下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

王　詠　劉建業(yè)　孫繼若

文章介紹了下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，論述了下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的接入系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)想了未來移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)具有的基本特征及實(shí)施下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)可能遇到的困難。

關(guān)鍵詞：

下一代移動(dòng)通信；接入系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)；多模式終端；公共軟件平臺(tái)

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.

KEY WORDS:

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

正值全球移動(dòng)制造商、運(yùn)營商致力于3G的研發(fā)及運(yùn)營準(zhǔn)備之際，隨著3GPP和3GPP2的標(biāo)準(zhǔn)化工作逐漸深入和趨于穩(wěn)定，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(如國際電信聯(lián)盟)將發(fā)展的目光瞄準(zhǔn)了能提供更高無線傳輸速率和統(tǒng)一靈活的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，一般稱為后3G、增強(qiáng)型IMT-2000(Enhanced IMT-2000)、后IMT-2000(System Beyond IMT-2000)或4G。本文將其泛稱為"下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)"。

1 下一代移動(dòng)通信的概念

下一代移動(dòng)通信技術(shù)涉及寬帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力；包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，下一代移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢在于通話質(zhì)量好、數(shù)據(jù)通信速度高以及通信費(fèi)用更加便宜，可以在不同的固定、無線平臺(tái)和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星通信和平流層通信)，能夠提供定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)、寬帶接入IP系統(tǒng)。

下一代移動(dòng)通信將能滿足如下需求：

(1)更快的通信速度

速度達(dá)到10 Mbit/s～20 Mbit/s，最高可以達(dá)到100 Mbit/s。

(2)更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜

每個(gè)信道將占有100 MHz的頻譜，相當(dāng)于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的20倍。

(3)更靈活的通信方式

終端從功能到式樣將有更驚人的突破。

(4)更高的智能化

智能性更高，不僅表現(xiàn)在終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作具有智能化，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)許多難以想象的功能。

(5)更平滑的兼容性能

終端將具備全球漫游、接口開放、網(wǎng)絡(luò)互連、終端多樣化，以及能從2G、2.5G/3G平穩(wěn)過渡等特點(diǎn)。

(6)更高質(zhì)量的多媒體通信

提供的無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息將透過寬頻的信道傳送出去，因此也可稱為"多媒體移動(dòng)通信"。

(7)更低的通信費(fèi)用

通過解決與3G的兼容性問題，從而使現(xiàn)有通信用戶能輕易地升級(jí)；通過引入多項(xiàng)尖端通信技術(shù)，使下一代移動(dòng)通信部署起來相對(duì)容易，將有效地降低運(yùn)營成本。

在市場需求與新技術(shù)的共同作用下，下一代移動(dòng)通信技術(shù)將向如下目標(biāo)發(fā)展：

(1)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、分組化，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)逐步形成。

(2)移動(dòng)通信技術(shù)的數(shù)字化、寬帶化。

(3)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備智能化、小型化。

(4)更高頻段應(yīng)用，更有效的頻率利用。

(5)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的綜合化、全球化、個(gè)人化。

(6)各種網(wǎng)絡(luò)融合。

(7)高速率、高質(zhì)量、低費(fèi)用。

下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是接收、獲取到終端的呼叫，在多個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(平臺(tái))之間或者多個(gè)無線接口之間建立其最有效的通信路徑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤；在移動(dòng)通信過程中，保持良好的無縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率；基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)無線接口，由多個(gè)業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者提供多媒體業(yè)務(wù)。因此，下一代移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)具備如下特征：

(1)融合多種業(yè)務(wù)

下一代移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)能將個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務(wù)無縫連接為一個(gè)整體，滿足用戶的各種需求；應(yīng)能集成不同模式的無線通信系統(tǒng)，使移動(dòng)用戶得以自由地在不同標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)間漫游；各種業(yè)務(wù)應(yīng)用、各種系統(tǒng)平臺(tái)間的互連應(yīng)更便捷、安全，更富有個(gè)性化。

(2)高速移動(dòng)中的無縫連接

用戶在高速移動(dòng)中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

(3)各種用戶設(shè)備入網(wǎng)便捷

各種價(jià)格低廉的設(shè)備應(yīng)能做到方便地接入通信網(wǎng)絡(luò)。為滿足用戶的特殊需要和特殊用戶(如殘疾人)的需要，更多新的人機(jī)交互方式將會(huì)不斷出現(xiàn)。

