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陳鄖 王妹
移動通信的發(fā)展已經(jīng)歷了兩代，第一代(1G)移動通信技術(shù)是采用模擬技術(shù)的語音移動通信，第二代(2G)移動通信技術(shù)是采用數(shù)字技術(shù)的語音移動通信。目前，世界上的移動通信技術(shù)處于第二代，并正在進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)稱為2.5代(2.5G)，隨著第三代移動通信系統(tǒng)(3G)逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)未來的發(fā)展及演進(jìn)問題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前第四代移動通信技術(shù)(4G)正在研制過程中，在本文中，筆者將針對4G的技術(shù)特征及其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的探討，對其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行詳盡的敘述，同時指出4G發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。
4G系統(tǒng)嶄露頭角
到目前為止，3G各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議并已進(jìn)入商用。然而我們同時也應(yīng)該看到，3G系統(tǒng)也有其局限性，如：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；由于受到多用戶干擾，CDMA難以達(dá)到很高的通信速率等。因此針對以上各種缺點(diǎn)，構(gòu)思中的4G系統(tǒng)應(yīng)該具有如下特征：
高速率，高容量：專家預(yù)估，對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbps；對于中速移動用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbps；對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbps。其容量至少是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。
更加平滑的兼容性能：4G通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G平穩(wěn)過渡等特點(diǎn)。
高速移動中不同系統(tǒng)間的無縫連接：用戶在高速移動中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
高度智能化的網(wǎng)絡(luò)：4G的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個高度自治、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。
完全集中的服務(wù)：個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各項(xiàng)業(yè)務(wù)將結(jié)合成整體，服務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛、安全、方便和個性化。
4G移動網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(平臺)之間或者多個無線接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對其進(jìn)行實(shí)時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網(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移動網(wǎng)絡(luò)將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過多個無線接口，由多個業(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)。其核心網(wǎng)是一個基于全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，形成一個公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺，如圖所示。
三大關(guān)鍵技術(shù)探討
OFDM
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案。OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，因此可以大大消除信號波形間的干擾。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。OFDM技術(shù)還能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個子信道的載波相互正交，于是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，同時又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和時間同步，基于導(dǎo)頻符號輔助的信道估計(jì)，峰平比問題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
智能天線(SA)與多入多出天線(MIMO)技術(shù)
智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(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，這種技術(shù)既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號的接收和發(fā)射。同時通過基帶數(shù)字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。
軟件無線電技術(shù)(SDR)
軟件無線電技術(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移動通信系統(tǒng)中，軟件將會變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，將其作為從第二代移動通信通向第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術(shù)能夠?qū)⒛M信號的數(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。它旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運(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)，一個移動終端就可以實(shí)現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺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)。
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，會遇到技術(shù)和市場兩方面的挑戰(zhàn)。
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)的逐步完善是一個長期的過程。例如核心網(wǎng)的移動IP技術(shù)，對于第四代移動通信系統(tǒng)而言，移動IP技術(shù)缺乏實(shí)時位置管理和快速無縫切換機(jī)制的支持。另外移動IP環(huán)境下的QoS所使用的綜合業(yè)務(wù)/RSVP技術(shù)和區(qū)別型業(yè)務(wù)技術(shù)也是有待解決的重要問題之一。而且這些技術(shù)在移動IP平臺上并不是最優(yōu)的。
4G系統(tǒng)所標(biāo)稱的最大速度，在實(shí)際應(yīng)用中，很難達(dá)到理論值。人們對未來的4G通信的需求是它的通信傳輸速度將會得到極大提升，從理論上說最高可達(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)施還要受到市場壓力的影響。有專家預(yù)測，在10年以后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第三個發(fā)展階段，此時覆蓋全球的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，整個行業(yè)正在消化吸收第三代技術(shù)，利用4G相關(guān)技術(shù)對3G進(jìn)行改進(jìn)與完善的工作也會同時進(jìn)行，對于4G系統(tǒng)的接受還需要一個逐步過渡的過程。另外在過渡過程中，號稱5G的技術(shù)隨時都有可能威脅到4G的盈利計(jì)劃。
盡管第四代移動通信技術(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，需要對現(xiàn)有的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造，這將會引發(fā)一系列的資金、觀念等問題，從而在一定程度上會減緩4G正式進(jìn)入市場的速度。
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必然會取代3G，成為未來移動通信領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，4G一定會使我們未來的移動通信事業(yè)前景更美好。
摘自《人民郵電報》
