第四代无线通信系统的构架及其关键技术

摘　要：涉及了第四代移动通信技术的概念和主要的性能指标，并对其基于IP核心网的网络系统构架和有待进一步研究的各项关键技术进行了详细的论述。

关键词：第四代；正交频分复用；软件无线电

引 言

移动通信技术自从兴起以来，一直在飞速发展，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，主要采用的是频分多址(FDMA)和模拟技术，由于传输带宽的限制，导致它有很多的缺陷，其中最致命的缺陷在于它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码分多址(CDMA)技术和时分多址(TDMA)，此系统以数字传输方式来实现语音和数据等业务。较之与第一代移动通信系统而言，第二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，如高速数据、慢速图像、电视图像等。但是3G沿用了2G网络为中心的结构，移动终端不能够智能化。于是在3G尚未商用化之时，4G就出现了，并大有取代3G之势头。

第四代移动通信系统的基本概念

4G的定义
第四代移动通信技术(4G)的概念可称为广带(Bandboard)接入和分布网络，具有超过2Mbps的非对称数据传输能力，对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务，并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(WLAN)、移动广带系统和互操作的广播网络。4G标准比3G标准具有更多的功能。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信)，提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

4G的基本性能指标和优势
(1)数据速率从3G的2Mbps提高到100Mbps，移动速率从步行到车速，甚至更快。
(2)对全速移动用户能够提供150Mbps的高质量的影像多媒体业务。
(3)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服务的需要。广带局域网能与宽带综合业务数据(B2ISDN)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。

相比3G而言，4G能提供更大的数据速率、更大的容量，这是3G所无法比拟的。其次，4G是构建在现有网络基础上融合多种新的无线技术的新一代的无线网络，不需要运营商完全重建一套系统，在成本方面优势大于3G。同时这种技术的融合使4G有望成为一个真正的无缝连接的统一系统，实现跨系统的全球漫游和业务的可携带性。

4G的网络体系结构

体系结构
根据移动通信市场发展和用户需求，4G网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个空中接口之间或者多个运行网络(平台)之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。4G网络将基于多层蜂窝结构，以IP核心网络为中心，通过多个空中接口，由多个业务提供者和众多网络运行者，提供多媒体业务。

因此，4G技术应具备如下的几个基本的特征：

(1)多种业务的完整融合
个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接成一个整体，满足用户的各项需求。4G有望集成各种不同模式的无线通信———从蓝牙、无线局域网等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由自在地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务的应用、各种系统平台间的互连将更为安全。同时可以为不同的用户提供不同的个性化服务。

(2)高速移动中不同系统间的无缝连接
用户在高速移动中也能接入到系统中，并在不同系统间无缝切换，进行高速率的多媒体业务数据传送。

(3)各种用户设备便捷地入网连接
各种价格低廉的设备将方便地接入到通信网络中。这些设备体积小巧，甚至无须接入电源就可以工作。用户与设备间不仅仅能实现听、说、读、写这些简单的交流方式，还有更多的人机交互方式将会出现，可以满足用户的一些特殊的要求。

(4)高度智能化的网络
4G的网络系统将是一个高度自治、自适应的网络，它具有良好的重构性、尺度可变性、自组织等。可以用于满足不同的环境、不同的用户通信要求。

(5)独立的软件平台
技术的发展和市场的需求将加快并实现目前的计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等融为一体，宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。图1 给出了4G的网络构架。



图1 中，数字化数据交易是4G网络的一个重要技术，它用于预处理各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议条件下，帮助业务供应者提供高质量、低费用的业务应用。例如，两个网络平台之间传送一个电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理，这个电视数据信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送。音频信号将由覆盖广泛的网络传送，视频信号将由只能处理、接收视频信号的网络传送，从而达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。未来的全球互联网络IP核心网和骨干网系统，将以结合宽带IP技术和光纤网技术为主。4G网络的蜂窝按功率大小被细分为宏区基站(Macro BS)、微区基站(Micro BS)和微微区基站(PicoBS)三类。未来的网络系统构架如图2所示。其中，IP核心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，其接入点可以是有线的或无线的。各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，如图2所示。基于IP技术的网络架构使得用户在3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游可以实现。



4G体系结构中IPv6技术的应用
从图1 我们可以看出，4G无线网络采用全数字全IP技术。这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展。其将要应用的IPv6因为有更大寻址容量，具备多播及移动性管理和安全及QoS机制，有望取代现在的IPv4。采用IP技术使得核心网能够支持不同的接入方式，如IEEE802. 11a，WCDMA，Bluetooth，HyperLAN 等，同时也使得IP核心网可以与接入网独立发展。

