4G移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及演進(jìn)

本文關(guān)鍵字: 移動(dòng)通信, 網(wǎng)絡(luò), OFDM, 軟件無線電, 智能天線, IPV6, 4G, 3G, 天線, GSM, GPRS, CDMA, 電信, ITU, 無線通信, 多媒體, Qos, 無線接入, 漫游, 融合, IP, 基站, 服務(wù)器, 信令, 多載波調(diào)制, 頻譜利用率, 放大器, SDR, 寬帶, 變換器, 射頻, 測(cè)試, 運(yùn)營(yíng)商, DSP, SDMA, 監(jiān)測(cè), 下一代網(wǎng)絡(luò), IPv4, 互聯(lián)網(wǎng), 接入網(wǎng), 3G牌照

摘要　隨著世界范圍內(nèi)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)逐步實(shí)施，移動(dòng)通信未來的發(fā)展及演進(jìn)問題成了研究熱點(diǎn)。本文介紹了第四代移動(dòng)通信及其性能和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及OFDM、軟件無線電、智能天線、IPv6等關(guān)鍵技術(shù)，并分析了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)與3G移動(dòng)通信的關(guān)系，并對(duì)通信系統(tǒng)演進(jìn)做了展望。

關(guān)鍵詞　4G　3G　OFDM　軟件無線電　智能天線　IPv6

0、概述

　　目前，第三代移動(dòng)通信(3G)各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已形成協(xié)議，從2001年起先后在日本和韓國(guó)投入商用，但目前大多數(shù)國(guó)家運(yùn)營(yíng)的仍然是2G或2.5G的移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國(guó)運(yùn)營(yíng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是2G的GSM/GPRS和CDMA系統(tǒng)。目前用戶對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高，而3G系統(tǒng)實(shí)際所能提供的最高速率也只有384kbps(雖然標(biāo)稱最高速率為2Mbps)，不能滿足用戶的實(shí)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(guó)內(nèi)外移動(dòng)通信領(lǐng)域的專家已經(jīng)開始進(jìn)行4G(或B3G)系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作。

　　國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)早在1999年9月把“第三代之后”的移動(dòng)通信系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)化問題提上了日程，在ITU-R的工作計(jì)劃中列入了“IMT 2000及其以后的系統(tǒng)”，ITU有關(guān)4G的提法是Beyond IMT-2000(3G)，并提議各會(huì)員國(guó)于2010年實(shí)現(xiàn)4G的商用。但到現(xiàn)在4G也僅是一個(gè)基本框架而已，定義并不明晰。

　　目前對(duì)第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的描述主要有以下幾方面：(1)建立在新的頻段(比如5-8GHz或更高)上的無線通信系統(tǒng)，基于分組數(shù)據(jù)的高速率傳輸(50Mbps以上)，承載大量的多媒體信息，具有非對(duì)稱的上下行鏈路速率、地區(qū)的連續(xù)覆蓋、QoS機(jī)制、很低的比特開銷等功能；(2)真正的“全球統(tǒng)一”(包括衛(wèi)星部分)通信系統(tǒng)，基于全新網(wǎng)絡(luò)體制的系統(tǒng)，或者說其無線部分將是對(duì)新網(wǎng)絡(luò)(智能的、支持多業(yè)務(wù)的、可進(jìn)行移動(dòng)管理)的“無線接入”，能使各類媒體、通信主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行“無縫”連接，使得用戶能夠自由的在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境間無縫漫游；(3)將不是單純的傳統(tǒng)意義上的 “通信”系統(tǒng)，而是融合了數(shù)字通信、數(shù)字音/視頻接收(點(diǎn)播)/和因特網(wǎng)接入的嶄新的系統(tǒng)，用戶能夠自由的選擇協(xié)議、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)。讓應(yīng)用業(yè)務(wù)提供商 (ASP)及內(nèi)容提供商能夠提供獨(dú)立于操作的業(yè)務(wù)及內(nèi)容。

1、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1　4G通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　目前，4G系統(tǒng)仍處于研究的起步階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也沒有成型，但網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢(shì)是顯而易見的，如圖1所示。圖中的“全I(xiàn)P核心網(wǎng)”包括從IP骨干傳輸層到控制層、應(yīng)用層的一個(gè)整體。未來的無線基站將具備通過IP協(xié)議直接接入“全I(xiàn)P核心網(wǎng)”的能力，2G移動(dòng)通信系統(tǒng)原有的交換中心MSC、歸屬位置寄存器HLR、鑒權(quán)中心AUC等網(wǎng)元的主要功能都將由4G網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)，信令網(wǎng)上的各層協(xié)議也將逐漸被IP協(xié)議所取代。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將從過去的垂直樹型結(jié)構(gòu)演變?yōu)榉植际降穆酚山Y(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)的差異性也只體現(xiàn)在接入層面。  {{分頁}}

