4G通信系统关键技术初探(3)

admin

3.3　智能天线　　随着电子通信产业的飞速发展，我们生活环境中的无线干扰也日渐嘈杂，来自广播、移动通信、无线通信等各个不同领域的电磁波相互干扰着，这为在复杂的背景噪声中正确接收有效信号带来了一定的难度。
　　目前2G通信系统中采用的天线分为全向天线和定向天线两种，全向天线应用于360°覆盖的小区，定向天线应用于小区分裂后的部分覆盖小区。这两种天线覆盖的区域形状都是不变的，因此对于基站来说，给每一个移动用户的下行信号是广播式发送的，这样势必会引起系统干扰，并降低了系统容量。
　　智能天线采用了空分多址(SDMA)的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。
　　因此，智能天线技术更加适用于具有复杂电波传播环境的移动通信系统。在我国提出的3G标准TD-SCDMA中采用了智能天线技术。
　　智能天线具有以下优点。
　　(1)提高系统容量。智能天线采用了SDMA技术，利用空间方向的不同进行信道的分割，在不同的信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。
　　(2)降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向，因此能够有效抑制干扰。
　　(3)扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能，因此与普通天线相比，在同等发射功率的条件下，采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离，从而增加了覆盖范围。
　　(4)降低系统建设成本。由于智能天线技术能够扩大覆盖区域，因此基站的建设数量可以相对减少，降低了运营商的建设成本。智能天线技术的主要缺点在于它的使用将增加通信系统的复杂度，并对元器件提出了较高的性能要求。
　　3.4　IPv6协议
　　4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是IPv4不具备的。除此以外，IPv6还能够提供较IPv4更好的QoS保证及更好的安全性。由于承载网是IP网，未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个IP地址作为身份标识。目前使用的IPv4的地址长度仅有32bit，其IP地址资源预计将在2006年左右被消耗尽。而IPv6具有长达128bit的地址空间，即多达2128个地址，能够彻底解决地址资源不足的问题。
　　其次，未来的移动用户接入4G通信系统不同于现在的互联网用户接入Internet，其最大的特征是具有不确定的移动性，因此必然要求所采用的IP协议能够提供强大的移动性管理功能以支持越区切换及无缝漫游IPv6引入了移动IP的概念，移动IP的简单原理图如图2所示。使用家乡地址(HA， Home Address)来标识移动终端的IP地址，使用转交地址CoA来表示移动终端的当前所在位置并用于选路，其主要思想类似于现网上采用的MSISDN(移动台ISDN号码)及MSRN(移动终端漫游号码)。移动终端(称为Node A)在离开归属地(家乡)的时候会选择一个路由器作为家乡代理(Home Agent)，并在家乡代理上注册CoA(图2中①、②)。其它通信节点(称为Node B)先通过移动终端的家乡地址将信息发送给Node A的家乡代理(图2中③)。由家乡代理通过隧道的方式将来自Node B的数据包转发给Node A的CoA地址(图2中④)。当Node A收到由家乡代理转发过来的数据包后，它可以从数据包的源地址得知Node B想与自己进行通信，于是发送自己现在的新地址给Node B(图2中⑤)。之后Node B与Node A之间可以不再通过家乡代理的转发而直接进行双向通信了。

