彭艺 查光明
（电子科技大学通信学院通信抗干扰技术重点实验室 成都 610054）
摘要 本文从移动通信的发展过程中引出第四代移动通信系统的概念，介绍了其产生背景，叙述了其包含的技术内容和特点，并对其未来进行展望。
关键词 第四代移动通信系统 OFDM 智能天线 软件无线电
1 引言
就目前而言，移动通信特别是蜂窝移动通信技术，是发展速度最快、技术更新最快、市场容量最大的产业。在过去10年中，移动电话的增长幅度往往超过预测值。 在20世纪90年代初期，全球的移动通信用户仅仅只有1000多户，而如今已经达到近5亿，据预测，到2005年，移动电话用户数量将超过固定电话用户数量，成为通信的主流。移动通信系统的发展已经历了两代，第一代（1G）移动通信技术是采用模拟技术的语音移动通信，第二代（2G）移动通信技术是采用数字技术的语音移动通信。目前，世界上的移动通信技术处于第二代，并正在进行系统的改进，改进后的系统称为2.5代（2.5G），并将继续朝着第三代和第四代的方向发展。我们在期待第三代移动通信系统带来优质服务的同时，第四代移动通信技术的研究、开发也已在实验室悄然进行。
2 第四代移动通信系统产生的背景
随着人们的生活空间、活动空间和参与领域在不断地扩大，对手机的功能要求，已不仅仅是对话和通信，还有许许多多其他方面的功能。要实现这些功能，就必须要有新型的通信技术来做保证，在这种情况下各种新兴的通信技术就应运而生了，但是，因为各个通信商家的利益得不到很好的协调，这些新兴的通信技术如今被分化成了三大阵营。
然而，统一的呼声在业界仍然留存，希望在未来能够统一。这种趋势迫使人们考虑新一代的系统，它能在所有的环境和各种移动状态中传送无线多媒体服务，满足用户服务质量(QoS)的要求。目前相互兼容的第四代移动通信标准（亦称为后三代移动通信标准）正在业界萌动。
从移动通信系统数据传输速率的比较来看，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率也只有9.6kbit/s，最高可达32kbit/s，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；预计，第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s至20Mbit/s。虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足更大的频宽需求。
第四代移动通信系统与第三代移动通信系统都是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，我们可暂且将第四代移动通信系统称之为“多媒体移动通信(Multi-Mobile Communication)”，通常也简称为4G。第四代移动通信不仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。总的来说，必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。第四代移动通信系统在业务、功能、频带上都将不同于第三代系统，第四代移动通信的概念也可称为宽带接入和分布式网络，具有非对称的超过2Mbit/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、移动宽带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。
另外，第四代移动通信将在不同的固定和无线平台和跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入因特网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位、数据采集、远程控制等综合功能。同时，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。
第四代移动通信系统技术目前还只是一个基本概念，就是无线互联网技术，但可以肯定的是，随着互联网高速发展4G也会继续高速发展；电脑日趋小型化、简便化，最终将所有技术整合为一个类似PDA的产品；卫星通信和空间技术会成为常用技术。而移动通信应用的相关技术，如更高频宽的应用、智能信号处理技术、业务功能综合能力、网络技术及卫星技术等亦急速发展。
第四代移动通信系统技术与第三代移动通信系统技术相比，除了通信速度大为提高之外,还可以借助IP进行通话。第四代移动通信技术的国际标准化作业,将由国际电联的无线部门负责实施。
3 第四代移动通信系统及其特点
3.1 4G技术的特点
相信3G大家早已很熟悉了，于是不少人认为，4G通信技术无论在通信范围、通信质量以及其他任何方面都应该比3G有一个质的提高，如果它没有这方面“质”的变革，就不能够叫“4G”。的确，与2001年内推出的3G移动通信服务相比，4G技术更为复杂，4G技术较3G移动通信技术有许多超越之处，其特点主要有：
（1）高速率。4G移动通信技术的信息传输速率要比3G高一个等级，要超过UMTS，即从2Mbit/s提高到10Mbit/s，其最大的传输速度将是目前“i-mode”服务的10000倍。
（2）技术发展以数字宽带技术为主。在蜂窝通信中，信号以毫米波为主要传输波段，蜂窝小区也会相应小很多，这会大大提高用户容量但同时引起一系列技术上的难题。
（3）灵活性较强。虽然3G的速率已有很大的提高，但仍不能很好动态地分配资源，大流量时系统利用率低。而4G系统拟采用智能技术使其能自适应地进行资源分配，能够调整系统对通信过程中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都能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。
（4）兼容性好。3G的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术，但是，因为各个商家的利益得不到很好的协调而分化成如今三大阵营。目前ITU 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM、CDMA和TDMA三大分支,每个分支都在抢占市场。这3大分支,取消哪个也不可能,看来只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。
