后3G技術展望

摘要:隨著移動通信技術的不斷發展，第四代移動通信技術將應運而生。介紹了四種向4G演進的后3G技術，分析和比較了LTE與WiMAX，并對這兩種技術分別獨立組網和聯合組網提出了構想，最后對中國通信發展進行了展望。

關鍵詞:后3G;LTE;WiMAX;組網

中圖分類號:TN929.5 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)01-39-03

Outlook for Beyond3G Technology

LI Bin

(Institute of Command Automation， PLA University of Science Technology， Nanjing 210007， China)

Abstract: With the development of mobile communication technology， the fourth generation (4G) mobile communication will come with the tide of fashion. First， introduced four kinds of Beyond3G technologies with emphasis on the LTE and the WiMAX， then analyzed and compared these two technologies and conceived the separated and integrated network construction of them， at last prospected the future of China mobile communication.

Key words: Beyond3G; LTE; WiMAX; network construction

隨著3G技術的商業化，3G已經走進人們的生活，在享受其帶來的好處的同時，我們可以預見，隨著數據通信與多媒體業務需求的發展，現有的3G將不能滿足人們日益增長的需求。無線通信系統呈現出移動化、寬帶化和IP化的發展趨勢，在此形勢下，國際電信聯盟(ITU)提出了更高的要求——IMT-Advanced，也就是我們說的4G技術，4G是一個無縫網，能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡的無縫漫游。其通信具有良好的覆蓋性，傳輸速度更快，頻譜利用更高，通信方式多樣，業務更加靈活，但通信費用更低，兼容性更加平滑，能從第2代、第3代通信系統平穩過渡。4G的一個重要特點是基于IP的移動網絡，全IP的核心網采用IPv6，在IP網絡上實現話音和多媒體業務。目前，LTE[1]、UMB[2]、WiMAX[3]和IEEE802.20[4]是向4G演進的主要標準，前兩者將實現移動業務的寬帶化，后兩者將實現寬帶業務的移動化。

1 后3G技術簡介

1.1 LTE

LTE(Long Term Evolution，長期演進)項目是3GPP(3rd generation partnership project，第三代合作伙伴計劃)提出的3G的演進，其目標是向著“高數據速度、低延遲和優化分組數據應用”的方向演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，以OFDM/FDMA技術為核心，下行鏈路采用頻譜效率高的OFDMA為調制方式，上行鏈路采用FDMA，既降低發射終端的功率比，又減少終端的體積和成本。

與3G相比，LTE具有如下技術特征:通信速率提高了，下行峰值速率為100Mbps，上行為50Mbps;頻譜效率提高了，下行鏈路5(bit/s)/Hz，上行鏈路2.5(bit/s)/Hz;系統在整體架構上將基于分組交換;具有嚴格的QoS機制，能保證實時業務(如VoIP)的服務質量;系統部署靈活，能夠支持1.25MHz-20MHz間的多種系統帶寬，并支持“paired”和“unpaired”的頻譜分配，保證了將來在系統部署上的靈活性;降低了網絡時延，U-plan(用戶面)<5ms，C-plan(控制面)<100ms;在保持目前基站位置不變的情況下增加小區邊界比特速率，如MBMS(多媒體廣播和組播業務)在小區邊界可提供1bit/s/Hz的數據速率;強調向下兼容，支持已有的3G系統和非3GPP規范系統的協同運作。LTE系統在傳統的移動通信網絡基礎上引入IP網絡的特點，以更好的支持IP多媒體業務。

1.2 UMB

UMB(Ultra Mobile Broadband，超移動帶寬)是3GPP2基于CDMA2000在后3G時代的演進技術，是以OFDMA技術為基礎、專門針對無線移動環境和實時應用優化的移動無線寬帶系統，引入了基于MIMO(多路輸入輸出)、SDMA(空分復用接入)和Beamforming(波束賦性)等多天線技術，可以在達到更高傳輸效率的同時經濟有效地支持各類具有QoS要求的應用。

UMB解決方案主要包括以下幾個特征:高速數據傳輸，在移動環境下，系統基于20MHz傳輸帶寬下載和上傳的峰值速率分別可以達到288Mbps和75Mbps;增強的數據容量，在包括固定、步行以及超過300公里/小時的高速移動環境下均可提供大容量的語音和寬帶數據服務;低時延，空中平均時延為14.3毫秒，支持VoIP、一鍵通和其它時延敏感的應用;增強的VoIP容量，在移動環境下，系統單扇區、20 MHz傳輸帶寬下仍可以允許多達1000個VoIP 用戶同時使用語音服務，同時不會降低并發數據服務的吞吐量;廣闊的覆蓋范圍，大面積的廣域網覆蓋與現有的蜂窩網絡相當，可以提供無縫漫游的廣域覆蓋或者基于熱點區域的部分覆蓋;完全移動性支持，UMB設計的各方面均考慮移動性支持，支持用戶的無縫切換;組播，支持具有豐富多媒體內容的高速組播。UMB能夠使純IP以及各類可變包長的數據傳輸速度達到比目前商用系統更高的數量級。

