下一代移動通信網絡架構

王　詠　劉建業　孫繼若

文章介紹了下一代移動通信系統，論述了下一代移動通信系統的接入系統、軟件系統及關鍵技術，設想了未來移動通信系統應具有的基本特征及實施下一代移動通信系統可能遇到的困難。

關鍵詞：

下一代移動通信；接入系統；軟件系統；多模式終端；公共軟件平臺

ABSTRACT:

This paper mainly discusses the system architecture of the next-generation mobile communications, including its network architecture and key technologies, especially analyzes its access system and software system, and concludes with the required characteristics of future mobile communication systems and possible difficulties in the implementation of NGN.

KEY WORDS:

Next-generation mobile communication; Access system; Software system; Multi-mode terminal; Common software platform

正值全球移動制造商、運營商致力于3G的研發及運營準備之際，隨著3GPP和3GPP2的標準化工作逐漸深入和趨于穩定，國際標準化組織(如國際電信聯盟)將發展的目光瞄準了能提供更高無線傳輸速率和統一靈活的全IP網絡平臺的下一代移動通信系統，一般稱為后3G、增強型IMT-2000(Enhanced IMT-2000)、后IMT-2000(System Beyond IMT-2000)或4G。本文將其泛稱為"下一代移動通信系統"。

1 下一代移動通信的概念

下一代移動通信技術涉及寬帶接入和分布網絡，具有非對稱的超過2 Mbit/s的數據傳輸能力；包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網、移動寬帶系統和交互式廣播網絡。與傳統通信技術相比，下一代移動通信技術的優勢在于通話質量好、數據通信速度高以及通信費用更加便宜，可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同頻帶的網絡中提供無線服務，可以在任何地方用寬帶接入互聯網(包括衛星通信和平流層通信)，能夠提供定位定時、數據采集、遠程控制等綜合功能。下一代移動通信系統是集成多功能的寬帶移動通信系統、寬帶接入IP系統。

下一代移動通信將能滿足如下需求：

(1)更快的通信速度

速度達到10 Mbit/s～20 Mbit/s，最高可以達到100 Mbit/s。

(2)更寬的網絡頻譜

每個信道將占有100 MHz的頻譜，相當于WCDMA網絡的20倍。

(3)更靈活的通信方式

終端從功能到式樣將有更驚人的突破。

(4)更高的智能化

智能性更高，不僅表現在終端設備的設計和操作具有智能化，更重要的是可以實現許多難以想象的功能。

(5)更平滑的兼容性能

終端將具備全球漫游、接口開放、網絡互連、終端多樣化，以及能從2G、2.5G/3G平穩過渡等特點。

(6)更高質量的多媒體通信

提供的無線多媒體通信服務將包括語音、數據、影像等，大量信息將透過寬頻的信道傳送出去，因此也可稱為"多媒體移動通信"。

(7)更低的通信費用

通過解決與3G的兼容性問題，從而使現有通信用戶能輕易地升級；通過引入多項尖端通信技術，使下一代移動通信部署起來相對容易，將有效地降低運營成本。

在市場需求與新技術的共同作用下，下一代移動通信技術將向如下目標發展：

(1)移動通信業務數據化、分組化，移動互聯網逐步形成。

(2)移動通信技術的數字化、寬帶化。

(3)網絡設備智能化、小型化。

(4)更高頻段應用，更有效的頻率利用。

(5)移動網絡的綜合化、全球化、個人化。

(6)各種網絡融合。

(7)高速率、高質量、低費用。

下一代移動網絡的根本任務是接收、獲取到終端的呼叫，在多個運行網絡(平臺)之間或者多個無線接口之間建立其最有效的通信路徑，并對其進行實時的定位和跟蹤；在移動通信過程中，保持良好的無縫連接能力，保證數據傳輸的高質量、高速率；基于多層蜂窩結構，通過多個無線接口，由多個業務提供者和眾多網絡運營者提供多媒體業務。因此，下一代移動通信技術應具備如下特征：

(1)融合多種業務

下一代移動通信技術應能將個人通信、信息系統、廣播、娛樂等業務無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求；應能集成不同模式的無線通信系統，使移動用戶得以自由地在不同標準的系統間漫游；各種業務應用、各種系統平臺間的互連應更便捷、安全，更富有個性化。

