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| 17 April, 2012 | 一般 | (23 Reads)
移動通信已成為當代通信領域內的發展潛力最大、市場前景最廣的熱點技術。儘管第三代移動通信(3G)標準比現有無線技術更強大,但也將面臨競爭和標準不兼容等問題。人們開始呼籲移動通信標準的統一,以期通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。第四代移動通信與第三代移動通信相比,將在技術和應用上有質的飛躍。4G將適合所有的移動通信用戶,最終實現商業無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛星通信的無縫銜接並相互兼容。   一、4G簡述   4G是指集3G與WLAN於一體,並能夠傳輸高質量視頻圖像,它的圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下。4G系統能夠以100Mbps的速度下載,比目前的ADSL快200倍,比通常意義上的3G快50倍,上傳的速度也能達到20Mbps,並能夠滿足幾乎所有用戶對於無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面,4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下,而且計費方式更加靈活機動,用戶完全可以根據自身的需求確定所需的服務。此外,4G可以在DSL和有線電視調製解調器沒有覆蓋的地方部署,然後再擴展到整個地區。   國際電信聯盟(ITU)目前已開始研究制定4G系統標準,把移動通信系統同其他系統(如無限局域網,WLAN)結合起來,產生4G技術,2010年前使數據傳輸速率達到100Mbit/s。提供更有效的多種業務,實現商業無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛星通信等的無縫銜接並相互兼容。4G具有更高的數據率和頻譜利用率,更高的安全性、智能性和靈活性,更高的傳輸質量和服務質量(QoS)。4G系統應體現移動與無線接入網及IP網絡不斷融合的發展趨勢。因此4G 系統應當是一個全IP的網絡。   二、4G的技術特點   4G是多功能集成寬帶移動通信系統,比3G更接近於個人通信。其特點主要有: 1.高速率 4G的信息傳輸速率要比3G高一個等級,從2Mbit/s提高到10Mbit/s。   2.靈活性強   4G擬採用智能技術,可自適應地進行資源分配。採用智能信號處理技術對信道條件不同的各種複雜環境進行信號的正常收發。有很強的智能性、適應性和靈活性。   3.兼容性好   目前ITU承認的、已有相當規模的移動通信標準有GSM、CDMA和TDMA三大分支,可通過4G標準的制定來解決兼容問題。   4.用戶共存性   4G能根據網絡的狀況和信道條件進行自適應處理,使低、高速用戶和各種用戶設備能夠並存與互通從而滿足多類型用戶的需求。   5.業務多樣性   未來通信中所需的是多媒體通信:個人通信、信息系統、廣播和娛樂等將結合成一個整體。4G能提供各種標準的通信業務,滿足寬帶和綜合多種業務需求。   6.技術基礎較好   4G將以幾項突破性技術為基礎,如OFDM、無線接入、軟件無線電等,能大幅提高頻率使用效率和系統可實現性。  7.隨時隨地的移動接入   4G利用無線接入技術,提供話音、高速信息業務、廣播及娛樂等多媒體業務接入方式,用戶可隨時隨地接入系統。   8.自治的網絡結構   4G網絡將是一個完全自治、自適應的網絡。可自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。   三、4G網絡結構   4G系統針對各種不同業務的接入系統,通過多媒體接入連接到基於IP的核心網中。基於IP技術的網絡結構使用戶可實現在3G、4G、WLAN及固定網間無縫漫遊。4G網絡結構可分為三層:物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能,中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的,使發展和提供新的服務變得更容易,提供無縫高數據率的無線服務,並運行於多個頻帶,這一服務能自適應於多個無線標準及多模終端,跨越多個運營商和服務商,提供更大範圍服務。   4G網絡有如下特徵:   (1)支持現有的系統和將來系統通用接入的基礎結構;   (2)與Internet集成統一,移動通信網僅僅作為一個無線接入網;   (3)具有開放、靈活的結構,易於擴展;   (4)是一個可重構的、自組織的、自適應網絡;   (5)智能化的環境,個人通信、信息系統、廣播、娛樂等業務無縫連接為一個整體,滿足用戶的各種需求;   (6)用戶在高速移動中,能夠按需接入系統,並在不同系統無縫切換,傳送高速多媒體業務數據;   (7)支持接入技術和網絡技術各自獨立發展。   