【正文】 ..... 34 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 1 前言 隨著 3G 在我國的商用以來 ,用戶在使用手機(jī)電視和視頻通話方面 ,出現(xiàn)信號不穩(wěn) ,視頻通話效果不好等問題。人們開始期望 4G 能夠解決這些問題 ,能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率 ,更大的容量和帶寬。從而使 4G 比 3G 更接近個(gè)人通信 ,在技術(shù)上比 3G更完善。 所謂 4G 技術(shù)是第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡稱，是集 3G 與 WLAN 于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品。 4G 系統(tǒng)能夠以 100Mbps 的速度下載，比撥號上網(wǎng)快 2021 倍，上傳的速度也能達(dá) 到 20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。而在用戶最為關(guān)注的價(jià)格方面， 4G 與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格方面不相上下，而且計(jì)費(fèi)方式更加靈活機(jī)動(dòng)，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外， 4G 可以在 DSL 和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯， 4G 有著不可比擬的優(yōu)越性 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 2 第一章 4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 4G 系統(tǒng)針對各種不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng) ,通過多媒體接入連接到基于 IP 的核心網(wǎng)中?；?IP 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使用戶可實(shí)現(xiàn)在 3G、 4G、 WLAN 及固定網(wǎng)間無縫漫游。4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層 :物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。 1) 物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能。 2) 中間環(huán)境層的功能有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量映射、地址變換和完全性管理等。 3) 物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開放的 ,使發(fā)展和提供新的服務(wù)變得更容易 ,提供無縫高數(shù)據(jù)率的無線服務(wù) ,并運(yùn)行于多個(gè)頻帶 ,這一服務(wù)能自適應(yīng)于多個(gè)無線標(biāo)準(zhǔn)及多模終端 ,跨越多個(gè)運(yùn)營商和服務(wù)商 ,提供更大范圍服務(wù)。 對于人們來說，未來的 4G 通信的確顯得很神秘，不少人都認(rèn)為第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是人類有史 以來發(fā)明的最復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，的確第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)在具體實(shí)施的過程中出現(xiàn)大量令人頭痛的技術(shù)問題，大概一點(diǎn)也不會(huì)使人們感到意外和奇怪，第四代無線通信網(wǎng)絡(luò)存在的技術(shù)問題多和互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)，并且需要花費(fèi)好幾年的時(shí)間才能解決?？偟膩碚f，要順利、全面地實(shí)施 4G 通信，可能遇到下面的一些困難： 近年來 3G 演進(jìn)技術(shù)的發(fā)展異常迅速，但無線技術(shù)是否已經(jīng)達(dá)到完美的地步 ?國家 863 計(jì)劃專家組成員、未來移動(dòng)通信論壇秘書長尤肖虎的答案是否定的。在他看來，現(xiàn)有無線技術(shù)有待解決的問題還很多，需要改進(jìn)的空間也很大 [1]。 從物理 層的傳輸技術(shù)看，雖然在目前 LTE、 UMB、 WiMAX 系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)很完善，但在此基礎(chǔ)上還需進(jìn)一步的改造，尤其在多用戶層面上。“目前， 4G 中的點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)將接近理論值，但多用戶傳輸技術(shù)還有很大的改進(jìn)空間，多小區(qū)傳輸技術(shù)的差距更大?！敝T如多用戶或多小區(qū)之間的協(xié)調(diào)、干擾的抑制抵消以及無線資源的分配等眾多問題，都還沒有系統(tǒng)的解決方案。