4G通信關(guān)鍵技術(shù)說明

4G通信關(guān)鍵技術(shù)說明

緊接著3G之后的4G移動通信技術(shù)，其技術(shù)發(fā)展已成為繼3G、3.5G通訊技術(shù)之后各廠商的研究重點。盡管目前4G移動通信技術(shù)尚未成形，然其雛形已大致具備。本文將針對4G通信技術(shù)的技術(shù)需求、架構(gòu)與特性等議題進行探討，并探究4G通信的關(guān)鍵技術(shù)。

歷經(jīng)了前兩代移動通信的發(fā)展，目前移動通信技術(shù)已經(jīng)堂堂進入3G世代，而3.5代通信技術(shù)也如火如荼發(fā)展。過去第一代移動通信技術(shù)是採用模擬技術(shù)的語音tqq 動通信，到了2G移動通信則是採用數(shù)字無線傳輸技術(shù)的語音通信。目前3G移動通信系統(tǒng)已經(jīng)進入實際應用階段，因此緊接著3G之后的4G移動通信技術(shù)，其技術(shù)發(fā)展已成為繼3G、3.5G通信技術(shù)之后各廠商的研究重點。盡管目前4G移動通信技術(shù)尚未成形，然其雛形已大致具備。本文將針對4G通信技術(shù)的技術(shù)需求、架構(gòu)與特性等議題進行探討，并探究4G通信的關(guān)鍵技術(shù)。

4G通信技術(shù)崛起

今日，3G通訊的技術(shù)標準與規(guī)范已進入商業(yè)用途。然而到目前為主，在應用上也發(fā)現(xiàn)3G通信的許多缺點，例如缺乏全球統(tǒng)一的標準。3G所採用的語音交換架構(gòu)仍承襲了2G的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode），而非採用純IP方式，也因此容易受到多用戶的干擾，導致傳輸速率無法大幅提高。面對這些應用上的缺點，理想中的4G通訊技術(shù)應該具備以下的特色：

更大傳輸頻寬

對大范圍高速移動的使用者（最高250km/h）頻寬需求為2Mbps，中速移動的使用者（60km/h）頻寬需求為20Mbps，低速移動或室內(nèi)靜止的使用者頻寬需求為100Mbps；

更高儲存容量

由于傳輸頻寬增大，因此資料儲存容量至少需求為3G系統(tǒng)的10倍以上；

更高相容性

4G通信技術(shù)必須具備向下相容、開放介面、全球漫游、與網(wǎng)路互聯(lián)、多元終端應用等，并能從3G通信技術(shù)平穩(wěn)過渡至4G；

不同系統(tǒng)的無縫連接

行動使用者在移動中，特別是高速移動，也都能順利使用通信系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間進行無縫轉(zhuǎn)換（Seamless Transitions），傳送高速多媒體資料等；

高度智慧化網(wǎng)路系統(tǒng)

4G網(wǎng)路必須是高度智慧、能隨狀況自行調(diào)整的網(wǎng)路系統(tǒng)，它須具備良好的彈性以滿足不同環(huán)境與不同用戶的通信需求；

整合性的便利服務

4G系統(tǒng)將個人通信、資訊傳輸、廣播服務與多媒體娛樂等各項應用整合，提供更為廣泛、便利、安全與個性化的服務。

綜上所述，4G移動通信其技術(shù)的根本目的說穿了，主要是能夠在各終端產(chǎn)品間發(fā)送、接收來自另一端的信號，并在多個不同的網(wǎng)路系統(tǒng)、平臺與無線通訊介面之間找到最快速與最有效率的通信路徑，以進行最即時的傳輸、接收與定位等動作。

而當在通信過程進行中，4G通訊還必須保持良好的無縫連接能力，透過不同網(wǎng)路確保資料傳輸過程不中斷，并維持高品質(zhì)與高頻寬。4G通訊的多層式蜂巢結(jié)構(gòu)，可透過不同無線介面接收網(wǎng)路營運商與內(nèi)容供應商所提供的內(nèi)容服務。接下來將介紹4G通信的幾項關(guān)鍵技術(shù)。

4G通信關(guān)鍵技術(shù)

OFDM正交頻率多重分割技術(shù)

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；正交頻率多重分割）技術(shù)的應用已有近40年歷史，第一個OFDM技術(shù)的實際應用是軍事用途的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術(shù)在雙向無線資料方面的應用卻是近十年來的新趨勢。經(jīng)過多年的發(fā)展之后，該技術(shù)已廣泛應用于廣播式音頻和視頻等領(lǐng)域。OFDM主要應用還包括：ADSL、DAB與DVB等。

