淺談4G移動(dòng)通信概念及其要求（組圖）

　　隨著(zhù)對帶寬的需求的增加，通信技術(shù)的發(fā)展一度出現2.5G和2.75G的中間過(guò)渡代。當3G移動(dòng)業(yè)務(wù)剛剛邁出腳步，就出現了支持語(yǔ)音、數據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據速率標準4G概念也開(kāi)始出現，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、互操作的廣播網(wǎng)絡(luò )和衛星系統等，將是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統，可以提供的數據傳輸速率高達100 Mbit/s甚至更高，也是寬帶接入IP系統。

　　從通信技術(shù)標準的發(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(luò )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(jìn)行資源的統一分配，但是由于無(wú)線(xiàn)規劃需要與異構頻譜資源的部署相適應，隨著(zhù)頻譜需求區域規模的擴大，很難達成統一的無(wú)線(xiàn)規劃方案。但是我們可以在相同頻帶內使用不同的標準，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系統總的技術(shù)目標和特點(diǎn)可以概括為：系統應具有更高的數據率、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系統應能支持非對稱(chēng)性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù);4G系統應體現移動(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。以下從不同的角度討論4G系統的要求。

　　·從網(wǎng)絡(luò )角度

　　統一的移動(dòng)性和安全性管理，要求考慮不同網(wǎng)絡(luò )對等實(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)出現一些解決方案來(lái)完成此項功能，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，現在正致力于通用的QoS架構的研究。

　　采用中介服務(wù)器進(jìn)行用戶(hù)認證、授權和計費。隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，運營(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)，且應具有良好的擴展性，這就要求擴展現有AAA協(xié)議的功能。鑒此，IETF正著(zhù)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(shí)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(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)電架構和標準化環(huán)境為此提供可能。軟件無(wú)線(xiàn)電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(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和基站，能實(shí)現各種應用的可變 QoS。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)有助于不同標準和系統的融合。采用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現的基站可同時(shí)為多個(gè)網(wǎng)絡(luò )服務(wù);當終端移動(dòng)時(shí)，可重新配置，如當移動(dòng)終端移動(dòng)到一個(gè)采用不同標準的移動(dòng)系統中時(shí)，終端可按照該系統的標準重新自動(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)達到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的最優(yōu)性能和資源利用率。實(shí)現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 )選擇就可歸結為基于約束的優(yōu)化問(wèn)題：

　　W1，W2是權重，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)現個(gè)性化服務(wù)。

　　接入網(wǎng)的發(fā)現和選擇。在GSM網(wǎng)中，基站通過(guò)周期性地廣播信號到終端進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，但在4G異構網(wǎng)絡(luò )中，如圖2所示，由于不同的接入協(xié)議和無(wú)線(xiàn)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(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)所能到達的接入網(wǎng)。

　　·從用戶(hù)角度

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

　　單識別機制。每個(gè)用戶(hù)分配一個(gè)獨立于終端和接入網(wǎng)的唯一標識碼和動(dòng)態(tài)的移動(dòng)IP地址，并且運用動(dòng)態(tài)的移動(dòng)IP地址管理架構方便內部用戶(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)相對于接入網(wǎng)和終端的適應性以及復雜環(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網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)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)連續性和ABS(Always Best Service)。根據前面提到的ABC技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )總是能給用戶(hù)提供一個(gè)在相對區域范圍內的最好服務(wù)。

　　4G中的IP網(wǎng)絡(luò )結構

　　·IPv6技術(shù)

　　IPv6技術(shù)以其巨大的地址空間將在一段可預見(jiàn)的時(shí)期內，它能夠為所有網(wǎng)絡(luò )設備提供一個(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，需要配置地址的節點(diǎn)使用一種鄰居發(fā)現機制獲得一個(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制，在沒(méi)有任何人工干預的情況下，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)設備設有一個(gè)固定的家鄉地址，這個(gè)地址與設備當前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無(wú)關(guān)。當設備在家鄉以外的地方使用時(shí)，通過(guò)一個(gè)轉交地址來(lái)提供移動(dòng)節點(diǎn)當前的位置信息。移動(dòng)設備每次改變位置，都要將它的轉交地址告訴給家鄉地址和它所對應的通信節點(diǎn)。在家鄉以外的地方，移動(dòng)設備傳送數據包時(shí)，通常在IPv6報頭中將轉交地址作為源地址。

　　·IP網(wǎng)絡(luò )架構

　　在4G中網(wǎng)絡(luò )的設計架構將會(huì )簡(jiǎn)化。對于基于IP網(wǎng)絡(luò )的寬帶無(wú)線(xiàn)接入，可以有兩種設計架構，一種是全IP網(wǎng)絡(luò )架構，如圖3所示。在這種網(wǎng)絡(luò )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(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，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責管理第二層和第三層的協(xié)議，當用戶(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 )參數比較

　　圖3　4G全IP網(wǎng)絡(luò )

　　圖4　基于子網(wǎng)的4G IP網(wǎng)絡(luò )

　　結束語(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)，并且對各自的特點(diǎn)做了比較。未來(lái)幾代移動(dòng)通信系統最明顯的趨勢是要求高數據速率、高機動(dòng)性和無(wú)縫隙漫游。隨著(zhù)新技術(shù)和新需求的不斷出現，4G必然會(huì )取代3G，成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的主導技術(shù)。