1.3 WiMAX

WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球微波接入互通)又名802.16，是一項新興的寬帶無線接入城域網技術，是針對微波和毫米波頻段提出的一種新的空中接口標準。WiMAX的技術起點較高，采用了代表未來通信技術發展方向的OFDM/OFDMA、MIMO等先進技術。它能提供面向互聯網的高速連接，最高接入速度為70 Mbps，數據傳輸距離最遠可達50km，提供優良的最后一公里網絡接入服務。

WiMAX可以向用戶提供具有QoS性能的數據、視頻、話音(VoIP) 業務等豐富的多媒體通信服務，可以提供三種等級的服務:CBR(Con-stant Bit Rate，固定帶寬)、CIR(Com-mitted Rate，承諾帶寬、BE(Best Effort，盡力而為)。CBR的優先級最高，任何情況下網絡操作者與服務提供商以高優先級、高速率及低延時為用戶提供服務，保證用戶訂購的帶寬。CIR的優先級次之，網絡操作者以約定的速率來提供，但速率超過規定的峰值時，優先級會降低，還可以根據設備帶寬資源情況向用戶提供更多的傳輸帶寬。BE 則具有更低的優先級，這種服務類似于傳統IP網絡的盡力而為的服務，網絡不提供優先級與速率的保證。在系統滿足其他用戶較高優先級業務的條件下，盡力為用戶提供傳輸帶寬。WiMAX核心網絡采用移動IP的架構，具備與全IP網絡無縫融合的能力。

1.4 IEEE 802.20

IEEE 802.20即移動寬帶無線接入(Mobile Broadband Wireless Access， MBWA)，也被稱之為Mobile-Fi。IEEE 802.20工作組的目標是制定一種適用于高速移動環境下的寬帶無線接入系統的空中接口規范。在物理層技術上，以OFDM和MIMO為核心，充分挖掘時域、頻域和空間域的資源，大大提高了系統的頻譜效率;在設計理念上，基于分組數據的純IP架構應對突發性數據業務的性能也優于現有的3G技術，與3.5G(HSDPA、EV-DO)性能相當。

IEEE 802.20的主要技術特性如下:全面支持實時和非實時業務，在空中接口中不存在電路域和分組域的區分;能保持持續的連通性;頻率統一，可復用;支持小區間和扇區間的無縫切換，以及與其它無線技術(802.16、802.11等)間的切換;融入了對QoS的支持，與核心網級別的端到端QoS相一致;支持IPv4和IPv6等具有QoS保證的協議;支持內部狀態快速轉變的多種MAC協議狀態;為上下行鏈路快速分配所需資源，并根據信道環境的變化自動選擇最優的數據傳輸速率;提供終端與網絡間的認證機制;與現有的蜂窩移動通信系統可以共存，降低網絡部署成本;包含各個網絡間的開放型接口。

2 組網構想

由于高通公司已經放棄UMB(EV-DO Rev.C)技術，由于出現不同意見以及缺乏公正和公開性，IEEE 802.20被IEEE-SA標準委員會暫停，至此，移動無線技術的演進路徑主要有三條:一是WCDMA和TD-SCDMA，均從HSPA演進至HSPA+，進而到LTE(分為頻分雙工(FDD)和時分雙工(TDD);二是CDMA2000沿著EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最終到LTE;三是WiMAX從802.16e演進到802.16m的路線。其中LTE擁有最多的支持者，WiMAX次之。

2.1 LTE與WiMAX分析比較

對LTE與WiMAX的技術對比可以看出:

1) 采用的技術相似度很高。都使用了相同或者相近的頻帶寬度、編碼方式，都采用了OFDMA、MIMO等未來4G標準的主流技術，在未來有可能繼續融合。

2) 兼容性方面，WiMAX(802.16e，移動標準)可以完全兼容WiMAX(802.16d，固定標準)，在未來的4G中WiMAX(802.16m，長期演進)也可以完全兼容WiMAX(802.16e)，對3G網絡，可以開發傳統手機與WiMAX相結合的雙模手機解決這個問題。LTE FDD具有良好的向下兼容性，支持WCDMA/CDMA2000的演進，LTE TDD支持TD-SCDMA演進。在同一系統和終端平臺上同時支持LTE FDD和LTE TDD技術將成為業界標準。

3) 頻譜效率方面，LTE TDD和WiMAX都采用時分雙工方式，不需要成對的頻率，在頻率資源緊張的今天，這種方式能夠靈活配置頻率，可以使用LTE FDD系統不易使用的零散頻段。這也成為LTE TDD和WiMAX最大的優勢。

