国内外移动通信发展现状未来网络4G

王小二-10538

1 我国移动通信发展现状

　　移动通信是我国最具发展活力的产业之一。1987年至2000年的十余年间，我国移动通信用户总数以年均100%增长速率迅猛发展，目前已拥有2.1亿用户，年产值约为2000亿人民币，其规模已超过占美国，成为世界上规模最大的电信市场。据有关部门预测，2005年我国移动通信用户数将达到3.5亿，普及率将由现在的10%增加至20%。与世界上移动通信普及率最高的国家相比，我国移动通信的发展潜力巨大。

　　GSM是占据我国移动通信市场绝大部分份额的移动通信技术，目前约占我国移动通信用户总数的97%。2001年初，中国联通在全国范围内开始规模发展800MHz IS-95A CDMA网络。根据其规划，至2001年CDMA网络容量将达到1400万，至2004年CDMA网络容量将达到4000万，用户数将达2800万。与此同时，中国移动开始在全国主要城市部署支持分组数据业务的GSM GPRS系统。

　　随着移动用户数的增加和人们物质生活水平的提高，以提供话音业务为主的传统GSM和CDMA技术已逐渐难以满足需求。能够提供无线Internet业务和多媒体业务的第三代移动通信商用化已提上议事日程。按照有关部门的计划，我国将于2003年底前完成第三代移动通信系统的技术试验，并于2004年开始第三代移动通信系统的商用化。根据有关专家的预测，2010年第三代移动通信系统的市场规模将达到10000亿人民币。

　　与上述移动通信市场迅速发展形成鲜明对比的是，我国移动通信制造业由于起步晚，基础薄弱，缺乏核心技术等原因，在与国外大型制造企业的竞争中处于不利地位，民族企业的市场占有率目前仅为20%左右。由于缺乏核心竞争力，民族企业的盈利空间相对低下，经济效益难以提高。

　　在国家八六三计划和信息产业部移动通信专项基金等方面的支持下，我国在第三代移动通信系统研究开发方面取得了巨大进展，掌握了一大批核心技术，完成了WCDMA和cdma2000-1x现场试验系统的研制，并提出了拥有自主知识产权的第三代移动通信体制标准TD-SCDMA。随着我国在集成电路设计和加工方面取得重要进展，有望于2004年前后实现移动通信产业核心技术的重要突破，从而实现我国移动通信产业质的飞跃。

　　尽管与发达国家的差距日趋缩小，但应当看到我国在无线通信领域的研发布局还不够合理，超前性和战略性的研究相对薄弱，未能建立一支相对稳定的超前性研发队伍，也未能在新技术、新体制、新标准的创立初期形成研究优势，导致在战略上受制于人。

　　与我国其它领域的研究状况类似，我国信息领域大型的研究计划基本处于相对比较封闭的状态。一方面，由于体制方面的原因，位于国际一流水平的国外研究机构和生产厂商无法直接参与我国信息领域的大型科研计划。另一方面，我国信息领域的大型研究计划常常无法直接与国际技术发展与标准化进程相衔接，参研人员走向国际舞台的程度不高，研究成果对国际主流技术发展的影响不够。

2 国际移动通信发展趋势

　　尽管发达国家的经济发展处于衰退的边沿，导致移动通信产业在世界范围内的发展速度放缓，用户平均收入（ARPU）也日趋下降,但总量仍保持两位数以上的增长。发达国家的移动通信用户覆盖率大多已达到70-80%，已接近饱和，为了维持移动通信产业的进一步发展,急需推出能够吸引用户的高附加值数据业务。但不幸的是，移动数据业务的起飞远非人们设想的那样简单，基于GSM电路交换的WAP数据业务在世界范围内遭受挫折，基于GPRS的移动数据业务也在艰难中跋涉。

　　尽管如此，国际上第三代移动通信的商用化逐步在全球范围内进入实施阶段。一方面，第三代移动通信技术除了能够支持更高速率的移动多媒体业务外，还提供更高的频谱效率和服务质量，对于新兴的移动运营商具有较大的吸引力。另一方面，欧洲国家的各大运营商已经耗费了巨额资金获得了第三代移动通信运营执照，为了应对来自资本市场的压力，纷纷采取合作与重组的方式，逐步推进3G网络的建设，其中欧洲的大部分运营商计划于2003年开始对WCDMA技术进行试商用。而北美Spring PCS，Bell Mobility, Verizon Wireless，日本的KDDI及韩国的KT已于2001年年底实现cdma2000-1x的商用化。与此同时，日本DoCoMo于2001年10月初步实现了WCDMA的商用化。根据对有关电信运营商的调查，与位置有关的信息点播业务、多媒体短信业务、移动上网浏览业务、移动电子商务、交互式娱乐业务将是未来最具发展前景的移动通信业务。

