第四代移動通信系統及展望

2019-11-03 09:32:33

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供稿：網友

彭藝查光明
（電子科技大學通信學院通信抗干擾技術重點實驗室成都 610054）　　摘要本文從移動通信的發展過程中引出第四代移動通信系統的概念，介紹了其產生背景，敘述了其包含的技術內容和特點，并對其未來進行展望。

　　關鍵詞第四代移動通信系統 OFDM 智能天線軟件無線電

1 引言

　　就目前而言，移動通信特別是蜂窩移動通信技術，是發展速度最快、技術更新最快、市場容量最大的產業。在過去10年中，移動電話的增長幅度往往超過預測值。在20世紀90年代初期，全球的移動通信用戶僅僅只有1000多戶，而如今已經達到近5億，據預測，到2005年，移動電話用戶數量將超過固定電話用戶數量，成為通信的主流。移動通信系統的發展已經歷了兩代，第一代（1G）移動通信技術是采用模擬技術的語音移動通信，第二代（2G）移動通信技術是采用數字技術的語音移動通信。目前，世界上的移動通信技術處于第二代，并正在進行系統的改進，改進后的系統稱為2.5代（2.5G），并將繼續朝著第三代和第四代的方向發展。我們在期待第三代移動通信系統帶來優質服務的同時，第四代移動通信技術的研究、開發也已在實驗室悄然進行。

2 第四代移動通信系統產生的背景

　　隨著人們的生活空間、活動空間和參與領域在不斷地擴大，對手機的功能要求，已不僅僅是對話和通信，還有許許多多其他方面的功能。要實現這些功能，就必須要有新型的通信技術來做保證，在這種情況下各種新興的通信技術就應運而生了，但是，因為各個通信商家的利益得不到很好的協調，這些新興的通信技術如今被分化成了三大陣營。

然而，統一的呼聲在業界仍然留存，希望在未來能夠統一。這種趨勢迫使人們考慮新一代的系統，它能在所有的環境和各種移動狀態中傳送無線多媒體服務，滿足用戶服務質量(QoS)的要求。目前相互兼容的第四代移動通信標準（亦稱為后三代移動通信標準）正在業界萌動。

　　從移動通信系統數據傳輸速率的比較來看，第一代模擬式僅提供語音服務；第二代數字式移動通信系統傳輸速率也只有9.6kbit/s，最高可達32kbit/s，如PHS；而第三代移動通信系統數據傳輸速率可達到2Mbit/s；預計，第四代移動通信系統可以達到10Mbit/s至20Mbit/s。雖然第三代移動通信可以比現有傳輸速率快上千倍，但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求，第四代移動通信系統的提出便是希望能滿足更大的頻寬需求。

　　第四代移動通信系統與第三代移動通信系統都是為未來無線通信服務的，將多媒體包括語音、數據、影像等大量信息透過寬頻的信道傳送出去，我們可暫且將第四代移動通信系統稱之為“多媒體移動通信(Multi-Mobile Communication)”，通常也簡稱為4G。第四代移動通信不僅是為了因應用戶數的增加，更重要的是，必須要因應多媒體的傳輸需求，當然還包括通信品質的要求。總的來說，必須可以容納龐大的用戶數、改善現有通信品質以及達到高速數據傳輸的要求。第四代移動通信系統在業務、功能、頻帶上都將不同于第三代系統，第四代移動通信的概念也可稱為寬帶接入和分布式網絡，具有非對稱的超過2Mbit/s的數據傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網、移動寬帶系統和互操作的廣播網絡(基于地面和衛星系統)。

　　另外，第四代移動通信將在不同的固定和無線平臺和跨越不同頻帶的網絡運行中提供無線服務，可以在任何地方寬帶接入因特網，包含衛星通信，能提供信息通信之外的定位、數據采集、遠程控制等綜合功能。同時，第四代移動通信系統將是多功能集成的寬帶移動通信系統，是寬帶接入ip系統。