4　4G通信系统的网络结构
　　目前，4G系统仍处于研究的起步阶段，相关标准尚未出台，其网络结构也没有成型，但网络融合的大趋势是显而易见的，
　　对于图3中“全IP核心网”概念的理解，应该包括从IP骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。因此，未来的无线基站将具备通过IP协议直接接入“全IP核心网”的能力，原有的交换中心、归属位置寄存器、鉴权中心等网元的主要功能都将由网络上的服务器或数据库来实现，信令网上的各层协议也将逐渐被IP协议所取代。整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构，业务的差异性也只体现在接入层面。
　　4G通信系统按照功能可以划分为接入层、承载层和业务控制层3层。
　　接入层允许用户使用各种终端通过各种形式接入到4G的通信系统中，这一部分将是革命性的演进；承载层提供QoS保证、安全管理、地址转换等功能，与接入层之间的接口应为开放的IP协议接口；业务控制层提供对业务的管理、加载等功能，它与承载层之间也应有开放的接口，以便于第三方提供新的业务应用。
5　4G与3G的关系
　　从前面对4G通信系统的介绍中可以看出，它将能够比3G系统更好、更便捷的提供基于多媒体的通信业务，在未来4G系统将会取代3G系统是通信系统发展的必然趋势。但我们是否就此可以认为目前全球正在或即将进行的3G网络建设变得毫无意义呢?答案是否定的。
　　首先，3G系统的建设实际上能够为未来更广泛的应用多媒体业务起到市场培育的作用，正如lG的模拟系统对用户进行移动业务的培育、GPRS系统对3G的数据业务进行培育一样。用户对新业务从最初的认识到接受，直到最后的普遍使用是个较为漫长的过程，这个过程需要运营商从简单业务到多样化业务逐步进行提供，通过首先吸引高端用户到逐步普及至中、低端用户，使用户从偶尔的选择性使用到广泛的自然应用，这一切都依赖于市场培育。
　　其次，每项新的技术从最初概念的提出到技术难点的突破，到试验网的搭建，再到最终产品化的市场应用也是个漫长的过程。在这一过程中，用户对通信业务种类和内容的要求都在逐步提高，通信业务市场不可能一直处于等待状态，等待一个全新的强大的系统一次性解决所有问题，而应该是在市场发展的每个阶段都要有能与之相适应的通信系统进行支持。因此，在数据及多媒体业务发展初期，建设一个能满足用户简单需求的3G通信系统是必须的。而对于设备研发商来说，3G系统的建设能够帮助他们从3G网络的实际运行过程中发现问题，从而探索更好的解决办法，从而为今后4G系统的建设提供有价值的指导。
　　第三，从网络的平滑演进方面来说，3G系统也是必不可少的一个阶段。目前2G的系统从接入网到核心网全部都是电路型的，而未来的4G系统则是从接入到核心网一体化的“全IP”结构。从一个完全电路域的系统演变为一个基于分组的全IP结构的系统是一个台阶式的跃变，无论从运营商的角度还是从用户的角度，这种变化都是很大的。
　　对于运营商来说，非平滑演进的网络建设除了会带来很大的投资风险以外，对于现网的已有投资也将付之东流。而对于用户来说，面临的将是必须更换移动终端的无奈选择，这种情况下将会导致大量用户重新选择运营商和网络，同样会给运营商带来不可估量的损失。从4G提出的目标是解决3G系统的缺陷、提供完善理想化的技术体系来看，虽然3G到4G无论对于网络还是终端也不可能是完全平滑的演进，但3G系统在这中间可以起到承上启下的枢纽作用，成为向全IP网络演进中不可缺少的一环。
　　从这些方面来说，虽然3G系统在通信速率、异构系统间的漫游等方面存在着种种不尽人意的地方，但它并不是泡沫，而是通信网络发展的必然阶段。而对4G系统的建设也将是建立在3G已不能够满足未来用户对多媒体业务需求的基础上进行的。
6　结束语
　　根据从1G到3G的发展情况，我们可以看出通信系统的发展周期一般为1O年，因此人们普遍认为从2010年开始4G系统的时代将会来临。目前我国的3G系统建设尚未起步，但3G牌照可能会发放，且有可能马上激起3G网络建设的浪潮。考虑到以下几点，我国通信发展的实际情况是目前仍以语音业务为主要需求；3G系统在多媒体业务上存在一定的局限性；3G的实际作用是为4G进行多媒体业务的市场培育；未来4G系统设备革命性演变可能带来的投资冲击等。本文认为3G的主流业务仍应该以语音和数据业务为主，多媒体时代仍需等待4G系统的建设，因此我国各大运营商在选择3G系统的建设时机及建设规模上应谨慎抉择。
　　4G系统将融合现有的各种无线接入技术，这些技术包括蜂窝、卫星、WLAN、蓝牙、Ad-hoc、DAB/DVB(数字音频和视频广播)、WAP等。这些技术的融合将使4G成为一个无缝连接的统一系统，实现跨系统的全球漫游及业务的可携带性，它将帮助我们实现充满个性化的通信梦想，为我们未来的生活描绘出多彩的一笔。