3G/B3G的网络结构及其特性

【摘 要】本文主要对当前B3G网络研究现状及其发展趋势进行了调查研究，并就其中关键技术，主要是网络结构和特性展开讨论。

【关键词】B3G；发展趋势；网络结构

0 引言

国际通信界对于移动通信的研究，一向侧重于如何使第二代（2G）演进到第三代（3G）无线蜂窝网，甚至扩展至3G以后，直到2010年可能出现新的蜂窝网。然而，人们非常向往利用随身携带的手机随时随地找到对方，并互相通信，因此移动通信的使用不会只局限于蜂窝网，移动通信的研究范围应当扩大。诚然，城市蜂窝网已经起了很大作用，它们继续改进和发展是完全应该和有益的。但是，除了蜂窝网以外，还有企业单位和住家需要的无线局域网（WEAN）、大企业单位需要的无线广域网（WWAN）、个人需要的个人区域网（PAN），以及火车和私人汽车驶行时分别需要的公用车辆网和专用车辆网（PVN，public & private vehicular network）。这些都是B3G（beyond 3G）移动通信网。本文先介绍3G/B3G技术发展历程，然后介绍其关键技术，最后介绍所调查到的B3G的研究框架。

1 移动通信系统发展综述

无线通信作为移动通信的基石，使得移动通信可以快速发展。目前，无线通信及其应用已成为当今信息科学技术最活跃的研究领域之一。移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的通信。

1.1 移动通信发展历程

回顾移动通信的发展历程，移动通信的发展大致经历了几个发展阶段：第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信，技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信，使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点，克服了其缺点外，还能够提供宽带多媒体业务，能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务，并能实现全球漫游。

1.2 第四代移动通信系统（4G/B3G）

目前，对于新一代的移动系统还无法精确定义，但这种新一代移动通信系统在概念和技术上与4G系统和Beyond 3G系统大致相同，因此本文所讨论的这种通信系统就是基于4G和Beyond 3G的新一代移动通信系统。第四代移动通信系统（4G）标准比第三代具有更多的功能。它具有超过2Gb/s的非对称数据传输能力，对高速移动用户能提供100Mb/s的高质量的影像服务。并首次实现三维图像的高质量传输，它包括广带无线固定接入、广带无线局域网。移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。是集多种无线技术和无线LAN系统为一体的综合系统，也是宽带IP接入系统，在这个系统上。移动用户可以实现全球无缝漫游[2]。为了进一步提高其利用率，满足高速率、大容量的业务需求。同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。

网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线[3]方面做进一步研究。为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。

2 B3G移动通信网络结构及其特性

2.1 B3G网络架构

新一代移动通信系统是移动通信系统演进过程中的一个阶段和目标，它不仅采用新的无线传输技术提高通信系统的性能，而且与现有的各种有线与无线网络相融合：它不仅包含现有的移动蜂窝网络结构，而且在某些环境下也可以采用Ad hoc方式进行组网[4]，或者采用两种结构的组合形式，形成蜂窝网络下的两跳或多跳网络结构方式。一般而言，蜂窝网络是一种广覆盖的网络组网方式，它的目标是在有限的频率和功率资源前提下实现广域的无线覆盖。与蜂窝网络结构相比，Ad hoc移动网络结构形式更加灵活，它采用分布式管理技术，由一组自主的无线节点相互合作而形成移动通信网络，其中，无线节点既是一般意义上的移动终端，又可以作为无线中继和路由设备对其他用户的数据进行转发，因此具有动态搜索，快速建网和网络自恢复的能力，有着广泛的应用前景。鉴于Ad hoc在无线组网和下一代无线网络的重要地位，IETF（Internet Engineering Task Force）已经成立了MANET工作组，进行Ad hoc网络的研究。此外，近几年来，随着UWB（超宽带）技术的发展和应用，无线网络中的节点在工作时可以发送出大量的非常短和快的能量脉冲，其发射信号功率谱密度较低，非常适合作为新一代移动通信系统中个网络的实现技术。

