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B3G:Beyond Third Generation in mobile communication system,即超三代移动通信系统。 相对于3G移动通信,B3G有着更高的传输效率和更全的业务类型。

B3G技术的研究从20世纪末3G技术完成标准化之时就开始了。2006年,ITU-R正式将B3G技术命名为IMT-Advanced技术(3G技术名为IMT-2000)。根据原定的工作计划,IMT-Advanced的标准化已经“近在眼前”。ITU-R将在2008年2月向各国发出通函,向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案。IMT-Advanced技术需要实现更高的数据率和更大的系统容量,目标峰值速率为:低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上;高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s以上。

国际上针对IMT-Advanced的研究已经取得了一系列重要的进展。日本NTTDoCoMo公司已经通过4×4和12×12多天线MIMO技术在100MHz带宽下分别验证了1Gbit/s(室外试验)和5Gbit/s的峰值传输速率,在硬件实现方面处于世界领先位置。欧盟第6框架研究项目WINNER自2004年启动以来,吸引了欧洲各主要通信设备商。第一阶段(PhaseⅠ)已于2005年底完成,就各种B3G关键技术进行了广泛的调研,形成了系统化的研究结论;将于2007年底完成的第二阶段(PhaseⅡ)将完成系统设计和性能评估,形成完善的技术方案;2008年开始的第三阶段(PhaseⅢ)将进行演示系统的开发和实验。同时,欧盟大力支持的世界无线研究论坛(WWRF)已经成为国际B3G技术交流的主要平台之一。另外,日本和韩国也分别成立了mITF论坛和NGMC论坛,推广自己的B3G研究成果。

国内,北京邮电大学、华中科技大学、上海交通大学、成都电子科技大学研究其时分部分,清华大学、东南大学、中国科学技术大学研究其频分部分。

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]。

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。

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国际上针对IMT-Advanced的研究已经取得了一系列重要的进展。日本NTTDoCoMo公司已经通过4×4和12×12多天线MIMO技术在100MHz带宽下分别验证了1Gbit/s(室外试验)和5Gbit/s的峰值传输速率,在硬件实现方面处于世界领先位置。欧盟第6框架研究项目WINNER自2004年启动以来,吸引了欧洲各主要通信设备商。第一阶段(PhaseⅠ)已于2005年底完成,就各种B3G关键技术进行了广泛的调研,形成了系统化的研究结论;2007年底完成的第二阶段(Phase Ⅱ)将完成系统设计和性能评估,形成完善的技术方案;2008年开始的第三阶段(Phase Ⅲ)将进行演示系统的开发和实验。同时,欧盟大力支持的世界无线研究论坛(WWRF)已经成为国际B3G技术交流的主要平台之一。另外,日本和韩国也分别成立了mITF论坛和NGMC论坛,推广自己的B3G研究成果。

各标准化组织均在正式或非正式地开展针对IMT-Advanced的预研。3GPP的长期演进(LTE)技术已经具有部分B3G技术的特征,该项目将于2007年底完成,预计将在2008年对LTE进一步演进,形成欧洲IMT-Advanced技术提案的一个重要来源。3GPP2已于2007年完成超移动宽带(UMB)系统的标准化工作,并开始酝酿针对IMT-Advanced的研究。IEEE在2006年12月终于批准了802.16m的立项申请(PAR),此项目将在IEEE802.16e(WiMAX技术)的基础上开发满足IMT-Advanced需求的技术方案。

2006年,数家国际移动通信运营商联合成立了下一代移动网络(NGMN)论坛,试图引领新一代宽带移动通信的走向。目前NGMN白皮书已经初步成型,对各国以及各标准化组织的研究和标准化工作产生了重大影响。

通信发展与市场需求  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。

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。

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。

(1) 数据传输速率

预计B3G移动通信系统可以达到100Mbit/s ~1Gbit/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。

(2) 适应性和灵活性

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。

(3) 标准兼容性

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。

(4) 业务的多样性

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。

(5) 较好的技术基础

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。

(6) 便于过渡和演进

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。

B3G发展现状  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。

在系统架构上,B3G的终端设备将可以利用单一或少数的无线接口、软件无线电、智能型天线,并以最符合频宽需求或具经济可行性的方式,选择通信时的接口及协议。其可选择的接口包括WLAN、2G、2.5G、3G接口,以及B3G新规划的高速无线接口。B3G技术的发展,不仅包括移动通信领域的技术,也就是3GPP和3GPP2国际标准组织定义的接入技术标准发展演进路线,还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。

从3G演进的路线来看,GSM/WCDMA的B3G发展首先是实现HSDPA(P1)R5,上行和下行速率分别达到1.8Mb/s和3.6Mb/s;其次是实现HSDPA(P2)R6和HSUPA,上行和下行速率分别达到8Mb/s和14.4Mb/s。

GSM/TD-SCDMA的进展也非常迅速,其后续技术的演进路线已经十分清晰。首先会采用单载波的HSBTA技术,速率会达到2.8Mb/s;然后采用多载波的HSBTA,速率会达到7.2Mb/s,并逐步提高它的接入能力。

