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【摘要】本文首先簡要介紹了第四代移動通信技術的概況,以及它的網(wǎng)絡體系和層次結構。然后重點介紹了4G 的關鍵技術。最后提出了第四代移動通信技術還存在的問題。
1 引言
移動通信技術自從興起以來,一直在急劇的發(fā)展著,目前已經(jīng)歷了三代。第一代移動通信系統(tǒng)起源于20 世紀80 年代,主要采用的是模擬技術和頻分多址(FDMA)技術,由于受到傳輸帶寬的限制,導致了其最致命的缺點為不能進行移動通信的長途漫游。第二代移動通信系統(tǒng)(2G)起源于90 年代的初期,主要采用的是數(shù)字的時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術,此系統(tǒng)以數(shù)字傳輸方式來實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)等業(yè)務。第二代移動通信系統(tǒng)替代第一代移動通信系統(tǒng)完成了模擬技術向數(shù)字技術的轉變。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)是正在全力投入開發(fā)的移動通信系統(tǒng),它可以提供前兩代產品不能提供的各種寬帶信息業(yè)務,比如高速數(shù)據(jù),慢速圖像,電視圖像等。第三代移動通信系統(tǒng)將在近幾年投入市場。這三代移動通信移動系統(tǒng)性能比較如圖1 所示。
2 第四代移動通信系統(tǒng)的簡介
2.1 4G 的定義
第四代移動通信技術的概念可稱為廣帶(Broadband)接入和分布網(wǎng)絡,具有非對稱超過2Mb/s 的數(shù)據(jù)傳輸能力,對全速移動用戶能提供150Mb/s 的高質量的影像服務,將首次實現(xiàn)三維圖像的高質量傳輸。它包括廣帶無線固定接入,廣帶無線局域網(wǎng),移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡。此外,廣帶無線局域網(wǎng)(WLAN)與B-ISDN 和ATM 兼容,實現(xiàn)了廣帶多媒體通信,并可形成綜合廣帶通信網(wǎng)(IBCN),通過IP 進行通信。第四代移動通信可以在不固定的無線平臺和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡中提供無線服務,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、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。
2.2 4G 的主要技術指標
(1)數(shù)據(jù)速率從3G 的2Mb/s 提高到100Mb/s,移動速率從步行到車速,甚至更快。
(2)在覆蓋范圍,通信質量,系統(tǒng)造價上滿足3G 所不能達到支持高速率數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體的服務的需要。廣帶局域網(wǎng)應能與寬帶綜合業(yè)務數(shù)據(jù)(B-ISDN)和異步傳輸模式(ATM)兼容,實現(xiàn)廣帶多媒體通信,形成綜合廣帶通信網(wǎng)。
(3)對全速移動用戶能夠提供150Mb/s 的高質量的影像多媒體業(yè)務。
2.3 4G 較之于3G 的優(yōu)點
與2001 年內推出的3Ｇ移動通信服務相比,4Ｇ將比3G 更接近于個人通信。即在任何人,任何時間和任何地點的基礎上實現(xiàn)任何形式的通信。無論在通信范圍、通信質量以及其他任何方面,4G 都應該比3Ｇ有一個質的提高。4Ｇ技術較3Ｇ移動通信技術有許多超越之處,其特點主要有:
(1)4Ｇ移動通信技術的信息傳輸速率要比3Ｇ高一個等級,要超過UMTS,即從２Mb/s 提高到10Ｍb/s,其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10000 倍。
(2)它將是一個全數(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100Mb/s。而且其對無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,但仍不能很好動態(tài)地分配資源,大流量時系統(tǒng)利用率低。而4Ｇ系統(tǒng)采用智能技術使其能自適應地進行資源分配,能夠調整系統(tǒng)對通信過程中變化的業(yè)務流大小進行相應處理而滿足通信要求,采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環(huán)境都能進行信號的正常發(fā)送與接收,有很強的智能性、適應性和靈活性。
(4)3Ｇ的初衷是希望統(tǒng)一全球紛雜的移動通信技術,但是,因為各個商家的利益得不到很好的協(xié)調而分化成如今三大陣營。目前ITU 承認的、在全球已有相當規(guī)模的移動通信標準共有GSM、CDMA 和TDMA 三大分支,每個分支都在搶占市場。這３大分支,取消哪個也不可能,只有通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。
