面對第四代移動通信的思考

　　摘要：第三代移動通信發(fā)展之際，世界已開始關注第四代移動通信。本文回顧了移動通信的發(fā)展歷程，探討了第四代移動通信及其性能和系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及其關鍵技術，分析了4G面臨的問題，介紹了世界及我國對4G的關注。 

　　關鍵詞：4G 第四代移動通信 OFDM 

　　移動通信已成為當代通信領域內(nèi)的發(fā)展?jié)摿ψ畲?、市場前景最廣的熱點技術。目前全球已具有相當規(guī)模的移動通信標準有GSM、CDMA和TDMA三大分支，每個分支都在搶占市場。全球無線技術各自為營，各廠商都在不斷推出新技術，以迅速搶占行業(yè)標準的主導地位。盡管第三代移動通信（3G）標準比現(xiàn)有無線技術更強大，但也將面積競爭和標準不兼容等問題。人們開始呼吁移動通信標準的統(tǒng)一，以期通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。國際電信聯(lián)盟（ITU）目前已經(jīng)開始研究制訂第四代移動通信標準，并已達成共識：把移動通信系統(tǒng)同其他系統(tǒng)（例如無限局域網(wǎng)，W-LAN，等）結合起來，產(chǎn)生4G技術，2010年之前使數(shù)據(jù)傳輸數(shù)率達到100Mbps，以提供更有效的多種業(yè)務。目前相互兼容移動通信技術的第四代移動通信標準（4G）正在業(yè)界萌動。第四代移動通信與第三代移動通信相比，將在技術和應用上有質(zhì)的飛躍。4G將適合所有的移動通信用戶，最終實現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡、局域網(wǎng)、藍牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容。 

1 移動通信發(fā)展歷程 

1.1 第一代移動通信技術（1G） 

　　主要采用的是模擬技術和頻分多址（FDMA）技術。由于受到傳輸帶寬的限制，不能進行移動通信的長途溫游，只能是一種區(qū)域性的移動通信系統(tǒng)。第一代移動通信有多種制式，我國主要采用的是TACS。第一代移動通信有很多不足之處，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通話質(zhì)量不高、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務、不能提供自動溫游等。 

1.2 第二代移動通信技術（2G） 

　　主要采用的是數(shù)字的時分多址（TDMA）技術和碼分多址（CDMA）技術。主要業(yè)務是語音，其主特性是提供數(shù)字化的話音業(yè)務及低速數(shù)據(jù)業(yè)務。它克服了模擬移動通信系統(tǒng)的弱點，話音質(zhì)量、保密性能得到大的提高，并可進行省內(nèi)、省際自動漫游。第二代移動通信替代第一代移動通信系統(tǒng)完成模擬技術向數(shù)字技術的轉變，但由于第二代采用不同的制式，移動通信標準不統(tǒng)一，用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內(nèi)進行漫游，因而無法進行全球漫游，由于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)帶寬有限，限制了數(shù)據(jù)業(yè)務的應用，也無法實現(xiàn)高速率的業(yè)務如移動的多媒體業(yè)務。 

1.3 第三代移動通信技術（3G） 

　　與從前以模擬技術為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術相比，3G將有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K，最高為2M，帶寬可達5MHz以上。不僅能傳輸話音，還能傳輸數(shù)據(jù)，從而提供快捷、方便的無線應用，如無線接入Internet。能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶多媒體服務是第三代移動通信的另個主要特點。第三代移動通信網(wǎng)絡能將高速移動接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務結合起來，提高無線頻率利用效率。提供包括衛(wèi)星在內(nèi)的全球覆蓋并實現(xiàn)有線和無線以及不同無線網(wǎng)絡之間業(yè)務的無縫連接。滿足多媒體業(yè)務的要求，從而為用戶提供更經(jīng)濟、內(nèi)容更豐富的無線通信服務。但第三代移動通信仍是基于地面、標準不的區(qū)域性通信系統(tǒng)。雖然第三代移動通信可以比現(xiàn)有傳輸率快上千倍，但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求。第四代移動通信系統(tǒng)的提供便是希望能滿足提供更大的頻寬需求，滿足第三代移動通信尚不能達到的在覆蓋、質(zhì)量、造價上支持的高速數(shù)據(jù)和高分辨率多媒體服務的需要。 