四、4G通信系統的關鍵技術   1.OFDM調製技術   未來無線多媒體業務既要求數據傳輸速率高,又要保證傳輸質量,這就要求所採用的調製解調技術既要有較高的信元速率,又要有較長的碼元週期,OFDM 技術正滿足這一需求。OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的,OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調製,各子載波並行傳輸,這樣儘管總的信道是非平坦的,但每個子信道是相對平坦的。且在各子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小於信道帶寬,大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾,從而減小各子載波間的相互干擾,提高頻譜利用率。   2. 軟件無線電   軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經一通用硬件平台,利用軟件加載方式來實現各類無線電通信系統的一種開放式結構的技術。通過不同軟件程序,在硬件平台上實現在不同系統中利用單一終端漫遊。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器,盡可能多地用軟件來定義無線功能。其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調製解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件(DSPH)、現場可編程器件(FPGA)、數字信號處理(DSP)等。   3. 智能天線(SA)   智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能,被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾,增強特殊範圍內想要的信號,既能改善信號質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信機來實現射頻信號的收發,同時,通過基帶數字信號處理器,對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合併,實現上行波束賦形。   目前,智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基於預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優,但相對而言各種算法均存在所需數據量,計算量大,信道模型簡單,收斂速度較慢,在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點,實際信道條件下,當干擾較多、多徑嚴重,特別是信道快速時變時,很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基於預多波束的切換波束工作方式下,全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋,各組權值對應的波束有不同的主瓣指向,相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊,接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式,與自適應方式相比它顯然更容易實現,是未來智能天線技術發展的方向。   4. MIMO技術   多輸入多輸出技術(MIM0)是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線,充分利用空間傳播中的多徑份量,在同一頻帶上使用多個子信道發射信號,使容量隨天線數量的增加而線性增加。空間分集有發射分集和接收分集兩類。基於分集技術與信道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益,已成為該領域的研究熱點。MIM0技術可提供很高的頻譜利用率,且其空間分集可顯著改善無線信道的性能,提高無線系統的容量及覆蓋範圍。   五、國際上第四代移動通信發展狀況   世界發達國家都正在積極進行4G技術規格的研究制定,以期在全球4G規格制定中享有發言權。4G的各項運行標準將由國際電信聯盟(ITU)電信標準局決定。新一代無線通信技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。新的研究包括網絡結構、用戶切換和漫遊等移動環境下的系統實現方案,從而實現用戶的大範圍移動,這種技術路線是當前國際上設計第四代移動通信系統的主要思路。阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子已共同建立了旨在推動4G技術開發的世界無線研究論壇。   美國AT&T公司已在實驗室中研究第四代移動通信技術,其研究目的是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問因特網的速率,這項技術約需五年才能發佈。