第四代移動通信系統研究

　　引言

　　隨著人們對移動通信系統的各種需求與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系統和部分投入商用的3G系統已經不能滿足現代移動通信系統日益增長的高速多媒體數據業務需求。雖然3G標準比當前主流的移動通信技術更強大，但它存在難以提供動態范圍多速率業務，難以實現不同頻段的不同業務環境間的無縫漫游等一系列局限性，這使得全世界通信業的專家們將目光更遠地投向了第四代移動通信，以期通過第四代移動通信系統來解決3G無法解決的問題，最終實現商業無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛星通信的無縫銜接并相互兼容，真正實現“任何人在任何地點以任何形式接入網絡”的夢想。

　　目前，針對4G的產生背景、概念、特點、網絡架構、技術支撐、標準化工作，以及發展狀態的討論已有很多，本文對它們進行分析和總結，并闡述4G技術的發展可能對我國3G網絡建設帶來的影響。

　　1 4G的產生、概念和特點

　　盡管目前3G的各種標準和規范已達成協議，并已開始商用，但3G技術仍存在一些不足。3G的局限性主要體現為：(1)缺乏全球統一標準;(2)3G所運用的語音交換架構仍承襲了2G的電路交換，而不是完全IP形式;(3)由

　　于采用CDMA技術，難以達到很高的通信速率，無法滿足用戶對高速多媒體業務的需求;(4)由于3G空中接口標準對核心網有所限制，因此3G難以提供具有多種QoS及性能的各種速率的業務;(5)由于3G采用不同頻段的不同業務環境，需要移動終端配置有相應不同的軟、硬件模塊，而3G移動終端目前尚不能夠實現多業務環境的不同配置，也就無法實現不同頻段的不同業務環境間的無縫漫游。所有這些局限性推動了人們對下一代通信系統——4G的研究和期待。

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

　　盡管4G暫處在研究的初級階段，而國際電信聯盟(ITU)、無線世界研究論壇(WWRF)和3GPP已開始研究4G系統及其標準化工作。目前正在構思中的4G移動通信系統將具有如下特征(也就是對未來4G的需求)：

　　高速率，高容量：對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數據速率為2Mbit/s;對于中速移動用戶(60km/h)，數據速率為20Mbit/s;對于低速移動用戶(室內或步行者)，數據速率為100Mbit/s;其容量至少應是3G系統容量的10倍以上。

　　網絡頻帶更寬：每個4G信道將占有100MHz頻譜，相當于W-CDMA 3G網絡的20倍。

　　兼容性更加平滑：4G應該接口開放、能夠跟多種網絡互聯，并且具備很強的對2G、3G手機的兼容性，以完成對多種用戶的融合。在不同系統間無縫切換，傳送高速多媒體業務數據。

　　靈活性更強：4G擬采用智能技術，可自適應地進行資源分配。采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常收發。

　　用戶共存性：能根據網絡的狀況和信道條件進行自適應處理，使低、高速用戶和各種用戶設備能夠并存與互通，從而滿足多類型用戶的需求。

　　運營商或用戶花費更低的費用就可隨時隨地地提供或接入各種業務。

　　2 4G的網絡架構及其關鍵技術

　　圖1 融合的4G/B3G網絡架構

　　雖然4G系統尚處于研究的起步階段，其網絡結構也還沒有成型，但是對于這方面的研究已有很多。網絡融合趨勢是顯而易見的，基于網絡融合的4G網絡架構如圖1所示。從圖1中可以看出，基于人們目前對4G廣帶接入和分布網絡的普遍理解，未來的4G網絡將是一種全IP的網絡結構(包括各種接入網和核心網)，4G系統將是一個集成廣播電視網絡、無線蜂窩網絡、衛星網絡、無線局域網、藍牙等系統和固定的有線網絡為一體的結構，各種類型的接入網通過媒體接入系統都能夠無縫地接入基于IP的核心網，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺。