4) 從峰值速率看，LTE TDD峰值速率會略低于LTE FDD。這是由于LTE TDD需要在同一個載頻上保持一定的上下行時隙的比例和需要預留一定的時隙資源作為上下行時隙之間的保護，所以LTE TDD的峰值速率低于LTE FDD，但仍在可接受范圍內。

5) 從標準成熟度看，WiMAX已經商用，目前正向802.16m演進。而LTE最早商用要等到2010年之后，大規模商用可能要在2012年后。

2.2 LTE體系結構

以“LTE”所標識的無線技術體系，事實上包含了LTE RAN(RAN，無線接入網)和SAE Core(System Architecture Evolution，系統體系結構演進;Core，核心網)兩部分。其接入網主要由演進型NodeB(eNodeB)和接入網關(aGW)兩部分構成，這種兩層的扁平網絡架構極大的降低了系統的復雜性，系統內部相應的交互操作隨之減少，系統時延明顯降低。

LTE-SAE體系結構基于GSM/WCDMA核心網，并從它們演進而來，有助于簡化網絡操作以及平穩、有效地部署網絡。GSM和WCDMA/HSPA系統通過SGSN(服務GPRS支持節點)和演進后的核心網之間的標準接口集成到演進后的系統中。移動性管理實體(MME)主要處理移動性管理。LTE-SAE體系結構如圖1所示。

2.3 WiMAX組網

WiMAX技術的主要應用是基于IP數據的綜合業務寬帶無線接入，具體組網可以采用點對多點寬帶無線接入、點對點寬帶無線接入、蜂窩狀組網方式和衛星通信組網等，對于不同的應用場合，能夠靈活、快速地進行部署[5]，組網如圖2所示。

1) 點對多點寬帶無線接入。點對多點的應用可以適應于固定、游牧和便攜模式。與DSL等有線接入相比，WiMAX較少受距離和用戶密度的影響，對一些DSL或者Cable接入方式難以覆蓋的地方，可考慮采用WiMAX作為替代方案;對于一些臨時性的聚集地，例如展會和體育賽場，WiMAX部署周期短的特點也比DSL或者Cable接入方式擁有更大的靈活性。

2) 點對點無線寬帶接入。主要用于點對點的方式進行無線回傳和中繼服務。點對點無線寬帶接入不僅大大延伸了WiMAX網絡覆蓋范圍，而且可以為運營商的2G/3G網絡基站以及WLAN熱點提供無線中繼傳輸。同時可以用于企業網的遠程互聯和接入。

3) 蜂窩狀組網方式。WiMAX基站可以組成與現有GSM/CDMA網絡相似的蜂窩狀網絡。采用基于IEEE802.16e標準的系統可提供穩定、高質量的移動語音服務以及高帶寬的移動數據業務。

4) 與衛星組網。利用衛星可以把信號覆蓋到地面設施無法覆蓋的偏遠地區[6]，為WiMAX系統開發的下一代同步通信衛星，應支持高速數據傳輸，提供基于IP的服務等開創性應用。

2.4 LTE與WiMAX聯合組網

LTE與WiMAX是互補的關系[7]，它們具有相似的特征、指標和性能，并針對同一市場，LTE成員是目前3G的主流運營商，WiMAX可以作為對LTE的補充，提供固定和游牧式的寬帶接入，實現WiMAX與LTE的互聯互通。用戶可以持有LTE和WiMAX的雙模終端[8]，根據環境和需求的不同進行選擇，還可以在不同的服務間靈活切換。

2個異構網絡可以根據集成和融合程度同分為緊耦合與松耦合。在緊耦合方案中，WiMAX網關與LTE網關路由器(GGSN:網關GPRS支持節點)直接相連。在松耦合方案中，2個網絡在各自網絡的最高層通過互聯網連接，網絡各自獨立運行，但可以為用戶提供網絡之間漫游的服務，并提供QoS支持和保持會話的連續性。如圖3所示，注:實線連接為緊耦合方式，虛線為松耦合方式。

3 中國的4G

在1G、2G時代，標準由于被歐美廠商所壟斷，我們不得不交納昂貴的專利費。在3G時代，中國通信界迎來了轉機――我國提出的TD標準成功晉級全球三大主流標準之一。現在，中國移動運營的TD網已經在全國鋪開，在網用戶超過165萬戶，并在一些海外市場也有斬獲。目前國際電信聯盟已經收到了6個4G候選技術提案，中國提案位列其中，一旦通過就意味著中國能在下一代通訊技術標準上獲得更多話語權。中國移動將為2010年上海世博會推出TD-LTE(即LTE TDD)的試驗，有理由相信中國將在4G技術發展上取得成功。

4 結束語

在通往4G的演進中，多種技術共存已經成為一個不爭的事實。由于運營商的選擇，LTE與WiMAX已經成為主流技術，這意味著這兩種技術的對抗與融合將成為一個長久的話題。我國應抓住機會，根據我國的國情和技術優勢，尋找具有中國特色的信息發展道路。

參考文獻:

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