下一代移動通信探討

摘要：

文章回顧了前3代移動通信的發展歷程，列舉了前3代移動通信遺留的問題。對下一代移動通信體制選擇、物理層關鍵技術、網絡全IP化與智能化、拓撲結構與網絡整體規劃等進行了綜合分析。

關鍵詞：

下一代移動通信；移動網絡；自適應(動態)匹配；智能化

ABSTRACT：

Based on the overview of the development of the three previous generations of mobile communications, and the summarization of their remaining problems, the paper gives a comprehensive analysis for the next-generation mobile communications in aspects of the system selection, key physical layer technologies, all-IP based and intelligentized mobile networks, topological architecture and overall network planning.

KEY WORDS：

Next-generation mobile communication; Mobile network; Adaptive (dynamic) matching; Intelligentization

1 引言

盡管第3代移動通信(3G)市場前景還不明朗，但移動通信正處于一個關鍵時期，無線數據經濟(Wireless data economy )或無線互聯經濟已經初步顯現，其中包括：DoCoMo在PDC(Personal Digital Cellular)網絡中引入i-mode，在WCDMA網絡中引入自由移動多媒體接入(FOMA)業務；韓國在cdma 2000上取得初步成功；GPRS正在歐洲和中國為3G熱身。這些發展下一代移動通信的實踐經驗給我們以主要啟示：

*9誗下一代移動通信研發要走市場驅動之路；

*9誗下一代移動通信要適應移動通信環境的特殊需求；

*9誗下一代移動通信核心網絡要建立在支持移動IP、具有業務QoS保證的IPv6協議基礎上；

*9誗下一代移動業務的主體將是移動因特網業務；

*9誗移動通信中需要什么樣的多媒體業務還需更深入的調查研究；

*9誗下一代移動通信在應用、終端、使用成本、覆蓋和漫游、網絡的前后向兼容、網絡速度和吞吐量等方面需要綜合考慮，平衡發展。

2 移動通信的基本特征

2.1 移動通信的特性

移動通信具有3個動態特性：

(1)信道的動態性

信道的動態性具體表現為傳播的開放性，即無線信道都是基于電磁波在空間傳播來實現信息傳遞的；信道參量變化的時變性，即移動信道是隨參信道。

(2)用戶的動態性

用戶的動態性具體表現為接收環境的復雜性，接收環境包括市區、郊區與農村，室內和室外等；接收地點的隨機可變性，用戶可能處于各種移動速度狀態。

(3)業務的動態性

業務的動態性具體表現為：用戶可隨機自由選擇不同媒體的通信方式，各類用戶不同媒體業務要求互不干擾，用戶需要實現同時多接入。

2.2 移動通信的要求與任務

任何一種通信系統都以通信傳輸的3種指標：有效性、可靠性和安全性來衡量，并進行不斷優化。所謂有效性是一個數量指標，是指占用盡可能少的信道資源傳送盡可能多的信源信息；可靠性是一個質量指標，是指抵抗各類在移動通信中的自然干擾，尤其是多址干擾的能力；安全性是指傳輸中的安全保密性能。移動通信的任務是在3個動態特性的條件下，滿足與實現3項基本要求，并逐步達到系統優化。

2.3 移動通信的層次劃分

完成移動通信的基本任務可以從物理層、網絡層和整體規劃層這3個不同層次來實現，并要求各層次間相互協同配合，最終實現整體優化。

(1)物理層

物理層的主要功能是實現鏈路傳輸所有的基本硬件設備與相應軟件算法。

(2)網絡層

網絡層的主要功能是提供不同業務的初始建立過程，含尋呼與接續；提供業務通信的必要信令與協議的支持；提供對不同業務的QoS保證；提供全系統高層的無線資源管理與移動性管理。

