4G移動通信系統(tǒng)研究進展和關鍵技術

1、4G移動通信系統(tǒng)研究進展和關鍵技術一、概述第四代（4G）移動通信系統(tǒng)和技術是目前移動通信領域的研究熱點。第三代（3G）移動通信系統(tǒng)從2001年起先后在日本和韓國投入商用，但目前大多數(shù)國家運營的仍然是2G或2.5G的移動通信系統(tǒng)。我國運營的移動通信系統(tǒng)主要是2G的GSM和CDMA。目前用戶對移動通信系統(tǒng)的速率需求越來越高，而3G系統(tǒng)實際所能提供的最高速率也只有384kbps（雖然標稱最高速率為2Mbps）,不能滿足用戶的實際需求，因此在3G系統(tǒng)還沒有大規(guī)模投入商用的情況下，國內(nèi)外移動通信領域的專家已在進行4G系統(tǒng)的研究和研發(fā)工作。90年代早期歐洲就開始4G移動通信系統(tǒng)的研究，其目標速率是100M

2、bps,預期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一個特別委員會，領導日本的有關政府部門、大學研究機構和工業(yè)部門，從事4G系統(tǒng)的研究工作和制定4G的有關標準。日本NTT的DoCoMo公司已于2002年成功研制出一個包含移動終端和基站的4G空中接口實驗系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上成功地進行了有關傳輸和實驗。目前全球范圍內(nèi)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（ the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mob

3、ile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移動通信設備廠商也在進行4G的研究和研發(fā)工作。AT&T已研發(fā)了名為4G接入的實驗網(wǎng)絡。NORTEL正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4G 網(wǎng)絡上傳輸多媒體內(nèi)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的預測，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100Mbps。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系統(tǒng)的技術目標和特點4G系統(tǒng)總的技

4、術目標和特點能概括為：同3G等已有的數(shù)字移動通信系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)應具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務質(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)應能支持非對稱性業(yè)務，并能支持多種業(yè)務；4G系統(tǒng)應體現(xiàn)移動和無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡不斷融合的發(fā)展趨勢，因此4G系統(tǒng)應當是個全IP的網(wǎng)絡。下面是一些具體的技術目標和特點。14G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100Mbps,因此移動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時地傳送給移動終端用戶，從而使用戶產(chǎn)生身臨其境的感覺。為

5、了適應數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務不斷增長的需求，4G系統(tǒng)自然應具有更高的容量，但所能分給4G系統(tǒng)的頻譜仍然是有限的，因此4G系統(tǒng)的頻譜效率應當為3G系統(tǒng)的5到10倍。4G系統(tǒng)目標速率為：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。2.4G系統(tǒng)是個無縫網(wǎng)。4G系統(tǒng)應能實現(xiàn)全球范圍內(nèi)多個移動網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡間的無縫漫游。無線通信領域的一個發(fā)展趨勢是移動網(wǎng)絡和無線接入網(wǎng)絡的融合。4G系統(tǒng)應當是個移動網(wǎng)絡和無線接入網(wǎng)的融合體，他應能實現(xiàn)和無線LAN的無縫連接。4G的無縫特性，包

6、含系統(tǒng)、業(yè)務和覆蓋等多方面的無縫性。系統(tǒng)的無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統(tǒng)中使用；業(yè)務的無縫性指的是對話音、數(shù)據(jù)和圖像的無縫性；而覆蓋的無縫性則指4G系統(tǒng)應能在全球提供業(yè)務。因此4G系統(tǒng)應當是個綜合系統(tǒng)，蜂窩部分提供廣域移動性，而WLAN提供熱點地區(qū)的高速業(yè)務，同時也應當包含家庭和辦公室的個人LAN.34G系統(tǒng)應具有良好的覆蓋性能。4G系統(tǒng)應具有良好的覆蓋，并能提供高速可變速率傳輸。對于室內(nèi)環(huán)境，由于要提供高速傳輸，因此小區(qū)的半徑更小。44G系統(tǒng)應當是個基于IP的網(wǎng)絡。4G應當是個基于IP的移動網(wǎng)絡，所以有些文獻把4G系統(tǒng)稱為“基于IP的第四代無線網(wǎng)絡“（theFourth

7、GenerationIP-based wireless network）。全IP 的4G網(wǎng)絡同已有的移動網(wǎng)絡相比具有根本性的好處。IP和實際所采用的各種無線接入方式是兼容的，并且和具體采用的無線接入方式是獨立的，采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議和核心網(wǎng)絡（CN）協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。IP和多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設計核心網(wǎng)絡時就具有非常大的靈活性，而不必去考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。一個采用IP的核心網(wǎng)絡能采用多種無線接入方式，比如IEEE 802.11, WCDMA, Bluetooth, HyperLAN等。全IP的核心網(wǎng)能和無線接入方式獨立地發(fā)展。4G系統(tǒng)將會采用

