關(guān)于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的淺析

摘要　文章首先描述了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的產(chǎn)生背景以及特點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹和討論了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)，最后對第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1、引言

到目前為止，3G各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議，并已開始商用�？墒�3G還是有其局限性：由于受到多用戶干擾，CDMA難以達(dá)到很高的通信速率；由于空中接口標(biāo)準(zhǔn)對核心網(wǎng)的限制，3G所能提供服務(wù)速率的動(dòng)態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務(wù)類型要求；分配給3G的頻率資源已經(jīng)趨于飽和；3G缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；3G所采用的語音交換架構(gòu)仍承襲了第二代(2G)的電路交換，而不是純IP方式；流媒體(視頻)的應(yīng)用不盡如人意；數(shù)據(jù)傳輸率也只接近于普通撥號(hào)接入的水平，更趕不上XDSL等。所以，在第三代移動(dòng)通信還沒有完全鋪開，距離完全實(shí)用化還有一段時(shí)間的時(shí)候，已經(jīng)有不少國家開始了對下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究。

2、系統(tǒng)特點(diǎn)

第四代移動(dòng)通信技術(shù)的概念可稱為廣帶(Broadband)接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對稱超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，對全速移動(dòng)用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量影像服務(wù)，將首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))。其廣帶無線局域網(wǎng)(WLAN)能與B-ISDN和ATM兼容，實(shí)現(xiàn)廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網(wǎng)(IBCN)，它還能提供信息之外的定位定時(shí)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制等綜合功能。其主要特點(diǎn)是：

(1)通信速度提高，數(shù)據(jù)傳輸速率超過UMTS，上網(wǎng)速率從2Mb/s提高到100Mb/s。

(2)以移動(dòng)數(shù)據(jù)為主，面向因特網(wǎng)大范圍覆蓋高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，改變了以傳統(tǒng)移動(dòng)電話業(yè)務(wù)為主設(shè)計(jì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)觀念。

(3)采用多天線或分布天線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及終端形式，支持手機(jī)互助功能，采用可穿戴無線電、可下載無線電等新技術(shù)。

(4)發(fā)射功率比現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)降低10～100倍，能夠較好地解決電磁干擾問題。

(5)支持更為豐富的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，包括高分辨率實(shí)時(shí)圖像業(yè)務(wù)、會(huì)議電視虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶在任何地方可以獲得任何所需的信息服務(wù)，且服務(wù)質(zhì)量得到保證。

(6)多種業(yè)務(wù)的完整融合。4G應(yīng)能集成不同模式的無線通信——從無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、蜂窩信號(hào)、廣播電視到衛(wèi)星通信，移動(dòng)用戶可以自由地從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漫游到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。各種業(yè)務(wù)應(yīng)用、各種系統(tǒng)平臺(tái)間的互聯(lián)更便捷、安全，面向不同用戶要求，更富有個(gè)性化。

3、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1　網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對不同業(yè)務(wù)的需求，將各種針對不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)的連接如圖1所示：

圖1　4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從圖1中可看出基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得用戶在2G、3G、4G、WLAN、固定網(wǎng)之間無縫漫游可以實(shí)現(xiàn)。我們可將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)分為三層，如圖2所示：

圖2　4G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分層

從圖2可看出，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以由下而上分為：物理層、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層、應(yīng)用層等3層。物理層提供接入和選路功能，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層作為橋接層提供QoS映射、地址轉(zhuǎn)換、即插即用、安全管理、有源網(wǎng)絡(luò)。物理層與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層提供開放式IP接口。應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)執(zhí)行技術(shù)層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務(wù)。

結(jié)合移動(dòng)通信市場發(fā)展和用戶需求，4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(平臺(tái))之間或者多個(gè)無線接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤。在移動(dòng)通信過程中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還要保持良好的無縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率。4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)無線接口，由多個(gè)業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者提供多媒體業(yè)務(wù)。

