淺析第四代移動通信系統(tǒng)

摘要　文章首先描述了第四代移動通信系統(tǒng)的產(chǎn)生背景以及特點，然后詳細介紹和討論了第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構及其關鍵技術，最后對第四代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展進行了展望。
 
　　1、引言

到目前為止，3G各種標準和規(guī)范已達成協(xié)議，并已開始商用�？墒�3G還是有其局限性：由于受到多用戶干擾，CDMA難以達到很高的通信速率；由于空中接口標準對核心網(wǎng)的限制，3G所能提供服務速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務類型要求；分配給3G的頻率資源已經(jīng)趨于飽和；3G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；流媒體(視頻)的應用不盡如人意；數(shù)據(jù)傳輸率也只接近于普通撥號接入的水平，更趕不上XDSL等。所以，在第三代移動通信還沒有完全鋪開，距離完全實用化還有一段時間的時候，已經(jīng)有不少國家開始了對下一代移動通信系統(tǒng)的研究。

2、系統(tǒng)特點

第四代移動通信技術的概念可稱為廣帶(Broadband)接入和分布網(wǎng)絡，具有非對稱超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，對全速移動用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量影像服務，將首次實現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng))。其廣帶無線局域網(wǎng)(WLAN)能與B-ISDN和ATM兼容，實現(xiàn)廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網(wǎng)(IBCN)，它還能提供信息之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。其主要特點是：

(1)通信速度提高，數(shù)據(jù)傳輸速率超過UMTS，上網(wǎng)速率從2Mb/s提高到100Mb/s。

(2)以移動數(shù)據(jù)為主，面向因特網(wǎng)大范圍覆蓋高速移動通信網(wǎng)絡，改變了以傳統(tǒng)移動電話業(yè)務為主設計移動通信網(wǎng)絡的設計觀念。

(3)采用多天線或分布天線的系統(tǒng)結構及終端形式，支持手機互助功能，采用可穿戴無線電、可下載無線電等新技術。

(4)發(fā)射功率比現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)降低10～100倍，能夠較好地解決電磁干擾問題。

(5)支持更為豐富的移動通信業(yè)務，包括高分辨率實時圖像業(yè)務、會議電視虛擬現(xiàn)實業(yè)務等，使用戶在任何地方可以獲得任何所需的信息服務，且服務質(zhì)量得到保證。

(6)多種業(yè)務的完整融合。4G應能集成不同模式的無線通信——從無線局域網(wǎng)和藍牙等室內(nèi)網(wǎng)絡、蜂窩信號、廣播電視到衛(wèi)星通信，移動用戶可以自由地從一個標準漫游到另一個標準。各種業(yè)務應用、各種系統(tǒng)平臺間的互聯(lián)更便捷、安全，面向不同用戶要求，更富有個性化。

3、網(wǎng)絡架構

3.1　網(wǎng)絡體系結構

在第四代移動通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對不同業(yè)務的需求，將各種針對不同業(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。
　　
　　第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡體系結構可以由下而上分為：物理層、網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術層、應用層等3層。物理層提供接入和選路功能，網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術層作為橋接層提供QoS映射、地址轉(zhuǎn)換、即插即用、安全管理、有源網(wǎng)絡。物理層與網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術層提供開放式IP接口。應用層與網(wǎng)絡業(yè)務執(zhí)行技術層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務。