　　第四代移動通信系統技術目前還只是一個基本概念，就是無線互聯網技術，但可以肯定的是，隨著互聯網高速發展4G也會繼續高速發展；電腦日趨小型化、簡便化，最終將所有技術整合為一個類似PDA的產品；衛星通信和空間技術會成為常用技術。而移動通信應用的相關技術，如更高頻寬的應用、智能信號處理技術、業務功能綜合能力、網絡技術及衛星技術等亦急速發展。

　　第四代移動通信系統技術與第三代移動通信系統技術相比，除了通信速度大為提高之外,還可以借助IP進行通話。第四代移動通信技術的國際標準化作業,將由國際電聯的無線部門負責實施。

3 第四代移動通信系統及其特點

3.1 4G技術的特點

　　相信3G大家早已很熟悉了，于是不少人認為，4G通信技術無論在通信范圍、通信質量以及其他任何方面都應該比3G有一個質的提高，如果它沒有這方面“質”的變革，就不能夠叫“4G”。的確，與2001年內推出的3G移動通信服務相比，4G技術更為復雜，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）高速率。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2Mbit/s提高到10Mbit/s，其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10000倍。

　　（2）技術發展以數字寬帶技術為主。在蜂窩通信中，信號以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區也會相應小很多，這會大大提高用戶容量但同時引起一系列技術上的難題。

　　（3）靈活性較強。雖然3G的速率已有很大的提高，但仍不能很好動態地分配資源，大流量時系統利用率低。而4G系統擬采用智能技術使其能自適應地進行資源分配，能夠調整系統對通信過程中變化的業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境都能進行信號的正常發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。

　　（4）兼容性好。3G的初衷是希望統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,看來只有通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。

　　（5）用戶共存性。4G中的移動通信技術能根據網絡的狀況和變化的信道條件進行自適應處理，使低速與高速的用戶和各種各樣的用戶設備能夠并存與互通從而滿足系統多類型用戶的需求。

　　（6）業務的多樣性。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、廣播和娛樂等各行業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；系統的使用會更加的安全、方便與更加照顧用戶的個性。4G技術能提供各種標準的通信業務，從而滿足寬帶和綜合多種業務需求。

　　（7）較好的技術基礎。4G技術將以幾項突破性技術為基礎，例如OFDM技術、無線接入技術、光纖通信技術、軟件無線電技術等能大幅提高無線頻率的使用效率和系統可實現性。

　　（8）隨時隨地的移動接入。在4G系統中利用先進的無線接入技術，提供話音、高速信息業務、廣播以及娛樂等多媒體業務接入方式，讓用戶可在任何時間、任何地點接入到系統中。

　　（9）自治的網絡結構。4G系統的網絡將是一個完全自治、自適應的網絡，它可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。

3.2 4G系統網絡結構

　　在4G系統中，各種針對不同業務的接入系統通過多媒體接入系統連接到基于IP的核心網中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺，網絡的連接如圖1所示。

　　從圖1中可看出基于IP技術的網絡架構使得用戶在3G、4G、WLAN、固定網之間無縫漫游可以實現。我們可將系統網絡體系結構分為三層，如圖2所示。

　　從圖2可看出，上層是應用層，中間是網絡業務執行技術層，下層是物理層。物理層提供接入和選路功能，中間層作為橋接層提供QoS映射、地址轉換、即插即用、安全管理、有源網絡。物理層與中間層提供開放式IP接口。應用層與中間層之間也是開放式接口，用于第三方開發和提供新業務。

4 第四代移動通信系統中的關鍵技術

4.1 調制技術與信號傳輸

　　在高頻段高速移動傳輸會產生嚴重的頻率選擇性衰落，實現調制/解調的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落，并且新的調制技術如多載波正交頻分復用調制技術以及單載波帶自適應均衡技術都將提供很高的頻譜效率。另外，電池功率的限制也必須突破。4G系統將采用這些調制方式以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。此外，高性能正向糾錯（FEC）編碼，如Turbo編碼技術、自動重發請求（ARQ）和分集接收技術也是建立高速大容量網絡的重要因素。

