摘 要： 本文對(duì)3G 和4G移動(dòng)通信做了簡(jiǎn)要的比較， 并對(duì)4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中將會(huì)用到的關(guān)鍵技術(shù)做了分析。包括OFDM技術(shù)、智能天線技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)、IPv6技術(shù)等。
關(guān)鍵詞： 4G移動(dòng)通信； OFDM； MUD； IPv6
1 引言
第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是能夠滿足國(guó)際電聯(lián)提出的IMT - 2000PFPLMTS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，要求具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)多個(gè)不同系統(tǒng)間的漫游，不僅要為移動(dòng)用戶提供話音及低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)。根據(jù)ITU 的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均己提出了自己的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，主要有W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA以及我國(guó)提出的擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA。但3G也存在以下幾方面的局限性：
不能支持較高的通信速率。3G雖然標(biāo)稱能達(dá)到2Mbit/s 的速率，但平均速率只能達(dá)到384 kbit/s。盡管目前3G增強(qiáng)型技術(shù)不斷發(fā)展，但其傳輸速率還有差距。
不能提供動(dòng)態(tài)范圍多速率業(yè)務(wù)。由于3G空中接口主流的三種體制WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA所支持的核心網(wǎng)不具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以提供具有多種QoS及性能的多速率業(yè)務(wù)。
不能真正實(shí)現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游。由于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(yīng)不同的軟、硬件模塊，而3G移動(dòng)終端目前尚不能實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)環(huán)境的不同配置。由于3G系統(tǒng)以上的局限性，目前，很多公司已經(jīng)開始著手4G 概念通信系統(tǒng)的研究。本文主要介紹4G概念通信的技術(shù)特點(diǎn)以及可能采用的關(guān)鍵技術(shù)。
2 4G概念通信技術(shù)特點(diǎn)
目前，業(yè)界專業(yè)人士對(duì)4G概念移動(dòng)通信系統(tǒng)的共識(shí)主要有以下幾點(diǎn)：
a) 用戶可以在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間以任何方式不受限地接入網(wǎng)絡(luò)中來；
b) 移動(dòng)終端可以是任何類型的；
c) 用戶可以自由地選擇業(yè)務(wù)、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)；
d) 可以實(shí)現(xiàn)非常先進(jìn)的移動(dòng)電子商務(wù)；
e) 新的技術(shù)可以非常容易地被引入到系統(tǒng)和業(yè)務(wù)中來。
根據(jù)以上描述，未來的4G系統(tǒng)應(yīng)具備以下的基本條件。
(1) 具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2 Mbit/s;對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20 Mbbit/s;對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100 Mbit/s。
(2) 實(shí)現(xiàn)真正的無縫漫游。4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，能使各類媒體、通信主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行“無縫連接”，真正實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。
(3) 高度智能化的網(wǎng)絡(luò)。采用智能技術(shù)的4G 通信系統(tǒng)將是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行結(jié)合的正常發(fā)送與接收，有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。
(4) 良好的覆蓋性能。4G 通信系統(tǒng)應(yīng)具有良好的覆蓋并能提供高速可變速率傳輸。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，由于要提供高速傳輸，小區(qū)的半徑會(huì)更小。
(5) 基于IP 的網(wǎng)絡(luò)。4G通信系統(tǒng)將會(huì)采用IPv6，IPv6將能在IP 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務(wù)。
(6) 實(shí)現(xiàn)不同QoS 的業(yè)務(wù)。4G 通信系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)帶寬分配和調(diào)節(jié)發(fā)射功率來提供不同質(zhì)量的業(yè)務(wù)。
3 4G概念通信關(guān)鍵技術(shù)探討
（1）正交頻分復(fù)用（OFDM ）技術(shù)
第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以O(shè)FDM為核心技術(shù)。OFDM 技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)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(duì)容易。
OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM 有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
a) 頻譜利用率高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。OFDM
信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，其頻譜利用率可以接近Nyquist
極限。
b) 抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，這樣在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，從而使OFDM 對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。
c) 適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM 自適應(yīng)調(diào)制機(jī)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(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，應(yīng)采用效率高的調(diào)制方式；而當(dāng)信道條件差的時(shí)候，則應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM 加載算法的采用，使得系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。
d) 抗碼間干擾(ISI)能力強(qiáng)。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)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，故對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。
（2）智能天線技術(shù)
智能天線采用了空時(shí)多址（SDMA）的技術(shù)，利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，動(dòng)態(tài)改變信號(hào)的覆蓋區(qū)域，將主波束對(duì)準(zhǔn)用戶方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)方向，并能夠自動(dòng)跟蹤用戶和監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，為每個(gè)用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號(hào)從而達(dá)到抑制干擾、準(zhǔn)確提取有效信號(hào)的目的。這種技術(shù)具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤及數(shù)字波束等功能，被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。
