4G技術的展望

摘要　創(chuàng)新是科技發(fā)展永恒不變的主題，就在人們憧憬第三代移動通信技術（3G）帶來的通信變革的時候，4G又呈現(xiàn)在我們面前，不少捷足先登的國際移動商已經(jīng)開始描繪第四代移動通信技術（4G）的遠景了。在本文中，筆者將針對4G的技術特征及其框架結構進行初步的探討，對其關鍵技術部分進行詳細的敘述，同時指出4G發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

1、前言

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（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1萬倍的第四代移動通訊技術的藍圖。

簡單而言，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡可使電話用戶以無線形式實現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點之一，就是網(wǎng)路傳輸速率達到了前所未有的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)絡技術相比美，這也是跨越3G直接進入4G的倡導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、遠程控制卡以及移動虛擬現(xiàn)實等功能。4G將不僅僅應用于蜂窩電話通信領域，日本及歐洲一些移動運營商正在開發(fā)相關增值服務，而美國的固定無線通信服務商則試圖通過改變網(wǎng)絡靈活性向4G過渡。另外，由于無線LAN技術提供的速率已接近4G的水平，4G將融合新型無線LAN技術。

4G系統(tǒng)總的技術目標和特點可以概括為：系統(tǒng)應具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務質量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質量、更高的靈活性；4G系統(tǒng)應能支持非對稱性業(yè)務，并能支持多種業(yè)務；4G系統(tǒng)應體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡不斷融合的發(fā)展趨勢，因此4G系統(tǒng)應當是一個全IP的網(wǎng)絡。

2、4G系統(tǒng)嶄露頭角

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

4G系統(tǒng)應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（室內或步行者），數(shù)據(jù)速率為100Mbps。其容量至少應是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

2.2　網(wǎng)絡頻帶更寬

要想使4G通信達到100Mbps的傳輸速度，通信運營商必須在3G通信網(wǎng)絡的基礎上進行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡的帶寬高出許多。每個4G信道將占有100MHZ的頻譜，相當于W-CDMA 3G網(wǎng)絡的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應該接口開放、能夠跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)，并且具備很強的對2G、3G手機的兼容性，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)務數(shù)據(jù)。

2.4　智能性能更高

4G的網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個高度自治、自適應的網(wǎng)絡，它具有良好的重構性、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通信的終端設備的設計和操作具有智能化，更重要的是4G手機可以實現(xiàn)許多難以想像的功能，例如，4G手機將能根據(jù)環(huán)境、時間以及其他因素來適時提醒手機的主人。

嚴格的說，4G手機的功能已不能簡單的稱其為電話機，因為語音數(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)、廣播和娛樂等各項業(yè)務結合成整體，服務和應用更加廣泛、安全、方便和個性化。

4G移動網(wǎng)絡的根本任務是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運行網(wǎng)絡之間或者多個無線接口之間，建立起最有效的通信路徑，并對其進行實時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網(wǎng)絡還要保持良好的無縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|量、高速率。4G移動網(wǎng)絡將基于多層蜂窩結構，通過多個無線接口，由多個業(yè)務提供者和眾多網(wǎng)絡運營者提供多媒體業(yè)務。其核心網(wǎng)是一個基于全IP的網(wǎng)絡，因此核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN共存。各種針對不同業(yè)務的接入系統(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、可擴展的平臺。

3、四大關鍵技術探討

3.1　OFDM

OFDM技術，屬于多載波調制技術，它采用一種不連續(xù)的多音調制技術，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擾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地分配傳輸負荷，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技術能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質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OFDM能動態(tài)地與之相適應，并且接通和切斷相應的載波以保證持續(xù)地進行成功的通信；還可以自動地檢測到傳輸介質下哪一個特定的載波存在高的信號衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調制措施來使指定頻率下的載波進行成功通信。

3.2　智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術

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向具體的方向，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達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)復雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務質量和網(wǎng)絡擴容的需要。

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，而在自適應陣列中，多個天線的接收信號被加權并且合成在一起使信噪比達到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點是除了提供高的天線增益外，還能提供相應倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個天線有一個接收機，還能提供相應倍數(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)字波束調節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，這種技術既能改善信號質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行合并，實現(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)的關鍵技術。

