第四代移動(dòng)通信系統研究

　　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)需求。雖然3G標準比當前主流的移動(dòng)通信技術(shù)更強大，但它存在難以提供動(dòng)態(tài)范圍多速率業(yè)務(wù)，難以實(shí)現不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無(wú)縫漫游等一系列局限性，這使得全世界通信業(yè)的專(zhuān)家們將目光更遠地投向了第四代移動(dòng)通信，以期通過(guò)第四代移動(dòng)通信系統來(lái)解決3G無(wú)法解決的問(wèn)題，最終實(shí)現商業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、局域網(wǎng)、藍牙、廣播、電視衛星通信的無(wú)縫銜接并相互兼容，真正實(shí)現“任何人在任何地點(diǎn)以任何形式接入網(wǎng)絡(luò )”的夢(mèng)想。

　　目前，針對4G的產(chǎn)生背景、概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò )架構、技術(shù)支撐、標準化工作，以及發(fā)展狀態(tài)的討論已有很多，本文對它們進(jìn)行分析和總結，并闡述4G技術(shù)的發(fā)展可能對我國3G網(wǎng)絡(luò )建設帶來(lái)的影響。

　　1 4G的產(chǎn)生、概念和特點(diǎn)

　　盡管目前3G的各種標準和規范已達成協(xié)議，并已開(kāi)始商用，但3G技術(shù)仍存在一些不足。3G的局限性主要體現為：(1)缺乏全球統一標準;(2)3G所運用的語(yǔ)音交換架構仍承襲了2G的電路交換，而不是完全IP形式;(3)由

　　于采用CDMA技術(shù)，難以達到很高的通信速率，無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求;(4)由于3G空中接口標準對核心網(wǎng)有所限制，因此3G難以提供具有多種QoS及性能的各種速率的業(yè)務(wù);(5)由于3G采用不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境，需要移動(dòng)終端配置有相應不同的軟、硬件模塊，而3G移動(dòng)終端目前尚不能夠實(shí)現多業(yè)務(wù)環(huán)境的不同配置，也就無(wú)法實(shí)現不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無(wú)縫漫游。所有這些局限性推動(dòng)了人們對下一代通信系統——4G的研究和期待。

　　究竟什么是4G，目前尚未有明確的定義。一種普遍認可的觀(guān)點(diǎn)將4G稱(chēng)為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò )，具有非對稱(chēng)的超過(guò)2Mbit/s的數據傳輸能力及不同速率間的自動(dòng)切換能力，是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統、寬帶接入IP系統，包括廣帶無(wú)線(xiàn)固定接入、廣帶無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò ), 集成不同模式的無(wú)線(xiàn)通信，移動(dòng)用戶(hù)可以自由地從一個(gè)標準漫游到另一個(gè)標準。而有的學(xué)者將4G稱(chēng)為超高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，認為4G是一種不需要電纜的信息超級高速公路，該網(wǎng)絡(luò )可使電話(huà)用戶(hù)以無(wú)線(xiàn)形式實(shí)現全方位虛擬連接。還有人將4G稱(chēng)為“多媒體移動(dòng)通信(Multi-Mobile Communication)”。也有學(xué)者認為采用了OFDM和MIMO技術(shù)的HSOPA就可作為4G的標準。同時(shí)，也有一部分專(zhuān)家認為4G就是超3G(又稱(chēng)后3G、B3G或Beyond IMT-2000，這個(gè)超3G的概念涵蓋了現有的3G、3G增強技術(shù)，以及新的移動(dòng)接入和游牧/本地接入系統)。

　　盡管4G暫處在研究的初級階段，而國際電信聯(lián)盟(ITU)、無(wú)線(xiàn)世界研究論壇(WWRF)和3GPP已開(kāi)始研究4G系統及其標準化工作。目前正在構思中的4G移動(dòng)通信系統將具有如下特征(也就是對未來(lái)4G的需求)：