8、Ipv6。Ipv6將能在IP網(wǎng)絡上實現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務。54G系統(tǒng)將能實現(xiàn)不同QoS的業(yè)務。4G系統(tǒng)通過動態(tài)帶寬分配和調(diào)節(jié)發(fā)射功率來提供不同質(zhì)量的業(yè)務。三、4G和3G的主要技術參數(shù)比較四、4G系統(tǒng)的關鍵技術4G系統(tǒng)的有關關鍵技術為：寬帶接受機，智能天線，空時編碼，高性能的功率放大器，先進的調(diào)制解調(diào)技術，高性能的RF收發(fā)信機，和多用戶檢測等。1.無線接入方式和多址方案。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,從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統(tǒng)最有可能采用的多址方式。OFDM的主要好處有：各個信號間不會相互干擾；對多徑衰落和多普勒頻移

9、不敏感；用戶間和相鄰小區(qū)間無干擾；可實現(xiàn)低成本的單波段接收機等。OFDM的主要缺點是功率效率不高。日本NTTDoCoMo提出的4G移動系統(tǒng)方案的無線接入方式為：VSF-OFCDM。VSF表示可變擴頻因子（variable spreading factor），而OFCDM則表示正交頻分和碼分復用(orthogonal frequency and code division multiplexing) 。VSF-OFCDM 屬于多載波CDMA(MC-CDMA)，這種無線接入方式能提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響。VSF-OFCDM實際上也是CDMA,因此同一般的CDMA移動通信系統(tǒng)相同，頻率

10、能在所有的小區(qū)中重復使用。由于VSF-OFCDM采用了可變擴頻因子，因此通過改動擴頻因子，可應用于高密度業(yè)務區(qū)和一般業(yè)務區(qū)。NTTDoCoMo已于2002年10月成功進行了4G系統(tǒng)的有關試驗。采用他們研制的4G移動通信試驗系統(tǒng)，在室內(nèi)環(huán)境成功進行了上行20Mbps,下行100Mbps的傳輸試驗。2調(diào)制和編碼。4G系統(tǒng)將會采用多載波調(diào)制（MCM）技術。4G系統(tǒng)可能會采用兩種形式的MCM:多載波碼分多址（MC-CDMA）和正交頻分復用時分多址（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)。對于M-QAM,為了提高系統(tǒng)的性

11、能，一般認為需要采用自適應調(diào)制，按照實際測量的參數(shù)來確定QAM的電平數(shù)和符號速率。NTTDoCoMo的4G移動通信系統(tǒng)的基本調(diào)制方案為QPSK，相應的數(shù)據(jù)傳輸速率為103.68Mbps。當采用64-QAM調(diào)制時，數(shù)據(jù)速率高達331.776Mbps（相應的擴頻因子為1）。4G移動通信系統(tǒng)將采用更高級的信道編碼方案，如Turbo碼、級連碼和LDPC等，從而在極低的Eb/N0下確保足夠的性能。NTTDoCoMo的4G實驗系統(tǒng)信道編碼采用TURBO碼。3無線鏈路增強技術。能提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術有：分集技術，如通過空間分集、時間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法來獲得最佳的分集性能；

12、多天線技術，如采用2或4天線來實現(xiàn)發(fā)射分集，或采用多輸入多輸出（MIMO）技術來實現(xiàn)發(fā)射和接受分集。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，由于能使用的帶寬更寬，因此將具有更高的傳輸容量。3G系統(tǒng)的頻譜效率只有2bps/Hz，而4G系統(tǒng)的頻譜效率應達到5bps/Hz。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)應當是個全IP的網(wǎng)絡。采用全IP的好處有：能實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的無縫互連；全IP也是一種低成本的集成目前網(wǎng)絡的方法。4G系統(tǒng)的核心網(wǎng)是個基于全IP的網(wǎng)絡，因此核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接

13、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。要實現(xiàn)全IP的核心網(wǎng)有許多問題需要解決，如鑒權、計費等。核心網(wǎng)應具有開放的結構，從而能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)應把業(yè)務、控制和傳輸?shù)确珠_。6軟件無線電（SDR）技術。軟件無線電技術將會在4G系統(tǒng)得到應用。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(wǎng)絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現(xiàn)各種應用的可變QoS。軟件無線電技術有助于不同標準和系統(tǒng)的融合。軟件無線電在4G中的可能應用為：采用軟件無線電實現(xiàn)的基站可同時為多個網(wǎng)絡服務；當終端移動時，可重新設置，如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動系統(tǒng)中時，終端可按照該系統(tǒng)的標準重新自動設置該終端，從而該終端可獲得服務。采用軟件無線電技術實現(xiàn)的移動終端或BS