[转帖]B3G移动通信关键技术

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<font face="宋体"><strong>1. B3G移动通信产生背景<br/>1.1. 通信发展与市场需求<br/></strong>　　自移动通信诞生之日起，其主流业务一直是人与人之间通过移动通信系统用语音进行沟通的语音业务。随着Internet及多媒体技术的快速发展， 用户越来越不满足这种人与人之间的单一通信方式。人们希望移动通信系统能够提供更丰富的业务，例如因特网接入、图像传送、视频点播、数据互传、实时电视节目等数据或多媒体业务。同时也希望从目前的人与人之间的通信发展到人与机器、 机器与机器之间的通信。此外，对于运营商来说，则更希望下一代的通信系统能够更易于加载各类新业务及融合新技术，而无需频繁地进行系统结构和设备的变动，这些需求将会使得移动通信模式发生较大的变化。<br/>　　为适应人们对移动通信越来越高的要求，2000年10月6日，国际电信联盟（ITU）在加拿大蒙特利尔市成立了IMT-2000（International Mobile Telecommunications-2000）and Beyond工作组，负责协调分布在欧洲、美洲、亚洲等世界各地的无线通信技术研发机构和通信设备制造公司对B3G的研究与标准化工作。我国在2002年3月正式宣布启动对B3G通信系统的研究工作，并于2004年4月正式启动B3G移动通信技术的标准化进程。<br/>　　依照国内外对未来移动通信技术的普遍看法，B3G系统至少应具备以下6个基本特征。<br/>　　（1）具有很高的传输速率和传输质量<br/>　　未来的移动通信系统应该能够承载大量的多媒体信息，因此要具备达到100Mbit/s～1Gbit/s的最大传输速率、较大地域的连续覆盖、QoS（Quality of Service）保证机制、很低的比特开销等性能。<br/>　　（2）灵活多样的业务功能<br/>　　未来的移动通信网络应能使各类媒体、通信主机及网络之间完成“无缝”连接，使得用户能够自由地在各种网络环境间无缝漫游，并觉察不到业务质量上的变化，因此新的通信系统要支持网间移动管理及相应的认证、鉴权、代理等功能。<br/>　　（3）开放的平台<br/>　　未来的移动通信系统应在移动终端、业务节点及移动网络机制上具有“开放性”，使得用户能够自由地选择协议、应用和网络。让应用业务提供商（ASP，Application Service Provider）及内容提供商（ACP，Application Content Provider）能够提供独立于操作的业务及内容。使定位信息和计费信息能够在各个网络和各类应用之间共享。改良的安全机制能够作用于广泛的功能范围。<br/>　　（4）高度智能化的网络<br/>　　未来的移动通信网将是一个高度自治、自适应的网络，具有很好的重构性、可变性、自组织性等，以便于满足不同用户在不同环境下的通信需求。<br/>　　（5）高度可靠的鉴权及安全机制<br/>　　未来的移动通信网将是一个基于分组数据的网络，具有高度可靠的鉴权及安全机制,因为如何保证数据的安全可靠性将直接影响到整个网络的生存力，也会影响到用户对整个网络的信任程度。<br/>　　（6）高数据速率和QoS保证<br/>　　未来的移动通信系统不仅是为了适应用户数的增加，更重要的是，必须要适应多媒体的传输需求，还包括通信品质QoS的要求。必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。<br/>　　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。[1]<br/><br/><b>1.2. B3G相对于3G的优势</b><br/>　　虽然与3G移动通信技术相比，B3G移动通信技术更为复杂，但B3G移动通信技术较3G 移动通信技术有许多优势。<br/>　　（1) 数据传输速率<br/>　　预计B3G移动通信系统可以达到100Mbit/s ～1GMbit/s的数据传输速率。虽然3G移动通信系统可以比现有2G移动通信系统的数据传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求，B3G移动通信系统的提出希望能满足更大的数据传输速率需求。<br/>　　（2) 适应性和灵活性<br/>　　虽然3G系统的速率已有很大的提高，但是仍不能很好地动态分配资源，大流量时系统资源利用率低。而B3G通信系统拟采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小,进行相应处理而满足通信要求，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。<br/>　　（3) 标准兼容性<br/>　　3G 的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术，但各方利益没有得到最终的调和，导致分化成如今的几大标准阵营。