淺談4G通信技術的發(fā)展與面臨的問題

李昆 孫強毅

【摘 要】本文主要對4G移動通信的關鍵技術進行了簡要的論述，分析了4G的網(wǎng)絡結構和4G的關鍵技術，在此基礎上詳細討論了目前全球以及我國的4G技術進展及面臨的問題，最后對4G的前景進行了預測。

【關鍵詞】4G；4G關鍵技術；OFDM；SA；MIMO；SDR；4G發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)國際電聯(lián)的工作安排，2009年將集中征集4G技術標準，2010年會推出第一個4G版本，并在2011年世界無線電通信大會上通過。4G預計2015年左右投入商用。4G技術的飛速發(fā)展，使得廣大用戶享受更新、更快捷、更豐富的通信生活成為可能。

1.4G網(wǎng)絡中的關鍵技術

1.1 OFDM

OFDM即正交頻分復用技術，實際上OFDM是MCM Multi-CarrierM

odulation，多載波調(diào)制的一種。OFDM技術有很多優(yōu)點：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；抗碼間干擾（ISI）能力強。

1.2智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術

智能天線具有抑制信號干擾、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鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強特殊范圍內(nèi)想要的信號，這種技術既能改善信號質(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)信機來實現(xiàn)射頻信號的接收和發(fā)射。同時通過基帶數(shù)字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。

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

1.3軟件無線電技術（SDR）

軟件無線電（SDR）是將標準化、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)的一種開放式結構的技術。其中心思想是使寬帶模數(shù)轉換器（A/D）及數(shù)模轉換器（D/A）等先進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。

1.4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，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接人方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結構，能允許各種窄中接口接人核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務、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（CN）協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。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。

2.4G技術的發(fā)展現(xiàn)況及其挑戰(zhàn)

2.1日本NTI-DoCoMo在4G的領先優(yōu)勢

2008年日本NTT DoCoMo公司發(fā)布新聞公報稱，該公司在2007年年底進行的4G外場試驗中，創(chuàng)下5.3Gb/s的最大下行速率紀錄。在此次試驗中，無線通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端天線均從一年前試驗時的6根增加到12根，并采用了該公司獨有的接收信號處理技術，使下行速率成功翻倍。

2.2 WiMAX“準4G”標準

2007年10月19日，國際電信聯(lián)盟ITU在日內(nèi)瓦舉行無線通信全體會議，無線寬帶技術WiMAX通過投票正式成為3G標準。

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

2.3美國與歐洲針對4G的舉動

作為美國的代表，3G時代的霸主高通公司一方面希望通過引入DMMX和HMMX這兩項技術后，性能達到4G的要求；另一方面則通過收購Flarion科技公司獲得了近300項OFDM技術專利，這被業(yè)界視為高通欲在4G時代繼續(xù)保持專利的絕對領先之舉。

在歐洲，愛立信已與美國加利福尼亞大學合作開發(fā)4G技術。加利福尼亞大學已正式成立了加州通信和信息技術學會，并得到了愛立信的投資。而阿爾卡特、愛立信、摩托羅拉、諾基亞、西門子成立了旨在推動4G技術開發(fā)的世界無線研究論壇WWRF（Wireless World Research Forum）。該組織下設的6個工作組，分別討論業(yè)務、市場、結構、接口、核心技術等問題。

2.4我國正在加快4G關鍵技術研究步伐

從2001年底起，繼在國產(chǎn)3G標準制定方面取得巨大進展之后，國家“十五”、“863”計劃啟動了面向未來移動與無線通信發(fā)展的“FUTURE計劃”。

2006年7月，上海建設的世界最大的4G實驗網(wǎng)通過了863項目的驗收。通過驗收的上海試驗網(wǎng)由三個無線覆蓋小區(qū)、六個無線接入點組成，具有在移動環(huán)境下支持蜂值速率為100Mb/S的無線傳輸及高清晰度交互式圖像業(yè)務演示等功能。

“FUTURE計劃”負責人之一、國家“863”計劃未來移動通信總體組組長尤肖虎表示，我國已經(jīng)在國內(nèi)外申請移動通信技術發(fā)明專利100余項，我國在第四代移動通信技術上已經(jīng)處于世界前沿。

2009年，我國對4G的發(fā)展步伐明顯加快。大唐移動聯(lián)合中興通訊、華為以及相關高校和科研院所完成了4G相關白皮書。相關業(yè)內(nèi)人士透露，我國已經(jīng)完成了4G標準的技術方案起草工作，目前正在進行4G關鍵技術的系統(tǒng)驗證。我國目前正在更多地區(qū)進行4G系統(tǒng)的測試工作，且要趕在2010年前對其進行商業(yè)化測試，以便在2011年世界無線電通信大會時向國際電信聯(lián)盟提交有著自主知識產(chǎn)權的4G標準。

3.4G移動通信技術未來預測

隨著目前3G移動通信技術的全面商用化的開始，我國大部分的手機用戶將感受到3G技術給我們帶來的便捷，同時也能明顯的感到3G技術的不足與缺陷。這些不足與缺陷將成為移動通信技術不斷進步的動力。

所以3G技術目前的不足與缺陷將成為推動4G技術的重要力量，我們有理由相信4G將成為未來移動通信領域的主導技術，會使我們未來的生活更加美好。在技術飛速發(fā)展的同時，我們應該意識到，對待通信新技術我們更應該冷靜、理智，4G演進的道路絕不會一帆風順，前面的路仍是機遇與挑戰(zhàn)并存。 [科]