（5）用户共存性。4G中的移动通信技术能根据网络的状况和变化的信道条件进行自适应处理，使低速与高速的用户和各种各样的用户设备能够并存与互通从而满足系统多类型用户的需求。
（6）业务的多样性。在未来的全球通信中，人们所需的是多媒体通信。个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体，提供给用户比以往更广泛的服务与应用；系统的使用会更加的安全、方便与更加照顾用户的个性。4G技术能提供各种标准的通信业务，从而满足宽带和综合多种业务需求。
（7）较好的技术基础。4G技术将以几项突破性技术为基础，例如OFDM技术、无线接入技术、光纤通信技术、软件无线电技术等能大幅提高无线频率的使用效率和系统可实现性。
（8）随时随地的移动接入。在4G系统中利用先进的无线接入技术，提供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务接入方式，让用户可在任何时间、任何地点接入到系统中。
（9）自治的网络结构。4G系统的网络将是一个完全自治、自适应的网络，它可以自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。
3.2 4G系统网络结构
在4G系统中，各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，网络的连接如图1所示。
从图1中可看出基于IP技术的网络架构使得用户在3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游可以实现。我们可将系统网络体系结构分为三层，如图2所示。
从图2可看出，上层是应用层，中间是网络业务执行技术层，下层是物理层。物理层提供接入和选路功能，中间层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理层与中间层提供开放式IP接口。应用层与中间层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。
4 第四代移动通信系统中的关键技术
4.1 调制技术与信号传输
在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落，实现调制/解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰落，并且新的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波带自适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。另外，电池功率的限制也必须突破。4G系统将采用这些调制方式以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。此外，高性能正向纠错（FEC）编码，如Turbo编码技术、自动重发请求（ARQ）和分集接收技术也是建立高速大容量网络的重要因素。
若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而第四代移动通信系统技术则以OFDM最受瞩目， 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，而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，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
4.2 软件无线电
软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ变换器 ,并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现 ,其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等。目前，软件无线电技术虽然基本上实现了其基本功能：硬件数字化、软件可编程化、设备可重复配置性，但是其传统的流水线式结构严重影响了设备可配置功能和设备的可扩展性。1999年，美国麻省理工学院V.Bose等人在Spectrum Ware项目支持下提出了网络式结构的虚拟无线电概念。这个项目致力于建立一个充分利用工作站提供的资源和网络优势的理想无线电结构，人们称它为虚拟无线电，这将是软件无线电的发展方向。国内，“863”中的软件无线电项目，也提出了类似的一种基于交换的硬件平台结构，它与1997年J.Mitola提出的基于交换的硬件平台结构完全类似。
4.3 智能天线（SA）
智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字——智能天线。
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术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接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个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两种：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量、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。正是在这一背景下，基于预多波束的切换波束工作方式被提出。此时全空域（各种可能的入射角）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（也有可能是几个，但需合并后再输出）作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其看作是介于扇形天线与全自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术发展的方向。
4.4 网络结构与协议
4G系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网络配置和集成式3G-WLAN无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密集业务，频率复用是关键，而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好，因为前者可以避免地理位置上的业务集中。