目前，ITU 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM、CDMA 和TDMA 三大分支，每个分支的标准都在抢占市场。预期只有通过B3G移动通信标准的制定才能解决这些标准的纷争问题。<br/>　　（4) 业务的多样性<br/>　　在未来的全球通信中，人们更期待的是多媒体通信。3G虽然也具有支持多媒体业务的能力，但是它受制于较低的传输速率。在B3G中，个人通信系统、广播娱乐系统等各行业系统将会结合成一个整体，提供给用户比以往更广泛的业务与应用；系统的使用会更加安全、方便与照顾用户的个性。B3G能提供更广泛的通信业务，从而满足宽带和综合业务需求。<br/>　　（5) 较好的技术基础<br/>　　B3G 技术将以几项突破性技术为基础而迅速发展起来，例如OFDM （Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术、MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术、SDR（Software Defined Radio）技术等能大幅提高无线频率的使用效率和系统可实现性。<br/>　　（6) 便于过渡和演进<br/>　　由于现在改进的2.5G通信网络也初具规模，并将继续朝着3G和B3G的方向发展。人们在快速推进3G移动通信系统商业化带来优质服务的同时，也在努力进行B3G移动通信技术的研究、开发。B3G网络一定能在以往网络的基础上逐渐演进而成，并与固定网、广播网兼容。<br/><br/><b>1.3. B3G发展现状</b><br/>　　现阶段，B3G无线通信技术已是世界范围内移动通信的研究热点。B3G标准制定工作也在ITU的领导下如火如荼的进行着，各国都积极地参与提案，希望未来的标准中出现符合本国利益的条款。B3G在不久的将来会给人类带来全新优质的通信方式已成为共识。本节主要介绍世界三大洲的B3G技术发展和标准化现状。<br/><b>1.3.1. 技术动态[2]</b><br/></font><font face="宋体"><b>1.3.1.1. 欧洲<br/></b>　　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。<br/>　　为提升WCDMA传输速率，爱立信、诺基亚等，纷纷投入“B3G”—HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)的研发工作，并陆续在2005年下半年起进入商业运转。HSDPA被视为WCDMA演化的下一步，可在既有WCDMA结构下，将无线数据下载的传输速率提高到最高14Mbit/s的水平，是现行WCDMA传输速率的3倍以上，同时可以把系统数据容量提高一倍以上。<br/>　　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。&nbsp;&nbsp;<br/>　　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。<br/>　　在2004年9月于德国举办的教育科研部门讨论会“Mobile Internet 2010”上，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。<br/>　　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。<br/><br/><b>1.3.1.2. 北美</b><br/>　　北美的部分厂商和欧洲的厂商保持一致，比如摩托罗拉。有些厂商则认为WLAN应该在B3G中发挥更大的作用。 <br/>　　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。<br/>　　摩托罗拉在2004年7月27日召开的记者招待会上发布：新一代移动通信试验用20MHz带宽可得到300Mbit/s的下行通信速率。该公司通过采用OFDM调制方式、配备多根天线，实现了最快300Mbit/s的通信。 <br/>　　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、网络自组织技术等。<br/><br/><b>1.3.1.3. 亚洲</b><br/>　　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。中兴、华为等公司也投资进入到了各自的B3G的研发课题当中。阿尔卡特、西门子等国际著名公司首次作为合作伙伴参加了863计划通信主题的有关项目。由于B3G作为移动通信技术，前瞻性太强，故目前我国B3G的研发主要还是靠政府支持，企业研究资金投入有限[3]。