同時(shí)，技術(shù)的發(fā)展和市場的需求，將加快并實(shí)現(xiàn)目前的計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)融為一體，寬帶IP技術(shù)和光網(wǎng)絡(luò)將成為多網(wǎng)融合的支撐和結(jié)合點(diǎn)。數(shù)字化數(shù)據(jù)交易點(diǎn)是4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要技術(shù)。它用于預(yù)處理各個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的呼叫。在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間的特定協(xié)議條件下，幫助業(yè)務(wù)供應(yīng)者提供高質(zhì)量、低費(fèi)用的業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)之間傳送電視數(shù)據(jù)信息，首先經(jīng)由數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所處理。在數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所里，這個(gè)電視數(shù)據(jù)信息將被分離成視頻信號(hào)和音頻信號(hào)，經(jīng)由不同信道傳送。音頻信號(hào)將由覆蓋廣泛的網(wǎng)絡(luò)傳送，視頻信號(hào)將由只能處理、接收視頻信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳送，從而達(dá)到降低通信成本和有效利用傳輸信道的目的。未來的全球互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和骨干網(wǎng)系統(tǒng)，將以結(jié)合寬帶IP技術(shù)和光纖網(wǎng)技術(shù)為主。

3.2　4G移動(dòng)通信的接入系統(tǒng)

4G移動(dòng)通信接入系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)是，智能化多模式終端基于公共平臺(tái)，通過各種接入技術(shù)，在各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(平臺(tái))之間實(shí)現(xiàn)無縫連接和協(xié)作。在4G移動(dòng)通信中，各種專門的接入系統(tǒng)都基于一個(gè)公共平臺(tái)，相互協(xié)作，以最優(yōu)化的方式工作，來滿足不同用戶的通信需求。當(dāng)多模式終端接入系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)自適應(yīng)分配頻帶，給出最優(yōu)化路由，以達(dá)到最佳通信效果。目前，4G移動(dòng)通信的主要接入技術(shù)有：無線蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(例如2G、3G)、無繩系統(tǒng)(如DECT)、短距離連接系統(tǒng)(如藍(lán)牙)、WLAN系統(tǒng)、固定無線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、平流層通信(STS)、廣播電視接入系統(tǒng)(如DAB、DVB-T、CATV)。隨著技術(shù)發(fā)展和市場需求變化，新的接入技術(shù)將不斷出現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)在整個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中處于十分重要的位置。未來的接入系統(tǒng)將主要在以下三個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)革新和突破：

(1)為最大限度開發(fā)利用有限的頻率資源，在接入系統(tǒng)的物理層，優(yōu)化調(diào)制、信道編碼和信號(hào)傳輸技術(shù)，提高信號(hào)處理算法、信號(hào)檢測和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，并在頻譜共享和新型天線方面做進(jìn)一步研究。

(2)為提高網(wǎng)絡(luò)性能，在接入系統(tǒng)的高層協(xié)議方面，研究網(wǎng)絡(luò)自我優(yōu)化和自動(dòng)重構(gòu)技術(shù)，動(dòng)態(tài)頻譜分配和資源分配技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)管理和不同接入系統(tǒng)間協(xié)作。

(3)提高和擴(kuò)展IP技術(shù)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用；加強(qiáng)軟件無線電技術(shù)；優(yōu)化無線電傳輸技術(shù)，如支持實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、無縫連接和網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3　4G移動(dòng)通信的軟件系統(tǒng)

4G移動(dòng)通信的軟件系統(tǒng)趨于標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)雜化、智能化。軟件系統(tǒng)的首要任務(wù)是，創(chuàng)建一個(gè)公共的軟件平臺(tái)，使不同通信系統(tǒng)和終端的應(yīng)用軟件，通過此平臺(tái)“互聯(lián)互通”；并且，通過此軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對不同通信系統(tǒng)和終端的管理和監(jiān)控。因此，建立一個(gè)統(tǒng)一的軟件標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)協(xié)議，是4G移動(dòng)通信軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵。

軟件系統(tǒng)將逐步采用Web服務(wù)模式，以代替現(xiàn)行的客戶/服務(wù)器模式。新的計(jì)算機(jī)語言如XML，將用于未來的這種基于Web的分布式服務(wù)。另一方面，軟件系統(tǒng)還將在網(wǎng)絡(luò)安全上做進(jìn)一步研究，以保障通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作、數(shù)據(jù)完整和其他特殊需要。

4、關(guān)鍵技術(shù)

4.1　調(diào)制技術(shù)與信號(hào)傳輸

在高頻段高速移動(dòng)傳輸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的頻率選擇性衰落，實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落，并且新的調(diào)制技術(shù)如多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)以及單載波帶自適應(yīng)均衡技術(shù)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(tǒng)將采用這些調(diào)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(cuò)(FEC)編碼，如Turbo編碼技術(shù)、自動(dòng)重發(fā)請求(ARQ)和分集接收技術(shù)也是建立高速大容量網(wǎng)絡(luò)的重要因素。

