沈 慧 南京郵電學院 南京210003
摘 要 隨著第三代移動通信系統逐步實施，移動通信未來的發展及演進問題成了研究熱點。本文綜合分析了從現有通信系統向4G通信系統演化過程中所面臨的難題，以及為了解決這些難題所提出的技術，并且預見了4G通信系統的發展趨勢。
關鍵詞 3G 4G IMT-2000 QoS
一、為什么要向4G通信系統演化
伴隨著移動通信技術和移動通信市場的迅速發展，越來越多的國家已經開始部署第三代移動通信網絡即3G網絡。在3G網絡標準IMT-2000中，概括了3G的主要特點：寬帶互聯，終端的移動性增強以及能夠提供比2G更豐富多彩的服務。但是3G卻面臨一個嚴峻的環境，即由于3G運營牌照的昂貴和缺乏像2G中的語音和短消息這樣成功的業務，導致了移動運營商們不敢冒險全面快速的部署3G網絡。這就給了其他無線技術發展的機會，例如：無線局域網（WLAN）和藍牙（Bluetooth）。
隨著無線技術的種類越來越多，我們迫切需要將這些無線技術整合到一個統一的網絡環境中去，這就是正在形成的B3G通信系統和未來的4G通信系統。B3G和4G通信系統將是未來提供寬帶接入，全球無縫漫游和無處不在的數據，語音業務的最合適和最好的技術。
二、演化過程中的難題及解決方法
向4G系統的演化面臨很多關鍵的難題，例如：網絡結構的提升，信令協議的增強，要提供端對端的服務質量保證（QoS），全球范圍內的無線漫游以及富有彈性的服務提供。而實現這些最基本最重要的就是物理層技術的演化。雖然現在的2.5G和3G技術可以將傳輸速率由348kb/s提高到2Mb/s，但是當系統繁忙時的傳輸速率卻不會超過171kb/s。這個速率可以滿足基本的語音，數據通信和無線Internet接入的要求，卻不能滿足互動的多媒體服務的要求比如視頻會議。
為了提高物理層傳輸速率，現在提出的技術包括：（1）TDD-CDMA即time division duplex (TDD) mode of the code division multiple access(CDMA)。TDD-CDMA能夠提供不對稱的上下行鏈路傳輸，簡化了為了提高下行鏈路覆蓋而進行的天線部署，能夠為基站和移動終端提供更加先進的接收技術。（2）OWSS即OWDM Spread Spectrum。OWSS主要是通過OWSS脈沖（pulse）來進行通信，而這個脈沖是在OWDM和擴頻概念結合的基礎上產生的。這一技術的優點有能夠在頻率選擇性衰落環境下提供固有的健壯性，由于脈沖的寬頻譜特性從而可以更加有效的進行均衡等等。
除了對于物理層的要求，4G網絡同樣對移動網絡結構和上層協議棧提出了要求，對應于這一要求已經提出的技術有transparent IP Radio Access即透明的IP無線接入。
對于4G網絡中的QoS，目前以下兩種解決方案。一種是采用無線適配層，另一種是采用自適應終端和QoS代理。在第一種方案中，IP業務與經過的所有網絡建立QoS合同，每個網絡通過在IP層與RAT之間增加無線適配層（WAL）來保證各自的QoS合同，從而保證端到端的QoS。不同網絡需要的WAL不同，但具有相同的結構和操作模式，一般包括傳輸/鏈路層控制機制（負責補償不同的無線媒體損耗，提高可靠性及網絡吞吐量）和業務控制機制（負責根據業務延時要求進行資源優先級分配）。WAL是一個開放的解決方案，可以根據網絡特點和業務要求，增加或刪減處理模塊，模塊的功能和屬性也可采用軟件無線電技術進行自適應配置和升級。第二種方法采用自適應終端和QoS代理，QoS代理位于無線接入網中，當終端檢測到另一種更適合的網絡模式時（包括重疊網絡結構情況的模式切換和跨多網絡時的模式間漫游），通知當前網絡中的QoS代理與新網絡中的QoS代理進行業務QoS協商，協商完成時，新網絡中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進行相應的資源預留，自適應終端也根據協商的結果，自適應地調整其業務參數，然后進行模式轉換（即網間切換），每次切換時進行同樣操作也可保證端到端的QoS。
三、4G通信系統的發展趨勢
4G通信系統的目標是為每個人提供綜合的寬帶業務，并在業務獲得及網絡性能上提供前所未有的靈活性。因此我們可以由這一目標來看4G通信系統的發展趨勢。
1. 高速互聯的趨勢
