4G移动通信关键技术及特征

1、我国4G进展程度

2001年，"国家863计划"启动了面向后三代/四代（B3G/4G）的移动通信发展研究计划——未来通用无线环境研究计划（简称FuTURE计划）。其主要目标是面向未来10年无线通信领域的发展趋势与需求，重点突破新一代移动通信系统关键技术，逐步建立一个集大范围蜂窝移动通信、区域性宽带无线接入和短程无线连接为一体的通用无线电环境，为中国未来无线与移动通信产业的跨越式发展创造条件。

2001年"国家863计划"启动以来，截止到2006年已经取得了相当多的科研成果，在国内外申请移动通信技术发明专利100余项；FuTURE计划实施5年来，累计培养了近千名移动通信超前研发人才，显著增强了我国移动通信可持续发展能力。B3G/4G研究并不只是一个科研项目，更是一个推动我国未来通信产业发展的试验系统，涉及知识产权、专利、国际合作等问题，并且能为我国在下一代移动通信标准化上打下基础。在B3G/4G研究上，中国与国际同步，而B3G/4G外场技术演示和示范则在世界范围内处于领先地位。在3G技术的研究方面，我国比国外晚了8～10年，而4G技术的研究已经实现了与国际同步，这为我们拥有一个更好的发展前景奠定了基础。

我国启动4G研发以来，国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。在FuTURE计划一期课题的支持下，北京邮电大学等国内六所高校，分别与华为、三星等国内外企业开展合作，经过一年多的艰苦努力，完成了六种无线传输链路方案的设计，并初步研究了无线资源管理方案和上层协议，基本完成了基带电路核心硬件和软件的设计和测试，并完成了支持分布式多天线接入的射频系统的设计；取得了一系列创新性研究成果，申请了30余项国家发明专利，为进一步凝炼面向"十五"末期的超3代总体技术方案打下了良好的基础。在此基础之上，国家"863"FuTURE计划于2003年11月启动了第二阶段研究开发计划。本课题研究开发的总体目标是：面向超3代移动通信在传输速率、业务支持、系统容量等方面的应用需求，在超3G移动通信系统网络结构、空中接口等各个方面，进一步开展深入系统的研究，重点突破，形成完善的超3代总体技术方案，构建具有超3代移动通信主要技术特征的试验系统，具备向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准建议的技术基础。国家"863"项目"超3代蜂窝移动通信无线网络实验系统研究与开发"子课题——"TDD系统OFDM上行链路设计与实现及TDD技术集成"由北京邮电大学无线新技术研究所承担，具体负责该课题的实施和集成。该子课题于2003年11月启动，2004年7月完成了链路方案验收，至2006年6月完成了上下行链路以及整个系统的联调工作，在2006年6月17日进行了正式验收。验收结果表明该系统已达到了国际领先水平，这标志着我国在下一代移动通信系统的研究中取得了突破性进展。

2007年1月28日，在上海快速移动的测试车上，基于IPV6的高清电视等业务的演示十分流畅。工作人员在上海延安西路高架做了2km长的覆盖，车辆在真实的路况中以50km/h的时速行驶，获得的下行速率为20Mbps～90Mbps，上行最高也可达80Mbps。这标志着我国第一个4G试验网已经正式进入第三阶段，即外场试验和预商用计划。该实验系统由三个无线覆盖小区、六个接入站点和六个移动终端组成，提供多小区、多用户模拟网络集成测试环境，验证室内、开阔地、城市热点，高架路等多种无线场景适用性，其集成测试平台提供从链路空口质量到业务承载质量、从静止模拟信道环境到实时高速移动环境下的多种测试手段。

