无线技术的未来--3G及4G

2008-04-14 15:33:08来源: 中国电子工程网

 

   无线技术正开始从以传输话音业务为主逐渐向基于宽带无线网络,可同时传输话音、影像、数据等多种业务。而且将更多的功能集成于一身的方向发展。那么,展望无线技术的未来,3G是否得以诞生,会不会从2G直接过渡到4G呢?

    15年前移动电话还是一种昂贵奢侈品。而今天移动电话常常作为开拓市场和促销产品的免费赠品了。移动电话在成为语音通信的主流媒体之后,正随时准备承担新的挑战,向移动用户传送高速数据、视频信号、多媒体信息以及语音信号。在各个行业中日益增长的移动劳动大军促进了这一基本需要。据统计,在美国平均有15%的劳动大军可归之为移动的一类(至少20%的时间是在办公室外工作的)。解决此挑战所需的技术通称之为第三代移动电话(3G)。

     从消费观点来看,需要更大语音容量以可靠地接纳更多的电话呼叫、通过增加计费的使用分钟(MOU)以产生更多的收益、高速数据服务(移动384kb/s,固定2Mb/s)以满足日益增长的移动用户群体的需要。企业局域网接入、无线Internet接入和全球漫游,所有这些都已经驱动现有2G网络达到极限。所提出的3G技术将支持这些需要,任何3G技术的主要要求应包括:

    语音质量可与公用交换电话网络(PSTN)相比拟;对于乘机动车辆在大范围快速运行的用户,数据速率为144kb/s;对于站立不动或者在小范围慢速移动的行人,数据速率为384kb/s;逐步达到支持2.048Mb/s运行的办公室应用;支持数据包交换和电路交换两者的数据服务;适用于大多数因特网通信高度非对称特性的无线接口,其下行链路较之上行链路具有大得多的带宽;使现行频谱有更高效的利用率;支持种类繁多的移动设备(如电话、手机、PDA等);可灵活引入新服务和新技术。

    对开发3G的另一个重要动力是由于移动Internet激增所造成的对移动接入能力的要求。在美国和欧洲这两个地区,研究表明移动电话的拥有者都希望成为Internet的用户。鉴于目前75%访问Internet的用户都是在常规基础上进行的,这表明具有接受移动数据服务的巨大潜力。理想上,3G应当随时随地提供无缝的个人通信服务。

     从供应商的观点来看,对移动数据的需求在某种程度上也可以说是由供应方面促成的。无论是传统的网络运营商还是网络设备供应商,这两方面人士都在开发移动接入以解决他们各自面临的问题,让公众满意并提供Internet对移动电话用户的接入。

   19986月有十种符合IMT-2000最低性能要求的地面无线传输技术(RTT)提交给国际电信联盟(ITU)。在所有这些技术中除了数字增强无绳通信(DECT)和通用无线通信(UWC-136)外全部采用码分多址(CDMA)作为发送接口,而DECTUWC-136则是纯粹时分多址(TDMA)协议。不同RTT的支持者们为把这些技术融合为统一的标准将会遇到极大的麻烦。这些技术已经集结在三种主要的现有2G标准周围:TIA/EIA-136GSM(皆基于TDMA的系统)以及IS95(基于CDMA的系统)。由于移动无线电的发展成果都关会影响到三种标准的融合,每一种RTT都可能或多或少地包含在最终标准中的融合技术内。

    未来的发展途径很多,而且是千变万化的,某些只追随单项2G技术,而其它的则尝试包含多种技术。

    宽带CDMA(W-CDMA) 作为一种最有希望的新技术途径,3G是将宽带CDMA发送接口与GSM固定网络相结合而成。该网络支持漫游,并在多于110个国家中,特别是在欧洲成为优选。

   W-CDMA  协议基于欧洲电信标准学会(ETSI)UMTS。此协议称为UMTS地面无线接入(UTRA),它描述两种操作模式:频分多路(FDD)和时分多路(TDD)。在第一种模式中,每一物理通道指定一个唯一的频率/代码。每一位要求能处理高数据速率服务的用户可指定多个物理通道。上行通道相应于一特定的载波频率、一扩展代码和一相关相位(O或者π2弧度),这意味着它可以容纳多路信息流。

     在所指定的扩展代码中有一个10ms的帧结构,每个10ms帧划分为16 个周期为625ms的时隙,每个时隙相应于一功率控制周期(每秒钟有1600次功率控制调节)。

    FDD模式中下行帧结构与上行是相同的,在其中用户和通信信息在625ms的时隙内进行时间多路复用。在上行和下行方向的扩展代码都具有从4改变到256的扩展因子,其中扩展因子反比于所需的数据速率。在一下行通道中发送的位速率超过最大允许值时,可以应用相同的扩展因子建立起几路并行的连接。

    TDD模式具有一个由16个时隙组成的10ms帧结构,每个时隙625ms长。在10ms的帧内可以设置多个交换点以容纳非对称的上行和下行电路。每个625ms的时隙以其自身独特的代码来扩展。每个时隙内可容纳两个或更多的625ms猝发信号,它们之间由其自身扩展的代码相区别。

