淺談4G移動通信概念及其要求

隨著對帶寬的需求的增加，通信技術(shù)的發(fā)展一度出現(xiàn)2.5G和2.75G的中間過渡代。當(dāng)3G移動業(yè)務(wù)剛剛邁出腳步，就出現(xiàn)了支持語音、數(shù)據(jù)和視頻三種格式的傳輸技術(shù)高速下行鏈路分組接入技術(shù)。與此同時，真正意義上的寬帶數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)4G概念也開始出現(xiàn)，它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)、互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星系統(tǒng)等，將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，可以提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100 Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)。

從通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程來看，可分成四大主線和兩大派別。其中四大主線指：3GPP、3GPP2，WiMAX和區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn);兩大派別指：北美的IEEE 802.xx標(biāo)準(zhǔn)和歐洲的3G的UMTS標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的分化加大了低成本建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。定義可用的頻譜資源是另一種分化標(biāo)準(zhǔn)，而且這種分化標(biāo)準(zhǔn)便于引入新的技術(shù)。最佳的分配方案就是在全球范圍下進(jìn)行資源的統(tǒng)一分配，但是由于無線規(guī)劃需要與異構(gòu)頻譜資源的部署相適應(yīng)，隨著頻譜需求區(qū)域規(guī)模的擴大，很難達(dá)成統(tǒng)一的無線規(guī)劃方案。但是我們可以在相同頻帶內(nèi)使用不同的標(biāo)準(zhǔn)，前提是終端用戶能自由選擇無線接入方式。

4G的概念和要求

簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無線形式實現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點之一，就是網(wǎng)路傳輸速率達(dá)到了前所未有的100Mbit/s，完全能夠滿足用戶的上網(wǎng)需求。4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點可以概括為：系統(tǒng)應(yīng)具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈活性;4G系統(tǒng)應(yīng)能支持非對稱性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù);4G系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢。以下從不同的角度討論4G系統(tǒng)的要求。

·從網(wǎng)絡(luò)角度

統(tǒng)一的移動性和安全性管理，要求考慮不同網(wǎng)絡(luò)對等實體的交互。主要解決的問題是漫游時會話的不間斷性和服務(wù)的流動性，目前已經(jīng)出現(xiàn)一些解決方案來完成此項功能，如移動IP技術(shù)和會話初始協(xié)議(SIP)。

端到端的QoS協(xié)商支持，涉及到網(wǎng)絡(luò)層及以上的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系。3GPP起草了UMTS網(wǎng)絡(luò)的綜合QoS架構(gòu)，現(xiàn)在正致力于通用的QoS架構(gòu)的研究。

采用中介服務(wù)器進(jìn)行用戶認(rèn)證、授權(quán)和計費。隨著IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，運營商需要必需為上千并發(fā)用戶經(jīng)由不同技術(shù)同時接入網(wǎng)絡(luò)提供AAA服務(wù)，還必須能安全地支持跨網(wǎng)AAA服務(wù)，且應(yīng)具有良好的擴展性，這就要求擴展現(xiàn)有AAA協(xié)議的功能。鑒此，IETF正著手開發(fā)下一代AAA協(xié)議，即Diameter 協(xié)議。Diameter是一個輕型的對等式的AAA協(xié)議，采用了改進(jìn)的重發(fā)機制，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時還提供一種新的端到端的安全機制。圖1所示為 Diameter新引入的中介服務(wù)器向漫游用戶提供AAA服務(wù)。采用中介服務(wù)器可以減少訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器的配置工作量，網(wǎng)絡(luò)擴展時只需要更新中介服務(wù)器的配置，有利于提高協(xié)議的可擴展性。

圖1　Diameter中介服務(wù)器

·從終端角度

支持多種通信模式，具有適應(yīng)能力和重配置能力。終端可以通過自身的重配置來改變接入方式，開放式的軟件無線電架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境為此提供可能。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和空中接口。軟件無線電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現(xiàn)各種應(yīng)用的可變 QoS。軟件無線電技術(shù)有助于不同標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的融合。采用軟件無線電實現(xiàn)的基站可同時為多個網(wǎng)絡(luò)服務(wù);當(dāng)終端移動時，可重新配置，如當(dāng)移動終端移動到一個采用不同標(biāo)準(zhǔn)的移動系統(tǒng)中時，終端可按照該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)重新自動配置該終端。

ABC連接。ABC(Always Best Connected)使終端在不同無線接入網(wǎng)中實現(xiàn)無縫切換，通過給每個用戶提供最合適的服務(wù)來達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能和資源利用率。實現(xiàn)ABC業(yè)務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)在于接入網(wǎng)絡(luò)的選擇，影響接入網(wǎng)選擇的QoS因子有：可達(dá)性、吞吐量、時間集、可靠性、安全性和成本。我們用X代表越小越好的因子集，如功率，誤碼率等，用Y代表越大越好的因子集，如安全性，可靠性，吞吐量等。Sb代表大于門限值Ts才符合要求的元素集合，如帶寬、覆蓋面積，Ss代表小于門限值Tb才符合要求的元素集合，如抖動、時延。這樣網(wǎng)絡(luò)選擇就可歸結(jié)為基于約束的優(yōu)化問題：