OFDM通常與通道編碼（channel code；用以更正錯誤的技術(shù)）同時使用。盡管其技術(shù)復雜度高，但是已廣于應用于數(shù)字通信系統(tǒng)上。這是因為此項技術(shù)有效地消除了多路徑（multipath）的問題，也就是消費者所熟知在傳統(tǒng)模擬電視信號中所存在的「鬼影」的問題。

OFDM技術(shù)採用不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將不同頻率載波中的大量訊號合併成單一信號，并完成信號傳送。由于此技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號之能力，所以常常會被利用在容易受到外界干擾，或者是抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。

OFDM技術(shù)的發(fā)展目的是為了提高載波的頻譜利用率，或者針對多載波的調(diào)制，其特點是各子載波相互正交，于是擴頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊，因而減少子載波間相互干擾的情況。

在FDMA（Frequency Division Multiple Access；分頻多重進接）、TDMA（Time Division Multiple Access；多時分工存取）、CDMA（Code Division Multiple Access；分碼多工）和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案。OFDM技術(shù)是在頻域內(nèi)將給定通道分成許多更窄的正交子通道，在每個子通道上使用一個子載波進行調(diào)制，且各子載波間進行平行傳輸，因此可以消除訊號波形彼此間的干擾。

OFDM可以在不同的子通道上自行調(diào)整分配傳輸負荷量，以最佳化整體傳輸率。OFDM技術(shù)還能對抗頻率選擇性衰落或窄頻干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個子通道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不僅減少子載波間的相互干擾，同時并可提高頻譜利用率。

OFDM由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關(guān)注。隨著人們對通訊資料化、寬頻化、個人化和移動化的需求，OFDM 技術(shù)在綜合無線接入領(lǐng)域?qū)⒃絹碓降玫綇V泛的應用。OFDM是一種多載波數(shù)位調(diào)變技術(shù)，雖然OFDM的概念已經(jīng)存在了很長時間，但是直到最近隨著多媒體應用的發(fā)展，才被發(fā)現(xiàn)OFDM用于高速雙向無線資料傳輸?shù)暮锰?。隨著DSP晶片技術(shù)的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、高速Modem採用的64/128/256QAM技術(shù)、柵格編碼技術(shù)、軟判決技術(shù)、通道自適應技術(shù)、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術(shù)的逐步導入，也使通訊產(chǎn)業(yè)開始集中更多資源開發(fā)行動通訊應用的OFDM技術(shù)，也因此估計在后3G時代，OFDM技術(shù)將會成為4G通訊技術(shù)的主流。

OFDM技術(shù)可滿足5.15GHz～5.35GHz頻段間可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸。可利用保護時間階段來解決多徑效應產(chǎn)生的碼間干擾，以及藉由時序同步來避免接收和發(fā)射之間的頻率誤差，實現(xiàn)可靠正交傳輸，目前應用于許多不同類型的網(wǎng)路系統(tǒng)。OFDM除符合數(shù)位電纜、DSL、數(shù)位化電視和輸電線聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品之使用需求外，也符合WLAN標準如IEEE 802.11g等無線區(qū)域網(wǎng)路標準。而OFDM也非常適用于4G蜂巢式系統(tǒng)。

MIMO多重輸入與多重輸出技術(shù)

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output；多重輸入與多重輸出）技術(shù)是近年來熱門的無線通訊技術(shù)之一，其最主要特色是可以大幅提昇資料的傳輸速率。根據(jù)Shannon理論，通道所允許傳輸之最大速率與信號能量、傳輸頻寬有關(guān)。然而這兩項因素在通訊系統(tǒng)上卻是錙銖必較的珍貴資源。傳統(tǒng)的SISO（Single-input single-output）技術(shù)以單一天線進行傳輸，而MIMO技術(shù)則是透過增加天線數(shù)量以達到提高傳輸速度之效果。

圖一。 MIMO技術(shù)可大幅提升無線傳輸速率，圖為MIMO Router。

在過去的無線網(wǎng)路傳輸中，大多是利用二支天線切換接收的方式，選擇其中收訊較好的一組天線來傳送與接收資料，這種方式常常會受到障礙物與其它電波的干擾而影響傳輸效能。但MIMO技術(shù)則是利用多組天線（通常為三組天線）同時傳送、接收資料并合成訊號，因此不僅衰減過的訊號也可以達成傳輸?shù)哪康?，也可以保持一定的傳輸速率?/p>

MIMO還可以利用環(huán)境中的反射波來組合訊號，因此就算是處于障礙物多的環(huán)境也能擁有穩(wěn)定快速的訊號傳輸。因此對于隔間較多的房屋或是辦公大樓，都能大幅提高訊號傳輸效果。

由于終端系統(tǒng)的需求從網(wǎng)際網(wǎng)路接取和電子郵件等高頻寬應用，逐漸加入了游戲、視訊及音訊串流等，更高傳輸頻寬的需求不斷增高，因此如何提高無線覆蓋范圍，并更有效利用網(wǎng)路頻譜將成為廠商發(fā)展重點。

