关于4G网络结构及关键技术的探讨

关于4G网络结构及关键技术的探讨
吴俊宝
【摘要】4G是多种接入技术的综合系统,基于一个公共平台完成最佳路径选择满足不同的业务要求,实现各种技术的无缝链接.简要介绍4G的网络结构,详细地叙述了无缝网络结构和各种接入技术的分层结构,并列出一些接入技术的关键参数进行比较,最后对一些关键技术做出了简要的叙述并提出展望.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2006(029)022
【总页数】3页(P96-98)
【关键词】全IP;无缝网络;水平(垂直)移交;OFDM;智能天线
【作者】吴俊宝
【作者单位】94669部队司令部,安徽,芜湖,241007
【正文语种】中文
【中图分类】TN91
1 引言
自从20世纪90年代开始，移动通信系统得到了飞速发展，给人们的生活带来了极大的方便。

第一代系统是基于模拟技术的，仅提供语音服务；第二代系统则采用数字技术来提供语音服务，并附带一定的数字业务；近来，第三代通信系统正在进行标准化。

但是，第三代系统并没有发生“质”的飞跃，话音业务仍是主导，只是
速率得到提高；当第三代移动网络系统的部署正在全世界范围内如火如荼地展开时，又推出了第四代系统[1]。

其发展过程如图1所示。

图1 移动通信系统的演变
随着社会的发展，移动无线接入将占主导地位，所以移动终端将取代现在占主导地位PC的地位。

未来无线通信系统需要慎重设计，用来满足比较经济的数据包传输。

2 4G无线通信系统
2.1 无缝网络结构[2]
4G无线通信系统的特征是不同接入技术到不同的用户终端(如
cellular\cordless\WLAN系统、短距离连接、广播系统、有线系统等)之间的水平通信(如图2所示)。

图2 4G无线通信系统之间的水平通信
这些不同的系统要基于一个统一、灵活和大容量的公共平台在无线环境下完成最佳路径选择来满足不同的业务要求。

从目前发展的情况看，最终的4G网络将会基于无缝全IP核心网，并通过软件无线电技术完成上面的要求。

4G必定会发展成以数字广带为基础的网络,采用统一的IP核心网,不同国家和地区之间的网络互联是在网络层上用IP协议进行的,而且各接入方法和速率可以不同,从而解决了3G不能实现全球漫游的问题。

全IP的核心网可以与无线接入方式独立地发展。

另外，4G系统将会采用IPv6，
基于IPv6在IP网络上实现语音和多媒体业务；并且IPv6比现有应用更具有扩展性、更安全，IPv6采用的是128位地址空间，可满足未来网络发展的要求。

新的接入系统(总接入网络)完成核心网络到适当接入技术之间的联结，该网络需包括移动管理、针对所有的接入技术还需有全局漫游功能。

在不同的接入系统之间应考虑同一网络间的水平移交和不同网络间的垂直移交，无缝业务的服务协议包括业务质量、安全和移动性。

图3所示的包括多种接入技术的无缝网络可以处理这些
过程。

图3 包括多种接入技术的无缝网络结构示意图
2.2 接入技术的层结构
不同的接入系统可按照分层结构的形式进行组织，这样便于针对不同的应用区域、范围和环境等选择合适的系统，因为基于公共平台的不同的接入技术可相互利用。

该层结构如图4所示，图中所支持的移动性和覆盖范围从底层(定点层)到顶层(分
配层)是逐渐增加的。

分配层包括数字广播(分配)系统(如DAB、DVB)、卫星通信系统等，其主要特点是：覆盖范围大，支持全移动性。

Cellular 层支持高系统容量，以每单位用户和数据速率衡量。

该层包括第二代移
动通信系统(GSM及其改进型)和数据速率可达2 Mb/s的第三代移动通信系统(IMT-2000/UMTS：UTRA FDD和UTRA TDD)。

该层系统支持全移动、全覆盖
和全球漫游，所以该层的系统适合于多媒体应用和个人链接。

热点层支持个人链接和甚高数据速率应用。

可应用于热点服务区：如公司办公大楼、会议中心和机场等。

该层主要包括：WLAN系统、IEEE802.11、MMAC等。

个人网络层主要用在办公室和家庭环境中，不同的装备和家用电器可同蓝芽技术、HomeRF和DECT相互之间连接。

定点层主要包括固定接入系统，如FFTx，xDSL和CATV等。

固定接入系统不支
持移动性。

图4 无缝网络分层结构示意图
不同接入技术的参数如表1所示。

表1 不同接入技术的主要参数系统数据速率技术频率范围GSM(包括GPRSHSCSD、EDGE)9.6～384 kb/sTDMA,FDD900,1 800,1 900 MHz3G系统(IMT-2000UMTS(UTRA))最大可达2 Mb/s最大可达2 Mb/s2
GHzDECT/DECTlink最大可达1.694 2 Mb/sTDMA/TDD1 880～1 900 MHz蓝牙技术最大可达721 Kb/sTDMA、跳频2.4～2.483 5 GHzIEEE802.11a最大可达25 Mb/sOFDM,TDD5.150～5.350 GHzDAB1.5 Mb/sOFDM176-230,1 452～1 467.5 MHzADSL下行:小于6.144 Mb/s上行:小于0.64 Mb/sDMTHIPELAN2最大可达25 Mb/sOFDM,TDMA,TDD5.150～5.350 GHz
另外，在4G网络中同一接入系统通过水平交接进行连接，而不同的接入系统之间是通过垂直交接进行连接的。

