淺談4G移動(dòng)通信概念及其要求

隨著對(duì)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(guò)渡代。當(dāng)3G移動(dòng)業(yè)務(wù)剛剛邁出腳步，就出現(xiàn)了支持語(yǔ)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(shí)，真正意義上的寬帶數(shù)據(jù)速率標(biāo)準(zhǔn)4G概念也開(kāi)始出現(xiàn)，它包括寬帶無(wú)線(xiàn)固定接入、寬帶無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、移動(dòng)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(dòng)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(lái)看，可分成四大主線(xiàn)和兩大派別。其中四大主線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(kuò)大，很難達(dá)成統(tǒng)一的無(wú)線(xiàn)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(hù)能自由選擇無(wú)線(xiàn)接入方式。

4G的概念和要求

簡(jiǎn)單而言，4G是一種超高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話(huà)用戶(hù)以無(wú)線(xiàn)形式實(shí)現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點(diǎn)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(mǎn)足用戶(hù)的上網(wǎng)需求。4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)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(duì)稱(chēng)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(dòng)與無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)。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(dòng)性和安全性管理，要求考慮不同網(wǎng)絡(luò)對(duì)等實(shí)體的交互。主要解決的問(wèn)題是漫游時(shí)會(huì)話(huà)的不間斷性和服務(wù)的流動(dòng)性，目前已經(jīng)出現(xiàn)一些解決方案來(lái)完成此項(xiàng)功能，如移動(dòng)IP技術(shù)和會(huì)話(huà)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(hù)認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)。隨著IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商需要必需為上千并發(fā)用戶(hù)經(jīng)由不同技術(shù)同時(shí)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(kuò)展性，這就要求擴(kuò)展現(xiàn)有AAA協(xié)議的功能。鑒此，IETF正著手開(kāi)發(fā)下一代AAA協(xié)議，即Diameter 協(xié)議。Diameter是一個(gè)輕型的對(duì)等式的AAA協(xié)議，采用了改進(jìn)的重發(fā)機(jī)制，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時(shí)還提供一種新的端到端的安全機(jī)制。圖1所示為 Diameter新引入的中介服務(wù)器向漫游用戶(hù)提供AAA服務(wù)。采用中介服務(wù)器可以減少訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器的配置工作量，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展時(shí)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(kuò)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(guò)自身的重配置來(lái)改變接入方式，開(kāi)放式的軟件無(wú)線(xiàn)電架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化環(huán)境為此提供可能。軟件無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多模式手機(jī)和基站，能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的可變 QoS。軟件無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)的基站可同時(shí)為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù);當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)，可重新配置，如當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到一個(gè)采用不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)系統(tǒng)中時(shí)，終端可按照該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)重新自動(dòng)配置該終端。

ABC連接。ABC(Always Best Connected)使終端在不同無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，通過(guò)給每個(gè)用戶(hù)提供最合適的服務(wù)來(lái)達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)性能和資源利用率。實(shí)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(shí)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(mén)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(mén)限值Tb才符合要求的元素集合，如抖動(dòng)、時(shí)延。這樣網(wǎng)絡(luò)選擇就可歸結(jié)為基于約束的優(yōu)化問(wèn)題：

W1，W2是權(quán)重，用戶(hù)可以通過(guò)改變形W1，W2和Ts，Tb的值來(lái)選擇滿(mǎn)足自己要求的接入網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)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(guò)周期性地廣播信號(hào)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(wú)線(xiàn)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(wú) 線(xiàn)電技術(shù)掃描可用網(wǎng)絡(luò);另一種是使用無(wú)線(xiàn)廣播信道廣播終端用戶(hù)所能到達(dá)的接入網(wǎng)。

·從用戶(hù)角度

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

單識(shí)別機(jī)制。每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)獨(dú)立于終端和接入網(wǎng)的唯一標(biāo)識(shí)碼和動(dòng)態(tài)的移動(dòng)IP地址，并且運(yùn)用動(dòng)態(tài)的移動(dòng)IP地址管理架構(gòu)方便內(nèi)部用戶(hù)交互式地實(shí)時(shí)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(duì)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(shí)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(wú)線(xiàn)廣播信道，完成接入網(wǎng)的業(yè)務(wù)廣播和檢測(cè)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(hù)提供一個(gè)在相對(duì)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(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，它能夠?yàn)樗芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球唯一的地址。IPv6的基本特性是支持無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)分配方式，在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點(diǎn)使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個(gè)局部連接地址。一旦得到這個(gè)地址之后，它使用另一種即插即用的機(jī)制，在沒(méi)有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)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(diǎn)體現(xiàn)在能提供不同的服務(wù)。移動(dòng)IPv6(MIPv6)在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備設(shè)有一個(gè)固定的家鄉(xiāng)地址，這個(gè)地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無(wú)關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時(shí)，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)交地址來(lái)提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息。移動(dòng)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(duì)應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動(dòng)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包時(shí)，通常在IPv6報(bào)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(jì)架構(gòu)將會(huì)簡(jiǎn)化。對(duì)于基于IP網(wǎng)絡(luò)的寬帶無(wú)線(xiàn)接入，可以有兩種設(shè)計(jì)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(jì)模型中，基站不僅可以具有信號(hào)的物理傳輸功能，還可以對(duì)無(wú)線(xiàn)資源進(jìn)行管理，扮演接入路由器的功能，缺點(diǎn)是會(huì)引入較大的開(kāi)銷(xiāo)，尤其是在移動(dòng)終端進(jìn)行切換時(shí)對(duì)移動(dòng)IP地址進(jìn)行的配置的過(guò)程。另一種是基于子網(wǎng)的IP架構(gòu)，如圖4所示，其中幾個(gè)相鄰基站組成子網(wǎng)接入基于IP接入網(wǎng)的路由器。這時(shí)，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(hù)在相鄰基站間發(fā)生切換時(shí)，只涉及到第二層的切換協(xié)議，不需要改變第三層的移動(dòng)IP的地址。表1是兩種網(wǎng)絡(luò)的比較。

表1　兩種類(lèi)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(yǔ)

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