結合移動通信市場發(fā)展和用戶需求，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。

同時，技術的發(fā)展和市場的需求，將加快并實現(xiàn)目前的計算機網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和衛(wèi)星通信網(wǎng)等網(wǎng)絡融為一體，寬帶IP技術和光網(wǎng)絡將成為多網(wǎng)融合的支撐和結合點。數(shù)字化數(shù)據(jù)交易點是4G移動網(wǎng)絡的一個重要技術。它用于預處理各個不同網(wǎng)絡平臺之間的呼叫。在網(wǎng)絡平臺之間的特定協(xié)議條件下，幫助業(yè)務供應者提供高質(zhì)量、低費用的業(yè)務應用。例如，兩個網(wǎng)絡平臺之間傳送電視數(shù)據(jù)信息，首先經(jīng)由數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所處理。在數(shù)字化數(shù)據(jù)交易所里，這個電視數(shù)據(jù)信息將被分離成視頻信號和音頻信號，經(jīng)由不同信道傳送。音頻信號將由覆蓋廣泛的網(wǎng)絡傳送，視頻信號將由只能處理、接收視頻信號的網(wǎng)絡傳送，從而達到降低通信成本和有效利用傳輸信道的目的。未來的全球互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和骨干網(wǎng)系統(tǒng)，將以結合寬帶IP技術和光纖網(wǎng)技術為主。

3.2　4G移動通信的接入系統(tǒng)

4G移動通信接入系統(tǒng)的顯著特點是，智能化多模式終端基于公共平臺，通過各種接入技術，在各種網(wǎng)絡系統(tǒng)(平臺)之間實現(xiàn)無縫連接和協(xié)作。在4G移動通信中，各種專門的接入系統(tǒng)都基于一個公共平臺，相互協(xié)作，以最優(yōu)化的方式工作，來滿足不同用戶的通信需求。當多模式終端接入系統(tǒng)時，網(wǎng)絡會自適應分配頻帶，給出最優(yōu)化路由，以達到最佳通信效果。目前，4G移動通信的主要接入技術有：無線蜂窩移動通信系統(tǒng)(例如2G、3G)、無繩系統(tǒng)(如DECT)、短距離連接系統(tǒng)(如藍牙)、WLAN系統(tǒng)、固定無線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、平流層通信(STS)、廣播電視接入系統(tǒng)(如DAB、DVB-T、CATV)。隨著技術發(fā)展和市場需求變化，新的接入技術將不斷出現(xiàn)。

網(wǎng)絡接入系統(tǒng)在整個移動網(wǎng)絡中處于十分重要的位置。未來的接入系統(tǒng)將主要在以下三個方面進行技術革新和突破：

(1)為最大限度開發(fā)利用有限的頻率資源，在接入系統(tǒng)的物理層，優(yōu)化調(diào)制、信道編碼和信號傳輸技術，提高信號處理算法、信號檢測和數(shù)據(jù)壓縮技術，并在頻譜共享和新型天線方面做進一步研究。

(2)為提高網(wǎng)絡性能，在接入系統(tǒng)的高層協(xié)議方面，研究網(wǎng)絡自我優(yōu)化和自動重構技術，動態(tài)頻譜分配和資源分配技術，網(wǎng)絡管理和不同接入系統(tǒng)間協(xié)作。

(3)提高和擴展IP技術在移動網(wǎng)絡中的應用；加強軟件無線電技術；優(yōu)化無線電傳輸技術，如支持實時和非實時業(yè)務、無縫連接和網(wǎng)絡安全。

3.3　4G移動通信的軟件系統(tǒng)

4G移動通信的軟件系統(tǒng)趨于標準化、復雜化、智能化。軟件系統(tǒng)的首要任務是，創(chuàng)建一個公共的軟件平臺，使不同通信系統(tǒng)和終端的應用軟件，通過此平臺“互聯(lián)互通”；并且，通過此軟件平臺，實現(xiàn)對不同通信系統(tǒng)和終端的管理和監(jiān)控。因此，建立一個統(tǒng)一的軟件標準和互聯(lián)協(xié)議，是4G移動通信軟件系統(tǒng)的關鍵。

軟件系統(tǒng)將逐步采用Web服務模式，以代替現(xiàn)行的客戶/服務器模式。新的計算機語言如XML，將用于未來的這種基于Web的分布式服務。另一方面，軟件系統(tǒng)還將在網(wǎng)絡安全上做進一步研究，以保障通信網(wǎng)絡的正常工作、數(shù)據(jù)完整和其他特殊需要。