4G由技术向产品转移，经过系统集成、产品开发等环节之后，才能进入产业化研发阶段，根据预测还要经历至少5年，也就是2012年才能实现相关产品的商用试验。

2、4G的定义

4G集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。

目前4G有来自ITU定义、WiMAX、4GMF和通播网等几个观点，但都尚未定论。

ITU的定义，在2005年10月18日结束的ITU-RWP8F第17次会议上，ITU给了B3G技术一个正式的名称IMT-Advanced。国际电信联盟定义为：IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个共同的前缀"IMT"，表示移动通信；当前的WCDMA、HSDPA等技术统称为IMT-2000技术；未来的新的空中接口技术叫做IMT-Advanced技术。IMT-Advanced与IMT-2000是并列的，都是IMT的一个分支。从这个意义上讲，IMT-Advanced是3G的新发展，而不是4G。之所以称为B3G，而不是4G，是因为未来系统及标准必须继续依赖3G标准组织已发展的多项新定标准加以延伸，如IP核心网、开放业务架构及IPv6。同时，其规划又必须满足整体系统架构能够由3G系统演进到未来B3G架构的需求。按照ITU对IMT-Advanced的定义，当用户处于静止或者低速移动时，IMT-Advanced应当能够支持1000Mbps的数据业务速率；当用户处于高速移动状态时，IMT-Advanced应当能够支持100Mbps的数据业务速率。与B3G技术相比，IMT-Advanced技术的性能要高一个数量级。与此相对应，IMT-Advanced的商用时间也将在2010年以后，即在B3G技术商用以后。目前，虽然国际上正积极开展IMT-Advanced技术的预研工作，但是，对究竟采用什么样的技术才能达到预定目标方面，各个国家都还没有一个明确的认识。在系统架构上，B3G的终端设备将可以利用单一或少数的无线接口、软件无线电、智能型天线，并以最符合频宽需求或具经济可行性的方式，选择通信时的接口及协议。其可选择的接口包括WLAN、2G、2.5G、3G接口，以及B3G新规划的高速无线接口。B3G技术的发展，不仅仅包括移动通信领域的技术，也就是3GPP和3GPP2国际标准组织定义的接入技术标准发展演进路线，还包括宽带无线接入领域的新技术及广播电视领域的技术。

WiMAX的定义，4G是从WiMAX演进而来，是基于IP的、能覆盖广大地区的移动无线城域网，主要用于移动传送高速数据而不是语音。既是WiFi的竞争者，又是XDSL，技术的无线替代技术，构成支持高速移动和实时在线的公共无线宽带接入网。目前WiMAX是宽频无线接入（BWA）中最受关注的技术。BWA是指以无线传输方式向用户提供连接到宽带固定网络的接入技术。韩国运营商是最早商用WiMAX的运营商之一，WiBro是韩国提出的宽带无线接入标准，可以看作是802.16e标准的子集，其下行速率18.4Mbps，上行速率6.1Mbps。韩国的KT、SK都已经建立了Wibro商用网络。目前，WiMAX向4G演进的工作正在有条不紊的进行中。2006年11月，IEEE802委员会成立了新的工作组"P802.16m"，其瞄准的目标即是4G。在2008年ITU确定4G标准时，P802.16m希望能被IMT-Advanced所采纳。P802.16m的特点是能够确保与移动WiMAX的兼容，除了采用与移动WiMAX同样的"OFDMA"接驳方式外，还将实现基站的共用等功能。以WiMAX.为代表的宽带无线接入技术和以LTE、AIE为代表的移动通信技术已经非常相似，两者之间界线变得模糊。出现这样的局面，究其原因是不同的产业领域从不同方向向同一市场渗透的结果。

4GMF的定义，4G技术的重点是融合无线接入技术、移动技术和宽带技术于一体。4G的主要特征将是开放的无线结构，而不是高速无线传输技术，开放的无线结构实现多网合一。其应用将不局限于电信行业，也将广泛应用于汽车通信业、民航通信业、广播电视业、国防、政府、教育、医疗和金融系统等领域。