　　高速率，高容量：對于大范圍高速移動(dòng)用戶(hù)(250km/h)，數據速率為2Mbit/s;對于中速移動(dòng)用戶(hù)(60km/h)，數據速率為20Mbit/s;對于低速移動(dòng)用戶(hù)(室內或步行者)，數據速率為100Mbit/s;其容量至少應是3G系統容量的10倍以上。

　　網(wǎng)絡(luò )頻帶更寬：每個(gè)4G信道將占有100MHz頻譜，相當于W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò )的20倍。

　　兼容性更加平滑：4G應該接口開(kāi)放、能夠跟多種網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)，并且具備很強的對2G、3G手機的兼容性，以完成對多種用戶(hù)的融合。在不同系統間無(wú)縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數據。

　　靈活性更強：4G擬采用智能技術(shù)，可自適應地進(jìn)行資源分配。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)行信號的正常收發(fā)。

　　用戶(hù)共存性：能根據網(wǎng)絡(luò )的狀況和信道條件進(jìn)行自適應處理，使低、高速用戶(hù)和各種用戶(hù)設備能夠并存與互通，從而滿(mǎn)足多類(lèi)型用戶(hù)的需求。

　　運營(yíng)商或用戶(hù)花費更低的費用就可隨時(shí)隨地地提供或接入各種業(yè)務(wù)。

　　2 4G的網(wǎng)絡(luò )架構及其關(guān)鍵技術(shù)

　　圖1 融合的4G/B3G網(wǎng)絡(luò )架構

　　雖然4G系統尚處于研究的起步階段，其網(wǎng)絡(luò )結構也還沒(méi)有成型，但是對于這方面的研究已有很多。網(wǎng)絡(luò )融合趨勢是顯而易見(jiàn)的，基于網(wǎng)絡(luò )融合的4G網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。從圖1中可以看出，基于人們目前對4G廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò )的普遍理解，未來(lái)的4G網(wǎng)絡(luò )將是一種全IP的網(wǎng)絡(luò )結構(包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng))，4G系統將是一個(gè)集成廣播電視網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )、衛星網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)、藍牙等系統和固定的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為一體的結構，各種類(lèi)型的接入網(wǎng)通過(guò)媒體接入系統都能夠無(wú)縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴展的平臺。

　　目前認為4G網(wǎng)絡(luò )體系的分層結構大致可分為3層，自上而下分為：物理層(又稱(chēng)物理網(wǎng)絡(luò )層或接入 層)、網(wǎng)絡(luò )層(又稱(chēng)中間環(huán)境層或承載層)、應用層(又稱(chēng)應用網(wǎng)絡(luò )層或業(yè)務(wù)控制層)，如圖2所示。其中物理層提供接入和選路功能，網(wǎng)絡(luò )層作為橋接層提供QoS映射、地址轉換、即插即用、安全管理、有源網(wǎng)絡(luò )。物理層與網(wǎng)絡(luò )層提供開(kāi)放式IP接口。應用層與網(wǎng)絡(luò )層之間也是開(kāi)放式接口，用于第三方開(kāi)發(fā)和提供新業(yè)務(wù)。

　　圖2 4G/B3G網(wǎng)絡(luò )架構的層次和模塊模型

　　4G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：OFDM(正交頻分復用)、AMC(自適應編碼調制)、SA/IA(智能天線(xiàn)，原名為自適應天線(xiàn)陣列AAA)、MIMO(多入多出)、SDR(軟件無(wú)線(xiàn)電)、IPv6(下一代的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)、定位技術(shù)和切換技術(shù)。

