４Ｇ移動通信技術(shù)的研究

摘要:在還沒有完全享受3G移動通信系統(tǒng)商所帶來服務(wù)的同時，4G移動通信技術(shù)的研究已經(jīng)在逐步的進(jìn)行著。該文簡要分析了:(1) 4G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);(2) 4G的關(guān)鍵技術(shù)，如OFDM，軟件無線電，智能天線技術(shù)，MIMO技術(shù)。(3) 比較了3G和4G不同指標(biāo)，分析了3G和4G采用的不同技術(shù)。(4) 初步探討了4G的現(xiàn)狀和發(fā)展。

關(guān)鍵詞:3G;4G ;OFDM; 軟件無線電;智能天線;MIMO技術(shù);網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號:TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)15-3911-02

Study on 4G Wireless Communication Systems

ZHU Xiao-hua， ZHANG Zi -peng

(China Telecom Corporation Limited Zhuhai Branch，Zhuhai 519002，China)

Abstract: in the absence of full enjoyment of 3G mobile communication systems brought about by service providers at the same time， 4G mobile communications technology has been carried out in step-by-step. In this paper， a brief analysis of: (1) 4G network structure; (2) 4G key technologies such as OFDM， software radio， smart antenna technology， MIMO technology. (3) comparison of different indicators of 3G and 4G， 3G and 4G analysis of the different technologies used. (4) discussed the current situation and development of 4G.

Key words:3G; 4G;OFDM;Software Defined Radio;Intelligent Antenna;MIMO Technology; Network

1 前言

隨著3G在我國的商用以來，用戶在使用手機(jī)電視和視頻通話方面，出現(xiàn)信號不穩(wěn)，視頻通話效果不好等問題。人們開始期望4G能夠解決這些問題，能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率，更大的容量和帶寬。從而使4G比3G更接近個人通信，在技術(shù)上比3G更完善。

2 4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4G系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網(wǎng)中。基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用戶可實現(xiàn)在3G、4G、WLAN及固定網(wǎng)間無縫漫游。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層:物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。

1) 物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能。

2) 中間環(huán)境層的功能有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量映射、地址變換和完全性管理等。

3) 物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的，使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù)，并運(yùn)行于多個頻帶，這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端，跨越多個運(yùn)營商和服務(wù)商，提供更大范圍服務(wù)。

3 4G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 OFDM

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。其主要原理是:將待傳輸?shù)母咚俅袛?shù)據(jù)經(jīng)串并變換， 變成在子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流， 再用相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制， 然后疊加一起發(fā)送。 接收端用相干載波進(jìn)行相干接收， 再經(jīng)并串變換恢復(fù)為原高速數(shù)據(jù)。

OFDM技術(shù)的有很多優(yōu)點(diǎn):可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率;適合高速數(shù)據(jù)傳輸;抗衰落能力強(qiáng);抗碼間干擾(ISI)能力強(qiáng)。

3.2 軟件無線電

軟件無線電(SDR)是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)一通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各類無線電通信系統(tǒng)的一種開放式結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中心思想是使寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)等先進(jìn)的模塊盡可能地靠近射頻天線的要求。盡可能多地用軟件來定義無線功能。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號處理硬件(DSPH)、現(xiàn)場可編程器件(FPGA)、數(shù)字信號處理(DSP)等

3.3 智能天線技術(shù)(SA)

智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號，既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并，實現(xiàn)上行波束賦形。

4.4 多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)(MIM0)是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益。空間復(fù)用是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發(fā)射信號，使容量隨天線數(shù)量的增加而線性增加。空間分集有發(fā)射分集和接收分集兩類。基于分集技術(shù)與信道編碼技術(shù)的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。MIM0技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。

3.5 基于IP的核心網(wǎng)

4G移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng);同時核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò)(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計核心網(wǎng)絡(luò)時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。

在4G通信系統(tǒng)中將取代IPv4協(xié)議，主要采用全分組方式IPv6技術(shù)，IPv6具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如:有巨大的地址空間;支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置的方式;能夠提供不同水平的服務(wù)質(zhì)量;更具有移動性。

4 3G與4G的比較

由于目前 3G采用很多先進(jìn)性的技術(shù)， 將來4G在很大程度上進(jìn)一步融合 3G現(xiàn)有的技術(shù)。比如，智能天線，軟件無線電，聯(lián)合檢測，功率控制等。雖然4G繼承了3G的許多技術(shù)，但是在指標(biāo)和技術(shù)方面有諸多區(qū)別。

4.1 技術(shù)指標(biāo)方面

3G提供了高速數(shù)據(jù)，在圖象傳輸上，其靜止傳輸速率達(dá)到2Mbps，高速移動時的傳輸速率達(dá)到114Kbps，慢速移動時的傳輸速率達(dá)到384kbps， 帶寬可以達(dá)到5MHz以上UMT采用WCDMA技術(shù)，利用正教碼區(qū)分用戶，有FDD和TDD兩種雙工方式。