　　Internet业务的日益普及，促使移动通信技术向全IP方向发展。目前3GPP和3GPP2等标准化组织正在制定基于全IP的第三代移动通信增强型体制标准。为迎合该方面的发展，3GPP2已提出了能够支持高速分组业务（峰值速率为4至5Mbps）的cdam2000-1x/EV标准。3GPP也在进行类似的工作，一个名为HSPDA增强性第三代移动通信标准正在制定之中，其分组业务峰值传输速率将达到8Mbps以上。

3 未来通信发展

　　随着第三代移动通信系统逐渐进入商用，国内外有关第四代移动通信的研究已初见端倪。日本和韩国于2002年启动了面向第四代移动通信的mTIF和K4G研究计划。欧盟在前期研究计划（第五框架研究计划）的基础上，成立了世界无线通信研究论坛（WWRF），着手进行“IMT2000”之后的第四代移动通信研究的概念、需求与基本框架研究，并将把第四代移动通信系统列入将于2003年启动的欧盟“第六框架研究计划”。在我国，第四代移动通信已被正式列入国家八六三“十五”研究计划，已于近期启动。

　　在ITU，有关Beyond IMT-2000的概念与需求研究于1999年被首次列入议事日程，2001年10月在东京进行的ITU-R WP8F会议上，已收到较多有关Beyond IMT-2000的研究提案，并初步明确了Beyond IMT-2000研究的如下基本框架：

　　Beyond IMT-2000是指广泛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。Beyond IMT-2000的能力将含盖并远远超出IMT-2000系统及与其进行互连的无线系统的能力，含盖了目前的IMT-2000、无线接入、数字广播等系统的能力，并将新增两个部分，即支持约100Mbps的蜂窝系统和支持高达1Gbps以上速率的游牧/本地无线接入系统等。
图1为Beyond IMT-2000的支持能力及系统组成示意图。而Beyond 3G蜂窝通信系统将是未来研究的核心所在。

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图2示出了ITU有关Beyond IMT2000研究的时间表，其总体目标及远景（Vision）将于2002年6月完成，于2005/2006年进行频谱规划，2010年左右完成全球统一的标准化工作，2012年之后开始商用。
由上述可知，目前国际上有关第四代移动通信的研究还处于初期阶段，其基本需求、核心技术还处于萌芽阶段。但较为明确的一点是，第四代移动通信的实用期定在2012年。这符合移动通信技术每10年产生一代新体制的发展规律。事实上，在一代移动通信技术开始走向商用时，启动更新一代移动通信技术的基础性研究已经成为国际惯例。在国际上取得巨大成功的第二代移动通信标准GSM的发展始于80中期，当时第一代模拟移动通信刚刚在发达国家投入商用。90年代初，欧洲的GSM、日本的PDC和美国的D-AMPS等技术已基本成熟，并开始进入市场。国际上的有识之士，就于当时提出了面向2000年的全球统一的FPLMTS研究计划，并经过近10年的努力，形成了成为众所周知的第三代移动通信体制标准IMT-2000。

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图2、ITU有关Beyond IMT2000研究的时间表

　　如同3G系统与2G系统之间的关系一样，4G系统不可能在一夜之间取代3G系统，更不可能跨越3G系统而直接投入应用。制定一个全世界统一的4G标准需要耗费5至7年的时间，而现有的2G系统在未来的5至7年是无法满足日益增长的通信需求的。无线局域网（WLAN）将作为蜂窝系统的补充，较好地应用于局部区域的覆盖，但由于其故有的碰撞检测与重发机制，在用户数极为密集的地区，频谱效率将急剧下降，也难以适用于多小区、快速移动环境下的全程业务覆盖。此外现有的WLAN尚不具备功率控制功能，目前尚未能解决应用于手持终端时的功耗问题，等等。从上述角度来说，3G系统是不可替代的。

　　另一方面，并不能因为4G系统的实用化期定于2012年，而否定现在国内外有关4G研究工作的重大意义。未来通信产业的发展越来越多地体现在核心知识产权与标准的竞争，若不能新技术、新体制标准产生的初期加入国际竞争，则无法掌握未来移动通信的核心知识产权，无法摆脱我国在移动通信技术发展上长期受制于人的被动局面，无法对国际主流移动通信技术和标准产生影响，使之朝着对我国未来移动通信产业有力的方向发展。

