第四代移动通信系统研究

　　引言

　　随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系统和部分投入商用的3G系统已经不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务需求。虽然3G标准比当前主流的移动通信技术更强大，但它存在难以提供动态范围多速率业务，难以实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游等一系列局限性，这使得全世界通信业的专家们将目光更远地投向了第四代移动通信，以期通过第四代移动通信系统来解决3G无法解决的问题，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容，真正实现“任何人在任何地点以任何形式接入网络”的梦想。

　　目前，针对4G的产生背景、概念、特点、网络架构、技术支撑、标准化工作，以及发展状态的讨论已有很多，本文对它们进行分析和总结，并阐述4G技术的发展可能对我国3G网络建设带来的影响。

　　1 4G的产生、概念和特点

　　尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现为：(1)缺乏全球统一标准;(2)3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式;(3)由

　　于采用CDMA技术，难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求;(4)由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务;(5)由于3G采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统——4G的研究和期待。

　　究竟什么是4G，目前尚未有明确的定义。一种普遍认可的观点将4G称为广带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力及不同速率间的自动切换能力，是多功能集成的宽带移动通信系统、宽带接入IP系统，包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络, 集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。而有的学者将4G称为超高速无线网络，认为4G是一种不需要电缆的信息超级高速公路，该网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。还有人将4G称为“多媒体移动通信(Multi-Mobile Communication)”。也有学者认为采用了OFDM和MIMO技术的HSOPA就可作为4G的标准。同时，也有一部分专家认为4G就是超3G(又称后3G、B3G或Beyond IMT-2000，这个超3G的概念涵盖了现有的3G、3G增强技术，以及新的移动接入和游牧/本地接入系统)。

　　尽管4G暂处在研究的初级阶段，而国际电信联盟(ITU)、无线世界研究论坛(WWRF)和3GPP已开始研究4G系统及其标准化工作。目前正在构思中的4G移动通信系统将具有如下特征(也就是对未来4G的需求)：

　　高速率，高容量：对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2Mbit/s;对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20Mbit/s;对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100Mbit/s;其容量至少应是3G系统容量的10倍以上。

　　网络频带更宽：每个4G信道将占有100MHz频谱，相当于W-CDMA 3G网络的20倍。

　　兼容性更加平滑：4G应该接口开放、能够跟多种网络互联，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合。在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

　　灵活性更强：4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。

　　用户共存性：能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与互通，从而满足多类型用户的需求。

　　运营商或用户花费更低的费用就可随时随地地提供或接入各种业务。

　　2 4G的网络架构及其关键技术

　　图1 融合的4G/B3G网络架构

　　虽然4G系统尚处于研究的起步阶段，其网络结构也还没有成型，但是对于这方面的研究已有很多。网络融合趋势是显而易见的，基于网络融合的4G网络架构如图1所示。从图1中可以看出，基于人们目前对4G广带接入和分布网络的普遍理解，未来的4G网络将是一种全IP的网络结构(包括各种接入网和核心网)，4G系统将是一个集成广播电视网络、无线蜂窝网络、卫星网络、无线局域网、蓝牙等系统和固定的有线网络为一体的结构，各种类型的接入网通过媒体接入系统都能够无缝地接入基于IP的核心网，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。

　　目前认为4G网络体系的分层结构大致可分为3层，自上而下分为：物理层(又称物理网络层或接入 层)、网络层(又称中间环境层或承载层)、应用层(又称应用网络层或业务控制层)，如图2所示。其中物理层提供接入和选路功能，网络层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理层与网络层提供开放式IP接口。应用层与网络层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。

　　图2 4G/B3G网络架构的层次和模块模型

　　4G的关键技术主要包括：OFDM(正交频分复用)、AMC(自适应编码调制)、SA/IA(智能天线，原名为自适应天线阵列AAA)、MIMO(多入多出)、SDR(软件无线电)、IPv6(下一代的互联网协议)、定位技术和切换技术。

　　3 4G通信发展面临的问题

　　4G系统投入实际应用将遇到技术和市场两方面的挑战。从技术角度来分析，4G要实现高数据速率、高机动性和无缝隙漫游，必须对现有的移动通信基础设施进行更新改造，首先需要解决无线系统中的移动性管理、资源管理和核心网的移动IP技术等问题，还有4G的标准问题。其次要开发新的频谱资源，提高频谱利用率并选择合适的传输技术。例如，利用RAKE接收、跳频以及Turbo码等技术来增强系统的性能，提高信噪比;提高检测可用的资源以及信号质量、动态分配频率资源和信号发射功率、增加移动通信系统容量、降低信号发射功率;提高通信的覆盖范围，并支持多媒体通信、无线接入宽带固定网以及在不同系统之间的漫游等。此外，4G移动通信的数据传输将比3G高一个数量级，这也会引起一系列技术上的难题。

　　而从市场角度分析，有专家预测：到2010年后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系统，整个行业正在消化吸收第三代技术，利用4G相关技术对3G进行改进与完善的工作也会同时进行。可见，对于4G系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。

　　4 4G对我国移动通信发展的影响

　　目前，世界发达国家都在积极进行4G技术规格的研究制定，以期在全球4G规格制定中享有发言权。拥有4G的各项运行标准制定权的国际电信联盟电信标准局ITU-T，计划在2010年制定出全世界统一的第四代移动通信标准。

　　我国对4G的研究也已经正式列入863项目，并启动了“FuTURE计划”，旨在2006年1月～2010年12月，设立有关重大专项，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场试验等。截至目前，我国在4G研究中也取得了不少成果，如汉网高技术有限公司、华中科技大学和上海交通大学联手攻克的全IP蜂窝移动技术，其被国际公认为第四代移动通信技术的核心。

　　目前我国的3G系统建设尚未起步，但3G牌照可能会在近期发放，激起3G网络建设的热潮。对此，笔者认为需要考虑以下几个方面，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。本文认为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。

　　5 结束语

　　4G目前还只是一个基本概念，处于实验室研究开发阶段。尽管4G技术有着比3G更快的通信速度、更宽的网络频谱、更加灵活等一系列优越性，但要真正实现，现在看来还面临着许多难题。因此，现在对4G网络结构的可行性、灵活性及其关键技术的探讨将对4G的尽快实现有十分重要的意义。本文对4G通信技术的产生背景、概念、特点、网络架构、技术、发展情况等进行了讨论。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的4G系统，将是通往未来无线移动通信系统的必然途径。