第四代移動通信系統研究論文

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摘要：結合當前的發展趨勢闡述了第四代移動通信系統的概念、目標要求和具體特點，并對第四代移動通信系統中可能采用的一些關鍵技術進行了討論。

關鍵詞：第四代移動通信關鍵技術

0引言

第三代移動通信（3G）在20世紀80年代末提出時倍受關注，近年來卻遭遇降溫。究其原因，單從技術角度考慮，3G系統就有很多需要改進的地方，如采用電路交換，而不是純IP方式；所能提供的最高速率只有384kbit/s(標稱最高速率為2Mbit/s)不能滿足用戶對移動通信系統的速率要求；不能充分滿足移動流媒體通信(視頻)的完全需求；沒有達成全球統一的標準等。

正是由于3G的諸多不足，使得在3G還沒有大規模投入商用、距離完全實用化還有一段時間的情況下，國內外移動通信領域的專家就已經在進行第四代移動通信系統（4G）的研究和開發工作。

1什么是第四代移動通信技術

嚴格說來，現在還不能對第四代移動通信作出確切地定義，但可以肯定，4G通信將是一個比3G通信更完美的無線世界，它可以創造出許多難以想象的應用。

關于4G的一般描述為：“第四代移動通信的概念可稱為廣帶接入和分布網絡，具有非對稱的和超過2Mbit/s的數據傳輸能力。它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（基于地面和衛星系統）。此外，第四代移動通信系統將是由多功能集成的寬帶移動通信系統，也是寬帶接入IP系統”。

實際上，世界各國在對4G的設想上存在著巨大的差異。

歐洲國家一般認為4G是一種可以有效使用頻譜的數據通信技術，并且以IPv6為基礎!網絡上的所有單位都有自己的IP地址。通過在移動通信網絡中引入IPv6就可以把現有的各種不同的網絡融合在一起，如4G網絡將會融合衛星和平流層通信系統、數字廣播電視系統、各種蜂窩和準蜂窩系統#無線本地環路和無線局域網，并且可以和2G、3G兼容。

與歐洲關于4G的觀點正相反。日本熱衷于建立一個單一的4G全球標準。

美國則希望把WLAN技術進行擴展，從而演進為4G的基礎。

2第四代移動通信的目標要求和特點

2.1目前業界人士對第四代移動通信已達成的共識

a)與已有的數字移動通信系統相比，4G系統應具有更高的數據速率和傳輸質量。更好的業務質量（QoS）更高的頻譜利用率,更高的安全性\智能性和靈活性;

b)可以容納更多的用戶,應能支持包括非對稱性業務在內的多種業務;

c)4G系統應體現移動與無線接入網和IP網絡不斷融合的發展趨勢,將在不同的固定和無線平臺以及跨越不同頻帶的網絡運行中提供無線服務;

d)能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫游,包括網絡無縫\終端無縫和內容無縫;

e)將是多功能集成的寬帶移動通信系統，不僅聯系人與人，更將聯系人與機器、環境，人們將能夠隨時隨地的接入需要的多媒體信息，并可遠端控制其他設備。

2.2第四代移動通信系統的一些具體特點

2.2.1傳輸速率更快

4G系統的目標速率為：

a)對于大范圍高速移動用戶（250km/h）數據速率為2Mbit/s；

b)對于中速移動用戶（60km/h）數據速率為20Mbit/s；

c)對于低速移動用戶（室內或步行者），數據速率為100Mbit/s。

2.2.2帶寬更寬

據研究，每個4G信道將占有100MHz或更多帶寬，而3G網絡的帶寬則在5～20MHz之間。

2.2.3容量更大

將采用新的網絡技術（如空分多址技術等）來極大地提高系統的容量，以滿足未來大信息量的需求。

2.2.4智能性更高

4G系統的智能性更高"它將能自適應地進行資源分配，處理變化的業務流和適應不同的信道環境。

4G網絡中的智能處理器將能夠處理節點故障或基站超載，4G通信終端設備的設計和操作也將智能化。

2.2.5實現更高質量的多媒體通信

4G通信能提供的無線多媒體通信服務將包括語音、數據、影像等，大量信息透過寬頻信道傳送出去，讓用戶可以在任何時間、任何地點接入到系統中，因此4G也是一種實時的&寬帶的以及無縫覆蓋的多媒體移動通信。

2.2.6兼容性能更平滑

要使4G通信盡快地被人們接收，還應該考慮到讓更多的用戶在投資最少的情況下輕易地過渡到4G通信。因此，從這個角度看，4G通信系統應當具備真正意義上的全球漫游（包括與3G、WLAN和固定網絡之間無縫隙漫游）接口開放、能跟多種網絡互聯、終端多樣化以及能從2G平穩過渡等特點。

