4G技術(shù)的展望

摘要　創(chuàng)新是科技發(fā)展永恒不變的主題，就在人們憧憬第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）帶來(lái)的通信變革的時(shí)候，4G又呈現(xiàn)在我們面前，不少捷足先登的國(guó)際移動(dòng)商已經(jīng)開(kāi)始描繪第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）的遠(yuǎn)景了。在本文中，筆者將針對(duì)4G的技術(shù)特征及其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的探討，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行詳細(xì)的敘述，同時(shí)指出4G發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。

1、前言

就在我們?yōu)?G時(shí)代的光明前景歡欣鼓舞的時(shí)候，就在我們?yōu)?G市場(chǎng)如何全面啟動(dòng)而爭(zhēng)論不休的時(shí)候，第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）已經(jīng)悄然呈現(xiàn)在我們面前，開(kāi)始為我們勾畫(huà)出信息傳輸速度超過(guò)3G達(dá)1萬(wàn)倍的第四代移動(dòng)通訊技術(shù)的藍(lán)圖。

簡(jiǎn)單而言，4G是一種超高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無(wú)線形式實(shí)現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點(diǎn)之一，就是網(wǎng)路傳輸速率達(dá)到了前所未有的100M，完全能夠滿足用戶的上網(wǎng)需求。這樣它就完全可以同現(xiàn)代的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比美，這也是跨越3G直接進(jìn)入4G的倡導(dǎo)者們提出的重要理由。

有別于以往的無(wú)線通信系統(tǒng)，4G將能夠提供全息錄音、遠(yuǎn)程控制卡以及移動(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)等功能。4G將不僅僅應(yīng)用于蜂窩電話通信領(lǐng)域，日本及歐洲一些移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商正在開(kāi)發(fā)相關(guān)增值服務(wù)，而美國(guó)的固定無(wú)線通信服務(wù)商則試圖通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)靈活性向4G過(guò)渡。另外，由于無(wú)線LAN技術(shù)提供的速率已接近4G的水平，4G將融合新型無(wú)線LAN技術(shù)。

4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)可以概括為：系統(tǒng)應(yīng)具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈活性；4G系統(tǒng)應(yīng)能支持非對(duì)稱(chēng)性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù)；4G系統(tǒng)應(yīng)體現(xiàn)移動(dòng)與無(wú)線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)，因此4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。

2、4G系統(tǒng)嶄露頭角

3G技術(shù)發(fā)展至今仍不是很成熟。目前，3G還缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，即使是在美國(guó)，也存在三種互不兼容的規(guī)范；3G所運(yùn)用的語(yǔ)音交換架構(gòu)仍承襲了第二代（2G）的電路交換，而不是完全I(xiàn)P形式；由于受到多用戶干擾，難以達(dá)到很高的通信速率等。被人們炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的視頻應(yīng)用也不盡如人意——猶如放幻燈片一樣；更為重要的一點(diǎn)是，它的數(shù)據(jù)傳輸率只相當(dāng)于普通撥號(hào)接入的水平，更趕不上DSL。

4G系統(tǒng)應(yīng)該很好的解決了以上各種缺陷，具有如下特征：

2.1　高速率，高容量

對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶（250km/h），數(shù)據(jù)速率為2Mbps；對(duì)于中速移動(dòng)用戶（60km/h），數(shù)據(jù)速率為20Mbps；對(duì)于低速移動(dòng)用戶（室內(nèi)或步行者），數(shù)據(jù)速率為100Mbps。其容量至少應(yīng)是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

2.2　網(wǎng)絡(luò)頻帶更寬

要想使4G通信達(dá)到100Mbps的傳輸速度，通信運(yùn)營(yíng)商必須在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬高出許多。每個(gè)4G信道將占有100MHZ的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

2.3　兼容性更加平滑

要使4G通信盡快地被人們接受，還應(yīng)該考慮到讓更多的用戶在投資最少的情況下輕易地過(guò)渡到4G通信。因此，4G應(yīng)該接口開(kāi)放、能夠跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且具備很強(qiáng)的對(duì)2G、3G手機(jī)的兼容性，以完成對(duì)多種用戶的融合。在不同系統(tǒng)間無(wú)縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

