慧聪网通信行业频道 2004-09-13 15:01:06

    移动通信自1980年面市以来,已经走过20几年,经历了第一代(1G)和第二代(2G),现正向第三代(3G)平滑演进,并在探索后3G 或4G的前景。

  1 移动通信的前20年  

  第一代移动通信从开始商用到完成使命,大约由1980年持续到1994年,以频分多址(FDMA)制式提供普通模拟电话,实际数据速率为2.4 KBit/S。  

  第二代移动通信,大约由1995年持续到本世纪初,采用时分多址(TDMA)制,支持数据电路交换,提供优质数字电话和简短文本的传输,数据速率为14.4 KBit/S(实际仅达9.6 KBit/S)。  

  近年发展的二代半(2.5G)移动通信支持分组交换,数据速率目标为115 KBit/S(实际仅为40 KBit/S)。  

  2G和2.5G移动通信技术,虽较1G有所提高,但随着用户数量的增加以及用户对多媒体业务的需求,其在使用频段、频谱利用率、接入速率以及网络能力等方面都显现不足。  

  ITU早在20世纪80年代中期就盘算在2000年前后搞出一个工作在2 000 MHz频段的未来陆地移动通信系统(FPLMTS)。这个系统1996年正式以IMT-2000命名,通称为第三代移动通信系统(3G)。  

  3G的目标概括起来如下:  

  A) 全球统一标准,使用统一频段,提高频谱效率;  

  B) 提供高质量的多媒体服务;  

  C) 加强安全保密功能;  

  D) 要求数据传输速率在室内环境下达到2 MBIT/S(步行384 KBit/S,车行144 KBit/S)。当然,还须容易从2G系统平滑过渡。  

  3G系统采用码分多址(CDMA)和分组交换技术。与2G相比,3G系统容量增加,通信质量提高,并能实现全球性的无缝隙漫游,可为用户提供话音、数据、图像、电视等多媒体优质服务。  

  目前,移动通信正处于由2G向3G平滑过渡之中,但原来希望统一标准、统一频率的目标并没有达到。现在有5个不同的3G标准,其中主要是ETSI的以GSM MAP为核心网、FDD WCDMA 为无线接口的标准,ANSI的以IS-41为核心网、FDD CDMA2000为无线接口的标准,以及我国提出的核心网与WCDMA相同的TDD TD-SCDMA为无线接口的标准。  

  3G移动通信系统比起2G会有很大的改进,但仍然不能满足用户要求。主要问题在于:  

  A) 没有一个统一的世界标准,难以做到全球无缝隙漫游;  

  B) 语音是在由2G继承下来的基础结构上传输,而不是在IP网络结构上;  

  C) 视频传输不会达到高清晰度的要求;  

  D) 数据速率虽然有所提高,可难以快速传递大文本和大的E-Mail附件。

  2 ITU对后3G的设想  

  考虑到3G系统的不足,ITU已对当前的3G系统提出了一些增强要求和措施(可以说是3G的改进型或称为3.5G):如引入高速下行链路分组接入(HSDPA)技术,采用比较好的调制技术,从而达到10 MBIT/S下行速率,蜂窝内的所有用户共享这一容量,对处于无干扰区域的用户给以较宽的带宽。又如把IP由核心网络(CN)扩展到无线接入网(RAN)、使CN与无线局域网(WLAN)互联、支持多媒体广播和组播等。  

  ITU也开始考虑3G以后(BEyOND IMT-2000) 移动通信系统的远景,提出了后3G 移动通信系统的概念、框架、研究工作目标涉及主要内容、关键性的数据速率要求以及研究发展的进程。图1示出3G和设想中的后3G的主要性能。

  

  后3G或4G移动通信系统的具体情况现在很难想象,但是后3G或4G时代的宽带移动通信系统肯定不会像前几代那样只是蜂窝产业独家的天下。后3G 或4G系统将汇集无线接入、无线移动、无线LAN等先进技术,并结合全IP网络,为用户提供一个安全可靠、使用方便的无线移动INTErNET系统,能满足人类社会在未来若干年内对移动通信业务的要求。

  3 当前的一些研究动向  

  ITU计划在2004年征集有关后3G或4G移动通信系统的方案。世界上一些有关部门、机构和学校已经在积极组织力量进行探索,并进行着大量的研究工作。

  3.1 移动宽带系统(MBS)  

  移动宽带系统(MBS)是由欧洲委员会组织一些公司和学校合作完成的移动宽带设计方案。其物理层是基于大多数2G电话的TDMA变种,较高层则基于ATM。前面各代移动通信主要用于通话,间或兼容一些诸如短信之类的业务,而MBS则要使各种形式的服务分开。它是一个大的数据信道设施,可供各种形式的服务单独应用。  

