B3G/4G通信系统

引言 随着人类对未来通信的需求向宽带化、个人化、智能化、移动化的方向发展，对无线链路传输能力和通信网络架构提出了新的要求。包括 3G在内的现有移动通信系统无法满足高速率、大动态范围业务和多种 QoS 的需求。目前世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，已逐渐转入后三代（Beyond3G，后文简称 B3G）移动通信技术的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线移动通信系统的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高，并提供更丰富的业务。

B3G/4G移动通信系统的定义 ITU对B3G通信系统初步定义为IMT-2000的已有成分、演进成分和新开发成分，游牧无线接入系统，以及其它无线系统的无缝功能融合。B3G通信系统作为Beyond IMT-2000，其容量大于IMT-2000等被它涵盖的无线系统，所涵盖系统包括：IMT-2000系统、无线接入系统、数字广播系统以及两个新成员——数据速率峰值100Mbit/s的蜂窝移动通信系统和数据速率峰值1Gbit/s的游牧无线系统。

B3G系统的特点 具有很高的传输速率和传输质量 灵活多样的业务功能 开放的平台 高度智能化的网络 高度可靠的鉴权及安全机制 高速数据率和QoS保证

B3G相对于3G的优势 数据传输速率 适应性和灵活性 标准兼容性 业务的多样性 较好的技术基础 便于过渡和演进

B3G的目标 B3G系统将是广泛适用于各种电信环境的无线系统的总和，包括蜂窝、固定无线接入、游牧（Nordic）接入系统等。各系统间无缝连接，支持各种空中接口技术 B3G系统基于IPv6核心网互联互通，承载与控制全程分离，符合全IP的发展趋势 B3G 适合于分组突发业务，室外移动环境的峰值速率超过20Mbps，最高达到100Mbps，适用于大动态范围业务，频谱利用率远大于3G系统，达到10bps/Hz 在对 IPv6 多媒体业务提供支持的同时，发送功率比3G系统下降10dB

采用新的网络系统结构和灵活的无线资源管理方式，以扩大容量、提高频谱利用率 提供更大的容量，更好的服务质量（QoS），更高的安全性，对非对称性业务和速率变化范围较大的业务提供更好的支持 采用软件无线电技术 安全且经济

B3G的技术需求 为了有效克服或利用无线移动通信的多径衰落、多普勒频移、多址干扰等不利因素，保证物理链路的可靠传输，物理层将采用何种技术 如何实现多种不同类型业务共存时系统资源的有效管理，从而满足B3G支持各种不同速率和延时等业务的QoS要求 如何解决B3G系统针对IP分组优化传输的问题以及如何实现与IP网络的无缝互联

B3G发展现状 欧洲 欧洲国家一般认为B3G是一种可以有效使用频谱的无线数据通信技术，并且一定是以IPV6为基础的，通过在移动通信网络中引入IPv6把现有的各种不同的网络融合在一起。B3G网络将会融合卫星和平流层通信系统、数字广播电视系统、各种蜂窝和准蜂窝系统、无线本地环路和无线局域网，并且可以和2G、3G兼容

诺基亚的观点是，B3G应该能够让运营商在投资最小的情况下最大限度地提高网络性能。B3G网络应该是有线、无线的统一，是为了提高无线传输速率而采用新无线接入技术的全IP网络。其通信系统事业部行销暨业务副总裁Olli Oittinen表示，目前诺基亚的HSDPA开发已趋于成熟，在2005年与客户进行系统测试后，2006年可正式进入商用

爱立信则把B3G的发展分为两个阶段。第一阶段是把现有的蜂窝、WLAN、WPAN等多种无线通信系统整合，让用户可以在任何地方任何时间都能够享受最好的无线服务。最终的B3G应该是以IPv6为基础的共同核心网，多种无线接入网络共存的网络。为了提高频谱使用效率，用户可以在多种无线接入网络（3G、WLAN、其它新的无线接入系统)中选择最适合的，同时，使用先进的天线技术，如智能天线、MIMO技术等。此外，还利用OFDM和多载波技术来提高系统性能。

