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【摘要】本文首先簡(jiǎn)要介紹了第四代移動(dòng)通信技術(shù)的概況,以及它的網(wǎng)絡(luò)體系和層次結(jié)構(gòu)。然后重點(diǎn)介紹了4G 的關(guān)鍵技術(shù)。最后提出了第四代移動(dòng)通信技術(shù)還存在的問(wèn)題。
1 引言
移動(dòng)通信技術(shù)自從興起以來(lái),一直在急劇的發(fā)展著,目前已經(jīng)歷了三代。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)起源于20 世紀(jì)80 年代,主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址(FDMA)技術(shù),由于受到傳輸帶寬的限制,導(dǎo)致了其最致命的缺點(diǎn)為不能進(jìn)行移動(dòng)通信的長(zhǎng)途漫游。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)起源于90 年代的初期,主要采用的是數(shù)字的時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術(shù),此系統(tǒng)以數(shù)字傳輸方式來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)替代第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)完成了模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的轉(zhuǎn)變。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)是正在全力投入開(kāi)發(fā)的移動(dòng)通信系統(tǒng),它可以提供前兩代產(chǎn)品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務(wù),比如高速數(shù)據(jù),慢速圖像,電視圖像等。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在近幾年投入市場(chǎng)。這三代移動(dòng)通信移動(dòng)系統(tǒng)性能比較如圖1 所示。
2 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)介
2.1 4G 的定義
第四代移動(dòng)通信技術(shù)的概念可稱為廣帶(Broadband)接入和分布網(wǎng)絡(luò),具有非對(duì)稱超過(guò)2Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力,對(duì)全速移動(dòng)用戶能提供150Mb/s 的高質(zhì)量的影像服務(wù),將首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無(wú)線固定接入,廣帶無(wú)線局域網(wǎng),移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)。此外,廣帶無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)與B-ISDN 和ATM 兼容,實(shí)現(xiàn)了廣帶多媒體通信,并可形成綜合廣帶通信網(wǎng)(IBCN),通過(guò)IP 進(jìn)行通信。第四代移動(dòng)通信可以在不固定的無(wú)線平臺(tái)和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無(wú)線服務(wù),可以在任何地方寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)(包括衛(wèi)星通信),能夠提供信息通信之外的定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。
2.2 4G 的主要技術(shù)指標(biāo)
(1)數(shù)據(jù)速率從3G 的2Mb/s 提高到100Mb/s,移動(dòng)速率從步行到車(chē)速,甚至更快。
(2)在覆蓋范圍,通信質(zhì)量,系統(tǒng)造價(jià)上滿足3G 所不能達(dá)到支持高速率數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體的服務(wù)的需要。廣帶局域網(wǎng)應(yīng)能與寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(B-ISDN)和異步傳輸模式(ATM)兼容,實(shí)現(xiàn)廣帶多媒體通信,形成綜合廣帶通信網(wǎng)。
(3)對(duì)全速移動(dòng)用戶能夠提供150Mb/s 的高質(zhì)量的影像多媒體業(yè)務(wù)。
2.3 4G 較之于3G 的優(yōu)點(diǎn)
與2001 年內(nèi)推出的3Ｇ移動(dòng)通信服務(wù)相比,4Ｇ將比3G 更接近于個(gè)人通信。即在任何人,任何時(shí)間和任何地點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)任何形式的通信。無(wú)論在通信范圍、通信質(zhì)量以及其他任何方面,4G 都應(yīng)該比3Ｇ有一個(gè)質(zhì)的提高。4Ｇ技術(shù)較3Ｇ移動(dòng)通信技術(shù)有許多超越之處,其特點(diǎn)主要有:
(1)4Ｇ移動(dòng)通信技術(shù)的信息傳輸速率要比3Ｇ高一個(gè)等級(jí),要超過(guò)UMTS,即從２Mb/s 提高到10Ｍb/s,其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務(wù)的10000 倍。
(2)它將是一個(gè)全數(shù)字通信網(wǎng),具有更高的帶寬和更高的比特率,下載速率最高可達(dá)100Mb/s。而且其對(duì)無(wú)線頻率的使用效率將比第二代和第三代系統(tǒng)都高的多。