尽管业界的描述各有不同，但有几点是大家公认的，即4G将实现移动化、宽带化、IP化。移动化将人们从地理的限制上解脱出来，实现无时不在、无所不在的信息传递。宽带化是满足用户对视频业务、流媒体等业务带宽的需求。而下一代网络将是全IP网，从核心网到用户设备均支持IP协议。随着向4G演进，趋势将是不同的无线技术在NGN架构下融合、共存，发挥各自的优势，形成多层次的无线网络环境。

3、4G的基本特征

4G网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使发展和提供新的服务变得更容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。

1）移动化

移动化将人们从地理的限制上解脱出来，实现无时不在、无所不在的信息传递。不仅是无线，距离还得够远，以基地台为圆心，传输距离得在直径10km以上。无线已是现代通信的必要手段，传输距离的远近，会直接影响建设的进度与成本。

2）宽带化

宽带化是满足用户对视频业务、流媒体等业务带宽的需求。在2G和3G网络解决了语音应用和一部分数据应用之后，视频应用将是4G网络上的最主要内容。3G向视频迈出了重要一步，但是较2G的提升有限，并未从根本上改变无线结构。比如3G的带宽问题，多用户同时使用就会出现拥堵。而4G的带宽是3G的10倍，频谱利用率大约也是10倍，这样吞吐量就是100倍。

3）IP化

下一代网络将是全IP网，从核心网到用户设备均支持IP协议。未来的通信世界，应该一切以IP为基础，形成网络化的移动世界。每一个网络使用者，只要具有专属的IP号码，可以在任何时间、任何地点，透过4G网络来通信，至于是语音、数据，还是视频，不再是运营商该管的事了。

4）融合化

随着4G的演进，不同的无线技术在下一代网络（NGN）架构下将实现融合、共存，发挥各自的优势，形成多层次的无线网络环境。4G应该是NGN的一部分，4G必须适应三网融合的发展需求，既要实现"无所不在，无所不能"，又要满足个性化服务的需求。因此，多体制、多技术仍将共存，必须统一的将是共同的承载网络——互联网。三网都将失去其独立组网特征，而沦为NGN的接入网。

4G移动通信系统支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。将个人通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体，更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。

5）灵活性

4G移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求，采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。

6）兼容性

4G移动通信系统是实现全球统一的标准，让所有移动通信运营商的用户享受共同的4G服务，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。

7）层叠系统

为了实现1Gbps的峰值速率，4G系统需要宽达100MHz的系统带宽，但在3GHz以下频段分配100MHz连续频谱几乎是不可能的，而在高频段又很难实现无缝全域覆盖和高速移动（运营商要求基于现有站址部署4G系统，因此广泛使用中继和分布式天线技术有一定困难），因此需要同时使用部分3GHz以下频谱。也就是说，4G系统将是一个层叠系统，需要同时使用上述两段离散的频谱，这形成了4G系统的一个重要特征。

4、4G的关键技术

4G移动通信系统将应用一批先进的技术，包括正交频分复用（OFDM）、多输入多输出（MIMO）技术、智能天线、空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机、多用户检测技术和分布式网络架构等，提供全新的空中接口，并为终端用户带来更多的使用体验。

1）OFDM

未来无线多媒体业务既要保证数据传输速率高，又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期，OFDM技术正满足这一需求。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，OFDM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，各子载波并行传输，这样尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的。且在各子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道带宽，大大消除了信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰，从而降低各子载波间的相互干扰，提高频谱利用率。

2）软件无线电技术

在4G众多关键技术之中，软件无线电技术是通向未来4G的桥梁。由于各种技术的交迭有利于减少开发的风险，所以未来的4G技术需要适应不同种类的产品的要求。而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础，它不仅能减少开发风险，还更易于开发系列型产品。此外，它还减少了硅芯片的容量，从而削减了运算器件的价格，其开放的结构也会允许多方运营的介入；同时，由于数码信号处理器（DSP）的使用，也弥补了廉价射频（RF）所造成的不足。在实际应用中，RF部分是昂贵而缺乏灵活性的，宽带的RF是非线性的，而通过使用软件无线电技术可弥补其在灵活性上的不足。