2.4　智能性能更高

4G的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，它具有良好的重構(gòu)性、可伸縮性、自組織性等，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求。第四代移動(dòng)通信的智能性，不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作具有智能化，更重要的是4G手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)許多難以想像的功能，例如，4G手機(jī)將能根據(jù)環(huán)境、時(shí)間以及其他因素來(lái)適時(shí)提醒手機(jī)的主人。

嚴(yán)格的說(shuō)，4G手機(jī)的功能已不能簡(jiǎn)單的稱(chēng)其為電話機(jī)，因?yàn)檎Z(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸只是4G移動(dòng)電話的功能之一而已，它已越來(lái)越接近于一臺(tái)小型掌上電腦。4G通信提供的無(wú)線多媒體通信服務(wù)將包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息通過(guò)寬頻的信道傳送出去，因此4G也稱(chēng)為“多媒體移動(dòng)通信”。它將個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂(lè)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)結(jié)合成整體，服務(wù)和應(yīng)用更加廣泛、安全、方便和個(gè)性化。

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)之間或者多個(gè)無(wú)線接口之間，建立起最有效的通信路徑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤。在移動(dòng)通信過(guò)程中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還要保持良好的無(wú)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(guò)多個(gè)無(wú)線接口，由多個(gè)業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者提供多媒體業(yè)務(wù)。其核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，因此核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN共存。各種針對(duì)不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過(guò)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)。

3、四大關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1　OFDM

OFDM技術(shù)，屬于多載波調(diào)制技術(shù)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)制技術(shù)，將多個(gè)載波中的大量信息合并成一個(gè)信號(hào)，完成信息傳輸。在無(wú)線通信中一般采用一組相互正交、重疊、形狀為Sa（X）函數(shù)的頻譜信道完成無(wú)碼間串?dāng)_和信道間干擾的高速信息傳輸。

OFDM還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。在OFDM系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交，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(shí)又提高了頻譜利用率。

OFDM技術(shù)能夠持續(xù)不斷地監(jiān)控傳輸介質(zhì)上通信特性的突然變化，由于通信路徑傳送數(shù)據(jù)的能力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，所以O(shè)FDM能動(dòng)態(tài)地與之相適應(yīng)，并且接通和切斷相應(yīng)的載波以保證持續(xù)地進(jìn)行成功的通信；還可以自動(dòng)地檢測(cè)到傳輸介質(zhì)下哪一個(gè)特定的載波存在高的信號(hào)衰減或干擾脈沖，然后采取合適的調(diào)制措施來(lái)使指定頻率下的載波進(jìn)行成功通信。

3.2　智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術(shù)

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。

其原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA（DirectionofArrinal），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

目前智能天線定義為波束間沒(méi)有切換的多波束和自適應(yīng)陣列天線。多波束天線在一個(gè)扇區(qū)中使用多個(gè)固定波束，而在自適應(yīng)陣列中，多個(gè)天線的接收信號(hào)被加權(quán)并且合成在一起使信噪比達(dá)到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點(diǎn)是除了提供高的天線增益外，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個(gè)天線有一個(gè)接收機(jī)，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。

智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量，同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。

智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無(wú)線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價(jià)，因此其勢(shì)必會(huì)成為4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.3　軟件無(wú)線電技術(shù)（SDR）

所謂軟件無(wú)線電（Software Defined Radio，簡(jiǎn)稱(chēng)SDR），就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來(lái)定義實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等。即整個(gè)無(wú)線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來(lái)完成。

其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號(hào)的數(shù)字化，從而使得無(wú)線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)。總之，軟件無(wú)線電是一種基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片，以軟件為核心的嶄新的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)。

軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，軟件將會(huì)變得非常繁雜。為此專(zhuān)家們提議引入軟件無(wú)線電技術(shù)，將其作為從第二代移動(dòng)通信通向第三代和第四代移動(dòng)通信的橋梁。軟件無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)⒛�擬信號(hào)的數(shù)字化過(guò)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RF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(wú)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(wú)線通信。因此應(yīng)用軟件無(wú)線電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端就可以實(shí)現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺(tái)之間暢通無(wú)阻的使用。目前比較成熟的軟件無(wú)線電技術(shù)有參數(shù)控制軟件無(wú)線電系統(tǒng)。

3.4　IPv6

4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點(diǎn)的考慮：

（1）巨大的地址空間。

在一段可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，它能夠?yàn)樗�有可以想像出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球唯一的地址。

