通信學(xué)論文-4G概念移動通信關(guān)鍵技術(shù)淺析.doc

通信學(xué)論文-4G概念移動通信關(guān)鍵技術(shù)淺析摘要本文對3G和4G移動通信做了簡要的比較，并對4G移動通信系統(tǒng)中將會用到的關(guān)鍵技術(shù)做了分析。包括OFDM技術(shù)、智能天線技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、多用戶檢測技術(shù)、IPv6技術(shù)等。關(guān)鍵詞4G移動通信；OFDM；MUD；IPv61引言第三代移動通信系統(tǒng)是能夠滿足國際電聯(lián)提出的IMT-2000PFPLMTS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的新一代移動通信系統(tǒng)，要求具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)多個不同系統(tǒng)間的漫游，不僅要為移動用戶提供話音及低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)。根據(jù)ITU的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均己提出了自己的第三代移動通信系統(tǒng)方案，主要有W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA以及我國提出的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA。但3G也存在以下幾方面的局限性：不能支持較高的通信速率。3G雖然標(biāo)稱能達(dá)到2Mbit/s的速率，但平均速率只能達(dá)到384kbit/s。盡管目前3G增強型技術(shù)不斷發(fā)展，但其傳輸速率還有差距。不能提供動態(tài)范圍多速率業(yè)務(wù)。由于3G空中接口主流的三種體制WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA所支持的核心網(wǎng)不具有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，難以提供具有多種QoS及性能的多速率業(yè)務(wù)。不能真正實現(xiàn)不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境間的無縫漫游。由于采用不同頻段的不同業(yè)務(wù)環(huán)境，需要移動終端配置有相應(yīng)不同的軟、硬件模塊，而3G移動終端目前尚不能實現(xiàn)多業(yè)務(wù)環(huán)境的不同配置。由于3G系統(tǒng)以上的局限性，目前，很多公司已經(jīng)開始著手4G概念通信系統(tǒng)的研究。本文主要介紹4G概念通信的技術(shù)特點以及可能采用的關(guān)鍵技術(shù)。24G概念通信技術(shù)特點目前，業(yè)界專業(yè)人士對4G概念移動通信系統(tǒng)的共識主要有以下幾點：a)用戶可以在任何地點、任何時間以任何方式不受限地接入網(wǎng)絡(luò)中來；b)移動終端可以是任何類型的；c)用戶可以自由地選擇業(yè)務(wù)、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)；d)可以實現(xiàn)非常先進(jìn)的移動電子商務(wù)；e)新的技術(shù)可以非常容易地被引入到系統(tǒng)和業(yè)務(wù)中來。根據(jù)以上描述，未來的4G系統(tǒng)應(yīng)具備以下的基本條件。(1)具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s；對于中速移動用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbbit/s；對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s。(2)實現(xiàn)真正的無縫漫游。4G移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，能使各類媒體、通信主機及網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行“無縫連接”，真正實現(xiàn)一部手機在全球的任何地點都能進(jìn)行通信。(3)高度智能化的網(wǎng)絡(luò)。采用智能技術(shù)的4G通信系統(tǒng)將是一個高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行結(jié)合的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應(yīng)性和靈活性。(4)良好的覆蓋性能。4G通信系統(tǒng)應(yīng)具有良好的覆蓋并能提供高速可變速率傳輸。對于室內(nèi)環(huán)境，由于要提供高速傳輸，小區(qū)的半徑會更小。(5)基于IP的網(wǎng)絡(luò)。4G通信系統(tǒng)將會采用IPv6，IPv6將能在IP網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務(wù)。(6)實現(xiàn)不同QoS的業(yè)務(wù)。4G通信系統(tǒng)通過動態(tài)帶寬分配和調(diào)節(jié)發(fā)射功率來提供不同質(zhì)量的業(yè)務(wù)。34G概念通信關(guān)鍵技術(shù)探討（1）正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)第四代移動通信系統(tǒng)主要是以O(shè)FDM為核心技術(shù)。OFDM技術(shù)實際上是多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，是因為OFDM有很多獨特的優(yōu)點：a)頻譜利用率高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，其頻譜利用率可以接近Nyquist極限。b)抗衰落能力強。OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，這樣在每個子載波上的信號時間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，從而使OFDM對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強。c)適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時候，應(yīng)采用效率高的調(diào)制方式；而當(dāng)信道條件差的時候，則應(yīng)采用抗干擾能力強的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使得系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。d)抗碼間干擾(ISI)能力強。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，故對抗碼間干擾的能力很強。（2）智能天線技術(shù)智能天線采用了空時多址（SDMA）的技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號進(jìn)行區(qū)分，動態(tài)改變信號的覆蓋區(qū)域，將主波束對準(zhǔn)用戶方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號方向，并能夠自動跟蹤用戶和監(jiān)測環(huán)境變化，為每個用戶提供優(yōu)質(zhì)的上行鏈路和下行鏈路信號從而達(dá)到抑制干擾、準(zhǔn)確提取有效信號的目的。這種技術(shù)具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束等功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。目前，智能天線的工作方式主要有全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。全自適應(yīng)智能天線雖然從理論上講可以達(dá)到最優(yōu)，但相對而言各種算法均存在所需數(shù)據(jù)量、計算量大、信道模型簡單、收斂速度較慢，在某些情況下甚至出現(xiàn)錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當(dāng)干擾較多、多徑嚴(yán)重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進(jìn)行實際跟蹤。在基于預(yù)多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預(yù)先計算好的波束分割覆蓋，各組權(quán)值對應(yīng)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(wù)是挑選一個作為工作模式，與自適應(yīng)方式相比它顯然更容易實現(xiàn)，是未來智能天線技術(shù)發(fā)展的方向。（3）無線鏈路增強技術(shù)可以提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術(shù)有：分集技術(shù)，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來獲得最好的分集性能；多天線技術(shù)，如采用2或4天線來實現(xiàn)發(fā)射分集，或采用多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)來實現(xiàn)發(fā)射和接收分集。MIMO技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、提高系統(tǒng)容量、提高傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。（4）軟件無線電（SDR）技術(shù)在4G系統(tǒng)中，若要實現(xiàn)“任何人在任何地點以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)”的理想通信方式，則至少需要保證移動終端能夠適合各種類型的空中接口，能夠在各類網(wǎng)絡(luò)環(huán)境間無縫漫游，并可以在不同類型的業(yè)務(wù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這就意味著在4G系統(tǒng)中，軟件將會變得非常復(fù)雜。為此，專家們提議引入軟件無線電技術(shù)，軟件無線電是近幾年隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，它以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支持。軟件無線電概念一經(jīng)提出，就受到各方的極大關(guān)注，這不僅是因為軟件無線電概念新技術(shù)先進(jìn)、發(fā)展?jié)摿Υ螅鼮橹匾氖撬鼭撛诘氖袌鰞r值也是極具吸引力的。軟件無線電強調(diào)以開放性最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的不同應(yīng)用軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。其中心思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)中，軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁。由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)風(fēng)險，所以未來4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品要求，而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)，它不僅能減少開發(fā)風(fēng)險，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而降低了運算器件的價格，其開放的結(jié)構(gòu)也會允許多方運營的介入。