另外跨層的設(shè)計(jì)和優(yōu)化也是需要解決的問題之一?！霸鹊姆謱永碚撔枰苊饪鐚勇?lián)動(dòng)的問題，而跨層設(shè)計(jì)的思想則恰恰相反，所以這是否是一個(gè)可能的發(fā)展方向還需進(jìn)一步討論?！庇刃せ⒅赋?。 尤肖虎認(rèn)為組網(wǎng) 層面上同樣存在很大的改進(jìn)空間。 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 3 （ 1）現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)向著扁平化發(fā)展，扁平化結(jié)構(gòu)固然具備顯而易見的優(yōu)勢，其中最突出的是簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和減少延時(shí)，但同時(shí)也帶來很多問題，如基站間的協(xié)調(diào)與管理。所以如何動(dòng)態(tài)地感知周圍干擾、對資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)的配置，成為扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)首先需要解決的問題，針對于這一點(diǎn)，尤肖虎認(rèn)為無線網(wǎng)絡(luò)的自組織、自優(yōu)化將成為未來可能的發(fā)展方向。 雖然去年的世界無線電大會(huì)指定了 4 個(gè) IMTAdvanced 的使用頻段，但在全世界范圍內(nèi)很難找到 4 個(gè)統(tǒng)一的頻段。以 ～ 為例，由于中國的該頻段已經(jīng)用于無 線衛(wèi)星的導(dǎo)航業(yè)務(wù)，使得這一頻段的利用非常復(fù)雜，并且出現(xiàn)了很多不確定性。所以提高頻譜利用率成為無線領(lǐng)域的重要命題。同時(shí)尤肖虎還提到，不同頻段都具有各自的特點(diǎn)，高頻段帶寬豐富，但是傳播衰減較大 。低頻段傳播質(zhì)量好，但其帶寬較為有限。尤肖虎認(rèn)為， 4G 技術(shù)在面臨多個(gè)頻段的情況下，能否將這些頻段有效地、甚至是動(dòng)態(tài)地利用起來，從而發(fā)揮各個(gè)頻段的優(yōu)勢，也是業(yè)界面臨的問題和需要努力的方向。 （ 2）小區(qū)中心的性能差異在 4G 中仍將是重大難題。由于信號存在衰減，離天線越遠(yuǎn)，頻譜利用率越低。而在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于基站處于小區(qū)的中心 位置，所以當(dāng)用戶在小區(qū)邊緣時(shí)很難充分享受到現(xiàn)有業(yè)務(wù)。如何改善小區(qū)覆蓋的均勻性就成為 4G 技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。關(guān)于改善小區(qū)邊緣性能的問題，尤肖虎提到了基于 Relay和基于分布式天線的兩種方式，他認(rèn)為 Relay 復(fù)雜度較低，容易實(shí)現(xiàn)，但問題是中繼節(jié)點(diǎn)離用戶較近，提高頻譜利用率的可能性也會(huì)因此而降低。相比而言分布式天線的方式復(fù)雜度較高，實(shí)現(xiàn)上也有一定的困難，但經(jīng)論證可以顯著提高系統(tǒng)容量，并可較好地兼顧傳輸性能，在相同天線相同發(fā)射功率的條件下，小區(qū)的頻譜利用率可以明顯提高。另外，出于對電磁污染和手機(jī)待機(jī)時(shí)間問題的考慮，手機(jī) 發(fā)射功率已經(jīng)成為“瓶頸”問題，分布式天線的方式則可以降低手機(jī)功率，對于此問題的解決也有很大助益。 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 4 第二章 4G 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù) OFDM OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù) ,實(shí)際上 OFDM 是 MCM MultiCarrierModulation,多載波調(diào)制的一種。其主要原理是 :將待傳輸?shù)母咚俅袛?shù)據(jù)經(jīng)串并變換 , 變成在子信道上并行傳輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)流 , 再用相互正交的載波進(jìn)行調(diào)制 , 然后疊加一起發(fā)送。 接收端用相干載波進(jìn)行相干接收 , 再經(jīng)并串變換恢復(fù)為原高速數(shù)據(jù)。 OFDM 技術(shù)的有很多優(yōu)點(diǎn) :可以消除或減小信號波形間的干擾 ,對多徑衰落和多普勒頻移不敏感 ,提高了頻譜利用率 。適合高速數(shù)據(jù)傳輸 ?？顾ヂ淠芰?qiáng) ?？勾a間干擾 (ISI)能力強(qiáng)。 軟件無線電 (SDR)是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)一通用硬件平臺(tái) ,利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各類無線電通信系統(tǒng)的一種開放式結(jié)構(gòu)的技術(shù)。其中心思想是使寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D/A)等先進(jìn)的模塊盡可能地靠近射頻天線的要求。