4G移动通信系统关键技术及演进

本文关键字: 移动通信, 网络, OFDM, 软件无线电, 智能天线, IPV6, 4G, 3G, 天线, GSM, GPRS, CDMA, 电信, ITU, 无线通信, 多媒体, Qos, 无线接入, 漫游, 融合, IP, 基站, 服务器, 信令, 多载波调制, 频谱利用率, 放大器, SDR, 宽带, 变换器, 射频, 测试, 运营商, DSP, SDMA, 监测, 下一代网络, IPv4, 互联网, 接入网, 3G牌照

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。

关键词　4G　3G　OFDM　软件无线电　智能天线　IPv6

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。  {{分页}}

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。 {{分页}}

(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。

(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。

图2　软件无线电结构示意图 {{分页}}

　　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。

(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