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【摘要】本文首先简要介绍了第四代移动通信技术的概况,以及它的网络体系和层次结构。然后重点介绍了4G 的关键技术。最后提出了第四代移动通信技术还存在的问题。
1 引言
移动通信技术自从兴起以来,一直在急剧的发展着,目前已经历了三代。第一代移动通信系统起源于20 世纪80 年代,主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术,由于受到传输带宽的限制,导致了其最致命的缺点为不能进行移动通信的长途漫游。第二代移动通信系统(2G)起源于90 年代的初期,主要采用的是数字的时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术,此系统以数字传输方式来实现语音和数据等业务。第二代移动通信系统替代第一代移动通信系统完成了模拟技术向数字技术的转变。第三代移动通信系统(3G)是正在全力投入开发的移动通信系统,它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务,比如高速数据,慢速图像,电视图像等。第三代移动通信系统将在近几年投入市场。这三代移动通信移动系统性能比较如图1 所示。
2 第四代移动通信系统的简介
2.1 4G 的定义
第四代移动通信技术的概念可称为广带(Broadband)接入和分布网络,具有非对称超过2Mb/s 的数据传输能力,对全速移动用户能提供150Mb/s 的高质量的影像服务,将首次实现三维图像的高质量传输。它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。此外,广带无线局域网(WLAN)与B-ISDN 和ATM 兼容,实现了广带多媒体通信,并可形成综合广带通信网(IBCN),通过IP 进行通信。第四代移动通信可以在不固定的无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务,可以在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信),能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。
2.2 4G 的主要技术指标
(1)数据速率从3G 的2Mb/s 提高到100Mb/s,移动速率从步行到车速,甚至更快。
(2)在覆盖范围,通信质量,系统造价上满足3G 所不能达到支持高速率数据和高分辨率多媒体的服务的需要。广带局域网应能与宽带综合业务数据(B-ISDN)和异步传输模式(ATM)兼容,实现广带多媒体通信,形成综合广带通信网。
(3)对全速移动用户能够提供150Mb/s 的高质量的影像多媒体业务。
2.3 4G 较之于3G 的优点
与2001 年内推出的3Ｇ移动通信服务相比,4Ｇ将比3G 更接近于个人通信。即在任何人,任何时间和任何地点的基础上实现任何形式的通信。无论在通信范围、通信质量以及其他任何方面,4G 都应该比3Ｇ有一个质的提高。4Ｇ技术较3Ｇ移动通信技术有许多超越之处,其特点主要有:
(1)4Ｇ移动通信技术的信息传输速率要比3Ｇ高一个等级,要超过UMTS,即从２Mb/s 提高到10Ｍb/s,其最大的传输速度将是目前“i-mode”服务的10000 倍。
(2)它将是一个全数字通信网,具有更高的带宽和更高的比特率,下载速率最高可达100Mb/s。而且其对无线频率的使用效率将比第二代和第三代系统都高的多。
(3)虽然3Ｇ的速率已有很大的提高,但仍不能很好动态地分配资源,大流量时系统利用率低。而4Ｇ系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配,能够调整系统对通信过程中变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境都能进行信号的正常发送与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。
(4)3Ｇ的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术,但是,因为各个商家的利益得不到很好的协调而分化成如今三大阵营。目前ITU 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM、CDMA 和TDMA 三大分支,每个分支都在抢占市场。这３大分支,取消哪个也不可能,只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。
(5)在容量方面,将可能在FDMA,TDMA,CDMA 的基础上引入空分多址(SDMA)。这里的空分多址将会采取自适应波束,如同无线电波一样连接到每一个用户,从而使无线系统容量比现在提高1-2 个数量级。
(6)在未来的全球通信中,人们所需的是多媒体通信。个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体,提供给用户比以往更广泛的服务与应用。4G 将支持交互式多媒体业务,如视频会议,无线因特网等。且具有极高的安全性。
(7)4Ｇ系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络。蜂窝组网的概念将被突破,以达到更完美的覆盖。核心网将全面采用分组交换(信元交换),使得网络根据用户的需要分配带宽,以满足系统变化和发展的要求。
3 4G 的网络体系和层次结构
3.1 4G 的网络结构
移动通信从第二代向第三代演进使得核心网由电路交换转变为分组交换,进一步的要求是使核心网独立于接入技术。分组交换的技术有ATM 和IP 等,综合当前的发展趋势以及IP技术的特点,IP 被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术,统一的IP 核心网将使不同的无线和有线接入技术实现互联、融合。第四代移动通信的网络结构如图2 所示。
其中,核心IP 网络不是专门用作移动通信,而是作为一种统一的网络,支持有线及无线的接入,它就像具有移动管理功能的固定网络,其接入点可以使有线或无线。无线接入点可以是蜂窝系统的基站,WLAN(无线局域网)或者ad hoc 自组网等。对于公用电话网和2Ｇ以及未实现全IP 的3G 网络等则通过特定的网关连接。另外,热点通信速率和容量的需要或网络铺设重叠将使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。
3.2 4G 的网络层次结构
针对4G 存在的巨大挑战,我们可以分层次的研究4G 中的基础理论和关键技术。如图3所示。
从图3 可以看出,下层是物理网络层,中间是网络业务执行技术层，即中间环境层,上层是应用层，即应用环境层。物理网络层提供接入和选路功能,中间环境层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、安全管理等。物理网络层与中间环境层提供开放式IP 接口。应用环境层与中间环境层之间也可以提供开放式接口,用于第三方开发和提供新业务。