MIMO技術(shù)的特性就是在相同時間內(nèi)，能在相同的無線電通道內(nèi)傳輸和接收兩個或多個不同的數(shù)據(jù)串流，因此系統(tǒng)在每個訊息通道內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)率將能提高兩倍以上。MIMO技術(shù)每個訊息通道的最大數(shù)據(jù)速率，都能隨著同一訊息通道中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串流數(shù)量呈線性增加。透過允許MIMO能在不使用額外的頻譜條件下，同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)串流，提高無線數(shù)據(jù)傳輸容量。

盡管MIMO在架構(gòu)和運算上需要更多復雜的演算法、復雜的架構(gòu)和更高的數(shù)據(jù)處理能力。但隨著MIMO技術(shù)漸漸運用于更多無線技術(shù)中，預計MIMO技術(shù)將大幅改變未來十年的無線電產(chǎn)業(yè)，例如4G蜂巢式網(wǎng)路、WLAN、WiBro、WiMAX與802.20等無線技術(shù)。

SDR軟體無線電技術(shù)

多重標準及裝置是今日無線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主流，消費者希望手機具備多種功能，例如單一裝置便具備對談、接收電子郵件和下載影片等多媒體功能。加上全球化的影響，因此這些裝置不管在哪個國家，都必須可靠地運作并進行漫游。因此設計人員和廠商必須以更具彈性且符合經(jīng)濟效益的方式開發(fā)新技術(shù)，這些需求都使得下一代的通訊技術(shù)復雜度更為提升。

軟體無線電（Software Defined Radio；SDR）是一種通訊裝置，其實體層至更高階通訊協(xié)定層的作業(yè)主要是由軟體定義，可提供容許這種改變的框架。軟體無線電支援多頻寬多模式的無線電、國際漫游、運行時間重新配置和無線程式設計（over the air programming），并可以將不同的通訊技術(shù)有效整合。只要在處理硬體時變更裝置的軟體程式碼，軟體無線電便可彈性提供變更無線電作業(yè)的能力。另外軟體無線電還具有其他優(yōu)點，例如可改善頻譜的使用等，都可進一步提升軟體無線電的技術(shù)價值。

對于4G通訊來說，由于4G通訊系統(tǒng)之架構(gòu)將會非常繁雜，因此可以使用軟體無線電做為跨越2G、3G以至于4G等不同技術(shù)之間的橋樑。軟體無線電技術(shù)能夠?qū)㈩惐扔嵦柕臄?shù)位化過程盡可能與天線的距離接近，即讓A/D及D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近RF前端，并利用DSP進行通道分離、調(diào)變解調(diào)變，以及通道編解碼等工作。透過建立無線電通訊平臺，并于平臺上運作各種軟體系統(tǒng)，如此可以實現(xiàn)多通道、多層次與多模式的無線通訊。軟體無線電技術(shù)可讓單一行動終端裝置在不同系統(tǒng)和平臺間暢行無阻。

IT產(chǎn)業(yè)從過去到現(xiàn)在，發(fā)展過程中的第一階段革命出現(xiàn)在1980年代，當時個人電腦出的出現(xiàn)帶動科技產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟呈現(xiàn)高度成長，第二階段IT產(chǎn)業(yè)革命則是個人電腦和網(wǎng)際網(wǎng)路的結(jié)合，帶動新一波經(jīng)濟發(fā)展與商機。到了二十一世紀，IT產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)第三次革命，也就是個人電腦、網(wǎng)際網(wǎng)路與行動通訊結(jié)合而形成「無疆界網(wǎng)路」（Ubiquitous Network），透過這樣的系統(tǒng)，人們將可透過通訊隨時取得所需的資訊，其結(jié)果將大幅改善生活品質(zhì)并提高工作效率。

產(chǎn)業(yè)界認為，軟體無線電技術(shù)將是實現(xiàn)「無疆界網(wǎng)路」世界的主要技術(shù)平臺，且將在2007年至2010年間實現(xiàn)。因為行動通訊在這段時間之內(nèi)將會有很大的技術(shù)進展，并帶來龐大商機。而軟體無線電，正是最適合將行動通訊技術(shù)導引進入無疆界網(wǎng)路世界的主要技術(shù)平臺，特別在即將到來的4G通訊世代，行動多媒體通訊將成為未來4G行動通訊的發(fā)展趨勢，且多模系統(tǒng)也將是廠商的發(fā)展重心。而可發(fā)展高彈性軟、硬體系統(tǒng)平臺的軟體無線電技術(shù)，正是提供多模系統(tǒng)解決方案的關(guān)鍵技術(shù)，因此軟體無線電技術(shù)正受到歐、美、日等發(fā)展通訊技術(shù)的大廠所重視。

