第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

賀延平

(中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司寶雞分公司，陜西寶雞721000)

4G是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。4G技術(shù)就是把移動(dòng)通信系統(tǒng)同其他系統(tǒng)結(jié)合起來，提供更有效的多種業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、廣播、電視衛(wèi)星通信等的無縫銜接并相互兼容。4G具有更高的數(shù)據(jù)速率、頻譜利用率和安全性、智能性、靈活性，更高的傳輸質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量。4G系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)移動(dòng)與無線接入網(wǎng)及IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)。因此，4G應(yīng)當(dāng)是一個(gè)全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)。

14 G定義

嚴(yán)格來說，4G并沒有一個(gè)確切的定義及標(biāo)準(zhǔn)，普遍認(rèn)可的一種描述是:“第四代移動(dòng)通信技術(shù)可稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱超過2 Mbit·s－1的數(shù)據(jù)傳輸能力，對(duì)全速移動(dòng)用戶能提供150 Mbit·s－1的高質(zhì)量影像服務(wù)，將首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸”［1］。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)。此外，4G還是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是寬帶接入IP系統(tǒng)。

24 G的系統(tǒng)特點(diǎn)

2.14 G優(yōu)勢(shì)分析

與以往的通信系統(tǒng)相比，4G最明顯的優(yōu)勢(shì)在于通話質(zhì)量和數(shù)據(jù)通信速度。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)高通信速率、高存儲(chǔ)容量。4G系統(tǒng)具備更快的無線通信速度，其中，對(duì)于高速移動(dòng)的用戶，數(shù)據(jù)速率為2 Mbit·s－1;對(duì)于中速移動(dòng)的用戶，數(shù)據(jù)速率為20 Mbit·s－1;對(duì)于低速移動(dòng)的用戶，數(shù)據(jù)速率為100 Mbit·s－1。由于傳輸速率增大，因此儲(chǔ)存容量至少為3G系統(tǒng)的10倍以上。

(2)高兼容性，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間的無縫連接。未來的4G通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備向下兼容、全球漫游，接口開放，能實(shí)現(xiàn)跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，多元終端等特點(diǎn)，并能從3G通信技術(shù)平穩(wěn)過渡到4G，順利的在不同系統(tǒng)間進(jìn)行無縫切換，傳輸高速多媒體文件等。

(3)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高的頻率使用效率。相比3G而言，4G的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，主要運(yùn)用以路由技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了進(jìn)一步提高無線因特網(wǎng)的主干帶寬寬度，引入了交換層級(jí)技術(shù)，該技術(shù)能同時(shí)涵蓋不同類型的通信接口，因此無線頻率的使用率得到了提高。

(4)可靠的鑒權(quán)及安全機(jī)制。4G移動(dòng)通信網(wǎng)是一個(gè)基于分組數(shù)據(jù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，目前已基本確定了4G安全體系的總體方向，如移動(dòng)IPv6、認(rèn)證、授權(quán)、審計(jì)和計(jì)費(fèi)(AAAA)，以及各種協(xié)議或算法計(jì)算量輕等特性［2］。

2.24 G劣勢(shì)分析

盡管4G移動(dòng)通信技術(shù)有著比3G更強(qiáng)的優(yōu)越性，但不可否認(rèn)4G是較復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)之一，在具體實(shí)施過程中必然會(huì)遇到許多復(fù)雜的技術(shù)問題。4G技術(shù)有待于解決的主要問題主要有:

(1)無線系統(tǒng)中的移動(dòng)性管理。移動(dòng)性通常涉及到在不同網(wǎng)段間漫游的移動(dòng)用戶，數(shù)據(jù)鏈路層的移動(dòng)性支持通常限制在同類網(wǎng)絡(luò)之間，因而網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性是4G移動(dòng)性管理的關(guān)鍵。

(2)核心網(wǎng)的移動(dòng)IP技術(shù)。移動(dòng)IP代表了一種簡(jiǎn)單而且可以升級(jí)的全球移動(dòng)性方案。但是，對(duì)于4G系統(tǒng)而言，它缺乏實(shí)時(shí)位置管理和快速無縫切換機(jī)制的支持。要解決這些問題，必須采用新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和管理路由優(yōu)化方案，需要采用高效的發(fā)送和切換協(xié)議。但由于4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，因此這兩個(gè)問題顯得格外突出。

34 G的關(guān)鍵技術(shù)研究

以上4G系統(tǒng)的優(yōu)劣與其所使用的關(guān)鍵技術(shù)密不可分，因此對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的研究將有助于最大限度地發(fā)揮4G系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，避免其劣勢(shì)。4G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括切換、智能天線［3］、無線鏈路增強(qiáng)、全I(xiàn)P、調(diào)制與編碼、軟件無線電和OFDM調(diào)制技術(shù)等。其中最為關(guān)鍵的是OFDM調(diào)制技術(shù)。

