第四代移動通信(4G)的關鍵技術漫談

　　一 前言

　　第四代移動通信（4G）的概念可稱為寬帶（Broadband）接入和分布網絡，具有非對稱的超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網絡，集成不同模式的無線通信，移動用戶可以自由地從一個標準漫游到另一個標準。

　　目前，業(yè)界人士對第四代移動通信共識的方面有：

　　(1) 第四代移動通信以數(shù)據(jù)通信和圖像通信為主；

　　(2) 數(shù)據(jù)通信的速率比第三代要大大提高，室外移動通信的速率20Mb/s以上，室內移動通信速率100Mb/s以上；

　　(3) 與因特網結合，通信以IP協(xié)議為基礎；

　　(4) 可能是沒有基站的完全與一、二、三代不同的網絡結構，包括AdHoc網——自組織網絡。

　　目前全球范圍內有多個組織正在進行4G系統(tǒng)的研究和標準化工作，如IPV6論壇、SDR論壇、3GPP、無線世界研究論壇、IETF和MWIF等。一些全球著名的移動通信設備廠商也在進行4G的研究和開發(fā)工作。AT&T已經開發(fā)了名為4G接入的實驗網絡。NORTEL正在進行軟件無線電功率放大器技術的研究，而HP實驗室正在進行實驗網絡上傳輸多媒體內容的相關研究。Ericsson在加州大學投入了1000萬美元從事下一代CDMA和4G移動通信技術的研究。

　　按照目前的研究成果和專家預測，4G系統(tǒng)將會在2010年以后投入商業(yè)運營，最高下行速率將達到100Mb/s。ITU—R的WP8F工作組也估計下一代移動通信系統(tǒng)將在2010年左右投入商業(yè)運營。

　　二 4G的關鍵技術

　　1 OFDM(正交頻分復用)

　　OFDM技術實際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，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(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)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(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的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：

　�。�1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

　�。�2）抗衰落能力強。OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，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，使OFDM對脈沖噪聲（Impulse Noise）和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯(lián)合編碼，達到了子信道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再添加時域均衡器。

　�。�3）適合高速數(shù)據(jù)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，采用效率高的調制方式。當信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。

　�。�4）抗碼間干擾（ISI）能力強。碼間干擾是數(shù)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，是一種乘性的干擾。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，對抗碼間干擾的能力很強。

　　OFDM也有其缺點，例如：對頻偏和相位噪聲比較敏感。功率峰值與均值比（PAPR）大，導致射頻放大器的功率效率較低。負載算法和自適應調制技術會增加系統(tǒng)復雜度。

　　2 軟件無線電

　　所謂軟件無線電（Software Defined Radio,簡稱SDR），就是采用數(shù)字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。

　　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”轉換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)�？傊�，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理(DSP)芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。

　　軟件無線電有以下一些特點：

　　靈活性。工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號接入方式和可編程調制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調制方式或接收不同系統(tǒng)的信號；可通過軟件工具來擴展業(yè)務、分析無線通信環(huán)境、定義所需增強的業(yè)務和實時環(huán)境測試，升級便捷。

　　集中性。多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。

　　模塊化。模塊的物理和電氣接口技術指標符合開放標準，在硬件技術發(fā)展時，允許更換單個模塊，從而使軟件無線電保持較長的使用壽命。

　　3 智能天線

　　智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應陣列天線。多波束天線在一個扇區(qū)中使用多個固定波束，而在自適應陣列中，多個天線的接收信號被加權并且合成在一起使信噪比達到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點是除了提供高的天線增益外，還能提供相應倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個天線有一個接收機，還能提供相應倍數(shù)的分集增益。

　　智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調節(jié)等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號來波的方向自適應地調整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價，因此其勢必會成為４Ｇ系統(tǒng)的關鍵技術。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實現(xiàn)的復雜程度和瞬時響應速率，因此需要選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。

　　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的考慮：

　　（1）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。

　�。�2）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)兩種地址自動配置的方式。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(xiàn)機制獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它使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。有狀態(tài)配置機制，如DHCP(動態(tài)主機配置協(xié)議)，需要一個額外的服務器，因此也需要很多額外的操作和維護。

　�。�3）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提供相同的QoS，但是IPv6的優(yōu)點體現(xiàn)在能提供不同的服務。這些優(yōu)點來自于IPv6報頭中新增加的字段“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，但將來它用于基于服務級別的新計費系統(tǒng)。

　�。�4）移動性。移動IPv6（MIPv6）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（home address），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（care-of address）來提供移動節(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。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動設備傳送數(shù)據(jù)包時，通常在IPv6報頭中將轉交地址作為源地址。

　　三 結束語

　　由于4G與3G相比具有通信速度更快，網絡頻譜更寬，通信更加靈活，智能性能更高，兼容性能更平滑等優(yōu)點，4G日益成為人們關注的焦點。相信不久的將來，4G將一統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的天下。