<br/>　　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。<br/>　　NTT DoCoMo的B3G研究大体上可以分为以IP为基础的平台和VSF-OFCDM(Variable spreading factor-Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing)无线接入技术两大部分。NTT DoCoMo于2004年12月17日宣布，当用户以步行速度移动时，下行最高无线传输速率实现了1Gbit/s。该实验系统下行链路采用VSF-Spread OFDM技术（不同于以往的VSF-OFCDM，以时分复用技术在同一频带内区分多用户）并组合多路信号空间复用的MIMO技术（4发4收），从而实现了相当于现有FOMA（Freedom of Multimedia Access）服务的2600倍以上的高速无线传输。接收方除采用被称为“最优判定法”的信号分离方式外还应用NTT DoCoMo自主开发的分离方式，从而大幅减少与MIMO相关的运算量。[4]<br/>　　韩国政府和产/学/研部门共同组成了B3G前景委员会，该委员会确定了B3G的发展前景目标以及需要研究的核心技术。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。B3G的研发活动将分两个阶段进行：第一阶段的研究是以ETRI（Electronics and Telecommunications Research Institute）为主导，从2002年1月开始启动，到2007年能够研发出B3G移动通信的主要核心技术和试验系统。要求这些核心技术应该能够比国际上的其它企业的相应技术具备一定的优势。试验系统的传输速率应该可以达到100Mbit/s。第二阶段则要把这一最高速率提高到1Gbit/s。<br/>　　ETRI的B3G目标是宽带移动接入系统，该系统具有最好的宽带接入和成本条件，当前的主要目标是寻找特定的一种无线接入技术，从而可以提高频谱使用效率。ETRI为此在进行OFDMA（Orthogonal Frequency and Code Division Multiplexing Access）、MIMO、LDPC（Low Density Parity Check Codes）、OAM（Operation And Management）等方面技术的研究。<br/><br/><b>1.3.2. 标准化进程及标准化组织</b><br/>　　为了共同推动B3G技术和标准的发展，各利益团体组织了如WWRF（Wireless World Research Forum），mITF等多个联合体和论坛。他们致力于在B3G的正式标准化组织成立之前，联合更多的力量，推出自己的技术标准，以便在B3G时代创造对自己发展有力的态势。对于B3G的标准化进程，欧洲、北美、东亚地区的政府和研究机构，以及诺基亚、爱立信、NTT DoCoMo等企业表现非常积极。<br/><br/></font><font face="宋体"><b>1.3.2.1. ITU<br/></b>　　ITU的B3G标准化工作分为两大部分。一部分是由ITU-R的WP8F负责，另一部分是由ITU-T的SSG负责。ITU-R WP8F的主要任务是负责3G的未来发展和B3G的标准化研究目标，通过B3G业务与市场分析报告、频谱估计报告、新技术报告等，在WRC-07上提出B3G的频谱分配方案和形成ITU的B3G建议等，其 B3G标准化研究工作非常积极；ITU-T SSG主要负责在网络层面进行相应的B3G标准制定工作。 <br/>　　ITU-R WP8F的工作组成立于1999年。2001年10月在日本举行的WP8F第六次会议上，它讨论通过了IMT-2000未来发展及Beyond IMT-2000的远景框架及总目标。ITU-R WP8F对B3G能力的介绍主要包括三个方面的内容。首先是3G系统的未来发展，增强型IMT-2000的传输速率大约在10Mbit/s左右，到2005年将支持最高30Mbit/s的数据传输速率。其次是B3G通信系统的新的通信能力，Systems beyond IMT-2000通过新的无线接人技术的引入，达到低速移动1Gbit/s，高速移动100Mbit/s的传输速率。第三是IMT-2000、Beyond IMT-2000和其它无线接入技术将会是一个相互融合的局面，实现相互的联动。<br/>　　WRC-03通过了一项关于B3G的频谱议程。其核心是在WRC-07前，完成Beyond IMT-2000的频谱计算方法、业务分析、频谱需求量分析、频谱规划等。此次大会完成了B3G的愿景文件以后，ITU-8F立即开始了具体的研究工作。目前，工作可以划分为两个阶段：<br/>　　a. 在2007年的WRC-07以前，完成B3G频谱需求分析，以及业务与市场研究。争取在WRC-07上为B3G通信系统确定频谱资源。<br/>　　b. 在2007年以后，开始B3G相关技术的研究。