　　3 4G通信發(fā)展面臨的問(wèn)題

　　4G系統投入實(shí)際應用將遇到技術(shù)和市場(chǎng)兩方面的挑戰。從技術(shù)角度來(lái)分析，4G要實(shí)現高數據速率、高機動(dòng)性和無(wú)縫隙漫游，必須對現有的移動(dòng)通信基礎設施進(jìn)行更新改造，首先需要解決無(wú)線(xiàn)系統中的移動(dòng)性管理、資源管理和核心網(wǎng)的移動(dòng)IP技術(shù)等問(wèn)題，還有4G的標準問(wèn)題。其次要開(kāi)發(fā)新的頻譜資源，提高頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術(shù)。例如，利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術(shù)來(lái)增強系統的性能，提高信噪比;提高檢測可用的資源以及信號質(zhì)量、動(dòng)態(tài)分配頻率資源和信號發(fā)射功率、增加移動(dòng)通信系統容量、降低信號發(fā)射功率;提高通信的覆蓋范圍，并支持多媒體通信、無(wú)線(xiàn)接入寬帶固定網(wǎng)以及在不同系統之間的漫游等。此外，4G移動(dòng)通信的數據傳輸將比3G高一個(gè)數量級，這也會(huì )引起一系列技術(shù)上的難題。

　　而從市場(chǎng)角度分析，有專(zhuān)家預測：到2010年后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第三個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系統，整個(gè)行業(yè)正在消化吸收第三代技術(shù)，利用4G相關(guān)技術(shù)對3G進(jìn)行改進(jìn)與完善的工作也會(huì )同時(shí)進(jìn)行?？梢?jiàn)，對于4G系統的接受還需要一個(gè)逐步過(guò)渡的過(guò)程。

　　4 4G對我國移動(dòng)通信發(fā)展的影響

　　目前，世界發(fā)達國家都在積極進(jìn)行4G技術(shù)規格的研究制定，以期在全球4G規格制定中享有發(fā)言權。擁有4G的各項運行標準制定權的國際電信聯(lián)盟電信標準局ITU-T，計劃在2010年制定出全世界統一的第四代移動(dòng)通信標準。

　　我國對4G的研究也已經(jīng)正式列入863項目，并啟動(dòng)了“FuTURE計劃”，旨在2006年1月～2010年12月，設立有關(guān)重大專(zhuān)項，完成通用無(wú)線(xiàn)環(huán)境的體制標準研究及其系統實(shí)用化研究，開(kāi)展較大規模的現場(chǎng)試驗等。截至目前，我國在4G研究中也取得了不少成果，如漢網(wǎng)高技術(shù)有限公司、華中科技大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)手攻克的全IP蜂窩移動(dòng)技術(shù)，其被國際公認為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的核心。

　　目前我國的3G系統建設尚未起步，但3G牌照可能會(huì )在近期發(fā)放，激起3G網(wǎng)絡(luò )建設的熱潮。對此，筆者認為需要考慮以下幾個(gè)方面，我國通信發(fā)展的實(shí)際情況是目前仍以語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主要需求;3G系統在多媒體業(yè)務(wù)上存在一定的局限性;3G的實(shí)際作用是為4G進(jìn)行多媒體業(yè)務(wù)的市場(chǎng)培育;未來(lái)4G系統設備革命性演變可能帶來(lái)的投資沖擊等。本文認為3G的主流業(yè)務(wù)仍應該以語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)為主，多媒體時(shí)代仍需等待4G系統的建設，因此我國各大運營(yíng)商在選擇3G系統的建設時(shí)機及建設規模上應謹慎抉擇。

　　5 結束語(yǔ)

　　4G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。盡管4G技術(shù)有著(zhù)比3G更快的通信速度、更寬的網(wǎng)絡(luò )頻譜、更加靈活等一系列優(yōu)越性，但要真正實(shí)現，現在看來(lái)還面臨著(zhù)許多難題。因此，現在對4G網(wǎng)絡(luò )結構的可行性、靈活性及其關(guān)鍵技術(shù)的探討將對4G的盡快實(shí)現有十分重要的意義。本文對4G通信技術(shù)的產(chǎn)生背景、概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò )架構、技術(shù)、發(fā)展情況等進(jìn)行了討論。具有高數據率、高頻譜利用率、低發(fā)射功率、靈活業(yè)務(wù)支撐能力的4G系統，將是通往未來(lái)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信系統的必然途徑。