随着基于控制与承载相分离思想的软交换技术的不断发展与成熟，以及基于交换与业务控制相分离的可以快速实现各种增值业务的智能网技术的广泛应用，它们在新一代移动通信系统中将发挥更大的作用。此外，随着IP技术的广泛应用，业界广泛认为基于新一代移动通信的通信网络结构发展趋势是以IP网络为核心，其框架结构各个系统采用基于IP的分组方式传送数据流，体现了下一代网络以IP为核心互联的网络结构。同时，伴随网络容量和用户的快速发展，IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。

从B3G移动通信系统无线接入网络的覆盖范围和实现技术来看，业界普遍认为基于新一代移动通信系统的未来无线网络将主要由三个层面的网络来实现：无线个域网、无线局域网和基于蜂窝结构的移动通信网。由此可以看出B3G移动通信系统的无线侧将是一个不同无线接入网络的异构融合体，这些系统在同层之间可以实现水平切换，在不同层之间进行垂直切换以实现网络间的互联互通，其中无线个域网络主要应用于个人和家庭范围内进行短距离无线通信，现在的无绳电话系统和未来即将出现的可穿戴无线系统就是典型的应用。无线局域网是指基于IEEE802.11等国际标准的无线网络，其覆盖范围和容量都比个域网大。基于蜂窝结构的移动通信网则是指包含现有2.5G、3G即将部署的4G以及将来出现的各种蜂窝移动网络系统（包含目前已成为3G标准之一的WiMax网络），这些系统是可以实现跨地区漫游和移动性管理的广域通信网络。从用户或者无线终端的角度来看，在部分地区，无线终端可能只由一个网络覆盖，这时，终端设备毫无选择的接入这个系统：而在很多地方，无线终端可能由多个层次的网络共同覆盖，这时终端不仅可以根据用户对业务、网络负荷和QoS的要求选择最优的网络接入，而且可以随着无线信道的变化和用户的移动，在特定的网络层次内进行有效的水平切换和在不同网络层次之间进行无缝的垂直切换，由此可见新的移动通信系统可以实现系统、业务和覆盖等多方面的无缝性，是一种真正意义上的无缝通信网。

2.2 B3G网络关键技术特点

2.2.1 OFDM技术

它实际上是多载波调制MCM的一种，其主要原理是：将待传输的高速串行数据经串/并变换，变成在N个子信道上并行传输的低速数据流，再用N个相互正交的载波进行调制，然后叠加一起发送。接收端用相干载波进行相干接收，再经并/串变换恢复为原高速数据。

以OFDM为基础[5]，OFDMA技术得到了以WiMAX、LTE、UMB为代表的E3G技术的重视和采纳。由OFDMA并不能完全取代传统的CDMA，故将二者结合成为提高系统频谱效率和功率效率的一种可行手段。例如，日本NTT DoCoMo公司提出了针对B3G/4G的VSF—OFCDM（可变扩频因子正交频码分复用）无线接入方式，并通过改变扩频因子以适应高密度业务区和一般业务区的不同要求。

在未来B3G发展过程中，OFDM将扮演着重要的角色，它将与CDMA、IDMA等其他技术结合，发挥出更大的优势。当然，如何进一步降低峰均比，进行更加有效的信道估计及同步等问题，也成为了未来OFDM技术研究的方向。

2.2.2 多输入多输出（MIMO）技术

多输入多输出（MIMO）技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统的核心技术之一。MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理，在丰富的散射环境下，空分复用MIMO系统（如BLAST结构）可以获得与天线数成正比的容量增长，从而极大地提高频谱效率，增加系统的数据传输速率。但是当散射程度欠佳时，会引起信道间的空间相关，尤其在室外环境下，由于基站的天线较高，从而角度扩展较小，其空间相关难以避免，在这种情况下MIMO不可能获得所期望的数据传输速率。

在MIMO系统中，目前实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLA-ST算法、ZF算法、MMSE算法和ML算法等。随着研究的进一步深入，一些结合MI MO的新技术不断产生，成为未来B3G系统的发展方向。

