第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)研究

　　引言

　　隨著人們對(duì)移動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。雖然3G標(biāo)準(zhǔn)比當(dāng)前主流的移動(dòng)通信技術(shù)更強(qiáng)大，但它存在難以提供動(dòng)態(tài)范圍多速率業(yè)務(wù)，難以實(shí)現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游等一系列局限性，這使得全世界通信業(yè)的專家們將目光更遠(yuǎn)地投向了第四代移動(dòng)通信，以期通過第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)來解決3G無法解決的問題，最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、廣播、電視衛(wèi)星通信的無縫銜接并相互兼容，真正實(shí)現(xiàn)“任何人在任何地點(diǎn)以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)”的夢(mèng)想。

　　目前，針對(duì)4G的產(chǎn)生背景、概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)支撐、標(biāo)準(zhǔn)化工作，以及發(fā)展?fàn)顟B(tài)的討論已有很多，本文對(duì)它們進(jìn)行分析和總結(jié)，并闡述4G技術(shù)的發(fā)展可能對(duì)我國3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)帶來的影響。

　　1 4G的產(chǎn)生、概念和特點(diǎn)

　　盡管目前3G的各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議，并已開始商用，但3G技術(shù)仍存在一些不足。3G的局限性主要體現(xiàn)為：(1)缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn);(2)3G所運(yùn)用的語音交換架構(gòu)仍承襲了2G的電路交換，而不是完全I(xiàn)P形式;(3)由

　　于采用CDMA技術(shù)，難以達(dá)到很高的通信速率，無法滿足用戶對(duì)高速多媒體業(yè)務(wù)的需求;(4)由于3G空中接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核心網(wǎng)有所限制，因此3G難以提供具有多種QoS及性能的各種速率的業(yè)務(wù);(5)由于3G采用不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境，需要移動(dòng)終端配置有相應(yīng)不同的軟、硬件模塊，而3G移動(dòng)終端目前尚不能夠?qū)崿F(xiàn)多業(yè)務(wù)環(huán)境的不同配置，也就無法實(shí)現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游。所有這些局限性推動(dòng)了人們對(duì)下一代通信系統(tǒng)——4G的研究和期待。

　　究竟什么是4G，目前尚未有明確的定義。一種普遍認(rèn)可的觀點(diǎn)將4G稱為廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)，具有非對(duì)稱的超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力及不同速率間的自動(dòng)切換能力，是多功能集成的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)、寬帶接入IP系統(tǒng)，包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò), 集成不同模式的無線通信，移動(dòng)用戶可以自由地從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漫游到另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。而有的學(xué)者將4G稱為超高速無線網(wǎng)絡(luò)，認(rèn)為4G是一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路，該網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無線形式實(shí)現(xiàn)全方位虛擬連接。還有人將4G稱為“多媒體移動(dòng)通信(Multi-Mobile Communication)”。也有學(xué)者認(rèn)為采用了OFDM和MIMO技術(shù)的HSOPA就可作為4G的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，也有一部分專家認(rèn)為4G就是超3G(又稱后3G、B3G或Beyond IMT-2000，這個(gè)超3G的概念涵蓋了現(xiàn)有的3G、3G增強(qiáng)技術(shù)，以及新的移動(dòng)接入和游牧/本地接入系統(tǒng))。

　　盡管4G暫處在研究的初級(jí)階段，而國際電信聯(lián)盟(ITU)、無線世界研究論壇(WWRF)和3GPP已開始研究4G系統(tǒng)及其標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前正在構(gòu)思中的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)將具有如下特征(也就是對(duì)未來4G的需求)：

　　高速率，高容量：對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s;對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s;對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s;其容量至少應(yīng)是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

　　網(wǎng)絡(luò)頻帶更寬：每個(gè)4G信道將占有100MHz頻譜，相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

　　兼容性更加平滑：4G應(yīng)該接口開放、能夠跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且具備很強(qiáng)的對(duì)2G、3G手機(jī)的兼容性，以完成對(duì)多種用戶的融合。在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

　　靈活性更強(qiáng)：4G擬采用智能技術(shù)，可自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配。采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行信號(hào)的正常收發(fā)。

　　用戶共存性：能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況和信道條件進(jìn)行自適應(yīng)處理，使低、高速用戶和各種用戶設(shè)備能夠并存與互通，從而滿足多類型用戶的需求。

　　運(yùn)營商或用戶花費(fèi)更低的費(fèi)用就可隨時(shí)隨地地提供或接入各種業(yè)務(wù)。

　　2 4G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)

　　圖1 融合的4G/B3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　雖然4G系統(tǒng)尚處于研究的起步階段，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也還沒有成型，但是對(duì)于這方面的研究已有很多。網(wǎng)絡(luò)融合趨勢(shì)是顯而易見的，基于網(wǎng)絡(luò)融合的4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出，基于人們目前對(duì)4G廣帶接入和分布網(wǎng)絡(luò)的普遍理解，未來的4G網(wǎng)絡(luò)將是一種全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(包括各種接入網(wǎng)和核心網(wǎng))，4G系統(tǒng)將是一個(gè)集成廣播電視網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙等系統(tǒng)和固定的有線網(wǎng)絡(luò)為一體的結(jié)構(gòu)，各種類型的接入網(wǎng)通過媒體接入系統(tǒng)都能夠無縫地接入基于IP的核心網(wǎng)，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)。

