4G移動(dòng)通信系統關(guān)鍵技術(shù)及演進(jìn)

本文關(guān)鍵字: 移動(dòng)通信, 網(wǎng)絡(luò ), OFDM, 軟件無(wú)線(xiàn)電, 智能天線(xiàn), IPV6, 4G, 3G, 天線(xiàn), GSM, GPRS, CDMA, 電信, ITU, 無(wú)線(xiàn)通信, 多媒體, Qos, 無(wú)線(xiàn)接入, 漫游, 融合, IP, 基站, 服務(wù)器, 信令, 多載波調制, 頻譜利用率, 放大器, SDR, 寬帶, 變換器, 射頻, 測試, 運營(yíng)商, DSP, SDMA, 監測, 下一代網(wǎng)絡(luò ), IPv4, 互聯(lián)網(wǎng), 接入網(wǎng), 3G牌照

摘要　隨著(zhù)世界范圍內第三代移動(dòng)通信系統逐步實(shí)施，移動(dòng)通信未來(lái)的發(fā)展及演進(jìn)問(wèn)題成了研究熱點(diǎn)。本文介紹了第四代移動(dòng)通信及其性能和系統網(wǎng)絡(luò )結構及OFDM、軟件無(wú)線(xiàn)電、智能天線(xiàn)、IPv6等關(guān)鍵技術(shù)，并分析了4G移動(dòng)通信系統與3G移動(dòng)通信的關(guān)系，并對通信系統演進(jìn)做了展望。

關(guān)鍵詞　4G　3G　OFDM　軟件無(wú)線(xiàn)電　智能天線(xiàn)　IPv6

0、概述

　　目前，第三代移動(dòng)通信(3G)各種標準和規范已形成協(xié)議，從2001年起先后在日本和韓國投入商用，但目前大多數國家運營(yíng)的仍然是2G或2.5G的移動(dòng)通信系統。我國運營(yíng)的移動(dòng)通信系統主要是2G的GSM/GPRS和CDMA系統。目前用戶(hù)對移動(dòng)通信系統的數據傳輸速率要求越來(lái)越高，而3G系統實(shí)際所能提供的最高速率也只有384kbps(雖然標稱(chēng)最高速率為2Mbps)，不能滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求，因此在3G系統還沒(méi)有大規模投入商用的情況下，國內外移動(dòng)通信領(lǐng)域的專(zhuān)家已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行4G(或B3G)系統的研究和開(kāi)發(fā)工作。

　　國際電信聯(lián)盟(ITU)早在1999年9月把“第三代之后”的移動(dòng)通信系統下的標準化問(wèn)題提上了日程，在ITU-R的工作計劃中列入了“IMT 2000及其以后的系統”，ITU有關(guān)4G的提法是Beyond IMT-2000(3G)，并提議各會(huì )員國于2010年實(shí)現4G的商用。但到現在4G也僅是一個(gè)基本框架而已，定義并不明晰。

　　目前對第四代移動(dòng)通信系統的描述主要有以下幾方面：(1)建立在新的頻段(比如5-8GHz或更高)上的無(wú)線(xiàn)通信系統，基于分組數據的高速率傳輸(50Mbps以上)，承載大量的多媒體信息，具有非對稱(chēng)的上下行鏈路速率、地區的連續覆蓋、QoS機制、很低的比特開(kāi)銷(xiāo)等功能；(2)真正的“全球統一”(包括衛星部分)通信系統，基于全新網(wǎng)絡(luò )體制的系統，或者說(shuō)其無(wú)線(xiàn)部分將是對新網(wǎng)絡(luò )(智能的、支持多業(yè)務(wù)的、可進(jìn)行移動(dòng)管理)的“無(wú)線(xiàn)接入”，能使各類(lèi)媒體、通信主機及網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行“無(wú)縫”連接，使得用戶(hù)能夠自由的在各種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境間無(wú)縫漫游；(3)將不是單純的傳統意義上的 “通信”系統，而是融合了數字通信、數字音/視頻接收(點(diǎn)播)/和因特網(wǎng)接入的嶄新的系統，用戶(hù)能夠自由的選擇協(xié)議、應用和網(wǎng)絡(luò )。讓?xiě)脴I(yè)務(wù)提供商 (ASP)及內容提供商能夠提供獨立于操作的業(yè)務(wù)及內容。

1、4G移動(dòng)通信系統中關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1　4G通信系統的網(wǎng)絡(luò )結構

