下一代移动通信探讨

1 引言

　　尽管第3代移动通信(3G)市场前景还不明朗，但移动通信正处于一个关键时期，无线数据经济(Wireless data economy )或无线互联经济已经初步显现，其中包括：DoCoMo在PDC(Personal Digital Cellular)网络中引入i-mode，在WCDMA网络中引入自由移动多媒体接入(FOMA)业务；韩国在cdma 2000上取得初步成功；GPRS正在欧洲和中国为3G热身。这些发展下一代移动通信的实践经验给我们以主要启示：

• 下一代移动通信研发要走市场驱动之路；
  
• 下一代移动通信要适应移动通信环境的特殊需求；
  
• 下一代移动通信核心网络要建立在支持移动IP、具有业务QoS保证的IPv6协议基础上；
  
• 下一代移动业务的主体将是移动因特网业务；
  
• 移动通信中需要什么样的多媒体业务还需更深入的调查研究；
  
• 下一代移动通信在应用、终端、使用成本、覆盖和漫游、网络的前后向兼容、网络速度和吞吐量等方面需要综合考虑，平衡发展。

　　2 移动通信的基本特征

　　2.1 移动通信的特性

　　移动通信具有3个动态特性：

　　(1)信道的动态性

　　信道的动态性具体表现为传播的开放性，即无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传递的；信道参量变化的时变性，即移动信道是随参信道。

　　(2)用户的动态性

　　用户的动态性具体表现为接收环境的复杂性，接收环境包括市区、郊区与农村，室内和室外等；接收地点的随机可变性，用户可能处于各种移动速度状态。

　　(3)业务的动态性

　　业务的动态性具体表现为：用户可随机自由选择不同媒体的通信方式，各类用户不同媒体业务要求互不干扰，用户需要实现同时多接入。

　　2.2 移动通信的要求与任务

　　任何一种通信系统都以通信传输的3种指标：有效性、可靠性和安全性来衡量，并进行不断优化。所谓有效性是一个数量指标，是指占用尽可能少的信道资源传送尽可能多的信源信息；可靠性是一个质量指标，是指抵抗各类在移动通信中的自然干扰，尤其是多址干扰的能力；安全性是指传输中的安全保密性能。移动通信的任务是在3个动态特性的条件下，满足与实现3项基本要求，并逐步达到系统优化。

　　2.3 移动通信的层次划分

　　完成移动通信的基本任务可以从物理层、网络层和整体规划层这3个不同层次来实现，并要求各层次间相互协同配合，最终实现整体优化。

　　(1)物理层

　　物理层的主要功能是实现链路传输所有的基本硬件设备与相应软件算法。

　　(2)网络层

　　网络层的主要功能是提供不同业务的初始建立过程，含寻呼与接续；提供业务通信的必要信令与协议的支持；提供对不同业务的QoS保证；提供全系统高层的无线资源管理与移动性管理。

　　(3)整体规划层

　　整体规划层的主要功能是从全网宏观角度给出网络最佳拓扑结构，给出网络整体规划与设计，逐步实现网络优化。

　　3 前3代移动通信回顾

　　3.1 前3代移动通信技术

　　第1代移动通信以解决用户动态匹配为核心，适当考虑了信道动态特性。第1代移动通信实现了频分多址(FDMA)动态寻址功能；以蜂窝结构网为核心，利用频率规划实现用户大范围覆盖与用户大数量增长；采用适应无线移动传输的调频方式，并在基站采用二重空间分集抗空间选择性衰落。

　　第2代移动通信采用数字化传输技术，较全面考虑了用户与信道两个动态特性及其匹配措施。第2代移动通信采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术实现动态寻址功能；以蜂窝结构网为核心，利用频率规划(在GSM制式中)和导频相位规划(在IS-95制式中)实现用户的大范围覆盖与用户大数量增长；采用性能优良的数字式调制GMSK、QPSK和性能优良的纠错编码(如卷积码、级联码)抗白噪声干扰；采用功率控制技术抗慢衰落与远近效应，这一点在IS-95制式中的CDMA体制中最为突出；采用自适应均衡(在GSM制式中)和Rake接收(在IS-95制式中)技术抗频率选择性衰落和多径干扰；采用信道交织编码技术，比如帧间交织方式(在GSM制式中)、块交织方式(在IS-95制式中)抗时间选择性衰落；基站采用空间或极化分集技术抗空间选择性衰落。