(3)整體規劃層

整體規劃層的主要功能是從全網宏觀角度給出網絡最佳拓撲結構，給出網絡整體規劃與設計，逐步實現網絡優化。

3 前3代移動通信回顧

3.1 前3代移動通信技術

第1代移動通信以解決用戶動態匹配為核心，適當考慮了信道動態特性。第1代移動通信實現了頻分多址(FDMA)動態尋址功能；以蜂窩結構網為核心，利用頻率規劃實現用戶大范圍覆蓋與用戶大數量增長；采用適應無線移動傳輸的調頻方式，并在基站采用二重空間分集抗空間選擇性衰落。

第2代移動通信采用數字化傳輸技術，較全面考慮了用戶與信道兩個動態特性及其匹配措施。第2代移動通信采用時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術實現動態尋址功能；以蜂窩結構網為核心，利用頻率規劃(在GSM制式中)和導頻相位規劃(在IS-95制式中)實現用戶的大范圍覆蓋與用戶大數量增長；采用性能優良的數字式調制GMSK、QPSK和性能優良的糾錯編碼(如卷積碼、級聯碼)抗白噪聲干擾；采用功率控制技術抗慢衰落與遠近效應，這一點在IS-95制式中的CDMA體制中最為突出；采用自適應均衡(在GSM制式中)和Rake接收(在IS-95制式中)技術抗頻率選擇性衰落和多徑干擾；采用信道交織編碼技術，比如幀間交織方式(在GSM制式中)、塊交織方式(在IS-95制式中)抗時間選擇性衰落；基站采用空間或極化分集技術抗空間選擇性衰落。

第3代移動通信全面考慮并完善對用戶、信道兩個動態特性的匹配，適當考慮業務的動態性能。3G在無線傳輸方面繼續采用2G中有行之有效的措施，為了克服CDMA中的多址干擾，建議上行采用多用戶檢測；3G中采用發送端分集、空時編碼，并建議采用智能天線技術改善下行性能；為實現與業務動態特性的匹配，3G中采用了可實現不同速率(不同擴頻比)業務間正交性能的OVSF多址碼；針對數據業務要求誤碼率低且實時性要求不高的特點，在3G中對數據業務采用性能更優良的Turbo碼。第3代移動通信在網絡層方面逐步完善網絡協議并逐步規范化，在3G中已初步形成橫向3層即物理層、鏈路層、網絡高層，縱向兩個平面即用戶業務平面和控制平面的初步規范化結構；逐步增強并完善輔助物理層，實現對3個動態特性的匹配功能，加強并完善無線資源管理、移動性管理技術以及分配、調度算法。

3.2 前3代移動通信業務與功能

(1)業務的拓廣

第1代移動通信在單一模擬電路交換平臺上，完成單一模擬話音業務；第2代移動通信在單一數字電路交換平臺上，完成數字式話音與同一低速率電路交換的數據業務；第2.5代移動通信(2.5G)建立兩個平行的電路域與分組域交換平臺，并在此基礎上完成數字編碼和傳輸的話音業務服務，以及小于64 kbit/s速率電路交換、小于171.2 kbit/s速率分組交換的各類數據業務服務；第3代移動通信首先在2.5G基礎上進行增強與改善，并在其基礎上逐步改造成單一分組交換的IP平臺，提供小于2 Mbit/s速率的各類多媒體業務服務。

(2)功能的擴充

第1代移動通信與第2代移動通信實現了通話功能；第2.5代移動通信新增上網功能和無線定位功能；第3代移動通信提供會話型、數據流型、互動型與后臺類型的綜合業務服務功能。

3.3 前3代移動通信遺留的問題

前3代移動通信完成了不少工作，實現了許多功能，但也遺留了一些問題。這些問題主要有：

(1)高速移動環境下(一般指大于150 km/h)多卜勒頻移產生的時間選擇性衰落，目前除了交織碼外尚無有效的解決辦法。

(2)CDMA方式中多址碼設計不理想，特別是對于互相關性不為“0”所產生的多址干擾，除研制中的多用戶檢測技術外，目前尚無有效的解決辦法。

(3)在信道的快速、實時監測與估值方面，目前缺乏有效、快速、準確、可靠的方案和相應算法。

(4)話音與不同速率(不同擴頻比)數據同時（在同一頻段）通信帶來了一系列問題，包括：由于發射功率不一樣，進一步增強了多址干擾的影響；由于發射功率不一樣，給功率控制帶來了新難度；不同使用環境、不同類型業務的QoS要求給小區劃分與規劃帶來新問題。