4G的性能指標(biāo)是:

a) 數(shù)據(jù)速率從2Mbps到100Mpbs

b) 容量達(dá)到第 3 代系統(tǒng)的 5～10 倍 ，傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第 3 代系統(tǒng)。廣帶局域網(wǎng)應(yīng)能與寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng) (B - ISDN)和異步傳送模式 (ATM)兼容 ，實現(xiàn)廣帶多媒體通信 ，形成綜合廣帶通信網(wǎng)

c.) 條件相同時小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第 3 代系統(tǒng)。

d) 具有不同速率間的自動切換能力 ，以保證通信質(zhì)量。

e) 網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第 3 代低。

4.2 技術(shù)方面

a) 3G的關(guān)鍵技術(shù)是CDMA技術(shù)，而4G采用的是OFDM技術(shù)。OFDM可以提高頻譜利用率，能夠克服 CDMA 在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時信號間干擾增大的問題。

b) 在軟件無線電方面，4G對3G中的軟件無線電技術(shù)進(jìn)行升級，滿足4G中無線接入多樣化要求，使得3G中無線接入標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題得以解決。同時在4G中，實現(xiàn)軟切換和硬切換相結(jié)合，對3G中的軟件無線電基礎(chǔ)上通過增加相應(yīng)的硬件模塊 ，對相應(yīng)的軟件進(jìn)行升級使他們最終都融合到一起 ，成為一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) ， 實現(xiàn)各種需求的功能。

c) 3G 網(wǎng)絡(luò)采用的主要是蜂窩組網(wǎng)，4G采用全數(shù)字全I(xiàn)P技術(shù)，支持分組交換，將WLAN，Bluetooth 等局域網(wǎng)融入廣域網(wǎng)中。在4G中提高智能天線的的處理速度和效率。在TD-SCDMA采用智能天線的基礎(chǔ)上，對相關(guān)的軟件和算法加以升級，增加一些接口協(xié)議來滿足4G的要求。

d) 4G系統(tǒng)也使用了許多新技術(shù) ， 包括超鏈接 (ultra2connectivity)和特定無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、動態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能頻譜動態(tài)分配技術(shù)以及軟件無線電技術(shù) ，等等。

e) 在功率控制上 ，4G比 3G要求更加嚴(yán)格 ，其目的是為了滿足高速通信的要求。不僅頻率資源限制移動用戶信號的傳輸速率 ，而且基站和終端的發(fā)射功率也限制了用戶信號的傳輸速率。在 3G中 ，采用切換技術(shù)來減少對其它小區(qū)的干擾 ，提高話音質(zhì)量 ，不過在 4G中 ，切換技術(shù)的應(yīng)用更加廣闊 ，并朝著軟切換和硬切換相結(jié)合的方向發(fā)展。

5 我國的4G的發(fā)展

國際電信聯(lián)盟(ITU)為4G制定了明確的時間表:2006年至2007年完成頻譜規(guī)劃，2010年左右完成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2010年之后開始商用。其中，4G技術(shù)提案將從2008年開始征集。

目前，全球范圍內(nèi)許多國家和地區(qū)都在加緊對4G的研究。我國在2001年，國家“863”計劃啟動了面向B3G/4G的移動通信發(fā)展研究計劃—FuTURE未來通用無線環(huán)境研究計劃(簡稱FuTURE計劃)。我國已經(jīng)啟動4G研發(fā)有5年的時間了，國內(nèi)十余家大學(xué)、企業(yè)和研究所均參與其中。2006年10月31日，4G外場試驗系統(tǒng)在上海通過了現(xiàn)場驗收，正式將FuTRUE計劃帶入了第三階段。這是全球進(jìn)行的首次關(guān)于4G技術(shù)的應(yīng)用測試，也是目前為止全世界最大的4G實驗系統(tǒng):共包括6個節(jié)點(diǎn)，3個信道，6個終端，并引入了如IPv6核心網(wǎng)絡(luò)、IPTV高清晰度業(yè)務(wù)與移動通信切換等技術(shù)。實驗系統(tǒng)頻點(diǎn)3.5GHz、帶寬20MHz，采用協(xié)同分布式無線電蜂窩構(gòu)架、混合FDD/TDD雙工方式、GMC/OFDM多址技術(shù)。

我國目前已決定，將在更多地區(qū)進(jìn)行4G系統(tǒng)的測試工作，且要趕在2010年前對其進(jìn)行商業(yè)化測試

6 總結(jié)

該文分析了4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架以及其關(guān)鍵技術(shù)，并對4G和3G采用的技術(shù)進(jìn)行了對比。我們可以看出4G中除了核心網(wǎng)絡(luò)之外，其他的很多的設(shè)備和技術(shù)，都可以利用3G中所采用的技術(shù)資源和設(shè)備，改進(jìn)原有的硬件設(shè)施，對原有的軟件進(jìn)行升級融合，再加上4G的關(guān)鍵技術(shù)，使得3G平滑過渡到4G，并且能夠最大限度的降低通信建設(shè)的投資資本。雖然我國在4G研究上已經(jīng)取得可喜的成果，但仍有很多難題有待解決。對于我國能否從現(xiàn)有的TD-CDMA平滑過渡到4G，形成4G標(biāo)準(zhǔn)并商用化，讓我們拭目以待。

參考文獻(xiàn):

[1] Convergence Towards 4G: A Novel View of Integration， E. CIANCA， M. DE SANCTIS and M. RUGGIERI，Wireless Personal Communications，，2005， 33: 327–336.

[2] 李榮秀，王心水.4G中的關(guān)鍵技術(shù)[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2006，18)(3):87-91.

[3] 陳良明，韓澤耀.OFDM—第四代移動通信的主流技術(shù)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2008，(18)，3:184-188.

[4] 張新福，童貞理.3G向4G過渡策略探討[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2003，26(9):88-92..

[5] 鄭淑清.4G及其關(guān)鍵技術(shù)淺析 [J].甘肅科技，2005，21(7): 94-95.