第四代移动通信技术初探

上海交通大学电子工程系 刘海文

　　21世纪，移动通信技术和市场飞速发展。在新技术、市场需求的共同作用下，未来移动通信技术将呈现以下几大趋势：1）网络业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成；2）网络技术数字化、宽带化；3）网络设备智能化、小型化；4）应用于更高的频段，有效利用频率；5）移动网络的综合化、全球化、个人化；5）各种网络的融合；6）高速率、高质量、低费用。这是第四代（4G）移动通信技术发展的方向和目标。

4G的定义

　　第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mb/s的数据传输能力。它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。 第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外，第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

　　第四代移动通信技术的主要指标：1、数据速率从2Mb/s提高到100Mb/s，移动速率从步行到车速以上。2、支持高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。宽带局域网应能与B-ISDN和ATM兼容，实现宽带多媒体通信，形成综合宽带通信网。3、对全速移动用户能够提供150Mb/s的高质量影像等多媒体业务。

　　目前，发达国家已经着手研制第四代移动通信的标准和产品。美国AT&T公司已经在实验室中研究第四代移动通信技术，其目的是提高蜂窝电话和其他移动设备访问互联网的速率；大约五年后，这项技术即可面世。日本的DoCoMo移动通信公司也在进行第四代移动通信的研究，争取在2008年左右推出4G产品。爱立信公司宣布已开始着手研制第四代移动通信系统，其研究机构负责人表示，第四代移动通信技术不仅可以将上网速度提高到超过3G技术的50倍，而且届时人类将首次实现三维图像的高质量传输。该公司预计第四代移动通信系统大约在2010年正式投入市场。我国目前对第四代移动通信技还处于探讨起步阶段，因此，对4G移动通信的研制工作显得十分迫切。

4G移动通信的网络结构

　　结合移动通信市场发展和用户需求，4G移动网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络(平台)之间或者多个无线接口之间，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移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。 因此，4G移动通信技术应具备以下几个基本特征：

　　* 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为一个整体，满足用户的各种需求。4G应能集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、 蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互连更便捷、安全，面向不同用户要求，更富有个性化。

　　* 高速移动中不同系统间的无缝连接：用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

　　* 各种用户设备便捷地入网：各种价格低廉的设备应能方便地接入通信网络中。这些设备体积小巧、甚至无需接入电源网即可工作。用户与设备间不再局限于听、说、读、写的简单交流方式，为满足用户的特殊需要和特殊用户（如残疾人）的需要，更多新的人机交互方式将出现。

　　* 高度智能化的网络：4G的网络系统是一个高度自治、自适应的网络，它具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。

　　* 独立的软件平台。

　　同时，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网络融为一体，宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。

　　数字化数据交易点(digital market-place)是4G移动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电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理。在数字化数据交易所里，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。未来的全球互联网系统和骨干网系统，将以结合宽带IP技术和光纤网技术为主。4G移动网络的蜂窝按功率大小被细分为macro BS、micro BS和pico BS三类。

　　目前，Bell公司已经研制出一种新型光网络。它是利用大气激光传输原理的一种“无光纤”的光网系统。该系统主要由激光器、光放大器和光接收器组成，通过发射一种特殊的“扩展光束”(expanded beam)传送光信号，并采用DWDM技术，支持10Gb/s速率的波长，传输距离大于5km，具有良好的信号安全和稳定性。诸如此类的先进的光网络和光技术层出不穷。可以预见，在未来的4G移动通信网络中，光网络将大放异彩，起着举足轻重的作用。

4G移动通信的接入系统

　　4G移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端(multi mode terminal)基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带、给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，4G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统（例如2G、3G）；无绳系统（如DECT）；短距离连接系统（如蓝牙）；WLAN系统；固定无线接入系统；卫星系统；平流层通信（STS）；广播电视接入系统（如DAB、DVB-T、CATV）。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。

　　不同类型的接入技术针对不同业务而设计，因此，我们根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境，对接入技术进行分层。

　　* 分配层：主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成，服务范围覆盖面积大。

　　* 蜂窝层：主要由2G、3G通信系统组成，服务范围覆盖面积较大。

　　* 热点小区层：主要由WLAN网络组成，服务范围集中在校园、社区、会议中心等，移动通信能力很有限。

　　* 个人网络层：主要应用于家庭、办公室等场所，服务范围覆盖面积很小。移动通信能力有限，但可通过网络接入系统连接其他网络层。

　　* 固定网络层：主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。

　　网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：（1）为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。（2）为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。（3）提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。

4G移动通信的软件系统v
　　4G移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件系统的首要任务是，创建一个公共的软件平台，使不同通信系统和终端的应用软件，通过此平台“互连互通”；并且，通过此软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此，建立一个统一的软件标准和互连协议，是4G移动通信软件系统的关键。

　　软件系统将逐步采用Web服务模式，以代替现行的客户/服务器模式。新的计算机语言如XML，将用于未来的这种基于Web的分布式服务。另一方面，软件系统还将在网络安全上做进一步研究，以保障通信网络的正常工作、数据完整和其他特殊需要。

4G移动通信的关键技术

　　在4G移动通信中，下列关键技术需进一步研究和解决。

　　* 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终端定位、基于移动网络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和高质量的移动通信的前提和保障。

　　* 切换技术：切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。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。它主要有软切换和硬切换。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。v
　　* 软件无线电技术：在4G移动通信系统中，软件将会变得非常繁杂。为此，专家们提议引入软件无线电技术，将其作为从第二代移动通信通向第三代和第四代移动通信的桥梁。软件无线电技术能够将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将 A/D和D/A转换器尽可能地靠近RF前端，利用DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。它旨在建立一个无线电通信平台，在平台上运行各种软件系统，以实现多通路、多层次和多模式的无线通信。因此，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。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。

　　* 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。

　　* 无线电在光纤中的传输技术：在未来的通信系统中，光纤网将发挥十分重要的作用。可以利用光纤传送宽带无线电信号，与其他传输媒介相比，损耗很小。还可以用光纤传送包含多种业务的高频(60GHz)无线电信号。因此，利用光纤传输无线电信号，成为研究的一个重点。

　　* 网络协议与安全：未来移动网络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连。因此，无线接口协议成为4G移动通信网络的关键技术之一。同时，网络的安全问题，随着网络的扩展，也需高度重视。

　　* 传输技术：主要研究在高速率(＜20Mb/s)条件下，高速移动通信微波传输的性能；以及在高频段(如60GHz)室内信号多径传输性能。亚毫米波段传输信号，也是雨天等恶劣条件下，信号传输技术研究的重点之一。

　　* 调制和信号传输技术：在高频段进行高速移动通信，将面临严重的选频衰落(frequency-selective fading)。为提高信号性能，研究和发展智能调制和解调技术，来有效抑制这种衰落。例如正交频分复用技术(OFDM)、自适应均衡器等。另一方面，采用TPC、RAKE扩频接收、跳频、FEC(如AQR和Turbo编码)等技术，来获取更好的信号能量噪声比(Eb/N0)。

　　随着新技术和人们的新需求不断出现，第四代移动通信技术将会做相应调整和进一步发展。纵观移动通信发展规律，我们相信，第四代移动通信技术的高速率、高质量、大容量的多媒体服务，将使我们的世界更美好！

摘自《通讯世界》