要害词：无线网络/第4代移动通信/航空通信/超宽带无线通信/可重构性
Abstract:Now 3G is speeding up its steps towards the market in the worldwide scope and 4G is under full development. The July issue of IEEE Communications Magazine focused on Europe′s path towards 4G. The main ideas in that issue are summarized in this paper. The emphasis is put on the discussion of the network mobility in Beyond-3G Systems, hotspot WLAN to enhance the performance of 3G and Beyond Cellular Networks, ultra-wideband radio technology, aeronautical communications technology and situation-aware wireless networks.
Key Words:wireless network/4G/aeronautical communication/ultra-wideband wireless communication/reconfigurability
社会的进步和通信技术的发展要求骨干网提供多种不同的接入技术，使其能连接大量各种类型的终端以满足人们的需求。在各种网络环境中，从微微网到蜂窝网，以及卫星网等，每一种无线接入技术都能在基于公共的ip平台上独立地演进，以支持端到端的IP连接。面临的挑战是核心网如何根据用户的需求和市场的演进方向提供无缝的合成的各种无线接入技术。可重构网络是一种灵活实现各种无线接入的方式，能在各种不同的环境中达到始终最佳连接，并可优化使用稀有的频谱资源以及最有效的动态频谱分配。IEEE Communications Magazine 2003年7月集中报导了欧洲走向4G的研发之路[1]。 为了使人们了解相关动态，本文分5个方面扼要介绍发展未来新一代移动/无线系统所面临的技术挑战。
1 B3G的网络移动性
1.1 网络移动性
典型的B3G系统包括一些不同的接入网络技术：蜂窝系统、无线局域网(WLAN)以及广播接入。对于跨越这些异种接入网络的全IP的应用应具有统一的网络连接层提供IP连网技术。移动IP提供了节点移动性的解决方案，它独立于接入网的类型，并对所有的应用透明。网络移动性十分重要，可归结为一系列节点的集合移动性的概念。1个IP子网的移动，改变了IP拓扑位置就是典型的网络移动性。移动网络的形成可有不同程度的复杂性。最简单的情况是移动网络只包含1个移动路由器和1个主机。更为复杂情况的移动网络是一些IP子网，由本地路由器的互连集合，形成一个可以移动的整体单元，并通过1个或多个移动路由器与IP骨干网相连。移动路由器位于移动网络的边缘，它可具有1个或多个接口，与移动网和IP骨干网相连。移动网的内部结构可包括固定与(或)无线部分，且具有相对稳定的拓扑结构。网络移动性在概念上比众所周知的节点移动性远为复杂。1个在家里或远离家的移动网络，本身可被移动节点或其他移动网络所访问。这种情景可导致移动网络的多层集合(或称为巢状移动网)。这种巢状移动性是网络移动性独一无二的特性。
具体的移动网络有：
(1)个人数字助理(PDA)与蜂窝网或WLAN连接。
(2)列车上的旅客用具有WLAN卡的便携电脑与列车上布署的接入点相连。
(3)1辆汽车网络链接其电子部件(例如提供地图的车上电脑或音响设备)至移动路由器，后者通过蜂窝网与互联网相连。
(4)移动网络的多层聚集。
1.2 支持网络移动性的基本要求
