4G移動(dòng)通信系統(tǒng)研究進(jìn)展與關(guān)鍵技術(shù)

劉偉　丁志杰　北京理工大學(xué)電子工程系



　　摘要 本文概要介紹了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最新研究進(jìn)展。文中詳細(xì)討論了4G系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)、主要技術(shù)目標(biāo)，重點(diǎn)討論了4G系統(tǒng)中可能采用的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。


　　關(guān)鍵詞 移動(dòng)通信系統(tǒng) 4G系統(tǒng) 空中接口



1 概述


　　第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)與技術(shù)是目前移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。第三代（3G）移動(dòng)通信系統(tǒng)從2001年起先后在日本和韓國(guó)投入商用，但目前大多數(shù)國(guó)家運(yùn)營(yíng)的仍然是2G或2.5G的移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國(guó)運(yùn)營(yíng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是2G的GSM和CDMA。目前用戶(hù)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的速率要求越來(lái)越高，而3G系統(tǒng)實(shí)際所能提供的最高速率也只有384kbps（雖然標(biāo)稱(chēng)最高速率為2Mbps），不能滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際需求，因此在3G系統(tǒng)還沒(méi)有大規(guī)模投入商用的情況下，國(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的專(zhuān)家已經(jīng)在進(jìn)行4G系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)工作。


　　90年代早期歐洲就開(kāi)始4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，其目標(biāo)速率是100Mbps, 預(yù)期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一個(gè)特別委員會(huì)，領(lǐng)導(dǎo)日本的有關(guān)政府部門(mén)、大學(xué)研究機(jī)構(gòu)和工業(yè)部門(mén)，從事4G系統(tǒng)的研究工作和制定4G 的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。日本NTT的DoCoMo公司已經(jīng)于2002年成功研制出一個(gè)包含移動(dòng)終端和基站的4G空中接口實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上成功地進(jìn)行了有關(guān)的傳輸和實(shí)驗(yàn)。


　　目前全球范圍內(nèi)有多個(gè)組織正在進(jìn)行4G 系統(tǒng)的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，如IPv6 論壇、SDR 論壇、3GPP、無(wú)線(xiàn)世界研究論壇（the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移動(dòng)通信設(shè)備廠商也在進(jìn)行4G的研究和開(kāi)發(fā)工作。AT&&T已經(jīng)開(kāi)發(fā)了名為4G接入的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。NORTEL正進(jìn)行軟件無(wú)線(xiàn)電功率放大器技術(shù)的研究，而HP實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行4G 網(wǎng)絡(luò)上傳輸多媒體內(nèi)容的相關(guān)研究。Ericsson在加州大學(xué)投入了1000萬(wàn)美元從事下一代CDMA和4G移動(dòng)通信技術(shù)的研究。


　　 按照目前的研究成果和專(zhuān)家的預(yù)測(cè)，4G 系統(tǒng)將會(huì)在2010年以后投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，最高下行速率將達(dá)到100Mbps。ITU-R 的WP8F工作組也估計(jì)下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)將在2010年左右投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。


2 4G系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)


　　4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)可以概括為：同3G等已有的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，4G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(xiàn)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)。下面是一些具體的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)。


2.1 4G系統(tǒng)的容量


　　4G系統(tǒng)的容量至少為3G系統(tǒng)的10 倍。4G系統(tǒng)下行信道的最高速率將達(dá)100Mbps, 因此移動(dòng)終端下載文件的速度將比3G系統(tǒng)快得多。4G系統(tǒng)也可把高清晰度的視頻圖像實(shí)時(shí)地傳送給移動(dòng)終端用戶(hù)，從而使用戶(hù)產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。


　　為了適應(yīng)數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)不斷增長(zhǎng)的需求，4G系統(tǒng)自然應(yīng)具有更高的容量，但所能分給4G系統(tǒng)的頻譜仍然是有限的，因此4G系統(tǒng)的頻譜效率應(yīng)當(dāng)為3G系統(tǒng)的5到10倍。


　　4G系統(tǒng)目標(biāo)速率為：對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(hù)（250km/h），數(shù)據(jù)速率為2Mbps; 對(duì)于中速移動(dòng)用戶(hù)（60km/h），數(shù)據(jù)速率為20Mbps; 對(duì)于低速移動(dòng)用戶(hù)（室內(nèi)或步行者），數(shù)據(jù)速率為100Mbps。


2.2 4G系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)縫網(wǎng)


　　4G系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)多個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫漫游。無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的融合。4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)的融合體，它應(yīng)能實(shí)現(xiàn)與無(wú)線(xiàn)LAN 的無(wú)縫連接。


　　4G的無(wú)縫特性，包含系統(tǒng)、業(yè)務(wù)和覆蓋等多方面的無(wú)縫性。系統(tǒng)的無(wú)縫性指的是用戶(hù)既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統(tǒng)中使用；業(yè)務(wù)的無(wú)縫性指的是對(duì)話(huà)音、數(shù)據(jù)和圖像的無(wú)縫性；而覆蓋的無(wú)縫性則指4G系統(tǒng)應(yīng)該能向全球提供業(yè)務(wù)。因此4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，蜂窩部分提供廣域移動(dòng)性，而WLAN提供熱點(diǎn)地區(qū)的高速業(yè)務(wù)，同時(shí)也應(yīng)當(dāng)包含家庭和辦公室的個(gè)人LAN。