(5)業務動態性大大增加了技術上實現的難度與復雜度。由兩個(用戶、信道)動態向3個(用戶、信道與業務)動態發展本身就是一次飛躍，如何實現3個動態間的匹配值得深思與探討。

4 下一代移動通信展望與探討

4.1 面臨的問題

下一代移動通信核心仍然是完成移動通信的基本任務，除了解決前3代遺留的問題以外，還需要解決新問題，具體有：

(1)解決寬帶業務需求產生的新問題

移動業務信號速率將從2 Mbit/s提高到大于20 Mbit/s，這意味著業務帶寬提高10倍；寬帶的高速移動業務，其多卜勒頻移影響將進一步加重，并有可能成為下一代制約技術發展的新“瓶頸”；20 MHz的業務使用帶寬能否繼續采用傳統DS-CDMA多址方式值得考慮，必須要考慮總使用頻段受限的條件和擴頻比；采用什么樣的頻段傳送高速移動業務。

(2)業務動態性需求所產生的新問題

不同業務的QoS要求不一樣，給物理層、網絡層、規劃層的實現提出了新要求，帶來了新問題，具體有：不同帶寬、不同功率業務同時通信(特別對CDMA方式)增加了多用戶干擾的嚴重性、增大了對功率控制的難度；不同帶寬、不同功率以及不同運動速度業務，對網絡層實現無線資源管理、移動性管理，特別是對監測、分配、調度等功能提出了進一步更高的要求。

總之下一代移動通信需要在物理層、網絡層和整體規劃層上有新的突破。

4.2 體制選擇

關于下一代移動通信體制的選擇，目前有兩種體制可供考慮。

(1)傳統模式體制

這類體制走向采用延續1G→2G→3G→4G的傳統模式，采用更高的頻段和更寬的使用業務帶寬；不同移動通信系統發展軌跡為1G蜂窩網→2G數字化→3G多媒體→4G智能化；主要物理層候選技術為OFDM/CDMA方式；逐步解決第3代移動通信中的遺留問題，并尋找新技術。這一體制的主要缺點是割裂了各代網絡之間的關系。

(2)創建新體制

這類體制走向為突破傳統模式、選定主業務需求、創建有特色的新體制。新體制在三網融合趨勢下的全IP網絡基礎上，走市場驅動道路，選擇建立在IPv6基礎上能滿足移動IP要求，滿足不同業務的QoS要求，適應移動通信環境與特色的寬帶移動因特網作為業務主攻方向，放棄多媒體雙向視頻業務的主攻方向。為了解決寬帶移動因特網中上、下行業務需求的嚴重不對稱性，建議上、下行可以采用不完全一致的通信體制，目前有幾種候選方案供考慮：第1種候選方案采用頻分雙工(FDD)模式，上行采用OFDM/CDMA方式，下行采用Slot/OFDM/CDMA+MIMO方式；第2種候選方案采用時分雙工(TDD)模式，OFDM/CDMA+智能天線方式；第3種候選方案采用話音業務與數據業務使用不同的射頻頻段的方式，對業務加以分隔，解決話音與數據間由于不同的QoS要求、不同發射功率、不同帶寬與速率所帶來的一系列矛盾。候選方案3可以與前兩個方案并用，好處是將復雜的3個動態匹配簡化為兩個半動態匹配。關于移動類別的考慮是：將移動用戶粗分為兩類，各類分別處理，一類為小于3 km/h的步行或室內靜止用戶；一類為大于3 km/h的車載用戶，還可以細分為3～70 km/h一般車速與大于70 km/h的高速移動用戶。將業務也分為話音與數據兩類，各類分別處理。在網絡規劃方面：可將網絡拓撲結構設計成多層次重疊蜂窩網，簡稱為立體規劃，采用橫向水平覆蓋切換解決同類業務不間斷通信，縱向垂直覆蓋切換解決移動性質與業務類型的不同的層間不間斷通信。創建有特色的新體制的優點是在統一的IP基礎上建立統一的移動網絡。