AT&T已推出了4G Access網絡,它能配合目前的EDGE技術進行上傳,並利用寬帶OFDM技術進行下載。目前AT&T的4G Access網絡升級分為兩個階段,第一階段是移動電話基地台的軟件構建,第二階段則估計在兩年後進行智能型天線的硬件構建。北電網絡則努力使IP的4G網絡傳輸速度達到20Mbps,因此必須進行Software Radio、寬帶接收器、新型功率放大器等相關行動技術的開發。   日本的DoCoMo移動通信公司也已在日本進行第四代移動通信的研究,力圖成為第四代移動通信領頭羊。DoCoMo計劃在2006年推出第四代移動通信系統,在2010年左右首度推出4G業務,並企圖使它成為全球的標準。日本政府決定從2002年財政預算中撥款12億日元,支持速度更快、功能更齊備的「第四代移動通信系統」的研究與開發,使它成為全球的標準。日本政府與主要的移動通信業企業已為超高速移動通信技術擬定了基礎計劃,這項4G移動通信技術將於2005年成形。為了能夠搶佔未來移動電話技術的先機,日本郵電部已向日本電氣通信技術審議會提交制定第四代(4G)移動電話規格的提案。日本電氣通信技術審議會負責審核4G技術的相關規格,決定其使用頻率、系統技術、開發日程等。日本已完成了繼第三代移動通信系統「IMT-2000」之後的第四代移動通信系統標準提案,該提案將4G的實用期定在2010年。4G將速率提高到了100Mbit/秒,對4G的目標是2010年之前達到實用化水平。日本電氣通信技術審議會估計,2001~2010年日本3G市場規模將達到42兆日元,僅2010年的營收就將達到9300億日元,而4G移動電話的市場潛力更遠勝於3G。日本和韓國在IMT-2000之後的第四代移動通信領域也進行合作,兩國將共同建立因特網網絡、例行兩國之間的有線無線通訊結合環境,並進行超高速衛星通信實驗。   六、我國4G發展的狀況   我國在4G領域也取得得大成果。漢網公司研製出的漢網「寬帶無線IP通信系統」要用了4G技術和IP網絡技術,以漢網特有的包分多址(PDMA)接入技術為核心,上下行數據速率採用不對稱設計,可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯網業務,同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數據業務。可實現手機、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點通信等擴展業務。   七 、4G的發展趨勢   從4G的發展前景看,除0FDM和智能天線等核心技術外還包含一些相關技術。   (1)交互干擾抑制和多用戶識別:待開發的交互干擾抑制和多用戶識別技術應成為4G的組成部分。它們以交互干擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統,消除不必要的鄰近和共信道用戶的交互干擾,確保接收高質量信號。這種組合將滿足更大用戶容量和覆蓋範圍,大大減少網絡基礎設施的部署,確保服務質量。   (2)可重構性自愈網絡:4G無線網絡中將採用智能處理器,可處理節點故障或基站超載。網絡各部分採用基於知識解答裝置,可糾正網絡故障。   (3)微微無線電接收器:未來4G 中要研究的另一重點,它是嵌入式無線電。採用此技術,功耗是採用現有技術的l/10~1/100。   (4)無線接入網(RAN):4G系統高速度、大容量,低比特成本。4G系統RAN的發展趨勢是電路交換向基於IP分組交換發展,設備分集向網絡分集發展。這種基於IP技術的網絡架構使得在3G、4G、W-LAN、固定網之間漫遊得以實現,並支持下一代因特網。   八、第四代移動通信面臨的問題   要使第四代移動通信系統能投入實際應用,就需要對現有的移動通信基礎設施進行更新改造,首先需要解決無線系統中的移動性管理和核心網的移動IP技術等問題,當然還有4G的標準問題。網絡層移動性是4G移動性管理的關鍵,移動性通常涉及到在不同網段間漫遊的移動用戶,數據鏈路層的移動性支持通常限制在同類網絡之間。移動IP代表了一種簡單而且可以升級的全球移動性方案。但是,對於第四代移動通信系統而言,它缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。要解決這些問題,必須採用新的網絡結構和管理路由優化方案,需要採用高效的發送和切換協議,這些協議必須能很好地解決數據丟失和延遲的問題。另外,移動IP環境下的QoS所使用的綜合業務/RSVP技術(IntSev/RSVP)和區別型業務技術(DifServ)也需解決。在4G系統中,要開發新的頻譜資源,提供頻譜利用率並選擇合適的傳輸技術,如多載波傳輸方式以及自適應均衡等技術來對抗頻率選擇性衰。利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術來增強系統的性能,提高信干比;提高檢測可用的資源以及信號質量、動態分配頻率資源和信號發射功率、增加移動通信系統容量、降低信號發射功率;提高通信的覆蓋範圍,並支持多媒體通信、無線接入寬帶固定網以及在不同系統之間的漫遊等。