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北方交通大学现代通信研究所
摘要 随着第三代移动通信系统逐步实施，移动通信未来的发展及演进问题成了研究热点。文章在综合分析当前研究成果的基础上，提出了第四代移动通信发展的4种趋势，并对关键技术问题的实现思路进行分析和阐述。
关键词 第四代移动通信 广带化 网络互联/综合/重叠 软件无线电 灵活自适应
移动通信已经经历了三代发展历程，每一代的发展都基于技术的突破和观念的创新。第一代移动通信从发明蜂窝概念开始，通过频率复用增大了系统容量，实现了语音移动通信；第二代移动通信用数字技术取代模拟技术，增加了数据业务；第三代移动通信的频带利用率更高，每用户比特速率更大，并使移动通信与Internet进一步融合，为移动中的人们提供广泛的基于IP的多媒体业务。未来移动通信的目标是为每个人提供综合的广带业务，并在业务获得及网络性能上提供前所未有的灵活性。针对上述要求，下文将对第四代移动通信的发展趋势进行分析，并介绍当前的研究现状。
1 广带化的趋势
为了满足第四代移动通信的速率及容量要求，必须研究可以提供最大150Mb/s传输速率的新的广带无线接入系统。自1996年开始，移动广带系统的研究就在欧洲、美国及日本等地广泛进行。仅以欧洲为例，就有多个项目在进行移动广带系统研究（如先进移动广带应用系统SAMBA、专业及住宅多媒体广带MEDIAN CPN/LAN、无线ATM网络演示WAND、ATM无线接入通信系统AWACS、卫星移动多媒体通信EHF SECOMS以及ACTS广带通信联合试验和展示ACCORD等）。上述6个项目中，前4个研究的是陆地移动广带系统，第5个研究卫星系统，第6个研究陆地与卫星广带系统综合的问题。在陆地移动广带系统方面，MEDIAN项目的目标是实现一个工作于60GHz室内环境的高速WLAN，可支持150Mb/s传输速率，WAND实现了一个工作在5GHz频段的无线ATM演示系统，可支持最大20Mb/s的传输速率，AWACS项目开发了一个工作于19GHz频段TDD模式的演示系统，可支持34Mb/s传输速率，SAMBA是唯一研究移动蜂窝广带系统的项目，其目标是开发一个工作于40GHz频带的试验平台，支持34Mb/s全双工传输能力。除以上项目外，欧洲电信标准化组织ETSI还进行了广带无线接入网（BRAN）的研究，并对高性能无线局域网类型2（HIPERLAN2）进行标准化。
目前，移动广带系统（MBS）的研究工作仍在全世界范围内进行着，典型的项目有基于IP的广带接入无线网络（BRAIN）、无线室内灵活高比特速率Modem结构（WIND-FLEX）、自适应广带固定和移动无线接入网络光波束成形天线（OBANET）、高数据速率多媒体卫星广带接入（BRAHMS）等。这些项目的共同目标是研究可以增大无线空中最大传输容量技术，这些技术可以基于用户前端网络（如WLAN、蜂窝广带移动网络以及卫星接入网络）。各种移动广带技术的研究及系统创建是迈向第四代移动通信的关键步骤，这些系统可以在室内（或室外）环境为UMTS提供容量（或覆盖范围）补充，既满足第四代移动通信系统对广带传输的要求，又可以通过卫星系统达到无所不在的覆盖。上述系统研究的另一个共同特征是促进端到端的IP应用，基于共同的IP平台，使不同网络和技术可以便易地融合，使未来移动系统成为一个真正的基于IP的多媒体广带无线接入系统。
2 网络互联/综合/重叠的趋势
未来的广带无线接入系统将包括许多互联或综合的子系统，为固定和移动用户提供无缝的广带业务，这些子系统包括上述可提供高速数据速率的各种移动广带系统（MBS）、固定无线接入（FWA）系统、广带卫星多媒体（BSM）以及可支持高速移动的UMTS和GSM等。这些起初都为不同的应用领域创建的，并向不同的方向发展。随着网络的融合演进以及用户对广带无逢接入的需求，这些系统将基于IP不断地互联和综合，互联是为了提供无所不在的覆盖，网络综合主主要指网络功能的综合，使每个子系统都可以提供相同的业务，可以为相同的用户服务（GSM、UMTS不能提供广带业务，但可通过下面将提到的网络重叠策略实现，而GSM、UMTS可以为同一范围内的低速率数据用户服务以节省广带系统的资源），虽然各自采用不同的结构和接入技术。