<br/>　　为了完成上述第一阶段任务，ITU-R WP8F的工作目前划分为几个部分：<br/><font size="2">　　●　</font>频谱需求计算方法的理论研究和计算<br/>　　从2003年开始，ITU就开始寻找可以准确预测未来移动通信频率需求的理论和方法。确定频谱需求有两种方法。一种叫做蒙特卡罗仿真方法，主要是使用计算机模拟用户的行为，从而得出特定时间下实际使用的频率资源数量。另外一种方法被称为确定性的方法，主要是从业务出发，分析每种业务的使用情况，频率资源的占用情况，然后汇总所有业务的频谱需求，从而得出频率资源需求。<br/>　　从理论上说，蒙特卡罗仿真方法可以得到比较高的准确率。但是，由于B3G采用的技术还没有确定，仿真工作需要的输入数据不足，影响了仿真实际能够达到的准确度。所以，ITU最后决定采用确定性的方法。目前, ITU正在完善有关的计算过程和输入输出参数, 预计将在2005年中基本完成理论工作，并开始计算过程。<br/><font size="2">　　●　</font>确定可以使用的频段<br/>　　ITU-R WP8F在2004年10月份完成了一份频谱资源调研函，了解各个国家对B3G频谱分配的期望，以及6GHz以下频谱资源的使用情况。ITU将在各国反馈的基础上，尽力统一世界范围内的B3G通信系统使用的频率。<br/><font size="2">　　●　</font>未来业务和市场的研究<br/>　　2004年6月，ITU-R WP8F向各个成员国调研对未来B3G业务和市场的预测。在各个成员国答复的基础上，ITU将完成业务和市场的研究报告，这项工作将在2005年完成。之后，ITU-R WP8F将起草B3G业务建议和B3G市场建议。这两个建议是对ITU的B3G愿景的进一步细化和完善，也是将来开展B3G技术研究的市场需求基础。另外，这个研究报告也是进行频谱需求计算的输入数据。<br/><font size="2">　　●　</font>新技术的研究<br/>　　ITU-R WP8F目前正在开展未来移动通信新技术的研究。其研究重点是新技术的频谱资源利用率，主要是作为上述频谱资源需求分析的输入参数。ITU-R WP8F将未来移动通信的使用情况划分为几个特定的场景，分析每个场景可能采用的新技术，分析相应的技术可以达到的频谱资源利用率，从而为频谱计算提供支持。[5]<br/><br/><b>1.3.2.2. IEEE</b>
                <br/>　　IEEE的802局域网和城域网标准委员会涉及了部分B3G标准化工作。在IEEE中，802委员会负责制定WLAN、WMAN和WPAN的标准，这些标准都属于低速和固定的无线接入系统的范畴。在新的移动通信技术领域，IEEE 802还在制定包括802.16e以及802.20等具有较高移动性的移动通信系统的标准。2004年，IEEE还成立了802.21研究组，准备进行WPAN、WMAN以及WLAN相互融合的工作。<br/><br/></font><font face="宋体"><b>1.3.2.3. WWRF（欧洲）<br/></b>　　在欧洲，B3G 研究活动是以欧盟的IST（Information Society Technologies）研究计划为中心来进行的。欧盟的研究活动是4年一个周期，每个周期都会制定一个框架研究计划。目前的FP6 (The 6th Frame-work Programme)的有效期是从 2003 年到 2006 年。欧盟已经将B3G 的研究列入政府支持的计划中。在FP6中，IST被列作优先支持的项目，有总额为36.25亿欧元的经费支持。在IST中，B3G 移动和无线通信系统技术的研究项目最先获得了9000万欧元的预支经费，占总预支经费的80％。 <br/>　　2001年8月份，以欧美5大通信设备制造商(阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、诺基亚、西门子)为中心成立了WWRF。该组织的主要目标是邀请有兴趣的各方一起研究未来移动通信系统的发展趋势。WWRF下设6个工作组，分别讨论业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。WWRF的特点是其人员不仅来自于企业，还来自于大学等研究机构，因此将从市场以及学术两方面进行问题探讨。目前全世界已经有140多家企业和大学加入了WWRF。<br/>　　WWRF和ITU、IEEE比较起来，WWRF是进行技术标准化的场所；ITU、IEEE则是在标准化确定之前促使企业和研究机构达成共识的场所，以使ITU和IEEE内部的磋商更加顺利。<br/>　　WWRF非常关注中国未来移动通讯技术的发展。第八届世界无线研究论坛于2004年2月首次在中国召开，表明中国在亚洲乃至世界无线通讯领域的重要地位。日前，在加拿大多伦多召开的WWRF第12次会议上，北京邮电大学电信工程学院无线新技术研究室主任张平教授成功当选为WWRF副主席，负责WWRF在亚太地区及澳大利亚的相关事务，包括推动和协调该地区无线通信研究的发展及合作关系，以及与世界其它地区的沟通及合作等。<br/><br/><b>1.3.2.4. mITF(日本)</b>