　　第3代移动通信全面考虑并完善对用户、信道两个动态特性的匹配，适当考虑业务的动态性能。3G在无线传输方面继续采用2G中有行之有效的措施，为了克服CDMA中的多址干扰，建议上行采用多用户检测；3G中采用发送端分集、空时编码，并建议采用智能天线技术改善下行性能；为实现与业务动态特性的匹配，3G中采用了可实现不同速率(不同扩频比)业务间正交性能的OVSF多址码；针对数据业务要求误码率低且实时性要求不高的特点，在3G中对数据业务采用性能更优良的Turbo码。第3代移动通信在网络层方面逐步完善网络协议并逐步规范化，在3G中已初步形成横向3层即物理层、链路层、网络高层，纵向两个平面即用户业务平面和控制平面的初步规范化结构；逐步增强并完善辅助物理层，实现对3个动态特性的匹配功能，加强并完善无线资源管理、移动性管理技术以及分配、调度算法。

　　3.2 前3代移动通信业务与功能

　　(1)业务的拓广

　　第1代移动通信在单一模拟电路交换平台上，完成单一模拟话音业务；第2代移动通信在单一数字电路交换平台上，完成数字式话音与同一低速率电路交换的数据业务；第2.5代移动通信(2.5G)建立两个平行的电路域与分组域交换平台，并在此基础上完成数字编码和传输的话音业务服务，以及小于64 kbit/s速率电路交换、小于171.2 kbit/s速率分组交换的各类数据业务服务；第3代移动通信首先在2.5G基础上进行增强与改善，并在其基础上逐步改造成单一分组交换的IP平台，提供小于2 Mbit/s速率的各类多媒体业务服务。

　　(2)功能的扩充

　　第1代移动通信与第2代移动通信实现了通话功能；第2.5代移动通信新增上网功能和无线定位功能；第3代移动通信提供会话型、数据流型、互动型与后台类型的综合业务服务功能。

　　3.3 前3代移动通信遗留的问题

　　前3代移动通信完成了不少工作，实现了许多功能，但也遗留了一些问题。这些问题主要有：

　　(1)高速移动环境下(一般指大于150 km/h)多卜勒频移产生的时间选择性衰落，目前除了交织码外尚无有效的解决办法。
　　(2)CDMA方式中多址码设计不理想，特别是对于互相关性不为“0”所产生的多址干扰，除研制中的多用户检测技术外，目前尚无有效的解决办法。
　　(3)在信道的快速、实时监测与估值方面，目前缺乏有效、快速、准确、可靠的方案和相应算法。
　　(4)话音与不同速率(不同扩频比)数据同时（在同一频段）通信带来了一系列问题，包括：由于发射功率不一样，进一步增强了多址干扰的影响；由于发射功率不一样，给功率控制带来了新难度；不同使用环境、不同类型业务的QoS要求给小区划分与规划带来新问题。
　　(5)业务动态性大大增加了技术上实现的难度与复杂度。由两个(用户、信道)动态向3个(用户、信道与业务)动态发展本身就是一次飞跃，如何实现3个动态间的匹配值得深思与探讨。　

　　4 下一代移动通信展望与探讨

　　4.1 面临的问题

　　下一代移动通信核心仍然是完成移动通信的基本任务，除了解决前3代遗留的问题以外，还需要解决新问题，具体有：

　　(1)解决宽带业务需求产生的新问题

　　移动业务信号速率将从2 Mbit/s提高到大于20 Mbit/s，这意味着业务带宽提高10倍；宽带的高速移动业务，其多卜勒频移影响将进一步加重，并有可能成为下一代制约技术发展的新“瓶颈”；20 MHz的业务使用带宽能否继续采用传统DS-CDMA多址方式值得考虑，必须要考虑总使用频段受限的条件和扩频比；采用什么样的频段传送高速移动业务。

　　(2)业务动态性需求所产生的新问题

　　不同业务的QoS要求不一样，给物理层、网络层、规划层的实现提出了新要求，带来了新问题，具体有：不同带宽、不同功率业务同时通信(特别对CDMA方式)增加了多用户干扰的严重性、增大了对功率控制的难度；不同带宽、不同功率以及不同运动速度业务，对网络层实现无线资源管理、移动性管理，特别是对监测、分配、调度等功能提出了进一步更高的要求。

　　总之下一代移动通信需要在物理层、网络层和整体规划层上有新的突破。

　　4.2 体制选择

　　关于下一代移动通信体制的选择，目前有两种体制可供考虑。

　　(1)传统模式体制

　　这类体制走向采用延续1G→2G→3G→4G的传统模式，采用更高的频段和更宽的使用业务带宽；不同移动通信系统发展轨迹为1G蜂窝网→2G数字化→3G多媒体→4G智能化；主要物理层候选技术为OFDM/CDMA方式；逐步解决第3代移动通信中的遗留问题，并寻找新技术。这一体制的主要缺点是割裂了各代网络之间的关系。

