4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

1、引言

    隨著人們對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的各種需求與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系統(tǒng)和部分投入商用的3G系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，許多國家已經(jīng)投入到對(duì)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)中。本文將概要介紹4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，并討論4G系統(tǒng)中可能采用的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

2、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

    與3G相比，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)有許多超越之處，其特點(diǎn)主要有：

    (1)高速率。對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s；對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mb/s；對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mb/s。

    (2)以數(shù)字寬帶技術(shù)為主。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信號(hào)以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區(qū)也會(huì)相應(yīng)小很多，很大程度上提高用戶容量，但同時(shí)也會(huì)引起系列技術(shù)上的難題。

    (3)良好的兼容性。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，讓所有移動(dòng)通信運(yùn)營商的用戶享受共同的4G服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。

    (4)較強(qiáng)的靈活性。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，能對(duì)通信過程中不斷變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應(yīng)處理而滿足通信要求，采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行信號(hào)的正常發(fā)送與接收，有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。

    (5)多類型用戶共存。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)能根據(jù)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)和變化的信道條件進(jìn)行自適應(yīng)處理，使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設(shè)備能夠共存與互通，從而滿足系統(tǒng)多類型用戶的需求。

    (6)多種業(yè)務(wù)的融合。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù)，包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會(huì)議電視、虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。將個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等行業(yè)結(jié)合成一個(gè)整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。

    (7)先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)以幾項(xiàng)突破性技術(shù)為基礎(chǔ)，如：OFDM多址接入方式、智能天線和空時(shí)編碼技術(shù)、無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高性能的收發(fā)信機(jī)和多用戶檢測技術(shù)等。

    (8)高度自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，擁有對(duì)結(jié)構(gòu)的自我管理能力，以滿足用戶在業(yè)務(wù)和容量方面不斷變化的需求。

3、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

    為了適應(yīng)移動(dòng)通信用戶日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)較3G的優(yōu)越之處，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)將主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)接入方式和多址方案

    OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其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，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬。OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是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，可實(shí)現(xiàn)低成本的單波段接收機(jī)。OFDM的主要缺點(diǎn)是功率效率不高。

(2)調(diào)制與編碼技術(shù)

    4G移動(dòng)通信系統(tǒng)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)等調(diào)制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用更高級(jí)的信道編碼方案(如Turbo碼、級(jí)連碼和LDPC等)、自動(dòng)重發(fā)請求(ARQ)技術(shù)和分集接收技術(shù)等，從而在低Eb/N0條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。

(3)高性能的接收機(jī)

    4G移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照 Shannon定理，可以計(jì)算出，對(duì)于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對(duì)于4G系統(tǒng)，要在5MHz 的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB。可見對(duì)于4G系統(tǒng)，由于速率很高，對(duì)接收機(jī)的性能要求也要高得多。

(4)智能天線技術(shù)

    智能天線具有抑制信號(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)為是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)的目的。這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量。

(5)MIMO技術(shù)
 
    MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它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。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當(dāng)接收天線和發(fā)送天線數(shù)目都為8根，且平均信噪比為20dB時(shí)，鏈路容量可以高達(dá)42bps/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達(dá)到容量的40 多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。在無線頻譜資源相對(duì)匱乏的今天，　 MIMO系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性，也會(huì)在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用。 


(6)軟件無線電技術(shù)

    軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個(gè)通用硬件平臺(tái)，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號(hào)處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號(hào)流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和空中接口。軟件無線電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多  
模式手機(jī)和基站，能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的可變QoS。

(7)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)，同已有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點(diǎn)，即：可以實(shí)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(shí)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(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。

(8)多用戶檢測技術(shù)

    多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個(gè)用戶信號(hào)之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾存在的根源。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號(hào)功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對(duì)每個(gè)用戶的信號(hào)分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差；多用戶檢測技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號(hào)信息對(duì)單個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對(duì)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。隨著多用戶檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高性能又不是特別復(fù)雜的多用戶檢測器算法不斷提出，在4G實(shí)際系統(tǒng)中采用多用戶檢測技術(shù)將是切實(shí)可行的。

4、總結(jié)

    4G移動(dòng)通信系統(tǒng)目前還只是一個(gè)基本概念，處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段。不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，盡管4G移動(dòng)通信技術(shù)有著比3G更強(qiáng)的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實(shí)際應(yīng)用，還需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造，這將會(huì)引發(fā)一系列的資金、觀念等問題，從而在一定程度上減緩4G正式進(jìn)入市場的速度。但可以肯定的是，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會(huì)繼續(xù)高速發(fā)展，4G將會(huì)是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，是滿足未來市場需求的新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)。