4G移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)與面臨的問(wèn)題

黃英新

【摘 要】本文主要對(duì)4G移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的論述，分析了4G的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和4G的關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)討論了目前全球以及我國(guó)的4G技術(shù)進(jìn)展及面臨的問(wèn)題，最后對(duì)4G的前景進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

【關(guān)鍵詞】4G；4G關(guān)鍵技術(shù)；OFDM SAMIMO SDR4G發(fā)展現(xiàn)狀

0.前言

根據(jù)國(guó)際電聯(lián)的工作安排，2009年將集中征集4G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，2010年會(huì)推出第一個(gè)4G版本，并在2011年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)上通過(guò)。4G預(yù)計(jì)2015年左右投入商用。4G技術(shù)的飛速發(fā)展，使得廣大用戶(hù)享受更新、更快捷、更豐富的通信生活成為可能。

1.4G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

4G系統(tǒng)針對(duì)各種不同業(yè)務(wù)的接人系統(tǒng)，通過(guò)多媒體接入連接到基于口的核心網(wǎng)中?；贗P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)在3G、4G、WLAN及固定網(wǎng)間無(wú)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)層提供接入和路南選擇功能。

（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(kāi)放的，使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易，提供無(wú)縫高數(shù)據(jù)率的無(wú)線(xiàn)服務(wù)。并運(yùn)行于多個(gè)頻帶，這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個(gè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)及多模終端，跨越多個(gè)運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)商，提供更大范圍服務(wù)。

據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟定義，4G技術(shù)是可為移動(dòng)中的用戶(hù)提供100 Mb/S的數(shù)據(jù)傳輸、為靜止的用戶(hù)提供1Gb/S的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，包含OFDM、智能天線(xiàn)（SA）與多人多出天線(xiàn)（MIMO）技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（SDR）三大關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 OFDM

OFDM即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation，多載波調(diào)制的一種。OFDM技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：可以消除或減小信號(hào)波形間的干擾，對(duì)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)。

1.2智能天線(xiàn)（SA）與多入多出天線(xiàn)（MIMO）技術(shù)

智能天線(xiàn)具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線(xiàn)成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無(wú)線(xiàn)基站端使用天線(xiàn)陣和相干無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線(xiàn)鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線(xiàn)的工作方式主要有兩種：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。

移動(dòng)通信環(huán)境中的多徑傳播對(duì)通信的有效性與可靠性造成了嚴(yán)重的影響。而多輸入多輸出（M1MO）技術(shù)在通信鏈路兩端均使用多個(gè)天線(xiàn)，發(fā)端將信源輸出的串行碼流轉(zhuǎn)成多路并行子碼流，分別通過(guò)不同的發(fā)射天線(xiàn)陣元同頻、同時(shí)發(fā)送，接收方則利用多徑引起的多個(gè)接收天線(xiàn)上信號(hào)的不相關(guān)性從混合信號(hào)中分離估計(jì)出原始子碼流，這相當(dāng)于頻帶資源重復(fù)利用，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。

1.3軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（SDR）

軟件無(wú)線(xiàn)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(tái)，利用軟件加載方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)電通信系統(tǒng)的一種開(kāi)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(xiàn)的要求。盡可能多地用軟件來(lái)定義無(wú)線(xiàn)功能。其軟件系統(tǒng)包括各類(lèi)無(wú)線(xiàn)信令規(guī)則與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號(hào)處理硬件（DSPH）、現(xiàn)場(chǎng)可編程器件（FPGA）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等。

1.4基于IP的核心網(wǎng)

4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)線(xiàn)接人方案，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(kāi)放的結(jié)構(gòu)，能允許各種窄中接口接人核心網(wǎng)；同時(shí)核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_(kāi)。采用IP后，所采用的無(wú)線(xiàn)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。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)。

2.4G技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況及其挑戰(zhàn)

2.1日本NTI-DoCoMo在4G的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)

2008年日本NTT DoCoMo公司發(fā)布新聞公報(bào)稱(chēng)，該公司在2007年年底進(jìn)行的4G外場(chǎng)試驗(yàn)中，創(chuàng)下5.3 Gb/s的最大下行速率紀(jì)錄。在此次試驗(yàn)中，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端天線(xiàn)均從一年前試驗(yàn)時(shí)的6根增加到12根，并采用了該公司獨(dú)有的接收信號(hào)處理技術(shù)，使下行速率成功翻倍。

2.2 WiMAX“準(zhǔn)4G”標(biāo)準(zhǔn)

2007年10月19日，國(guó)際電信聯(lián)盟ITU在日內(nèi)瓦舉行無(wú)線(xiàn)通信全體會(huì)議，無(wú)線(xiàn)寬帶技術(shù)WiMAX通過(guò)投票正式成為3G標(biāo)準(zhǔn)。

