4G的发展与展望

收稿日期:2005-12-18 修回日期:2006-03-19作者 周夕良 男 38岁 高级讲师

4G 的发展与展望

周夕良

(三峡大学职业技术学院电气工程系,湖北宜昌 443000)

摘 要:对第四代移动通信系统(4G)的发展、特点,及其包含的技术内容作了介绍,并展望了第四代移动通信系统可能涉及的几种核心技术:正交频分复用(Or thogo nal F requency Division M ultiplexing)技术、软件无线电技术、智能天线技术、M IM O 技术。

关键词:第四代移动通信;OFDM ;软件无线电;智能天线中图分类号:T N 929.5 文献标识码:A

0 引言

通常把模拟蜂窝系统称为第一代移动通信系统,现今正在使用的数字系统例如GSM 、PDC 和cdmaOne (IS 95)都是第二代移动通信系统。第三代移动通信(3rd Generation:3G)

[1]

系统是为多媒体通信设计的,开发第三代移动通信系

统的工作始于I T U (Inter national T elecommunications U nion)下的世界无线电管理大会1992年会议,在此次会议中,2GHz 附近的频率被指定给第三代移动通信系统使用。新一代移动通信,我们称其为超三代(Beyond 3rd Gener atio n,即B3G),或称其为第四代移动通信(4th Generation Mobile Communicatio n,即4G),其业务速率远大于第三代,承载业务的带宽一般不小于20MHz 。

1 4G 的发展现状和特点

4G 的定义到目前为止依然有待明确,它的技术参数、国际标准、网络结构、乃至业务内容均未有明确说法。但4G 的一些特征已初现端倪,4G 是集3G 与WL AN (Wireless Lo cal Area Network)于一体,并能够传输高质量视频图像,它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络,它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络间提供无线服务,可以在任何地方用宽带接入互联网(包括卫星通信和平流层通信),能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外,第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统,是宽带接入IP 系统。4G 技术较3G 移动通信技术有许多超越之处,其特点主要有:

1)高速率。4G 移动通信技术的信息传输速率要比3G 高一个等级,要超过U M T S,即从2M bit/s 提高到10M bit/s,其最大的传输速度将是目前 i mode 服务的10000倍。

2)兼容性好。3G 的初衷是希望统一全球纷杂的移动通信技术,但是,因为各个商家的利益得不到很好的协调而分化成如今三大阵营。目前IT U 承认的、在全球已有相当规模的移动通信标准共有GSM 、CDM A 和T DM A 三大分支,每个分支都在抢占市场。这3大分支,取消哪个也不可能,看来只有通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。

3)用户共存性。4G 中的移动通信技术能根据网络的状况和变化的信道条件进行自适应处理,使低速与高速的用户和各种各样的用户设备能够并存与互通从而满足系统多类型用户的需求。

4)业务的多样性。在未来的全球通信中,人们所需的是多媒体通信。个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体,提供给用户比以往更广泛的服务与应用;系统的使用会更加的安全、方便与更加照顾用户的个性。4G 技术能提供各种标准的通信业务,从而满足宽带和综合多种业务需求。

5)随时随地的移动接入。在4G 系统中利用先进的无线接入技术,提供话音、高速信息业务、广播以及娱乐等多媒体业务接入方式,让用户可在任何时间、任何地点接入到系统中。

2 4G 中可能涉及的核心技术

2.1 O FDM [2](正交频分复用)技术

第三代移动通信系统主要是以CDM A(码分多址)为核心技术,而第四代移动通信系统技术则以O FDM 最受瞩目,OF DM 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平坦的,而OF DM 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1个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,这样,尽管总的信道是非平坦的,即具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,并且在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信

山西电子技术2006年第2期

综 述

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或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不但减小了子载波间的相互干扰,同时又提高了频谱利用率。

WCDM A是一个宽带直扩码分多址(DS CDMA)系统。由于OFDM技术能够克服DS CDM A在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题,并且有频谱效率高,硬件实施简单等优点,因此OF DM被看作是第四代移动通信系统中的核心技术。OFDM技术的主要的技术难点是系统中的频率和时间同步,基于导频符号辅助的信道估计,峰平比问题、多普勒频偏的影响以及基于OF DM和多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。

2.2 软件无线电技术[3]

所谓软件无线电(Software Defined Radio,简称SDR),就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的 数字/模拟转换器,尽早地完成信号的数字化,从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之,软件无线电是一种基于数字信号处理(DSP)芯片,以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。

2.3 智能天线[4]

智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束,而在自适应阵列中,多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比,天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外,还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机,还能提供相应倍数的分集增益。

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图,跟踪强信号,减少或抵消干扰信号。智能天线可以提高信噪比,提升系统通信质量,缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾,降低系统整体造价,因此其势必会成为4G系统的关键技术。智能天线的核心是智能的算法,而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率,因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。

2.4 M IM O技术[5]

M IM O(M ultiple I nputM ult iple Out put)系统,该技术最早是由M ar coni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SISO(Sin gle I nputSing le Output)系统,M I M O还可以包括SI MO(Sin gle InputMulti ple Output)系统和M ISO(M ultiple Input Sin gle Output)系统。可以看出,此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用M IM O信道成倍地提高无线信道容量,在不增加带宽和天线发送功率的情况下,频谱利用率可以成倍地提高。

对于未来移动通信系统而言,如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的QoS(Q uality of Service)是一个关键问题,也是移动通信领域的研究重点。对于SI SO系统,如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术,而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展,所以M IM O是未来移动通信的关键技术。M IM O技术主要有两种表现形式,即空间复用和空时编码。这两种形式在W iMA X协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。目前M I MO技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中,但是目前很少有成熟的产品出现,估计在M IM O技术的研发和实现上,还需要一段时间才能够取得突破。支持M IM O是协议中的一种可选方案,协议对M IM O的定义已经比较完备了,M IM O技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率,可以大大提高系统的性能,未来将被多数设备制造商所支持。

3 总结

目前国际上有关第4代移动通信的研究还处于初期阶段,其基本需求、核心技术还处于萌芽阶段。但较为明确的一点是,第4代移动通信的实用期定在2010年开始。这符合移动通信技术每10年产生一代新体制的发展规律。事实上,第3代移动通信研究的起步始于90年代初期,当时欧洲的GSM、日本的P DC和美国的D A M PS等技术已基本成熟,并开始进入市场。随后国际上的有识之士于90年代初期提出了面向2000年的全球统一的FPL M T S研究计划,并经过近10年的努力,形成第3代移动通信体制标准IM T 2000。由于4G与3G相比具有通信速度更快,网络频谱更宽,通信更加灵活,智能性能更高,兼容性能更平滑等优点, 4G日益成为人们关注的焦点。

参考文献

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