(3)雖然3Ｇ的速率已有很大的提高,但仍不能很好動(dòng)態(tài)地分配資源,大流量時(shí)系統(tǒng)利用率低。而4Ｇ系統(tǒng)采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配,能夠調(diào)整系統(tǒng)對(duì)通信過(guò)程中變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應(yīng)處理而滿足通信要求,采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境都能進(jìn)行信號(hào)的正常發(fā)送與接收,有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。
(4)3Ｇ的初衷是希望統(tǒng)一全球紛雜的移動(dòng)通信技術(shù),但是,因?yàn)楦鱾�(gè)商家的利益得不到很好的協(xié)調(diào)而分化成如今三大陣營(yíng)。目前ITU 承認(rèn)的、在全球已有相當(dāng)規(guī)模的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)共有GSM、CDMA 和TDMA 三大分支,每個(gè)分支都在搶占市場(chǎng)。這３大分支,取消哪個(gè)也不可能,只有通過(guò)第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的制定來(lái)解決兼容問(wèn)題。
(5)在容量方面,將可能在FDMA,TDMA,CDMA 的基礎(chǔ)上引入空分多址(SDMA)。這里的空分多址將會(huì)采取自適應(yīng)波束,如同無(wú)線電波一樣連接到每一個(gè)用戶,從而使無(wú)線系統(tǒng)容量比現(xiàn)在提高1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)。
(6)在未來(lái)的全球通信中,人們所需的是多媒體通信。個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂(lè)等各行業(yè)將會(huì)結(jié)合成一個(gè)整體,提供給用戶比以往更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。4G 將支持交互式多媒體業(yè)務(wù),如視頻會(huì)議,無(wú)線因特網(wǎng)等。且具有極高的安全性。
(7)4Ｇ系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。蜂窩組網(wǎng)的概念將被突破,以達(dá)到更完美的覆蓋。核心網(wǎng)將全面采用分組交換(信元交換),使得網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶的需要分配帶寬,以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。
3 4G 的網(wǎng)絡(luò)體系和層次結(jié)構(gòu)
3.1 4G 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
移動(dòng)通信從第二代向第三代演進(jìn)使得核心網(wǎng)由電路交換轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M交換,進(jìn)一步的要求是使核心網(wǎng)獨(dú)立于接入技術(shù)。分組交換的技術(shù)有ATM 和IP 等,綜合當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)以及IP技術(shù)的特點(diǎn),IP 被認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信最適合的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù),統(tǒng)一的IP 核心網(wǎng)將使不同的無(wú)線和有線接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)、融合。第四代移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
其中,核心IP 網(wǎng)絡(luò)不是專門(mén)用作移動(dòng)通信,而是作為一種統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò),支持有線及無(wú)線的接入,它就像具有移動(dòng)管理功能的固定網(wǎng)絡(luò),其接入點(diǎn)可以使有線或無(wú)線。無(wú)線接入點(diǎn)可以是蜂窩系統(tǒng)的基站,WLAN(無(wú)線局域網(wǎng))或者ad hoc 自組網(wǎng)等。對(duì)于公用電話網(wǎng)和2Ｇ以及未實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P 的3G 網(wǎng)絡(luò)等則通過(guò)特定的網(wǎng)關(guān)連接。另外,熱點(diǎn)通信速率和容量的需要或網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)重疊將使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)等互聯(lián)、綜合和重疊的現(xiàn)象。
3.2 4G 的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)
針對(duì)4G 存在的巨大挑戰(zhàn),我們可以分層次的研究4G 中的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。如圖3所示。
從圖3 可以看出,下層是物理網(wǎng)絡(luò)層,中間是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層，即中間環(huán)境層,上層是應(yīng)用層，即應(yīng)用環(huán)境層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和選路功能,中間環(huán)境層作為橋接層提供QoS映射、地址轉(zhuǎn)換、安全管理等。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層提供開(kāi)放式IP 接口。應(yīng)用環(huán)境層與中間環(huán)境層之間也可以提供開(kāi)放式接口,用于第三方開(kāi)發(fā)和提供新業(yè)務(wù)。