由于各种网络受其工作频带和技术等因素限制，覆盖范围差异很大，而且为了满足机场和市中心等人多地区的高容量需求，可以在UMTS上重叠创建移动广带系统，使网络呈重叠趋势，并可根据用户应用对速率及QoS性能的要求，动态地选择接入网络，在系统资源使用状况发生变化时，还可以灵活地使应用业务在不同的空中接口技术、不同的接入网络间快速切换，前提是用户终端具备多模、多频带操作能力。无论网络如何互联、综合或重叠，用户只需提供所需业务的QoS要求，即可以得到透明服务，不必关心为其提供服务的具体技术和标准，也不用了解终端如何与不同的网络协商qoS、网络间如何进行动态全速的资源分配、终端如何在不同的技术模式和网络间切换和漫游、漫游中不同的网络如何克服通信操作的差异，自适应地满足其变化的QoS要求等等。上述广带化以及网络互联/综合/重叠的趋势为第四代广带无缝移动通信提供了网络基础。
3 软件无线电的趋势
为了实现无缝接入和透明业务，用户终端必须是可多模、多频带操作，而且必须能自动进行模式识别，并可在用户和网络指示下或根据用户及QoS要求，自适应地进行模式切换以及相应的一系列操作，这样的终端又称为可配置终端。可配置终端将满足人们对高灵活性、可扩展性以及多功能通信设备的需求，真正实现个人通信的单号码特征（无论在家、办公室、移动中以及任何通信环境均采用同一终端）。目前，对可配置终端的研发主要基于软件无线电技术，软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术，下面对利用软件无线电技术开发可配置终端应具备的主要框架、功能及特点进行描述。
可配置用户终端应具备模式识别和模式转换的功能，为了辅助不同模式间的切换，终端还应具有适时的软件下载功能以及可配置的基带结构是可配置终端应具备的基本特征。
模式识别是支持系统间漫游的关键模块，其功能是发现、识别和监测新的无线接入技术（RAT），并在检测到一个RAT时与之相连，并获取其可以提供的业务以及质量参数信息。模式识别程序分为盲识别和辅助识别。盲识别指终端在无需外界支持或先验知识情况下完全自主的模式识别方式，而辅助识别是在给出一些关于无线环境的信息条件下进行的。识别RAT需进行某种能量检测，检测能量的大小、频谱分布以及该能量与一些预先定义函数的相关性等参数，帮助确定一种RAT。就模式识别进行的时间而言，可将其分为两种，即起始模式识别和交替模式识别。起始模式识别的特点是，终端在打开电源后，首先在较大频谱范围内扫描搜索所有可能的模式，然后再选择合适的工作模式；交替模式识别时，首先寻找一个可工作的模式进行连接，然后在该工作模式网络的辅助下进行其它模式识别。
模式切换一般发生于下述情况：当前工作模式的质量变得不可接受时，或根据用户、业务提供者、网络提供者的指示要求新模式明显优于当前模式时，在网络重叠的情况下模式切换还可以被用来进行网络负荷平衡。模式转换要涉及终端和网络的重新配置以及网络资源的重新分配，必要时还需下载相应软件，包括应用和业务提供软件、用于改变空中接口和承载业务的RAT协议栈以及安装所需的设备配置文件和许可等。进行模式转换后，终端还需进行鉴权和位置信息更新，然后便可以起动在新无线网络上的业务。为了减少终端与网络实仨的交互，节省无线链路资源，可通过当前无线接入网中的代理配置管理器（PRM）实体与新网络的PRM进行交互，了解新网络可提供的业务和网络承载参数，代替终端进行业务协商和业务请求，为终端的模式切换做好准备，从而保证业务在模式切换中的不间断性。
为了适应不同模式RAT对基带功能（如调制解调器、FEC和译码等）的不同要求，可配置终端的基带也必须具有可配置特点，即通过重新配置基带处理链上各节点的属性及功能，满足模式切换或应用QoS的动态要求，可配置基带系统包含一个可配置基带管理模块，负责接收来自终端高层管理模块的指示，下载重新配置基带节需要的软件，构造符合要求的基带处理链，并指示基带处理链间的转换。