2.2.7業務的多樣性

在未來的全球通信中，人們所需的是多媒體通信，因此個人通信、信息系統、廣播和娛樂等各行業將會結合成一個整體，提供給用戶比以往更廣泛的服務與應用。系統的使用也會更加安全、方便，更加照顧用戶的個性。

2.2.8靈活性較強

4G系統將能夠自適應地進行資源分配，調整系統根據通信過程中變化的業務流大小進行相應處理。對信道條件不同的各種復雜環境都能進行信號的正常發送與接收，具有很強的智能性、適應性和靈活性。

用戶將使用各式各樣的移動設備接入到4G系統中來。設備與人之間的交流不再是簡單的聽、說、看，還可以通過其他途徑與用戶進行交流。4G移動設備的功能已不能簡單地劃歸到“電話機”的范疇，而且從外觀和式樣上也將會有更驚人的突破，也許眼鏡、手表、旅游鞋等都有可能成為4G終端。

2.2.9用戶共存性

4G中的移動通信技術能夠根據網絡的狀況和變化的信道條件進行自適應處理，使低速與高速用戶以及各種各樣的用戶設備能夠并存與互通，從而滿足系統多類型用戶的需求。

2.2.10通信費用更加便宜

4G通信能解決與3G的兼容性問題，讓更多的現有通信用戶輕易地升級到4G通信，而且4G通信引入了許多尖端通信技術，相對其他技術來說，4G通信部署起來就容易、迅速得多。

2.2.11靈活的網絡結構

4G系統的網絡將是一個完全自治、自適應的網絡，它可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。4G系統具有不同的網絡結構，可能存在與1G、2G、3G完全不同的、沒有基站的網絡結構，包括Adhoc網＿自組織網絡。

2.2.12將能實現不同QoS的業務

4G系統通過動態帶寬分配和調節發射功率來提供不同級別的QoS

34G系統中可能的關鍵技術

近年來人們對實現B3G/4G的關鍵技術進行了大量的研究，并取得了初步的成果。歸納起來可分為以下一些方面。

3.1未來移動通信系統需要研究的課題

a)與系統相關的技術：IP語音技術，軟件無線電技術，廣帶無線收發信機，移動服務的系統平臺，高可靠性的網絡結構，全IP無線，安全性、加密、計費、身份認證及移動電子商務Adhoc網技術。

b)與應用相關的技術：下一代編碼/壓縮技術，動態可變碼率編碼技術，移動技術，人＿機接口（包括“智能”移動終端），流數據通信技術，內容描述語言，應用發展環境技術。

c)先進的無線接入技術：動態QoS控制，差錯控制及超高速小區搜索，多播技術，IP移動性控制，無縫IP包傳輸，鏈路自適應，光纖無線電。

d)頻率的有效利用：微波頻帶的開拓，頻帶的共用與頻率的共享，自適應動態信道分配，抗干擾與抗衰落技術，高密度三維蜂窩結構，自適應陣列無線及多輸入多輸出（MIMO）天線系統，自適應高效多電平調制，正交頻率復用（OFDM）技術。

e)先進的移動終端：新的功率管理技術，可包裝終端技術，高功能顯示器件技術，語聲識別技術，下一代半導體器件技術，靈敏度的增強，移動終端的系統平臺，移動終端安全性增強技術。

3.24G系統中可能用到的一些關鍵技術

3.2.1無線接入方式與多址方案

a)在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統最為合適的多址方案，從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統最有可能采用的多址方式。

OFDM是無線環境下的一種特殊的多載波傳送方案。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，即具有頻率選擇性，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸，這樣，盡管總的信道是非平坦的，但每個子信道是相對平坦的，并且在每個子信道上進行窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。另外，OFDM棄用了傳統的使用帶通濾波器來分隔子載波頻譜的方式，改用跳頻方式來選用那些即便頻譜混疊也能夠保持正交的波形，而且OFDM系統的各個載波可以根據頻譜利用率和誤碼率的最佳平衡原則來為子載波選擇不同的調制方式，如BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等。

OFDM的主要優點是對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾，能夠克服高速率數據傳輸時符號間干擾增大的問題；各個子信道的載波相互正交，在減小子載波間的相互干擾的同時又提高了頻譜利用率；硬件實施簡單等。

OFDM的主要缺點是功率效率不高，對載頻的偏置較敏感。OFDM系統對載頻的偏置比較敏感的主要原因是在頻率選擇性深衰落情況下，OFDM系統在相應子載波上的數據可能被破壞。為此，眾多學者把OFDM與直接序列擴頻相結合，使得信號可以在多個載波上擴展，這樣一來就能有效地利用未被破壞的子載波上的信息恢復出原始數據，實現頻率的分集。