在移动通信市场，目前话音收入约占移动运营商全部收入的95%。据诺基亚公司预计，到2005年，移动互联网服务将占移动运营商全部收入的60%。而IPv6将为未来互联网的构建提供坚实的基础，它比现有应用更具有扩展性、更安全，而且比IPv4更易于使用。目前所使用的IPv4，采用的是32位的地址空间，可以提供大概42亿个IP地址。但随着互联网的飞速发展，现有的IP地址资源有逐渐枯竭的趋势，IPv4迟早会跟不上因特网的发展需求。

IPv6的128位地址空间有望带来大得常人无法想象的空间。大约3. 4×1038个。如果说这数字过于抽象，不妨这么去想：IPv6在每平方米地球表面上提供的地址数多达6. 5×1023，即655，570，793，348，866，943，898，599个。

除了地址数量多得多以外，IPv6还弃用了IPv4采用的熟悉的“点分四元组”格式(如193. 10. 10. 154)。相反，IPv6采用十六进制符号，以冒号取代了圆点，如FEDC：BA98：7654：3210：FEDC：BA98：7654：3210，当然这个地址结构是一个虚拟的例子。通过IPv6，用户能够简单地连入互联网，无须管理员分配号码，也无须对装置进行设置。IPv6支持自动设置、自动编码和自动安排路由性能。

4G网络中的关键技术

第四代移动通信技术将以几项突破性技术为基础，由于利用了几项不同的技术，所以无线频率的使用相比较于第二代和第三代系统要有效得多。据估计，这种有效性可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱却能发挥更大的效用，而且速度非常快。4G中将会应用到的下面几项关键技术有待于进一步的研究和解决。

正交频分复用(OFDM)技术
在高频段进行高速移动通信，将面临严重的频率选择性衰落。为了提高信号性能，我们需要研究和发展智能调制和解调技术，来有效抑制这种衰落。从技术上来看，第三代移动通信主要采用的CDMA技术，而第四代移动通信技术计划采用OFDM为技术核心。选择OFDM作为第四代移动通信的核心技术，其主要理由包括无线电频率使用效益高、适合高速的数据传输、抗噪声能力相当强等。

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而该技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，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，每个子信道是相对平坦的，即使总的信道是非平坦的。同时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系统中各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。

定位技术
定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动网络定位、基于移动终端定位或者混合定位三种方式。在4G移动通信系统中，移动终端可能在不同系统(平台)间进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪是实现移动终端在不同系统(平台)间无缝连接和系统中高速率的、高质量的移动通信的前提和保障。

切换技术
切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。切换技术适用于移动终端在不同频率之间、不同移动小区之间通信或者信号降低信道选择等情况。既有水平(系统内)切换，又有垂直(系统间)切换，还可以在不同速率间进行切换。切换技术在将来的发展中可能有两种完全不同的设计思路：①本地切换，在相切换的源基站与目的地基站之间建立一条专门的无线链路；②在全网内实施切换，以最有效地使用网络链路，需要调用全网资源在网关与切换目的地基站之间建立一条新的链路。切换技术主要可以划分为软切换和硬切换。在4G通信系统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。

软件无线电技术
在4G移动通信中，软件将会变得十分复杂。因此专家们提出了引入软件无线电技术，将其作为从第二代移动通信技术向第三代、第四代移动通信技术过渡的一个桥梁。软件无线电技术的核心是：将宽带A/D 和D/A变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件进行定义。软件无线电把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互连和升级变得非常方便。因此，它是解决终端在不同系统间工作的关键技术。应用软件无线电技术，一个移动终端就可以实现在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。

智能天线技术
智能天线具有抑制噪声、自动跟踪信号、智能化时空处理、算法形成数字波束等功能，因此被认为是未来移动通信的关键技术。采用智能天线技术能更好地对抗移动通信信道，移动通信中存在多径传播，使接收信号呈现快衰落特性，引起系统性能急剧下降。智能天线通过减少多径数目、抑制多径信号和组合多径分量等手段，提高系统的抗多径性能。下行链路，指向性发射限制了信号在其他路径的传播，从而减小移动台接收信号的时延扩展和多径衰落。上行链路，DBF可在某一路径形成高增益波束，而在其他路径形成波束零点，抑制了多径信号，提高系统的信噪比(SNR)，改善了通信质量。智能天线通过空分多址，将基站天线的收发限定在一定的方向角范围内，其实质是分配移动通信系统工作的空间区域，使空间资源之间的交叠最小、干扰最小，合理利用无线资源。

结束语

第四代移动通信技术正在研究过程中，它是多功能集成的移动通信系统，是宽带接入IP系统。它具有超过2Mbps的非对称的数据传输能力。在4G系统中，多个不同的接入系统将结合成一个公共的平台，它们相互补充、相互协调以满足不同用户的要求。它将支持多媒体通信、无线接入宽带固定网，以及在不同系统之间的漫游。未来移动通信的发展变化可能与我们现在所描述的4G系统不完全一样。但是它必须具备以下的这些基本特征：高速率高质量的数据传输、完全集中的服务、无所不在的移动接入、不同的用户设备、自治的网络结构。