(1)無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)。無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)主要有分集技術(shù)和多天線技術(shù)。4G系統(tǒng)采用了多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收分集。它是在發(fā)射端通過多個(gè)發(fā)射天線傳送信號(hào)，在接收端使用多個(gè)接收天線接收信號(hào)的多發(fā)射、多接收的空間分集技術(shù)，采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道從而大大提高容量，同時(shí)提高信道的可靠性，降低誤碼率。現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多數(shù)基站的天線采用一發(fā)兩收的結(jié)構(gòu)。

館藏資源建設(shè)是圖書館服務(wù)實(shí)施開展的基石，是高校圖書館工作的重中之重[27]。館藏資源從紙質(zhì)向電子資源轉(zhuǎn)型是圖書館發(fā)展的必然趨勢(shì)，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，用戶如何獲取信息，除了系統(tǒng)的傳統(tǒng)的服務(wù)外，高校圖書館的數(shù)據(jù)素養(yǎng)教育實(shí)踐表現(xiàn)形式主要為課程教育與在線教育，講座、專題討論會(huì)，專題培訓(xùn)[28]；以及個(gè)性化咨詢就成為了圖書館服務(wù)轉(zhuǎn)型的主要服務(wù)渠道。嵌入式服務(wù)對(duì)象以教師、研究人員和學(xué)生為主，如何讓用戶直接獲得清晰、明確、有效的檢索結(jié)果是服務(wù)的重點(diǎn)。

對(duì)比分析這兩種技術(shù)，MIMO系統(tǒng)具有降低碼間干擾;提高空間分集增益;提高無線信道容量和頻譜利用率［4］等優(yōu)點(diǎn)。

(2)全I(xiàn)P技術(shù)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用了基于IP的全分組方式傳輸數(shù)據(jù)流，支持有線及無線的接入，可實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)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。同時(shí)4G系統(tǒng)還將采用IPv6技術(shù)，它能夠提供更好的QoS保證及更好的安全性，能夠徹底解決地址資源不足的問題。

(3)調(diào)制與編碼技術(shù)。4G系統(tǒng)將采用新的調(diào)制技術(shù)，如多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)以及單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)等。4G系統(tǒng)可能會(huì)采用兩種形式的多載波調(diào)制(MCM)技術(shù):多載波碼分多址(MCCDMA)和正交頻分復(fù)用時(shí)分多址(OFDM－TDMA)。一般MC－CDMA采用QPSK調(diào)制，而OFDM－TDMA采用高電平調(diào)制［5］。采用這些調(diào)制方式以保證頻譜利用率和延長(zhǎng)用戶終端電池的壽命。另外，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)還采用更高級(jí)的信道編碼方案，從而在低Eb/No條件下保證系統(tǒng)足夠的性能［6－7］。

(4)OFDM調(diào)制技術(shù)。4G系統(tǒng)既要求高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又要求保證傳輸質(zhì)量，因而要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長(zhǎng)的碼元周期，而OFDM技術(shù)正滿足這一需求。

OFDM技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制技術(shù)(MCM)中的一種。它的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。OFDM的傳輸系統(tǒng)可以描述如圖1所示［8－10］。

圖1 OFDM傳輸系統(tǒng)

OFDM系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)異特性是易于改用其它帶寬。為有效利用頻寬，OFDM采用了高階調(diào)制的方法。OFDM采用的是64QAM，所以其頻譜效率較高。盡管總的信道是非平坦的，但是每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

OFDM技術(shù)之所以備受關(guān)注，主要是因?yàn)樗幸韵聝?yōu)點(diǎn)［11－13］:

圖2 重疊多載波調(diào)制技術(shù)與傳統(tǒng)非重疊多載波技術(shù)的頻帶分布比較

1)抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)數(shù)倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到子信道間頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。

2)適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。并且OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。

3)抗碼間干擾能力強(qiáng)。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶有限，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，因此其對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，OFDM也存在一些明顯的缺點(diǎn)。首先，對(duì)頻偏和相位噪聲敏感。頻偏和相位噪聲會(huì)使OFDM各子載波之間的正交性惡化，使信噪比下降。其次，功率峰值與均值之比PARR較大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低，增加基站和用戶終端的成本。最后，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加，當(dāng)移動(dòng)終端達(dá)到車載移動(dòng)速度時(shí)，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)就沒有意義了。

4 結(jié)束語

對(duì)整個(gè)體系結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵技術(shù)的研究，將對(duì)4G的發(fā)展有著重要的意義。在對(duì)4G進(jìn)行優(yōu)劣分析的基礎(chǔ)上討論了其關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)4G中的OFDM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了探討?？梢钥闯觯m然OFDM技術(shù)有著許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在缺點(diǎn)，容易受頻率偏差和相位噪聲的影響，并存在著較大的峰值平均功率比。盡管如此，由于OFDM技術(shù)具備較強(qiáng)的抗多徑能力，與信道編碼和時(shí)間頻率交織相結(jié)合，適用于高速無線傳輸?shù)?G系統(tǒng)，是對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N潛在的解決方案。在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最合適的多址方案。

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