（5）多用戶檢測技術(shù)4G系統(tǒng)的終端和基站將用到多用戶檢測技術(shù)以提高系統(tǒng)的容量。多用戶檢測技術(shù)的基本思想是：把同時占用某個信道的所有用戶或部分用戶的信號都當(dāng)作有用信號，而不是作為噪聲處理，利用多個用戶的碼元、時間、信號幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測單個用戶的信號，即綜合利用各種信息及信號處理手段，對接收信號進(jìn)行處理，從而達(dá)到對多用戶信號的最佳聯(lián)合檢測。它在傳統(tǒng)的檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶的信號進(jìn)行檢測，從而具有良好的抗干擾和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)性能，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量?，F(xiàn)有的多用戶檢測算法在計算復(fù)雜度與處理時延問題上存在不足，且算法中一些參數(shù)(頻率、幅度、定時、相位等)估計有誤時，會使得相關(guān)矩陣產(chǎn)生較大偏差，導(dǎo)致整個系統(tǒng)性能急劇下降。另一方面，當(dāng)前的MUD算法只考慮了同小區(qū)內(nèi)的干擾，而沒有考慮相鄰小區(qū)間的同頻率用戶干擾。一般的多用戶檢測研究都假設(shè)用戶數(shù)據(jù)是獨立等概率的，沒有考慮信道編碼的影響，現(xiàn)在組合信道編碼和多用戶檢測的研究受到越來越多的重視。另外，目前的研究方向還包括多速率多用戶檢測和多用戶檢測與空時二維信號處理、多載波調(diào)制、功率控制等技術(shù)的結(jié)合。（6）IPv6技術(shù)4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術(shù)將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點考慮：a)巨大的地址空間。在一段可預(yù)見的時期內(nèi)，它能夠為所有可以想像出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個全球惟一的地址。b)自動控制。IPv6還有另一個基本特性就是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置方式。無狀態(tài)地址自動配置方式是獲得地址的關(guān)鍵。在這種方式下，需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機制來獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地址之后，它將用另一種即插即用的機制，在沒有任何人工干預(yù)的情況下，獲得一個全球惟一的路由地址。c)服務(wù)質(zhì)量。服務(wù)質(zhì)量(QoS)包含幾個方面的內(nèi)容。從協(xié)議的角度看，IPv6與目前的IPv4具有相同的QoS，但是IPv6能提供不同的服務(wù)。這些優(yōu)點來自于IPv6報頭中新增的字段“流標(biāo)志”。有了這個20位長的字段，在傳輸過程中，中國的各節(jié)點就可以識別和分開處理任何IP地址流。盡管對這個流標(biāo)志的準(zhǔn)確應(yīng)用還沒有制定出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但將來它無疑將用于基于服務(wù)級別的新計費系統(tǒng)。d)移動性。移動IPv6在新功能和新服務(wù)方面可提供更大的靈活性。每個移動設(shè)備設(shè)有一個固定的家鄉(xiāng)地址，這個地址與設(shè)備當(dāng)前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關(guān)。當(dāng)設(shè)備在家鄉(xiāng)以外的地方使用時，通過一個轉(zhuǎn)交地址即可提供移動節(jié)點當(dāng)前的位置信息。移動設(shè)備每次改變位置都要將它的轉(zhuǎn)交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應(yīng)的通信節(jié)點。4結(jié)束語4G移動通信系統(tǒng)目前還只是一個基本概念，4G網(wǎng)絡(luò)的定義仍然還不明確，IEEE等標(biāo)準(zhǔn)化組織仍處于制定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的過程中。但是融合現(xiàn)有的各種無線接入技術(shù)的4G系統(tǒng)將成為一個無縫連接的統(tǒng)一系統(tǒng)，實現(xiàn)跨系統(tǒng)的全球漫游及業(yè)務(wù)的可攜帶性，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)，它將幫助我們實現(xiàn)充滿個性化的通信夢想。參考文獻(xiàn)1AjayR.Mishra著，中京郵電通信設(shè)計院，無線通信研究所譯.蜂窩網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化基礎(chǔ).北京:機械工業(yè)出版社，2004.2何琳琳，楊大成.4G移動通信系統(tǒng)的主要特點和關(guān)鍵技術(shù).移動通信，2004(2).3NamgiKim；HymenChoir；HyunsooYoon.Seamlesshandoffschemefor4GmobilesystemsbasedonIPandOFDM.2004IEEE60thVolume5，26-29Sept.2004Page(s):3315-3318Vol.54Gazis，V.；Housos，N.；Alonistioti，A.；Merakos，L.Genericsystemarchitecturefor4Gmobilecommunications.The57thIEEESemiannualVolume3，22-25April2003Page(s):1512-1516vol.35Lu，W.W.4GmobileresearchinAsia.CommunicationsMagazine