   CDMA2000技术的提交是为了保证在美国和韩国广泛应用的IS95系统的利益。所提出的系统发挥了当前2G CDMA系统的全部功能以接受某些3G的特点。事实上,当前的CDMAOne系统可以看成充分发展的3G CDMA 2000系统的窄带版本。

    UWC136技术,今天移动世界中70%采用GSM技术。UWC136是一种纯粹TDMA 标准并完全不包含CDMA成分的建议,它提供了在窄至1MHz的频带内应用先进特点的性能。UMC136之重要还因为它代表一条先进移动电话系统(AMPS)2G IS136技术的创新路径。除了GSM外,世界上AMPS手机比任何其它手机都要多。此3G技术可提供较其2G产品更高的数据速率,支持非对称的上行和下行通道以及对可供选择数据包的支持。重要的是去理解这些技术将在何处、何时和如何开发应用。

    为了理解3G无线网络的设计、实施和维护中的各种挑战,必须熟悉无线网络的寿命周期。

    无线数据应用已经由不同的标准文本加以定义。对每一主要发送接口提出单独的移植战略使事情进一步复杂化。当注意到细节时很容易忘记基本原则。其真谛在于,即使所采用的技术十分复杂,工程师们的目的仍应保持不变:无线数据网络的设计必须提供用户要求的覆盖面、质量和容量。设计工程师需要有灵活的方法对任何数据应用设计出模型以回答下列问题:

     需要应用多少基站来支持特定的无线应用?应在何处部署资源?无线应用如何影响语音通信的服务质量(QoS)?容量将受到怎样的影响?采用像GPRSEDGE这样的2.5G过渡技术有无意义?

    在GSM和TDMA世界,GPRS理论上可提供170kb/s的最大速率,尽管限制GPRS终端可将猝发速率限制为43kb/s。平均吞吐量甚至会更低,所发表的商业服务估计值仅为28~43kb/s。EDGE比GPRS更进一步,将数据速率的最大理论值提高为384kb/s,尽管其平均数据速率可能低于128kb/s。这表示对GPRS的重大改进,使其适合于某些高带宽的商务应用。但是,较高的数据速率增加了调制的复杂性,从而减少了信号范围并大大增加了投资。

    对于像CDMA2000和W-CDMA这样的3G技术,允许其猝发速率的理论值高达2Mb/s,能够支持如移动视频会议等多媒体应用。然而,2Mb/s的数据速率只是在同一个建筑物的范围内才是可能的,并需要用户保持在距基站小于150英尺的固定位置。在这样的条件下,3G无线技术就将与无线局域网(WLAN)技术相匹敌。

    无线数据思想代表当前移动通信向高数据速率应用和全球化接入概念发展。此概念提供了Internet会话、视频电话、电子邮件、文件传送、视频会议及许多其它应用:固定、低移动性和移动无线接入。的确,供应商已经在大力吹嘘其手机的丰富功能,这使得工程师们急于去开发能支持这些应用而又能保持语音能力和质量的产品。

    当运营商安排数据网络覆盖在现有的语音网络上时,他们将会注意到带有高数据速率的混合型手机的出现,势必会使整个网络中的基本噪声电平升高,从而出现覆盖缺口。

   对典型移动数据包应用的QoS需要是各种各样的(例如考虑实时多媒体、Internet浏览和电子邮件)。对不同类别QoS的支持可以在各部分中加以说明,这是十分重要的。

   当前无线网络上绝大多数通信流量是以语音为基础的。大多数无线运营商提供有限的低吞吐率数据服务,而且用途相对小。因此,运营商只是根据对单独语音传输所提出的需要设计他们当前的网络。

   对无线数据服务的需求预期是很高而迫切的。高需求将迫使运营商在设计其网络时要考虑数据传送。迫切需要则造成在涉及数据有关协议时难免使用对当前系统进行修补的方法。

   为了在无线网络上提供高数据速率服务,运营商需要提供附加的网络投资,对于3G此项投资是相当大的。需要仔细规划各方面增加的要求,在资源有限的条件下运营商必须在其现存网络中找出额外的容量。由于干扰会直接影响数据传输速率,运营商应采用严格的干扰管理以控制数据服务的质量。应用复杂的RF设计工具和自动的频率设计工具,运营商能够从现存网络中挤出更多的容量而不必急于大量投资于基础设施的改进。

   网络运营商在发展3G网络时应以下列三条作为基本出发点:

   首先,用户要求新的服务去提高其企业的生产率,以及新的应用以改善其市场竞争能力;

    其次,新的服务需要新的网络。传统的电话网络费时100年才达到目前能很好处理语音通信的境界,宽带革命仅仅才开始。在过去20年里通信公司花费了超过了一万亿美元去支持语音通信量稳健而缓慢的增长,人们期望在下一个十年里至少花费同样多的资金去支持下一代语音和数据服务的需求;