2.3 4G系統(tǒng)應(yīng)具有良好的覆蓋性能


　　4G系統(tǒng)應(yīng)具有良好的覆蓋性，并能提供高速可變速率傳輸。對(duì)于室內(nèi)環(huán)境，由于要提供高速傳輸，因此小區(qū)的半徑更小。


2.4 4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)基于IP的網(wǎng)絡(luò)


　　4G應(yīng)當(dāng)是一個(gè)基于IP的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，所以有些文獻(xiàn)把4G系統(tǒng)稱(chēng)為“基于IP的第四代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)”（the Fourth Generation IP-based wireless network）。全I(xiàn)P 的4G網(wǎng)絡(luò)同已有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點(diǎn)。IP與實(shí)際所采用的各種無(wú)線(xiàn)接入方式是兼容的，并且與具體采用的無(wú)線(xiàn)接入方式是獨(dú)立的，采用IP后，所采用的無(wú)線(xiàn)接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò)（CN）協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的。IP與多種無(wú)線(xiàn)接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)就具有很大的靈活性，而不需要去考慮無(wú)線(xiàn)接入究竟采用何種方式和協(xié)議。一個(gè)采用IP的核心網(wǎng)絡(luò)可以采用多種無(wú)線(xiàn)接入方式，比如IEEE 802.11、WCDMA、Bluetooth、HyperLAN等。全I(xiàn)P的核心網(wǎng)可以與無(wú)線(xiàn)接入方式獨(dú)立地發(fā)展。4G系統(tǒng)將會(huì)采用Ipv6。Ipv6將能在IP網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)話(huà)音和多媒體業(yè)務(wù)。


2.5 4G系統(tǒng)將能實(shí)現(xiàn)不同QoS的業(yè)務(wù)


　　4G系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)帶寬分配和調(diào)節(jié)發(fā)射功率來(lái)提供不同質(zhì)量的業(yè)務(wù)。


3 4G與3G的主要技術(shù)參數(shù)比較



4 4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)


　　4G 系統(tǒng)的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)為：寬帶接受機(jī)、智能天線(xiàn)、空時(shí)編碼、高性能的功率放大器、先進(jìn)的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高性能的RF收發(fā)信機(jī)和多用戶(hù)檢測(cè)等。


4.1 無(wú)線(xiàn)接入方式與多址方案


　　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，從目前的研究進(jìn)展來(lái)看，OFDM也是將來(lái)4G系統(tǒng)最有可能采用的多址方式。OFDM的主要優(yōu)點(diǎn)有：各個(gè)信號(hào)間不會(huì)相互干擾；對(duì)多徑衰落和多普勒頻移不敏感；用戶(hù)間和相鄰小區(qū)間無(wú)干擾；可實(shí)現(xiàn)低成本的單波段接收機(jī)等。OFDM的主要缺點(diǎn)是功率效率不高。


　　日本NTT DoCoMo提出的4G移動(dòng)系統(tǒng)方案的無(wú)線(xiàn)接入方式為：VSF-OFCDM。VSF 表示可變擴(kuò)頻因子（variable spreading factor），而OFCDM則表示正交頻分與碼分復(fù)用（orthogonal frequency and code division multiplexing）。VSF-OFCDM 屬于多載波CDMA（MC-CDMA），這種無(wú)線(xiàn)接入方式可以提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響。


　　VSF-OFCDM實(shí)際上也是CDMA, 因此同一般的CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)一樣，頻率可以在所有的小區(qū)中重復(fù)使用。由于VSF-OFCDM采用了可變擴(kuò)頻因子，因此通過(guò)改變擴(kuò)頻因子，可應(yīng)用于高密度業(yè)務(wù)區(qū)和一般業(yè)務(wù)區(qū)。


　　NTT DoCoMo 已經(jīng)于2002年10月成功進(jìn)行了4G系統(tǒng)的有關(guān)試驗(yàn)。采用他們研制的4G移動(dòng)通信試驗(yàn)系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境成功進(jìn)行了上行20Mbps，下行100Mbps的傳輸試驗(yàn)。


4.2 調(diào)制與編碼


　　4G系統(tǒng)將會(huì)采用多載波調(diào)制（MCM）技術(shù)。4G系統(tǒng)可能會(huì)采用兩種形式的MCM:多載波碼分多址（MC-CDMA）和正交頻分復(fù)用時(shí)分多址（OFDM-TDMA）


　　一般MC-CDMA采用QPSK調(diào)制，而OFDM-TDMA采用高電平調(diào)制，如M-QAM(M從4 到256)。對(duì)于M-QAM,為了提高系統(tǒng)的性能，一般認(rèn)為需要采用自適應(yīng)調(diào)制，按照實(shí)際測(cè)量的參數(shù)來(lái)確定QAM 的電平數(shù)和符號(hào)速率。