(4)網(wǎng)絡(luò)高度智能化

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有良好的重構(gòu)性、可伸縮性、自組織性，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求，是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

(5)軟件平臺(tái)趨于獨(dú)立

軟件平臺(tái)趨于獨(dú)立，從而加快實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)的融合。寬帶IP技術(shù)和光網(wǎng)絡(luò)將成為多網(wǎng)融合的支撐點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)。

2 下一代移動(dòng)通信的接入系統(tǒng)

下一代移動(dòng)通信接入系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是智能化多模式終端基于公共平臺(tái)，通過各種接入技術(shù)，在各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(平臺(tái))之間實(shí)現(xiàn)無縫連接和協(xié)作。各種專門的接入系統(tǒng)在公共平臺(tái)上相互協(xié)作，以最優(yōu)化的方式工作，滿足不同用戶的通信需求。多模式終端接入系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自適應(yīng)分配頻帶，給出最優(yōu)化路由，以達(dá)到最佳通信效果。下一代移動(dòng)通信的主要接入技術(shù)有：無線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、無繩系統(tǒng)(如DECT)、短距離接入系統(tǒng)(如藍(lán)牙)、無線局域網(wǎng)(WLAN)系統(tǒng)、固定接入和無線環(huán)路系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、平流層通信(STS)、廣播電視接入通信系統(tǒng)(如DAB和DVB-T)、有線系統(tǒng)(雙絞線的xDSL和同軸線的CATV系統(tǒng))。隨著技術(shù)發(fā)展和市場需求變化，新的接入技術(shù)將不斷出現(xiàn)。以上各種接入系統(tǒng)都是針對(duì)某一類型的業(yè)務(wù)而專門設(shè)計(jì)的，他們通過媒體接入系統(tǒng)相連接，在全I(xiàn)P的核心網(wǎng)中，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于不同類型的接入技術(shù)針對(duì)不同業(yè)務(wù)而設(shè)計(jì)，接入系統(tǒng)各自擁有不同的應(yīng)用領(lǐng)域、小區(qū)范圍以及無線環(huán)境，因此可以根據(jù)接入技術(shù)的適用領(lǐng)域、移動(dòng)小區(qū)半徑和工作環(huán)境，將它們以一種分層的結(jié)構(gòu)組織起來。

(1)分配層

主要由平流層通信、衛(wèi)星通信和廣播電視通信組成，服務(wù)小區(qū)范圍較大，特別適合廣播業(yè)務(wù)。另外，它們可與GSM、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)、公眾交換電話網(wǎng)(PSTN)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)結(jié)合，由這些系統(tǒng)提供上行鏈路，而由廣播電視接入通信系統(tǒng)提供寬帶下載信道。

(2)蜂窩層

主要包括2G、2.5G、3G通信系統(tǒng)以及新的無線接口(用于提供更高速率的信息服務(wù))，這些系統(tǒng)主要是為個(gè)人通信服務(wù)的，它們有較大的系統(tǒng)容量。

(3)熱點(diǎn)小區(qū)層

主要由WLAN網(wǎng)絡(luò)組成，服務(wù)范圍集中在校園、社區(qū)、公司、機(jī)場、會(huì)議中心等，支持自適應(yīng)的調(diào)制方式、不對(duì)稱的數(shù)據(jù)通信以及高速的信號(hào)傳輸。

(4)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)層

主要應(yīng)用于家庭、辦公室等短距離應(yīng)用環(huán)境，服務(wù)范圍覆蓋面積很小。不同的設(shè)備之間可以通過藍(lán)牙、DECT等系統(tǒng)連接在一起。另外，這些系統(tǒng)也可以作為個(gè)人鏈路連接到其他的網(wǎng)絡(luò)層或直接連接到媒體接入系統(tǒng)。

(5)固定層

主要指雙絞線、同軸電纜、光纖組成的固定通信系統(tǒng)。固定無線接入或無線本地環(huán)路系統(tǒng)也可以歸到這一類。它們主要提供高的系統(tǒng)容量，用以支持個(gè)人通信服務(wù)。