(2)高速移動中的無縫連接

用戶在高速移動中，能夠按需接入系統，并在不同系統間無縫切換，傳送高速多媒體業務數據。

(3)各種用戶設備入網便捷

各種價格低廉的設備應能做到方便地接入通信網絡。為滿足用戶的特殊需要和特殊用戶(如殘疾人)的需要，更多新的人機交互方式將會不斷出現。

(4)網絡高度智能化

網絡應具有良好的重構性、可伸縮性、自組織性，用以滿足不同環境、不同用戶的通信需求，是一個高度自治、自適應的網絡。

(5)軟件平臺趨于獨立

軟件平臺趨于獨立，從而加快實現計算機網、電信網、廣播電視網和衛星通信網的融合。寬帶IP技術和光網絡將成為多網融合的支撐點和結合點。

2 下一代移動通信的接入系統

下一代移動通信接入系統的顯著特點是智能化多模式終端基于公共平臺，通過各種接入技術，在各種網絡系統(平臺)之間實現無縫連接和協作。各種專門的接入系統在公共平臺上相互協作，以最優化的方式工作，滿足不同用戶的通信需求。多模式終端接入系統時，網絡會自適應分配頻帶，給出最優化路由，以達到最佳通信效果。下一代移動通信的主要接入技術有：無線蜂窩移動通信系統、無繩系統(如DECT)、短距離接入系統(如藍牙)、無線局域網(WLAN)系統、固定接入和無線環路系統、衛星系統、平流層通信(STS)、廣播電視接入通信系統(如DAB和DVB-T)、有線系統(雙絞線的xDSL和同軸線的CATV系統)。隨著技術發展和市場需求變化，新的接入技術將不斷出現。以上各種接入系統都是針對某一類型的業務而專門設計的，他們通過媒體接入系統相連接，在全IP的核心網中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺。下一代移動通信系統結構如圖1所示。

由于不同類型的接入技術針對不同業務而設計，接入系統各自擁有不同的應用領域、小區范圍以及無線環境，因此可以根據接入技術的適用領域、移動小區半徑和工作環境，將它們以一種分層的結構組織起來。

(1)分配層

主要由平流層通信、衛星通信和廣播電視通信組成，服務小區范圍較大，特別適合廣播業務。另外，它們可與GSM、通用移動通信系統(UMTS)、公眾交換電話網(PSTN)、綜合業務數字網(ISDN)結合，由這些系統提供上行鏈路，而由廣播電視接入通信系統提供寬帶下載信道。

(2)蜂窩層

主要包括2G、2.5G、3G通信系統以及新的無線接口(用于提供更高速率的信息服務)，這些系統主要是為個人通信服務的，它們有較大的系統容量。

(3)熱點小區層

主要由WLAN網絡組成，服務范圍集中在校園、社區、公司、機場、會議中心等，支持自適應的調制方式、不對稱的數據通信以及高速的信號傳輸。

(4)個人網絡層

主要應用于家庭、辦公室等短距離應用環境，服務范圍覆蓋面積很小。不同的設備之間可以通過藍牙、DECT等系統連接在一起。另外，這些系統也可以作為個人鏈路連接到其他的網絡層或直接連接到媒體接入系統。

(5)固定層

主要指雙絞線、同軸電纜、光纖組成的固定通信系統。固定無線接入或無線本地環路系統也可以歸到這一類。它們主要提供高的系統容量，用以支持個人通信服務。

移動終端接入到系統中時，將根據自己的業務類型自動選擇接入系統，以達到對業務的最佳支持，并將主要在以下3個方面進行技術革新和突破：

(1)在接入系統的物理層，優化信道調制、信道編碼和信號傳輸技術，提高信號處理算法、信號檢測和數據壓縮技術，進一步改善頻譜共享和天線技術，最大限度地開發利用有限頻率資源。

(2)在接入系統的高層協議方面，研究網絡自我優化和自動重構技術、動態頻譜分配和資源分配技術以及網絡管理和不同接入系統間的協作，從而提高網絡性能。

(3)加強軟件無線電技術，并優化無線電傳輸技術，如支持實時和非實時業務、無縫連接技術和網絡安全技術，從而提高和擴展IP技術在移動網絡中的應用。

3 下一代移動通信的軟件系統

下一代移動通信的軟件系統將趨于標準化、復雜化、智能化，其首要任務是創建一個公共的軟件平臺，使不同通信系統和終端的應用軟件通過此平臺實現"互連互通"，并通過該軟件平臺，實現對不同通信系統和終端的管理和監控。因此，對于下一代移動通信軟件系統而言，關鍵是建立一個統一的軟件標準和互連協議。

下一代移動通信軟件系統將逐步采用Web服務模式，以取代現行的客戶機/服務器(C/S)模式；新的計算機語言(如XML)將用于未來的這種基于Web的分布式服務；在網絡安全上，將進一步保障通信網絡的網絡安全、數據完整和其他特殊需要。

