4G移动通信系统研究进展与关键技术

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一、概述

　　第四代（4G）移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点。第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在日本和韩国投入商用，但目前大多数国家运营的仍然是2G或2.5G的移动通信系统。我国运营的移动通信系统主要是2G的GSM和CDMA。目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率也只有384kbps（虽然标称最高速率为2Mbps）,不能满足用户的实际需求，因此在3G系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经在进行4G系统的研究和开发工作。

　　90年代早期欧洲就开始4G移动通信系统的研究，其目标速率是100Mbps,预期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一个特别委员会，领导日本的有关政府部门、大学研究机构和工业部门，从事4G系统的研究工作和制定4G的有关标准。日本NTT的DoCoMo公司已经于2002年成功研制出一个包含移动终端和基站的4G空中接口实验系统，并在该系统上成功地进行了有关传输和实验。

　　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（ 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4G 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的预测，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100Mbps。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系统的技术目标和特点。

　　4G系统总的技术目标和特点可以概括为：同3G等已有的数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势，因此4G系统应当是一个全IP的网络。下面是一些具体的技术目标和特点。

　　1．4G系统的容量。

　　4G系统的容量至少为3G系统的10倍。4G系统下行信道的最高速率将达100Mbps,因此移动终端下载文件的速度将比3G系统快得多。4G系统也可把高清晰度的视频图像实时地传送给移动终端用户，从而使用户产生身临其境的感觉。

　　为了适应数据和多媒体业务不断增长的需求，4G系统自然应具有更高的容量，但所能分给4G系统的频谱仍然是有限的，因此4G系统的频谱效率应当为3G系统的5到10倍。

　　4G系统目标速率为：对于大范围高速移动用户（250km/h），数据速率为2Mbps;对于中速移动用户（60km/h），数据速率为20Mbps;对于低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100Mbps。

　　2.4G系统是一个无缝网。

　　4G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合。4G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线LAN的无缝连接。

　　4G的无缝特性，包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户既能在WLAN中使用，也能在蜂窝系统中使用；业务的无缝性指的是对话音、数据和图像的无缝性；而覆盖的无缝性则指4G系统应能在全球提供业务。因此4G系统应当是一个综合系统，蜂窝部分提供广域移动性，而WLAN提供热点地区的高速业务，同时也应当包含家庭和办公室的个人LAN.

　　3．4G系统应具有良好的覆盖性能。

　　4G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，因此小区的半径更小。

　　4．4G系统应当是一个基于IP的网络。

　　4G应当是一个基于IP的移动网络，所以有些文献把4G系统称为“基于IP的第四代无线网络“（theFourthGenerationIP-based wireless network）。全IP 的4G网络同已有的移动网络相比具有根本性的优点。IP与实际所采用的各种无线接入方式是兼容的，并且与具体采用的无线接入方式是独立的，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就具有很大的灵活性，而不需要去考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。一个采用IP的核心网络可以采用多种无线接入方式，比如IEEE 802.11, WCDMA, Bluetooth, HyperLAN等。全IP的核心网可以与无线接入方式独立地发展。4G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。

　　5．4G系统将能实现不同QoS的业务。

　　4G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。

　　二、4G与3G的主要技术参数比较

　　四、4G系统的关键技术。

　　4G系统的有关关键技术为：宽带接受机，智能天线，空时编码，高性能的功率放大器，先进的调制解调技术，高性能的RF收发信机，和多用户检测等。

　　1.无线接入方式与多址方案。

　　在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案,从目前的研究进展来看，OFDM也是将来4G系统最有可能采用的多址方式。OFDM的主要优点有：各个信号间不会相互干扰；对多径衰落和多普勒频移不敏感；用户间和相邻小区间无干扰；可实现低成本的单波段接收机等。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

　　日本NTTDoCoMo提出的4G移动系统方案的无线接入方式为：VSF-OFCDM。VSF表示可变扩频因子（variable spreading factor），而OFCDM则表示正交频分与码分复用(orthogonal frequency and code division multiplexing) 。VSF-OFCDM 属于多载波CDMA(MC-CDMA)，这种无线接入方式可以提高频谱利用率，并且不受多径干扰的影响。

　　VSF-OFCDM实际上也是CDMA,因此同一般的CDMA移动通信系统一样，频率可以在所有的小区中重复使用。由于VSF-OFCDM采用了可变扩频因子，因此通过改变扩频因子，可应用于高密度业务区和一般业务区。

　　NTTDoCoMo已经于2002年10月成功进行了4G系统的有关试验。采用他们研制的4G移动通信试验系统，在室内环境成功进行了上行20Mbps,下行100Mbps的传输试验。

　　2．调制与编码。

　　4G系统将会采用多载波调制（MCM）技术。4G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）

　　一般MC-CDMA采用QPSK调制，而OFDM-TDMA采用高电平调制，如M-QAM(M从4到256)。对于M-QAM,为了提高系统的性能，一般认为需要采用自适应调制，按照实际测量的参数来确定QAM的电平数和符号速率。

　　NTTDoCoMo的4G移动通信系统的基本调制方案为QPSK，相应的数据传输速率为103.68Mbps。当采用64-QAM调制时，数据速率高达331.776Mbps（相应的扩频因子为1）。

　　4G移动通信系统将采用更高级的信道编码方案，如Turbo码、级连码和LDPC等，从而在极低的Eb/N0下保证足够的性能。NTTDoCoMo的4G实验系统信道编码采用TURBO码。

　　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受分集。

　　4．高效的频谱使用方案。

　　提高频谱效率的方法有：使用3GHz以上的频段，由于可以使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3G系统的频谱效率只有2bps/Hz，而4G系统的频谱效率应达到5bps/Hz。

　　5．基于IP的核心网。

　　3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系统应当是一个全IP的网络。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。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此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共存。要实现全IP的核心网有许多问题需要解决，如鉴权、计费等。核心网应具有开放的结构，从而能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网应把业务、控制和传输等分开。

　　6．软件无线电（SDR）技术。

　　软件无线电技术将会在4G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。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。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端，从而该终端可获得服务。

　　采用软件无线电技术实现的移动终端或BS将采用模块化的结构，主要由天线模块、LNA模块、功率放大器模块、ADC\DAC模块、DSP模块和多媒体模块等组成。软件无线电中RF和基带器件都应当是可编程的。

　　7．高性能的接收机。

　　4G系统对接收机提出了特别高的要求。我们知道Shannon定理指出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我们可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz,而数据速率为2Mbps,则所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbps的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，因此对接收机的性能要求也要高得多。

　　8．智能天线与MIMO技术。

　　智能天线和MIMO技术可以降低多址干扰，实现空间分集，因此将会在4G系统中得到应用。图一左端为一个智能天线示意图，基站对各个用户可形成一个定向波束，因此既可降低来自小区内其它用户的多址干扰，也可降低对基站发射功率的要求。

　　9．多用户检测技术。

　　随着多用户检测技术的不断发展，多用户检测器将会在4G系统的基站和终端中得到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4G系统必然采用的技术。随着多用户检测器研究的不断深入，各种高性能但算法不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。