4.3 物理層關鍵技術考慮

采用傳統的靜態固定型接收機和固定門限來對具有3個動態特性的系統進行匹配和接收顯然是不合理的，物理層關鍵技術的努力方向應該是逐步實現與3個動態(用戶、信道和業務)或簡化的二個半動態相匹配的自適應傳輸體制。實現自適應傳輸體制的主要措施包括：

(1)對現有物理層關鍵技術需進一步完善與實用化，如信道編碼從級聯碼→Turbo碼→LDPC(低密度概率碼)，不斷完善；進一步探討各類多址劃分技術與多址碼的尋找；多用戶檢測算法與技術的實用化；發送分集與空時編碼技術的實用化研究與改善。

(2)加強空間域與傳統時、頻域相結合的研究，并擇優選取一個主攻方向。一個方向是從扇區天線→智能扇區天線→切換式智能天線→自適應智能天線，以抑制干擾、跟蹤用戶來改善性能、提高抗干擾性并增大容量為方向；另外一個方向是從收端分集→發端分集→空時碼與發分集相結合→多入多出與空時碼結合，以基于分集機制、提高發射接收綜合效應來改善性能、提高抗干擾能力并擴大容量為方向。

(3)在單一部件的優化基礎上，逐步擴大聯合(組合)優化范疇。比如將Turbo碼重復迭代譯碼的思想推廣到解調解碼聯合迭代中，進一步還可以推廣至整個接收端乃至整個收發系統中。

(4)重點突出正交頻分復用（OFDM）在下一代物理層技術中實用化的研究。OFDM/CDMA應該成為研發的重點。針對OFDM技術存在的若干問題，如峰平比高、頻率擴散下正交性惡化、同步性能要求高且抗頻率擴散性能差、以及要精確已知信道狀態等進行針對性研究，尋找克服的有效措施。

(5)重點突出物理層自適應傳輸技術的研究。即根據實測實時信道時變特性與環境，研究自適應分配業務、服務網絡、速率、功率以及調制與編碼方式，根據不同業務的QoS需求分配帶寬、信道以及調制編碼方式，根據接收信號信噪比或功率的時變特性及時調整接收機門限電平，并綜合協調關系。

(6)重點突出對信道實時監測、準確估計的快速算法研究，為實現對信道動態匹配提供先決條件。

(7)加強多址技術與用戶實時定位技術實用化研究。對cdma 2000系統，可利用全球定位系統(GPS)實現較精確的用戶定位；對WCDMA系統，若不利用GPS，可采用網絡定位，但精度較差。定位將為實現對用戶動態匹配、無線資源管理(RRM)、QoS提供必要的先決條件。

(8)加速實用化軟件無線電技術研究，以提供統一基站與終端硬件平臺。分兩步，第1步實現基帶全數字化，達到數字無線電目標；第2步實現軟件定義無線電(SDR)，將數字化拓廣至中頻乃至射頻部分。

4.4 網絡全IP化與智能化考慮

對于下一代移動網絡，一般從以下幾個方面進行總體考慮。

(1)全IP

全IP指結構IP化、協議IP化、傳輸與業務IP化的全過程。全IP從核心網IP化開始，逐步延伸到無線接入網和無線接口IP化。IP建立在IPv6基礎上，滿足移動IP要求，滿足對不同業務的QoS要求，適應復雜移動通信環境與特色的寬帶移動因特網要求的無線IP。因此在TCP/IP協議上應針對無線移動特點進行適當修改。

