南京邮电学院通信工程系
陈郧 王妹
移动通信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)，随着第三代移动通信系统(3G)逐步进入实际应用阶段，第四代移动通信系统(4G)未来的发展及演进问题成为当前研究的热点。目前第四代移动通信技术(4G)正在研制过程中，在本文中，笔者将针对4G的技术特征及其框架结构进行初步的探讨，对其关键技术部分进行详尽的叙述，同时指出4G发展所面临的挑战。
4G系统崭露头角
到目前为止，3G各种标准和规范已达成协议并已进入商用。然而我们同时也应该看到，3G系统也有其局限性，如：缺乏全球统一标准；3G所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换，而不是纯IP方式；由于受到多用户干扰，CDMA难以达到很高的通信速率等。因此针对以上各种缺点，构思中的4G系统应该具有如下特征：
高速率，高容量：专家预估，对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2Mbps；对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20Mbps；对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100Mbps。其容量至少是3G系统容量的10倍以上。
更加平滑的兼容性能：4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G平稳过渡等特点。
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。
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。
完全集中的服务：个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务将结合成整体，服务和应用将更加广泛、安全、方便和个性化。
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。其核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。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，如图所示。
三大关键技术探讨
OFDM
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道，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，因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷，这样可优化总的传输速率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中由于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。OFDM技术主要的技术难点是系统中的频率和时间同步，基于导频符号辅助的信道估计，峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。
智能天线(SA)与多入多出天线(MIMO)技术
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。
软件无线电技术(SDR)
软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。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其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。
发展面临四大挑战
要顺利地把4G系统投入实际应用，会遇到技术和市场两方面的挑战。
4G系统所运用的各种核心技术还不完善，这些技术的逐步完善是一个长期的过程。例如核心网的移动IP技术，对于第四代移动通信系统而言，移动IP技术缺乏实时位置管理和快速无缝切换机制的支持。另外移动IP环境下的QoS所使用的综合业务/RSVP技术和区别型业务技术也是有待解决的重要问题之一。而且这些技术在移动IP平台上并不是最优的。
4G系统所标称的最大速度，在实际应用中，很难达到理论值。人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到100Mbps，但手机的传输速度将受到通信系统容量的限制。
4G的发展实施还要受到市场压力的影响。有专家预测，在10年以后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系统，到那时，整个行业正在消化吸收第三代技术，利用4G相关技术对3G进行改进与完善的工作也会同时进行，对于4G系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。另外在过渡过程中，号称5G的技术随时都有可能威胁到4G的盈利计划。
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、观念等问题，从而在一定程度上会减缓4G正式进入市场的速度。
虽然4G系统的发展道路是坎坷的，其中也充满了变数。但是随着新技术和新需求的不断出现，4G必然会取代3G，成为未来移动通信领域的主导技术，4G一定会使我们未来的移动通信事业前景更美好。
摘自《人民邮电报》
|