　　目前認為4G網絡體系的分層結構大致可分為3層，自上而下分為：物理層(又稱物理網絡層或接入 層)、網絡層(又稱中間環境層或承載層)、應用層(又稱應用網絡層或業務控制層)，如圖2所示。其中物理層提供接入和選路功能，網絡層作為橋接層提供QoS映射、地址轉換、即插即用、安全管理、有源網絡。物理層與網絡層提供開放式IP接口。應用層與網絡層之間也是開放式接口，用于第三方開發和提供新業務。

　　圖2 4G/B3G網絡架構的層次和模塊模型

　　4G的關鍵技術主要包括：OFDM(正交頻分復用)、AMC(自適應編碼調制)、SA/IA(智能天線，原名為自適應天線陣列AAA)、MIMO(多入多出)、SDR(軟件無線電)、IPv6(下一代的互聯網協議)、定位技術和切換技術。

　　3 4G通信發展面臨的問題

　　4G系統投入實際應用將遇到技術和市場兩方面的挑戰。從技術角度來分析，4G要實現高數據速率、高機動性和無縫隙漫游，必須對現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中的移動性管理、資源管理和核心網的移動IP技術等問題，還有4G的標準問題。其次要開發新的頻譜資源，提高頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術。例如，利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術來增強系統的性能，提高信噪比;提高檢測可用的資源以及信號質量、動態分配頻率資源和信號發射功率、增加移動通信系統容量、降低信號發射功率;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以及在不同系統之間的漫游等。此外，4G移動通信的數據傳輸將比3G高一個數量級，這也會引起一系列技術上的難題。

　　而從市場角度分析，有專家預測：到2010年后，2G的多媒體服務將進入第三個發展階段，此時覆蓋全球的3G網絡已經基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系統，整個行業正在消化吸收第三代技術，利用4G相關技術對3G進行改進與完善的工作也會同時進行。可見，對于4G系統的接受還需要一個逐步過渡的過程。

　　4 4G對我國移動通信發展的影響

　　目前，世界發達國家都在積極進行4G技術規格的研究制定，以期在全球4G規格制定中享有發言權。擁有4G的各項運行標準制定權的國際電信聯盟電信標準局ITU-T，計劃在2010年制定出全世界統一的第四代移動通信標準。

　　我國對4G的研究也已經正式列入863項目，并啟動了“FuTURE計劃”，旨在2006年1月～2010年12月，設立有關重大專項，完成通用無線環境的體制標準研究及其系統實用化研究，開展較大規模的現場試驗等。截至目前，我國在4G研究中也取得了不少成果，如漢網高技術有限公司、華中科技大學和上海交通大學聯手攻克的全IP蜂窩移動技術，其被國際公認為第四代移動通信技術的核心。

　　目前我國的3G系統建設尚未起步，但3G牌照可能會在近期發放，激起3G網絡建設的熱潮。對此，筆者認為需要考慮以下幾個方面，我國通信發展的實際情況是目前仍以語音業務為主要需求;3G系統在多媒體業務上存在一定的局限性;3G的實際作用是為4G進行多媒體業務的市場培育;未來4G系統設備革命性演變可能帶來的投資沖擊等。本文認為3G的主流業務仍應該以語音和數據業務為主，多媒體時代仍需等待4G系統的建設，因此我國各大運營商在選擇3G系統的建設時機及建設規模上應謹慎抉擇。

　　5 結束語

　　4G目前還只是一個基本概念，處于實驗室研究開發階段。盡管4G技術有著比3G更快的通信速度、更寬的網絡頻譜、更加靈活等一系列優越性，但要真正實現，現在看來還面臨著許多難題。因此，現在對4G網絡結構的可行性、靈活性及其關鍵技術的探討將對4G的盡快實現有十分重要的意義。本文對4G通信技術的產生背景、概念、特點、網絡架構、技術、發展情況等進行了討論。具有高數據率、高頻譜利用率、低發射功率、靈活業務支撐能力的4G系統，將是通往未來無線移動通信系統的必然途徑。