淺談4G移動通信概念及其要求（組圖）

　　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3G移動業(yè)務剛剛邁出腳步，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)速率標準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100 Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統(tǒng)。

　　從通信技術(shù)標準的發(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)域性標準;兩大派別指：北美的IEEE 802.xx標準和歐洲的3G的UMTS標準。標準的分化加大了低成本建設網(wǎng)絡的復雜度。定義可用的頻譜資源是另一種分化標準，而且這種分化標準便于引入新的技術(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，隨著頻譜需求區(qū)域規(guī)模的擴大，很難達成統(tǒng)一的無線規(guī)劃方案。但是我們可以在相同頻帶內(nèi)使用不同的標準，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，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡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)目標和特點可以概括為：系統(tǒng)應具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務質(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)應能支持非對稱性業(yè)務，并能支持多種業(yè)務;4G系統(tǒng)應體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡不斷融合的發(fā)展趨勢。以下從不同的角度討論4G系統(tǒng)的要求。

　　·從網(wǎng)絡角度

　　統(tǒng)一的移動性和安全性管理，要求考慮不同網(wǎng)絡對等實體的交互。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)絡層及以上的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系。3GPP起草了UMTS網(wǎng)絡的綜合QoS架構(gòu)，現(xiàn)在正致力于通用的QoS架構(gòu)的研究。

　　采用中介服務器進行用戶認證、授權(quán)和計費。隨著IP網(wǎng)絡的發(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)絡提供AAA服務，還必須能安全地支持跨網(wǎng)AAA服務，且應具有良好的擴展性，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，采用了改進的重發(fā)機制，提高網(wǎng)絡可靠性，同時還提供一種新的端到端的安全機制。圖1所示為 Diameter新引入的中介服務器向漫游用戶提供AAA服務。采用中介服務器可以減少訪問網(wǎng)絡代理服務器的配置工作量，網(wǎng)絡擴展時只需要更新中介服務器的配置，有利于提高協(xié)議的可擴展性。

　　圖1　Diameter中介服務器

·從終端角度

　　支持多種通信模式，具有適應能力和重配置能力。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)和標準化環(huán)境為此提供可能。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(wǎng)絡和空中接口。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)各種應用的可變 QoS。軟件無線電技術(shù)有助于不同標準和系統(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)絡服務;當終端移動時，可重新配置，如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動系統(tǒng)中時，終端可按照該系統(tǒng)的標準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來達到整個網(wǎng)絡的最優(yōu)性能和資源利用率。實現(xiàn)ABC業(yè)務的關(guān)鍵技術(shù)在于接入網(wǎng)絡的選擇，影響接入網(wǎng)選擇的QoS因子有：可達性、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。

　　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行業(yè)務處理，但在4G異構(gòu)網(wǎng)絡中，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;另一種是使用無線廣播信道廣播終端用戶所能到達的接入網(wǎng)。

　　·從用戶角度

　　用戶信息管理。在ABC服務中，需要考慮用戶的參數(shù)選擇來決定網(wǎng)絡的選擇。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)務角度

　　在有限的接入網(wǎng)和終端資源條件下，業(yè)務相對于接入網(wǎng)和終端的適應性以及復雜環(huán)境中的業(yè)務部署和實施，需要充分利用終端和基礎網(wǎng)絡的可配置性，才可以使資源利用率達到最優(yōu)。

　　可以使用相同的無線廣播信道，完成接入網(wǎng)的業(yè)務廣播和檢測功能。這樣做有利于業(yè)務的快速建立，保證業(yè)務連續(xù)性和ABS(Always Best Service)。根據(jù)前面提到的ABC技術(shù)，網(wǎng)絡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。

　　4G中的IP網(wǎng)絡結(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見的時期內(nèi)，它能夠為所有網(wǎng)絡設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。移動IPv6(MIPv6)在新功能和新服務方面可提供更大的靈活性。每個移動設備設有一個固定的家鄉(xiāng)地址，這個地址與設備當前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當設備在家鄉(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)點當前的位置信息。移動設備每次改變位置，都要將它的轉(zhuǎn)交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應的通信節(jié)點。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動設備傳送數(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)絡架構(gòu)

　　在4G中網(wǎng)絡的設計架構(gòu)將會簡化。對于基于IP網(wǎng)絡的寬帶無線接入，可以有兩種設計架構(gòu)，一種是全IP網(wǎng)絡架構(gòu)，如圖3所示。在這種網(wǎng)絡設計模型中，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行切換時對移動IP地址進行的配置的過程。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責管理第二層和第三層的協(xié)議，當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)絡的比較。

　　表1　兩種類型的網(wǎng)絡參數(shù)比較

　　圖3　4G全IP網(wǎng)絡

　　圖4　基于子網(wǎng)的4G IP網(wǎng)絡

　　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域的主導技術(shù)。