在物理網(wǎng)絡(luò)層主要解決的問(wèn)題有:
(1)由于在4G 中要在有限的頻率資源條件下傳輸高速的數(shù)據(jù)信息,因此系統(tǒng)需要采用高頻譜效率,能夠有效抵抗多徑時(shí)延的調(diào)制技術(shù)。OFDM 技術(shù)由于使用正交重疊的頻譜,頻譜效率較高,目前基本上被公認(rèn)為4G 的核心技術(shù)。
(2)在4G 中由于載頻將會(huì)提高,所以多天線結(jié)構(gòu)的采用將變成有可能,所以空時(shí)信號(hào)處理的研究就變得十分重要。
(3)在通信環(huán)境中不可避免的存在多用戶間的干擾,而聯(lián)合發(fā)送(JT),聯(lián)合檢測(cè)(JD)由于綜合考慮并利用了多個(gè)用戶間的干擾,可以明顯提高系統(tǒng)性能。
在中間環(huán)境層主要解決的問(wèn)題有:
(1)在4G 系統(tǒng)中多種具有不同需求的分組業(yè)務(wù)匯聚到無(wú)線接口進(jìn)行共享傳輸時(shí),為了保證時(shí)延、速率等QoS 要求,通過(guò)結(jié)合無(wú)線鏈路特征和QoS 要求的分組調(diào)度策略,設(shè)計(jì)可調(diào)度的MAC 層機(jī)制,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)當(dāng)依據(jù)業(yè)務(wù)屬性結(jié)合無(wú)線接口的鏈路特性對(duì)資源分配和分組傳輸進(jìn)行調(diào)度。
(2)在4G 中各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)與非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)并存,相互影響,給無(wú)線資源管理帶來(lái)了更多的靈活性。所以必須考慮一個(gè)多業(yè)務(wù)共存情況下的接入控制策略,利用有限的頻率資源和合理的設(shè)備配置提供更高的系統(tǒng)容量或數(shù)據(jù)吞吐量,保證用戶滿意。
4 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的探討
4.1 OFDM 技術(shù)
在高頻段高速移動(dòng)傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落,實(shí)現(xiàn)調(diào)制／解調(diào)的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落。若從技術(shù)層面來(lái)看,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以CDMA 為核心技術(shù),而第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)則以O(shè)FDM 最受矚目。OFDM 技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸,這樣,盡管總的信道是非平坦的,即具有頻率選擇性,但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的,并且在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬,因此就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。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。OFDM 技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM 系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交,于是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(shí)又提高了頻譜利用率。
由于OFDM 技術(shù)能夠克服DS_CDMA 在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時(shí)符號(hào)間干擾增大的問(wèn)題,并且有頻譜效率高,硬件實(shí)施簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),因此OFDM 被看作是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)。OFDM 技術(shù)的主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間同步,基于導(dǎo)頻符號(hào)輔助的信道估計(jì),峰平比問(wèn)題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
4.2 智能天線技術(shù)
廣帶系統(tǒng)的研究集中在毫米波段,波長(zhǎng)很小,終端上可分布多個(gè)天線,這使得智能天線技術(shù)的有效實(shí)施成為可能。智能天線能夠采用智能化時(shí)空處理算法和波束成型等技術(shù)自動(dòng)跟蹤信號(hào)、抑制干擾以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等,做到真正高效利用無(wú)線資源,提高系統(tǒng)可支持的速率和容量。被認(rèn)為未來(lái)移動(dòng)通信中的關(guān)鍵技術(shù)。
4.3 軟件無(wú)線電技術(shù)
在4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)中,軟件將會(huì)變得非常復(fù)雜。為此,專家建議引入軟件無(wú)線電技術(shù),將其作為3G 通向4G 的橋梁。軟件無(wú)線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過(guò)一個(gè)通用硬件平臺(tái),利用軟件加載方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各種類型的無(wú)線電通信系統(tǒng)的一種具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。通過(guò)下載不同的軟件程序,在硬件平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)不同的功能,用以實(shí)現(xiàn)在不同的系統(tǒng)中利用單一的終端進(jìn)行漫游,它是解決移動(dòng)終端在不同系統(tǒng)中工作的關(guān)鍵技術(shù)。