2 第四代移動通信及其性能 

　　第四代移動通信系統(tǒng)可稱為廣帶（Broadband）接入和分布網(wǎng)絡，具有非對稱的超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，數(shù)據(jù)率超過UMTS，是支持高速數(shù)據(jù)率（2～20Mb/s）連接的理想模式，上網(wǎng)速度從2Mb/s提高到100Mb/s，具有不同速率間的自動切換能力。第四代移動通信系統(tǒng)是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，在業(yè)務上、功能上、頻帶上都與第三代系統(tǒng)不同，將在不同的固定和無線平臺及跨越不同頻帶的網(wǎng)絡運行中提供無線服務，比第三代移動通信更接近于個人通信。第四代移動通信技術可將上網(wǎng)速度提高到超過第三代移動技術50倍，可實現(xiàn)三維圖像高質(zhì)量傳輸。4G移動通信技術的信息傳輸級數(shù)要比3G移動通信技術的信息傳輸級數(shù)高一個等級。對無線頻率的使用效率比第二代和第三代系統(tǒng)都高得多，且抗信號衰落性能更好，其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10000倍。除了高速信息傳輸技術外，它還包括高速移動無線信息存取系統(tǒng)、移動平臺技術、安全密碼技術以及終端間通信技術等，具有極高的安全性，4G終端還可用作諸如定位、告警等。4G手機系統(tǒng)下行鏈路速度為100mbps，上行鏈路速度為30mbps。其基站天線可以發(fā)送更窄的無線電波波束，在用戶行動時也可進行跟蹤，可處理數(shù)量更多的通話。第四代移動電話不僅音質(zhì)清晰，而且能進行高清晰度的圖像傳輸，用途將十分廣泛。在容量方面，可在FDMA、TDMA、CDMA的基礎上引入空分多址（SDMA），容量達到3G的5～10倍。另外，可以在任何地址寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)，包含衛(wèi)星通信，能提供信息通信之外的定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡（基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng)）。其廣帶無線局域網(wǎng)（WLAN）能與B-ISDN和ATM兼容，實現(xiàn)廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網(wǎng)（IBCN），通過IP進行通話。能全速移動用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量的影像服務，實現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸，無線用戶之間可以進行三維虛擬現(xiàn)實通信。能自適應資源分配，處理變化的業(yè)務流、信道條件不同的環(huán)境，有很強的自組織性和靈活性。能根據(jù)網(wǎng)絡的動態(tài)和自動變化的信道條件，使低碼率與高碼率的用戶能夠共存，綜合固定移動廣播網(wǎng)絡或其他的一些規(guī)則，實現(xiàn)對這些功能體積分布的控制。支持交互式多媒體業(yè)務，如視頻會議、無線因特網(wǎng)等，提供更廣泛的服務和應用。4G系統(tǒng)可以自動管理、動態(tài)改變自己的結構以滿足系統(tǒng)變化和發(fā)展的要求。用戶將使用各種各樣的移動設備接入到4G系統(tǒng)中，各種不同的接入系統(tǒng)結合成一個公共的平臺，它們互相補充、互相協(xié)作以滿足不同的業(yè)務的要求，移動網(wǎng)絡服務趨于多樣化，最終將演變?yōu)樯鐣隙嘈袠I(yè)、多部門、多系統(tǒng)與人們溝通的橋梁。 

3 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及其關鍵技術 

　　4G移動系統(tǒng)網(wǎng)絡結構可分為三層：物理網(wǎng)絡層、中間環(huán)境層、應用網(wǎng)絡層。物理網(wǎng)絡層提供接入和路由選擇功能，它們由無線和核心網(wǎng)的結合格式完成。中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡層與中間環(huán)境層及其應用環(huán)境之間的接口是開放的，它使發(fā)展和提供新的應用及服務變得更為容易，提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務，并運行于多個頻帶。這一服務能自適應多個無線標準及多模終端能力，跨越多個運營者和服務，提供大范圍服務。第四代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術包括信道傳輸；抗干擾性強的高速接入技術、調(diào)制和信息傳輸技術；高性能、小型化和低成本的自適應陣列智能天線；大容量、低成本的無線接口和光接口；系統(tǒng)管理資源；軟件無線電、網(wǎng)絡結構協(xié)議等。第四代移動通信系統(tǒng)主要是以正交頻分復用（OFDM）為技術核心。OFDM技術的特點是網(wǎng)絡結構高度可擴展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供比目前無線數(shù)據(jù)技術質(zhì)量更高（速率高、時延小）的服務和更好的性能價格比，能為4G無線網(wǎng)提供更好的方案。例如無線區(qū)域環(huán)路（WLL）、數(shù)字音訊廣播（DAB）等，都將采用OFDM技術。4G移動通信對加速增長的廣帶無線連接的要求提供技術上的回應，對跨越公眾的和專用的、室內(nèi)和室外的多種無線系統(tǒng)和網(wǎng)絡保證提供無縫的服務。通過對最適合的可用網(wǎng)絡提供用戶所需求的最佳服務，能應付基于因特網(wǎng)通信所期望的增長，增添新的頻段，使頻譜資源大擴展，提供不同類型的通信接口，運用路由技術為主的網(wǎng)絡架構，以傅利葉變換來發(fā)展硬件架構實現(xiàn)第四代網(wǎng)絡架構。移動通信將向數(shù)據(jù)化，高速化、寬帶化、頻段更高化方向發(fā)展，移動數(shù)據(jù)、移動IP將成為未來移動網(wǎng)的主流業(yè)務。 

