淺談４Ｇ移動通信系統的網絡接入技術

陳富節　吳　剛　李冠民　鄧杰英　丁　攀

[摘要]未來移動通訊技術最明顯的發展趨勢是高數據速率、高機動性、任意位置的網絡接入和無縫漫游。首先將介紹下一代移動通訊技術4G的主要技術特點和關鍵技術,然后介紹4G網絡架構及IP接入方式。

[關鍵詞]移動通信4G網絡IP接入方式

中圖分類號:TN92文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0920019-02

隨著中國幾大電信運營商分別推出3G移動通訊網絡的相關服務。人們對移動通信系統關注程度和各種需求與日俱增。3G通信面臨競爭和標準不兼容等問題,也不能滿足現代移動通信系統日益增長的高速多媒體數據業務。[1]4G是解決傳輸速度和標準統一的主要技術。本文將介紹4G移動通信系統的主要技術特點,并討論采用的關鍵技術。

一、4G網絡的發展現狀

世界發達國家已積極投入4G通信技術規格的制定與研究。愛立信公司已開始進行第四代移動通信標準的研究,并著手研制第四代移動通信系統。愛立信與美國加利福尼亞大學合作開發4G技術,加利福尼亞大學已經正式成立了加州通信和信息技術學會。美國AT&T已推出了4G網絡,并初步實現上傳、下載。日本和韓國在第四代移動通信領域也進行合作,兩國將共同建立因特網網絡、例行兩國之間的有線無線通訊結合環境,并進行超高速衛星通信實驗。[2]

我國漢網公司研制出的漢網“寬帶無線IP通信系統”使用了4G技術和IP網絡技術,以漢網特有的包分多址(PDMA)接入技術為核心,可為無線用戶提供高達近2Mbps的互聯網業務和高速率的多媒體數據業務。

二、4G移動通訊主要特點和關鍵技術

(一)4G移動通信系統技術的特點

1.數據傳輸速率高。對于大范圍高速移動用戶(250km/h),數據速率為2Mb/s;對于中速移動用戶(60km/h),數據速率為20Mb/s;對于低速移動用戶(室內或步行者),數據速率為100Mb/s。

2.基于數字寬帶技術。在4G移動通信系統中,信號以毫米波為主要傳輸波段,蜂窩小區也會相應小很多,很大程度上提高用戶容量,但同時也會引起系列技術上的難題。

3.網絡兼容性好。4G移動通信系統實現全球統一的標準,讓所有移動通信運營商的用戶享受共同的4G服務,真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。

4.具有較強的靈活性。4G移動通信系統采用智能技術使其能自適應地進行資源分配,能對通信過程中不斷變化的業務流大小進行相應處理而滿足通信要求,采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常發送與接收,有很強的智能性、適應性和靈活性。

5.多用戶共存。4G移動通信系統能根據動態的網絡和變化的信道條件進行自適應處理,使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設備能夠共存與互通,從而滿足系統多類型用戶的需求。

6.多種業務的融合。4G移動通信系統支持更豐富的移動業務,包括高清晰度圖像業務、會議電視、虛擬現實業務等,使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務。將個人通信、信息系統、廣播和娛樂等行業結合成一個整體,更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務與應用。

7.基于先進的通信技術。4G移動通信系統以幾項突破性技術為基礎,如:OFDM多址接入方式、智能天線和空時編碼技術、無線鏈路增強技術、軟件無線電技術、高效的調制解調技術、高性能的收發信機和多用戶檢測技術等。

8.高度自組織、自適應的網絡。4G移動通信系統是一個完全自治、自適應的網絡,擁有對結構的自我管理能力,以滿足用戶在業務和容量方面不斷變化的需求。

(二)4G移動通信技術的關鍵技術

為了適應移動通信用戶日益增長的高速多媒體數據業務需求,具體實現4G系統較3G的優越之處,4G移動通信系統將主要采用以下關鍵技術:

1.接入方式和多址方案

OFDM(正交頻分復用)是一種無線環境下的高速傳輸技術,其主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,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,但是每個子信道是相對平坦的,在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應帶寬。

2.調制與編碼技術

4G移動通信系統采用新的調制技術,如多載波正交頻分復用調制技術以及單載波自適應均衡技術等調制方式,以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統采用更高級的信道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發請求(ARQ)技術和分集接收技術等,從而在低Eb/N0條件下保證系統足夠的性能。

3.高性能的接收機

Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理,可以計算出,對于4G系統,要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數據,則所需要的SNR為12dB。

4.智能天線技術

智能天線應用數字信號處理技術,產生空間定向波束,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的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。

5.MIMO技術

MIMO(多輸入多輸出)技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術,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。信息論已經證明,當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時,MIMO系統能夠很好地提高系統的抗衰落和噪聲性能,從而獲得巨大的容量。

6.軟件無線電技術

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,各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站,能實現各種應用的可變QoS。

7.基于IP的核心網

4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡,同已有的移動網絡相比具有根本性的優點,即:可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案,能提供端到端的IP業務,能同已有的核心網和PSTN兼容。采用IP后,所采用的無線接入方式和協議與核心網絡(CN)協議、鏈路層是分離獨立的。

8.多用戶檢測技術

多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統中,各個用戶信號之間存在一定的相關性,這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小,可是隨著用戶數的增加或信號功率的增大,多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統的一個主要干擾。傳統的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理,因而抗多址干擾能力較差;多用戶檢測技術在傳統檢測技術的基礎上,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,從而具有優良的抗干擾性能,解決了遠近效應問題,降低了系統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,顯著提高系統容量。[3]隨著多用戶檢測技術的不斷發展,各種高性能又不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出,在4G實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

三、4G網絡IP的接入方式

在4G中網絡的設計架構將會簡化。對于基于IP網絡的寬帶無線接入,可以有兩種設計架構,一種是全IP網絡架構,如圖1所示。在這種網絡設計模型中,基站不僅可以具有信號的物理傳輸功能,還可以對無線資源進行管理,扮演接入路由器的功能,缺點是會引入較大的開銷,尤其是在移動終端進行切換時對移動IP地址進行的配置的過程。[4]

另一種是基于子網的IP架構,如圖2所示,其中幾個相鄰基站組成子網接入基于IP接入網的路由器。這時,基站和接入路由器分別負責管理第二層和第三層的協議,當用戶在相鄰基站間發生切換時,只涉及到第二層的切換協議,不需要改變第三層的移動IP的地址。

四、總結

第四代無線通信技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。這些研究包括網絡結構、用戶切換和漫游等移動環境下的系統實現方案等[5]。4G移動通信技術不僅僅是一項高速的移動設備Internet接入技術,而且是關系到未來能否在通信領域生存發展的關鍵,是通信技術的發展方向。本文從不同的角度給出了4G概念的定義和要求,詳細闡述了4G中IP網絡的接入技術,并且對各自的特點做了分析比較。

在不久的未來,這種以寬帶、接入因特網、具有多種綜合功能第四代移動通信技術將成為移動通信市場主流技術。這也將為我國移動通信的發展提供了前所未有的機遇,同時也帶來了嚴峻的挑戰。

參考文獻:

[1]謝佳秀、唐寶民,4G概念移動通信[J].中國新通信,2007,(23).

[2]田國棟,解析第四代移動通信[J].商場現代化,2009(6).

[3]趙瑞玉,4G移動通信系統的熱點技術及其發展動態[J].山西電子技術,2008,(02).

[4]武霞、亢軍賢、薄征等,全IP第四代移動通信系統研究進展與關鍵技術[J].甘肅科技,2008,(10).

[5]莫晏光、蘇佳佳,基于軟件無線電技術的4G通信研究[J].信息通信,2008,(03).