虽然节点移动性的解决方案是基于移动IP，但对于网络移动性有另外一些新的要求。移动网中所有节点通过其永久IP地址都能被达到，并保持正在进行中的会话，即使在移动路由器改变其在互联网中的接入点时亦如此。为此目的，应达到下列要求：
1.3 支持网络移动性的基本方法——双向隧道
支持网络移动性的基本方法——双向隧道技术将建立在IPv6基础上，并只有最小的扩展。在IPv6中采用双向移动节点-驻地代理(MN-HA)隧道方式，支持移动节点的移动。同样地，移动路由器(MR)将有1个驻地代理(HA)，也将采用双向MR-MN隧道在MR移动时保持节点间会话的连续性。MR用捆绑更新的方法将其驻地地址与转交地址绑定。从MR到HA的流是直接达到的。MR需要将信包封装，并在MR-HA隧道中发送到HA。后者再将其封装后转发到目的地。在另一方面，HA需要截获所有试图传到MR的信包，并通过隧道将它们传到MR，后者将解封装并转发到移动网中去。这些操作能用现存的移动IP协议在IPv4及IPv6中进行，不需对信包格式和协议互相作用方式有所改变。但是HA需要将节点在移动网中的统一地址与MR的驻地地址对应起来，否则，截获试图到达移动网中节点的信包后，HA不知道将它们用隧道传送到哪一个MR中去。识别移动网中的节点，只要知道属于MR的IP地址的前缀就足够了。值得一提的是，MR-HA双向隧道机制足以支持巢式移动网。MR-HA双向隧道机制能使移动网在另一移动网中移动。另外，移动IP中MN在移动网中移动时可继续其与核心网的会话。IP层的网络移动性对未来的B3G系统很重要，但移动网络要实现无缝移动的最优解决方案还有许多研究工作要做。
2 增强B3G性能的热点无线局域网
在世界范围内，3G已在一些国家开始应用。将来用户还要求有更高数据速率的多媒体服务及无所不在的通信。为达此目的，3G网将继续演进以能提供更高的数据速率，其将采用新的无线接入技术。一种广泛期望的演进形式是在热点地区应用WLAN作为补充。最终，B3G将扩展到能提供数据速率超过100 Mb/s，并与一些技术包括卫星通信及数字广播技术等互连。显然，这些网络将通过基于IP的网络提供集成及无缝服务。B3G的环境是极为复杂的，涉及联合鉴权、认证、计费(AAA)，不同网络/服务器之间无缝切换，以及采用复杂的终端等。
WLAN可在公共及家庭环境中为PC、便携电脑以及其他设备提供高速数据连接。HIPERLAN/2及IEEE 802.11a可支持多个传输模式，提供数据速率高达54 Mb/s。WLAN能支持无线高速互联网接入及高清楚度音频和视频流。目前，WLAN与3G网络的互连有两种建议的方法：松耦合和紧耦合。松耦合方式能提供无缝的切换，在WLAN及3G网络中有相同的安全性水平。该方法要求WLAN及3G核心网有互连接口。紧耦合方式将依靠IP协议进行移动性治理及接入网之间的漫游。该方法要求有用户身份认证过程。WLAN与核心网的互连由AAA服务器与本地位置登记器协调完成。对于3G蜂窝系统来说WLAN可视为一种补充技术，用来在高业务密度地区(城市中心或商业区)向用户提供高速数据服务。WLAN能获得较高的数据速率，但覆盖范围较小。如用户使用双模终端，则可同时获得热点地区高的数据速率与大范围高速运行中的服务。
3 超宽带无线技术
B3G的发展，使人们可以实现“每个人和每个设备可在任何地方和任何时间”进行连接。这要依靠于现有的及未来的无线系统的集成，其中包括广域网、无线局域网、无线个域网、无线身体域网、即兴网(Ad hoc)及家庭域网等。未来短距离的无线技术将起到十分要害的作用。每个人和每个设备可由不同类型的通信链路相连接，包括：人与人、人与机器、机器与人、机器与机器。通信信息除人与人之间采用语声及高速数据外，还有大量的低速数据无线部件（如传感器、信标、身份标等）产生信息，因此未来基于超宽带无线技术(UMB-RT)的部件将起重要作用。目前短距离的无线通信主要运行在室内环境和单独模式情况下。
3.1 超宽带的频谱效率