　　若從技術層面來看，第三代移動通信系統主要是以CDMA為核心技術，而第四代移動通信系統技術則以OFDM最受矚目， OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，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技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統中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。

4.2 軟件無線電

　　軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統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不同的功能，用以實現在不同的系統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中工作的關鍵技術。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ變換器 ,并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現 ,其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。

　　軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。目前，軟件無線電技術雖然基本上實現了其基本功能：硬件數字化、軟件可編程化、設備可重復配置性，但是其傳統的流水線式結構嚴重影響了設備可配置功能和設備的可擴展性。1999年，美國麻省理工學院V.Bose等人在Spectrum Ware項目支持下提出了網絡式結構的虛擬無線電概念。這個項目致力于建立一個充分利用工作站提供的資源和網絡優勢的理想無線電結構，人們稱它為虛擬無線電，這將是軟件無線電的發展方向。國內，“863”中的軟件無線電項目，也提出了類似的一種基于交換的硬件平臺結構，它與1997年J.Mitola提出的基于交換的硬件平臺結構完全類似。

4.3 智能天線（SA）

　　智能天線原名自適應天線陣列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初應用于雷達、聲納等軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，大家熟悉的相控陣雷達就是一種較簡單的自適應天線陣。移動通信研究者給應用于移動通信的自適應天線陣起了一個較吸引人的名字——智能天線。

　　智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的接收和發射，同時，通過基帶數字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。

　　目前，智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據量、計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。正是在這一背景下，基于預多波束的切換波束工作方式被提出。此時全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個（也有可能是幾個，但需合并后再輸出）作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，實際上我們可將其看作是介于扇形天線與全自適應天線間的一種技術，也是未來智能天線技術發展的方向。

4.4 網絡結構與協議

　　4G系統網絡體系結構包括了適用于IP分組傳輸的空中接口、位置寄存、基站網絡配置、無線QoS控制、網絡配置和集成式3G-WLAN無縫業務控制等功能模塊。為了解決城區密集業務，頻率復用是關鍵，而且用微蜂窩實現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務集中。

　　在處理多媒體業務時，智能無線資源管理是關鍵技術，無線系統資源（頻率和發射功率）是有限的且易受阻塞的困擾，因此，有必要采用無線QoS資源控制，以保證業務質量和支持各種級別的應用。由4G系統支持的應用業務將依據業務的特點進行分類（如分為實時和非實時），無線QoS資源控制方式要既能支持實時性應用，也能支持非實時性應用。無線資源管理者首先檢查可用資源、前/后向鏈路質量、應用類別以及QoS業務用戶級別，然后再指配適當的前/后向鏈路速率和發射功率。4G系統中基于IP技術的網絡結構可以處理IP包，方便地提供全向功能，關鍵是選路/切換和鑒權策略。

　　除此之外，另一項技術就是網絡化。在第四代移動通信系統中，傳統的電路交換和現行的分組交換網絡將會被IP分組交換網絡所取代，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第四代網絡架構，則是以OFDM技術為核心來發展硬件架構。若從架構上來看，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絡架構。

5 第四代移動通信系統的展望

　　從第四代移動通信系統的發展前景來看，其技術的研究在未來幾年內將取得很大的進展。4G技術除OFDM和智能天線等核心技術之外還包含一些相關技術。

　　（1）交互干擾抑制和多用戶識別：待開發的交互干擾抑制和多用戶識別技術應成為4G的組成部分，它們以交互干擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統，消除不必要的鄰近和共信道用戶的交互干擾，確保接收機的高質量接收信號。這種組合將滿足更大用戶容量的需求，還能增加覆蓋范圍。交互干擾抑制和多用戶識別技術的結合將大大減少網絡基礎設施的部署，確保業務質量的改善。

　　（2）可重構性/自愈網絡：在4G無線網絡中將采用智能處理器，它們將能夠處理節點故障或基站超載。網絡各部分采用基于知識解答裝置，將能夠糾正網絡故障，這種基于知識解答裝置安裝在無線網絡控制器上。