  估计此系统要商业化还得15年时间,开始使用可能在2010年,大量展开服务估计要到2020年。在这段时间,技术指标要改变,物理层将以为克服无线信号多径传输干扰而设计的正交频分复用(OFDM)技术为基础,同时放弃ATM改为面对IPv6,要用以前不用的40 GHz或60 GHz频谱来满足极其宽阔的带宽要求。

  3.2 IEEE 802.11系列  

  目前,在移动中接入INTErNET的最快方法是通过无线LAN。美国IEEE于上世纪末开发了IEEE 802.11标准系列产品,其中有802.11、802.11A和802.11B,以及还在研发中的802.11G。802.11技术不太成熟,未见商用产品;802.11A有技术优势, 但难度大,商品化较晚,当前市场上大量使用的是802.11B。  

  802.11B(常称为WI-FI)工作于无需发证的2.4 GHz频段,采用直接序列扩谱(DSSS)技术,最大物理速率达11 MBIT/S,实际通过量(第三层)最高可达6 MBIT/S,如果用作蜂窝,认为可以达到3.5G的要求。  

  802.11A工作于无需发证的5 GHz频段,采用比DSSS相对复杂的正交频分复用(OFDM)技术,最高物理速率达54 MBIT/S, 实际通过量最高可达31 MBIT/S。除数据速率比较高、频带比较宽、干扰比较少外,5 GHz波段的信道数量总是比较多也是802.11A的优点。802.11A存在的问题是与802.11B产品的兼容性和互操作性问题。  

  为了解决互操作性,IEEE发展 了802.11G,用以扩展802.11B的数据速率和覆盖范围并与其兼容。802.11B和802.11A的覆盖范围分别为100 M和80 M。802.11G使用2.4 GHz频段,采用了OFDA技术,覆盖范围可望达到150 M,但速率没有802.11A快,物理层速率可达54 MBIT/S,而实际通过量只有12 MBIT/S。  

  为了提高802.11系列的工作能力,IEEE正在研究发展一些新标准:  

  A) 802.11E旨在使802.11网络的QOS性能有所提高,用等同的TDMA模式取代以太网类似的MAC层,并对重要业务添加特殊纠错;  

  B) 802.11F打算改进802.11中的交接(HANDOvEr)机制,使用户在2个不同的无线信道切换段或在2个附属于不同网络的接入点(AP)之间漫游时保持连接,这对于无线LAN的移动性非常重要;  

  C) 802.11H要使802.11A的无线电发射功率和信道选择得到较好的控制;  

  D) 802.11I着力提高802.11系统的安全保密问题。  

  与60 GHz的MBS一样,以无线LAN为基础进行接入的问题也是每个接入点或基站能达到的距离很小,户内大约100 M,户外环境好的情况下也仅有几百米。这就是说,无线LAN在公众应用方面目前只能局限于少数热点,如空港旅客休息厅、会议中心、大旅馆以及商业区等。要想扩大服务范围,有些服务商寄希望于与现有的专用无线LAN协作,让他们来填补空隙。  

  有些蜂窝运营商打算投入无线LAN产业,利用他们现有的计费基础设施和客户关系,提供蜂窝电话和802.11相结合的组件。  

  IEEE正在搞一个称为高速无需核准的城域网(HUMAN)计划。它是一个使用802.11A做点对点链路的无线本地回路系统。笔记本电脑和蜂窝电话的用户可以在建筑物内,由802.11A LAN通过屋顶上的定向收发设备与外界联通。

  3.3 HIPErLAN2   

  HIPErLAN2是欧洲电信标准协会(ETSI)于上世纪末开始组织研究发展的。  

  HIPErLAN2与IEEE 802.11A在物理层差不多,即都工作在5 GHz,也采用OFDM技术,给出同样的数据速率,即最大物理速率高达54 MBIT/S,实际通过量达31 MBIT/S。二者的差别主要在MAC层,802.11A是沿用以前的无线以太网功能,而HIPErLAN2的MAC协议既支持对时间要求严格的业务,也支持异步数据,这样分组语音和视频可以得到较好的QOS。HIPErLAN2与有线侧的接口连接,适应ATM、3G移动系统、1394网络以及IP网络。  

  HIPErLAN2设计得既是LAN也是WAN,并有较好的漫游性能。它的数据链路控制/无线链路控制子层具有发射功率控制和动态频率选择功能,从而提高频谱效率并降低其他同频系统干扰的可能性。HIPErLAN2支持认证、加密,具有较好的安全保密功能。  

  HIPErLAN2接入点覆盖范围也很小,户内约100 M,户外几百米,与802.11A基本相同。

  3.4 5-UP   

  IEEE和ETSI有一个名为5 GHz伙伴计划(5GPP)的合作项目,打算把802.11A和HIPErLAN2合成一个标准,暂时命名为5 GHz统一协议(5-UP)。这个标准试图把2个甚至3个信道结合起来,提供比现有的系统高得多的数据速率。  

