第四代移動通信系統(tǒng)4G與其關(guān)鍵技術(shù)研究

劉偉　魏迎春

摘 要 本文首先介紹了第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的概念、主要特點，并與第三代移動通信系統(tǒng)的參數(shù)進行了對比，然后討論了第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其七大關(guān)鍵技術(shù)，最后總結(jié)了第四代移動通信系統(tǒng)的最新進展。

關(guān)鍵詞 4G OFMD MIMO 智能天線 軟件無線電

1 第四代移動通信系統(tǒng)（4G）概述

1.1 4G概念

4G，即為第四代移動通信及其技術(shù)的簡稱，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品，提供更有效的多種業(yè)務(wù)，實現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍牙、電視衛(wèi)星通信等的無縫銜接并相互兼容，它體現(xiàn)了移動與無線接入網(wǎng)及IP 網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢。4G 亦可稱為廣帶接入（broad-band）和分布網(wǎng)絡(luò)， 包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)（WLAN）、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和移動衛(wèi)星），是集成多功能的寬帶移動通信系統(tǒng)[1]。它具有許多優(yōu)勢，已成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點。

1.2 4G主要特點

（1）通信速度更快：4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。

（2）網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬：每個4G信道將占有100MHz或者更多帶寬，相當于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的20倍。

（3）智能性更高：4G的智能性更高，不僅表現(xiàn)于4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計和操作具有智能化，而且能自適應(yīng)低進行資源分配，處理變化的業(yè)務(wù)流和適應(yīng)不同的信道環(huán)境。

（4）兼容性能更平滑：移動中不同系統(tǒng)間的無縫連接，4G通信系統(tǒng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G 平穩(wěn)過渡等特點。用戶在高速移動中， 能夠按需接入系統(tǒng)， 并在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（5）基于IP的核心網(wǎng)：支持有線及無線接入，且所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的[2]。

1.3 4G與3G的主要參數(shù)比較

4G和3G的系統(tǒng)主要參數(shù)的比較如表1所示。

2 4G的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在第四代移動通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對不同業(yè)務(wù)的需求，將各種針對不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺（如圖1所示）。從圖中我們可以看出基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得用戶在2 G 、3 G 、4 G 、WLAN 、固定網(wǎng)之間無縫漫游可以實現(xiàn)。

目前認為4G網(wǎng)絡(luò)體系的分層結(jié)構(gòu)大致可分為3層，自上而下分為：物理層（又稱物理網(wǎng)絡(luò)層或接入層）、網(wǎng)絡(luò)層（又稱中間環(huán)境層或承載層）、應(yīng)用層（又稱應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層或業(yè)務(wù)控制層）。物理層網(wǎng)絡(luò)以集成的方式為所有無線及核心網(wǎng)絡(luò)提供接入與路由功能。中間件環(huán)境橋接應(yīng)用層與物理層。它提供諸如QoS 映射、地址變換、即插即用、安全管理、激活網(wǎng)絡(luò)等功能。物理層與中間件環(huán)境之間的接口應(yīng)是一種開放的IP 接口。中間件環(huán)境與應(yīng)用層之間的接口也應(yīng)是開放接口， 以利于第三方開發(fā)和提供新的應(yīng)用與服務(wù)。圖2為4G的網(wǎng)絡(luò)體系分層結(jié)構(gòu)[3]。

3 4G的關(guān)鍵技術(shù)

移動通信技術(shù)將向數(shù)據(jù)化，高速化、寬帶化、頻段更高化等方向發(fā)展，移動數(shù)據(jù)、移動IP將成為未來移動網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。第四代移動通信要求數(shù)據(jù)傳輸速率從2Mb/s提高到100Mb/s。為了達到這個目標，需要在下列幾個方面作出努力：頻譜的高效使用、帶寬的動態(tài)分配、安全的無線應(yīng)用、更高的服務(wù)質(zhì)量、高性能的信號調(diào)制傳輸技術(shù)。為此， 4G系統(tǒng)使用了許多新技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)介紹如下。

3.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

根據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來的頻率選擇性衰落特性，提出正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)。如圖3所示[4]，正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進行傳輸，在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進行調(diào)制，信號通過各個子信道獨立傳輸。如果每個子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個子信道都可看作無符號間干擾（ISI） 的理想信道， 這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對接收信號可靠地解調(diào)。

OFDM作為第四代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)， 作為多載波調(diào)制的一種， 最大優(yōu)點就是對抗頻率選擇性衰落與窄帶干擾， 同時頻譜利用效率高、抗噪聲能力強，采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達到最大比特率，適合于高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO 技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多個天線來對抗無線信道衰落， 從而在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的情況下可以有效地提高無線系統(tǒng)的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時域聯(lián)合分集的通信信號處理方法。