　　（3）微微無線電接收器：微微無線電接收器是未來4G中要研究的另一個重點，它們是嵌入式無線電，例如“藍牙”，在智能和功耗方面都得到改善。無線電裝在一單片上，采用這種技術，功耗是采用現有技術的1/10~1/100。

　　（4）無線接入網（RAN）：4G系統不僅是高速度而且大容量，低比特成本，能夠支持2010年后的業務，這些要求將使得4G RAN不同于目前的RAN，在結構上必然是革命性的。4G蜂窩系統的無線接入網絡技術發展的趨勢是電路交換向基于IP分組交換發展，宏小區向微小區發展，設備分集向網絡分集發展。基于IP分組業務不僅影響無線電傳輸協議，還影響RAN的選路和切換策略。這種基于IP技術的網絡架構使得在3G、4G、W-LAN、固定網之間漫游得以實現，并支持下一代因特網，包括IPv6和組播業務。

　　從4G的核心技術OFDM來看，其面臨很好的機遇，因為OFDM已經獲得了許多通信業界巨頭的一致支持，其中包括朗訊、思科、飛利浦半導體和諾基亞。而且在這些公司最近的宣傳中，都列舉了OFDM優越于CDMA的種種特點，并顯示了他們對OFDM成為第四代移動通信最終標準的強烈信心。

　　思科公司在購并了硅谷的技術公司Clarity Corporation而獲得了其所有的VOFDM（矢量正交頻分復用）專利之后，對外界宣稱，已經生產出了具有U-NII波段和MMDS架構的設備，并作好了上市銷售的準備。

　　在歐洲地區，無線本地環路與數字音訊廣播已針對其室內應用而進行相關的研發，測試項目包括10Mbit/s與MPEG影像傳輸應用，而第四代移動通信技術則將會是現有兩項研發技術的延伸，先從室內技術開始，再逐漸擴展到室外的移動通信網路。目前第四代移動通信的頻段尚未被討論與制訂，不過原則上將會是以高頻段頻譜為主，另外也將會使用到微波相關的技術與頻段。據有關專家預測：這種以寬帶、接入因特網、具有多種綜合功能的第四代移動通信系統，很可能到2010年就會出現相關的實驗系統和手機模型。

　　當然，也應當看到，OFDM的成型技術產品還遠不及CDMA那樣豐富，目前只是在DSL(數字用戶線)環境下的應用有了相當的規模，在此領域的應用也并不能在很大程度上體現OFDM性能上的過人之處。而且，在技術上仍存在不少問題。有專家提出對4G系統進行電磁兼容性（EMC）和對于人體的危害評估是極其重要的，尤其是高頻段像毫米波和微米波這樣的頻率。

　　也有不少業內人士認為，盡管第四代移動通信技術有著比3G更強的優越性，可要是把4G投入到實際應用，需要對現有的移動通信基礎設施進行更新改造，這將會引發一系列的資金、觀念（3G尚未商用，4G更是遙遙無期）等問題，從而在一定程度上會減緩4G正式進入市場的速度。

　　我們相信，在不久的將來4G在業務、功能、頻寬上均有別于3G，應該將會是將所有無線服務綜合在一起，能在任何地方接入因特網，包括定位定時、數據收集、遠程控制等功能。移動無線因特網會是無邊無際，而預計兩年后3G的傳輸速度上限2Mbit/s很可能會到達飽和。所以4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統，是寬帶接入IP的系統，是新一代的移動通信系統。

參考文獻

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2 候健.GPRS、3G、4G如何抉擇. 通信產業報, 2001-07-18

3 吳偉陵. 移動通信中的關鍵技術. 北京:北京郵電大學出版社，2002

[作者簡介] 彭藝，博士研究生，就讀于電子科技大學通信與信息工程學院通信專業，從事的研究方向是通信系統及其信號處理。查光明，電子科技大學教授，博士生導師，從事擴頻通信的研究。

摘自《電信科學》2002.6

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