圖1　4G移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成示意圖

　　4G通信系統(tǒng)按照功能可以劃分為接入層、承載層和業(yè)務(wù)控制層3層。接入層允許用戶使用各種終端通過各種形式接入到4G通信系統(tǒng)中，這一部分將是革命性的演進(jìn)；承載層提供QoS保證、安全管理、地址轉(zhuǎn)換等功能，與接入層之間的接口應(yīng)為開放的IP協(xié)議接口；業(yè)務(wù)控制層提供對(duì)業(yè)務(wù)的管理、加載等功能，它與承載層之間也應(yīng)有開放的接口，以便于第三方提供新的業(yè)務(wù)應(yīng)用。

　　從前面對(duì)4G通信系統(tǒng)的描述中可看出，它是一個(gè)遠(yuǎn)比3G更加復(fù)雜的通信系統(tǒng)，它的實(shí)現(xiàn)需要依托于很多新興技術(shù)。在4G通信系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無線電、智能天線、移動(dòng)IPv6等，下面分別介紹這幾種4G通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.2　OFDM(正交頻分復(fù)用)

　　由于無線信道存在多徑效應(yīng)，數(shù)據(jù)信號(hào)在各種不同類型的無線信道上傳輸時(shí)，產(chǎn)生的時(shí)延會(huì)造成接收信號(hào)的碼間干擾，尤其當(dāng)碼元速率提高而周期相應(yīng)縮短時(shí)，時(shí)延將會(huì)跨越更多的碼元，而使這種干擾變得更大。此外，碼元速度的提高引起信號(hào)帶寬相應(yīng)增大，當(dāng)信號(hào)帶寬大干信道的相關(guān)帶寬時(shí)會(huì)造成頻率選擇性衰落。目前單載波調(diào)制技術(shù)為了能夠盡量減輕這種衰落而采用了均衡技術(shù)，但卻不得不以增加信道噪聲作為代價(jià)。

　　未來的無線多媒體業(yè)務(wù)首先要求數(shù)據(jù)傳輸速率要高，同時(shí)又要保證傳輸質(zhì)量，這就要求所采用的調(diào)制解調(diào)技術(shù)既要有較高的信元速率，又要有較長(zhǎng)的碼元周期?；谶@樣的考慮，產(chǎn)生了OFDM技術(shù)，屬于多載波調(diào)制技術(shù)(MCM)中的一種。OFDM是4G通信網(wǎng)的核心技術(shù)。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因?yàn)镺FDM有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點(diǎn)在頻譜資源有限的無線環(huán)境中很重要。OFDM信號(hào)的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。

(2)抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過多個(gè)子載波傳輸，在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲(Impulse Noise)和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。同時(shí)，通過子載波的聯(lián)合編碼，達(dá)到了子信道間的頻率分集的作用，也增強(qiáng)了對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因此，如衰落不特別嚴(yán)重，就沒必要再添加時(shí)域均衡器。 {{分頁}}

(3)適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件差的時(shí)候，采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。

(4)抗碼間干擾(ISI)能力強(qiáng)。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會(huì)造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，對(duì)抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

　　除上述優(yōu)點(diǎn)外，OFDM也有3個(gè)較明顯的缺點(diǎn)。

　　首先，對(duì)頻偏和相位噪聲敏感。頻偏和相位噪聲會(huì)使OFDM各子載波之間的正交性惡化，使信噪比下降。

　　其次，功率峰值與均值比(PARR)大，導(dǎo)致發(fā)送端放大器功率效率較低。由于OFDM的信號(hào)是由多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信號(hào)相加合成的，因此有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就有可能產(chǎn)生較大的PARR值。而過高的PARR值通常會(huì)對(duì)發(fā)送端功率放大器提出較高的線性要求，從而增加基站和用戶終端的成本。

　　第三，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)使系統(tǒng)復(fù)雜度有所增加。OFDM采用的自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會(huì)增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng)移動(dòng)終端達(dá)到車載的移動(dòng)速度時(shí)，自適應(yīng)的調(diào)制技術(shù)就沒有很大意義了。