OFDM技術的主要技術難點是系統中的頻率和時間同步、基于導頻符號輔助的信道估計、峰平比問題、多普勒頻偏引起的互載頻干擾（ICI）降低系統性能的問題以及基于OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統的多址方案的研究。

b)日本NTTDoCoMo提出的4G移動系統方案的無線接入方式為VSF（variablespedingfactor）-OFCDM(orthogonalfrequencyandcodedivisionmul-tiplexing)。VSF-OFCDM在采用多載波的同時，進行與CDMA相同的擴散處理來增大容量。

其最大特點在于，可以根據具體的通信服務來改變時間方向與頻率方向上的擴散率，從而在類似熱點的孤立區域，通過降低擴散率來優先增大傳輸速率；而在用戶眾多的環境下，提高擴散率，增加系統容量。這種接入方式可以提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響，可通過改變擴頻因子，應用于高密度業務區和一般業務區。

3.2.2調制與編碼

a)多載波調制（MCM）技術的基本原理是將所要傳輸的數據流分解成若干個子數據流，每個子數據流具有低得多的數據傳輸比特速率，用這些數據流去并行調制若干個載波，然后合成輸出。其主要優點是可以有效抑制在單載波系統接收機中由于線形均衡所引起的噪聲及干擾的提高，較長的信元周期對噪聲和快衰落有更大的抵抗性。

時間彌散是無線信道傳輸速率受限的一個主要原因，而在多載波調制的子信道中，數據傳輸速率相對較低，碼元周期長，只要時延擴展與碼元周期之比小于一定的值就不會產生碼間干擾，即MCM對新到的時延彌散不敏感，具有抗時延彌散的特性。

MCM通常可以通過多載波碼分多址（MC-CD-MA）、正交頻分復用時分多址（OFDM-TDMA）和多音實現幾種技術途徑來實現。

b)自適應調制與編碼（AMC）是目前研究的又一熱點技術。AMC的原理是根據信道條件（基于從接收機反饋信息來估計）瞬時的變化改變調制與編碼格式，對每個用戶的鏈路參數優化$以達到最大化系統容量。

具有AMC的系統，接收機將收集一系列信道的統計數值，提供給發射機和接收機去優化系統參數（如調制及編碼、信號帶寬、信號功率、訓練周期、信道估值濾波器、以及自動增益控制等），允許按照信道條件分配給不同的用戶不同的數據率。對于靠近小區基站的用戶分配給較高碼率的較高階的調制（如64QAM，R=3/4Turbo）,對于靠近小區邊界的,則分配給具有較低碼率的較低階調制(如QP-SK,R=1/2Turbo碼)。AMC擴展了系統自適應良好信道條件的能力。

預計4G系統將會采用多載波調制技術#

3.2.3無線鏈路增強技術

能夠提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術有分集技術，如通過空間分集、時間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法可獲得最好的分集性能；多天線技術，如采用2或4天線可實現發射分集，或者采用MIMO技術可實現發射和接收分集。

對4G廣帶無線移動通信高性能的要求，促使其在基站及用戶終端采用多天線系統。

廣帶信道是一個典型的非視線信道，并包含不匹配性，如時間選擇性及頻率選擇性衰落。傳統無線通信理論一直將多徑傳播視為造成無線信號衰落的干擾之一，而采用多天線則產生了多個空間信道，所有的信道不會同時產生衰落，因此MIMO天線系統恰恰利用了傳播環境的多徑特性，極大地提高了前向和反向鏈路的容量，并增加通信范圍與可靠性。

3.2.4高效的頻譜使用方案

頻譜資源是一種有限的資源，在4G系統中，一方面要采用有效的措施提高頻譜利用率，另一方面要開發新的頻譜資源。因此，研究高頻段寬帶信號傳輸特性就變得非常重要。

3.2.5基于IP的核心網

綜觀當前的發展趨勢，IP被認為是下一代移動通信最適合的網絡層技術。統一的IP核心網絡獨立于具體的接入方案，使不同的無線和有線接入技術實現互聯與融合，無線接入點可以是蜂窩系統的基站、無線局域網（WLAN）或者是Adhoc自組織網等。對于公用電話網、2G以及未實現全IP的3G網絡等則通過特定的網關連接。

目前移動OK急待解決的問題有三角路由問題&漫游和切換問題&安全問題等#

3.2.6軟件無線電（SDR）技術

在4G系統中，由于移動用戶在不同的系統間漫游，系統之間以及系統內部需要無縫切換，而且隨著4G系統的發展，會不斷出現新的業務和新的需求，這些都需要對終端和網絡節點進行重新配置。