                <br/>　　日本于2001年6月成立了mITF，下设B3G移动通信委员会，由运营商、制造商和高等院校参加。日本的ARIB（Association of Radio Industry and Business）在mITF中发挥了主导作用。mITF的B3G研究委员会还下设技术子委员会和应用子委员会。<br/>　　mITF的B3G移动通信委员会的目标是：<br/><font size="2">　　●　</font>明确B3G的系统结构和主要应用；<br/><font size="2">　　●　</font>按照预想的在2010年引入B3G的商用计划，规划一系列的具体研究和实验活动。<br/>　　近期的活动包括：<br/><font size="2">　　●　</font>支持业界和研究机构的研发和标准化活动；<br/><font size="2">　　●　</font>制定一个研发和标准化的框架，准备在10年内创造一个新的B3G市场；<br/><font size="2">　　●　</font>选择、研究和评估新技术项目；<br/><font size="2">　　●　</font>研究实现各个系统之间无缝漫游的方案；<br/><font size="2">　　●　</font>与世界上其它研究机构之间的合作；<br/><font size="2">　　●　</font>提前分析B3G的商业模式，从而明确其启动要求。<br/>　　2004年5月，日本总务省向负责中国、韩国电信政策的人士表示，正在探讨将B3G手机频率设定在3400-4900MHz的范围之内。中日韩已就共同开发B3G手机通信技术达成一致，将使用相同频率推进实验。此举显示三国将在带宽上领先世界，以便在国际开发竞争中确立主导权。鉴于2007年ITU将召开国际会议统一手机通讯频率，各国竞争激烈，日本将同中国、韩国携手争取在竞争中确立主动权。<br/><br/><b>1.3.2.5. NGMC（韩国）</b><br/>　　韩国信息通信部MIC于2003年9月29日成立了下一代移动通信论坛NGMC（Next Generation Mobile Communications Committee）来专门进行B3G通信系统方面的研究。该组织如同WWRF、mITF、FuTURE组织一样将工作目标定位为B3G技术及其应用的展望与研发，力图出台本国的B3G标准并进行紧密的国际合作以及对B3G的频谱分配和使用进行调研和规划。<br/><br/></font><font face="宋体"><b>1.3.2.6. CCSA（中国）<br/></b>　　中国通信标准化协会无线通信技术工作委员会（CCSA-TC5，原CWTS）于2004年4月26日至28日在北京召开的第三次全体成员大会及各工作组会议上新成立了2个工作组：WG6（B3G）工作组和WG7（移动业务与应用）工作组。其中B3G工作组负责人为信产部电信研究院万屹、清华大学粟欣。目前，工作组已经召开过7次会议，国内外著名通信设备制造商、运营商和研究机构都非常关注该工作组，并已积极参与到中国B3G标准化活动中。<br/>　　CCSA与FuTURE项目组已经联合召开了多次有关B3G的研讨会，并在积极研究和探讨进一步联合的工作模式，推动我国在B3G研究领域研发和标准化活动的早期结合，为我国在B3G领域取得更大的成绩奠定基础。<br/>　　在B3G的技术研究中，CCSA的相关标准化研究组将结合ITU的研究进展，在B3G的远景、业务和市场、频谱研究和技术趋势方面积极开展研究，同时将积极关注蜂窝、WLAN等多种无线技术的发展和相互之间的协作，并同时研究全IP网络的发展方向。在跟踪和参与ITU关于Beyond IMT-2000研究的同时，CCSA将积极提交中国的候选技术。CCSA-TC5作为我国负责无线通信领域标准化的组织，也作为ITU、3GPPs等国际标准化组织的对口研究组织，一直积极参加ITU等组织关于B3G的研究活动。<br/>　　目前，CCSA-TC5-WG6正通过和日韩的合作（CJK-B3G）将标准化和技术研发工作紧密结合并且国际化，力争开发出具有自主知识产权的技术和国际化的下一代移动通信标准，实现移动通信产业的跨越式发展。<br/>　　此外，其它标准化组织及论坛如：WINNER（Wireless World Initiative New Radio）、UMTS、FCC（Federal Communications Commission）、3GPP、3GPP2、OMA、IPv6 论坛、SDR论坛、IETF和MWIF(The Mobile Wireless Internet Forum)等，也都涉及到B3G方面的课题研究。