盡可能多地用軟件來 定義無線功能。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術(shù)主要涉及數(shù)字信號處理硬件 (DSPH)、現(xiàn)場可編程器件 (FPGA)、數(shù)字信號處理 (DSP)等 [2] 。 智能天線技 術(shù) (SA) 智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。智能天線具有抑制信號干擾、自動(dòng)跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能 ,被認(rèn)為是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾 ,增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號 ,既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸 容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號的收發(fā) ,同時(shí) ,通過基帶數(shù)字信號處理器 ,對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并 ,實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 5 多輸 入多輸出 (MIMO)技術(shù) 多輸入多輸出技術(shù) (MIM0)是指在基站和移動(dòng)終端都有多個(gè)天線。 MIM0 技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用是在接收端和發(fā)射端使用多副天線 ,充分利用空間傳播中的多徑分量 ,在同一頻帶上使用多個(gè)子信道發(fā)射信號 ,使容量隨天線數(shù)量的增加而線性增加?？臻g分集有發(fā)射分集和接收分集兩類。基于分 集技術(shù)與信道編碼技術(shù)的空時(shí)碼可獲得高的編碼增益和分集增益 ,已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 MIM0 技術(shù)可提供很高的頻譜利用率 ,且其空間分集可顯著改善無線信道的性能 ,提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。 基 于 IP 的核心網(wǎng) 4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全 IP 的網(wǎng)絡(luò) ,可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案 ,能提供端到端的 IP 業(yè)務(wù) ,能同已有的核心網(wǎng)和 PSTN 兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu) ,能允許各種空中接口接入核心網(wǎng) 。同時(shí)核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。 IP 與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容 ,因 此在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有很大的靈活性 ,不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。 在 4G 通信系統(tǒng)中將取代 IPv4 協(xié)議 ,主要采用全分組方式 IPv6 技術(shù) ,IPv6 具有許多的優(yōu)點(diǎn) ,如 :有巨大的地址空間 。支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置的方式 。能夠提供不同水平的服務(wù)質(zhì)量 。更具有移動(dòng)性。 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 6 第三章 3G 與 4G 的比較 正當(dāng)?shù)谌苿?dòng)通信（ 3G）正在國內(nèi)全面鋪開的時(shí)候，比 3G 提速十倍以上的新一代移動(dòng)通信技術(shù) TD— LTE，在上海世博會(huì)上閃亮登場：高清視頻通話，實(shí)時(shí)展會(huì)直播， 高速移動(dòng)上網(wǎng)??多種移動(dòng)寬帶服務(wù)，不僅實(shí)現(xiàn)了對 平方公里的世博園區(qū)的完整覆蓋，而且還實(shí)現(xiàn)了黃浦江水面以及信息通信館、世博中心等 11 個(gè)重要場館室內(nèi)覆蓋。 在這個(gè)全球首個(gè)“準(zhǔn) 4G” TD— LTE 規(guī)模演示網(wǎng)獲得成功之后，中國移動(dòng)又計(jì)劃下半年在國內(nèi)三個(gè)城市進(jìn)行擴(kuò)大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)試用。引人注目的是， TD— LTE 已聚集了大批中外企業(yè)，如大唐、華為、中興、上海貝爾、摩托羅拉，以及創(chuàng)毅視訊、海思等國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商與芯片廠商。 