　　从技术的角度来说，第四代移动通信应与IMT-2000以及目前制定之中的增强型3G标准有本质性的区别，其核心网络可以以演进形式发展，但空中接口应当是革命性的。这是由于：
第一，数据业务将从从属地位上升为主导地位，其比例将从目前总流量的10-20%上升至总流量的80%以上，分组数据业务将占据成分，话音业务的比例将逐渐降低。传统的蜂窝移动通信系统是以满足话音业务需求而设计的，3G所采用的直接扩频CDMA技术由于其捕获与同步方面的限制，很难直接应用于4G系统。如果生搬硬套，将无法适应这一需求。这意味着我们需运用全新的理念，设计全新的无线传输方法及其网络结构，最大程度地满足未来移动通信业务需求方面的变化。事实上，从3G增强型标准的发展来看，这种趋势已经显现，时分技术被更多地采用，以适应分组数据的突发传输特性。码分技术的作用则被弱化，更多地被应用于无线资源的聚类（Cluster）分配，而非传统意义上的用户码分配。可以预见，OFDM以及多载波（MC）与TDMA和CDMA相结合的技术将是较具竞争力的空中接口技术。

　　第二，未来移动通信系统的峰值传输速率应为3G系统的10至50倍，达到20Mbps至100Mbps，在2GHz以上的传统蜂窝移动通信频段上无法满足这一要求，需要开发频率更高的无线资源。由此所带来的问题是，电波的传输特性将更为恶劣，受天气以及物理环境的影响更大。如果采用传统意义上的蜂窝移动通信技术，则发射功率需相应地增加十倍甚至上百倍，电磁兼容问题将变得无法容忍。因此需要采用全新的小区结构解决此问题。

　　第三，可用于移动通信的频率资源是极为有限的，必需倍加珍惜，精心设计。为在有限的频段上为用户提供更高的传输速率，需要采用全新的技术使整个系统的频谱利用率较现有的技术提高一个量级以上。信息论的研究结果表明，采用多输入多输出（MIMO）的多天线技术可以使蜂窝通信的系统容量不加限制地提高，这为未来移动通信的技术发展指明了方向。但在实际系统中，特别是在体积受限的移动终端上，如何实施MIMO有许多挑战性的理论与技术问题有待于研究。可以预见，未来信号处理器以及专用集成电路的大幅提高，也将使一些较为复杂的技术，如联合发送、联合检测、Turbo接收等，在实现上成为可能。

　　第四，未来移动通信的峰值速率将达到100Mbps以上，但实际用户所需要的传输速率可能会在10kbps至100Mbps之间动态地变化。为满足这一需求，未来移动通信的无线资源管理调配方式必须极为灵活，能够高效地适应这一变化。

　　对于4G核心网络，IP地址的个人化是未来移动通信的主要发展趋势之一，具有电信级QoS的IPv6将是未来的主要发展趋势，其主要原因之一是现有的IPv4不能提供足够的地址空间。

　　第四代移动通信的基本概念还处于研究阶段，目前还难以用准确地语言加以描述。概括起来，未来的第四代移动通信应当具备以下基本特征：
  　业务：无论何时何地，能够为终端用户提供“身临其境”的高分辨率业务。
　 网络：能够使用无所不在的“空间分集”技术提供广域服务，对抗更高频段上的电波传输特性。
　 终端：在体积受限的情况下，能够使用革命性的多天线技术，为用户提供高质量的无线通信服务。
基于以上考虑，我们认为4G蜂窝通信系统研究应具有以下基本特征：
 　基于IPv6核心网的互连互通；
 　地面网络承载与控制全程分离，符合全IP发展趋势；
 　支持个人可携带资源（MIP/M-eN）的全程漫游与切换；
 　无线网络对于核心网络透明，CC/MM位于核心网侧（无线接入用户与固定接入用户等同），RR/LL/PL全部位于接入层；
 　分类端到端QoS，实时业务的QoS优于现有电信级；
 　全新的基于时空联合处理、网络分集等新技术的蜂窝系统，发射能量较3G系统降低10dB以上；频率利用率较3G系统提高5至20倍，达到3-10Bits/Hz/s；
 　特别适合于分组突发业务的空中接口，峰值传输速率达到20-100Mbps，可灵活调配无线资源，适用于大动态范围（10kbps-100Mbps）业务；
 　与区域性的无线接入系统和自组织网络的无缝联接等。

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