(2)智能化

智能化是下一代移動網絡的主要努力方向，智能化主要是指配合物理層實現不同條件下的自適應傳輸技術；實現動態智能化無線資源管理，包含對無線資源的估計、呼叫接納控制、隊列調度以及無線資源分配的全過程智能化管理；實現動態智能化移動性管理，包含對用戶鑒權、加密、用戶登記、顯示、信息調用以及用戶切換管理的動態智能化；統一協調自適應傳輸的網絡配合、無線資源動態管理和移動性動態管理與執行的分配、調度。

4.5 拓撲結構與網絡整體規劃

下一代移動網絡的拓撲結構與網絡整體規劃如下：

(1)多層次、重疊式立體移動網絡結構

為了能滿足在不同環境下(比如不同移動速度)不同媒體業務(比如話音、還是數據與圖像)的QoS要求，網絡拓撲結構從3G開始逐步從簡單的單層次蜂窩小區演進到多層次、重疊式的立體網絡結構，如圖1所示。

在多層次、重疊式立體網絡中有3種小區：宏小區(指郊區與一般市區)，保證連續無縫隙覆蓋，并滿足高速移動環境，適合低速話音與相應的數據業務，其基站功率較大；微小區(指繁華市區)，適合于低速移動環境，如步行條件，適合于低、中速率和帶寬話音與數據業務，其基站功率較小；微微小區(指室內)，適合于靜止與準靜止環境，一般指室內一層樓或一個業務集中辦公室，適合高頻譜效率、高容量、高速率寬帶數據與圖像業務，其基站功率較小。在這種多層次、重疊式立體網絡中存在兩類切換：同一類小區間的水平切換，保證同類業務在服務區內的不間斷性；不同類小區間的垂直切換，以適應不同環境下不同業務的需求。在多層次、重疊式立體網絡中，不同層次網絡有不同手段。室內范圍有藍牙系統、射頻家電和紅外通信等；無線局域網有IEEE 802.11系列的LAN和歐洲電信標準組織（ETSI）的HIPERLAN等；廣域蜂窩網有第2代移動通信的GSM、IS-95，第3代移動通信的WCDMA與cdma 2000等；全球范圍移動衛星通信有銥星、全球星、海事衛星等系統；立體網中的垂直切換則是指這些不同層次間的切換。

(2)自組織形式移動網絡結構

隨著移動通信的普及與發展，用戶數量不斷增加，小區區域也因此而不斷縮小，切換頻頻發生，網絡效率越來越低下，這促進了傳統的蜂窩式結構的突破。為滿足不同環境與不同媒體業務的QoS要求提出的從單層次蜂窩演進到多層次、重疊式的立體網絡結構實現復雜，效率低下，也促進了對傳統蜂窩式結構的挑戰和突破。一種稱為Ad Hoc的自組織網絡形式具有較大的吸引力，它建立的基礎是：在大城市中，光纖到大樓已初步實現，處處建立分布式天線已成為可能，在此基礎上建立類似Ad Hoc的無中心或動態中心式的虛擬小區成為可能，在動態虛擬小區的基礎上就可以建立自組織式網絡結構，這種網絡如圖2所示。

不管是多層次、重疊式立體移動網絡結構還是自組織形式移動網絡結構，如果能研制一種統一的無線TCP/IP協議，那么上面討論的所有無線和移動的室內家電網、無線局域網、廣域蜂窩網乃至全球移動衛星網，均可以看作是在統一的全球骨干因特網(光纖網)中，以不同接入方式和接入點在全球范圍內實現移動IP，實現在任何條件、任何時間、不間斷通信的偉大理想。□

參考文獻

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4 4G移動通信論文集.中國杭州4G研討會,杭州,2002

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7 European R&D on Fourth-Generation

Mobile and Wireless IP Networks. IEEE Personal Communications, 2001,8(6)

(收稿日期：2002-09-11)

作者簡介

吳偉陵，北京郵電大學信息工程學院教授，博士生導師，中國電子學會理事、中國電子學會信息論分會主任委員。主要研究領域為信息與通信理論、移動通信和個人通信。