(5)在容量方面,將可能在FDMA,TDMA,CDMA 的基礎上引入空分多址(SDMA)。這里的空分多址將會采取自適應波束,如同無線電波一樣連接到每一個用戶,從而使無線系統(tǒng)容量比現(xiàn)在提高1-2 個數(shù)量級。
(6)在未來的全球通信中,人們所需的是多媒體通信。個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各行業(yè)將會結合成一個整體,提供給用戶比以往更廣泛的服務與應用。4G 將支持交互式多媒體業(yè)務,如視頻會議,無線因特網(wǎng)等。且具有極高的安全性。
(7)4Ｇ系統(tǒng)的網(wǎng)絡將是一個完全自治、自適應的網(wǎng)絡。蜂窩組網(wǎng)的概念將被突破,以達到更完美的覆蓋。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)絡體系和層次結構
3.1 4G 的網(wǎng)絡結構
移動通信從第二代向第三代演進使得核心網(wǎng)由電路交換轉變?yōu)榉纸M交換,進一步的要求是使核心網(wǎng)獨立于接入技術。分組交換的技術有ATM 和IP 等,綜合當前的發(fā)展趨勢以及IP技術的特點,IP 被認為是下一代移動通信最適合的網(wǎng)絡層技術,統(tǒng)一的IP 核心網(wǎng)將使不同的無線和有線接入技術實現(xiàn)互聯(lián)、融合。第四代移動通信的網(wǎng)絡結構如圖2 所示。
其中,核心IP 網(wǎng)絡不是專門用作移動通信,而是作為一種統(tǒng)一的網(wǎng)絡,支持有線及無線的接入,它就像具有移動管理功能的固定網(wǎng)絡,其接入點可以使有線或無線。無線接入點可以是蜂窩系統(tǒng)的基站,WLAN(無線局域網(wǎng))或者ad hoc 自組網(wǎng)等。對于公用電話網(wǎng)和2Ｇ以及未實現(xiàn)全IP 的3G 網(wǎng)絡等則通過特定的網(wǎng)關連接。另外,熱點通信速率和容量的需要或網(wǎng)絡鋪設重疊將使得整個網(wǎng)絡呈現(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)絡層次結構
針對4G 存在的巨大挑戰(zhàn),我們可以分層次的研究4G 中的基礎理論和關鍵技術。如圖3所示。
從圖3 可以看出,下層是物理網(wǎng)絡層,中間是網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術層，即中間環(huán)境層,上層是應用層，即應用環(huán)境層。物理網(wǎng)絡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、地址轉換、安全管理等。物理網(wǎng)絡層與中間環(huán)境層提供開放式IP 接口。應用環(huán)境層與中間環(huán)境層之間也可以提供開放式接口,用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務。
在物理網(wǎng)絡層主要解決的問題有:
(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延的調制技術。OFDM 技術由于使用正交重疊的頻譜,頻譜效率較高,目前基本上被公認為4G 的核心技術。
(2)在4G 中由于載頻將會提高,所以多天線結構的采用將變成有可能,所以空時信號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(JD)由于綜合考慮并利用了多個用戶間的干擾,可以明顯提高系統(tǒng)性能。
在中間環(huán)境層主要解決的問題有:
(1)在4G 系統(tǒng)中多種具有不同需求的分組業(yè)務匯聚到無線接口進行共享傳輸時,為了保證時延、速率等QoS 要求,通過結合無線鏈路特征和QoS 要求的分組調度策略,設計可調度的MAC 層機制,在此基礎上,應當依據(jù)業(yè)務屬性結合無線接口的鏈路特性對資源分配和分組傳輸進行調度。
(2)在4G 中各種實時業(yè)務與非實時業(yè)務并存,相互影響,給無線資源管理帶來了更多的靈活性。所以必須考慮一個多業(yè)務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 第四代移動通信系統(tǒng)關鍵技術的探討
4.1 OFDM 技術
在高頻段高速移動傳輸會產生嚴重的頻率選擇性衰落,實現(xiàn)調制／解調的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落。若從技術層面來看,第三代移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA 為核心技術,而第四代移動通信系統(tǒng)技術則以OFDM 最受矚目。OFDM 技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多窄的正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,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,但是每個子信道是相對平坦的,并且在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。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。OFDM 技術的最大優(yōu)點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM 系統(tǒng)中由于各個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,同時又提高了頻譜利用率。
