4G移动通信系统关键技术及演进

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关键字： 交织器 TD-HSPA 无缝网络 移动设备安全 服务管理 信息系统
内容摘要：随着世界范围内第三代移动通信系统逐步实施，移动通信未来的发展及演进问题成了研究热点。本文介绍了第四代移动通信及其性能和系统网络结构及OFDM、软件无线电、智能天线、IPv6等关键技术，并分析了4G移动通信系统与3G移动通信的关系，并对通信系统演进做了展望。

　　0、概述
　　目前，第三代移动通信(3G)各种标准和规范已形成协议，从2001年起先后在日本和韩国投入商用，但目前大多数国家运营的仍然是2G或2.5G的移动通信系统。我国运营的移动通信系统主要是2G的GSM/GPRS和CDMA系统。目前用户对移动通信系统的数据传输速率要求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率也只有384kbps(虽然标称最高速率为2Mbps)，不能满足用户的实际需求，因此在3G系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经开始进行4G(或B3G)系统的研究和开发工作。
　　国际电信联盟(ITU)早在1999年9月把“第三代之后”的移动通信系统下的标准化问题提上了日程，在ITU-R的工作计划中列入了“IMT 2000及其以后的系统”，ITU有关4G的提法是Beyond IMT-2000(3G)，并提议各会员国于2010年实现4G的商用。但到现在4G也仅是一个基本框架而已，定义并不明晰。
　　目前对第四代移动通信系统的描述主要有以下几方面：(1)建立在新的频段(比如5-8GHz或更高)上的无线通信系统，基于分组数据的高速率传输(50Mbps以上)，承载大量的多媒体信息，具有非对称的上下行链路速率、地区的连续覆盖、QoS机制、很低的比特开销等功能；(2)真正的“全球统一”(包括卫星部分)通信系统，基于全新网络体制的系统，或者说其无线部分将是对新网络(智能的、支持多业务的、可进行移动管理)的“无线接入”，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝”连接，使得用户能够自由的在各种网络环境间无缝漫游；(3)将不是单纯的传统意义上的 “通信”系统，而是融合了数字通信、数字音/视频接收(点播)/和因特网接入的崭新的系统，用户能够自由的选择协议、应用和网络。让应用业务提供商 (ASP)及内容提供商能够提供独立于操作的业务及内容。


1、4G移动通信系统中关键技术简介
　　1.1　4G通信系统的网络结构
　　目前，4G系统仍处于研究的起步阶段，相关标准尚未出台，网络结构也没有成型，但网络融合的趋势是显而易见的，如图1所示。图中的“全IP核心网”包括从IP骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。未来的无线基站将具备通过IP协议直接接入“全IP核心网”的能力，2G移动通信系统原有的交换中心MSC、归属位置寄存器HLR、鉴权中心AUC等网元的主要功能都将由4G网络上的服务器或数据库来实现，信令网上的各层协议也将逐渐被IP协议所取代。整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构，业务的差异性也只体现在接入层面。

　　图1　4G移动通信系统网络组成示意图
　　4G通信系统按照功能可以划分为接入层、承载层和业务控制层3层。接入层允许用户使用各种终端通过各种形式接入到4G通信系统中，这一部分将是革命性的演进；承载层提供QoS保证、安全管理、地址转换等功能，与接入层之间的接口应为开放的IP协议接口；业务控制层提供对业务的管理、加载等功能，它与承载层之间也应有开放的接口，以便于第三方提供新的业务应用。
　　从前面对4G通信系统的描述中可看出，它是一个远比3G更加复杂的通信系统，它的实现需要依托于很多新兴技术。在4G通信系统中可能采用的关键技术主要包括OFDM、软件无线电、智能天线、移动IPv6等，下面分别介绍这几种4G通信系统中的关键技术。
　　1.2　OFDM(正交频分复用)
　　由于无线信道存在多径效应，数据信号在各种不同类型的无线信道上传输时，产生的时延会造成接收信号的码间干扰，尤其当码元速率提高而周期相应缩短时，时延将会跨越更多的码元，而使这种干扰变得更大。此外，码元速度的提高引起信号带宽相应增大，当信号带宽大干信道的相关带宽时会造成频率选择性衰落。目前单载波调制技术为了能够尽量减轻这种衰落而采用了均衡技术，但却不得不以增加信道噪声作为代价。
　未来的无线多媒体业务首先要求数据传输速率要高，同时又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期。基于这样的考虑，产生了OFDM技术，属于多载波调制技术(MCM)中的一种。OFDM是4G通信网的核心技术。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：
　　(1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
　　(2)抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如衰落不特别严重，就没必要再添加时域均衡器。
　　(3)适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
 