<br/><br/><b>2. B3G通信系统网络结构</b><br/></font><font face="宋体"><b>2.1. 整体架构<br/></b>　　随着人类社会的飞速发展和不断进步，人们越来越向往利用随身携带的手机随时随地进行相互的通信联络，因此B3G通信系统不会只局限在移动蜂窝网中使用，移动通信的研究范围应当扩大。诚然，移动蜂窝网已经为人们自由地进行通信联络发挥出前所未有的作用，它们继续改进和发展是完全符合社会需求的。但是，除了移动蜂窝网以外，还有无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线个域网WPAN、卫星通信网络、数字广播网、平流层通信网、传统有线连接网等。这些接入网各有特色和最佳适用环境，因此B3G通信系统不应该由完全不同的网络取代已有网络，而应通过多种接入技术和标准的融合为用户提供透明、高效的服务[6]。<br/>　　预计未来的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。[7]<br/>　　B3G移动通信系统所依存的是用户能够随时随地连接的网络，它由多种协同工作的接入系统及一个公用的分组数据核心网络组成，如图1所示。<br/><br/></font><p align="center"><font face="宋体"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=235" border="0"/></font></p><br/>　　图中，基于IP的核心网提供服务及路由控制，接入网则提供无线传输和资源管理，移动性管理是两网合作共同完成的。网络中信息的传输基于IP规范，每一个MT（Mobile Terminal）用唯一的IP地址进行标识。[9]<br/>　　目前一些已有移动通信系统（例如IMT-2000系统）也要实现基于IP的不同接入网络融合，关于多种接入网融合方式的讨论很多，已有的提案主要在不同RAT（Radio Access Technology）之间的融合程度（即各接入网技术间的妥协、修改程度）上有所差别。结合OSI模型，下文简要列举了三种融合结构（如图2所示）。<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=236" border="0"/></p><br/>　　A. 隧道网络模型（Tunneled Networks Model）<br/>　　在隧道网络模型中，每个接入网包括四层（物理层、链路层、网络层和传输层），路由、资源分配等过程均按照各自不同的协议执行。当最佳接入网络根据某种策略被选择后，信息交互必须通过接入网和因特网，即融合是在IP核心网之上进行的。该模型的优点是无需对已有接入网做任何更改；缺点是网络层次、功能上存在很大冗余并且各接入网协议栈不兼容，服务传输延迟十分大。<br/>　　B. 混合网络模型（Hybrid Networks Model）<br/>　　在混合网络模型中，每个接入网设置了三层（物理层、链路层和网络层）。融合层位于IP核心网和不同无线接入网之间。该模型省去了接入网中冗余的TCP/UDP层，延迟有所减少，但是仍然存在网络重复（冗余）。优点在于接入网的协议栈不用更改。<br/>　　C. 异构网络（Heterogeneous Networks Model）<br/>　　在异构网络模型中，IP核心层负责实现全部链路层以上的网络功能，不同的接入网只需配置各自的物理层和链路层，网络结构最为高效，延迟最小。但是需要不同接入网络的运营商互相妥协，在技术和网络结构上进行一定程度的融合。<br/>　　由于B3G移动通信系统对实时性业务的延迟和QoS要求严格，异构网络是最适合的解决方案，其中接入网之间可以基于移动IP进行融合，从而能够进一步降低服务延迟[10]。<br/>　　综上所述，B3G通信系统的网络结构将是一个以移动IP为核心、结合多种接入方式、支持全球漫游、QoS、随时随地接入并能在不同接入网间无缝漫游的无线异构网。该网络还具备充分的后向兼容性，前向适应和可扩展性，接入网和核心网均能够支持兼容的QoS，并且能够合理配置资源，选择最佳路由以及保证核心网和接入网的安全性。<br/><br/><b>2.2. 核心网</b><br/>　　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：<br/>　　（1）巨大的地址空间<br/>　　在可预见的时期内，IPv6几乎能够为所有网络设备提供一个全球惟一的地址，这正符合B3G移动通信系统中每一个移动终端均拥有唯一确定的IP地址这一设想。<br/>　　（2）自动控制<br/>　　IPv6支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球惟一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol），但需要额外的服务器，因此需要额外的操作和维护。