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2008年8月14日 星期四

第四代移動通信 能否解決3G時代標準融合

(2005-02-03 20:37) (古麗萍) (電子技術應用)

導讀--第四代移動通信與第三代移動通信相比,將在技術和應用上有質的飛躍。4G將適合所有的移動通信用戶。

  移動通信已成為當代通信領域內的發展潛力最大、市場前景最廣的熱點技術。目前全球已具有相當規模的移動通信標準有GSMCDMATDMA三大分支,每個分支都在搶佔市場。全球無線技術各自為營,各廠商都在不斷推出新技術,以迅速搶佔行業標準的主導地位。儘管第三代移動通信(3G)標準比現有無線技術更強大,但也將面積競爭和標準不相容等問題。人們開始呼籲移動通信標準的統一,以期透過第四代移動通信標準的制定來解決相容問題。國際電信聯盟ITU)目前已經開始研究制訂第四代移動通信標準,並已達成共識:把移動通信系統同其他系統(例如無線區域網路W-LAN,等)結合起來,產生4G技術,2010年之前使數據傳輸數率達到100Mbps,以提供更有效的多種業務。目前相互相容移動通信技術的第四代移動通信標準(
4G)正在業界萌動。第四代移動通信與第三代移動通信相比,將在技術和應用上有質的飛躍。4G將適合所有的移動通信用戶,最終實現商業無線網路、區域網路、藍牙、廣播、電視衛星通信的無縫銜接並相互相容

  1 移動通信發展歷程

  1.1 第一代移動通信技術(1G) 

  
主要採用的是模擬技術和頻分多址FDMA)技術。由於受到傳輸帶寬的限制,不能進行移動通信的長途溫游,只能是一種區域性的移動通信系統。第一代移動通信有多種制式,我國主要採用的是TACS。第一代移動通信有很多不足之處,比如容量有限、制式太多、互不相容、保密性差、通話品質不高、不能提供數據業務、不能提供自動溫游等。 

  1.2 第二代移動通信技術(2G) 

  
主要採用的是數字的時分多址TDMA技術和碼分多址CDMA)技術。主要業務是語音,其主特性是提供數字化的話音業務及低速數據業務。它克服了模擬移動通信系統的弱點,話音品質、保密性能得到大的提高,並可進行省內、省際自動漫游。第二代移動通信替代第一代移動通信系統完成模擬技術向數字技術的轉變,但由於第二代採用不同的制式,移動通信標準不統一,用戶只能在同一制式覆蓋的範圍內進行漫游,因而無法進行全球漫游,由於第二代數字移動通信系統帶寬有限,限制了數據業務的應用,也無法實現高速率的業務如移動的多媒體業務。 

  1.3 第三代移動通信技術(3G) 

  與從前以模擬技術為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術相比,3G將有更寬的帶寬,其傳輸速度最低為384K,最高為2M,帶寬可達5MHz以上。不僅能傳輸話音,還能傳輸數據,從而提供快捷、方便的無線應用,如無線接入Internet。能夠實現高速數據傳輸和寬帶多媒體服務是第三代移動通信的另個主要特點。第三代移動通信網路能將高速移動接入和基於互聯網協議的服務結合起來,提高無線頻率利用效率。提供包括衛星在內的全球覆蓋並實現有線和無線以及不同無線網路之間業務的無縫連接。滿足多媒體業務的要求,從而為用戶提供更經濟、內容更豐富的無線通信服務。但第三代移動通信仍是基於地面、標準不的區域性通信系統。雖然第三代移動通信可以比現有傳輸率快上千倍,但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求。第四代移動通信系統的提供便是希望能滿足提供更大的頻寬需求,滿足第三代移動通信尚不能達到的在覆蓋、品質、造價上支援的高速數據和高解析度多媒體服務的需要。 