4、關鍵技術

4.1　調(diào)制技術與信號傳輸

在高頻段高速移動傳輸會產(chǎn)生嚴重的頻率選擇性衰落，實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的魯棒性可以克服這種頻率選擇性衰落，并且新的調(diào)制技術如多載波正交頻分復用調(diào)制技術以及單載波帶自適應均衡技術都將提供很高的頻譜效率。另外，電池功率的限制也必須突破。4G系統(tǒng)將采用這些調(diào)制方式以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。此外，高性能正向糾錯(FEC)編碼，如Turbo編碼技術、自動重發(fā)請求(ARQ)和分集接收技術也是建立高速大容量網(wǎng)絡的重要因素。

若從技術層面來看，第三代移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術，而第四代移動通信系統(tǒng)技術則以OFDM最受矚目。

4.2　軟件無線電

在4G移動通信系統(tǒng)中，移動終端將會變得非常繁雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術，實現(xiàn)移動終端的多�；��？梢栽诓煌�的系統(tǒng)中工作。軟件無線電技術能夠?qū)⒛�擬信號的數(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RE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)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)。

4.3　網(wǎng)絡結構與協(xié)議

4G系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構包括了適用于IP分組傳輸?shù)目罩薪涌�、位置寄存、基站網(wǎng)絡配置、無線QoS控制、網(wǎng)絡配置和集成式3G WLAN無縫業(yè)務控制等功能模塊。為了解決城區(qū)密集業(yè)務，頻率復用是關鍵，而且用微蜂窩實現(xiàn)無縫覆蓋要比熱點覆蓋策略好，因為前者可以避免地理位置上的業(yè)務集中。

在處理多媒體業(yè)務時，智能無線資源管理是關鍵技術，無線系統(tǒng)資源(頻率和發(fā)射功率)是有限的且易受阻塞的困擾，因此，有必要采用無線QoS資源控制，以保證業(yè)務質(zhì)量和支持各種級別的應用。由4G系統(tǒng)支持的應用業(yè)務將依據(jù)業(yè)務的特點進行分類(如分為實時和非實時)，無線QoS資源控制方式要既能支持實時性應用，也能支持非實時性應用。無線資源管理者首先檢查可用資源、前/后向鏈路質(zhì)量、應用類別以及QoS業(yè)務用戶級別，然后再指配適當?shù)那?后向鏈路速率和發(fā)射功率。4G系統(tǒng)中基于IP技術的網(wǎng)絡結構可以處理IP包，方便地提供全向功能，關鍵是選路/切換和鑒權策略。

4.4　定位技術

定位是指移動終端位置的測量方法和計算方法。它主要分為基于移動終端定位、基于移動網(wǎng)絡定位以及混合定位三種方式。在4G移動通信系統(tǒng)中，移動終端可能在不同系統(tǒng)(平臺)間進行移動通信。因此，對移動終端的定位和跟蹤，是實現(xiàn)移動終端在不同系統(tǒng)(平臺)間無縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動通信的前提和保障。

4.5　切換技術

切換技術適用于移動終端在不同移動小區(qū)之間、不同頻率之間通信或者信號降低信道選擇等情況。切換技術是未來移動終端在眾多通信系統(tǒng)、移動小區(qū)之間建立可靠移動通信的基礎和重要技術。它主要有軟切換和硬切換。在4G通信系統(tǒng)中，切換技術的適用范圍更為廣泛，并朝著軟切換和硬切換相結合的方向發(fā)展。

5、小結

第四代移動通信的具體實現(xiàn)在現(xiàn)在看來還面臨著許多難題，但隨著技術的發(fā)展、網(wǎng)絡的發(fā)展，現(xiàn)在看來困難的事情可能因為某一關鍵技術的突破而實現(xiàn)。所以，現(xiàn)在對網(wǎng)絡結構的可行性、靈活性的研究，對這些體系結構中的關鍵技術的研究將對4G的盡快實現(xiàn)有十分重要的意義。具有高數(shù)據(jù)率、高頻譜利用率、低發(fā)射功率、靈活業(yè)務支撐能力的第四代移動通信系統(tǒng)，必將是通往未來無線與移動通信系統(tǒng)的必然方向。