　　目前認(rèn)為4G網(wǎng)絡(luò)體系的分層結(jié)構(gòu)大致可分為3層，自上而下分為：物理層(又稱物理網(wǎng)絡(luò)層或接入 層)、網(wǎng)絡(luò)層(又稱中間環(huán)境層或承載層)、應(yīng)用層(又稱應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層或業(yè)務(wù)控制層)，如圖2所示。其中物理層提供接入和選路功能，網(wǎng)絡(luò)層作為橋接層提供QoS映射、地址轉(zhuǎn)換、即插即用、安全管理、有源網(wǎng)絡(luò)。物理層與網(wǎng)絡(luò)層提供開放式IP接口。應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務(wù)。

　　圖2 4G/B3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的層次和模塊模型

　　4G的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：OFDM(正交頻分復(fù)用)、AMC(自適應(yīng)編碼調(diào)制)、SA/IA(智能天線，原名為自適應(yīng)天線陣列AAA)、MIMO(多入多出)、SDR(軟件無線電)、IPv6(下一代的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)、定位技術(shù)和切換技術(shù)。

　　3 4G通信發(fā)展面臨的問題

　　4G系統(tǒng)投入實(shí)際應(yīng)用將遇到技術(shù)和市場(chǎng)兩方面的挑戰(zhàn)。從技術(shù)角度來分析，4G要實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動(dòng)性和無縫隙漫游，必須對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新改造，首先需要解決無線系統(tǒng)中的移動(dòng)性管理、資源管理和核心網(wǎng)的移動(dòng)IP技術(shù)等問題，還有4G的標(biāo)準(zhǔn)問題。其次要開發(fā)新的頻譜資源，提高頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術(shù)。例如，利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術(shù)來增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，提高信噪比;提高檢測(cè)可用的資源以及信號(hào)質(zhì)量、動(dòng)態(tài)分配頻率資源和信號(hào)發(fā)射功率、增加移動(dòng)通信系統(tǒng)容量、降低信號(hào)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。此外，4G移動(dòng)通信的數(shù)據(jù)傳輸將比3G高一個(gè)數(shù)量級(jí)，這也會(huì)引起一系列技術(shù)上的難題。

　　而從市場(chǎng)角度分析，有專家預(yù)測(cè)：到2010年后，2G的多媒體服務(wù)將進(jìn)入第三個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系統(tǒng)，整個(gè)行業(yè)正在消化吸收第三代技術(shù)，利用4G相關(guān)技術(shù)對(duì)3G進(jìn)行改進(jìn)與完善的工作也會(huì)同時(shí)進(jìn)行?？梢?，對(duì)于4G系統(tǒng)的接受還需要一個(gè)逐步過渡的過程。

　　4 4G對(duì)我國移動(dòng)通信發(fā)展的影響

　　目前，世界發(fā)達(dá)國家都在積極進(jìn)行4G技術(shù)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(quán)。擁有4G的各項(xiàng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)的國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)局ITU-T，計(jì)劃在2010年制定出全世界統(tǒng)一的第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　我國對(duì)4G的研究也已經(jīng)正式列入863項(xiàng)目，并啟動(dòng)了“FuTURE計(jì)劃”，旨在2006年1月～2010年12月，設(shè)立有關(guān)重大專項(xiàng)，完成通用無線環(huán)境的體制標(biāo)準(zhǔn)研究及其系統(tǒng)實(shí)用化研究，開展較大規(guī)模的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等。截至目前，我國在4G研究中也取得了不少成果，如漢網(wǎng)高技術(shù)有限公司、華中科技大學(xué)和上海交通大學(xué)聯(lián)手攻克的全I(xiàn)P蜂窩移動(dòng)技術(shù)，其被國際公認(rèn)為第四代移動(dòng)通信技術(shù)的核心。

　　目前我國的3G系統(tǒng)建設(shè)尚未起步，但3G牌照可能會(huì)在近期發(fā)放，激起3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的熱潮。對(duì)此，筆者認(rèn)為需要考慮以下幾個(gè)方面，我國通信發(fā)展的實(shí)際情況是目前仍以語音業(yè)務(wù)為主要需求;3G系統(tǒng)在多媒體業(yè)務(wù)上存在一定的局限性;3G的實(shí)際作用是為4G進(jìn)行多媒體業(yè)務(wù)的市場(chǎng)培育;未來4G系統(tǒng)設(shè)備革命性演變可能帶來的投資沖擊等。本文認(rèn)為3G的主流業(yè)務(wù)仍應(yīng)該以語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，多媒體時(shí)代仍需等待4G系統(tǒng)的建設(shè)，因此我國各大運(yùn)營商在選擇3G系統(tǒng)的建設(shè)時(shí)機(jī)及建設(shè)規(guī)模上應(yīng)謹(jǐn)慎抉擇。

　　5 結(jié)束語

　　4G目前還只是一個(gè)基本概念，處于實(shí)驗(yàn)室研究開發(fā)階段。盡管4G技術(shù)有著比3G更快的通信速度、更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜、更加靈活等一系列優(yōu)越性，但要真正實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在看來還面臨著許多難題。因此，現(xiàn)在對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可行性、靈活性及其關(guān)鍵技術(shù)的探討將對(duì)4G的盡快實(shí)現(xiàn)有十分重要的意義。本文對(duì)4G通信技術(shù)的產(chǎn)生背景、概念、特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)、發(fā)展情況等進(jìn)行了討論。具有高數(shù)據(jù)率、高頻譜利用率、低發(fā)射功率、靈活業(yè)務(wù)支撐能力的4G系統(tǒng)，將是通往未來無線移動(dòng)通信系統(tǒng)的必然途徑。