<br/>　　（3）服务质量<br/>　　服务质量QoS包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”，有了这个20位长的字段，在传输过程中，中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。<br/>　　（4）移动性<br/>　　IPv6支持移动性，比移动IPv4在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。[11]<br/>　　未来的移动用户接入B3G 通信系统不同于现在的互联网用户接入Internet，其最大的特征是具有不确定的移动性，因此IPv6的移动性成为B3G核心网络的关键。移动IP的主要目标是：为移动节点在本地网络和外地网络之间提供无缝漫游和不间断的通信能力。<br/>　　移动IP在网络层加入了新的特性，使得在改变无线网络接入点时，移动节点可以使用同一IP地址进行通信，运行在节点上的应用程序不用修改或配置仍然可用，从而提供连续的、处处对等的业务和应用。移动IP实际上是一种叠加于IP协议之上的路由协议，但又独立于路由协议，如RIP（Routing Information Protocol）、OSPF（Open Shortest Path First）等。移动IPv6与移动IPv4相比，结合了IPv6的很多新特性，在路由开销、信令开销等方面有了明显的提高。<br/>　　移动IP的简单原理图如图3所示。使用家乡地址（HA，Home Address）来标识移动终端的IP 地址，使用转交地址CoA（Care of Address）来表示移动终端的当前所在位置并用于选路，其主要思想类似于现网上采用的MSISDN（Mobile Station International ISDN Number）及MSRN（Mobile Station Roaming Number）。移动终端（Node A）在离开归属地（家乡）的时候会选择一个路由器作为家乡代理HA，并在家乡代理上注册CoA（图中①、②）。其它通信节点（Node B）先通过移动终端的家乡地址将信息发送给Node A 的家乡代理（图中③）。由HA通过隧道的方式将来自Node B 的数据包转发给Node A 的CoA 地址（图中④）。当NodeA收到由家乡代理转发过来的数据包后，它可以从数据包的源地址得知Node B 想与自己进行通信，于是发送自己现在的新地址给Node B（图中⑤）。之后NodeB 与Node A 之间可以不再通过家乡代理的转发而直接进行双向通信了（图中⑥）。[12]<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=237" border="0"/></p><br/>　　目前，移动IP还不支持对实时业务和高质量业务的快速切换，为解决这个问题，一些移动IP的扩展，例如FMIP（Fast Handover for MIP）以及HMIP（Hierarchical MIP）正被IETF所开发。相信包括了这些扩展的移动IP规范能满足B3G网络的需求。[8]<br/><b><br/>2.3. 接入网<br/></b>　　依据不同的应用地区、小区范围和无线环境，不同的接入网可以被纳入一个类似蜂窝系统的层次结构中。图4展示了接入网间无缝连接的案例。<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=238" border="0"/></p><br/>　　网络互连（双向箭头）是通过垂直切换或在服务协商（为适应候选接入系统服务能力）控制下的跨网业务不中断过程完成的。单向箭头则代表广播信道的返回信道。下表是对各层的描述：<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=239" border="0"/></p>表2对现有几种无线接入技术进行了比较。[13-15]<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=240" border="0"/></p><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=241" border="0"/></p><br/>　　基于IP的无线接入网应该具备以下功能：[16]<br/>　　（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。