下一代移動通信系統中會不斷出現新的業務、新的需求；終端用戶漫游于不同的系統中時，需要做到系統間以及系統內部的無縫切換。這些都需對終端和網絡節點進行重新配置，因而需要一個分布式的配置控制方式。下一代移動通信系統內部網絡節點和外部網絡的網絡配置結構如圖2所示。當移動終端漫游于不同的系統中時，需適時改變其工作模式，以適應不同的工作環境；還應及時更改網絡節點的配置，以適應變化的系統的業務量及業務類型，從而使系統始終保持在最優工作狀態。因此需要網絡配置監視單元用于監視網絡業務和環境的變化；分布于終端側和網絡側的網絡配置管理模塊用來控制終端和網絡的配置，并保持用戶終端與網絡之間的同步；軟件下載中心用以向軟件處理服務器提供所需要的軟件配置文件。軟件無線電技術將幫助實現移動終端和網絡的再配置，從而保證下一代移動通信系統具有良好的靈活性和擴展性，并可利用單一終端在不同的接入系統中實現漫游。

4 下一代移動通信的關鍵技術

在下一代移動通信系統的關鍵技術中，除了信道傳輸與調制、信號傳輸、系統資源管理、軟件無線電、智能天線等無線側技術外，對于核心網側的網絡結構和協議而言，將采用基于IP技術的網絡結構來有效地處理IP分組業務，并方便地提供廣播多播業務，其中如何選擇一個適合IP分組傳輸、位置登記、基站網絡配置、以及無線質量控制的空中接口協議是關鍵。圖3是數字化數據交易所的示意圖，數字化數據交易所是下一代移動網絡的一個重要技術之一，用于預處理不同網絡平臺之間的呼叫，從而在網絡平臺之間的特定協議條件下，幫助業務提供商提供高質量、低費用的業務應用。例如，電視數據信息在兩個網絡平臺之間傳送時，首先經由數字化數據交易點進行處理；然后該電視數據信息將被分離成視頻信號和音頻信號，經由不同信道傳送；音頻信號將由覆蓋廣泛的網絡傳送，視頻信號將由只能處理、接收視頻信號的網絡傳送，以此來降低通信成本和有效利用傳輸信道。未來的全球互聯網系統和骨干網系統，將以寬帶IP技術和光纖網絡技術為主。新型光網絡利用大氣激光傳輸原理，主要由激光器、光放大器和光接收器組成，通過發射一種特殊的"擴展光束(Expanded beam)"傳送光信號，并采用密集波分復用技術，支持10 Gbit/s的速率，傳輸距離大于5 km，具有良好的信號安全和穩定性。可以預見，在下一代移動通信網絡中，光網絡將起舉足輕重的作用。

5 結束語

下一代移動通信系統將支持多媒體通信，實現無線接入寬帶固定網，以及在不同系統之間漫游。未來移動通信系統的發展與我們這里所描述的下一代移動通信系統可能不完全一樣，但會具備如下基本特征：

(1)服務完全集中

個人通信、信息系統、廣播和娛樂等各項業務將會結合成一個整體，系統將更加安全、方便并更加照顧用戶的個性。

(2)移動接入無所不在

移動接入將是提供話音、高速信息業務、廣播以及娛樂等業務的主要接入方式，人們可以隨時隨地接入到系統中。

(3)用戶設備各式各樣

用戶將使用各種各樣的移動設備接入到系統中來。人與設備之間將可以通過聽、說、看以外的其他途徑進行交流。

(4)網絡結構充分自治

網絡可以自動管理，動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求，將是一個完全自治的、自適應的網絡。

下一代移動通信網絡系統將是人類有史以來最復雜的技術系統，要順利、全面地實施下一代移動通信，將可能遇到如下困難：

(1)速度很難達到理論值

人們對未來移動通信的需求是其通信傳輸速度將會得到極大提升，從理論上說最高可達到100 Mbit/s，但手機的速度將受到通信系統容量的限制，并較難達到理論速度。

(2)面臨市場壓力

據預測，10年以后，2G的多媒體服務將進入第3個發展階段，此時覆蓋全球的3G網絡已經基本建成，全球25%以上的人口將使用3G終端。到那時，整個行業正在消化吸收3G技術，對于下一代移動通信技術的接受需要一個逐步過渡的過程。□

參考文獻

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5 呂智勇,張更新,馬刈非.未來的第四代移動通信系統.移動通信,2001,25(8):3-5

(收稿日期：2002-09-18)

作者簡介

王詠，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業部高級工程師。南京大學信息學專業畢業，博士。目前主要從事WCDMA系統的標準預研等工作。

劉建業，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業部3G產品總工程師。南京航空航天大學畢業，碩士。目前主要從事WCDMA系統的研究、設計與相關產品的研發工作。

孫繼若，深圳市中興通訊股份有限公司移動事業部高級工程師。西安電子科技大學通信與信息系統專業畢業，碩士。目前主要從事WCDMA系統的研究工作。