4G移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)
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1、引言
隨著人們對移動通信系統(tǒng)的各種需求與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系統(tǒng)和部分投入商用的3G系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，許多國家已經(jīng)投入到對4G移動通信系統(tǒng)的研究和開發(fā)中。本文將概要介紹4G移動通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)，并討論4G系統(tǒng)中可能采用的有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。
2、4G移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
與3G相比，4G移動通信系統(tǒng)的技術(shù)有許多超越之處，其特點(diǎn)主要有：
(1)高速率。對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s；對于中速移動用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mb/s；對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mb/s。
(2)以數(shù)字寬帶技術(shù)為主。在4G移動通信系統(tǒng)中，信號以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區(qū)也會相應(yīng)小很多，很大程度上提高用戶容量，但同時也會引起系列技術(shù)上的難題。
(3)良好的兼容性。4G移動通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，讓所有移動通信運(yùn)營商的用戶享受共同的4G服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。
(4)較強(qiáng)的靈活性。4G移動通信系統(tǒng)采用智能技術(shù)使
(5)多類型用戶共存。4G移動通信系統(tǒng)能根據(jù)動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)和變化的信道條件進(jìn)行自適應(yīng)處理，使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設(shè)備能夠共存與互通，從而滿足系統(tǒng)多類型用戶的需求。
(6)多種業(yè)務(wù)的融合。4G移動通信系統(tǒng)支持更豐富的移動業(yè)務(wù)，包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會議電視、虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等，使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。將個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等行業(yè)結(jié)合成一個整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。
(7)先進(jìn)的技術(shù)應(yīng)用。4G移動通信系統(tǒng)以幾項(xiàng)突破性技術(shù)為基礎(chǔ)，如：OFDM多址接入方式、智能天線和空時編碼技術(shù)、無線鏈路增強(qiáng)技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高性能的收發(fā)信機(jī)和多用戶檢測技術(shù)等。
(8)高度自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。4G移動通信系統(tǒng)是一個完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，擁有對結(jié)構(gòu)的自我管理能力，以滿足用戶在業(yè)務(wù)和容量方面不斷變化的需求。
3、4G移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)
為了適應(yīng)移動通信用戶日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，具體實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)較3G的優(yōu)越之處，4G移動通信系統(tǒng)將主要采用以下關(guān)鍵技術(shù)：
(1)接入方式和多址方案
OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)，其主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進(jìn)行調(diào)制，各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬。OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實(shí)現(xiàn)低成本的單波段接收機(jī)。OFDM的主要缺點(diǎn)是功率效率不高。
(2)調(diào)制與編碼技術(shù)
4G移動通信系統(tǒng)采用新的調(diào)制技術(shù)，如多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)以及單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)等調(diào)制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統(tǒng)采用更高級的信道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發(fā)請求(ARQ)技術(shù)和分集接收技術(shù)等，從而在低Eb/N0條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。
(3)高性能的接收機(jī)
4G移動通信系統(tǒng)對接收機(jī)提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照 Shannon定理，可以計(jì)算出，對于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統(tǒng)，要在5MHz 的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB?？梢妼τ?G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機(jī)的性能要求也要高得多。
(4)智能天線技術(shù)
智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線應(yīng)用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術(shù)既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量。
(5)MIMO技術(shù)
MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當(dāng)接收天線和發(fā)送天線數(shù)目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達(dá)42bps/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達(dá)到容量的40 多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。在無線頻譜資源相對匱乏的今天， MIMO系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性，也會在4G移動通信系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用。
(6)軟件無線電技術(shù)
軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和空中接口。軟件無線電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多
(7)基于IP的核心網(wǎng)
4G移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，同已有的移動網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點(diǎn)，即：可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò) (CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。
(8)多用戶檢測技術(shù)
多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個用戶信號之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產(chǎn)生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個主要干擾。傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對每個用戶的信號分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差；多用戶檢測技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進(jìn)行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。隨著多用戶檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高性能又不是特別復(fù)雜的多用戶檢測器算法不斷提出，在4G實(shí)際系統(tǒng)中采用多用戶檢測技術(shù)將是切實(shí)可行的。
4、總結(jié)
4G移動通信系統(tǒng)目前還只是一個基本概念，處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段。不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，盡管4G移動通信技術(shù)有著比3G更強(qiáng)的優(yōu)越性，可要是把4G投入到實(shí)際應(yīng)用，還需要對現(xiàn)有的移動通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造，這將會引發(fā)一系列的資金、觀念等問題，從而在一定程度上減緩4G正式進(jìn)入市場的速度。但可以肯定的是，隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，4G也會繼續(xù)高速發(fā)展，4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)。
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