第四代移動(dòng)通信(4G)的關(guān)鍵技術(shù)漫談

　　一 前言

　　第四代移動(dòng)通信（4G）的概念可稱為寬帶（Broadband）接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)，集成不同模式的無線通信，移動(dòng)用戶可以自由地從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漫游到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前，業(yè)界人士對(duì)第四代移動(dòng)通信共識(shí)的方面有：

　　(1) 第四代移動(dòng)通信以數(shù)據(jù)通信和圖像通信為主；

　　(2) 數(shù)據(jù)通信的速率比第三代要大大提高，室外移動(dòng)通信的速率20Mb/s以上，室內(nèi)移動(dòng)通信速率100Mb/s以上；

　　(3) 與因特網(wǎng)結(jié)合，通信以IP協(xié)議為基礎(chǔ)；

　　(4) 可能是沒有基站的完全與一、二、三代不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括AdHoc網(wǎng)——自組織網(wǎng)絡(luò)。

　　目前全球范圍內(nèi)有多個(gè)組織正在進(jìn)行4G系統(tǒng)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，如IPV6論壇、SDR論壇、3GPP、無線世界研究論壇、IETF和MWIF等。一些全球著名的移動(dòng)通信設(shè)備廠商也在進(jìn)行4G的研究和開發(fā)工作。AT&T已經(jīng)開發(fā)了名為4G接入的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。NORTEL正在進(jìn)行軟件無線電功率放大器技術(shù)的研究，而HP實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)上傳輸多媒體內(nèi)容的相關(guān)研究。Ericsson在加州大學(xué)投入了1000萬(wàn)美元從事下一代CDMA和4G移動(dòng)通信技術(shù)的研究。

　　按照目前的研究成果和專家預(yù)測(cè)，4G系統(tǒng)將會(huì)在2010年以后投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，最高下行速率將達(dá)到100Mb/s。ITU—R的WP8F工作組也估計(jì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在2010年左右投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

　　二 4G的關(guān)鍵技術(shù)

　　1 OFDM(正交頻分復(fù)用)

　　OFDM技術(shù)實(shí)際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，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(ICI)。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)子信道上的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)：

　�。�1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

　�。�2）抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，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，使OFDM對(duì)脈沖噪聲（Impulse Noise）和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信道間的頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴(yán)重，就沒有必要再添加時(shí)域均衡器。

　�。�3）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，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，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。

　�。�4）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，是一種乘性的干擾。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，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

　　OFDM也有其缺點(diǎn)，例如：對(duì)頻偏和相位噪聲比較敏感。功率峰值與均值比（PAPR）大，導(dǎo)致射頻放大器的功率效率較低。負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。

　　2 軟件無線電

　　所謂軟件無線電（Software Defined Radio,簡(jiǎn)稱SDR），就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等。即整個(gè)無線電臺(tái)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(hào)的數(shù)字化，從而使得無線電臺(tái)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(hào)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)。

　　軟件無線電有以下一些特點(diǎn)：

　　靈活性。工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號(hào)接入方式和可編程調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調(diào)制方式或接收不同系統(tǒng)的信號(hào)；可通過軟件工具來擴(kuò)展業(yè)務(wù)、分析無線通信環(huán)境、定義所需增強(qiáng)的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測(cè)試，升級(jí)便捷。

　　集中性。多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A變換器以獲取每一信道的相對(duì)廉價(jià)的信號(hào)處理性能。

　　模塊化。模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開放標(biāo)準(zhǔn)，在硬件技術(shù)發(fā)展時(shí)，允許更換單個(gè)模塊，從而使軟件無線電保持較長(zhǎng)的使用壽命。

　　3 智能天線

　　智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。多波束天線在一個(gè)扇區(qū)中使用多個(gè)固定波束，而在自適應(yīng)陣列中，多個(gè)天線的接收信號(hào)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(gè)天線有一個(gè)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(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號(hào)來波的方向自適應(yīng)地調(diào)整方向圖，跟蹤強(qiáng)信號(hào)，減少或抵消干擾信號(hào)。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(jià)，因此其勢(shì)必會(huì)成為４Ｇ系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和瞬時(shí)響應(yīng)速率，因此需要選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。

　　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(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(shí)期內(nèi)，它能夠?yàn)樗�有可以想像出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球惟一的地址。

　�。�2）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)配置的方式。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)制獲得一個(gè)局部連接地址。一旦得到這個(gè)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(gè)全球惟一的路由地址。有狀態(tài)配置機(jī)制，如DHCP(動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議)，需要一個(gè)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(gè)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(bào)頭中新增加的字段“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)，但將來它用于基于服務(wù)級(jí)別的新計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。

　　（4）移動(dòng)性。移動(dòng)IPv6（MIPv6）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（home address），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（care-of address）來提供移動(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)。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動(dòng)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包時(shí)，通常在IPv6報(bào)頭中將轉(zhuǎn)交地址作為源地址。

　　三 結(jié)束語(yǔ)

　　由于4G與3G相比具有通信速度更快，網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬，通信更加靈活，智能性能更高，兼容性能更平滑等優(yōu)點(diǎn)，4G日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。相信不久的將來，4G將一統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)的天下。