对用户来说，高速数据速率、在任何时间和地点进行接入、无边界的移动性、智能化、跨网络时服务不被中断等是基本要求，采用UMB-RT对实现目前存在的上述要求是一种潜在的解决方案。同时目前频率资源的匮乏也是影响B3G发展的问题，采用共享现有的无线电频谱资源的方法已被美国及其他国家政府主管部门所接受。现有的共识是UWB-RT对家庭连网、娱乐市场以及以用户为中心的无线世界将产生极大的影响。对于超宽带（UWB）技术的通用定义是产生的信号的分数带宽大于0.2，或整个传输带宽至少为500 MHz。这一UWB定义不仅能设计出比经典窄带系统具有较低衰落门限的无线电系统，且具有在数据传输中精确的定位能力。例如，采用多跳路由，UWB发射机可减少其功率幅射及覆盖面积，使得在给定面积内有较大数目的发射机同时工作，从而增加频谱的重用及更高的单位面积的容量。按需建立动态即兴网对频谱重叠和重用技术组合应用非凡有效。增加频谱有效性可用空间容量来度量。由于系统最大传输范围与数据速率成反比，故连续的无所不在的全部时间的覆盖使系统运营价格随数据速率的增加大为增加。短距离无线系统覆盖面积相对较小(微/微微小区)，非凡是UWB-RT对未来高空间容量网络的实现十分重要。另外，UWB-RT系统可提供极大的灵活性保持小区的空间容量，以自适应大数目的低速数据节点或小数目的高速数据节点。具体实施时由实际应用的要求来决定。
3.2 超宽带无线技术的潜在应用
在实际应用中UWB-RT在较短的距离内可支持超过100 Mb/s的数据速率。另外，UWB-RT也可用于低数据速率而增加链路距离。
UWB-RT的应用场合主要有：
以上各类应用中在系统价格、覆盖范围、数据速率、位置精确度、电池寿命、对信道条件的自适应的优化问题方面还有许多工作要做。
3.3 技术上的挑战
UWB在技术上有一些问题尚待解决。如UWB部件之间的干扰，能达到的服务质量(QoS)，知道位置系统所要求的精确度等。技术挑战也存在于调制和编码领域。对于自适应调制方法和信道编码方式应考虑UWB无线信道在时域的特性。UWB射频平均EIRP很低，一般小于0.56 mW，但在很小的时间段内蜂值功率相对很高。先进的UWB MIMO系统则能提供高的链路可靠性和数据速率的自适应能力，同时，它还具有较好的抗码间干扰(ISI)和抗信道间干扰(ICI)的能力。UWB接收机带内干扰的消除、多径干扰及交叉部件干扰、接收机和网络级的同步保持等问题都尚待解决。为了改进自适应调制方法，有必要确定测量噪声电平和干扰性能。此外，模拟前端的动态范围，数字基带实现时的硬件价格、功率消耗，接收机性能等问题也都未解决。对于UWB频带在设计上应用的特定电路元件，如宽带低噪声放大器、功率放大器以及高速模/数变换器等的研制都是严重的技术挑战。
4 航空通信技术的演进
旅客要求空中旅行更为舒适、安全和有效，因此航空公司和客机生产厂商需要采用航空通信以满足这些要求。旅客航空通信目前的发展趋势是在机舱中实现个人无线通信和多媒体的数据上网。以前的飞机运营商仅提供低速的准全球通信服务，而目前旅客要求兆比特每秒以上的传输速率以满足新的多种服务和应用，因为高数据速率才能为旅客提供飞行中的娱乐、互联网应用和个人通信服务。旅客更愿意用一些个人化的设备，如移动电话、PDA、便携电脑等。很显然，飞机上需要一种无线接入的解决方案。飞机上的无线网络还能支持航线上工作人员日常工作中的需求，同时也可节省机上安装有线网络的费用。目前只有少数航空公司的航线上有无线接入设备，而且由于系统受到带宽的限制，不能满足旅客互联网服务的需要。航空通信服务的演进趋有两种：一是改进机舱技术，使之具有对用户友好的个人及多媒体通信环境；二是改进空间段通信技术，答应更高比特率的服务。欧洲航天局(ESA)大力推进航空通信的发展，安排了多个研究计划，总的目标是使空中旅客能获得与地面上相同的无线个人及多媒体通信服务。