移動(dòng)終端接入到系統(tǒng)中時(shí)，將根據(jù)自己的業(yè)務(wù)類型自動(dòng)選擇接入系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)業(yè)務(wù)的最佳支持，并將主要在以下3個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)革新和突破：

(1)在接入系統(tǒng)的物理層，優(yōu)化信道調(diào)制、信道編碼和信號(hào)傳輸技術(shù)，提高信號(hào)處理算法、信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，進(jìn)一步改善頻譜共享和天線技術(shù)，最大限度地開發(fā)利用有限頻率資源。

(2)在接入系統(tǒng)的高層協(xié)議方面，研究網(wǎng)絡(luò)自我優(yōu)化和自動(dòng)重構(gòu)技術(shù)、動(dòng)態(tài)頻譜分配和資源分配技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)管理和不同接入系統(tǒng)間的協(xié)作，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。

(3)加強(qiáng)軟件無線電技術(shù)，并優(yōu)化無線電傳輸技術(shù)，如支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、無縫連接技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)，從而提高和擴(kuò)展IP技術(shù)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

3 下一代移動(dòng)通信的軟件系統(tǒng)

下一代移動(dòng)通信的軟件系統(tǒng)將趨于標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜化、智能化，其首要任務(wù)是創(chuàng)建一個(gè)公共的軟件平臺(tái)，使不同通信系統(tǒng)和終端的應(yīng)用軟件通過此平臺(tái)實(shí)現(xiàn)"互連互通"，并通過該軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通信系統(tǒng)和終端的管理和監(jiān)控。因此，對(duì)于下一代移動(dòng)通信軟件系統(tǒng)而言，關(guān)鍵是建立一個(gè)統(tǒng)一的軟件標(biāo)準(zhǔn)和互連協(xié)議。

下一代移動(dòng)通信軟件系統(tǒng)將逐步采用Web服務(wù)模式，以取代現(xiàn)行的客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式；新的計(jì)算機(jī)語言(如XML)將用于未來的這種基于Web的分布式服務(wù)；在網(wǎng)絡(luò)安全上，將進(jìn)一步保障通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)完整和其他特殊需要。

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)中會(huì)不斷出現(xiàn)新的業(yè)務(wù)、新的需求；終端用戶漫游于不同的系統(tǒng)中時(shí)，需要做到系統(tǒng)間以及系統(tǒng)內(nèi)部的無縫切換。這些都需對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新配置，因而需要一個(gè)分布式的配置控制方式。下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和外部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)移動(dòng)終端漫游于不同的系統(tǒng)中時(shí)，需適時(shí)改變其工作模式，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境；還應(yīng)及時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置，以適應(yīng)變化的系統(tǒng)的業(yè)務(wù)量及業(yè)務(wù)類型，從而使系統(tǒng)始終保持在最優(yōu)工作狀態(tài)。因此需要網(wǎng)絡(luò)配置監(jiān)視單元用于監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和環(huán)境的變化；分布于終端側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)配置管理模塊用來控制終端和網(wǎng)絡(luò)的配置，并保持用戶終端與網(wǎng)絡(luò)之間的同步；軟件下載中心用以向軟件處理服務(wù)器提供所需要的軟件配置文件。軟件無線電技術(shù)將幫助實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端和網(wǎng)絡(luò)的再配置，從而保證下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)具有良好的靈活性和擴(kuò)展性，并可利用單一終端在不同的接入系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)漫游。

4 下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)