与以前的移动通信系统一样,4G系统也需要更大的带宽,所不同的是他对带宽的使用更加有效,这要靠智能频谱动态分配技术,他包括高效的自适应调制与编码、多维/混合多址接入、兼顾频谱和资源的MAC/链路层以及
多层资源管理[3]。

3 关键技术
伴随着以上技术的发展,通信的核心网络也要向动态自适应网络发展,才能适应变化
的业务流量和多址接入技术对QoS的要求,而实现自适应系统的最佳方法就是采用软件无线电技术。

下面简要介绍其应用。

3.1 终端和应用
图4中的4G网络是由几种接入系统在不同的应用和环境中经过无缝连接组成，所以用户只需要利用一个多模式终端即可，多模式终端的功耗要小并且尺寸要合适，还包括显示技术、用户界面和电池技术等。

同时多模式终端还将支持传统电信业务、后台服务、电视业务、家政服务、多媒体业务等5大业务。

同时，4G系统对终端提出了特别高的要求。

我们知道Shannon定理指出了在带
宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。

按照Shannon定理可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5 MHz，而数据速率为2 Mb/s，则所需的SNR约为 1.2 dB；而对于 4 G系统，要在5 MHz的带
宽上传输20 Mb/s的数据，则所需要的SNR约为12 dB。

可见对于4G系统，由于速率很高，因此对终端的性能要求也要高得多[4]。

采用软件无线电技术实现的移动终端或BC要采用模块化的结构主要由天线模块、LNA模块、功率放大器模块、ADC或DAC模块、DSP模块和多媒体模块等组成，软件无线电中RF和基带器件都应当是可编程的。

3.2 基站
在基站方面要重点考虑使用软件无线电技术，他的主要思想是利用现有技术，尽量将A/D和D/A模块向射频端靠近，在通用的开放式的无线电智能通信硬件平台上，通过安装不同的软件来完成各种通信功能，通过软件来实现系统升级。

软件无线电系统的工作过程是在射频或中频(IF)对接收信号进行数字化，通过软件编程来灵活
实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制/解调、差错编码、信令控制、信源编码及加/解密功能。

另外，在基站中另外一个要考虑的就是智能
天线技术。

3.3 物理层
在上述的4G移动通信系统技术的研究中，我们面对的主要挑战就是物理层的革新，在4G系统中要尽可能地利用频谱资源，所以物理层中相关的需要改进的技术包括：① 自适应调制/编码技术：用来实现提高带宽效率、提高系统性能和最优化信号功率传输，是目前所讨论的核心。

② MIMO/智能天线技术：用来提高系统容量以及更好的对抗多径效应，并最优化天线的发射/接收性能。

③ 信源编码压缩技术：用来降低传输数据速率。

④ 不同系统间的频谱共享和不同无线接入系统间的共存技术。

4 结语
4G的核心IP网将集中体现在无线分组交换技术以及通过多种接入系统，不仅为用
户提供更高的数据速率服务，而且还能针对不同的应用和环境进行优化。

4G是宽带接入 IP系统，他具有超过 2 Mb/s的非对称的数据传输能力，多个不同的接入
系统结合成一个公共的平台，他们相互补充、相互协调以满足不同用户的要求。

在4G系统中，既要考虑不同的接入系统之间的垂直移交，又要考虑同一系统之间的水平移交。

令人振奋的是：中国科学技术部已经在国家“863”计划中将4G的研究作为战略研究重点领域之一，称为FUTURE计划。

瞄准2010年前后移动通信产业的发展，研究未来无线通信通用环境技术产移动通信研究开发领域与国际同步发展，从而实现由跟踪研究到超前研究的跨越。

我们有理由相信在4G的研究发展中前景看好。

参考文献
[1] 章坚，曾凯.4G核心技术的发展趋势[J].广东通信技术,2004，24(3):17-20,25.
[2] Kurt Aretz.The Future of Wireless Communications beyond the Third puter Networks.2001,37：83- 92.
[3] 杨娟,颜彪，陈万培.4G中的新技术及其与3G的比较[J].信息技术，2004，(6)：98-101.
[4] 刘伟，丁志杰.4G移动通信系统的研究进展与关键技术[J].信息技术与标准化，2003，(12)：21-23.。