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(dá)到最優(yōu)，但相對(duì)而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量、計(jì)算量大、信道模型簡(jiǎn)單、收斂速度較慢，在某些情況下甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤收斂等缺點(diǎn)，實(shí)際信道條件下，當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重，特別是信道快速時(shí)變時(shí)，很難對(duì)某一用戶進(jìn)行實(shí)際跟蹤。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(jì)算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對(duì)應(yīng)的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會(huì)有一些重疊，接收時(shí)的主要任務(wù)是挑選一個(gè)作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實(shí)現(xiàn)，是未來智能天線技術(shù)發(fā)展的方向。
（3）無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)
可以提高容量和覆蓋的無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)有：分集技術(shù)，如通過空間分集、時(shí)間分集(信道編碼)、頻率分集和極化分集等方法來獲得最好的分集性能；多天線技術(shù)，如采用2或4天線來實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，或采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收分集。MIMO技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，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(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。
（4）軟件無線電（S D R ）技術(shù)
在4G系統(tǒng)中，若要實(shí)現(xiàn)“任何人在任何地點(diǎn)以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)”的理想通信方式，則至少需要保證移動(dòng)終端能夠適合各種類型的空中接口，能夠在各類網(wǎng)絡(luò)環(huán)境間無縫漫游，并可以在不同類型的業(yè)務(wù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這就意味著在4G 系統(tǒng)中，軟件將會(huì)變得非常復(fù)雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，軟件無線電是近幾年隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，它以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支持。軟件無線電概念一經(jīng)提出，就受到各方的極大關(guān)注，這不僅是因?yàn)檐浖o線電概念新技術(shù)先進(jìn)、發(fā)展?jié)摿Υ?，更為重要的是它潛在的市?chǎng)價(jià)值也是極具吸引力的。軟件無線電強(qiáng)調(diào)以開放性最簡(jiǎn)硬件為通用平臺(tái)，盡可能地用可升級(jí)、可重配置的不同應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路。其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)中，軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，所以未來4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品要求，而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)，它不僅能減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而降低了運(yùn)算器件的價(jià)格，其開放的結(jié)構(gòu)也會(huì)允許多方運(yùn)營(yíng)的介入。
（5）多用戶檢測(cè)技術(shù)
4G系統(tǒng)的終端和基站將用到多用戶檢測(cè)技術(shù)以提高系統(tǒng)的容量。多用戶檢測(cè)技術(shù)的基本思想是：把同時(shí)占用某個(gè)信道的所有用戶或部分用戶的信號(hào)都當(dāng)作有用信號(hào)，而不是作為噪聲處理，利用多個(gè)用戶的碼元、時(shí)間、信號(hào)幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測(cè)單個(gè)用戶的信號(hào)，即綜合利用各種信息及信號(hào)處理手段，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理，從而達(dá)到對(duì)多用戶信號(hào)的最佳聯(lián)合檢測(cè)。它在傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而具有良好的抗干擾和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)性能，降低了系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)容量。
現(xiàn)有的多用戶檢測(cè)算法在計(jì)算復(fù)雜度與處理時(shí)延問題上存在不足，且算法中一些參數(shù)(頻率、幅度、定時(shí)、相位等)估計(jì)有誤時(shí)， 會(huì)使得相關(guān)矩陣產(chǎn)生較大偏差，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)性能急劇下降。另一方面， 當(dāng)前的MUD算法只考慮了同小區(qū)內(nèi)的干擾，而沒有考慮相鄰小區(qū)間的同頻率用戶干擾。一般的多用戶檢測(cè)研究都假設(shè)用戶數(shù)據(jù)是獨(dú)立等概率的，沒有考慮信道編碼的影響，現(xiàn)在組合信道編碼和多用戶檢測(cè)的研究受到越來越多的重視。另外，目前的研究方向還包括多速率多用戶檢測(cè)和多用戶檢測(cè)與空時(shí)二維信號(hào)處理、多載波調(diào)制、功率控制等技術(shù)的結(jié)合。
（6）IPv6技術(shù)
4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。選擇IPv6 協(xié)議主要基于以下幾點(diǎn)考慮：
a) 巨大的地址空間。在一段可預(yù)見的時(shí)期內(nèi)，它能夠?yàn)樗锌梢韵胂癯龅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球惟一的地址。
b) 自動(dòng)控制。IPv6還有另一個(gè)基本特性就是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置方式。無狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式是獲得地址的關(guān)鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點(diǎn)使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制來獲得一個(gè)局部連接地址。一旦得到這個(gè)地址之后，它將用另一種即插即用的機(jī)制，在沒有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)全球惟一的路由地址。
c) 服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)質(zhì)量(QoS)包含幾個(gè)方面的內(nèi)容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4具有相同的QoS，但是IPv6 能提供不同的服務(wù)。這些優(yōu)點(diǎn)來自于IPv6 報(bào)頭中新增的字段“流標(biāo)志”。有了這個(gè)20 位長(zhǎng)的字段，在傳輸過程中，中國(guó)的各節(jié)點(diǎn)就可以識(shí)別和分開處理任何IP 地址流。盡管對(duì)這個(gè)流標(biāo)志的準(zhǔn)確應(yīng)用還沒有制定出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但將來它無疑將用于基于服務(wù)級(jí)別的新計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。
d) 移動(dòng)性。移動(dòng)IPv6在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備設(shè)有一個(gè)固定的家鄉(xiāng)地址，這個(gè)地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時(shí)，通過一個(gè)轉(zhuǎn)交地址即可提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息。移動(dòng)設(shè)備每次改變位置都要將它的轉(zhuǎn)交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對(duì)應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)。
4 結(jié)束語
4G移動(dòng)通信系統(tǒng)目前還只是一個(gè)基本概念，4G網(wǎng)絡(luò)的定義仍然還不明確，IEEE等標(biāo)準(zhǔn)化組織仍處于制定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的過程中。但是融合現(xiàn)有的各種無線接入技術(shù)的4G系統(tǒng)將成為一個(gè)無縫連接的統(tǒng)一系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的全球漫游及業(yè)務(wù)的可攜帶性，是滿足未來市場(chǎng)需求的新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，它將幫助我們實(shí)現(xiàn)充滿個(gè)性化的通信夢(mèng)想。
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