若從技術(shù)層面來看，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，而第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)則以O(shè)FDM最受矚目。

4.2　軟件無線電

在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)終端將會(huì)變得非常繁雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的多�；��？梢栽诓煌�的系統(tǒng)中工作。軟件無線電技術(shù)能夠?qū)⒛�擬信號(hào)的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近RE前端，利用DSP進(jìn)行信道分離、調(diào)制解調(diào)和信道編譯碼等工作。它旨在建立一個(gè)無線電通信平臺(tái)，在平臺(tái)上運(yùn)行各種軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此，應(yīng)用軟件無線電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端，就可以實(shí)現(xiàn)在不同系統(tǒng)和平臺(tái)之間，暢通無阻的使用。目前比較成熟的軟件無線電技術(shù)有參數(shù)控制軟件無線電系統(tǒng)。

4.3　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與協(xié)議

4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括了適用于IP分組傳輸?shù)目罩薪涌�、位置寄存、基站網(wǎng)絡(luò)配置、無線QoS控制、網(wǎng)絡(luò)配置和集成式3G WLAN無縫業(yè)務(wù)控制等功能模塊。為了解決城區(qū)密集業(yè)務(wù)，頻率復(fù)用是關(guān)鍵，而且用微蜂窩實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋要比熱點(diǎn)覆蓋策略好，因?yàn)榍罢呖梢员苊獾乩砦恢蒙系臉I(yè)務(wù)集中。

在處理多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，智能無線資源管理是關(guān)鍵技術(shù)，無線系統(tǒng)資源(頻率和發(fā)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(yè)務(wù)質(zhì)量和支持各種級(jí)別的應(yīng)用。由4G系統(tǒng)支持的應(yīng)用業(yè)務(wù)將依據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行分類(如分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí))，無線QoS資源控制方式要既能支持實(shí)時(shí)性應(yīng)用，也能支持非實(shí)時(shí)性應(yīng)用。無線資源管理者首先檢查可用資源、前/后向鏈路質(zhì)量、應(yīng)用類別以及QoS業(yè)務(wù)用戶級(jí)別，然后再指配適當(dāng)?shù)那?后向鏈路速率和發(fā)射功率。4G系統(tǒng)中基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以處理IP包，方便地提供全向功能，關(guān)鍵是選路/切換和鑒權(quán)策略。

4.4　定位技術(shù)

定位是指移動(dòng)終端位置的測量方法和計(jì)算方法。它主要分為基于移動(dòng)終端定位、基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位以及混合定位三種方式。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)終端可能在不同系統(tǒng)(平臺(tái))間進(jìn)行移動(dòng)通信。因此，對移動(dòng)終端的定位和跟蹤，是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端在不同系統(tǒng)(平臺(tái))間無縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動(dòng)通信的前提和保障。

4.5　切換技術(shù)

切換技術(shù)適用于移動(dòng)終端在不同移動(dòng)小區(qū)之間、不同頻率之間通信或者信號(hào)降低信道選擇等情況。切換技術(shù)是未來移動(dòng)終端在眾多通信系統(tǒng)、移動(dòng)小區(qū)之間建立可靠移動(dòng)通信的基礎(chǔ)和重要技術(shù)。它主要有軟切換和硬切換。在4G通信系統(tǒng)中，切換技術(shù)的適用范圍更為廣泛，并朝著軟切換和硬切換相結(jié)合的方向發(fā)展。

5、小結(jié)

第四代移動(dòng)通信的具體實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)在看來還面臨著許多難題，但隨著技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，現(xiàn)在看來困難的事情可能因?yàn)槟骋魂P(guān)鍵技術(shù)的突破而實(shí)現(xiàn)。所以，現(xiàn)在對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可行性、靈活性的研究，對這些體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵技術(shù)的研究將對4G的盡快實(shí)現(xiàn)有十分重要的意義。具有高數(shù)據(jù)率、高頻譜利用率、低發(fā)射功率、靈活業(yè)務(wù)支撐能力的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，必將是通往未來無線與移動(dòng)通信系統(tǒng)的必然方向。