 
 
 
 
 
 

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(4)抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。
　　除上述优点外，OFDM也有3个较明显的缺点。
　　首先，对频偏和相位噪声敏感。频偏和相位噪声会使OFDM各子载波之间的正交性恶化，使信噪比下降。
　　其次，功率峰值与均值比(PARR)大，导致发送端放大器功率效率较低。由于OFDM的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的，因此有可能产生比较大的峰值功率，也就有可能产生较大的PARR值。而过高的PARR值通常会对发送端功率放大器提出较高的线性要求，从而增加基站和用户终端的成本。
　　第三，自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的复杂度，并且当移动终端达到车载的移动速度时，自适应的调制技术就没有很大意义了。
　　1.3　软件无线电
　　所谓软件无线电(Software Defined Radio,简称SDR)，就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。
　　软件无线电的基本思想是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。
　　软件无线电的核心技术是用宽频带无线接收机代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多的采用可编程软件来实现。其结构如图2所示。

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　　图2　软件无线电结构示意图
　　软件无线电的优势主要体现在以下几个方面。
　　(1)系统结构通用，功能实现灵活，改进升级方便。工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等。所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号；可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷
　　(2)提供了不同系统间互操作的可能性。软件无线电可以使移动终端适合各种类型的空中接口，可以在不同类型的业务间转换。多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D、D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。
　　(3)由于通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高了系统抗干扰的性能。
　　(4)拥有较强跟踪新技术的能力。由于它能在保证硬件平台基本结构不发生变化的情况下，通过改变软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了设备商的新通信产品开发成本和周期，同时也降低了运营商的投资。
　　实现软件无线电还需克服以下技术难点。
　　(1)多频段天线的设计。软件无线电的天线需要覆盖多个频段，以满足多信道不同方式同时通信的需求，而射频频率和传播条件的不同，使得各频段对天线的要求存在着较大的差异，因此多频段天线的设计成为软件无线电技术实现的难点之一。
　　(2)宽带A/D、D/A转换。根据奈奎斯特抽样定理，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。而目前A/D、D/A的最高采样频率受到其性能的限制，从而也限制了所能处理的已调信号频率

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　　(3)高速DSP(数字信号处理器)。高速DSP芯片主要完成各种波形的调制解调和编解码过程，它需要有更多的运算资源和更高的运算速度来处理经宽带A/D、D/A变换后的高速数据流，因此其芯片有待进一步研发。
　　1.4　智能天线
　　智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。
　　智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为4G系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。
　　目前2G通信系统中采用的天线分为全向天线和定向天线两种，全向天线应用于360°覆盖的小区，定向天线应用于小区分裂后的部分覆盖小区。这两种天线覆盖的区域形状都是不变的，因此对于基站来说，给每个移动用户的下行信号是广播式发送的，这样势必会引起系统干扰，并降低了系统容量。
　　智能天线采用了空分多址(SDMA)的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用户方向，旁瓣或零陷对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。

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因此，智能天线技术更加适用于具有复杂电波传播环境的移动通信系统。在我国提出的3G标准TD-SCDMA中采用了智能天线技术。
　　智能天线具有以下优点。
　　(1)提高系统容量。智能天线采用了SDMA技术，利用空间方向的不同进行信道分割，在不同信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。
　　(2)降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向，因此能够有效抑制干扰。
　　(3)扩大覆盖区域。由于智能天线有了自适应的波束定向功能，因此与普通天线相比，在同等发射功率的条件下，采用智能天线技术的信号能够传送到更远的距离，从而增加了覆盖范围。
　　(4)降低系统建设成本。由于智能天线技术能扩大覆盖区域，因此基站建设数量可相对减少，降低了运营商的建设成本。智能天线技术的主要缺点是，使用它将增加通信系统的复杂度，并对元器件提出较高的性能要求。
　　1.5　IPv6
　　4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6 协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是IPv4不具备的。除此以外，IPv6还能够提供较IPv4更好的 QoS保证及更好的安全性。由于承载网是IP网，未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个IP地址作为身份标识。目前使用的IPv4的地址长度仅有 32bit，其IP地址资源预计将在2006年左右被消耗尽。而IPv6具有长达128bit的地址空间，即多达2128个地址，能够彻底解决地址资源不足的问题。
　　4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：