航空通信服务所需的多种服务都各有其带宽要求和通信协议的类型。通常在机舱中设有电视屏幕、远程医疗设备、卫星电话，旅客能通过自备的移动电话、便携电脑实现通信。有些航线将会推出WLAN实现通信，但蜂窝通信仍在禁止之列。航空通信服务主要的无线接入技术有GSM、通用移动通信系统(UMTS)和通用移动通信系统的无线接入网(UTRAN)空中接口技术，WLAN技术，蓝牙(Bluetooth)技术等。
5 位置可知的无线网络
移动电话用户希望在不同的环境无缝地接入各种服务，即要求多个不同种类的网络能够共存，并互为补充，提供无所不在的连接。运营商则希望所提供的移动连接数据速率能与固定互联网接入相当，而每比特的价格保持现有水平。要实现能够提供全国范围的覆盖及更高的数据速率，直接的方案是应用大量的网络节点(即各种接入点、基站等)。一个较好的实现方法是采用一些信息站，部署在靠近网络节点处，使得很高的数据传输速率成为可能。在离信息站一定范围之外，则只提供中等的数据传输速率。智能网络可优化资源分配，以提供可以部署的容量。由于业务量和传播环境随时间变化，用户QoS的变化有时很显著。对于微小区，环境随变化造成的起伏主要引起蜂窝覆盖和容量的变化。为了在时变网络中保持QoS并减小开销，可采用自适应或动态网络，非凡可以采用具有位置可知性的自组织或自动化技术以获得动态网络性能。一个设计很好的动态规划系统应当能最大化频谱有效性，优化要害参数(如覆盖及容量)。动态规划系统能使网络运营商有效地利用网络资源，增加收益。动态规划系统能使用户在移动应用的各种环境下获得高的QoS。动态网络体系结构可减少网络对规划参数的敏感性。采用自愈网络的概念也可使最初网络的规划保持较长的时间周期。对于构造一个智能网络，统计推理技术、组合优化及博奕论等都是规划工具所必需的数学基础。
位置可知的无线网络原理：
(1)系统对环境的变化的响应自动完成
系统一旦检测到外部条件的变化，立即产生相应反应。可用两种方法来实现自组织网络：一种方法是采用从上而下的规划方法，可称为分群控制；另一种方法是采用局部相互作用反向规划的方法。在分群控制方法中，将网络元素加以分层，无线网络控制器(RNC)位于顶层，控制节点俯视下层的网络节点，由中心节点形成使整个分群获得最好性能的全部决定；局部相互作用的方法则具有平面的结构，系统处于无中心的模式中，每1节点独立作出决策，由局部网络元素集合起来的性能去支配网络全局的性能。
(2)物理层完成位置可知功能
位置可知功能将网络目前状态的局部知识提供给基站。这些知识是基于采用逻辑传感器获得的对四周环境的观察。其模型可分为3层：第1层是网络元素对环境的感知。要求基站检测地理上的特征及邻近的动态变化。这样可以检测出对等端，建立平均路径损失或额外的可用容量。第2层为对目前状态的理解，由第1层获得的数据来形成环境的图像。在此阶段基站必须决定出环境中扰动的性质。第3层则为规划未来的状态，也是最基本的评估功能。在此阶段要求基站根据状态起动正确的动作，最好的选择是使整个系统具有最小的负面影响。
6 结束语
上面介绍了欧洲向4G演进过程中将采用的一些技术，对于中国发展4G有重要的参考价值。中国有关部门应当早日研究相关新技术，踏踏实实地开展4G的研发工作。
7 参考文献
[1] IEEE Communications Magazine. Composite Reconfigurable Wireless Networks: The EU R&D Path Toward 4G [DB/OL]. http://dl.comsoc.org/cocoon/comsoc/servlets/OntologySearch?query=&node=TOC1350&render=false&type=1&node=TOC1350&render=false&type=1
作者简介： 李承恕，北京交通大学教授，博士生导师。现任北京交通大学现代通信研究所名誉所长，兼任中国通信学会常务理事、无线通信委员会副主任委员。主持多项国家自然科学基金、国家“863”计划等高科技研究项目。
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