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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)移動通信技術是采用模擬技術的語音移動通信，第二代(2G)移動通信技術是采用數(shù)字技術的語音移動通信。目前，世界上的移動通信技術處于第二代，并正在進行系統(tǒng)的改進，改進后的系統(tǒng)稱為2.5代(2.5G)，隨著第三代移動通信系統(tǒng)(3G)逐步進入實際應用階段，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)未來的發(fā)展及演進問題成為當前研究的熱點。目前第四代移動通信技術(4G)正在研制過程中，在本文中，筆者將針對4G的技術特征及其框架結構進行初步的探討，對其關鍵技術部分進行詳盡的敘述，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各種標準和規(guī)范已達成協(xié)議并已進入商用。然而我們同時也應該看到，3G系統(tǒng)也有其局限性，如：缺乏全球統(tǒng)一標準；3G所采用的語音交換架構仍承襲了第二代(2G)的電路交換，而不是純IP方式；由于受到多用戶干擾，CDMA難以達到很高的通信速率等。因此針對以上各種缺點，構思中的4G系統(tǒng)應該具有如下特征：
高速率，高容量：專家預估，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)應當具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G平穩(wěn)過渡等特點。
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)務數(shù)據(jù)。
高度智能化的網(wǎng)絡：4G的網(wǎng)絡系統(tǒng)是一個高度自治、自適應的網(wǎng)絡，它具有良好的重構性、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：個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等各項業(yè)務將結合成整體，服務和應用將更加廣泛、安全、方便和個性化。
4G移動網(wǎng)絡的根本任務是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個運行網(wǎng)絡(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，并對其進行實時的定位和跟蹤。在移動通信過程中，移動網(wǎng)絡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)絡將基于多層蜂窩結構，通過多個無線接口，由多個業(yè)務提供者和眾多網(wǎng)絡運營者提供多媒體業(yè)務。其核心網(wǎng)是一個基于全IP的網(wǎng)絡，因此核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN共存。各種針對不同業(yè)務的接入系統(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、可擴展的平臺，如圖所示。
三大關鍵技術探討
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地分配傳輸負荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。OFDM技術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技術主要的技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步，基于導頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響以及基于OFDM、多載波技術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
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，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強特殊范圍內(nèi)想要的信號，這種技術既能改善信號質(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)信機來實現(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行合并，實現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。
軟件無線電技術(SDR)
軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯(lián)系在一起的唯一技術。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，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轉換器盡可能地靠近RF前端，利用DSP進行信道分離、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，在平臺上運行各種軟件系統(tǒng)，以實現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信。因此應用軟件無線電技術，一個移動終端就可以實現(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)投入實際應用，會遇到技術和市場兩方面的挑戰(zhàn)。
4G系統(tǒng)所運用的各種核心技術還不完善，這些技術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，對于第四代移動通信系統(tǒng)而言，移動IP技術缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。另外移動IP環(huán)境下的QoS所使用的綜合業(yè)務/RSVP技術和區(qū)別型業(yè)務技術也是有待解決的重要問題之一。而且這些技術在移動IP平臺上并不是最優(yōu)的。
4G系統(tǒng)所標稱的最大速度，在實際應用中，很難達到理論值。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到100Mbps，但手機的傳輸速度將受到通信系統(tǒng)容量的限制。
4G的發(fā)展實施還要受到市場壓力的影響。有專家預測，在10年以后，2G的多媒體服務將進入第三個發(fā)展階段，此時覆蓋全球的3G網(wǎng)絡已經(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，利用4G相關技術對3G進行改進與完善的工作也會同時進行，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的技術隨時都有可能威脅到4G的盈利計劃。
盡管第四代移動通信技術有著比3G更強的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實際應用，需要對現(xiàn)有的移動通信基礎設施進行更新改造，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域的主導技術，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》