在处理多媒体业务时，智能无线资源管理是关键技术，无线系统资源（频率和发射功率）是有限的且易受阻塞的困扰，因此，有必要采用无线QoS资源控制，以保证业务质量和支持各种级别的应用。由4G系统支持的应用业务将依据业务的特点进行分类（如分为实时和非实时），无线QoS资源控制方式要既能支持实时性应用，也能支持非实时性应用。无线资源管理者首先检查可用资源、前/后向链路质量、应用类别以及QoS业务用户级别，然后再指配适当的前/后向链路速率和发射功率。4G系统中基于IP技术的网络结构可以处理IP包，方便地提供全向功能，关键是选路/切换和鉴权策略。
除此之外，另一项技术就是网络化。在第四代移动通信系统中，传统的电路交换和现行的分组交换网络将会被IP分组交换网络所取代，而射频(RF)、线性放大器与信道的控制均是相当重要的组件。至于其硬件上如何实现第四代网络架构，则是以OFDM技术为核心来发展硬件架构。若从架构上来看，目前第一、第二、第三代移动通信基础架构均是交换层架构，而第四代不仅要考虑到交换层级技术，还必须涵盖不同类型的通信接口，也就是说第四代主要是运用路由技术为主的网络架构。
5 第四代移动通信系统的展望
从第四代移动通信系统的发展前景来看，其技术的研究在未来几年内将取得很大的进展。4G技术除OFDM和智能天线等核心技术之外还包含一些相关技术。
（1）交互干扰抑制和多用户识别：待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分，它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收机的高质量接收信号。这种组合将满足更大用户容量的需求，还能增加覆盖范围。交互干扰抑制和多用户识别技术的结合将大大减少网络基础设施的部署，确保业务质量的改善。
（2）可重构性/自愈网络：在4G无线网络中将采用智能处理器，它们将能够处理节点故障或基站超载。网络各部分采用基于知识解答装置，将能够纠正网络故障，这种基于知识解答装置安装在无线网络控制器上。
（3）微微无线电接收器：微微无线电接收器是未来4G中要研究的另一个重点，它们是嵌入式无线电，例如“蓝牙”，在智能和功耗方面都得到改善。无线电装在一单片上，采用这种技术，功耗是采用现有技术的1/10~1/100。
（4）无线接入网（RAN）：4G系统不仅是高速度而且大容量，低比特成本，能够支持2010年后的业务，这些要求将使得4G RAN不同于目前的RAN，在结构上必然是革命性的。4G蜂窝系统的无线接入网络技术发展的趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，宏小区向微小区发展，设备分集向网络分集发展。基于IP分组业务不仅影响无线电传输协议，还影响RAN的选路和切换策略。这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网，包括IPv6和组播业务。
从4G的核心技术OFDM来看，其面临很好的机遇，因为OFDM已经获得了许多通信业界巨头的一致支持，其中包括朗讯、思科、飞利浦半导体和诺基亚。而且在这些公司最近的宣传中，都列举了OFDM优越于CDMA的种种特点，并显示了他们对OFDM成为第四代移动通信最终标准的强烈信心。
思科公司在购并了硅谷的技术公司Clarity Corporation而获得了其所有的VOFDM（矢量正交频分复用）专利之后，对外界宣称，已经生产出了具有U-NII波段和MMDS架构的设备，并作好了上市销售的准备。
在欧洲地区，无线本地环路与数字音讯广播已针对其室内应用而进行相关的研发，测试项目包括10Mbit/s与MPEG影像传输应用，而第四代移动通信技术则将会是现有两项研发技术的延伸，先从室内技术开始，再逐渐扩展到室外的移动通信网路。目前第四代移动通信的频段尚未被讨论与制订，不过原则上将会是以高频段频谱为主，另外也将会使用到微波相关的技术与频段。据有关专家预测：这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能的第四代移动通信系统，很可能到2010年就会出现相关的实验系统和手机模型。
当然，也应当看到，OFDM的成型技术产品还远不及CDMA那样丰富，目前只是在DSL(数字用户线)环境下的应用有了相当的规模，在此领域的应用也并不能在很大程度上体现OFDM性能上的过人之处。而且，在技术上仍存在不少问题。有专家提出对4G系统进行电磁兼容性（EMC）和对于人体的危害评估是极其重要的，尤其是高频段像毫米波和微米波这样的频率。
也有不少业内人士认为，尽管第四代移动通信技术有着比3G更强的优越性，可要是把4G投入到实际应用，需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造，这将会引发一系列的资金、观念（3G尚未商用，4G更是遥遥无期）等问题，从而在一定程度上会减缓4G正式进入市场的速度。
我们相信，在不久的将来4G在业务、功能、频宽上均有别于3G，应该将会是将所有无线服务综合在一起，能在任何地方接入因特网，包括定位定时、数据收集、远程控制等功能。移动无线因特网会是无边无际，而预计两年后3G的传输速度上限2Mbit/s很可能会到达饱和。所以4G将会是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP的系统，是新一代的移动通信系统。
参考文献
1 Zhou Shengli. Long codes for generalized FH-OFDMA through unknown multipath channels.IEEE Communication Magazine, 2001（5）：721~732
2 候健.GPRS、3G、4G如何抉择. 通信产业报, 2001-07-18
3 吴伟陵. 移动通信中的关键技术. 北京:北京邮电大学出版社，2002
[作者简介] 彭艺，博士研究生，就读于电子科技大学通信与信息工程学院通信专业，从事的研究方向是通信系统及其信号处理。查光明，电子科技大学教授，博士生导师，从事扩频通信的研究。
摘自《电信科学》2002.6
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