  2 第四代移動通信及其性能 

  第四代移動通信系統可稱為廣帶Broadband)接入和分布網路,具有非對稱的超過2Mb/s的數據傳輸能力,數據率超過UMTS,是支援高速數據率(2~20Mb/s)連接的理想模式,上網速度從2Mb/s提高到100Mb/s,具有不同速率間的自動切換能力。第四代移動通信系統是多功能集成的寬帶移動通信系統,在業務上、功能上、頻帶上都與第三代系統不同,將在不同的固定和無線平台及跨越不同頻帶的網路運行中提供無線服務,比第三代移動通信更接近於個人通信。
第四代移動通信技術可將上網速度提高到超過第三代移動技術50倍,可實現三維圖像高品質傳輸4G移動通信技術的資訊傳輸級數要比3G移動通信技術的資訊傳輸級數高一個等級。對無線頻率的使用效率比第二代和第三代系統都高得多,且抗信號衰弱性能更好,其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10000倍。除了高速資訊傳輸技術外,它還包括高速移動無線資訊存取系統、移動平台技術、安全密碼技術以及終端間通信技術等,具有極高的安全性,4G終端還可用作諸如定位、告警等。4G手機系統下行鏈路速度為100mbps,上行鏈路速度為30mbps。其基站天線可以發送更窄的無線電波波束,在用戶行動時也可進行跟蹤,可處理數量更多的通話第四代移動電話不僅音質清晰,而且能進行高清晰度的圖像傳輸,用途將十分廣泛在容量方面,可在FDMATDMACDMA的基礎上引入空分多址SDMA),容量達到3G的5~10倍。另外,可以在任何地址寬帶接入互聯網,包含衛星通信,能提供資訊通信之外的定位定時、數據採集、遠端控制等綜合功能。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線區域網路、移動廣帶系統和互操作的廣播網路(基於地面和衛星系統)。其廣帶無線區域網路WLAN能與B-ISDNATM相容,實現廣帶多媒體通信,形成綜合廣帶通信網IBCN,透過IP進行通話。能全速移動用戶能提供150Mb/s的高品質的影像服務,實現三維圖像的高品質傳輸,無線用戶之間可以進行三維虛擬現實通信。能自適應資源分配,處理變化的業務流、信道條件不同的環境,有很強的自組織性和靈活性。能根據網路的動態和自動變化的信道條件,使低碼率與高碼率的用戶能夠共存,綜合固定移動廣播網路或其他的一些規則,實現對這些功能體積分布的控制。支援互動式多媒體業務,如視頻會議、無線互聯網等,提供更廣泛的服務和應用。4G系統可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。用戶將使用各種各樣的移動設備接入到4G系統中,各種不同的接入系統結合成一個公共的平台,它們互相補充、互相協作以滿足不同的業務的要求,移動網路服務趨於多樣化,最終將演變為社會上多行業、多部門、多系統與人們溝通的橋梁。 

  3 4G系統網路結構及其關鍵技術 

  4G移動系統網路結構可分為三層:
物理網路層中間環境層應用網路層物理網路層提供接入和路由選擇功能,它們由無線和核心網的結合格式完成中間環境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等物理網路層中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的,它使發展和提供新的應用及服務變得更為容易,提供無縫高數據率的無線服務,並運行於多個頻帶。這一服務能自適應多個無線標準及多模終端能力,跨越多個運營者和服務,提供大範圍服務。第四代移動通信系統的關鍵技術包括信道傳輸;抗幹擾性強的高速接入技術、調制和資訊傳輸技術;高性能、小型化和低成本的自適應陣列智能天線;大容量、低成本的無線接口和光接口;系統管理資源;軟體無線電、網路結構協議等。第四代移動通信系統主要是以正交頻分覆用(OFDM)為技術核心。OFDM技術的特點是網路結構高度可擴展,具有良好的抗噪聲性能和抗多信道幹擾能力,可以提供比目前無線數據技術品質更高(速率高、時延小)的服務和更好的性能價格比,能為4G無線網提供更好的方案。例如無線區域環路(WLL)、數字音訊廣播(DAB)等,都將採用OFDM技術。4G移動通信對加速增長的廣帶無線連接的要求提供技術上的回應,對跨越公眾的和專用的、室內和室外的多種無線系統和網路保證提供無縫的服務。透過對最適合的可用網路提供用戶所需求的最佳服務,能應付基於互聯網通信所期望的增長,增添新的頻段,使頻譜資源大擴展,提供不同類型的通信接口,運用路由技術為主的網路結構,以傅利葉變換來發展硬體結構實現第四代網路結構。移動通信將向數據化,高速化、寬帶化、頻段更高化方向發展,移動數據、移動IP將成為未來移動網的主流業務。