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(1)巨大的地址空间。在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址。
　　(2)自动控制。IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球惟一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP(动态主机配置协议)，需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。
　　(3)服务质量。服务质量(QoS)包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。有了这个20位长的字段，在传输过程中，中国的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。尽管对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。
　　(4)移动性。移动IPv6(MIPv6)在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址(home address)，这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址(care-of address)来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。
　　2、4G移动通信系统与3G系统的关系
　　从前面对4G通信系统的介绍中可以看出，它将能够比3G系统更好、更便捷的提供基于多媒体的通信业务，在未来4G系统将会取代3G系统是通信系统发展的必然趋势。但3G系统的发展也是必不可少的。

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　　首先，3G系统的建设实际上能够为未来更广泛的应用多媒体业务起到市场培育的作用，正如第一代模拟系统对用户进行移动业务的培育、GPRS系统对3G的数据业务进行培育一样。用户对新业务从最初的认识到接受，直到最后的普遍使用是个较为漫长的过程，这个过程需要运营商从简单业务到多样化业务逐步进行提供，通过首先吸引高端用户到逐步普及至中、低端用户，使用户从偶尔的选择性使用到广泛的自然应用，这一切都依赖于市场培育。
　　其次，每项新的技术从最初概念的提出到技术难点的突破，到试验网的搭建，再到最终产品化的市场应用也是个漫长的过程。在这一过程中，用户对通信业务种类和内容的要求都在逐步提高，通信业务市场不可能一直处于等待状态，等待一个全新的强大的系统一次性解决所有问题，而应该是在市场发展的每个阶段都要有能与之相适应的通信系统进行支持。因此，在数据及多媒体业务发展初期，建设一个能满足用户简单需求的3G通信系统是必须的。而对于设备研发商来说，3G系统的建设能够帮助他们从3G网络的实际运行过程中发现问题，从而探索更好的解决办法，从而为今后4G系统的建设提供有价值的指导。
　　第三，从网络的平滑演进方面来说，3G系统也是必不可少的一个阶段。目前2G的系统从接入网到核心网全部都是电路型的，而未来的4G系统则是从接入到核心网一体化的全IP结构。从一个完全电路域的系统演变为一个基于分组的全IP结构的系统是一个台阶式的跃变，无论从运营商的角度还是从用户的角度，这种变化都是很大的。
　　对于运营商来说，非平滑演进的网络建设除了会带来很大的投资风险以外，对于现网的已有投资也将付之东流。而对于用户来说，面临的将是必须更换移动终端的无奈选择，这种情况下将会导致大量用户重新选择运营商和网络，同样会给运营商带来不可估量的损失。从4G提出的目标是解决3G系统的缺陷、提供完善理想化的技术体系来看，虽然3G到4G无论对于网络还是终端也不可能是完全平滑的演进，但3G系统在这中间可以起到承上启下的枢纽作用，成为向全IP网络演进中不可缺少的一环，从2G到4G的演进过程如图3所示。

　　图3　从2G到4G的演进过程
　　从这些方面来说，虽然3G系统在通信速率、异构系统间的漫游等方面存在着种种不尽人意的地方，但它并不是泡沫，而是通信网络发展的必然阶段。而对4G系统的建设也将是建立在3G己不能够满足未来用户对多媒体业务需求的基础上进行的。
　　根据从1G到3G的发展情况，我们可以看出通信系统的发展周期一般为10年，因此人们普遍认为从20lO年开始4G系统的时代将会来临。目前我国的3G系统建设尚未起步，但3G牌照可能会在今年底或明年初发放，一旦发放3G牌照有可能马上激起3G网络建设的高潮。考虑到我国通信发展的实际情况是目前仍以语音业务为主要需求，3G系统在多媒体业务上存在一定的局限性，3G的实际作用是为4G进行多媒体业务的市场培育，未来 4G系统设备革命性演变可能带来的投资冲击等因素，可以认为3G的主流业务仍应该以语音和数据业务为主，多媒体时代仍需等待4G系统的建设，因此我国各大运营商在选择3G系统的建设时机及建设规模上应谨慎抉择。
　　3、结束语
　　从移动通信近20年的发展历程可以看出，一个技术标准产生之后(甚至在它商用之前)，其技术的缺陷或局限就已经表露出来；而当该技术应用在市场上走向顶峰时，它刺激出来的市场需求正在超越其业务供给能力，新一代技术就应运而生了。第一代是如此，第二代也是如此，第三代、第四代系统也将必然如此。更何况随着电子信息技术的飞速发展，一代技术的市场寿命越来越短，这是历史发展的逻辑。所以，在当前第三代系统的标准化即将完成，应用系统即将推出的时候，新一代(第四代)移动通信系统的研究已是刻不容缓。现在4G的曙光已经出现，相信在4G通信世界里，人们的生活会变得更加精彩。