2.3.3 切换技术

切换技术能够实现移动终端在不同小区之间跨越和在不同频率之间通信以及在信号质量降低时如何选择信道。它是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础。主要划分为硬切换、软切换和更软切换，硬切换发生在不同频率的基站或不同系统之间。第4代移动通信中的切换技术正朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。

2.3.4 软件无线电技术

软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可实现不同功能，用以实现在不同系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬（Digital Signal Process Hardware，DSPH）、现场可编程器件（Field Programmable Gate Array，FPGA）、数字信号处理（Digital Signal Processor，DSP）等。

软件无线电的基本思想[6]有两点：一是，将宽带的A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线端；二是，用软件完成尽可能多的无线电功能。由软件无线电技术具有的特点，可以预见其今后会向着两个方向发展。一是，向理想的软件无线电方向发展，使A/D采样向射频前端靠近，信号处理几乎都采用软件实现；二是，向设备实用软件化方向发展，在现有的器件条件下实现一些具有软件无线电性质的系统。目前，在软件无线电的基础上，一些新的概念和理论被相继提出，其中最具有代表性的是虚拟无线电（Virtual Radio）和认知无线电（Cognitive Radio）。

2.3.5 IPv6协议技术

3G网络采用的主要是蜂窝组网，而4G系统将是一个基于全IP的移动通信网络，可以实现不同类型的接入系统和通信网络之间的无缝连。为了给用户提供更为广泛的业务，使运营商管理更加方便、灵活，4G中将取代现有的IPv4协议，采用全分组方式传送数据的IPv6协议。由于目前Internet网络采用的是IPv4技术，故从IPv4向IPv6的过渡问题成为当前研究的热点[7]。IPv6提供的过渡技术主要包括两大类：一类，是IPv6孤岛互通技术，用以实现IPv6网络和IPv6网络的互通；另一类，是IPv6和IPv4互通技术，用以实现两个不同网络之间的资源互访。目前解决过渡问题的基本技术主要有三种：双协议栈（Dual Stack）、隧道技术（Tunnel）和NAT—PT。

IPv6和IPv4相比，具有更大的地址空间，更高的灵活性及移动性，是B3G网络协议的基础。随着过渡方法的逐步明晰及标准化组织的推进，IPv6在B3G系统中的应用逐步成为现实。

3 小结

目前，B3G移动通信还只处于实验室研究开发阶段。具体的设备和技术还没有完全成型，后续的软件开发还没有启动。这都会给B3G的发展带来很多难题，有待人们深入研究。但未来移动通信必将具有文中描述的这些基本特征：高速率、高质量的数据传输，完全集中的服务。

对于现在的人来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来最复杂的技术系统。总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，还将可能遇到一些困难。

首先，人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到100Mbit/s，但手机的速度将受到通信系统容量的限制。据有关行家分析，4G手机将很难达到其理论速度。

其次，4G的发展还将面临极大的市场压力。有专家预测，在10年以后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本建成，全球25%以上的人口使用3G，到那时，整个行业正在消化吸收第三代技术，对于4G技术的接受还需要一个逐步过渡的过程。

因此，在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，使移动通信从3G逐步向4G过渡。无所不在的移动接入，高智能的多样化的用户设备。随着新问题、新要求的不断出现。第四代移动通信技术将会相应地调整、完善和进一步发展。我们相信，不远的将来，人们将会不受时间、地点限制，可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息，从而使人们的学习、工作、生活发生更深刻的变化。

【参考文献】

[1]陈哲，张正江，尹长川，乐光新.B3G技术演进与发展趋势[J].电信工程与技术标准化，2008，12.

[2]孙常清，王琪琳，张佳麓.B3G技术发展浅析[J].电信科学，2007，23（7）.

[3]万屹，李扬.B3G技术的研究及发展趋势[J].电信网技术，2006，1.

[4]林辉.B3G研究与标准化进展[J].电信科学，2007，23（9）.

[5]张汉毅，粟欣.B3G的关键技术及其发展趋势[J].移动通信，2008，6.

[6]张继东，肖海勇.新一代移动通信系统及无线传输关键技术[J].中国新通信，2008，12.

[7]张煦.B3G移动通信网[J].电信快报，2004，1.

[责任编辑：王洪泽]