  4 第四代移動通信面臨的問題 

  要使第四代移動通信系統能投入實際應用,就需要對現有的移動通信基礎設施進行更新改造,首先需要解決無線系統中的移動性管理和核心網的移動IP技術等問題,當然還有
4G的標準問題。網路層移動性是4G移動性管理的關鍵,移動性通常涉及到在不同網段間漫游的移動用戶,數據鏈路層的移動性支援通常限制在同類網路之間。移動IP代表了一種簡單而且可以升級的全球移動性方案。但是,對於第四代移動通信系統而言,它缺乏即時位置管理和快速無縫切換機制的支援。要解決這些問題,必須採用新的網路結構和管理路由優化方案,需要採用高效的發送和切換協議,這些協議必須能很好地解決數據丟失和延遲的問題。另外,移動IP環境下的QoS所使用的綜合業務/RSVP技術IntSev/RSVP)和區別型業務技術(DifServ)也需解決。在4G系統中,要開發新的頻譜資源,提供頻譜利用率並選擇合適的傳輸技術,如多載波傳輸方式以及自適應均衡等技術來對抗頻率選擇性衰。利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術來增強系統的性能,提高信幹比;提高偵測可用的資源以及信號品質、動態分配頻率資源和信號發射功率、增加移動通信系統容量、降低信號發射功率;提高通信的覆蓋範圍,並支援多媒體通信、無線接入寬帶固定網以及在不同系統之間的漫游等。 

  
5 世界關注第四代移動通信 

  目前世界發送國家都正在積極進行4G技術規格的研究制定,以期在全球4G規格制定中享有發言權。4G的各項運行標準將由國際電信聯盟ITU)電信標準局決定。新一代無線通信技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。新的研究包括網路結構、用戶切換和漫游等移動環境下的系統實現方案,從而實現用戶的大範圍移動,這種技術路線是目前國際上設計第四代移動通信系統的主要思路。阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子已共同建立了旨在推動4G技術開發的世界無線研究論壇。 

  美國AT&T公司已在實驗室中研究第四代移動通信技術,其研究目的是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問互聯網的速率,這項技術約需五年才能發佈。AT&T已推出了
4G Access網路,它能配合目前的EDGE技術進行上傳,並利用寬帶OFDM技術進行下載。目前AT&T的4G Access網路升級分為兩個階段,第一階段是移動電話基地台的軟體構建,第二階段則估計在兩年後進行智能型天線的硬體構建。北電網路則努力使IP4G網路傳輸速度達到20Mbps,因此必須進行Software Radio、寬帶接收器、新型功率放大器等相關行動技術的開發。 

  世界上最大的電信基礎設施提供商瑞典愛立信公司已開始進行第四代移動通信標準的研究,並著手研制第四代移動通信系統。預計在2011年正式投入運營,2012年奧運會就可應用。愛立信已研究出的“4G眼鏡”2011年也將進入市場。愛立信計劃在目前所有通信網路都以IP技術為基礎時開始建設第二階段的第三代移動通信網,第三代移動網的互聯網連接速度最高可達每秒2兆,比目前快200倍。而第四代技術的傳輸速度最高可達每秒100兆。愛立信與美國加利福尼亞大學合作開發4G技術,加利福尼亞大學已經正式成立了加州通信和資訊技術學會,並由該大學的聖迭戈分校和歐文分校合作管理。目前該學會已經得到愛立信公司1200萬美元的投資,加州通信和資訊技術學會將在4G技術、先進天線系統、新一代移動互聯網、電力放大器技術和無線訪問網路等領域內進行深入研究。美國惠普與日本NTT DoCoMo已聯手開發4G通信技術和產品,開發的4G多媒體體系結構有望向移動用戶提供高性能多媒體流內容,使媒體流數據能夠更好地傳輸到移動電話和其它手持設備上,該體系結構的基礎技術研究有望到2003年完成。 