軟件無線電在4G中的可能應用為：

a)采用軟件無線電實現的基站可同時為多個網絡服務；

b)當終端移動時可重新配置。如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動通信系統中時，終端可按照該系統的標準重新自動配置該終端，從而使該終端獲得服務。

采用軟件無線電技術實現的移動終端或基站將采用模塊化結構，主要由天線模塊、LNA模塊、ADC/DAC功率放大器模塊、DSP模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。

3.2.7高性能的接收機

按照Shannon定理,對于3G系統如果信道帶寬為5MHz,數據速率為2Mbit/s,則所需的SNR為1.2dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mbit/s的數據,則所需要的SNR為12dB。

可見由于4G系統的速率很高，因此對接收機的性能要求也要高很多。

3.2.8智能天線技術

智能天線原名自適應天線陣列，它具有抑制干擾、自動跟蹤信號以及采用空時處理算法形成數字波束等智能功能，可以跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號，實現空間分集，提高信噪比，提升系統通信質量，緩解無線通信日益發展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統整體造價。

目前，智能天線被認為是未來移動通信的關鍵技術之一，其工作方式主要有全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式兩種。

全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據量、計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點；實際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。而對于預多波束的切換波束工作方式，全空域（各種可能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊#接收時的主要任務是挑選一個#也有可能是幾個’但需合并后再輸出(作為工作模式。與自適應方式相比它顯然更容易實現，實際上可將其看作是介于扇形天線與全自適應天線間的一種技術，也是未來智能天線技術發展的方向。

3.2.9多用戶檢測技術

多用戶檢測器可以提高系統的容量，因此將是

4G系統必然采用的技術.

隨著多用戶檢測器研究的不斷深入，各種高性能但算法又不特別復雜的多用戶檢測器算法不斷被提出來，因此在實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

3.2.10系統資源管理

在第四代移動通信系統中，移動商務和對QoS有較高要求的各類業務將持續增長。網絡將處理前所未有的多媒體業務量、多運營商配置、無需授權頻段和Adhoc網絡拓撲等#各類結構的存在也使得具有不同QoS方案的不同域之間具有移動性和互相作用,從而顯著增加了系統的全局復雜度.

這需要一個具有豐富連接性和智能的QoS無線分組網絡的支撐#系統的\先進的無線資源管理策略也成為必需。該策略的關鍵單元包括協調業務連接處理的業務管理部分，維護所有網絡實體已分配的和可用的資源許可控制管理部分，以及按照QoS需求和業務條件在共享同一資源的業務之間分配可用資源的資源管理部分。

采用一些能夠使網絡有效滿足不同業務請求的政策或機制#包括接入控制、資源調度、緩沖區管理和流量控制等。系統檢測可用的資源以及信號的質量，然后根據不同用戶、不同業務質量要求動態地分配頻率資源和信號發射功率，從而大大提高系統的性能。

3.2.11Adhoc網絡技術

未來移動通信網絡除了以低成本達到高數據速率外，還要求在無專用通信基礎設施下，網絡具有適應和生存能力。

Adhoc網絡或稱為分組無線網絡作為非集中控制網絡結構，因靈活性將在未來網絡中扮演重要角色。用戶和路由器能在網絡中隨機移動的Adho網絡正成為主要研究領域，它準許袖珍終端擴展接入和改進應急通信質量。

現今蜂窩通信系統依靠集中控制和管理，而下一代移動通信系統標準轉向固定與移動網絡相結合，無隙縫和全方位通信Adhoc模式。

Adhoc網絡沒有事先確定的基礎設施和網絡鏈路的時間特性，給分組無線網絡設計和實施帶來一些基本的挑戰，它們是：

a)必須優化設計安全和路由功能，保證分布式結構有效運行；

b)在網絡動態時，降低路由表更新頻數和開銷來保證鏈路連接；

c)在多跳網絡中，改進路由協議設計來減少鏈路容量和等待時間的波動；

d)全面權衡網絡連接（覆蓋）、時延、容量和功率預算等指標；

e)以優化功率管理和MAC設計來減少先進技術的負面效應。

3.2.12網絡設計

OSI網絡分層設計已經為通信系統服務多年，隨著無線網絡的發展和網絡功能發生變化，對網絡特性的要求也發生了變化，如時延、吞吐量、支持各種QoS多媒體業務動態流量\差錯率、頻譜帶寬、節點連續不斷進出網絡引起的網絡拓撲變化等，這些都對網絡設計提出了新的挑戰。

4結束語

以上對4G的目標和關鍵技術進行了一些探討，具體的實現還會面臨著許多問題。但是4G的曙光已經出現，可以預見，隨著技術的進步和網絡的發展，下一代的移動通信世界必將會更加燦爛輝煌。

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