　　(2)创建新体制

　　这类体制走向为突破传统模式、选定主业务需求、创建有特色的新体制。新体制在三网融合趋势下的全IP网络基础上，走市场驱动道路，选择建立在IPv6基础上能满足移动IP要求，满足不同业务的QoS要求，适应移动通信环境与特色的宽带移动因特网作为业务主攻方向，放弃多媒体双向视频业务的主攻方向。为了解决宽带移动因特网中上、下行业务需求的严重不对称性，建议上、下行可以采用不完全一致的通信体制，目前有几种候选方案供考虑：第1种候选方案采用频分双工(FDD)模式，上行采用OFDM/CDMA方式，下行采用Slot/OFDM/CDMA+MIMO方式；第2种候选方案采用时分双工(TDD)模式，OFDM/CDMA+智能天线方式；第3种候选方案采用话音业务与数据业务使用不同的射频频段的方式，对业务加以分隔，解决话音与数据间由于不同的QoS要求、不同发射功率、不同带宽与速率所带来的一系列矛盾。候选方案3可以与前两个方案并用，好处是将复杂的3个动态匹配简化为两个半动态匹配。关于移动类别的考虑是：将移动用户粗分为两类，各类分别处理，一类为小于3 km/h的步行或室内静止用户；一类为大于3 km/h的车载用户，还可以细分为3～70 km/h一般车速与大于70 km/h的高速移动用户。将业务也分为话音与数据两类，各类分别处理。在网络规划方面：可将网络拓扑结构设计成多层次重叠蜂窝网，简称为立体规划，采用横向水平覆盖切换解决同类业务不间断通信，纵向垂直覆盖切换解决移动性质与业务类型的不同的层间不间断通信。创建有特色的新体制的优点是在统一的IP基础上建立统一的移动网络。

　　4.3 物理层关键技术考虑

　　采用传统的静态固定型接收机和固定门限来对具有3个动态特性的系统进行匹配和接收显然是不合理的，物理层关键技术的努力方向应该是逐步实现与3个动态(用户、信道和业务)或简化的二个半动态相匹配的自适应传输体制。实现自适应传输体制的主要措施包括：

　　(1)对现有物理层关键技术需进一步完善与实用化，如信道编码从级联码→Turbo码→LDPC(低密度概率码)，不断完善；进一步探讨各类多址划分技术与多址码的寻找；多用户检测算法与技术的实用化；发送分集与空时编码技术的实用化研究与改善。

　　(2)加强空间域与传统时、频域相结合的研究，并择优选取一个主攻方向。一个方向是从扇区天线→智能扇区天线→切换式智能天线→自适应智能天线，以抑制干扰、跟踪用户来改善性能、提高抗干扰性并增大容量为方向；另外一个方向是从收端分集→发端分集→空时码与发分集相结合→多入多出与空时码结合，以基于分集机制、提高发射接收综合效应来改善性能、提高抗干扰能力并扩大容量为方向。

　　(3)在单一部件的优化基础上，逐步扩大联合(组合)优化范畴。比如将Turbo码重复迭代译码的思想推广到解调解码联合迭代中，进一步还可以推广至整个接收端乃至整个收发系统中。

　　(4)重点突出正交频分复用（OFDM）在下一代物理层技术中实用化的研究。OFDM/CDMA应该成为研发的重点。针对OFDM技术存在的若干问题，如峰平比高、频率扩散下正交性恶化、同步性能要求高且抗频率扩散性能差、以及要精确已知信道状态等进行针对性研究，寻找克服的有效措施。

　　(5)重点突出物理层自适应传输技术的研究。即根据实测实时信道时变特性与环境，研究自适应分配业务、服务网络、速率、功率以及调制与编码方式，根据不同业务的QoS需求分配带宽、信道以及调制编码方式，根据接收信号信噪比或功率的时变特性及时调整接收机门限电平，并综合协调关系。

　　(6)重点突出对信道实时监测、准确估计的快速算法研究，为实现对信道动态匹配提供先决条件。

　　(7)加强多址技术与用户实时定位技术实用化研究。对cdma 2000系统，可利用全球定位系统(GPS)实现较精确的用户定位；对WCDMA系统，若不利用GPS，可采用网络定位，但精度较差。定位将为实现对用户动态匹配、无线资源管理(RRM)、QoS提供必要的先决条件。

　　(8)加速实用化软件无线电技术研究，以提供统一基站与终端硬件平台。分两步，第1步实现基带全数字化，达到数字无线电目标；第2步实现软件定义无线电(SDR)，将数字化拓广至中频乃至射频部分。

　　4.4 网络全IP化与智能化考虑

　　对于下一代移动网络，一般从以下几个方面进行总体考虑。

　　(1)全IP

　　全IP指结构IP化、协议IP化、传输与业务IP化的全过程。全IP从核心网IP化开始，逐步延伸到无线接入网和无线接口IP化。IP建立在IPv6基础上，满足移动IP要求，满足对不同业务的QoS要求，适应复杂移动通信环境与特色的宽带移动因特网要求的无线IP。因此在TCP/IP协议上应针对无线移动特点进行适当修改。