在下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)中，除了信道傳輸與調(diào)制、信號(hào)傳輸、系統(tǒng)資源管理、軟件無線電、智能天線等無線側(cè)技術(shù)外，對(duì)于核心網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議而言，將采用基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來有效地處理IP分組業(yè)務(wù)，并方便地提供廣播多播業(yè)務(wù)，其中如何選擇一個(gè)適合IP分組傳輸、位置登記、基站網(wǎng)絡(luò)配置、以及無線質(zhì)量控制的空中接口協(xié)議是關(guān)鍵。圖3是數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所的示意圖，數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所是下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù)之一，用于預(yù)處理不同網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的呼叫，從而在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的特定協(xié)議條件下，幫助業(yè)務(wù)提供商提供高質(zhì)量、低費(fèi)用的業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如，電視數(shù)據(jù)信息在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間傳送時(shí)，首先經(jīng)由數(shù)字化數(shù)據(jù)交易點(diǎn)進(jìn)行處理；然后該電視數(shù)據(jù)信息將被分離成視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，經(jīng)由不同信道傳送；音頻信號(hào)將由覆蓋廣泛的網(wǎng)絡(luò)傳送，視頻信號(hào)將由只能處理、接收視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳送，以此來降低通信成本和有效利用傳輸信道。未來的全球互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和骨干網(wǎng)系統(tǒng)，將以寬帶IP技術(shù)和光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主。新型光網(wǎng)絡(luò)利用大氣激光傳輸原理，主要由激光器、光放大器和光接收器組成，通過發(fā)射一種特殊的"擴(kuò)展光束(Expanded beam)"傳送光信號(hào)，并采用密集波分復(fù)用技術(shù)，支持10 Gbit/s的速率，傳輸距離大于5 km，具有良好的信號(hào)安全和穩(wěn)定性?？梢灶A(yù)見，在下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，光網(wǎng)絡(luò)將起舉足輕重的作用。

5 結(jié)束語

下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將支持多媒體通信，實(shí)現(xiàn)無線接入寬帶固定網(wǎng)，以及在不同系統(tǒng)之間漫游。未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展與我們這里所描述的下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)可能不完全一樣，但會(huì)具備如下基本特征：

(1)服務(wù)完全集中

個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各項(xiàng)業(yè)務(wù)將會(huì)結(jié)合成一個(gè)整體，系統(tǒng)將更加安全、方便并更加照顧用戶的個(gè)性。

(2)移動(dòng)接入無所不在

移動(dòng)接入將是提供話音、高速信息業(yè)務(wù)、廣播以及娛樂等業(yè)務(wù)的主要接入方式，人們可以隨時(shí)隨地接入到系統(tǒng)中。

(3)用戶設(shè)備各式各樣

用戶將使用各種各樣的移動(dòng)設(shè)備接入到系統(tǒng)中來。人與設(shè)備之間將可以通過聽、說、看以外的其他途徑進(jìn)行交流。

(4)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)充分自治

網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)管理，動(dòng)態(tài)改變自己的結(jié)構(gòu)以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求，將是一個(gè)完全自治的、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。

下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是人類有史以來最復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，要順利、全面地實(shí)施下一代移動(dòng)通信，將可能遇到如下困難：

(1)速度很難達(dá)到理論值

人們對(duì)未來移動(dòng)通信的需求是其通信傳輸速度將會(huì)得到極大提升，從理論上說最高可達(dá)到100 Mbit/s，但手機(jī)的速度將受到通信系統(tǒng)容量的限制，并較難達(dá)到理論速度。

(2)面臨市場壓力

據(jù)預(yù)測，10年以后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第3個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本建成，全球25%以上的人口將使用3G終端。到那時(shí)，整個(gè)行業(yè)正在消化吸收3G技術(shù)，對(duì)于下一代移動(dòng)通信技術(shù)的接受需要一個(gè)逐步過渡的過程?！?/p>

參考文獻(xiàn)

1 Zhou Shengli. Long codes for generalized FH-OFDMA through unknown multipath channels. IEEE Communications Magazine, 2001,(5):721-732

2 吳偉陵.移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù).北京:北京郵電大學(xué)出版社,2002

3 彭藝,查光明.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)及展望.電信科學(xué),2002,18(6):8-11

4 任立剛,李真,宋梅.后3G關(guān)鍵技術(shù)探討.通訊世界,2002,8(7):35-37

5 呂智勇,張更新,馬刈非.未來的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng).移動(dòng)通信,2001,25(8):3-5

(收稿日期：2002-09-18)

作者簡介

王詠，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部高級(jí)工程師。南京大學(xué)信息學(xué)專業(yè)畢業(yè)，博士。目前主要從事WCDMA系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研等工作。

劉建業(yè)，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部3G產(chǎn)品總工程師。南京航空航天大學(xué)畢業(yè)，碩士。目前主要從事WCDMA系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)與相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)工作。

孫繼若，深圳市中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部高級(jí)工程師。西安電子科技大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)畢業(yè)，碩士。目前主要從事WCDMA系統(tǒng)的研究工作。