種種跡象表明， 3G 尚在發(fā)力， 4G 已悄然逼近，且伸手可及。 由于目前 3G采用很多先進(jìn)性的技術(shù) , 將 來 4G在很大程度上進(jìn)一步融合 3G現(xiàn)有的技術(shù)。比如 ,智能天線 ,軟件無線電 ,聯(lián)合檢測 ,功率控制等。雖然 4G 繼承了 3G的許多技術(shù) ,但是在指標(biāo)和技術(shù)方面有諸多區(qū)別。 3G 提供了高速數(shù)據(jù) ,在圖象傳輸上 ,其靜止傳輸速率達(dá)到 2Mbps,高速移動(dòng)時(shí)的傳輸速率達(dá)到 114Kbps,慢速移動(dòng)時(shí)的傳輸速率達(dá)到 384kbps, 帶寬可以達(dá)到 5MHz以上 UMT 采用 WCDMA 技術(shù) ,利用正教碼區(qū)分用戶 ,有 FDD 和 TDD 兩種雙工方式。 4G 的性能指標(biāo)是 : a) 數(shù)據(jù)速率從 2Mbps 到 100Mpbs b) 容量達(dá) 到第 3 代系統(tǒng)的 5～ 10 倍 ,傳輸質(zhì)量相當(dāng)于甚至優(yōu)于第 3 代系統(tǒng)。廣帶局域網(wǎng)應(yīng)能與寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng) (B ISDN)和異步傳送模式 (ATM)兼容 ,實(shí)現(xiàn)廣帶多媒體通信 ,形成綜合廣帶通信網(wǎng) c) 條件相同時(shí)小區(qū)覆蓋范圍等于或大于第 3 代系統(tǒng)。 d) 具有不同速率間的自動(dòng)切換能力 ,以保證通信質(zhì)量。 e) 網(wǎng)絡(luò)的每比特成本要比第 3 代低。 4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 7 a) 3G 的關(guān)鍵技術(shù)是 CDMA 技術(shù) ,而 4G 采用的是 OFDM 技術(shù)。 OFDM 可以提高頻譜利用率 ,能夠克服 CDMA 在支持高速率數(shù)據(jù) 傳輸時(shí)信號間干擾增大的問題。 b) 在軟件無線電方面 ,4G 對 3G 中的軟件無線電技術(shù)進(jìn)行升級 ,滿足 4G 中無線接入多樣化要求 ,使得 3G 中無線接入標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題得以解決。同時(shí)在 4G 中 ,實(shí)現(xiàn)軟切換和硬切換相結(jié)合 ,對 3G 中的軟件無線電基礎(chǔ)上通過增加相應(yīng)的硬件模塊 ,對相應(yīng)的軟件進(jìn)行升級使他們最終都融合到一起 ,成為一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) , 實(shí)現(xiàn)各種需求的功能。 c) 3G 網(wǎng)絡(luò)采用的主要是蜂窩組網(wǎng) ,4G 采用全數(shù)字全 IP 技術(shù) ,支持分組交換 ,將 WLAN,Bluetooth 等局域網(wǎng)融入廣域網(wǎng)中。在 4G 中提高智能天線的的處 理速度和效率。在 TDSCDMA 采用智能天線的基礎(chǔ)上 ,對相關(guān)的軟件和算法加以升級 ,增加一些接口協(xié)議來滿足 4G 的要求。 d) 4G 系統(tǒng)也使用了許多新技術(shù) , 包括超鏈接 (ultra2connectivity)和特定無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、動(dòng)態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能頻譜動(dòng)態(tài)分配技術(shù)以及軟件無線電技術(shù) ,等等。 e) 在功率控制上 ,4G 比 3G 要求更加嚴(yán)格 ,其目的是為了滿足高速通信的要求。不僅頻率資源限制移動(dòng)用戶信號的傳輸速率 ,而且基站和終端的發(fā)射功率也限制了用戶信號的傳輸速率。在 3G 中 ,采用切換技術(shù)來減少對 其它小區(qū)的干擾 ,提高話音質(zhì)量 ,不過在 4G中 ,切換技術(shù)的應(yīng)用更加廣闊 ,并朝著軟切換和硬切換相結(jié)合的方向發(fā)展 [3]。 通信委員會(huì)的最新研究顯示，在使用同樣數(shù)量頻譜 (在客戶手機(jī)于互聯(lián)網(wǎng)之間傳送信息的無線電波 )的情況下，下一代移動(dòng)技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸能力將是現(xiàn)有 3G 技術(shù)的兩倍以上。 傳輸能力的增強(qiáng)對滿足英國迅速增加的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量來說至關(guān)重要，而移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的增加主要受智能手機(jī)和移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)服務(wù) (如流媒體、電子郵件、信息服務(wù)、地圖服務(wù)和社交網(wǎng)絡(luò)等 )增長的帶動(dòng)。 英國計(jì)劃從 2021 年開始采用 4G 移動(dòng) 通信技術(shù)，屆時(shí)，移動(dòng)寬帶服務(wù)的速度將4G網(wǎng)絡(luò)通信新技術(shù)研究 8 顯著提高 —— 接近目前的