第四代移动通信(4G)的关键技术漫谈

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一 前言

　　第四代移动通信（4G）的概念可称为宽带（Broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络，集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。

　　目前，业界人士对第四代移动通信共识的方面有：

　　(1) 第四代移动通信以数据通信和图像通信为主；

　　(2) 数据通信的速率比第三代要提高，室外移动通信的速率20Mb/s以上，室内移动通信速率100Mb/s以上；

　　(3) 与因特网结合，通信以IP协议为基础；

　　(4) 可能是没有基站的完全与一、二、三代不同的网络结构，包括AdHoc网——自组织网络。

　　目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPV6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛、IETF和MWIF等。一些全球著名的移动通信设备厂商也在进行4G的研究和开发工作。AT&T已经开发了名为4G接入的实验网络。NORTEL正在进行软件无线电功率放大器技术的研究，而HP实验室正在进行实验网络上传输多媒体内容的相关研究。Ericsson在加州大学投入了1000万美元从事下一代CDMA和4G移动通信技术的研究。

　　按照目前的研究成果和专家预测，4G系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100Mb/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。

　　二 4G的关键技术

　　1 OFDM(正交频分复用)

　　OFDM技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

　　OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：

　　（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。

　　（2）抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（Impulse Noise）和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。

　　（3）适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

　　（4）抗码间干扰（ISI）能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。

　　OFDM也有其缺点，例如：对频偏和相位噪声比较敏感。功率峰值与均值比（PAPR）大，导致射频放大器的功率效率较低。负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。

　　2 软件无线电

　　所谓软件无线电（Software Defined Radio,简称SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

　　其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。

　　软件无线电有以下一些特点：

　　灵活性。工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷。

　　集中性。多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。

　　模块化。模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，从而使软件无线电保持较长的使用寿命。

　　3 智能天线

　　智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。

　　智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为４Ｇ系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。

　　4 IPv6

　　4G通信系统选择了采用基于ＩＰ的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：

　　（1）巨大的地址空间。在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址。

　　（2）自动控制。IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球惟一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP(动态主机配置协议)，需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。

　　（3）服务质量。服务质量（QoS）包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。有了这个20位长的字段，在传输过程中，中国的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。

　　（4）移动性。移动IPv6（MIPv6）在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址（home address），这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址（care-of address）来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。

　　三 结束语

　　由于4G与3G相比具有通信速度更快，网络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高，兼容性能更平滑等优点，4G日益成为人们关注的焦点。相信不久的将来，4G将一统移动通信系统的天下。