在物理网络层主要解决的问题有:
(1)由于在4G 中要在有限的频率资源条件下传输高速的数据信息,因此系统需要采用高频谱效率,能够有效抵抗多径时延的调制技术。OFDM 技术由于使用正交重叠的频谱,频谱效率较高,目前基本上被公认为4G 的核心技术。
(2)在4G 中由于载频将会提高,所以多天线结构的采用将变成有可能,所以空时信号处理的研究就变得十分重要。
(3)在通信环境中不可避免的存在多用户间的干扰,而联合发送(JT),联合检测(JD)由于综合考虑并利用了多个用户间的干扰,可以明显提高系统性能。
在中间环境层主要解决的问题有:
(1)在4G 系统中多种具有不同需求的分组业务汇聚到无线接口进行共享传输时,为了保证时延、速率等QoS 要求,通过结合无线链路特征和QoS 要求的分组调度策略,设计可调度的MAC 层机制,在此基础上,应当依据业务属性结合无线接口的链路特性对资源分配和分组传输进行调度。
(2)在4G 中各种实时业务与非实时业务并存,相互影响,给无线资源管理带来了更多的灵活性。所以必须考虑一个多业务共存情况下的接入控制策略,利用有限的频率资源和合理的设备配置提供更高的系统容量或数据吞吐量,保证用户满意。
4 第四代移动通信系统关键技术的探讨
4.1 OFDM 技术
在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落,实现调制／解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰落。若从技术层面来看,第三代移动通信系统主要是以CDMA 为核心技术,而第四代移动通信系统技术则以OFDM 最受瞩目。OFDM 技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,这样,尽管总的信道是非平坦的,即具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,并且在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM 还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷,这样可优化总的传输速率。OFDM 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM 系统中由于各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。
由于OFDM 技术能够克服DS_CDMA 在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题,并且有频谱效率高,硬件实施简单等优点,因此OFDM 被看作是第四代移动通信系统中的核心技术。OFDM 技术的主要的技术难点是系统中的频率和时间同步,基于导频符号辅助的信道估计,峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。
4.2 智能天线技术
广带系统的研究集中在毫米波段,波长很小,终端上可分布多个天线,这使得智能天线技术的有效实施成为可能。智能天线能够采用智能化时空处理算法和波束成型等技术自动跟踪信号、抑制干扰以及数字波束调节等,做到真正高效利用无线资源,提高系统可支持的速率和容量。被认为未来移动通信中的关键技术。
4.3 软件无线电技术
在4G 移动通信系统中,软件将会变得非常复杂。为此,专家建议引入软件无线电技术,将其作为3G 通向4G 的桥梁。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序,在硬件平台上可以实现不同的功能,用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游,它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。
4.4 网络化技术和安全性
目前第一、第二、第三代移动通信基础架构均是交换层架构,而第四代不仅要考虑到交换层级技术,还必须涵盖不同类型的通信接口,也就是说第四代主要是运用路由技术为主的网络架构。移动通信从第二代向第三代演进使得核心网由电路交换转变为分组交换,进一步的要求是使核心网独立于接入技术。在第四代移动通信系统中,传统的电路交换和现行的分组交换网络将会被IP 分组交换网络所取代,而射频(RF）、线性放大器与信道的控制均是相当重要的组件。至于其硬件上如何实现第四代网络架构,则是以OFDM 技术为核心来发展硬件架构。
4G 系统网络体系结构包括了适用于IP 分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QoS 控制、网络配置和集成式3G ,WLAN 无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密集业务,频率复用是关键,而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好,因为前者可以避免地理位置上的业务集中。
未来移动通信系统中,包含许多类型的通信网络,采用以软件连接和控制为主的方法进行网络互联。因此,研究无线接口协议,成为4G 关键技术之一。同时,随着网络的不断拓展,网络安全问题也需高度重视。现已有的在2G 和3G 系统中的安全方案是不够完全的,4G 将提出一种轻量的,复合式的,可重配置的安全机制以增强移动设备的安全性能。
5 第四代移动通信系统面临的问题
为了使4G 投入实际应用,需要对现有的移动通信基础设施进行改造,这必将涉及到一系列的问题,而且将来这项技术在全球如何发展,还不可避免的会发生标准方面的争论。目前第四代移动通信技术本身还有待于解决的主要问题有:
(1)无线系统中的移动性管理:移动性通常涉及到在不同网段之间漫游的移动用户。当为各种网络提供了不包含数据链路层技术的网络层移动性支持时,数据链路层的移动性支持通常限制在同类网络之间。因此,网络层移动性是第四代移动通信系统中移动性管理的关键。
(2)核心网的移动IP 技术:移动IP 代表了一种简单而且可以升级的全球移动性方案。对于第四代移动通信系统而言,移动IP 技术缺乏实时位置管理和快速无缝切换机制的支持。另外移动IP 环境下的QoS 所使用的综合业务/RSVP 技术和区别型业务技术也是有待解决的重要问题之一。另外,这些技术在移动IP 平台上并不是最优的。所以必须综合上述的技术,提出新的方法来有效地保证移动IP 环境下的QoS。
6 结束语
第四代移动通信技术正在研制过程中,本文对它的框架结构进行了初步的探讨,并对其关键技术部分进行了较为详尽的叙述。随着人们新需求的不断出现,第四代移动通信技术的也将会有所调整。部分的协议,标准也有待于进一步的改进。我们相信第四代移动通信技术凭借它极其新颖的技术一定会使我们未来的移动通信事业前景变得更好!
----《移动通信在线》