4.4 網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和安全性
目前第一、第二、第三代移動(dòng)通信基礎(chǔ)架構(gòu)均是交換層架構(gòu),而第四代不僅要考慮到交換層級(jí)技術(shù),還必須涵蓋不同類型的通信接口,也就是說(shuō)第四代主要是運(yùn)用路由技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。移動(dòng)通信從第二代向第三代演進(jìn)使得核心網(wǎng)由電路交換轉(zhuǎn)變?yōu)榉纸M交換,進(jìn)一步的要求是使核心網(wǎng)獨(dú)立于接入技術(shù)。在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的電路交換和現(xiàn)行的分組交換網(wǎng)絡(luò)將會(huì)被IP 分組交換網(wǎng)絡(luò)所取代,而射頻(RF）、線性放大器與信道的控制均是相當(dāng)重要的組件。至于其硬件上如何實(shí)現(xiàn)第四代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),則是以O(shè)FDM 技術(shù)為核心來(lái)發(fā)展硬件架構(gòu)。
4G 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括了適用于IP 分組傳輸?shù)目罩薪涌凇⑽恢眉拇�、基站網(wǎng)絡(luò)配置、無(wú)線QoS 控制、網(wǎng)絡(luò)配置和集成式3G ,WLAN 無(wú)縫業(yè)務(wù)控制等功能模塊。為了解決城區(qū)密集業(yè)務(wù),頻率復(fù)用是關(guān)鍵,而且用微蜂窩實(shí)現(xiàn)無(wú)縫覆蓋要比熱點(diǎn)覆蓋策略好,因?yàn)榍罢呖梢员苊獾乩砦恢蒙系臉I(yè)務(wù)集中。
未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中,包含許多類型的通信網(wǎng)絡(luò),采用以軟件連接和控制為主的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。因此,研究無(wú)線接口協(xié)議,成為4G 關(guān)鍵技術(shù)之一。同時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷拓展,網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也需高度重視�，F(xiàn)已有的在2G 和3G 系統(tǒng)中的安全方案是不夠完全的,4G 將提出一種輕量的,復(fù)合式的,可重配置的安全機(jī)制以增強(qiáng)移動(dòng)設(shè)備的安全性能。
5 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨的問(wèn)題
為了使4G 投入實(shí)際應(yīng)用,需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造,這必將涉及到一系列的問(wèn)題,而且將來(lái)這項(xiàng)技術(shù)在全球如何發(fā)展,還不可避免的會(huì)發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)方面的爭(zhēng)論。目前第四代移動(dòng)通信技術(shù)本身還有待于解決的主要問(wèn)題有:
(1)無(wú)線系統(tǒng)中的移動(dòng)性管理:移動(dòng)性通常涉及到在不同網(wǎng)段之間漫游的移動(dòng)用戶。當(dāng)為各種網(wǎng)絡(luò)提供了不包含數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性支持時(shí),數(shù)據(jù)鏈路層的移動(dòng)性支持通常限制在同類網(wǎng)絡(luò)之間。因此,網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中移動(dòng)性管理的關(guān)鍵。
(2)核心網(wǎng)的移動(dòng)IP 技術(shù):移動(dòng)IP 代表了一種簡(jiǎn)單而且可以升級(jí)的全球移動(dòng)性方案。對(duì)于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)而言,移動(dòng)IP 技術(shù)缺乏實(shí)時(shí)位置管理和快速無(wú)縫切換機(jī)制的支持。另外移動(dòng)IP 環(huán)境下的QoS 所使用的綜合業(yè)務(wù)/RSVP 技術(shù)和區(qū)別型業(yè)務(wù)技術(shù)也是有待解決的重要問(wèn)題之一。另外,這些技術(shù)在移動(dòng)IP 平臺(tái)上并不是最優(yōu)的。所以必須綜合上述的技術(shù),提出新的方法來(lái)有效地保證移動(dòng)IP 環(huán)境下的QoS。
6 結(jié)束語(yǔ)
第四代移動(dòng)通信技術(shù)正在研制過(guò)程中,本文對(duì)它的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的探討,并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行了較為詳盡的敘述。隨著人們新需求的不斷出現(xiàn),第四代移動(dòng)通信技術(shù)的也將會(huì)有所調(diào)整。部分的協(xié)議,標(biāo)準(zhǔn)也有待于進(jìn)一步的改進(jìn)。我們相信第四代移動(dòng)通信技術(shù)憑借它極其新穎的技術(shù)一定會(huì)使我們未來(lái)的移動(dòng)通信事業(yè)前景變得更好!
----《移動(dòng)通信在線》