WiMAX，即IEEE 802A6x，全稱(chēng)是“微波存取全球互通技術(shù)（Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess）”，被業(yè)界認(rèn)為是高于現(xiàn)有3G標(biāo)準(zhǔn)的“準(zhǔn)4G”標(biāo)準(zhǔn)。和傳統(tǒng)的TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000相比，WiMAX的最大傳輸半徑達(dá)到了約50km，接近前者的兩倍。而在傳輸速度上，WiMAX也讓其他3G標(biāo)準(zhǔn)望塵莫及。在10km范圍內(nèi)，WiMAX網(wǎng)絡(luò)的帶寬可以達(dá)到70Mb/S，甚至超過(guò)了ADSL等有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，而3G標(biāo)準(zhǔn)中的TD SCDMA和WCDMA則均為2Mb/s。

2.3美國(guó)與歐洲針對(duì)4G的舉動(dòng)

作為美國(guó)的代表，3G時(shí)代的霸主高通公司一方面希望通過(guò)引入DMMX和HMMX這兩項(xiàng)技術(shù)后，性能達(dá)到4G的要求；另一方面則通過(guò)收購(gòu)Flarion科技公司獲得了近300項(xiàng)OFDM技術(shù)專(zhuān)利，這被業(yè)界視為高通欲在4G時(shí)代繼續(xù)保持專(zhuān)利的絕對(duì)領(lǐng)先之舉。

在歐洲，愛(ài)立信已與美國(guó)加利福尼亞大學(xué)合作開(kāi)發(fā)4G技術(shù)。加利福尼亞大學(xué)已正式成立了加州通信和信息技術(shù)學(xué)會(huì)，并得到了愛(ài)立信的投資。而阿爾卡特、愛(ài)立信、摩托羅拉、諾基亞、西門(mén)子成立了旨在推動(dòng)4G技術(shù)開(kāi)發(fā)的世界無(wú)線(xiàn)研究論壇WWRF（Wireless World Research Forum）。該組織下設(shè)的6個(gè)工作組，分別討論業(yè)務(wù)、市場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、接口、核心技術(shù)等問(wèn)題。

2.4我國(guó)正在加快4G關(guān)鍵技術(shù)研究步伐

從2001年底起，繼在國(guó)產(chǎn)3G標(biāo)準(zhǔn)制定方面取得巨大進(jìn)展之后，國(guó)家“十五”、“863”計(jì)劃啟動(dòng)了面向未來(lái)移動(dòng)與無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的“FUTURE計(jì)劃”。

2006年7月，上海建設(shè)的世界最大的4G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)通過(guò)了863項(xiàng)目的驗(yàn)收。通過(guò)驗(yàn)收的上海試驗(yàn)網(wǎng)由三個(gè)無(wú)線(xiàn)覆蓋小區(qū)、六個(gè)無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)組成，具有在移動(dòng)環(huán)境下支持蜂值速率為100Mb/S的無(wú)線(xiàn)傳輸及高清晰度交互式圖像業(yè)務(wù)演示等功能。

“FUTURE計(jì)劃”負(fù)責(zé)人之一、國(guó)家“863”計(jì)劃未來(lái)移動(dòng)通信總體組組長(zhǎng)尤肖虎表示，我國(guó)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)明專(zhuān)利100余項(xiàng)，我國(guó)在第四代移動(dòng)通信技術(shù)上已經(jīng)處于世界前沿。

2009年，我國(guó)對(duì)4G的發(fā)展步伐明顯加快。大唐移動(dòng)聯(lián)合中興通訊、華為以及相關(guān)高校和科研院所完成了4G相關(guān)白皮書(shū)。相關(guān)業(yè)內(nèi)人士透露，我國(guó)已經(jīng)完成了4G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)方案起草工作，目前正在進(jìn)行4G關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)驗(yàn)證。我國(guó)目前正在更多地區(qū)進(jìn)行4G系統(tǒng)的測(cè)試工作，且要趕在2010年前對(duì)其進(jìn)行商業(yè)化測(cè)試，以便在2011年世界無(wú)線(xiàn)電通信大會(huì)時(shí)向國(guó)際電信聯(lián)盟提交有著自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的4G標(biāo)準(zhǔn)。

3.4G移動(dòng)通信技術(shù)未來(lái)預(yù)測(cè)

隨著目前3G移動(dòng)通信技術(shù)的全面商用化的開(kāi)始，我國(guó)大部分的手機(jī)用戶(hù)將感受到3G技術(shù)給我們帶來(lái)的便捷，同時(shí)也能明顯的感到3G技術(shù)的不足與缺陷。這些不足與缺陷將成為移動(dòng)通信技術(shù)不斷進(jìn)步的動(dòng)力。

所以3G技術(shù)目前的不足與缺陷將成為推動(dòng)4G技術(shù)的重要力量，我們有理由相信4G將成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，會(huì)使我們未來(lái)的生活更加美好。在技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，我們應(yīng)該意識(shí)到，對(duì)待通信新技術(shù)我們更應(yīng)該冷靜、理智，4G演進(jìn)的道路絕不會(huì)一帆風(fēng)順，前面的路仍是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。 [科]