1.3　軟件無線電

　　所謂軟件無線電(Software Defined Radio,簡(jiǎn)稱SDR)，就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺(tái)的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等。即整個(gè)無線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。

　　軟件無線電的基本思想是將硬件作為其通用的基本平臺(tái)，把盡可能多的無線及個(gè)人通信功能通過可編程軟件來實(shí)現(xiàn)，使其成為一種多工作頻段、多工作模式、多信號(hào)傳輸與處理的無線電系統(tǒng)。也可以說，是一種用軟件來實(shí)現(xiàn)物理層連接的無線通信方式。

　　軟件無線電的核心技術(shù)是用寬頻帶無線接收機(jī)代替原來的窄帶接收機(jī)，并將寬帶的模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬變換器盡可能的靠近天線，從而使通信電臺(tái)的功能盡可能多的采用可編程軟件來實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　軟件無線電結(jié)構(gòu)示意圖 {{分頁}}

　　軟件無線電的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活，改進(jìn)升級(jí)方便。工作模式可由軟件編程改變，包括可編程的射頻頻段寬帶信號(hào)接入方式和可編程調(diào)制方式等。所以可任意更換信道接入方式，改變調(diào)制方式或接收不同系統(tǒng)的信號(hào)；可通過軟件工具來擴(kuò)展業(yè)務(wù)、分析無線通信環(huán)境、定義所需增強(qiáng)的業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)環(huán)境測(cè)試，升級(jí)便捷

(2)提供了不同系統(tǒng)間互操作的可能性。軟件無線電可以使移動(dòng)終端適合各種類型的空中接口，可以在不同類型的業(yè)務(wù)間轉(zhuǎn)換。多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D、D/A變換器以獲取每一信道的相對(duì)廉價(jià)的信號(hào)處理性能。

(3)由于通過軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，因此更易于采用新的信號(hào)處理手段，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的性能。

(4)擁有較強(qiáng)跟蹤新技術(shù)的能力。由于它能在保證硬件平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化的情況下，通過改變軟件來實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)和使用新技術(shù)，大大降低了設(shè)備商的新通信產(chǎn)品開發(fā)成本和周期，同時(shí)也降低了運(yùn)營(yíng)商的投資。

　　實(shí)現(xiàn)軟件無線電還需克服以下技術(shù)難點(diǎn)。

(1)多頻段天線的設(shè)計(jì)。軟件無線電的天線需要覆蓋多個(gè)頻段，以滿足多信道不同方式同時(shí)通信的需求，而射頻頻率和傳播條件的不同，使得各頻段對(duì)天線的要求存在著較大的差異，因此多頻段天線的設(shè)計(jì)成為軟件無線電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一。

(2)寬帶A/D、D/A轉(zhuǎn)換。根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，要從抽樣信號(hào)中無失真地恢復(fù)原信號(hào)，抽樣頻率應(yīng)大于2倍信號(hào)最高頻率。而目前A/D、D/A的最高采樣頻率受到其性能的限制，從而也限制了所能處理的已調(diào)信號(hào)頻率。

(3)高速DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)。高速DSP芯片主要完成各種波形的調(diào)制解調(diào)和編解碼過程，它需要有更多的運(yùn)算資源和更高的運(yùn)算速度來處理經(jīng)寬帶A/D、D/A變換后的高速數(shù)據(jù)流，因此其芯片有待進(jìn)一步研發(fā)。

1.4　智能天線

　　智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。多波束天線在一個(gè)扇區(qū)中使用多個(gè)固定波束，而在自適應(yīng)陣列中，多個(gè)天線的接收信號(hào)被加權(quán)并且合成在一起使信噪比達(dá)到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點(diǎn)是除了提供高的天線增益外，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個(gè)天線有一個(gè)接收機(jī)，還能提供相應(yīng)倍數(shù)的分集增益。

　　智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號(hào)來波的方向自適應(yīng)地調(diào)整方向圖，跟蹤強(qiáng)信號(hào)，減少或抵消干擾信號(hào)。智能天線可以提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質(zhì)量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價(jià)，因此其勢(shì)必會(huì)成為4G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和瞬時(shí)響應(yīng)速率，因此需要選擇較好算法實(shí)現(xiàn)波束的智能控制。

　　目前2G通信系統(tǒng)中采用的天線分為全向天線和定向天線兩種，全向天線應(yīng)用于360