淺析4G移動通信技術(shù)

崔剛

從80年代起，移動通信發(fā)生了重大的變化并取得迅速的發(fā)展。80年代初，引入了模擬傳輸方式實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)的第一代移動通信系統(tǒng)。80年代末，引入了利用數(shù)字傳輸方式的第二代移動通信系統(tǒng)。它們提供更高的頻譜利用率、更好的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及比第一代更先進的漫游。第二代系統(tǒng)將進一步向第三代系統(tǒng)演變，提供更先進的業(yè)務(wù)。第三代移動通信系統(tǒng)將會在2002年在全球展開應(yīng)用。然而人們對通信的要求沒有止境，人們要求更高的通信速度及更多的業(yè)務(wù)種類。本文主要描述4G系統(tǒng)的基本要素、關(guān)鍵技術(shù)。

4G系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網(wǎng)中。基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用戶可實現(xiàn)在3G、4G、WLAN及固定網(wǎng)間無縫漫游。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。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，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。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的，使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù)，并運行于多個頻帶，這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端，跨越多個運營商和服務(wù)商，提供更大范圍服務(wù)。

4G網(wǎng)絡(luò)有如下特征：

（1）支持現(xiàn)有的系統(tǒng)和將來系統(tǒng)通用接入的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（2）與Internet集成統(tǒng)一，移動通信網(wǎng)僅僅作為一個無線接入網(wǎng)；（3）具有開放、靈活的結(jié)構(gòu)，易于擴展；（4）是一個可重構(gòu)的、自組織的、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；（5）智能化的環(huán)境，個人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務(wù)無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求；（6）用戶在高速移動中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；（7）支持接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各自獨立發(fā)展。

4G通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1.OFDM調(diào)制技術(shù)

未來無線多媒體業(yè)務(wù)既要求數(shù)據(jù)傳輸速率高，又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期，OFDM技術(shù)正滿足這一需求。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是非平坦的，OFDM技術(shù)的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，在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，各子載波并行傳輸，這樣盡管總的信道是非平坦的，但每個子信道是相對平坦的。且在各子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道帶寬，大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術(shù)的最大優(yōu)點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，從而減小各子載波間的相互干擾，提高頻譜利用率。

2.軟件無線電

軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)一通用硬件平臺，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(jié)構(gòu)的技術(shù)。通過不同軟件程序，在硬件平臺上實現(xiàn)在不同系統(tǒng)中利用單一終端漫游。其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，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(shù)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。

3.智能天線（SA）

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被認為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強特殊范圍內(nèi)想要的信號，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)射頻信號的收發(fā)，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各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全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量，計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當(dāng)干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基于預(yù)多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預(yù)先計算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對應(yīng)的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務(wù)是挑選一個作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實現(xiàn)，是未來智能天線技術(shù)發(fā)展的方向。

4.MIMO技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益。空間復(fù)用是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發(fā)射信號，使容量隨天線數(shù)量的增加而線性增加。空間分集有發(fā)射分集和接收分集兩類。基于分集技術(shù)與信道編碼技術(shù)的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領(lǐng)域的研究熱點。MIM0技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。

4G的發(fā)展趨勢

從4G的發(fā)展前景看，除0FDM和智能天線等核心技術(shù)外還包含一些相關(guān)技術(shù)。

（1）交互干擾抑制和多用戶識別：待開發(fā)的交互干擾抑制和多用戶識別技術(shù)應(yīng)成為4G的組成部分。它們以交互干擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統(tǒng)，消除不必要的鄰近和共信道用戶的交互干擾，確保接收高質(zhì)量信號。這種組合將滿足更大用戶容量和覆蓋范圍，大大減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的部署，確保服務(wù)質(zhì)量。

（2）可重構(gòu)性自愈網(wǎng)絡(luò)：4G無線網(wǎng)絡(luò)中將采用智能處理器，可處理節(jié)點故障或基站超載。網(wǎng)絡(luò)各部分采用基于知識解答裝置，可糾正網(wǎng)絡(luò)故障。

（3）微微無線電接收器：未來4G中要研究的另一重點，它是嵌入式無線電。采用此技術(shù)，功耗是采用現(xiàn)有技術(shù)的1/10～1/100。

（4）無線接入網(wǎng)（RAN）：4G系統(tǒng)高速度、大容量，低比特成本。4G系統(tǒng)RAN的發(fā)展趨勢是電路交換向基于IP分組交換發(fā)展，設(shè)備分集向網(wǎng)絡(luò)分集發(fā)展。這種基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得在3G、4G、W-LAN、固定網(wǎng)之間漫游得以實現(xiàn)，并支持下一代因特網(wǎng)。

4G是人類有史以來最復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)。要順利全面地實施4G通信，還將遇到一些困難，其發(fā)展將面臨極大的市場壓力。目前世界發(fā)達國家正積極進行4G技術(shù)規(guī)格的研究制定，研究包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、用戶切換和漫游等移動環(huán)境下的系統(tǒng)實施方案，從而實現(xiàn)用戶的大范圍移動。