由于OFDM 技術能夠克服DS_CDMA 在支持高速率數(shù)據(jù)傳輸時符號間干擾增大的問題,并且有頻譜效率高,硬件實施簡單等優(yōu)點,因此OFDM 被看作是第四代移動通信系統(tǒng)中的核心技術。OFDM 技術的主要的技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步,基于導頻符號輔助的信道估計,峰平比問題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
4.2 智能天線技術
廣帶系統(tǒng)的研究集中在毫米波段,波長很小,終端上可分布多個天線,這使得智能天線技術的有效實施成為可能。智能天線能夠采用智能化時空處理算法和波束成型等技術自動跟蹤信號、抑制干擾以及數(shù)字波束調節(jié)等,做到真正高效利用無線資源,提高系統(tǒng)可支持的速率和容量。被認為未來移動通信中的關鍵技術。
4.3 軟件無線電技術
在4G 移動通信系統(tǒng)中,軟件將會變得非常復雜。為此,專家建議引入軟件無線電技術,將其作為3G 通向4G 的橋梁。軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺,利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結構的新技術。通過下載不同的軟件程序,在硬件平臺上可以實現(xiàn)不同的功能,用以實現(xiàn)在不同的系統(tǒng)中利用單一的終端進行漫游,它是解決移動終端在不同系統(tǒng)中工作的關鍵技術。
4.4 網(wǎng)絡化技術和安全性
目前第一、第二、第三代移動通信基礎架構均是交換層架構,而第四代不僅要考慮到交換層級技術,還必須涵蓋不同類型的通信接口,也就是說第四代主要是運用路由技術為主的網(wǎng)絡架構。移動通信從第二代向第三代演進使得核心網(wǎng)由電路交換轉變?yōu)榉纸M交換,進一步的要求是使核心網(wǎng)獨立于接入技術。在第四代移動通信系統(tǒng)中,傳統(tǒng)的電路交換和現(xiàn)行的分組交換網(wǎng)絡將會被IP 分組交換網(wǎng)絡所取代,而射頻(RF）、線性放大器與信道的控制均是相當重要的組件。至于其硬件上如何實現(xiàn)第四代網(wǎng)絡架構,則是以OFDM 技術為核心來發(fā)展硬件架構。
4G 系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構包括了適用于IP 分組傳輸?shù)目罩薪涌�、位置寄存、基站網(wǎng)絡配置、無線QoS 控制、網(wǎng)絡配置和集成式3G ,WLAN 無縫業(yè)務控制等功能模塊。為了解決城區(qū)密集業(yè)務,頻率復用是關鍵,而且用微蜂窩實現(xiàn)無縫覆蓋要比熱點覆蓋策略好,因為前者可以避免地理位置上的業(yè)務集中。
未來移動通信系統(tǒng)中,包含許多類型的通信網(wǎng)絡,采用以軟件連接和控制為主的方法進行網(wǎng)絡互聯(lián)。因此,研究無線接口協(xié)議,成為4G 關鍵技術之一。同時,隨著網(wǎng)絡的不斷拓展,網(wǎng)絡安全問題也需高度重視�，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,復合式的,可重配置的安全機制以增強移動設備的安全性能。
5 第四代移動通信系統(tǒng)面臨的問題
為了使4G 投入實際應用,需要對現(xiàn)有的移動通信基礎設施進行改造,這必將涉及到一系列的問題,而且將來這項技術在全球如何發(fā)展,還不可避免的會發(fā)生標準方面的爭論。目前第四代移動通信技術本身還有待于解決的主要問題有:
(1)無線系統(tǒng)中的移動性管理:移動性通常涉及到在不同網(wǎng)段之間漫游的移動用戶。當為各種網(wǎng)絡提供了不包含數(shù)據(jù)鏈路層技術的網(wǎng)絡層移動性支持時,數(shù)據(jù)鏈路層的移動性支持通常限制在同類網(wǎng)絡之間。因此,網(wǎng)絡層移動性是第四代移動通信系統(tǒng)中移動性管理的關鍵。
(2)核心網(wǎng)的移動IP 技術:移動IP 代表了一種簡單而且可以升級的全球移動性方案。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。另外移動IP 環(huán)境下的QoS 所使用的綜合業(yè)務/RSVP 技術和區(qū)別型業(yè)務技術也是有待解決的重要問題之一。另外,這些技術在移動IP 平臺上并不是最優(yōu)的。所以必須綜合上述的技術,提出新的方法來有效地保證移動IP 環(huán)境下的QoS。
6 結束語
第四代移動通信技術正在研制過程中,本文對它的框架結構進行了初步的探討,并對其關鍵技術部分進行了較為詳盡的敘述。隨著人們新需求的不斷出現(xiàn),第四代移動通信技術的也將會有所調整。部分的協(xié)議,標準也有待于進一步的改進。我們相信第四代移動通信技術憑借它極其新穎的技術一定會使我們未來的移動通信事業(yè)前景變得更好!
----《移動通信在線》
