4G移動通信系統研究進展與關鍵技術

2019-11-03 09:16:01

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北京理工大學劉偉、丁志杰

　　摘要：本文概要介紹了第四代移動通信系統的最新研究進展。文中詳細討論了4G系統的主要技術特點、主要技術目標，重點討論了4G系統中可能采用的有關關鍵技術。

　　關鍵詞：移動通信系統，4G系統，空中接口。

　　一、概述

　　第四代（4G）移動通信系統與技術是目前移動通信領域的研究熱點。第三代（3G）移動通信系統從2001年起先后在日本和韓國投入商用，但目前大多數國家運營的仍然是2G或2.5G的移動通信系統。我國運營的移動通信系統主要是2G的GSM和CDMA。目前用戶對移動通信系統的速率要求越來越高，而3G系統實際所能提供的最高速率也只有384kbps（雖然標稱最高速率為2Mbps）,不能滿足用戶的實際需求，因此在3G系統還沒有大規模投入商用的情況下，國內外移動通信領域的專家已經在進行4G系統的研究和開發工作。

　　90年代早期歐洲就開始4G移動通信系統的研究，其目標速率是100Mbps,預期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一個特別委員會，領導日本的有關政府部門、大學研究機構和工業部門，從事4G系統的研究工作和制定4G的有關標準。日本NTT的DoCoMo公司已經于2002年成功研制出一個包含移動終端和基站的4G空中接口實驗系統，并在該系統上成功地進行了有關傳輸和實驗。

　　目前全球范圍內有多個組織正在進行4G系統的研究和標準化工作，如ipv6論壇、SDR論壇、3GPP、無線世界研究論壇（ the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移動通信設備廠商也在進行4G的研究和開發工作。AT&T已經開發了名為4G接入的實驗網絡。NORTEL正進行軟件無線電功率放大器技術的研究，而HP實驗室正在進行4G 網絡上傳輸多媒體內容的相關研究。EriCSSon在加州大學投入了1000萬美元從事下一代CDMA和4G移動通信技術的研究。

　　按照目前的研究成果和專家的預測，4G系統將會在2010年以后投入商業運營，最高下行速率將達到100Mbps。ITU-R的WP8F工作組也估計下一代移動通信系統將在2010年左右投入商業運營。

　　二、4G系統的技術目標和特點。

　　4G系統總的技術目標和特點可以概括為：同3G等已有的數字移動通信系統相比，4G系統應具有更高的數據率、更好的業務質量（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系統應能支持非對稱性業務，并能支持多種業務；4G系統應體現移動與無線接入網和IP網絡不斷融合的發展趨勢，因此4G系統應當是一個全IP的網絡。下面是一些具體的技術目標和特點。

　　1．4G系統的容量。

　　4G系統的容量至少為3G系統的10倍。4G系統下行信道的最高速率將達100Mbps,因此移動終端下載文件的速度將比3G系統快得多。4G系統也可把高清晰度的視頻圖像實時地傳送給移動終端用戶，從而使用戶產生身臨其境的感覺。

　　為了適應數據和多媒體業務不斷增長的需求，4G系統自然應具有更高的容量，但所能分給4G系統的頻譜仍然是有限的，因此4G系統的頻譜效率應當為3G系統的5到10倍。

　　4G系統目標速率為：對于大范圍高速移動用戶（250km/h），數據速率為2Mbps;對于中速移動用戶（60km/h），數據速率為20Mbps;對于低速移動用戶（室內或步行者），數據速率為100Mbps。

　　2.4G系統是一個無縫網。

　　4G系統應能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫游。無線通信領域的一個發展趨勢是移動網絡和無線接入網絡的融合。4G系統應當是一個移動網絡和無線接入網的融合體，它應能實現與無線LAN的無縫連接。

　　4G的無縫特性，包含系統、業務和覆蓋等多方面的無縫性。系統的無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統中使用；業務的無縫性指的是對話音、數據和圖像的無縫性；而覆蓋的無縫性則指4G系統應能在全球提供業務。因此4G系統應當是一個綜合系統，蜂窩部分提供廣域移動性，而WLAN提供熱點地區的高速業務，同時也應當包含家庭和辦公室的個人LAN.

　　3．4G系統應具有良好的覆蓋性能。

　　4G系統應具有良好的覆蓋，并能提供高速可變速率傳輸。對于室內環境，由于要提供高速傳輸，因此小區的半徑更小。

　　4．4G系統應當是一個基于IP的網絡。

　　4G應當是一個基于IP的移動網絡，所以有些文獻把4G系統稱為“基于IP的第四代無線網絡“（theFourthGenerationIP-based wireless network）。全IP 的4G網絡同已有的移動網絡相比具有根本性的優點。IP與實際所采用的各種無線接入方式是兼容的，并且與具體采用的無線接入方式是獨立的，采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡（CN）協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時就具有很大的靈活性，而不需要去考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。一個采用IP的核心網絡可以采用多種無線接入方式，比如IEEE 802.11, WCDMA, Bluetooth, HyperLAN等。全IP的核心網可以與無線接入方式獨立地發展。4G系統將會采用Ipv6。Ipv6將能在IP網絡上實現話音和多媒體業務。

　　5．4G系統將能實現不同QoS的業務。

　　4G系統通過動態帶寬分配和調節發射功率來提供不同質量的業務。

　　二、4G與3G的主要技術參數比較

　　四、4G系統的關鍵技術。

　　4G系統的有關關鍵技術為：寬帶接受機，智能天線，空時編碼，高性能的功率放大器，先進的調制解調技術，高性能的RF收發信機，和多用戶檢測等。

　　1.無線接入方式與多址方案。

　　在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統最為合適的多址方案,從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統最有可能采用的多址方式。OFDM的主要優點有：各個信號間不會相互干擾；對多徑衰落和多普勒頻移不敏感；用戶間和相鄰小區間無干擾；可實現低成本的單波段接收機等。OFDM的主要缺點是功率效率不高。