　　目前，4G系統仍處于研究的起步階段，相關(guān)標準尚未出臺，網(wǎng)絡(luò )結構也沒(méi)有成型，但網(wǎng)絡(luò )融合的趨勢是顯而易見(jiàn)的，如圖1所示。圖中的“全IP核心網(wǎng)”包括從IP骨干傳輸層到控制層、應用層的一個(gè)整體。未來(lái)的無(wú)線(xiàn)基站將具備通過(guò)IP協(xié)議直接接入“全IP核心網(wǎng)”的能力，2G移動(dòng)通信系統原有的交換中心MSC、歸屬位置寄存器HLR、鑒權中心AUC等網(wǎng)元的主要功能都將由4G網(wǎng)絡(luò )上的服務(wù)器或數據庫來(lái)實(shí)現，信令網(wǎng)上的各層協(xié)議也將逐漸被IP協(xié)議所取代。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )將從過(guò)去的垂直樹(shù)型結構演變?yōu)榉植际降穆酚山Y構，業(yè)務(wù)的差異性也只體現在接入層面。  {{分頁(yè)}}

圖1　4G移動(dòng)通信系統網(wǎng)絡(luò )組成示意圖

　　4G通信系統按照功能可以劃分為接入層、承載層和業(yè)務(wù)控制層3層。接入層允許用戶(hù)使用各種終端通過(guò)各種形式接入到4G通信系統中，這一部分將是革命性的演進(jìn)；承載層提供QoS保證、安全管理、地址轉換等功能，與接入層之間的接口應為開(kāi)放的IP協(xié)議接口；業(yè)務(wù)控制層提供對業(yè)務(wù)的管理、加載等功能，它與承載層之間也應有開(kāi)放的接口，以便于第三方提供新的業(yè)務(wù)應用。

　　從前面對4G通信系統的描述中可看出，它是一個(gè)遠比3G更加復雜的通信系統，它的實(shí)現需要依托于很多新興技術(shù)。在4G通信系統中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無(wú)線(xiàn)電、智能天線(xiàn)、移動(dòng)IPv6等，下面分別介紹這幾種4G通信系統中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2　OFDM(正交頻分復用)

　　由于無(wú)線(xiàn)信道存在多徑效應，數據信號在各種不同類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)信道上傳輸時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)延會(huì )造成接收信號的碼間干擾，尤其當碼元速率提高而周期相應縮短時(shí)，時(shí)延將會(huì )跨越更多的碼元，而使這種干擾變得更大。此外，碼元速度的提高引起信號帶寬相應增大，當信號帶寬大干信道的相關(guān)帶寬時(shí)會(huì )造成頻率選擇性衰落。目前單載波調制技術(shù)為了能夠盡量減輕這種衰落而采用了均衡技術(shù)，但卻不得不以增加信道噪聲作為代價(jià)。

　　未來(lái)的無(wú)線(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)首先要求數據傳輸速率要高，同時(shí)又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調制解調技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長(cháng)的碼元周期?；谶@樣的考慮，產(chǎn)生了OFDM技術(shù)，屬于多載波調制技術(shù)(MCM)中的一種。OFDM是4G通信網(wǎng)的核心技術(shù)。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個(gè)子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM技術(shù)之所以越來(lái)越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

(2)抗衰落能力強。OFDM把用戶(hù)信息通過(guò)多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號時(shí)間就相應地比同速率的單載波系統上的信號時(shí)間長(cháng)很多倍，使OFDM對脈沖噪聲(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力更強。同時(shí)，通過(guò)子載波的聯(lián)合編碼，達到了子信道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如衰落不特別嚴重，就沒(méi)必要再添加時(shí)域均衡器。 {{分頁(yè)}}

(3)適合高速數據傳輸。OFDM自適應調制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調制方式。當信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調制方式。當信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強的調制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統可以把更多的數據集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數據傳輸。

(4)抗碼間干擾(ISI)能力強。碼間干擾是數字通信系統中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì )造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對抗碼間干擾的能力很強。

　　除上述優(yōu)點(diǎn)外，OFDM也有3個(gè)較明顯的缺點(diǎn)。

　　首先，對頻偏和相位噪聲敏感。頻偏和相位噪聲會(huì )使OFDM各子載波之間的正交性惡化，使信噪比下降。

　　其次，功率峰值與均值比(PARR)大，導致發(fā)送端放大器功率效率較低。由于OFDM的信號是由多個(gè)獨立的經(jīng)過(guò)調制的子載波信號相加合成的，因此有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就有可能產(chǎn)生較大的PARR值。而過(guò)高的PARR值通常會(huì )對發(fā)送端功率放大器提出較高的線(xiàn)性要求，從而增加基站和用戶(hù)終端的成本。

　　第三，自適應的調制技術(shù)使系統復雜度有所增加。OFDM采用的自適應調制技術(shù)會(huì )增加發(fā)射機和接收機的復雜度，并且當移動(dòng)終端達到車(chē)載的移動(dòng)速度時(shí)，自適應的調制技術(shù)就沒(méi)有很大意義了。