3）智能天线技术

智能天线技术也是4G中的关键，它与软件无线电技术同样紧密相连。它是在软件无线电基础上提出的天线设计新概念，是数字多波束形成（DBF）技术与软件无线电完美结合的产物。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。

目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据计算量大、信道模型简单、收敛速度较慢、在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点。实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。

4）MIMO

MIMO系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出（SISO）系统，MIMO还可以包括单输入多输出（SIMO）系统和多输入单输出（MISO）系统。

MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，但4G需要极高的频谱利用率，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。

5）先进的信道编码技术

4G移动通信系统采用Turbo码与基于低密度校验（LDPC）码相结合的信道编码技术，同时与自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术相结合，从而在低Eb/No条件下保证系统足够的性能。

6）基于IP的核心网

B3G-TDD移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即可实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，可以提供端到端的IP业务，能与已有核心网和公共交换电话网（PSTN）兼容。其具有开放的结构，允许多种空中接口接入核心网；同时能将业务、控制和传输分开。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在核心网的设计上具有很大的灵活性。

7）高性能的接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小信噪比（SNR）。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

5、国际合作与国际竞争形势

国际上4G的技术与标准角力早就如火如荼地展开，任何有企图的厂商、任何有实力的国家，都不愿意在这场战役中缺席。目前，日本、韩国、美国、欧盟等已经在泛4G技术的研究上取得了领先，这些国家无不是采用《政府+运营商+制造企业》的模式来推动泛4G技术的研究，许多企业已经在泛4G技术领域有了长达十年左右的技术储备。目前，欧洲和美国一些大学和机构都已大力投入对4G的研究，并结成了一些联盟。

新一代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。据美国电气电子工程学会（IEEE）最新公布的802.16无线宽带技术草案文本，该机构目前正在研究一项无线传输新标准802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m标准在快速移动状态下的传输速率可达100Mbit/s。新标准之所以能达到以上速率，主要归功于MIMO技术，802.11g和802.11n标准路由器及接入节点目前已广泛采用MIMO技术。54Mb/s的路由器在采用了MIMO技术之后，理论传输速率可达108Mb/s。据称，新标准至少还需一到两年才能出台。

2006年3月，中国、韩国和日本曾就进一步联合研发4G移动通信标准一事达成共识。中国信息产业部与他国的4G合作研发始于2003年，当时与日本NTTDoCoMo签订了合作意向书，共同探讨和研发4G技术；2004年10月，又与韩国达成协议，扩大技术合作范围，共同支持对4G无线通信系统的研发。在FuTURE计划的支持下，一批中国研究机构作为合作伙伴参与了欧盟第六框架WINNER、Magnet、MOCCA等国际上有关未来移动通信研究项目，并与一批跨国企业设立了一系列联合研发项目。FuTURE计划已成为世界范围内推动新一代移动通信技术发展的重要组成部分。

目前ITU（国际电信联盟的简称）还没确定4G标准。根据ITU的4G时间表：2006～2007年完成频谱规划，2007～2008年国际电信联盟将会征集4G标准，2010年左右完成全球统一的标准化工作，2012年之后开始逐步商用。我国正酝酿联合一些大型电信设备商及大学研究机构组建4G标准联盟，以便参与2008年开始的ITU全球4G标准征集。

对4G最为关注的外企包括北电、三星、摩托罗拉等，分别在3G以及Wimax上拥有较多知识产权的高通和英特尔也"争得不可开交"，希望能获得4G的主导权。2006年11月，摩托罗拉正式在北京成立无线宽带中国研究中心，摩托罗拉执行副总裁兼网络及企业通信事业部总裁格雷格-布朗透露，该研究重点集中在OFDM、MIMO等涉及4G的基础技术方向。4G最终采用哪种版本对任何一个企业来说都很重要，中国采取哪种战略则涉及到外企能在未来的中国市场获得多大的市场份额。