　　日本NTTDoCoMo提出的4G移動系統方案的無線接入方式為：VSF-OFCDM。VSF表示可變擴頻因子（variable sPReading factor），而OFCDM則表示正交頻分與碼分復用(orthogonal frequency and code division multiplexing) 。VSF-OFCDM 屬于多載波CDMA(MC-CDMA)，這種無線接入方式可以提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響。

　　VSF-OFCDM實際上也是CDMA,因此同一般的CDMA移動通信系統一樣，頻率可以在所有的小區中重復使用。由于VSF-OFCDM采用了可變擴頻因子，因此通過改變擴頻因子，可應用于高密度業務區和一般業務區。

　　NTTDoCoMo已經于2002年10月成功進行了4G系統的有關試驗。采用他們研制的4G移動通信試驗系統，在室內環境成功進行了上行20Mbps,下行100Mbps的傳輸試驗。

　　2．調制與編碼。

　　4G系統將會采用多載波調制（MCM）技術。4G系統可能會采用兩種形式的MCM:多載波碼分多址（MC-CDMA）和正交頻分復用時分多址（OFDM-TDMA）

　　一般MC-CDMA采用QPSK調制，而OFDM-TDMA采用高電平調制，如M-QAM(M從4到256)。對于M-QAM,為了提高系統的性能，一般認為需要采用自適應調制，按照實際測量的參數來確定QAM的電平數和符號速率。

　　NTTDoCoMo的4G移動通信系統的基本調制方案為QPSK，相應的數據傳輸速率為103.68Mbps。當采用64-QAM調制時，數據速率高達331.776Mbps（相應的擴頻因子為1）。

　　4G移動通信系統將采用更高級的信道編碼方案，如Turbo碼、級連碼和LDPC等，從而在極低的Eb/N0下保證足夠的性能。NTTDoCoMo的4G實驗系統信道編碼采用TURBO碼。

　　3．無線鏈路增強技術。

　　可以提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術有：分集技術，如通過空間分集、時間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法來獲得最好的分集性能；多天線技術，如采用2或4天線來實現發射分集，或者采用多輸入多輸出（MIMO）技術來實現發射和接受分集。

　　4．高效的頻譜使用方案。

　　提高頻譜效率的方法有：使用3GHz以上的頻段，由于可以使用的帶寬更寬，因此將具有更高的傳輸容量。3G系統的頻譜效率只有2bps/Hz，而4G系統的頻譜效率應達到5bps/Hz。

　　5．基于IP的核心網。

　　3G系統不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系統應當是一個全IP的網絡。采用全IP的優點有：可以實現不同網絡間的無縫互連；全IP也是一種低成本的集成目前網絡的方法。4G系統的核心網是一個基于全IP的網絡，因此核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務；能同已有的核心網和PSTN共存。要實現全IP的核心網有許多問題需要解決，如鑒權、計費等。核心網應具有開放的結構，從而能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網應把業務、控制和傳輸等分開。

　　6．軟件無線電（SDR）技術。

　　軟件無線電技術將會在4G系統得到應用。軟件無線電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現各種應用的可變QoS。軟件無線電技術有助于不同標準和系統的融合。軟件無線電在4G中的可能應用為：采用軟件無線電實現的基站可同時為多個網絡服務；當終端移動時，可重新配置，如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動系統中時，終端可按照該系統的標準重新自動配置該終端，從而該終端可獲得服務。

　　采用軟件無線電技術實現的移動終端或BS將采用模塊化的結構，主要由天線模塊、LNA模塊、功率放大器模塊、ADC/DAC模塊、DSP模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電中RF和基帶器件都應當是可編程的。

　　7．高性能的接收機。

　　4G系統對接收機提出了特別高的要求。我們知道Shannon定理指出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我們可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz,而數據速率為2Mbps,則所需的SNR為1.2dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mbps的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，因此對接收機的性能要求也要高得多。

　　8．智能天線與MIMO技術。

　　智能天線和MIMO技術可以降低多址干擾，實現空間分集，因此將會在4G系統中得到應用。圖一左端為一個智能天線示意圖，基站對各個用戶可形成一個定向波束，因此既可降低來自小區內其它用戶的多址干擾，也可降低對基站發射功率的要求。

　　9．多用戶檢測技術。

　　隨著多用戶檢測技術的不斷發展，多用戶檢測器將會在4G系統的基站和終端中得到應用。多用戶檢測器可以提高系統的容量，因此將是4G系統必然采用的技術。隨著多用戶檢測器研究的不斷深入，各種高性能但算法不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出來，因此在實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

　　參考文獻：

　　1.YoungKyunKim, “new technological and standards toward beyond 3G”, cic 2002, SEOul,korea.

　　2.Christianprehofer,”technologies for future mobile networks”, cic 2002, seoul, korea.

　　3.tatsuromasamura,”towards4th generation mobile communications”,cic2002,seoul,korea.

　　4.RahimTafazolli,“why we need 4G!”, 2001 Workshop on multiradio multimedia communications.

　　5.v.kumar,“wireless communications beyond 3G”, Alcatel Telecommunications Review, no.1 2002.

　　6.http://www.motorola.com,“beyond3G”.

　　7.http://dis.cnu.ac.kr/download/John-Beyond_3G.pdf

　　8.http://www.fraunhofer.de/english/publications/df/df2002/magazine2-2002-26.pdf

----《通信世界》