基于宽带接入技术的未来几代移动通信

一、概述
第一代移动通信（1G）始于20世纪70年代，基于模拟技术；第二代（2G）蜂窝通信系统出现在80年代，基于数字技术，主要用于话音传输和支持电路交换。如GSM、IS54、PDC IS95、DAMPS等，用户室内数据限于几十Kbps 。IMT2000是在21世纪一开始引入的3G系统，可以提供室内2Mbps和室外144Kbps用户数据速率，但是多媒体的高速接入速度是无限制的，因此3G系统对于多媒体应用还存在局限性。
本文将讨论第四代和第五代移动通信系统要求。从广义上讲， 4G及4G以后将包括若干个系统，不仅仅限于蜂窝电话系统，还包括许多新的通信系统如宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能运输系统及高空同温层平台基站系统（HAPS）， 4G用于狭义的蜂窝电话时就是4G蜂窝系统。
未来几代移动通信必须满足高数据数率、高移动性和无缝覆盖（实现系统间如HDR与CELLAR、HAPS、ITS（智能运输系统）之间的切换，才能达到真正无缝覆盖），各代之间确实难以分清楚界限。从原理上讲要实现宽带高速数据率和高移动性比较困难，且系统性能（如小区的大小、传输数据率等）极大地取决于频带。考虑到这些技术因素，未来系统将包括若干个不同的系统，其中一些是专门为提供高速数据率业务的系统，其它则是解决覆盖和移动性问题。假如能把几个系统集成在另一个系统内，则可能同时提供高速数据和移动性业务。作为未来的系统有4G蜂窝、宽带无线接入系统、ITS和HAPS系统，这些已经在移动通信界引起了极大的爱好。未来系统之间的无缝漫游乃是一个极为重要的概念。这里的无缝漫游将兼有高速数据、高速移动性和宽带固定接续。
二、未来移动通信系统的业务猜测
一个新的无线系统的开发，其中最重要的是得到必需的频谱，以满足猜测的业务要求。根据ITU-R TG 8/1对未来业务的猜测和IM2000的需求，针对REGION-3亚洲地区的频谱做了计算，结果见图2 。
从1999至2010年定向话音业务在1G、2G时代是主要业务，而在这期间增长仅1.5倍的用户数和2倍的业务量。但这并不是在2010年以后就放弃定向话音业务，而是广泛引入多媒体业务话音和多媒体业务，在2010年话音业务和多媒体业务之比将为1：2 （上下行链路）。假如多媒体业务每年的增长为40% ，到2015年则是当前水平的23倍，多媒体与话音业务之比10：1 。40%的增长率是以存储器容量、硬盘容量（个人计算机）及CCD数增长为基础测出的。同时WEBSITE的增长每年也在40% 。
因此ITU-R TG8/1得出的结论是对3G要分配另外的频率才能满足增长的需求。增加的带宽， 2010年初定为160MHz ，但是所增加的带宽主要取决于每个用户的业务增长比以及2010年后的继续增长，所以对大容量的4G蜂窝系统的研究必须适应2010年后发展的需求。
三、未来移动通信系统的系统要求
高数据速率传输
3G系统提供室内2Mbps和室外144Kbps数据率， 5GHz无线LAN和无线宽带接入在日本（MMAC）、欧洲（HYPERLAN2）、美国（IEEE802.11）兴起，其传输速率将达到2-600Mbps 。4G蜂窝最低目标速度为10-20Mbps ，对移动车辆至少为2Mbps 。
高移动性
4G蜂窝对移动目标至少提供2Mbps数据速率，尽管实现起来难度较大，但可通过智能运输系统（ITS）实现。ITS第一阶段将工作在5.8GHz ，第二阶段将采用毫米波段，提供更高数据速率：50-200Mbps 。
大区域覆盖及各系统之间无缝漫游
由于将来目标数据速率比当前的系统高出2个数量级，因此小区的半径可以缩小，从而使覆盖区域减小。有人提出采用高空平台站，在离开地面20公里处的同温层用大型空间飞船作为通信平台（HAPS）。为了提高建筑物穿透性，采用大范围的可变传输速率。未来的移动通信系统包括室内的无线LAN、室外的宽带接入、ITS系统和HAPS系统，因此至关重要的是不同系统之间的无缝漫游。
高性能与低比特成本
4G系统每个单位区域容量至少是3G的10倍，因此比特成本需要大大降低，用户才能不用担心是否用得起。
无线QoS资源控制
由于Internet业务成本低廉而倍受青睐，而无线系统资源（频率和功率）是有限的且还得受拥塞困扰，所以无线QOS资源控制必须保证业务质量、支持各种级别的应用。
四、未来移动通信系统的几个候选方案
4G蜂窝系统
4G系统不仅容量大而且速度高、比特成本低，可以支持2010年的业务需求。为了用合理的带宽实现大容量， 4G的小区半径应该缩小，目前的RAN结构没有优化成为微蜂窝网络，所以必须首先作好低比特成本的RAN网络结构。
基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间无缝漫游可以实现。这种网络的基本结构概念模型见图3所示。上层是应用层，中间是网络业务执行技术层，下层是物理层。物理层提供接入和选路功能，中间层作为桥接层提供QOS映射、地址转换、即插即用、安全治理，有源网络。物理层与中间层提供开放式IP接口。应用层与中间层之间也是开放式接口，提供第三方开发和提供新业务。