4 第四代移動通信面臨的問題 

　　要使第四代移動通信系統(tǒng)能投入實際應用，就需要對現(xiàn)有的移動通信基礎設施進行更新改造，首先需要解決無線系統(tǒng)中的移動性管理和核心網(wǎng)的移動IP技術等問題，當然還有4G的標準問題。網(wǎng)絡層移動性是4G移動性管理的關鍵，移動性通常涉及到在不同網(wǎng)段間漫游的移動用戶，數(shù)據(jù)鏈路層的移動性支持通常限制在同類網(wǎng)絡之間。移動IP代表了一種簡單而且可以升級的全球移動性方案。但是，對于第四代移動通信系統(tǒng)而言，它缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。要解決這些問題，必須采用新的網(wǎng)絡結構和管理路由優(yōu)化方案，需要采用高效的發(fā)送和切換協(xié)議，這些協(xié)議必須能很好地解決數(shù)據(jù)丟失和延遲的問題。另外，移動IP環(huán)境下的QoS所使用的綜合業(yè)務/RSVP技術（IntSev/RSVP）和區(qū)別型業(yè)務技術(DifServ)也需解決。在4G系統(tǒng)中，要開發(fā)新的頻譜資源，提供頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術，如多載波傳輸方式以及自適應均衡等技術來對抗頻率選擇性衰。利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術來增強系統(tǒng)的性能，提高信干比；提高檢測可用的資源以及信號質(zhì)量、動態(tài)分配頻率資源和信號發(fā)射功率、增加移動通信系統(tǒng)容量、降低信號發(fā)射功率；提高通信的覆蓋范圍，并支持多媒體通信、無線接入寬帶固定網(wǎng)以及在不同系統(tǒng)之間的漫游等。 

5 世界關注第四代移動通信 

　　目前世界發(fā)送國家都正在積極進行4G技術規(guī)格的研究制定，以期在全球4G規(guī)格制定中享有發(fā)言權。4G的各項運行標準將由國際電信聯(lián)盟（ITU）電信標準局決定。新一代無線通信技術在美國及日本等發(fā)達國家已經(jīng)進入密集的研發(fā)和市場化階段。新的研究包括網(wǎng)絡結構、用戶切換和漫游等移動環(huán)境下的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，從而實現(xiàn)用戶的大范圍移動，這種技術路線是當前國際上設計第四代移動通信系統(tǒng)的主要思路。阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子已共同建立了旨在推動4G技術開發(fā)的世界無線研究論壇。 

　　美國AT&T公司已在實驗室中研究第四代移動通信技術，其研究目的是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問因特網(wǎng)的速率，這項技術約需五年才能發(fā)布。AT&T已推出了4G Access網(wǎng)絡，它能配合目前的EDGE技術進行上傳，并利用寬帶OFDM技術進行下載。目前AT&T的4G Access網(wǎng)絡升級分為兩個階段，第一階段是移動電話基地臺的軟件構建，第二階段則估計在兩年后進行智能型天線的硬件構建。北電網(wǎng)絡則努力使IP的4G網(wǎng)絡傳輸速度達到20Mbps，因此必須進行Software Radio、寬帶接收器、新型功率放大器等相關行動技術的開發(fā)。 

　　世界上最大的電信基礎設施提供商瑞典愛立信公司已開始進行第四代移動通信標準的研究，并著手研制第四代移動通信系統(tǒng)。預計在2011年正式投入運營，2012年奧運會就可應用。愛立信已研究出的“4G眼鏡”2011年也將進入市場。愛立信計劃在目前所有通信網(wǎng)絡都以IP技術為基礎時開始建設第二階段的第三代移動通信網(wǎng)，第三代移動網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)連接速度最高可達每秒2兆，比目前快200倍。而第四代技術的傳輸速度最高可達每秒100兆。愛立信與美國加利福尼亞大學合作開發(fā)4G技術，加利福尼亞大學已經(jīng)正式成立了加州通信和信息技術學會，并由該大學的圣迭戈分校和歐文分校合作管理。目前該學會已經(jīng)得到愛立信公司1200萬美元的投資，加州通信和信息技術學會將在4G技術、先進天線系統(tǒng)、新一代移動因特網(wǎng)、電力放大器技術和無線訪問網(wǎng)絡等領域內(nèi)進行深入研究。美國惠普與日本NTT DoCoMo已聯(lián)手開發(fā)4G通信技術和產(chǎn)品，開發(fā)的4G多媒體體系結構有望向移動用戶提供高性能多媒體流內(nèi)容，使媒體流數(shù)據(jù)能夠更好地傳輸?shù)揭苿与娫捄推渌殖衷O備上，該體系結構的基礎技術研究有望到2003年完成。 