SA智慧型天線

隨著無線通訊技術(shù)持續(xù)發(fā)展，加上多媒體傳輸需求的提高，頻譜已成為珍貴之資源。因此新一代無線通訊技術(shù)設計之重要課題即為加強終端用戶無線接?。≧adio Access）能力，以提高頻譜效率及系統(tǒng)容量，并滿足高彈性系統(tǒng)運作之需求，而終端用戶也能在現(xiàn)有的語音與數(shù)據(jù)傳輸服務之外，獲得更高速、多元之多媒體應用。為了滿足高效率頻譜運用的需求，智慧型天線（Smart Antenna；SA）技術(shù)已日漸受到重視，并公認為是解決頻率資源匱乏、有效提昇系統(tǒng)容量、提高資訊傳輸速率和確保通訊品質(zhì)之有效途徑。

圖二。 智慧型天線技術(shù)應用

智慧型天線是由適應性天線陣列（Adaptive Antenna Array）發(fā)展而來，最初應用于雷達、聲納和軍事通訊領(lǐng)域中。近年來由于數(shù)位訊號處理技術(shù)的迅速發(fā)展、IC處理速度的提高和價格的普及，使得智慧型天線技術(shù)能廣泛運用于無線通訊系統(tǒng)中，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，可有效滿足無線通訊系統(tǒng)的運用需求。

智慧型天線可視為一種充分利用空間資源來進行訊號品質(zhì)提升、干擾抑制、消除及進行適應性波束調(diào)整等智慧性功能的機制，原先是透過天線陣列來提供天線增益（Antenna Gain）以提升訊號雜訊比（SNR），但考慮其訊號傳輸在空間存在方向的差異性，為了對抗通道的多路徑衰落，進一步利用天線陣列以達成空間分集（Spatial Diversity），以獲得分集增益（Diversity Gain）的目的。

天線分集（Antenna Diversity）即對空間資源的初步利用，至于更充分利用訊號方向性的做法是波束形成（Beamforming）技術(shù)，波束形成是透過自我適應、調(diào)整功能之演算法，來驅(qū)動陣列天線（空間分集器），通過權(quán)值（Weight）之計算來控制天線波束形狀、輻射具有方向性之波束，以把主波束對準目標訊號并適應性達到即時訊號追蹤功能，有效強化接收訊號品質(zhì)。此外，智慧型天線也能調(diào)整零陷（Null）點來對準干擾訊號以抑制或消除干擾，達到增加容量、擴大涵蓋面及提高傳輸速率之目的。

圖三。 普通天線與智慧型天線接收之差異

智慧型天線具備兩項特點：一是充份利用訊號的空間方向性，藉由指向性天線加強訊號接收強度，并同時消除干擾；另一特點在于利用豐富的空間通道特性，藉由發(fā)射及接收多天線提供空間分集或提高傳輸速率。智慧型天線是因應新一代無線通訊系統(tǒng)，提供高速、多元、高品質(zhì)、高頻譜效率及低耗電等需求之關(guān)鍵技術(shù)之一，當然也是極具潛力的發(fā)展領(lǐng)域，目前全球許多先進的通訊廠商與國家都已投入大量經(jīng)費與人力研發(fā)智慧型天線相關(guān)技術(shù)。智慧型天線對于覆蓋面積、系統(tǒng)容量與訊號品質(zhì)的提升有極為顯著的效果，對于未來4G無線通訊技術(shù)的系統(tǒng)容量提升、傳輸速率提高及鏈路品質(zhì)強化等要求，將會有其重要的應用價值。

此外，提供多元、多樣及高速的資訊傳送能力，是4G通訊的主要需求，其中多功能服務可利用智慧型天線技術(shù)為終端用戶提供多模系統(tǒng)，并透過軟體技術(shù)為終端用戶更新與昇級，使終端用戶可享有語音、數(shù)據(jù)、影像、傳真與視訊等多種服務。結(jié)合智慧型天線、軟體無線電與MIMO技術(shù)，下一代的無線通訊將可透過軟體操控，實現(xiàn)彈性化的多模通訊能力，并滿足高速之鏈路傳輸要求。

結(jié)論

4G通訊的核心技術(shù)尚在研發(fā)階段，且以目前3G通訊技術(shù)應用現(xiàn)況為如預期熱絡的情況來看，要使3G通訊成為主流通訊應用技術(shù)還得等一等，專家便預測市場消化并完全吸收3G技術(shù)的時間約需十年左右，而接踵而至的還有往后的5G以上技術(shù)。盡管4G比起3G有著更強大的應用優(yōu)勢，但目前已可見到4G在發(fā)展與往后實際應用上所以面臨的問題，但是市場不變的趨勢是，新技術(shù)和新需求將不斷出現(xiàn)，有朝一日4G必然會取代3G，成為新一代行動通訊的主流技術(shù)。