摘 要： 本文對3G 和4G移動通信做了簡要的比較， 并對4G 移動通信系統(tǒng)中將會用到的關鍵技術做了分析。包括OFDM技術、智能天線技術、軟件無線電技術、多用戶檢測技術、IPv6技術等。
關鍵詞： 4G移動通信； OFDM； MUD； IPv6
1 引言
第三代移動通信系統(tǒng)是能夠滿足國際電聯(lián)提出的IMT - 2000PFPLMTS系統(tǒng)標準的新一代移動通信系統(tǒng)，要求具有很好的網絡兼容性，能夠實現全球范圍內多個不同系統(tǒng)間的漫游，不僅要為移動用戶提供話音及低速率數據業(yè)務，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務。根據ITU 的標準，世界各大電信公司聯(lián)盟均己提出了自己的第三代移動通信系統(tǒng)方案，主要有W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA以及我國提出的擁有自主知識產權的TD-SCDMA。但3G也存在以下幾方面的局限性：
不能支持較高的通信速率。3G雖然標稱能達到2Mbit/s 的速率，但平均速率只能達到384 kbit/s。盡管目前3G增強型技術不斷發(fā)展，但其傳輸速率還有差距。
不能提供動態(tài)范圍多速率業(yè)務。由于3G空中接口主流的三種體制WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA所支持的核心網不具有統(tǒng)一的標準，難以提供具有多種QoS及性能的多速率業(yè)務。
不能真正實現不同頻段的不同業(yè)務環(huán)境間的無縫漫游。由于采用不同頻段的不同業(yè)務環(huán)境，需要移動終端配置有相應不同的軟、硬件模塊，而3G移動終端目前尚不能實現多業(yè)務環(huán)境的不同配置。由于3G系統(tǒng)以上的局限性，目前，很多公司已經開始著手4G 概念通信系統(tǒng)的研究。本文主要介紹4G概念通信的技術特點以及可能采用的關鍵技術。
2 4G概念通信技術特點
目前，業(yè)界專業(yè)人士對4G概念移動通信系統(tǒng)的共識主要有以下幾點：
a) 用戶可以在任何地點、任何時間以任何方式不受限地接入網絡中來；
b) 移動終端可以是任何類型的；
c) 用戶可以自由地選擇業(yè)務、應用和網絡；
d) 可以實現非常先進的移動電子商務；
e) 新的技術可以非常容易地被引入到系統(tǒng)和業(yè)務中來。
根據以上描述，未來的4G系統(tǒng)應具備以下的基本條件。
(1) 具有很高的數據傳輸速率。對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數據速率為2 Mbit/s;對于中速移動用戶(60km/h)，數據速率為20 Mbbit/s;對于低速移動用戶(室內或步行者)，數據速率為100 Mbit/s。
(2) 實現真正的無縫漫游。4G 移動通信系統(tǒng)實現全球統(tǒng)一的標準，能使各類媒體、通信主機及網絡之間進行“無縫連接”，真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。
(3) 高度智能化的網絡。采用智能技術的4G 通信系統(tǒng)將是一個高度自治、自適應的網絡。采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環(huán)境進行結合的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。
(4) 良好的覆蓋性能。4G 通信系統(tǒng)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(huán)境，由于要提供高速傳輸，小區(qū)的半徑會更小。
(5) 基于IP 的網絡。4G通信系統(tǒng)將會采用IPv6，IPv6將能在IP 網絡上實現話音和多媒體業(yè)務。
(6) 實現不同QoS 的業(yè)務。4G 通信系統(tǒng)通過動態(tài)帶寬分配和調節(jié)發(fā)射功率來提供不同質量的業(yè)務。
3 4G概念通信關鍵技術探討
（1）正交頻分復用（OFDM ）技術
第四代移動通信系統(tǒng)主要是以OFDM為核心技術。OFDM 技術實際上是多載波調制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。
OFDM技術之所以越來越受關注，是因為OFDM 有很多獨特的優(yōu)點：
a) 頻譜利用率高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。OFDM
信號的相鄰子載波相互重疊，其頻譜利用率可以接近Nyquist
極限。
b) 抗衰落能力強。OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，這樣在每個子載波上的信號時間就相應地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，從而使OFDM 對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強。
c) 適合高速數據傳輸。OFDM 自適應調制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調制方式。當信道條件好的時候，應采用效率高的調制方式；而當信道條件差的時候，則應采用抗干擾能力強的調制方式。再有，OFDM 加載算法的采用，使得系統(tǒng)可以把更多的數據集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此，OFDM 技術非常適合高速數據傳輸。
d) 抗碼間干擾(ISI)能力強。碼間干擾是數字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM 由于采用了循環(huán)前綴，故對抗碼間干擾的能力很強。
（2）智能天線技術
智能天線采用了空時多址（SDMA）的技術，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號進行區(qū)分，動態(tài)改變信號的覆蓋區(qū)域，將主波束對準用戶方向，旁瓣或零陷對準干擾信號方向，并能夠自動跟蹤用戶和監(jiān)測環(huán)境變化，為每個用戶提供優(yōu)質的上行鏈路和下行鏈路信號從而達到抑制干擾、準確提取有效信號的目的。這種技術具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。
目前，智能天線的工作方式主要有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(yōu)，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際跟蹤。在基于預多波束的切換波束工作方式下，全空域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作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發(fā)展的方向。