这就意味着必须对IP规范定义的大量冗余进行压缩，例如语音数据一般比IP/UDP/RTP包头要短，如果不对包头进行压缩处理（应用各种适应和复用技术），会出现不能容忍的时延；<br/>　　（2) 支持动态小区内以及上/下行链路的资源分配，以适应多变的IP业务；<br/>　　（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；<br/>　　（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；<br/>　　（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；<br/>　　（6) 最优化物理层技术以保证要求严格的业务质量，例如VoIP等；<br/>　　（7) 支持多种广播、多播业务；<br/>　　（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；<br/>　　（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；<br/>　　（10) 支持最小化包丢失率和延迟的切换过程，以支持鲁棒的和无缝的IP分组传输。<br/><br/><b>2.4. 实例</b><br/>　　基于IP的网络现已设计出一些实现方式，例如3GPP标准采用的全IP网、BRAIN（Broadband Radio Access for IP based Networks）、MIRAI（Multimedia Integrated Network by Radio Access Innovation）等：<br/>　　（1) 在3GPP的规范中，全IP网络的设计基于为GSM提供分组数据服务的GPRS规范。GPRS服务节点使用GSM的注册和鉴权规范验证数据用户身份。3GPP接入网通过GPRS网关节点接入核心网。虽然IP规范在核心网得到了应用，接入网内仍然使用专用协议。<br/>　　（2) BRAIN是一个IST项目，BRAIN网络结构包括一个BRAIN接入网，一些BRAIN移动性网关，一个BRAIN接入路由器和一个基于IP的核心网。这些网络元素由IETF规范引入，保证了灵活性和演进性。其中接入网络也是基于IP，接入路由器为移动节点与接入网建立了连接，网关则居于接入网和核心网之间。<br/>　　（3) MIRAI隶属于日本政府e-Japan计划，目的是建立高度融合的无线异构网。MIRAI结构由四大元素组成：一个移动主机、多个无线接入网络、一个公共核心网CCN（Common Core Network）和一个外部IP网络。<br/>　　以上网络都在建设之中，并预期于2010年建成。然而，它们都依赖于专用接入网以连接用户和核心网。诚然，一个专用网络可以满足控制和数据的QoS要求，但是它也有很多缺点妨碍了无线通信系统的无缝融合，而且专用网络在安装和维护上代价较大，各个专用网络控制层面上的协议栈也不相同。因此，网络间需要网关实现一步转换，这就引入了严重的通信瓶颈，并且降低了无线通信系统的可扩展性以及融合性。<br/>　　基于公共IP的开放网络结构更有前景，该结构具有一个公共IP网络、一个AAA服务器（Authentication Authorization Accounting server）、一个家乡代理HA（Home Agent）、一些无线接入点RAP（Radio Access Points）和存在于公共网络中的虚拟私有接入网的一些元素，如图5所示：<br/><br/><p align="center"><img alt="" src="http://www.ccsa.org.cn/include/htmlarea/picture.php?picture_id=242" border="0"/></p><br/>　　其中HA进行用户注册和移动位置管理；AAA服务器管理用户鉴权、认证和计费；RAP用于连接路由器和移动终端。<br/>　　在网络成员间控制信号被打包并且通过安全渠道传输，例如VPN（Virtual Private Network）和RSVP（ReSerVation Protocol），而用户数据则直接通过因特网传输。依据因特网协议进行通信过程中，网络成员实现了各种控制功能，如切换、进入许可和AAA。例如，每一个基站都保存关于其邻居基站的信息，并为实现无线资源控制和移动性管理与邻居基站交换信息。<br/>　　开放网络结构中，服务提供者可以直接添加一个面向因特网的接入节点从而增加一个核心IP网的接入子网，同时用VPN建立该节点与其它接入节点之间的虚拟连接。因此，开放网络结构不需要建立全新的网络和规范，并实现了网络结构的可扩展性，使得建立网络的费用得到了最小化。[17]<br/>　　对于上图中“全IP核心网”协议栈的理解，应该包括从IP骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。因此，未来的无线基站将具备通过IP协议直接接入“全IP 核心网”的能力，原有的交换中心、归属位置寄存器、鉴权中心等的主要功能都将由网络上的服务器或数据库来实现，信令网上的各层协议也将逐渐被IP协议所取代。整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构，业务的差异性也只体现在接入层面。<br/><br/>