CDMA/CDMA20001X的发展演进和WCDMA及TD-SCDMA略有不同,由于基础信道带宽的不同,首先实现的是CDMA20001xEV-DOR0,其上行和下行速率分别达到153.6kb/s和2.46Mb/s;其次实现的是1xEV-DORA和1xEV-DV,上行和下行速率分别达到1.6kb/s和3.1Mb/s及3倍的1xEV-DO速率。

从技术发展的角度看,B3G移动网络的演进必将走多元化路线。B3G系统将能够应对越来越复杂和多样化的通信环境,以保证各种网络之间的不间断服务。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SG19负责。ITU-RWP8F的主要任务是负责3G的未来发展和B3G的标准化研究工作,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标准化研究工作进展非常顺利;ITU-TSG19主要负责在核心网层面进行相应的标准制定工作,其工作相对不活跃。ITU-RWP8F的核心工作是在WRC-07前,完成BeyondIMT-2000的频谱计算方法、业务分析、频谱需求量分析、频谱规划等。ITU-RWP8F完成了B3G的愿景文件以后,已经开始了具体的研究工作。

2003年以来,WiMAX和演进型3G(E3G)技术(包含3GPPLTE和3GPP2UMB技术)的发展已经体现了未来B3G技术的一些发展趋势。通常认为,这些技术趋势会延续到B3G时代。另外,由于B3G可能应用于一些新的频谱,技术的选择和系统的设计也会受到这些新频段的特性的影响。就目前看来,B3G无线通信技术的发展可能体现在如下几个方面。

一方面,由于B3G技术对高数据率、高容量的需求而对频谱提出了很高的需求。据粗略估计,新频谱的需求量在数百MHz至1GHz以上。另一方面,2G和3G移动通信系统的发展已经占用了大部分2GHz以下最适合移动通信发展的频谱。因此,除了充分重用2GHz以下的已用频段并进一步发掘2~3GHz的可用频段以外,大多数所需频谱需要从传统上的非移动通信频段中寻找。

可以从两个方向寻找新的频谱,即向高频段和低频段寻找。在低频段方向,未来用于B3G技术的潜在频谱可能来自传统的广播电视频段(862MHz以下)。由于广播和电视业务从模拟化向数字化的转变,大大提高了频谱效率,从而可以节省大量的频谱。这些节省的频谱可以用于无线移动通信,但由于各国广播电视数字化的时间表不同,此频段可用于移动通信的时间也不相同。在高频段方向,B3G系统将可能使用3.4~5GHz的一些频段,这些频段是B3G,系统赖以获得高容量的主要频谱。

862MHz以下频段比2GHz频段更适合移动通信应用,因此不会对B3G系统的技术选择和设计提出更高的要求。但3.4GHz以上频段的频谱特性会对B3G系统的技术选择和设计产生重大影响。通常认为,高频段的覆盖能力以及对高速移动的支持能力较弱,因此更适合用于低速移动的高容量热点接入应用。而在高频段的典型应用场景(低速移动的热点覆盖)下,B3G系统可以进行更优化的设计,例如多址技术、MIMO技术的选择,参数的优化、导频的设计及控制信道的设计等。

针对高频段支持非视距(NLOS)传输的能力,学术界并未得出明确的研究结论。传统观点认为,高频段的穿透损失明显大于低频段,很难支持NLOS传输。如果基于这样的判断,高频段就很难支持室外到室内的覆盖,必须依赖大量的室内覆盖。但也有研究成果认为,高频段的穿透能力未必像想像的那样差,而是和建筑物的材质有关。对于写字楼等具有厚重外墙的建筑,无论对于哪个频段,室内的接收功率都主要来自于门窗的透射,而高频段穿透透明的玻璃材质的能力可能甚至高于低频段。因此应首先明确高频段信道模型,才能确定高频段系统的优化方法。

另外,由于一个B3G系统可能同时使用多个频段(包括低频段和高频段),系统应能智能地在多个频段之间动态地调度、漫游和切换。

WiMAX和E3G技术的研究已经体现出明显的“多址技术正交化”的趋势。众所周知,CDMA技术更适合在低信噪比区域提高功率效率,而OFDMA技术则更适合在高信噪比区域提高频谱效率。以WiMAX、LTE、UMB为代表的E3G技术由于从话音业务(功率效率更重要)为主转向侧重数据业务(频谱效率更重要),因此用OFDMA技术替代了CDMA技术。但这并不意味着OFDMA适合解决所有移动通信中的问题。实际上,在一个蜂窝移动通信系统中,频谱受限和功率/干扰受限的场景都存在。例如在小区中心,信干比较高,功率充足的情况下,应注重提高频谱效率,以实现更大的系统容量;但在小区边缘,相邻小区干扰比较严重的情况下,系统功率受限,应注重提高功率效率,以提高小区边缘的数据率。


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