软件无线电技术应用于无线系统和网络可实现网络RAT的自我更新及演进功能，同样也应具备基带可配置、开放的结构、模块及系统升级能力、适时的软件下载更新能力以及与终端及网管动态交互的能力等。与可配置终端应用不同的是，无线系统和网络实现软件无线电的情况更复杂，涉及的因素更多，需要更深入的研究。
4 灵活和自适应的发展趋势
第四代移动通信具有网络互联/综合/重叠、终端的跨模式漫游、端到端的IP多媒体应用等特性，在许多网络和技术环节上都需要灵活和自适应的解决方案。其中，通用灵活的系统资源管理方法以及跨越不同网络RAT的端到端QoS保证被认为是综合广带多媒体通信的挑战。
4.1 灵活的资源管理结构
不同网络因地域的分布差异及资源管理可扩展性的需要，要求资源管理采用一种分布式结构，可采用固定网常用的智能代理方法。另外，未来移动通信网的运营方法也会朝着网络提供者（NP）及提供者（SP）的格局发展，不同的SP向一个或多个NP购买容量，用户则向SP购买业务。不同的SP和NP有不同的商业模式和利益目标，资源管理不但要解决基于应用的容量分配问题，还要协商和平衡各代表实体的利益和要求。一种基于代理的资源管理结构模型，它包含三个平面，资源代理、用户代理、SP代理和NP代理等位于不同的平面和层次，每一代理都由响应部分（负责快速响应请求）、思考部分（优化小区间分配）和协作部分（用于代理间的协调工作）组成。三个平面的功能分别是：工具平面包含一些实体，负责保证协商平面的顺利、安全交互，为协商平面提供合约、协议和鉴权等支持；协商平面是用户、SP和NP交互的平面，提供本层各代理之间的通信接口和与相邻层的业务交互接口；资源平面是NP对其小区内及小区间资源进行管理的平面，负责管理所有的低层网络业务，包括切换和小区选择管理、小区大小管理以及超负荷时将业务向其它网络输送均衡的管理等。可以看出这个结构模型可提供各层次提供通信协调和交互，具有可扩展性，可用于未来高度复杂的网络结构和多变的应用要求。
4.2 自适应的端到端QoS保证
第四代移动通信综合了多种RAT和网络，但要求网络层采用全IP的方式，实现无所不在的连接，不同的RAT提供无缝的下层业务承载。通常，IP流会跨多网传输，对于保证端到端的qos问题，可有用以下两种解决方案。一种是采用无线适配层，另一种是采用自适应终端和QoS代理。在第一种方案中，IP业务与经过的所有网络建立QoS合同，每个网络通过在IP层与RAT之间增加无线适配层（WAL）来保证各自的QoS合同，从而保证端到端的qoS。不同网络需要的WAL不同，但具有相同的结构和操作模式，一般包括传输/链路层控制机制（负责补偿不同的无线媒体损耗，提高可靠性及网络吞吐量）和业务控制机制（负责根据业务延时要求进行资源优先级分配）。WAL是一个开放的解决方案，可以根据网络特点和业务要求，增加或删减处理模块，模块的功能和属性也可采用软件无线电技术进行自适应配置和升级。第二种方法采用自适应终端和QoS代理，QoS代理位于无线接入网中，当终端检测到另一种更适合的网络模式时（包括重叠网络结构情况的模式切换和跨多网络时的模式间漫游），通知当前网络中的QoS代理与新网络中的QoS代理进行业务QoS协商，协商完成时，新网络中的QoS代理已通知资源管理控制模块进行相应的资源预留，自适应终端也根据协商的结果，自适应地调整其业务参数，然后进行模式转换（即网间切换），每次切换时进行同样操作也可保证端到端的QoS。未来的趋势将是以上方法或更多方法的有效结合。
目前，对第四代移动通信（4G）进行确切定义还为时尚早，本文根据当前的研究方向及现状对4G发展的趋势进行预测，分析了4G可能具备的特点：例如4G将采用新的无线接入技术实现广带要求；将包含不同的网络和不同的RAT，终端和基站会采用软件无线电技术，具有多模、可配置、易升级及开放的特性，将采用端到端IP结构促进网络互联，提供端到端的广带多媒体业务等，要实现上述要求，技术解决方案应具有灵活、自适应的特点。文章还对配置终端的实现、系统资源的管理、端到端QoS的自适应保证等重要问题进行了分析和探讨，给出了框架和思路。
摘自《电信快报》
