下一代移动通信网络架构

正值全球移动制造商、运营商致力于3G的研发及运营准备之际，随着3GPP和3GPP2的标准化工作逐渐深入和趋于稳定，国际标准化组织(如国际电信联盟)将发展的目光瞄准了能提供更高无线传输速率和统一灵活的全IP网络平台的下一代移动通信系统，一般称为后3G、增强型IMT-2000(Enhanced IMT-2000)、后IMT-2000(System Beyond IMT-2000)或4G。本文将其泛称为“下一代移动通信系统”。

　　1 下一代移动通信的概念

　　下一代移动通信技术涉及宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2 Mbit/s的数据传输能力；包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。与传统通信技术相比，下一代移动通信技术的优势在于通话质量好、数据通信速度高以及通信费用更加便宜，可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。下一代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统、宽带接入IP系统。

　　下一代移动通信将能满足如下需求：

　　(1)更快的通信速度
　　速度达到10 Mbit/s～20 Mbit/s，最高可以达到100 Mbit/s。

　　(2)更宽的网络频谱
　　每个信道将占有100 MHz的频谱，相当于WCDMA网络的20倍。

　　(3)更灵活的通信方式
　　终端从功能到式样将有更惊人的突破。

　　(4)更高的智能化
　　智能性更高，不仅表现在终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的是可以实现许多难以想象的功能。

　　(5)更平滑的兼容性能
　　终端将具备全球漫游、接口开放、网络互连、终端多样化，以及能从2G、2.5G/3G平稳过渡等特点。

　　(6)更高质量的多媒体通信
　　提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息将透过宽频的信道传送出去，因此也可称为“多媒体移动通信”。

　　(7)更低的通信费用
　　通过解决与3G的兼容性问题，从而使现有通信用户能轻易地升级；通过引入多项尖端通信技术，使下一代移动通信部署起来相对容易，将有效地降低运营成本。

　　在市场需求与新技术的共同作用下，下一代移动通信技术将向如下目标发展：

　　(1)移动通信业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成。
　　(2)移动通信技术的数字化、宽带化。
　　(3)网络设备智能化、小型化。
　　(4)更高频段应用，更有效的频率利用。
　　(5)移动网络的综合化、全球化、个人化。
　　(6)各种网络融合。
　　(7)高速率、高质量、低费用。

　　下一代移动网络的根本任务是接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络(平台)之间或者多个无线接口之间建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪；在移动通信过程中，保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率；基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。因此，下一代移动通信技术应具备如下特征：

　　(1)融合多种业务
　　下一代移动通信技术应能将个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满足用户的各种需求；应能集成不同模式的无线通信系统，使移动用户得以自由地在不同标准的系统间漫游；各种业务应用、各种系统平台间的互连应更便捷、安全，更富有个性化。

　　(2)高速移动中的无缝连接
　　用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

　　(3)各种用户设备入网便捷
　　各种价格低廉的设备应能做到方便地接入通信网络。为满足用户的特殊需要和特殊用户(如残疾人)的需要，更多新的人机交互方式将会不断出现。

　　(4)网络高度智能化
　　网络应具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性，用以满足不同环境、不同用户的通信需求，是一个高度自治、自适应的网络。

　　(5)软件平台趋于独立
　　软件平台趋于独立，从而加快实现计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网的融合。宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑点和结合点。

　　2 下一代移动通信的接入系统

　　下一代移动通信接入系统的显著特点是智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。各种专门的接入系统在公共平台上相互协作，以最优化的方式工作，满足不同用户的通信需求。多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。下一代移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统、无绳系统(如DECT)、短距离接入系统(如蓝牙)、无线局域网(WLAN)系统、固定接入和无线环路系统、卫星系统、平流层通信(STS)、广播电视接入通信系统(如DAB和DVB-T)、有线系统(双绞线的xDSL和同轴线的CATV系统)。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。以上各种接入系统都是针对某一类型的业务而专门设计的，他们通过媒体接入系统相连接，在全IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。下一代移动通信系统结构如图1所示。

图1 下一代移动通信的网络互连结构

　　由于不同类型的接入技术针对不同业务而设计，接入系统各自拥有不同的应用领域、小区范围以及无线环境，因此可以根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境，将它们以一种分层的结构组织起来。

　　(1)分配层
　　主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成，服务小区范围较大，特别适合广播业务。另外，它们可与GSM、通用移动通信系统(UMTS)、公众交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)结合，由这些系统提供上行链路，而由广播电视接入通信系统提供宽带下载信道。

　　(2)蜂窝层
　　主要包括2G、2.5G、3G通信系统以及新的无线接口(用于提供更高速率的信息服务)，这些系统主要是为个人通信服务的，它们有较大的系统容量。

　　(3)热点小区层
　　主要由WLAN网络组成，服务范围集中在校园、社区、公司、机场、会议中心等，支持自适应的调制方式、不对称的数据通信以及高速的信号传输。

　　(4)个人网络层
　　主要应用于家庭、办公室等短距离应用环境，服务范围覆盖面积很小。不同的设备之间可以通过蓝牙、DECT等系统连接在一起。另外，这些系统也可以作为个人链路连接到其他的网络层或直接连接到媒体接入系统。

　　(5)固定层
　　主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。固定无线接入或无线本地环路系统也可以归到这一类。它们主要提供高的系统容量，用以支持个人通信服务。

　　移动终端接入到系统中时，将根据自己的业务类型自动选择接入系统，以达到对业务的最佳支持，并将主要在以下3个方面进行技术革新和突破：

　　(1)在接入系统的物理层，优化信道调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，进一步改善频谱共享和天线技术，最大限度地开发利用有限频率资源。