   最后,通信公司应迅速作出投资的抉择,或者等待新的投资而驻足不前,那就等于坐以待毙,或者全力追逐新一代的技术,进入通信新世界。

   从80年代后期所谓“便携式”的无线电话(要放在提包内的装有粗大天线和笨重电池的设备)到今天我们能方便地插在衣服上的无线电话,我们已经经历了很长的一段路程。回顾早先时候,我们曾经十分满足于借助那样庞大而笨重的设备在一个有限的通话范围内与友人进行交谈。今天,比较起来已成为在此数字时代中必不可少的电子器件也变得如此细小以至几乎看不见了。只有电话上断续的叮口当声或者传呼机的唧唧声才表现出一个人是连接着无线网络。而且,即使这些可听见的指示也会变成无声。

    但是,便携式无线器件的最佳性能尚未出台。你能否想像,当你携带连接至网上能向你不断更新关于订座和旅行状况的对话程序的第4代(4G)无线终端乘坐飞机、汽车或者火车旅行的情景吗?同时,它又能在你通过入住登记柜台时从你的旅行帐户中扣去费用,并在你登上飞机、租用汽车和进入火车时进行安全检查。或者可以想像,当你徒步穿过热带森林时,将4G无线图形终端电话用作你的现场向导,准确指出危险动物和有毒植物的位置。又或者你正在与商务客户的电视会议通话中,当你正在位于加勒比海中间的游轮甲板上讲话时,你是否想从你家中的服务器转发来文件?

   基于以上论点。采用4G无线系统,你能够随时随地与任何人联系,访问任何信息并以任何货币进行交易。

   在我们离开以上描述的想像的(但确是即将来临的)4G世界而回到近期的3G世界时,十分明显,无线电话可能已经令我们中的某些人感到失望了。已经整整七年了,我们一直等待着能将语音与多媒体和声频应用结合在一起的无线电话。我们希望能下载所喜爱的歌曲,或者与300英里外的朋友同看一场电影。但是,最高为2兆位/秒的3G数据速率可能不足以处理多媒体在质量、清晰度和速度方面的需求。还有,我们还要求在去欧洲、日本、中国、澳大利亚或南美洲旅行时能够使用3G电话。可惜,从一个国家到另一个国家其无线标准的极大变化可能使得你的电话在穿过外国边界时变得毫无用处。

   千里之行始于足下,通往4G的道路也不例外。此旅程中极为激动人心的事乃是有基于嵌入式DSP的解决方案为我们一路上排忧解难,为了使蜂窝式数据速率的能力从384Kb/s扩大到20Mb/s,工业界正在对软件无线电、宽带收发器和功率放大器进行实验。而且,当我们把一种示范的正交频分复用(OFDM)技术应用于下载声频和视频数据流时,已经产生了令人鼓舞的结果。将所有这些先进的无线网络设计都用来与DSP核心技术中的进展结合在一起,就会使我们把3G无缝地转移到4G的能力指数般地增加。

   许多主要的DSP供应商正在发展新的DSP结构,并在三个大家关注的领域中突破半导体物理的壁垒:高性能、代码量及效率、功耗。DSP器件的时钟速度将大于3GHz从而很快接近每秒进行几百亿次的运算。

   究竟为什么要求这些性能水平呢?推动力乃是对高数据速率协议的处理和筛选、多媒体的视频和语音处理,以及多重通道和安全性的网络功能等。如果我们将注意力保持在此发展方向上,4G的数据率达到10兆位/秒将是有把握的事情。

   软件将越来越成为4G无线系统发展的推动器。因此,代码量及效率直接关系到器件的成本和及时推出市场的收益。显而易见,3G系统所需要的代码量将十倍于今天2G系统的典型使用量。如果摩尔定律生效,则我们能够设想4G系统将需要100倍于今天系统的代码量以容纳自适应及可伸缩的收发器系统,多重调制方案及无线频率,以及许多必须各自对语音、视频、数据和安全性进行同时处理的通道。能做所有这些工作而只消耗尽可能少的功率,又不牺牲性能和质量,这将允许无线终端能连续使用数天而无须充电。

   但是由于这些技术进展没有哪一种是凭空产生的,无线网络的实际改进需要非常实在的资金投入。困难的任务在于确定有多少工业资源应当用到下列三个方面:

(1)将当前的3G技术推向市场;

(2)对能跨越至4G网络的研究开发注入资金;

(3)开发4G技术所需的基本设施和工艺过程。

   均衡这三方面的财务需求应既不妨碍当前的竞争而又能同时安排一家公司从事未来的开发,这就需要能做出至关重要的战术和战略决策。按照适当的规划,集中各方面组织者的力量把语音、多媒体、声频、数据和全球定位技术融合为一便携式电子器件,它的可能应用将产生巨大的财务回报。

关键字:3G  4G  无线网络

编辑:王婷婷 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2008/0414/article_246.html
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