  日本的DoCoMo移動通信公司也已在日本進行第四代移動通信的研究,力圖成為第四代移動通信領頭羊。DoCoMo計劃在2006年推出第四代移動通信系統,在2010年左右首度推出4G業務,並意圖使它成為全球的標準。日本政府決定從2002年財政預算中撥款12億日元,支援速度更快、功能更齊備的“第四代移動通信系統”的研究與開發,使它成為全球的標準。日本政府與主要的移動通信業企業已為超高速移動通信技術擬定了基礎計劃,這項4G移動通信技術將於2005年成形。為了能夠搶佔未來移動電話技術的先機,日本郵電部已向日本電氣通信技術審議會提交制定第四代(4G)移動電話規格的提案。日本電氣通信技術審議會負責審核
4G技術的相關規格,決定其使用頻率、系統技術、開發日程等。日本已完成了繼第三代移動通信系統“IMT-2000”之後的第四代移動通信系統標準提案,該提案將4G的實用期定在2010年。4G將速率提高到了100Mbit/秒,對4G的目標是2010年之前達到實用化水平。日本電氣通信技術審議會估計,2001~2010年日本3G市場規模將達到42兆日元,僅2010年的營收就將達到9300億日元,而4G移動電話的市場潛力更遠勝於3G。日本和韓國在IMT-2000之後的第四代移動通信領域也進行合作,兩國將共同建立互聯網網路、例行兩國之間的有線無線通訊結合環境,並進行超高速衛星通信實驗。 

  韓國政府將斥資1350億韓元,用於4G通信系統的開發。這些資金將主要用於高速資訊包傳輸技術、固定無線通訊設備以及移動軟體開發和下一代網路工藝上。為推進4G移動通信服務系統研發進程,政府成立一個科研開發小組,專門負責該項目的實施。韓國政府已與移動通信設備公司及服務公司合資成立了下一代移動通信技術開發協會,著手進行4G等未來移動通信服務技術的開始研究。下一代移動通信技術開發協會還將聚集產、學、研的通訊專家,成立未來移動通信規劃委員會,負責推動4G規劃、3G服務及系統改進、針對無線網路專用通訊的TDDTime Division Duplex)方案設計和高速數據通訊(Hight Data Rate)等領域的研究。三星電子的SERI研究中心也開始進行4G移動通信技術的開發工作。 

  6 發展我國的第四代移動通信 

  我國在4G領域也取得得大成果。漢網公司研制出的漢網“寬帶無線IP通信系統”要用了
4G技術和IP網路技術,以漢網特有的包分多址(PDMA)接入技術為核心,上下行數據速率採用不對稱設計,可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯網業務,同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數據業務。可實現手機、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點通信等擴展業務,預計2003年可投入市場使用。 

  目前世界發送國家都正在積極進行第四代移動通信技術規格的研究制定工作,以期在全球第四代移動通信規格制定中能享有發言權。第四代移動通信設備“智能化”程度極高,移動通信面向個人、正反饋良好循環發展的特性,決定其市場潛力仍非常巨大。移動通信與互聯網的結合,給移動通信與互聯網的發展都將注入更大的活力。隨著互聯網高速發展,第四代移動通信系統將會得到更快的發展。據預測,這種以寬帶、接入互聯網、具有多種綜合功能第四代移動通信技術在2010年將成為移動通信市場主流技術。21世紀我國移動通信還有一個巨大的發展空間同,這為我國移動通信的發展提供了前所未有的機遇,同時也帶來了嚴峻的挑戰。為此,我們有必要在大力開發第三代移動通信技術系統的同時,提前作好準備,積極參與ITU關於第四代移動通信標準建議的研究,掌握世界移動通信技術的研究動向和最新成果,加強國際合作,關注並積極進行第四代移動通信技術的研究與開發工作,把第四代移動通信的研發與建立我國移動通信產業結合起來,加快我國移動通信產業的發展,使我國的移動通信產業在國內外擁有強大的市場。

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