在2004年9月于德国举办的教育科研部门讨论会“Mobile Internet 2010”西门子公司展示了其最新的移动网络研究成果，在测试中，视频、音乐文件和Microsoft的NetMeeting视频会议在无线模式下，可达到360MBit/s的传输速度。这个速度是目前最快的DSL连接速度的100倍，西门子公司是第一个将OFDM和Multi-hop技术结合使用的公司。

2005年3月，无线基础结构网络设备提供商北电网络公司称，在刚完成的测试中B3G技术数据传输速度已经高达37Mbit/s。北电网络采用了OFDM结合MIMO技术，测试是在5MHz频段上进行的。

北美 摩托罗拉参照有线通信的发展历程来推测下一代无线通信的发展并认为：首先是有线通信系统上的话音业务无线化，然后是数据通信业务也转移到无线通信网络上，最后，有线通信网络上所有的内容服务，也在向无线网络上转移。B3G网络的核心网是IPv6网络，接入系统则是多种无线接入方式的统一。摩托罗拉认为以IPv6核心网为中心，有线无线的接入方式将实现统一。基于此，摩托罗拉的研究领域几乎覆盖了所有的通信领域，包括无线系统设计、多媒体技术、用户中心设计、无线应用、IP网络、代理技术、WLAN、语音技术和IC设计等。

朗讯则利用其信息热点结构的概念来诠释B3G移动通信网络。他们认为B3G是从3G一步步发展来的，是现有的移动通信系统和WLAN的结合。B3G是由基础网络和多种技术共存的系统。为此，朗讯在积极研究全IP网络、智能天线技术、网络自组织技术

亚洲 日本的B3G研究是围绕mITF（Mobile IT Forum）所制定的方针来进行的，近几年已经进行了很多项课题研究。mITF的主要目标包括B3G移动通信系统的构造、B3G通信系统的核心技术分析与研究、技术层面的要求事项和性能提高的方法等。为此，日本的企业在进行积极的研究，其中NTT DoCoMo最为活跃。

按照韩国政府制定的B3G通信系统发展计划，韩国将从国家层面上积极开发宽带移动通信系统、便携式互联网系统、智能型融合移动终端、多媒体移动终端内使用的核心部件、移动终端使用的极低功率的RF/HW/SW模块等战略产品。

中国 在我国，B3G的立项早在2000年初就已开始酝酿，2001年11月立项申请被批准，随后国家成立了由尤肖虎教授负责、“863”计划通信技术主题专家组领导的总体组，并于2001年底和2002年6月发布了两次课题指南，成立了一系列课题组，开始了计划的启动，称为FuTURE（Future Technologies for Universal Radio Environment）计划。旨在解决未来移动无线多媒体系统的一些关键问题和技术难点，为 B3G系统的开发积累雄厚的技术储备。

目前FuTURE有两个研究分支：TDD和FDD。TDD和FDD各有优缺点，但TDD在支持不对称业务和多跳功能方面更有优势。在接入点（AP）部署多天线阵列进行传输，可以增大TDD系统的覆盖范围

TDD具有如下优点： （1）提供容易识别的上/下行统一频带，下行信道估计结果可以用于上行链路（慢衰落和延迟较小情况）； （2）流量的不对称性可以灵活调整，只需考虑同频带（同小区）和临频带（临小区）干扰情况； （3）因TDD可以在一定范围内改变不对称程度，故频谱效率相对独立于实际网络流量的不对称性； （4）在低速移动条件下，可以利用上行提供的信道特性更好地调整自适应天线以进一步提高容量；