　　(2)智能化

　　智能化是下一代移动网络的主要努力方向，智能化主要是指配合物理层实现不同条件下的自适应传输技术；实现动态智能化无线资源管理，包含对无线资源的估计、呼叫接纳控制、队列调度以及无线资源分配的全过程智能化管理；实现动态智能化移动性管理，包含对用户鉴权、加密、用户登记、显示、信息调用以及用户切换管理的动态智能化；统一协调自适应传输的网络配合、无线资源动态管理和移动性动态管理与执行的分配、调度。

　　4.5 拓扑结构与网络整体规划

　　下一代移动网络的拓扑结构与网络整体规划如下：

　　(1)多层次、重叠式立体移动网络结构

　　为了能满足在不同环境下(比如不同移动速度)不同媒体业务(比如话音、还是数据与图像)的QoS要求，网络拓扑结构从3G开始逐步从简单的单层次蜂窝小区演进到多层次、重叠式的立体网络结构，如图1所示。

图1 多层次、重叠式立体移动网络结构

　　在多层次、重叠式立体网络中有3种小区：宏小区(指郊区与一般市区)，保证连续无缝隙覆盖，并满足高速移动环境，适合低速话音与相应的数据业务，其基站功率较大；微小区(指繁华市区)，适合于低速移动环境，如步行条件，适合于低、中速率和带宽话音与数据业务，其基站功率较小；微微小区(指室内)，适合于静止与准静止环境，一般指室内一层楼或一个业务集中办公室，适合高频谱效率、高容量、高速率宽带数据与图像业务，其基站功率较小。在这种多层次、重叠式立体网络中存在两类切换：同一类小区间的水平切换，保证同类业务在服务区内的不间断性；不同类小区间的垂直切换，以适应不同环境下不同业务的需求。在多层次、重叠式立体网络中，不同层次网络有不同手段。室内范围有蓝牙系统、射频家电和红外通信等；无线局域网有IEEE 802.11系列的LAN和欧洲电信标准组织（ETSI）的HIPERLAN等；广域蜂窝网有第2代移动通信的GSM、IS-95，第3代移动通信的WCDMA与cdma 2000等；全球范围移动卫星通信有铱星、全球星、海事卫星等系统；立体网中的垂直切换则是指这些不同层次间的切换。

　　(2)自组织形式移动网络结构

　　随着移动通信的普及与发展，用户数量不断增加，小区区域也因此而不断缩小，切换频频发生，网络效率越来越低下，这促进了传统的蜂窝式结构的突破。为满足不同环境与不同媒体业务的QoS要求提出的从单层次蜂窝演进到多层次、重叠式的立体网络结构实现复杂，效率低下，也促进了对传统蜂窝式结构的挑战和突破。一种称为Ad Hoc的自组织网络形式具有较大的吸引力，它建立的基础是：在大城市中，光纤到大楼已初步实现，处处建立分布式天线已成为可能，在此基础上建立类似Ad Hoc的无中心或动态中心式的虚拟小区成为可能，在动态虚拟小区的基础上就可以建立自组织式网络结构，这种网络如图2所示。

图2 以用户为中心的虚拟小区

　　不管是多层次、重叠式立体移动网络结构还是自组织形式移动网络结构，如果能研制一种统一的无线TCP/IP协议，那么上面讨论的所有无线和移动的室内家电网、无线局域网、广域蜂窝网乃至全球移动卫星网，均可以看作是在统一的全球骨干因特网(光纤网)中，以不同接入方式和接入点在全球范围内实现移动IP，实现在任何条件、任何时间、不间断通信的伟大理想。□

　　参考文献

　　1 吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京:北京邮电大学出版社,2000
　　2 吴伟陵.通信中的信息处理.中国通信学会通信理论与信号处理专业学会合并大会,南京,2002
　　3 吴伟陵.变参信息论及在移动通信中的应用.北京邮电大学2002博士生专题讨论班, 北京,2002
　　4 4G移动通信论文集.中国杭州4G研讨会,杭州,2002
　　5 Special Feature: Technologies for 4G Mobile. IEEE Wireless Communications, 2002, 9(2)
　　6 Fourth Generation Wireless Networks and Interconnecting Standards. IEEE Personal Communications,2001,8(5)
　　7 European R&D on Fourth-Generation Mobile and Wireless IP Networks. IEEE Personal Communications, 2001,8(6)

[摘要] 文章回顾了前3代移动通信的发展历程，列举了前3代移动通信遗留的问题。对下一代移动通信体制选择、物理层关键技术、网络全IP化与智能化、拓扑结构与网络整体规划等进行了综合分析。

[关键词] 下一代移动通信；移动网络；自适应(动态)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.

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