4G移动通信关键技术及特征解析.docx

1、4G移动通信关键技术及特征解析4G 移动通信关键技术及特征(转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

2、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 810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,

3、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

4、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, 2

5、004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

6、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

7、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 IM

8、T-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

9、 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

10、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

11、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 Wibr

12、o 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

13、, 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

14、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。

15、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

16、 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

17、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

18、智能性、适应性和灵活性。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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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（M

24、ISO）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，

25、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

26、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 20

27、Mb/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

28、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

29、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。 FuTURE 计划的支持下， 在 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

30、）还没确定 4G 标准。根据 ITU 的 4G 时间表：20062007 年完成频谱规划， 20072008 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。 来源：中国联通网站 此贴子已经被作者于 2008-4-25 9:41:58 编辑过