　　日本的DoCoMo移動通信公司也已在日本進行第四代移動通信的研究，力圖成為第四代移動通信領頭羊。DoCoMo計劃在2006年推出第四代移動通信系統(tǒng)，在2010年左右首度推出4G業(yè)務，并意圖使它成為全球的標準。日本政府決定從2002年財政預算中撥款12億日元，支持速度更快、功能更齊備的“第四代移動通信系統(tǒng)”的研究與開發(fā)，使它成為全球的標準。日本政府與主要的移動通信業(yè)企業(yè)已為超高速移動通信技術擬定了基礎計劃，這項4G移動通信技術將于2005年成形。為了能夠搶占未來移動電話技術的先機，日本郵電部已向日本電氣通信技術審議會提交制定第四代（4G）移動電話規(guī)格的提案。日本電氣通信技術審議會負責審核4G技術的相關規(guī)格，決定其使用頻率、系統(tǒng)技術、開發(fā)日程等。日本已完成了繼第三代移動通信系統(tǒng)“IMT-2000”之后的第四代移動通信系統(tǒng)標準提案，該提案將4G的實用期定在2010年。4G將速率提高到了100Mbit/秒，對4G的目標是2010年之前達到實用化水平。日本電氣通信技術審議會估計，2001～2010年日本3G市場規(guī)模將達到42兆日元，僅2010年的營收就將達到9300億日元，而4G移動電話的市場潛力更遠勝于3G。日本和韓國在IMT-2000之后的第四代移動通信領域也進行合作，兩國將共同建立因特網(wǎng)網(wǎng)絡、例行兩國之間的有線無線通訊結合環(huán)境，并進行超高速衛(wèi)星通信實驗。 

　　韓國政府將斥資1350億韓元，用于4G通信系統(tǒng)的開發(fā)。這些資金將主要用于高速信息包傳輸技術、固定無線通訊設備以及移動軟件開發(fā)和下一代網(wǎng)絡工藝上。為推進4G移動通信服務系統(tǒng)研發(fā)進程，政府成立一個科研開發(fā)小組，專門負責該項目的實施。韓國政府已與移動通信設備公司及服務公司合資成立了下一代移動通信技術開發(fā)協(xié)會，著手進行4G等未來移動通信服務技術的開始研究。下一代移動通信技術開發(fā)協(xié)會還將聚集產(chǎn)、學、研的通訊專家，成立未來移動通信規(guī)劃委員會，負責推動4G規(guī)劃、3G服務及系統(tǒng)改進、針對無線網(wǎng)絡專用通訊的TDD（Time Division Duplex）方案設計和高速數(shù)據(jù)通訊（Hight Data Rate）等領域的研究。三星電子的SERI研究中心也開始進行4G移動通信技術的開發(fā)工作。 

6 發(fā)展我國的第四代移動通信 

　　我國在4G領域也取得得大成果。漢網(wǎng)公司研制出的漢網(wǎng)“寬帶無線IP通信系統(tǒng)”要用了4G技術和IP網(wǎng)絡技術，以漢網(wǎng)特有的包分多址（PDMA）接入技術為核心，上下行數(shù)據(jù)速率采用不對稱設計，可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數(shù)據(jù)業(yè)務?？蓪崿F(xiàn)手機、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點通信等擴展業(yè)務，預計2003年可投入市場使用。 

　　目前世界發(fā)送國家都正在積極進行第四代移動通信技術規(guī)格的研究制定工作，以期在全球第四代移動通信規(guī)格制定中能享有發(fā)言權。第四代移動通信設備“智能化”程度極高，移動通信面向個人、正反饋良好循環(huán)發(fā)展的特性，決定其市場潛力仍非常巨大。移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的結合，給移動通信與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展都將注入更大的活力。隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，第四代移動通信系統(tǒng)將會得到更快的發(fā)展。據(jù)預測，這種以寬帶、接入因特網(wǎng)、具有多種綜合功能第四代移動通信技術在2010年將成為移動通信市場主流技術。21世紀我國移動通信還有一個巨大的發(fā)展空間同，這為我國移動通信的發(fā)展提供了前所未有的機遇，同時也帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。為此，我們有必要在大力開發(fā)第三代移動通信技術系統(tǒng)的同時，提前作好準備，積極參與ITU關于第四代移動通信標準建議的研究，掌握世界移動通信技術的研究動向和最新成果，加強國際合作，關注并積極進行第四代移動通信技術的研究與開發(fā)工作，把第四代移動通信的研發(fā)與建立我國移動通信產(chǎn)業(yè)結合起來，加快我國移動通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使我國的移動通信產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)外擁有強大的市場。