  5-UP将2个信道结合时,物理层速率可提高为108 MBIT/S,实际最大通过量为72 MBIT/S,信道间隔50 MHz。如果采取3个信道结合,提供的实际通过量大约可达100 MBIT/S,这显然高过大多数笔记本电脑能有的速率。

  3.5 多点多信道分配系统(MMDS)  

  固定系统已经具备可与DSL、电缆调制解调器甚至光纤相竞争的多兆比(MUlTIMEGABIT)速度。有些服务商打算给现有的宽带系统加上移动性能。当用户移动时,ISP上行链路的固定天线旋转,其波束跟踪对准用户。  

  较有可能成为下一代移动通信候选者的多点多信道分配系统(MMDS)使用蜂窝网络那样的点对多点式结构和与3G相同的频谱,覆盖也大约与3G相同(35哩),其最大数据速率小于10 MBIT/S(准确数字随供应商而变),相当于3.5G 的速率。  

  固定无线增加移动性的困难是要求链路两端之间视距无阻挡,且设备相当大,要有专业技术人员来安装。由于这类设备大多属专卖,即使客户可以挪动但也不能漫游进入以另一卖方技术建成的蜂窝。  

  IEEE正在制订关于MMDS的标准——802.16A,以促进互操作性(现有的 802.16标准只涉及较高频率的固定链路,难以适应移动性)。IEEE 802.16A也以OFDM为基础,像新一代蜂窝打算用的多径技术那样降低对视距的要求。

  3.6 移动卫星服务(MSS)系统  

  要做到全球无缝隙覆盖必须借助移动卫星系统。2001年7月,美国FCC批准了8个移动卫星服务系统,要求在2007年建成投产,速率大致达到ISDN的速率,话音达到长话的质量,能够传送视频和多媒体信息。其中2个MSS系统都是各用1个GEO卫星只覆盖美洲,另外几个分别用LEO和MEO卫星网络覆盖全球。  

  这些新系统使用2 GHz频率,非常接近目前大多数国家核发给3G使用的频率, 从而可以使用较轻、较便宜的双模终端,并且可在地面和卫星接入点使用类似的无线部件。  

  几个MSS系统中目前比较有希望的是新IrIDIUM、GlOBAlSTAr和ICO。新IrIDIUM和GlOBAlSTAr工作在LEO,ICO工作在MEO。不过新IrIDIUM和GlOBAlSTAr也在计划把MSS网络建立在MEO之上。各MSS系统都要在地面上设置中继站,以增强卫星通信能力,提供室内服务。技术上的进步,使它们有可能开发SUPEr GEO卫星网络,用比蜂窝手机大不了多少的设备来接收。  

  LEO卫星网络建设投资太高,运营维护费用又大,从而MSS有向先进的GEO宽带卫星系统发展的趋势。对于GEO卫星通信等待时间长的问题,需要改变TCP和HTTP,标准办法是采用TCPSAT增大窗口尺寸。有的公司采用虚假确认(SPOOFING)方法,通过UDP发送数据。  

  ITU早在1992年推荐IMT-2000蜂窝网络的同时,也推荐了IMT-2000卫星网络,希望它能延伸地面移动通信系统的覆盖范围。上世纪90年代,大约有20个称为全球卫星移动个人通信(GMPCS)的系统着手开发。这种系统与MSS不同的是使用的频率比3G蜂窝电话的高,不能提供类似3G的服务水平。

  3.7 全IP   

  新一代移动通信需要充分利用IP网络作为所有业务的承载,实现端到端的IP多媒体移动业务。3GPP r5版本已提到将IP从核心网扩展到无线接入网,形成全IP网络结构,使控制和业务分离。随着移动通信技术和INTErNET技术的不断发展和结合,新一代移动通信网和INTErNET网将会逐渐融合为一体。  

  近若干年来,INTErNET急剧发展,现用的IP协议版本——IPv4的32位长的地址空间已逐渐显现不足,其他一些性能也不如人意。新一代IP协议——IPv6于1994年开始开发至今,其好处不只是地址空间大(128位长的地址空间),而且针对现代网络的需求,增加了有关网络安全、自动配置、资源预留、优先级别以及多播(MUlTICAST)等功能。特别是在移动IP 方面,IPv6的功能远优于IPv4。  

  有人预测,到2005年,几乎一切都将以IPv6为基础(与现有的INTErNET保持兼容)。日本政府要求2006年所有日本的ISP都支持IPv6,和后3G的发展保持一致。欧洲和亚洲其他一些国家也在考虑做出类似的规定。  

  应该指出,IPv6在安全性、服务质量、移动应用、路由选择、MUlTIHOMING等方面还不是无懈可击。为了更好地支持联网,与移动通信系统融合,世界各国许多相关机构都在进行着研究工作。  

