4G技術(shù)的展望 - 全文

就在我們?yōu)?G時代的光明前景歡欣鼓舞的時候，就在我們?yōu)?G市場如何全面啟動而爭論不休的時候，第四代移動通信技術(shù)（4G）已經(jīng)悄然呈現(xiàn)在我們面前，開始為我們勾畫出信息傳輸速度超過3G達(dá)1萬倍的第四代移動通訊技術(shù)的藍(lán)圖。

簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無線形式實(shí)現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點(diǎn)之一，就是網(wǎng)路傳輸速率達(dá)到了前所未有的100M，完全能夠滿足用戶的上網(wǎng)需求。這樣它就完全可以同現(xiàn)代的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比美，這也是跨越3G直接進(jìn)入4G的倡導(dǎo)者們提出的重要理由。

有別于以往的無線通信系統(tǒng)，4G將能夠提供全息錄音、遠(yuǎn)程控制卡以及移動虛擬現(xiàn)實(shí)等功能。4G將不僅僅應(yīng)用于蜂窩電話通信領(lǐng)域，日本及歐洲一些移動運(yùn)營商正在開發(fā)相關(guān)增值服務(wù)，而美國的固定無線通信服務(wù)商則試圖通過改變網(wǎng)絡(luò)靈活性向4G過渡。另外，由于無線LAN技術(shù)提供的速率已接近4G的水平，4G將融合新型無線LAN技術(shù)。

4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)可以概括為：系統(tǒng)應(yīng)具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈活性；4G系統(tǒng)應(yīng)能支持非對稱性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù)；4G系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢，因此4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。

2、4G系統(tǒng)嶄露頭角

3G技術(shù)發(fā)展至今仍不是很成熟。目前，3G還缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即使是在美國，也存在三種互不兼容的規(guī)范；3G所運(yùn)用的語音交換架構(gòu)仍承襲了第二代（2G）的電路交換，而不是完全I(xiàn)P形式；由于受到多用戶干擾，難以達(dá)到很高的通信速率等。被人們炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的視頻應(yīng)用也不盡如人意——猶如放幻燈片一樣；更為重要的一點(diǎn)是，它的數(shù)據(jù)傳輸率只相當(dāng)于普通撥號接入的水平，更趕不上DSL。

4G系統(tǒng)應(yīng)該很好的解決了以上各種缺陷，具有如下特征：

2.1高速率，高容量

對于大范圍高速移動用戶（250km/h），數(shù)據(jù)速率為2Mbps；對于中速移動用戶（60km/h），數(shù)據(jù)速率為20Mbps；對于低速移動用戶（室內(nèi)或步行者），數(shù)據(jù)速率為100Mbps。其容量至少應(yīng)是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

2.2網(wǎng)絡(luò)頻帶更寬

要想使4G通信達(dá)到100Mbps的傳輸速度，通信運(yùn)營商必須在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬高出許多。每個4G信道將占有100MHZ的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

2.3兼容性更加平滑

要使4G通信盡快地被人們接受，還應(yīng)該考慮到讓更多的用戶在投資最少的情況下輕易地過渡到4G通信。因此，4G應(yīng)該接口開放、能夠跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且具備很強(qiáng)的對2G、3G手機(jī)的兼容性，以完成對多種用戶的融合。在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.4智能性能更高

4G的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，它具有良好的重構(gòu)性、可伸縮性、自組織性等，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求。第四代移動通信的智能性，不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計和操作具有智能化，更重要的是4G手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)許多難以想像的功能，例如，4G手機(jī)將能根據(jù)環(huán)境、時間以及其他因素來適時提醒手機(jī)的主人。

嚴(yán)格的說，4G手機(jī)的功能已不能簡單的稱其為電話機(jī)，因?yàn)檎Z音數(shù)據(jù)的傳輸只是4G移動電話的功能之一而已，它已越來越接近于一臺小型掌上電腦。4G通信提供的無線多媒體通信服務(wù)將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息通過寬頻的信道傳送出去，因此4G也稱為“多媒體移動通信”。它將個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各項(xiàng)業(yè)務(wù)結(jié)合成整體，服務(wù)和應(yīng)用更加廣泛、安全、方便和個性化。

4G移動網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)之間或者多個無線接口之間，建立起最有效的通信路徑，并對其進(jìn)行實(shí)時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網(wǎng)絡(luò)還要保持良好的無縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率。4G移動網(wǎng)絡(luò)將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過多個無線接口，由多個業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者提供多媒體業(yè)務(wù)。其核心網(wǎng)是一個基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，因此核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN共存。各種針對不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺。

3、四大關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1OFDM

OFDM技術(shù)，屬于多載波調(diào)制技術(shù)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)制技術(shù)，將多個載波中的大量信息合并成一個信號，完成信息傳輸。在無線通信中一般采用一組相互正交、重疊、形狀為Sa（X）函數(shù)的頻譜信道完成無碼間串?dāng)_和信道間干擾的高速信息傳輸。

OFDM還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。在OFDM系統(tǒng)中由于各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會隨時間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；還可以自動地檢測到傳輸介質(zhì)下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信。

3.2智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術(shù)

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。

其原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。同時，智能天線技術(shù)利用各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

目前智能天線定義為波束間沒有切換的多波束和自適應(yīng)陣列天線。多波束天線在一個扇區(qū)中使用多個固定波束，而在自適應(yīng)陣列中，多個天線的接收信號被加權(quán)并且合成在一起使信噪比達(dá)到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點(diǎn)是除了提供高的天線增益外，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個天線有一個接收機(jī)，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號，這種技術(shù)既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量，同時通過基帶數(shù)字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。

智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價，因此其勢必會成為4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3軟件無線電技術(shù)（SDR）

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

其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)?？傊?，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結(jié)構(gòu)。

軟件無線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。在4G移動通信系統(tǒng)中，軟件將會變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，將其作為從第二代移動通信通向第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術(shù)能夠?qū)⒛M信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近RF前端，利用DSP進(jìn)行信道分離、調(diào)制解調(diào)和信道編譯碼等工作。它旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運(yùn)行各種軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，一個移動終端就可以實(shí)現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺之間暢通無阻的使用。目前比較成熟的軟件無線電技術(shù)有參數(shù)控制軟件無線電系統(tǒng)。

3.4IPv6

4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(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)的考慮：

（1）巨大的地址空間。

在一段可預(yù)見的時期內(nèi)，它能夠?yàn)樗锌梢韵胂癯龅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個全球唯一的地址。

（2）自動控制。

IPv6還有另一個基本特性就是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置的方式。無狀態(tài)地址自動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)制獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它使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，獲得一個全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機(jī)制，如DHCP（動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），需要一個額外的服務(wù)器，因此也需要很多額外的操作和維護(hù)。

（3）服務(wù)質(zhì)量。

服務(wù)質(zhì)量（QoS）包含幾個方面的內(nèi)容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能提供不同的服務(wù)。這些優(yōu)點(diǎn)來自于IPv6報頭中新增加的字段“流標(biāo)志”。有了這個20位長的字段，在傳輸過程中，中間的各節(jié)點(diǎn)就可以識別和分開處理任何IP地址流。

（4）移動性。

移動IPv6（MIPv6）在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個移動設(shè)備設(shè)有