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

1、引言

隨著(zhù)人們對移動(dòng)通信系統的各種需求與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系統和部分投入商用的3G系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代移動(dòng)通信系統日益增長(cháng)的高速多媒體數據業(yè)務(wù)，許多國家已經(jīng)投入到對4G移動(dòng)通信系統的研究和開(kāi)發(fā)中。本文將概要介紹4G移動(dòng)通信系統的主要技術(shù)特點(diǎn)，并討論4G系統中可能采用的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

2、4G移動(dòng)通信系統的主要特點(diǎn)

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

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

(2)以數字寬帶技術(shù)為主。在4G移動(dòng)通信系統中，信號以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區也會(huì )相應小很多，很大程度上提高用戶(hù)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)通信系統實(shí)現全球統一的標準，讓所有移動(dòng)通信運營(yíng)商的用戶(hù)享受共同的4G服務(wù)，真正實(shí)現一部手機在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。

(4)較強的靈活性。4G移動(dòng)通信系統采用智能技術(shù)使

其能自適應地進(jìn)行資源分配，能對通信過(guò)程中不斷變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應處理而滿(mǎn)足通信要求，采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復雜環(huán)境進(jìn)行信號的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。

(5)多類(lèi)型用戶(hù)共存。4G移動(dòng)通信系統能根據動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )和變化的信道條件進(jìn)行自適應處理，使低速與高速的用戶(hù)以及各種各樣的用戶(hù)設備能夠共存與互通，從而滿(mǎn)足系統多類(lèi)型用戶(hù)的需求。

(6)多種業(yè)務(wù)的融合。4G移動(dòng)通信系統支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù)，包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會(huì )議電視、虛擬現實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶(hù)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、廣播和娛樂(lè )等行業(yè)結合成一個(gè)整體，更加安全、方便地向用戶(hù)提供更廣泛的服務(wù)與應用。

(7)先進(jìn)的技術(shù)應用。4G移動(dòng)通信系統以幾項突破性技術(shù)為基礎，如：OFDM多址接入方式、智能天線(xiàn)和空時(shí)編碼技術(shù)、無(wú)線(xiàn)鏈路增強技術(shù)、軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、高效的調制解調技術(shù)、高性能的收發(fā)信機和多用戶(hù)檢測技術(shù)等。

(8)高度自組織、自適應的網(wǎng)絡(luò )。4G移動(dòng)通信系統是一個(gè)完全自治、自適應的網(wǎng)絡(luò )，擁有對結構的自我管理能力，以滿(mǎn)足用戶(hù)在業(yè)務(wù)和容量方面不斷變化的需求。

3、4G移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)

為了適應移動(dòng)通信用戶(hù)日益增長(cháng)的高速多媒體數據業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)現4G系統較3G的優(yōu)越之處，4G移動(dòng)通信系統將主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)：

(1)接入方式和多址方案

OFDM(正交頻分復用)是一種無(wú)線(xiàn)環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，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(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)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(gè)子信道是相對平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬。OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是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，可實(shí)現低成本的單波段接收機。OFDM的主要缺點(diǎn)是功率效率不高。

(2)調制與編碼技術(shù)

4G移動(dòng)通信系統采用新的調制技術(shù)，如多載波正交頻分復用調制技術(shù)以及單載波自適應均衡技術(shù)等調制方式，以保證頻譜利用率和延長(cháng)用戶(hù)終端電池的壽命。4G移動(dòng)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(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條件下保證系統足夠的性能。

(3)高性能的接收機

4G移動(dòng)通信系統對接收機提出了很高的要求。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3G系統如果信道帶寬為5MHz，數據速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于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?？梢?jiàn)對于4G系統，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。

(4)智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)具有抑制信號干擾、自動(dòng)跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線(xiàn)應用數字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準用戶(hù)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(dòng)用戶(hù)信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術(shù)既能改善信號質(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(xiàn)進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線(xiàn)，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，當不同的接收天線(xiàn)和不同的發(fā)射天線(xiàn)之間互不相關(guān)時(shí)，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。例如：當接收天線(xiàn)和發(fā)送天線(xiàn)數目都為8根，且平均信噪比為20dB時(shí)，鏈路容量可以高達42bps/Hz，這是單天線(xiàn)系統所能達到容量的40 多倍。因此，在功率帶寬受限的無(wú)線(xiàn)信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。在無(wú)線(xiàn)頻譜資源相對匱乏的今天，　 MIMO系統已經(jīng)體現出其優(yōu)越性，也會(huì )在4G移動(dòng)通信系統中繼續應用。

(6)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

軟件無(wú)線(xiàn)電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過(guò)一個(gè)通用硬件平臺，利用軟件加載方式來(lái)實(shí)現各種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)電通信系統的一種具有開(kāi)放式結構的新技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)電的核心思想是在盡可能靠近天線(xiàn)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(lái)定義無(wú)線(xiàn)功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實(shí)現。其軟件系統包括各類(lèi)無(wú)線(xiàn)信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調制解調算法軟件等。軟件無(wú)線(xiàn)電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(wǎng)絡(luò )和空中接口。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多

模式手機和基站，能實(shí)現各種應用的可變QoS。

(7)基于IP的核心網(wǎng)

4G移動(dòng)通信系統的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全IP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)現不同網(wǎng)絡(luò )間的無(wú)縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無(wú)線(xiàn)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(kāi)放的結構，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)、控制和傳輸等分開(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、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無(wú)線(xiàn)接入協(xié)議相兼容，因此在設計核心網(wǎng)絡(luò )時(shí)具有很大的靈活性，不需要考慮無(wú)線(xiàn)接入究竟采用何種方式和協(xié)議。

(8)多用戶(hù)檢測技術(shù)

多用戶(hù)檢測是寬帶CDMA通信系統中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統中，各個(gè)用戶(hù)信號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(hù)產(chǎn)生的多址干擾固然很小，可是隨著(zhù)用戶(hù)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(gè)主要干擾。傳統的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴頻理論對每個(gè)用戶(hù)的信號分別進(jìn)行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差；多用戶(hù)檢測技術(shù)在傳統檢測技術(shù)的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶(hù)信號信息對單個(gè)用戶(hù)的信號進(jìn)行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應問(wèn)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(zhù)提高系統容量。隨著(zhù)多用戶(hù)檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高性能又不是特別復雜的多用戶(hù)檢測器算法不斷提出，在4G實(shí)際系統中采用多用戶(hù)檢測技術(shù)將是切實(shí)可行的。

4、總結

4G移動(dòng)通信系統目前還只是一個(gè)基本概念，處于實(shí)驗室研究開(kāi)發(fā)階段。不少業(yè)內人士認為，盡管4G移動(dòng)通信技術(shù)有著(zhù)比3G更強的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實(shí)際應用，還需要對現有的移動(dòng)通信基礎設施進(jìn)行更新改造，這將會(huì )引發(fā)一系列的資金、觀(guān)念等問(wèn)題，從而在一定程度上減緩4G正式進(jìn)入市場(chǎng)的速度。但可以肯定的是，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會(huì )繼續高速發(fā)展，4G將會(huì )是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統，是滿(mǎn)足未來(lái)市場(chǎng)需求的新一代的移動(dòng)通信系統。