TDD可能存在的缺点如下： （1）邻频干扰包括上行和下行干扰； （2）当频率重用因子较小时，相邻小区上/下行链路的同步和网络规划是必须的，否则一个基站/扇区的下行时隙将干扰另一个基站/扇区的上行时隙；而当频率复用因子较大时，在一个运营商分配的频段内不用做规划，但在不同运营商分配的相邻频段上仍然需要做； （3）多运营商能否实现基站同站址取决于系统设计、同站址的这些运营商之间的频率重用率和频率间隔； （4）需要进行邻频段隔离；

FDD具有如下优点： （1）能够灵活配置上下行载波从而获得非对称容量，当所选带宽比和业务不对称性需求一致时频率利用率最大； （2）不对称频率分配可以依靠两种方案实现：不对称载波数量或者不对称载波宽度； （3）扩展不对称性可以通过在已有频段外增加不对称频带实现。

FDD可能存在的缺点如下： （1）在建设初期需要对未来的频谱需求进行估计，运行后对频谱更多的需求很难立即得到满足； （2）对灵活的双工间距的支持增加了终端复杂性； （3）频谱效率取决于实际网络流量的不对称性和频谱分配不对称性之间的关系； （4）当上下行载波宽度不同时，需要不同带宽的信道

B3G通信系统网络结构 整体架构 未来的B3G移动通信系统将整合蜂窝、RLAN（Radio Local Area Network）、数字广播、卫星及其它接入系统，同时要求这些系统间为无缝交互，用户能够依据终端性能、位置和类型享受多种传输机制提供的多种信息。不同的无线接入系统将通过灵活的核心网络互连，水平/垂直地切换服务，在移动性、安全性和QoS方面协商后提供无缝服务，由核心网或者接入核心网的服务器提供。为实现这样无缝服务，要开发高度自适应、对称/非对称的分组数据传输解决方案。

B3G移动通信系统网络组成示意图

核心网 B3G移动通信系统将采用基于IP的全分组的方式传送数据流，通过比较，IPv6比IPv4更适合于成为B3G网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点考虑： （1）巨大的地址空间 （2）自动控制 （3）服务质量 （4）移动性

接入网 基于IP的无线接入网应该具备以下功能： （1）最有效地利用频谱资源来为某种级别的实时性应用提供端到端的IP传输。 （3）支持接入网和核心网分别定义的QoS机制的交互，这个过程可能引入新的参数 （4）最大化频谱效率，统计复用可以用于支持混合业务，信源/信道编码技术应该向着适应多种IP多媒体应用的方向发展

（5）协议栈应该能够支持不同QoS要求的服务，提高对这些服务的媒体接入控制和无线链路控制 （6）最优化物理层技术以保证要求严格的业务质量 （7）支持多种广播、多播业务 （8）能够在空中接口区分业务种类，并对它们进行复用以取得最大频谱利用率 （9）对于某些“开关”业务（例如WWW 和FTP），支持快速的资源分配和释放过程 （10）支持最小化包丢失率和延迟的切换过程，以支持无缝的IP分组传输

B3G关键技术 与系统相关的技术：IP语声技术；软件无线电技术；广带无线收发信技术；移动性、安全性、加密、计费、身份认证管理；多跳网络技术等 与应用相关的技术：下一代编码/压缩技术；动态可变码率编码技术；移动代理技术；人-机接口，包括“智能”移动终端技术；流数据通信技术；应用发展环境技术等 先进的无线接入技术：动态QoS控制技术；差错控制及超高速小区搜索技术；多播技术；IP移动性控制技术；无缝IP信包传输技术；链路自适应技术；光纤无线电技术

频率的有效利用技术：微波频带的开拓技术；频带共用与频率共享技术；自适应动态信道分配技术抗干扰与抗衰落技术；自适应阵列天线及MIMO技术；自适应高效多电平调制技术；正交频分复用技术 先进的移动终端技术：新的功率管理技术；可包装终端技术；高功能显示器件实现技术；语声识别技术；半导体器件技术；灵敏度增强技术；移动终端的系统平台技术；移动终端安全性增强技术