W1，W2是權(quán)重，用戶可以通過改變形W1，W2和Ts，Tb的值來選擇滿足自己要求的接入網(wǎng)，從而實現(xiàn)個性化服務(wù)。

接入網(wǎng)的發(fā)現(xiàn)和選擇。在GSM網(wǎng)中，基站通過周期性地廣播信號到終端進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，但在4G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如圖2所示，由于不同的接入?yún)f(xié)議和無線技術(shù)，需要用到比較復(fù)雜的技術(shù)，這里提供兩種參考方案：一種是使用軟件無 線電技術(shù)掃描可用網(wǎng)絡(luò);另一種是使用無線廣播信道廣播終端用戶所能到達(dá)的接入網(wǎng)。

·從用戶角度

用戶信息管理。在ABC服務(wù)中，需要考慮用戶的參數(shù)選擇來決定網(wǎng)絡(luò)的選擇。通過廣播自己的配置參數(shù)，用戶可以接入相同的無線廣播信道并發(fā)現(xiàn)可達(dá)接入網(wǎng)。

單識別機制。每個用戶分配一個獨立于終端和接入網(wǎng)的唯一標(biāo)識碼和動態(tài)的移動IP地址，并且運用動態(tài)的移動IP地址管理架構(gòu)方便內(nèi)部用戶交互式地實時通信管理。

·從業(yè)務(wù)角度

在有限的接入網(wǎng)和終端資源條件下，業(yè)務(wù)相對于接入網(wǎng)和終端的適應(yīng)性以及復(fù)雜環(huán)境中的業(yè)務(wù)部署和實施，需要充分利用終端和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的可配置性，才可以使資源利用率達(dá)到最優(yōu)。

可以使用相同的無線廣播信道，完成接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)廣播和檢測功能。這樣做有利于業(yè)務(wù)的快速建立，保證業(yè)務(wù)連續(xù)性和ABS(Always Best Service)。根據(jù)前面提到的ABC技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)總是能給用戶提供一個在相對區(qū)域范圍內(nèi)的最好服務(wù)。

4G中的IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

·IPv6技術(shù)

IPv6技術(shù)以其巨大的地址空間將在一段可預(yù)見的時期內(nèi)，它能夠為所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個全球唯一的地址。IPv6的基本特性是支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動分配方式，在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機制獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它使用另一種即插即用的機制，在沒有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個全球唯一的路由地址。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點體現(xiàn)在能提供不同的服務(wù)。移動IPv6(MIPv6)在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個移動設(shè)備設(shè)有一個固定的家鄉(xiāng)地址，這個地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時，通過一個轉(zhuǎn)交地址來提供移動節(jié)點當(dāng)前的位置信息。移動設(shè)備每次改變位置，都要將它的轉(zhuǎn)交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應(yīng)的通信節(jié)點。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包時，通常在IPv6報頭中將轉(zhuǎn)交地址作為源地址。

·IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在4G中網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計架構(gòu)將會簡化。對于基于IP網(wǎng)絡(luò)的寬帶無線接入，可以有兩種設(shè)計架構(gòu)，一種是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖3所示。在這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模型中，基站不僅可以具有信號的物理傳輸功能，還可以對無線資源進(jìn)行管理，扮演接入路由器的功能，缺點是會引入較大的開銷，尤其是在移動終端進(jìn)行切換時對移動IP地址進(jìn)行的配置的過程。另一種是基于子網(wǎng)的IP架構(gòu)，如圖4所示，其中幾個相鄰基站組成子網(wǎng)接入基于IP接入網(wǎng)的路由器。這時，基站和接入路由器分別負(fù)責(zé)管理第二層和第三層的協(xié)議，當(dāng)用戶在相鄰基站間發(fā)生切換時，只涉及到第二層的切換協(xié)議，不需要改變第三層的移動IP的地址。表1是兩種網(wǎng)絡(luò)的比較。

表1　兩種類型的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)比較

圖3　4G全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)

圖4　基于子網(wǎng)的4G IP網(wǎng)絡(luò)

結(jié)束語

本文從不同的角度給出了4G概念的定義和要求，同時，我們給出了兩種4G中IP網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)，并且對各自的特點做了比較。未來幾代移動通信系統(tǒng)最明顯的趨勢是要求高數(shù)據(jù)速率、高機動性和無縫隙漫游。隨著新技術(shù)和新需求的不斷出現(xiàn)，4G必然會取代3G，成為未來移動通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)。