　　NTT DoCoMo的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本調(diào)制方案為QPSK，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率為103.68Mbps。當(dāng)采用64-QAM調(diào)制時(shí)，數(shù)據(jù)速率高達(dá)331.776Mbps（相應(yīng)的擴(kuò)頻因子為1）。


　　4G移動(dòng)通信系統(tǒng)將采用更高級(jí)的信道編碼方案，如Turbo碼、級(jí)連碼和LDPC等，從而在極低的Eb/N0下保證足夠的性能。NTT DoCoMo的4G實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)信道編碼采用TURBO碼。


4.3 無(wú)線(xiàn)鏈路增強(qiáng)技術(shù)


　　可以提高容量和覆蓋的無(wú)線(xiàn)鏈路增強(qiáng)技術(shù)有：分集技術(shù)，如通過(guò)空間分集、時(shí)間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法來(lái)獲得最好的分集性能；多天線(xiàn)技術(shù)，如采用2或4 天線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集，或者采用多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接受分集。


4.4 高效的頻譜使用方案


　　提高頻譜效率的方法有：使用3GHz以上的頻段，由于可以使用的帶寬更寬，因此將具有更高的傳輸容量。3G系統(tǒng)的頻譜效率只有2 bps/Hz，而4G系統(tǒng)的頻譜效率應(yīng)達(dá)到5 bps/Hz。


4.5 基于IP的核心網(wǎng)


　　3G系統(tǒng)不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。采用全I(xiàn)P 的優(yōu)點(diǎn)有：可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫互連；全I(xiàn)P也是一種低成本的集成目前網(wǎng)絡(luò)的方法。4G系統(tǒng)的核心網(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(xiàn)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。要實(shí)現(xiàn)全I(xiàn)P的核心網(wǎng)有許多問(wèn)題需要解決，如鑒權(quán)、計(jì)費(fèi)等；核心網(wǎng)應(yīng)具有開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，從而能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時(shí)核心網(wǎng)應(yīng)把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_(kāi)。


4.6 軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）技術(shù)


　　軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)將會(huì)在4G系統(tǒng)得到應(yīng)用。軟件無(wú)線(xiàn)電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和空中接口。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多模式手機(jī)和基站，能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的可變QoS。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)有助于不同標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的融合。軟件無(wú)線(xiàn)電在4G中的可能應(yīng)用為：采用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)的基站可同時(shí)為多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；當(dāng)終端移動(dòng)時(shí)，可重新配置，如當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到一個(gè)采用不同標(biāo)準(zhǔn)的移動(dòng)系統(tǒng)中時(shí)，終端可按照該系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)重新自動(dòng)配置該終端，從而該終端可獲得服務(wù)。


　　采用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)終端或BS將采用模塊化的結(jié)構(gòu)，主要由天線(xiàn)模塊、LNA模塊、功率放大器模塊、ADC\DAC模塊、DSP模塊和多媒體模塊等組成。軟件無(wú)線(xiàn)電中RF和基帶器件都應(yīng)當(dāng)是可編程的。


4.7 高性能的接收機(jī)


　　4G系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)提出了特別高的要求。我們知道Shannon定理指出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我們可以計(jì)算出，對(duì)于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，而數(shù)據(jù)速率為2Mbps，則所需的SNR 為1.2 dB；而對(duì)于4G系統(tǒng)，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mbps的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB�？梢�(jiàn)對(duì)于4G系統(tǒng)，由于速率很高，因此對(duì)接收機(jī)的性能要求也要高得多。


4.8 智能天線(xiàn)與MIMO技術(shù)


　　智能天線(xiàn)和MIMO技術(shù)可以降低多址干擾，實(shí)現(xiàn)空間分集，因此將會(huì)在4G系統(tǒng)中得到應(yīng)用。圖一左端為一個(gè)智能天線(xiàn)示意圖，基站對(duì)各個(gè)用戶(hù)可形成一個(gè)定向波束，因此既可降低來(lái)自小區(qū)內(nèi)其它用戶(hù)的多址干擾，也可降低對(duì)基站發(fā)射功率的要求。


4.9 多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)


　　隨著多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，多用戶(hù)檢測(cè)器將會(huì)在4G系統(tǒng)的基站和終端中得到應(yīng)用。多用戶(hù)檢測(cè)器可以提高系統(tǒng)的容量，因此將是4G系統(tǒng)必然采用的技術(shù)。隨著多用戶(hù)檢測(cè)器研究的不斷深入，各種高性能但算法不是特別復(fù)雜的多用戶(hù)檢測(cè)器算法不斷提出來(lái)，因此在實(shí)際系統(tǒng)中采用多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)將是切實(shí)可行的。



參 考 文 獻(xiàn)


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[2] Christian prehofer.“technologies for future mobile networks”, cic 2002, seoul, korea


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[4] Rahim Tafazolli.“why we need 4G!”. 2001 Workshop on multiradio multimedia communications.


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----《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》