宽带无线接入及其本地网络
宽带无线接入系统采用5GHz和毫米波段， 1996年日本就开始了称为“多媒体接入通信系统”（MMAC）的新研究。MMAC就是继IMT-2000之后的高性能无线系统，可以提供两类高速无线接入：第一类用于室内外宽带移动通信系统，用5.2GHz频段传输30Mbps的数据，该项目从2001年开始；第二类提供超高速W-LAN室内接入，传输速率达到600Mbps ，采用60GHz频率，即毫米波。5GHz的MMAC系统和世界上其它系统类似，其数据速率高达30Mbps 。但是这些系统不能提供大范围覆盖，也不能用于车辆业务环境，只能用于“热点地区” 。研制出的毫米波样机可以演示60GHz的W-LAN与ATM或100-BASE以太网接口，其数据速率可以达到155Mbps 。
智能运输系统（ITS）
ITS是新型的传送系统，由先进的信息通信网组成，为用户道路、车辆等提供信息与通信。ITS不仅提供道路情况、交通事故等，同时还能为驾驶员和乘客提供多媒体业务。
ITS由9个开发层面组成，包括导航系统、电子长途数据采集（ETC）、安全行车辅助系统等。数据采集（ETC）是利用两对5.8GHZ的频段进行连续的长途数据采集。ITS的潜在市场在日本估计有50万亿日元。ITS的通信系统分为路途车辆通信和车辆互通，其中最主要的是路途车辆通信。ITS系统在沿途布上光纤网，光纤无线收发信机是要害技术。
高空同温层平台站系统（HAPS）
HAPS 系统是有吸引力的多媒体通信系统，有可能成为大区制和卫星通信之后的第三个通信系统。平台站建在离开地面20km的同温层，若干个HAPS通过光互联链路可以在空中组成网状网。
宽带接入链路为平台站与用户站之间的链路，接入频率拟采用毫米波。在1997年11月瑞士日内瓦世界无线电大会上（WRC）分配给47/48GHz频段， 600MHz带宽频谱用于HAPS 。
HAPS可以支持各种用户终端：固定终端、便携终端、移动终端。典型的接入比特率为25Mbps ，对于有些固定终端可达几百Mbps（天线比普通的要大）。
由于采用了毫米波频段，容许使用高增益小口径天线,如比特率为144Kbps时，采用5厘米直径、20dbi的碗形小天线。
五、要害技
调制技术与信号传输
高频段上高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落，调制/解调的鲁棒性研究可以克服这种频率选择性衰落。其中多载正交频分频调制（包括OFDM）以及单载波带自适应均衡都是可选方案。另外一个重要的要求是低Eb/N0值。由于接口端的噪声带宽宽，所以低Eb/N0能够实现合理的覆盖。高数据率发射台的功率控制（PTC）可以降低瑞利衰落，同样，增加导频快速跟踪调制器也能达到覆盖目的。
频率域的抗衰落方法如RAKE接收机和跳频技术同样必不可少。高性能前向纠错（FEC）编码如TUEBO 编码技术、自动重发请求（ARQ）和分集接收技术是建立高速大容量网络的重要因素。所有这些都是为了改善Eb/N0值，对于增加容量也有效果。
传播
在无线传播和链路预算设计中，微波的传播特性和在最大速率20Mbps时宽带信号传播特性有待进一步研究。在研究60GHz室内传播时发现，采用环行极化和定向天线可以有效抑制多径效应，大大改善高速数字传输特性。室内多径传播对于不同的结构材料的实验已经开始，目的是寻找出反射和传播模型。
软件无线电技术
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH），像FPGA、DSP等通过软件无线电技术可以在不同的系统中只采用一个终端。软件无线电的实现需要解决两个问题：大容量软件设计；DSPH软件的实现还存在许多专利技术，假如下行链路类的软件无线电系统实现了，那么这些保密技术也就泄密了。
为了克服这些问题，推出了一种称为“参数受控软件无线电技术” ，已经实现的样机有三种：ETC、GPS、PHS 。
智能天线（SA）
SA具有干扰信号抑制、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的要害技术。SA中有一种AAA天线（ADAPTIVE-ARRARY-ANTTENA）可以降低干扰和发射功率。采用AAA与ICE（干扰消除均衡器）可以消除干扰增加容量，其难点是对于衰落信道的估算、电路的实现较为困难，虽然信道衰落估算方法有许多，但重要的是估算方法的选用和处理器的配置。
光纤无线电
光纤无线电（ROF）被认为是很有前途和有研究价值的课题，尤其在路途车辆系统中，利用ROF技术我们可以将多业务无线电信号通过光纤传送。在日本可用的无线业务很多，比如PDC（800MHz/1500MHz）、PHS（1900MHz）、VICS（2.5GHz）、FM商用无线电（70-90MHz）、TV广播（90-770MHz）和ETC（5.8GHz）。为了降低空中接口数量，已经建议采用