為了滿足第四代移動通信的速率及容量要求，必須研究可以提供最大150Mb/s傳輸速率的新的寬帶無線接入系統。各種移動寬帶技術的研究及系統創建是邁向第四代移動通信的關鍵步驟，這些系統可以在室內（或室外）環境為UMTS提供容量（或覆蓋范圍）補充，既滿足第四代移動通信系統對寬帶傳輸的要求，又可以通過衛星系統達到無所不在的覆蓋。上述系統研究的另一個共同特征是促進端到端的IP應用，基于共同的IP平臺，使不同網絡和技術可以便易地融合，使未來移動系統成為一個真正的基于IP的多媒體寬帶無線接入系統。
2. 網絡集成的趨勢
網絡的集成包括了網絡的互聯，網絡功能的綜合和構建多重網絡。未來的寬帶無線接入系統將包括許多互聯或綜合的子系統，為固定和移動用戶提供無縫的寬帶業務，這些子系統包括上述可提供高速數據速率的各種移動寬帶系統（MBS）、固定無線接入（FWA）系統、寬帶衛星多媒體（BSM）以及可支持高速移動的UMTS和GSM等。這些起初都為不同的應用領域創建的，并向不同的方向發展。隨著網絡的融合演進以及用戶對寬帶無縫接入的需求，這些系統將基于IP不斷地互聯和綜合，互聯是為了提供無所不在的覆蓋，網絡綜合主要指網絡功能的綜合，使每個子系統都可以提供相同的業務，可以為相同的用戶服務（GSM、UMTS不能提供寬帶業務，但可通過下面將提到的構建多重網絡策略實現，而GSM、UMTS可以為同一范圍內的低速率數據用戶服務以節省寬帶系統的資源），雖然各自采用不同的結構和接入技術。由于各種網絡受其工作頻帶和技術等因素限制，覆蓋范圍差異很大，而且為了滿足機場和市中心等人多地區的高容量需求，可以在UMTS上重疊創建移動寬帶系統，構建多重網絡，并可根據用戶應用對速率及QoS性能的要求，動態地選擇接入網絡，在系統資源使用狀況發生變化時，還可以靈活地使應用業務在不同的空中接口技術、不同的接入網絡間快速切換，前提是用戶終端具備多模、多頻帶操作能力。無論網絡如何互聯、網絡功能如何綜合或構建怎樣的多重網絡，用戶只需提供所需業務的QoS要求，即可以得到透明服務，不必關心為其提供服務的具體技術和標準，也不用了解終端如何與不同的網絡協商QoS、網絡間如何進行動態全速的資源分配、終端如何在不同的技術模式和網絡間切換和漫游、漫游中不同的網絡如何克服通信操作的差異，自適應地滿足其變化的QoS要求等等。上述寬帶化以及網絡集成的趨勢為第四代寬帶無縫移動通信提供了網絡基礎。
3. 軟件無線電的趨勢
為了實現無縫接入和透明業務，用戶終端必須是可多模、多頻帶操作，而且必須能自動進行模式識別，并可在用戶和網絡指示下或根據用戶及QoS要求，自適應地進行模式切換以及相應的一系列操作，這樣的終端又稱為可配置終端。可配置終端將滿足人們對高靈活性、可擴展性以及多功能通信設備的需求，真正實現個人通信的單號碼特征（無論在家、辦公室、移動中以及任何通信環境均采用同一終端）。目前，對可配置終端的研發主要基于軟件無線電技術，軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯系在一起的唯一技術。
4. 靈活和自適應的發展趨勢
包括了靈活的資源管理結構和自適應的端到端QoS保證。
不同網絡因地域的分布差異及資源管理可擴展性的需要，要求資源管理采用一種分布式結構，可采用固定網常用的智能代理方法第四代移動通信綜合了多種RAT和網絡，但要求網絡層采用全IP的方式，實現無所不在的連接，不同的RAT提供無縫的下層業務承載。現在采用的技術一種是采用無線適配層，另一種是采用自適應終端和QoS代理，而未來的趨勢將是以上方法或更多方法的有效結合。
四、結束語
至此我們討論了從現有通信系統向4G通信系統演化所面臨的難題，提出的技術和發展的趨勢。雖然不能預見在未來的4G通信系統最終會采取什么樣的技術，但是我們相信不論采用何種技術，寬帶，高速，靈活將是4G通信系統追求的目標。 進行自適應配置和升級。第二種方法采用自適應終端和QoS代理，QoS代理位于無線接入網中，當終端檢測到另一種更適合的網絡模式時（包括重疊網絡結構情況的模式切換和跨多網絡時的模式間漫游），通知當前網絡中的QoS代理與新網絡中的QoS代理進行業務QoS協商，協商完成時，新網絡中的QoS代理已通知資源管理控制模塊進行相應的資源預留，自適應終端也根據協商的結果，自適應地調整其業務參數，然后進行模式轉換（即網間切換），每次切換時進行同樣操作也可保證端到端的QoS。
