4G通信系统关键技术浅析

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1、3G系统的局限性

　　3G的局限性主要表现在以下几方面。

　　不能支持较高的通信速率。3G虽然标称能达到2Mbit/s的速率，但平均速率只能达到384kbit/s。尽管目前3G增强型技术不断发展，但其传输速率还有差距。

　　不能提供动态范围多速率业务。由于3G空中接口主流的三种体制WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA所支持的核心网不具有统一的标准，难以提供具有多种QoS及性能的多速率业务。

　　不能真正实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。由于采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能实现多业务环境的不同配置。

　　由于3G系统以上的局限性。目前，很多公司已经开始着手4G通信系统的研究。本文主要介绍4G的技术特点，可能采用的关键技术以及4G网络结构。

2、4G的技术特点及研发状况

　　2000年10月6日国际电信联盟(ITU)在加拿大蒙特利尔市成立了“IMT 2000 and Beyond”工作组，开始了对4G的研究，同时，欧洲、日本、韩国对4G的研究也陆续展开，我国在2002年3月也正式宣布启动对4G通信系统的研究工作。在2002年5月ITU召开的“IMT-2000 and Systems Beyond”研讨会上，mITF系统子委员会主席Watanabe先生将未来的通信系统描述为具备以下特征的系统。

　　a)用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；

　　b)移动终端可以是任何类型的；

　　c)用户可以自由地选择业务、应用和网络；

　　d)可以实现非常先进的移动电子商务；

　　e)新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。

　　根据他的描述，未来的4G系统则至少具备以下的基本条件。

　　(1)具有很高的数据传输速率。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2Mbit/s；对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20Mbbit/s；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100Mbit/s。

　　(2)实现真正的无缝漫游。4G移动通信系统实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。

　　(3)高度智能化的网络。采用智能技术的4G通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行结合的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。

　　(4)良好的覆盖性能。4G通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速可变速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，小区的半径会更小。

　　(5)基于IP的网络。4G通信系统将会采用IPv6。IPv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。

　　(6)实现不同QoS的业务。4G通信系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。

　　(7)先进的技术应用。4G移动通信系统以几项突破性技术为基础，如：OFDM多址接入方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。

　　按照目前的研究成果和专家的预测，4G通信系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100Mbit/s。ITU-R的WP8F工作组也估计下一代移动通信系统将在2010年左右投入商业运营。

3、4G中的关键技术

　　4G通信系统具有比3G更加优良的性能，因此是一个远比3G复杂的通信系统。4G将要采用的关键技术主要有：

　　3.1　正交频分复用(OFDM)技术

　　OFDM是4G的核心技术。其基本原理是将需要传输的串行数据流分解为若干个较低速率的并行子数据流，再将它们各自调制到相互正交的子载波上，最后合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的速率相同。OFDM主要的优点有：频谱利用率高；消除或减小码间干扰；采用跳频方法选用正交子载波具有很好的抗窄带干扰能力；采用自适应调制方案在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。OFDM技术的主要缺点是功率效率不高和系统复杂度增加。

　　3.2　调制和编码

　　4G通信系统将采用多载波调制(MCM)技术。4G通信系统可能会采用两种形式的MCM：多载波码分多址(MC-CDMA)和正交频分复用时分多址(OFDM-TDMA)。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低条件下保证系统足够的性能。

　　3.3　无线链路增强技术

　　可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集技术，如通过空间分集、时间分集(信道编码)、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能；多天线技术，如采用2或4天线来实现发射分集，或者采用多输入多输出(MIMO)技术来实现发射和接收分集。

　　3.4　软件无线电技术

　　软件无线电是利用数字信号处理软件实现传统上由硬件电路来完成的无线功能的技术，通过加载不同的软件，可实现不同的硬件功能。其核心技术是用宽频带的无线接收机来代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多地采用可编程软件来实现。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。

　　3.5　基于IP的核心网

　　4G的核心网是一个基于全IP的网络。目前选择IPv6技术作为下一代网络的核心协议，采用全IP的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连；全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

　　3.6　智能天线

　　智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信技术。采用空分多址技术，应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或邻瓣对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

　　3.7　多用户检测技术

　　多用户检测技术的核心思想就是利用均衡技术。将来自其他用户的ISI也当作MAI而一并消除之。多用户检测技术充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。

4、4G通信系统的网络结构

　　目前，4G系统仍处于研究的起步阶段，具体的标准没有定论，其网络结构也没有统一的标准，但网络融合的大趋势是显而易见的。如图1所示。

图1　4G的网络结构

　　4G通信系统按照功能可以划分为接入层、承载层和业务控制层3层，如图2所示。

图2　4G移动通信系统网络分层示意图

5、结束语

　　4G移动通信系统目前还只是一个基本概念，处于实验室研究开发阶段。但是融合现有的各种无线接入技术的4G系统将成为一个无缝连接的统一系统，实现跨系统的全球漫游及业务的可携带性，它将帮助我们实现充满个性化的通信梦想，为我们未来的生活描绘出多彩的一笔。