3.3　軟件無線電技術（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，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(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構。

軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯(lián)系在一起的唯一技術。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，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。軟件無線電技術能夠將模擬信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉換器盡可能地靠近RF前端，利用DSP進行信道分離、調制解調和信道編譯碼等工作。它旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運行各種軟件系統(tǒng)，以實現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此應用軟件無線電技術，一個移動終端就可以實現(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有參數(shù)控制軟件無線電系統(tǒng)。

3.4　IPv6

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技術將成為下一代網(wǎng)絡的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點的考慮：

（1）巨大的地址空間。

在一段可預見的時期內，它能夠為所有可以想像出的網(wǎng)絡設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鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機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制，在沒有任何人工干預的情況下，獲得一個全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機制，如DHCP（動態(tài)主機配置協(xié)議），需要一個額外的服務器，因此也需要很多額外的操作和維護。

（3）服務質量。

服務質量（QoS）包含幾個方面的內容。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)點體現(xiàn)在能提供不同的服務。這些優(yōu)點來自于IPv6報頭中新增加的字段“流標志”。有了這個20位長的字段，在傳輸過程中，中間的各節(jié)點就可以識別和分開處理任何IP地址流。

（4）移動性。

移動IPv6（MIPv6）在新功能和新服務方面可提供更大的靈活性。每個移動設備設有一個固定的家鄉(xiāng)地址（home address），這個地址與設備當前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關。當設備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時，通過一個轉交地址（care-of address）來提供移動節(jié)點當前的位置信息。移動設備每次改變位置，都要將它的轉交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應的通信節(jié)點。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動設備傳送數(shù)據(jù)包時，通常在IPv6報頭中將轉交地址作為源地址。

4、發(fā)展面臨四大挑戰(zhàn)

要順利地把4G系統(tǒng)投入實際應用，會遇到技術和市場兩方面的挑戰(zhàn)：

未來幾代移動通信系統(tǒng)最明顯的趨勢是要求高數(shù)據(jù)速率、高機動性和無縫隙漫游。實現(xiàn)這些要求在技術上將面臨更大挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)性能（如蜂窩規(guī)模和傳輸速率）在很大程度上將取決于頻率的高低。有人認為，4G技術指標、應用范圍各方面如果沒有“革命性”的變革，不能夠叫“4G”。4G移動通信的數(shù)據(jù)傳輸應該比3G高一個數(shù)量級。這會引起一系列技術上的難題。

4G系統(tǒng)所運用的各種核心技術還不完善，這些技術還需要一個長期逐步完善的過程。例如核心網(wǎng)的移動IP技術，對于第四代移動通信系統(tǒng)而言，移動IP技術缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。

4G系統(tǒng)所號稱的最大速度，在實際應用中，很難達到理論值。人們對未來的4G通信的需求是它的通信傳輸速度將會得到極大提升，從理論上說最高可達到100Mbps，但手機的傳輸速度將受到通信系統(tǒng)容量的限制。

4G的發(fā)展實施還要受到市場壓力的影響。有專家預測，在10年以后，2G的多媒體服務將進入第三個發(fā)展階段，此時覆蓋全球的3G網(wǎng)絡已經(jīng)基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系統(tǒng)，到那時，整個行業(yè)正在消化吸收第三代技術，利用4G相關技術對3G進行改進與完善的工作也會同時進行，對于4G系統(tǒng)的接受還需要一個逐步過渡的過程。另外在過渡過程中，號稱5G的技術隨時都有可能威脅到4G的盈利計劃。

5、結束語

盡管第四代移動通信技術有著比3G更強的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實際應用，需要對現(xiàn)有的移動通信基礎設施進行更新改造，這將會引發(fā)一系列的資金、觀念等問題，從而在一定程度上會減緩4G正式進入市場的速度。

雖然4G系統(tǒng)的發(fā)展道路是坎坷的，其中也充滿了變數(shù)。但是隨著新技術和新需求的不斷出現(xiàn)，4G必然會取代3G，成為未來移動通信領域的主導技術，4G一定會使我們未來的移動通信事業(yè)前景更美好。