　　(2)在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术、动态频谱分配和资源分配技术以及网络管理和不同接入系统间的协作，从而提高网络性能。

　　(3)加强软件无线电技术，并优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接技术和网络安全技术，从而提高和扩展IP技术在移动网络中的应用。

　　3 下一代移动通信的软件系统

　　下一代移动通信的软件系统将趋于标准化、复杂化、智能化，其首要任务是创建一个公共的软件平台，使不同通信系统和终端的应用软件通过此平台实现“互连互通”，并通过该软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此，对于下一代移动通信软件系统而言，关键是建立一个统一的软件标准和互连协议。

　　下一代移动通信软件系统将逐步采用Web服务模式，以取代现行的客户机/服务器(C/S)模式；新的计算机语言(如XML)将用于未来的这种基于Web的分布式服务；在网络安全上，将进一步保障通信网络的网络安全、数据完整和其他特殊需要。

　　下一代移动通信系统中会不断出现新的业务、新的需求；终端用户漫游于不同的系统中时，需要做到系统间以及系统内部的无缝切换。这些都需对终端和网络节点进行重新配置，因而需要一个分布式的配置控制方式。下一代移动通信系统内部网络节点和外部网络的网络配置结构如图2所示。

图2 下一代移动通信系统的网络配置

　　当移动终端漫游于不同的系统中时，需适时改变其工作模式，以适应不同的工作环境；还应及时更改网络节点的配置，以适应变化的系统的业务量及业务类型，从而使系统始终保持在最优工作状态。因此需要网络配置监视单元用于监视网络业务和环境的变化；分布于终端侧和网络侧的网络配置管理模块用来控制终端和网络的配置，并保持用户终端与网络之间的同步；软件下载中心用以向软件处理服务器提供所需要的软件配置文件。软件无线电技术将帮助实现移动终端和网络的再配置，从而保证下一代移动通信系统具有良好的灵活性和扩展性，并可利用单一终端在不同的接入系统中实现漫游。

　　4 下一代移动通信的关键技术

　　在下一代移动通信系统的关键技术中，除了信道传输与调制、信号传输、系统资源管理、软件无线电、智能天线等无线侧技术外，对于核心网侧的网络结构和协议而言，将采用基于IP技术的网络结构来有效地处理IP分组业务，并方便地提供广播多播业务，其中如何选择一个适合IP分组传输、位置登记、基站网络配置、以及无线质量控制的空中接口协议是关键。图3是数字化数据交易所的示意图，数字化数据交易所是下一代移动网络的一个重要技术之一，用于预处理不同网络平台之间的呼叫，从而在网络平台之间的特定协议条件下，帮助业务提供商提供高质量、低费用的业务应用。例如，电视数据信息在两个网络平台之间传送时，首先经由数字化数据交易点进行处理；然后该电视数据信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送；音频信号将由覆盖广泛的网络传送，视频信号将由只能处理、接收视频信号的网络传送，以此来降低通信成本和有效利用传输信道。未来的全球互联网系统和骨干网系统，将以宽带IP技术和光纤网络技术为主。新型光网络利用大气激光传输原理，主要由激光器、光放大器和光接收器组成，通过发射一种特殊的“扩展光束(Expanded beam)”传送光信号，并采用密集波分复用技术，支持10 Gbit/s的速率，传输距离大于5 km，具有良好的信号安全和稳定性。可以预见，在下一代移动通信网络中，光网络将起举足轻重的作用。

图3 数字化数字交易所

　　5 结束语

　　下一代移动通信系统将支持多媒体通信，实现无线接入宽带固定网，以及在不同系统之间漫游。未来移动通信系统的发展与我们这里所描述的下一代移动通信系统可能不完全一样，但会具备如下基本特征：

　　(1)服务完全集中
　　个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务将会结合成一个整体，系统将更加安全、方便并更加照顾用户的个性。

　　(2)移动接入无所不在
　　移动接入将是提供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等业务的主要接入方式，人们可以随时随地接入到系统中。

　　(3)用户设备各式各样
　　用户将使用各种各样的移动设备接入到系统中来。人与设备之间将可以通过听、说、看以外的其他途径进行交流。

　　(4)网络结构充分自治
　　网络可以自动管理，动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求，将是一个完全自治的、自适应的网络。

　　下一代移动通信网络系统将是人类有史以来最复杂的技术系统，要顺利、全面地实施下一代移动通信，将可能遇到如下困难：

　　(1)速度很难达到理论值
　　人们对未来移动通信的需求是其通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到100 Mbit/s，但手机的速度将受到通信系统容量的限制，并较难达到理论速度。

　　(2)面临市场压力
　　据预测，10年以后，2G的多媒体服务将进入第3个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上的人口将使用3G终端。到那时，整个行业正在消化吸收3G技术，对于下一代移动通信技术的接受需要一个逐步过渡的过程。□

　　参考文献

　　1 Zhou Shengli. Long codes for generalized FH-OFDMA through unknown multipath channels. IEEE Communications Magazine, 2001,(5):721—732
　　2 吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京:北京邮电大学出版社,2002
　　3 彭艺,查光明.第四代移动通信系统及展望.电信科学,2002,18(6):8—11
　　4 任立刚,李真,宋梅.后3G关键技术探讨.通讯世界,2002,8(7):35—37
　　5 吕智勇,张更新,马刈非.未来的第四代移动通信系统.移动通信,2001,25(8):3—5

[摘要] 文章介绍了下一代移动通信系统，论述了下一代移动通信系统的接入系统、软件系统及关键技术，设想了未来移动通信系统应具有的基本特征及实施下一代移动通信系统可能遇到的困难。

[关键词] 下一代移动通信；接入系统；软件系统；多模式终端；公共软件平台

[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.

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