對于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨立的等功率信號，而且各信號滿足Rayleigh（瑞利）分布，根據(jù)MIMO系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計算方法，推導(dǎo)出平衰落MIMO系統(tǒng)信道容量近似表達式為[5]：

C=[min（N，M）]·B·log2（SNR/2）

其中B 為信號帶寬，SNR 為接收端平均信噪比，min（N，M）為發(fā)射天線數(shù)量N 和接收天線數(shù)量M 中的最小者。

理論和計算機仿真表明：在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化），多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加，因此具有廣泛的應(yīng)用價值。

3.3 智能天線技術(shù)（SA）

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA（Direction of Arrival），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。

智能天線（SA）具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線使用數(shù)字信號處理技術(shù)[6]，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號之目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴容的需要。

3.4 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IP 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，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[7]。

3.5 軟件無線電技術(shù)（SDR）

所謂軟件無線電（簡稱SDR），就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/ 模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。它具有靈活性較高、集中性強及模塊化等特點[7]：

3.6 移動定位技術(shù)

定位是指移動終端位置的測量方法和計算方法。它主要分為基于移動終端定位、基于移動網(wǎng)絡(luò)定位以及混合定位三種方式。在第四代移動移動通信系統(tǒng)中， 移動終端可能在不同系統(tǒng)（平臺）間進行移動通信。因此， 對移動終端的定位和跟蹤， 是實現(xiàn)移動終端在不同系統(tǒng)（平臺）間無縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動通信的前提和保障。

3.7 多用戶檢測技術(shù)

多用戶檢測技術(shù)的核心思想就是利用均衡技術(shù)。將來自其他用戶的 ISI 也當作MAI 而一并消除之。多用戶檢測技術(shù)充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。

4 4G新進展

由于4G 與3G 相比具有通信速度更快，網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬，通信更加靈活，智能性能更高兼容性能更平滑等優(yōu)點。國際電信聯(lián)盟（ITU）為4G 制定了明確目標，2006 年至2007 年完成頻譜規(guī)劃，2010 年左右完成全球統(tǒng)一的標準化工作，2010 年之后開始商用。

2010 年11 月，ITU 正式確認LTE-Advanced 與Wireless MAN-Advanced 技術(shù)為4G 標準；12月份，又將WiMax、HSPA+、LTE 技術(shù)納入4G 標準。

現(xiàn)階段我國的4G 研究成果，主要是在上海建立的一個4G 試驗網(wǎng)，實驗系統(tǒng)由3 個無線覆蓋小區(qū)、6 個接入節(jié)點和6 個移動終端組成，并引入了世界上最復(fù)雜的技術(shù)，如IPv6 核心網(wǎng)絡(luò)、IPTV 高清晰度業(yè)務(wù)與移動通信的切換技術(shù)等等。

2011年3月，中國移動將在深圳、上海、廣州、南京、杭州等城市開始首批TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗網(wǎng)建設(shè)。

5 結(jié)束語

目前，4G移動通信即將開始實驗網(wǎng)建設(shè)，具體的設(shè)備及后續(xù)的軟件開發(fā)還繼續(xù)開發(fā)研究，但是未來的4G必定會具有高速率高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸、無所不在的移動接入、高智能的多樣化的用戶設(shè)備等特征，隨著新問題，新要求的不斷出現(xiàn)，4G將會不斷地調(diào)整、改善及進一步發(fā)展。我們相信在不久的將來，4G 將成為滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)，它將幫助我們實現(xiàn)充滿個性化的通信夢想

參 考 文 獻

[1] 百度學(xué)科.4G[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2727.htm

[2] 王建峰，黃國策，康巧燕， 4G 移動通信系統(tǒng)及其與3G系統(tǒng)的比較研究， 西安郵電學(xué)院學(xué)報， 2006 .9

[3] 趙亞男張祿林吳偉陵.第四代移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.無線電工程.2005.2

[4] 李世博.第四代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).廣西通信技術(shù).2007.12

[5] 劉麗 劉世忠 郭燕飛4G通信系統(tǒng)核心技術(shù)M I M O - O F D M 研究.移動通信.2009.2

[6] 張獻英.第四代移動通信技術(shù)淺析.數(shù)字通信世界.2008.6

[7] 第四代移動通信技術(shù)研究[J].第三屆全國軟件測試會議與移動計算、柵格、智能化高級論壇論文集.2009.（22）：239-241.