1.3　軟件無(wú)線(xiàn)電

　　所謂軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Defined Radio,簡(jiǎn)稱(chēng)SDR)，就是采用數字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來(lái)定義實(shí)現無(wú)線(xiàn)電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個(gè)無(wú)線(xiàn)電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來(lái)完成。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的基本思想是將硬件作為其通用的基本平臺，把盡可能多的無(wú)線(xiàn)及個(gè)人通信功能通過(guò)可編程軟件來(lái)實(shí)現，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號傳輸與處理的無(wú)線(xiàn)電系統。也可以說(shuō)，是一種用軟件來(lái)實(shí)現物理層連接的無(wú)線(xiàn)通信方式。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的核心技術(shù)是用寬頻帶無(wú)線(xiàn)接收機代替原來(lái)的窄帶接收機，并將寬帶的模擬/數字、數字/模擬變換器盡可能的靠近天線(xiàn)，從而使通信電臺的功能盡可能多的采用可編程軟件來(lái)實(shí)現。其結構如圖2所示。

圖2　軟件無(wú)線(xiàn)電結構示意圖 {{分頁(yè)}}

　　軟件無(wú)線(xiàn)電的優(yōu)勢主要體現在以下幾個(gè)方面。

(1)系統結構通用，功能實(shí)現靈活，改進(jìn)升級方便。工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號接入方式和可編程調制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調制方式或接收不同系統的信號；可通過(guò)軟件工具來(lái)擴展業(yè)務(wù)、分析無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境、定義所需增強的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測試，升級便捷

(2)提供了不同系統間互操作的可能性。軟件無(wú)線(xiàn)電可以使移動(dòng)終端適合各種類(lèi)型的空中接口，可以在不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)間轉換。多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D、D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價(jià)的信號處理性能。

(3)由于通過(guò)軟件實(shí)現系統的主要功能，因此更易于采用新的信號處理手段，從而提高了系統抗干擾的性能。

(4)擁有較強跟蹤新技術(shù)的能力。由于它能在保證硬件平臺基本結構不發(fā)生變化的情況下，通過(guò)改變軟件來(lái)實(shí)現新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了設備商的新通信產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和周期，同時(shí)也降低了運營(yíng)商的投資。

　　實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電還需克服以下技術(shù)難點(diǎn)。

(1)多頻段天線(xiàn)的設計。軟件無(wú)線(xiàn)電的天線(xiàn)需要覆蓋多個(gè)頻段，以滿(mǎn)足多信道不同方式同時(shí)通信的需求，而射頻頻率和傳播條件的不同，使得各頻段對天線(xiàn)的要求存在著(zhù)較大的差異，因此多頻段天線(xiàn)的設計成為軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現的難點(diǎn)之一。

(2)寬帶A/D、D/A轉換。根據奈奎斯特抽樣定理，要從抽樣信號中無(wú)失真地恢復原信號，抽樣頻率應大于2倍信號最高頻率。而目前A/D、D/A的最高采樣頻率受到其性能的限制，從而也限制了所能處理的已調信號頻率。

(3)高速DSP(數字信號處理器)。高速DSP芯片主要完成各種波形的調制解調和編解碼過(guò)程，它需要有更多的運算資源和更高的運算速度來(lái)處理經(jīng)寬帶A/D、D/A變換后的高速數據流，因此其芯片有待進(jìn)一步研發(fā)。

1.4　智能天線(xiàn)

　　智能天線(xiàn)定義為波束間沒(méi)有切換的多波束或自適應陣列天線(xiàn)。多波束天線(xiàn)在一個(gè)扇區中使用多個(gè)固定波束，而在自適應陣列中，多個(gè)天線(xiàn)的接收信號被加權并且合成在一起使信噪比達到最大。與固定波束天線(xiàn)相比，天線(xiàn)陣列的優(yōu)點(diǎn)是除了提供高的天線(xiàn)增益外，還能提供相應倍數的分集增益。但是它們要求每個(gè)天線(xiàn)有一個(gè)接收機，還能提供相應倍數的分集增益。

　　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，其基本工作原理是根據信號來(lái)波的方向自適應地調整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。智能天線(xiàn)可以提高信噪比，提升系統通信質(zhì)量，緩解無(wú)線(xiàn)通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統整體造價(jià)，因此其勢必會(huì )成為4G系統的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線(xiàn)的核心是智能的算法，而算法決定電路實(shí)現的復雜程度和瞬時(shí)響應速率，因此需要選擇較好算法實(shí)現波束的智能控制。

　　目前2G通信系統中采用的天線(xiàn)分為全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)兩種，全向天線(xiàn)應用于360