（2）自動(dòng)控制。

IPv6還有另一個(gè)基本特性就是它支持無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置的方式。無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式是獲得地址的關(guān)鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點(diǎn)使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個(gè)局部連接地址。一旦得到這個(gè)地址之后，它使用另一種即插即用的機(jī)制，在沒(méi)有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機(jī)制，如DHCP（動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議），需要一個(gè)額外的服務(wù)器，因此也需要很多額外的操作和維護(hù)。

（3）服務(wù)質(zhì)量。

服務(wù)質(zhì)量（QoS）包含幾個(gè)方面的內(nèi)容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能提供不同的服務(wù)。這些優(yōu)點(diǎn)來(lái)自于IPv6報(bào)頭中新增加的字段“流標(biāo)志”。有了這個(gè)20位長(zhǎng)的字段，在傳輸過(guò)程中，中間的各節(jié)點(diǎn)就可以識(shí)別和分開(kāi)處理任何IP地址流。

（4）移動(dòng)性。

移動(dòng)IPv6（MIPv6）在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個(gè)移動(dòng)設(shè)備設(shè)有一個(gè)固定的家鄉(xiāng)地址（home address），這個(gè)地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無(wú)關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時(shí)，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)交地址（care-of address）來(lái)提供移動(dòng)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的位置信息。移動(dòng)設(shè)備每次改變位置，都要將它的轉(zhuǎn)交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對(duì)應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動(dòng)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包時(shí)，通常在IPv6報(bào)頭中將轉(zhuǎn)交地址作為源地址。

4、發(fā)展面臨四大挑戰(zhàn)

要順利地把4G系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用，會(huì)遇到技術(shù)和市場(chǎng)兩方面的挑戰(zhàn)：

未來(lái)幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)最明顯的趨勢(shì)是要求高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動(dòng)性和無(wú)縫隙漫游。實(shí)現(xiàn)這些要求在技術(shù)上將面臨更大挑戰(zhàn)。此外，系統(tǒng)性能（如蜂窩規(guī)模和傳輸速率）在很大程度上將取決于頻率的高低。有人認(rèn)為，4G技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用范圍各方面如果沒(méi)有“革命性”的變革，不能夠叫“4G”。4G移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)該比3G高一個(gè)數(shù)量級(jí)。這會(huì)引起一系列技術(shù)上的難題。

4G系統(tǒng)所運(yùn)用的各種核心技術(shù)還不完善，這些技術(shù)還需要一個(gè)長(zhǎng)期逐步完善的過(guò)程。例如核心網(wǎng)的移動(dòng)IP技術(shù)，對(duì)于第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，移動(dòng)IP技術(shù)缺乏實(shí)時(shí)位置管理和快速無(wú)縫切換機(jī)制的支持。

4G系統(tǒng)所號(hào)稱(chēng)的最大速度，在實(shí)際應(yīng)用中，很難達(dá)到理論值。人們對(duì)未來(lái)的4G通信的需求是它的通信傳輸速度將會(huì)得到極大提升，從理論上說(shuō)最高可達(dá)到100Mbps，但手機(jī)的傳輸速度將受到通信系統(tǒng)容量的限制。

4G的發(fā)展實(shí)施還要受到市場(chǎng)壓力的影響。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，在10年以后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第三個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系統(tǒng)，到那時(shí)，整個(gè)行業(yè)正在消化吸收第三代技術(shù)，利用4G相關(guān)技術(shù)對(duì)3G進(jìn)行改進(jìn)與完善的工作也會(huì)同時(shí)進(jìn)行，對(duì)于4G系統(tǒng)的接受還需要一個(gè)逐步過(guò)渡的過(guò)程。另外在過(guò)渡過(guò)程中，號(hào)稱(chēng)5G的技術(shù)隨時(shí)都有可能威脅到4G的盈利計(jì)劃。

5、結(jié)束語(yǔ)

盡管第四代移動(dòng)通信技術(shù)有著比3G更強(qiáng)的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造，這將會(huì)引發(fā)一系列的資金、觀念等問(wèn)題，從而在一定程度上會(huì)減緩4G正式進(jìn)入市場(chǎng)的速度。

雖然4G系統(tǒng)的發(fā)展道路是坎坷的，其中也充滿了變數(shù)。但是隨著新技術(shù)和新需求的不斷出現(xiàn)，4G必然會(huì)取代3G，成為未來(lái)移動(dòng)通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，4G一定會(huì)使我們未來(lái)的移動(dòng)通信事業(yè)前景更美好。