（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(fā)射分集，或采用多輸入多輸出(MIMO)技術來實現發(fā)射和接收分集。MIMO技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集的技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO 技術是實現高數據速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質量的空間分集技術。
（4）軟件無線電（S D R ）技術
在4G系統(tǒng)中，若要實現“任何人在任何地點以任何形式接入網絡”的理想通信方式，則至少需要保證移動終端能夠適合各種類型的空中接口，能夠在各類網絡環(huán)境間無縫漫游，并可以在不同類型的業(yè)務之間進行轉換。這就意味著在4G 系統(tǒng)中，軟件將會變得非常復雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術，軟件無線電是近幾年隨著微電子技術的進步而迅速發(fā)展起來的新技術，它以現代通信理論為基礎，以數字信號處理為核心，以微電子技術為支持。軟件無線電概念一經提出，就受到各方的極大關注，這不僅是因為軟件無線電概念新技術先進、發(fā)展?jié)摿Υ螅鼮橹匾氖撬鼭撛诘氖袌鰞r值也是極具吸引力的。軟件無線電強調以開放性最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的不同應用軟件來實現各種無線電功能的設計新思路。其中心思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協(xié)議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D 和D/A 轉換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。在4G眾多關鍵技術中，軟件無線電技術是通向未來4G的橋梁。由于各種技術的交迭有利于減少開發(fā)風險，所以未來4G技術需要適應不同種類的產品要求，而軟件無線電技術則是適應產品多樣性的基礎，它不僅能減少開發(fā)風險，還更易于開發(fā)系列型產品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而降低了運算器件的價格，其開放的結構也會允許多方運營的介入。
（5）多用戶檢測技術
4G系統(tǒng)的終端和基站將用到多用戶檢測技術以提高系統(tǒng)的容量。多用戶檢測技術的基本思想是：把同時占用某個信道的所有用戶或部分用戶的信號都當作有用信號，而不是作為噪聲處理，利用多個用戶的碼元、時間、信號幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測單個用戶的信號，即綜合利用各種信息及信號處理手段，對接收信號進行處理，從而達到對多用戶信號的最佳聯(lián)合檢測。它在傳統(tǒng)的檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶的信號進行檢測，從而具有良好的抗干擾和抗遠近效應性能，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。
現有的多用戶檢測算法在計算復雜度與處理時延問題上存在不足，且算法中一些參數(頻率、幅度、定時、相位等)估計有誤時， 會使得相關矩陣產生較大偏差，導致整個系統(tǒng)性能急劇下降。另一方面， 當前的MUD算法只考慮了同小區(qū)內的干擾，而沒有考慮相鄰小區(qū)間的同頻率用戶干擾。一般的多用戶檢測研究都假設用戶數據是獨立等概率的，沒有考慮信道編碼的影響，現在組合信道編碼和多用戶檢測的研究受到越來越多的重視。另外，目前的研究方向還包括多速率多用戶檢測和多用戶檢測與空時二維信號處理、多載波調制、功率控制等技術的結合。
（6）IPv6技術
4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組方式傳送數據流，因此IPv6技術將成為下一代網絡的核心協(xié)議。選擇IPv6 協(xié)議主要基于以下幾點考慮：
a) 巨大的地址空間。在一段可預見的時期內，它能夠為所有可以想像出的網絡設備提供一個全球惟一的地址。
b) 自動控制。IPv6還有另一個基本特性就是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置方式。無狀態(tài)地址自動配置方式是獲得地址的關鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現機制來獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它將用另一種即插即用的機制，在沒有任何人工干預的情況下，獲得一個全球惟一的路由地址。
c) 服務質量。服務質量(QoS)包含幾個方面的內容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4具有相同的QoS，但是IPv6 能提供不同的服務。這些優(yōu)點來自于IPv6 報頭中新增的字段“流標志”。有了這個20 位長的字段，在傳輸過程中，中國的各節(jié)點就可以識別和分開處理任何IP 地址流。盡管對這個流標志的準確應用還沒有制定出有關標準，但將來它無疑將用于基于服務級別的新計費系統(tǒng)。
d) 移動性。移動IPv6在新功能和新服務方面可提供更大的靈活性。每個移動設備設有一個固定的家鄉(xiāng)地址，這個地址與設備當前接入互聯(lián)網的位置無關。當設備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時，通過一個轉交地址即可提供移動節(jié)點當前的位置信息。移動設備每次改變位置都要將它的轉交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應的通信節(jié)點。
4 結束語
4G移動通信系統(tǒng)目前還只是一個基本概念，4G網絡的定義仍然還不明確，IEEE等標準化組織仍處于制定標準和規(guī)范的過程中。但是融合現有的各種無線接入技術的4G系統(tǒng)將成為一個無縫連接的統(tǒng)一系統(tǒng)，實現跨系統(tǒng)的全球漫游及業(yè)務的可攜帶性，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)，它將幫助我們實現充滿個性化的通信夢想。
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