  IETF是IPv6标准制定工作的主体,目前ITU-T成立了相应的工作组来制定相关标准。鉴于IPv6的重要作用,特别是对下一代网络的巨大影响,必将有更多国际标准化组织和机构参与IPv6标准的完善工作。

  3.8 移动IP   

  在IPv4中,所有要发给移动节点的信息包都要经由用户的归属网络通过隧道发送,归属网络中的归属代理收到后,把它们发往转交地址。但这样会额外增加路由选择的跳数,延长等待时间,并耗费带宽。  

  1996年标准化的MIPv4 (MOBIlE IPv4) 原版,使移动节点直接对相应节点发出应答。为了与较高等级协议一致,信息包中的源地址域必须是归属网络上的永久地址。后来由于出现了伪造IP地址信息包,引出DOS问题,从而需要在输入输出端口增加滤波设施。2002年MIPv4更新,将三角形路径改为双向隧道,使所有双向信息包都经由归属网络传送。这个标准带来的问题是耗费更多的带宽、路由选择跳数更多、等待时间更长,以至于影响到在无线网络上实现VOIP。  

  新的 MIPv6(MOBIlE IPv6)尽可能地避免过多使用隧道,从而解除了带宽和等待时间长的问题。虽然每次会晤的头几个信息包仍然经由归属代理走隧道,但是移动节点还给每个相应节点送出绑定更新,后面的信息包可以直接送,就像移动节点在访问的网络中一样。对所有的移动子网,如移动车辆中的WLAN,道理同样适用。这可以使用可扩展的头部来完成,使IPv6的信息包具有有关QOS和优先性等问题的额外的协议信息。  

  在移动IP中,使用扩展头部让每个信息包中既有永久地址也有转交地址,满足较高等级协议和INTErNET路由器的要求。MIPv6的信息包传输情况如图2所示。

  

  图2中,移动节点开始进入受访网络时,申请转交地址,并通知其归属网络上的代理①;相应节点开始时把信息包发往移动节点的归属地址②;随后信息包通过隧道发往转交地址③;移动节点随即把转交地址通知相应节点④;此后,信息包直接互换交流⑤。  

  另外由于移动节点可能移动很快,为了防止节点积累过多老的转交地址,在MIPv6中对转接地址给定了一个终止时间。  

  MIPv6可以说是IPv6的一种诱人的应用。IETF正在进一步改进和补充MIPv6功能的工作,如分级移动管理、AAA、安全性、FAST HANDOFF等。

  3.9 系统框架  

  无线LAN或MBS的接入点(AP)或基站能达到的距离都很短,要想全部覆盖一个不大的区域就可能需要设置成百上千个小蜂房(PICOCEll)。新一代移动通信系统单独依靠无线LAN或MBS可能不现实。  

  ITU关于BEyOND IMT2000研究工作的时间表给出,3G系统标准的增强工作要持续到2006年,其系统发展时期会持续到2010年。因此,新一代移动通信系统必须兼容3G甚至2G系统。  

  4GMF提到新一代宽带无线移动通信系统将包括无线接入、无线移动、无线LAN、PDM等网络,集成的新一代移动通信系统将为无线用户提供宽带无线接入服务,通过应用层直到MAC层都有相应的QOS, 保证无线移动INTErNET业务应用。  

  西门子公司对新一代系统提出了一个框架设想。这是为满足不同环境条件和不同业务要求而设想的多层次、相互重叠的立体化网络框架。这些层次包含无线个域网层(WPAN,如蓝牙)、无线局域网层(WLAN,HIPErLAN,BRAN)、无线蜂窝层(CEllUlAr,如3G,甚至2.5G) 以及分配层 (如DAB或DVB)等。同一系统内水平切换,不同系统间垂直切换。系统框架要求有一个IP核心网络,有自组织功能、动态规划管理、动态频率分配、多种速率传输等。  

  欧洲另一新的研究项目BRAIN(BrOADBAND RADiO ACCESS FOr IP-BASED NETWOrk)是由西门子和其他一些公司合作进行的。它的特点是BRAIN和RAN分别经由各自的MIP网关接入IP骨干网,从而兼容UMTS、GPRS等多种体系。  

  一般看法,新一代移动通信系统将由无线局域网、蜂窝网和卫星网三者结合而成。卫星部分与地面部分的结合目前有3种不同设想。  

  A) 卫星网络自成系统,本身具备所有应有的网络功能;  

  B) 卫星网络与地面网络综合为一体,网络功能不重复;  

  C) 卫星部分简单地用于延伸地面部分(固定和/或蜂窝)。

  4 结束语

  上面提到的只是对新一代移动通信的一些思路或概念化设想,这些思路或设想综合起来似能展现出一个并不十分渺茫的新一代移动通信系统的前景。

  
信息来源:《邮电设计技术》 
 

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