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3 4G中的關(guān)鍵技術(shù)
從前面對于4G系統(tǒng)的描述中我們可以看出，它是一個遠比3G更加復(fù)雜的通信系統(tǒng)，它的實現(xiàn)需要依托于很多新興技術(shù)。在4G系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無線電、智能天線、移動IPv6等。
3.1 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)
由于無線信道存在多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)信號在各種不同類型的無線信道上傳輸時，產(chǎn)生的時延會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(yīng)縮短時，時延將會跨越更多的碼元，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(yīng)增大，當信號帶寬大干信道的相關(guān)帶寬時會造成頻率選擇性衰落。目前單載波調(diào)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。
未來的無線多媒體業(yè)務(wù)首先要求數(shù)據(jù)傳輸速率要高，同時又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期�；谶@樣的考慮，產(chǎn)生了OFDM技術(shù)，屬于多載波調(diào)制技術(shù)(MCM)中的一種。OFDM是4G通信網(wǎng)的核心技術(shù)。
OFDM技術(shù)將需要傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流分解為若干個較低速率的并行子數(shù)據(jù)流，在將它們各自調(diào)制到相互正交的子載波上，最后合成輸出，輸出的數(shù)據(jù)速率與串行數(shù)據(jù)流分解前的速率相同。
首先，由于這些子載波相互正交，因此允許它們之間的頻譜重疊，從而提高了頻譜利用率。
其次，由于信號分解后并行子數(shù)據(jù)流的碼元周期變長，只要時延擴展與碼元周期之比小于一定的數(shù)值，就不會造成碼間干擾，且這些子數(shù)據(jù)流的信號傳輸帶寬減小，可以有效降低頻率選擇性衰落，同時合成后輸出的總數(shù)據(jù)速率并沒有降低。
第三，OFDM采用跳頻的方法來選用正交子載波。跳頻是把一個寬頻段分解為若干個頻率間隔(頻道或頻隙)，發(fā)端在某一個特定的時間間隔中采用哪一個頻道發(fā)送信號，由一個偽隨機序列進行控制。由于發(fā)射頻道在各個時間段是跳變的，除非窄帶干擾在特定時間內(nèi)與所需信號同時落入一個頻道內(nèi)，才會形成對這一頻道特定的干擾，否則干擾在進入接收機前端時將被有效抑制。因此，OFDM技術(shù)有很好的抗窄帶干擾能力。
第四，OFDM每個子載波所使用的調(diào)制方法可以不同，但不同的調(diào)制方法具有不同的頻譜利用率和誤碼率，尤其在無線信道條件不同的情況下，如何選用一種最佳的調(diào)制方法是值得考慮的。而OFDM技術(shù)采用了自適應(yīng)調(diào)制的方案，可以根據(jù)信道條件的好壞，靈活選擇不同的調(diào)制方式。例如在終端距離基站比較近的時候，信道條件一般較好，就可以選用較高階的調(diào)制方式，從而獲得最大頻譜效率。而在信道條件變差時則可以選用較低階的調(diào)制方式，來確保信噪比。這樣，系統(tǒng)可以在頻譜利用率和誤碼率之間取得最佳平衡。但自適應(yīng)調(diào)制方式需要信號中包含一定的開銷比特。
除上述優(yōu)點以外，OFDM也有3個較明顯的缺點。
首先，對頻偏和相位噪聲敏感。頻率偏移和相位噪聲會使OFDM各個子載波之間的正交性惡化，使得信噪比下降。
其次，功率峰值與均值比(PARR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。由于OFDM的信號是由多個獨立的經(jīng)過調(diào)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。而過高的PARR值通常會對發(fā)送端功率放大器提出較高的線性要求，從而增加基站和用戶終端的成本。
第三，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。OFDM采用的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加發(fā)射機和接收機的復(fù)雜度，并且當移動終端達到車載的移動速度時，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)就沒有很大意義了。
3.2 軟件無線電
4G系統(tǒng)若要實現(xiàn)“任何人在任何地點以任何形式接入網(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)之間進行轉(zhuǎn)換，這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的“個人通信”。而不同的通信技術(shù)(如GSM、WLAN、Bluetooth等)其調(diào)制方式、工作頻帶等都是不同的，是否能夠使不同的無線通信系統(tǒng)基于同一通用硬件平臺上實現(xiàn)成為大家關(guān)注的問題。
軟件無線電的概念是由MITRE公司的美國人Jee Mitala在1992年5月的美國電信會議上首次明確提出的。當時這個技術(shù)的提出主要是為了解決美國軍方不同軍種之間通信裝備不同而引起的通信不暢的問題，在后來則越來越多的引起了民用研究機構(gòu)的廣泛注意。它的出現(xiàn)是無線通信繼從模擬到數(shù)字、從固定到移動后，從硬件到軟件的第三次變革。
軟件無線電的基本思想就是將硬件作為其通用的基本平臺，把盡可能多的無線及個人通信的功能通過可編程軟件來實現(xiàn)，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線電系統(tǒng)。也可以說，它是一種用軟件來實現(xiàn)物理層連接的無線通信方式。
軟件無線電的核心技術(shù)是用寬頻帶的無線接收機來代替原來的窄帶接收機，并將寬帶的模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬變換器盡可能的靠近天線，從而使通信電臺的功能盡可能多的采用可編程軟件來實現(xiàn)。
軟件無線電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實現(xiàn)靈活，改進升級方便。
(2)提供了不同系統(tǒng)間互操作的可能性。軟件無線電可以使移動終端適合各種類型的空中接口，可以在不同類型的業(yè)務(wù)間轉(zhuǎn)換。
(3)由于通過軟件實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)抗干擾的性能。
(4)擁有較強的跟蹤新技術(shù)的能力。由于它能夠在保證硬件平臺的基本結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下，通過改變軟件來實現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，因此大大降低了設(shè)備商新通信產(chǎn)品的開發(fā)成本和周期，同時也降低了運營商的投資。
但軟件無線電的實現(xiàn)還需要克服以下技術(shù)難點。
(1)多頻段天線的設(shè)計。軟件無線電的天線需要覆蓋多個頻段，以滿足多信道不同方式同時通信的需求，而射頻頻率和傳播條件的不同，使得各頻段對天線的要求存在著較大的差異，因此多頻段天線的設(shè)計成為軟件無線電技術(shù)實現(xiàn)的難點之一。
(2)寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，要從抽樣信號中無失真地恢復(fù)原信號，抽樣頻率應(yīng)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(diào)信號頻率。
(3)高速DSP(數(shù)字信號處理器)。高速DSP芯片主要完成各種波形的調(diào)制解調(diào)和編解碼過程，它需要有更多的運算資源和更高的運算速度來處理經(jīng)寬帶A/D、D/A變換后的高速數(shù)據(jù)流，因此其芯片有待進一步研發(fā)。
