4G系統(tǒng)三大關(guān)鍵技術(shù)探討
發(fā)布時(shí)間:2008/8/19 0:00:00 訪問(wèn)次數(shù):854
移動(dòng)通信的發(fā)展已經(jīng)歷了兩代，第一代(1g)移動(dòng)通信技術(shù)是采用模擬技術(shù)的語(yǔ)音移動(dòng)通信，第二代(2g)移動(dòng)通信技術(shù)是采用數(shù)字技術(shù)的語(yǔ)音移動(dòng)通信。目前，世界上的移動(dòng)通信技術(shù)處于第二代，并正在進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)稱為2.5代(2.5g)，隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3g)逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4g)未來(lái)的發(fā)展及演進(jìn)問(wèn)題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4g)正在研制過(guò)程中，在本文中，筆者將針對(duì)4g的技術(shù)特征及其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的探討，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行詳盡的敘述，同時(shí)指出4g發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。
4g系統(tǒng)嶄露頭角
到目前為止，3g各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議并已進(jìn)入商用。然而我們同時(shí)也應(yīng)該看到，3g系統(tǒng)也有其局限性，如：缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；3g所采用的語(yǔ)音交換架構(gòu)仍承襲了第二代(2g)的電路交換，而不是純ip方式；由于受到多用戶干擾，cdma難以達(dá)到很高的通信速率等。因此針對(duì)以上各種缺點(diǎn)，構(gòu)思中的4g系統(tǒng)應(yīng)該具有如下特征：
高速率，高容量：專家預(yù)估，對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2mbps；對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20mbps；對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100mbps。其容量至少是3g系統(tǒng)容量的10倍以上。
更加平滑的兼容性能：4g通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開(kāi)放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3g平穩(wěn)過(guò)渡等特點(diǎn)。
高速移動(dòng)中不同系統(tǒng)間的無(wú)縫連接：用戶在高速移動(dòng)中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間無(wú)縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
高度智能化的網(wǎng)絡(luò)：4g的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，它具有良好的重構(gòu)性、可伸縮性、自組織性等，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求。
完全集中的服務(wù)：個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂(lè)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)將結(jié)合成整體，服務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛、安全、方便和個(gè)性化。
4g移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(平臺(tái))之間或者多個(gè)無(wú)線接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤。在移動(dòng)通信過(guò)程中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還要保持良好的無(wú)縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率。4g移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)無(wú)線接口，由多個(gè)業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者提供多媒體業(yè)務(wù)。其核心網(wǎng)是一個(gè)基于全ip的網(wǎng)絡(luò)，因此核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)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共存。各種針對(duì)不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過(guò)多媒體接入系統(tǒng)連接到基于ip的核心網(wǎng)中，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，如圖所示。
三大關(guān)鍵技術(shù)探討
ofdm
在fdma、tdma、cdma和ofdm等多址方式中，ofdm是4g系統(tǒng)最為合適的多址方案。ofdm技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，因此可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。ofdm還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。ofdm技術(shù)還能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在ofdm系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。ofdm技術(shù)主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間同步，基于導(dǎo)頻符號(hào)輔助的信道估計(jì)，峰平比問(wèn)題和多普勒頻偏的影響以及基于ofdm、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
智能天線(sa)與多入多出天線(mimo)技術(shù)
智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無(wú)線基站端使用天線陣和相干無(wú)線收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。
軟件無(wú)線電技術(shù)(sdr)
軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。在4g移動(dòng)通信系統(tǒng)中，軟件將會(huì)變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無(wú)線電技術(shù)，將其作為從第二代移動(dòng)通信通向第三代和第四代移動(dòng)通信的橋梁。軟件無(wú)
移動(dòng)通信的發(fā)展已經(jīng)歷了兩代，第一代(1g)移動(dòng)通信技術(shù)是采用模擬技術(shù)的語(yǔ)音移動(dòng)通信，第二代(2g)移動(dòng)通信技術(shù)是采用數(shù)字技術(shù)的語(yǔ)音移動(dòng)通信。目前，世界上的移動(dòng)通信技術(shù)處于第二代，并正在進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)稱為2.5代(2.5g)，隨著第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3g)逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4g)未來(lái)的發(fā)展及演進(jìn)問(wèn)題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。目前第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4g)正在研制過(guò)程中，在本文中，筆者將針對(duì)4g的技術(shù)特征及其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的探討，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)部分進(jìn)行詳盡的敘述，同時(shí)指出4g發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。
4g系統(tǒng)嶄露頭角
到目前為止，3g各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范已達(dá)成協(xié)議并已進(jìn)入商用。然而我們同時(shí)也應(yīng)該看到，3g系統(tǒng)也有其局限性，如：缺乏全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；3g所采用的語(yǔ)音交換架構(gòu)仍承襲了第二代(2g)的電路交換，而不是純ip方式；由于受到多用戶干擾，cdma難以達(dá)到很高的通信速率等。因此針對(duì)以上各種缺點(diǎn)，構(gòu)思中的4g系統(tǒng)應(yīng)該具有如下特征：
高速率，高容量：專家預(yù)估，對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2mbps；對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20mbps；對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100mbps。其容量至少是3g系統(tǒng)容量的10倍以上。
更加平滑的兼容性能：4g通信系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備全球漫游、接口開(kāi)放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3g平穩(wěn)過(guò)渡等特點(diǎn)。
高速移動(dòng)中不同系統(tǒng)間的無(wú)縫連接：用戶在高速移動(dòng)中，能夠按需接入系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間無(wú)縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。
高度智能化的網(wǎng)絡(luò)：4g的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，它具有良好的重構(gòu)性、可伸縮性、自組織性等，用以滿足不同環(huán)境、不同用戶的通信需求。
完全集中的服務(wù)：個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂(lè)等各項(xiàng)業(yè)務(wù)將結(jié)合成整體，服務(wù)和應(yīng)用將更加廣泛、安全、方便和個(gè)性化。
4g移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是能夠接收、獲取到終端的呼叫，在多個(gè)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)(平臺(tái))之間或者多個(gè)無(wú)線接口之間，建立其最有效的通信路徑，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位和跟蹤。在移動(dòng)通信過(guò)程中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還要保持良好的無(wú)縫連接能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哔|(zhì)量、高速率。4g移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將基于多層蜂窩結(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)無(wú)線接口，由多個(gè)業(yè)務(wù)提供者和眾多網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者提供多媒體業(yè)務(wù)。其核心網(wǎng)是一個(gè)基于全ip的網(wǎng)絡(luò)，因此核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)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共存。各種針對(duì)不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過(guò)多媒體接入系統(tǒng)連接到基于ip的核心網(wǎng)中，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)，如圖所示。
三大關(guān)鍵技術(shù)探討
ofdm
在fdma、tdma、cdma和ofdm等多址方式中，ofdm是4g系統(tǒng)最為合適的多址方案。ofdm技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸，因此可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。ofdm還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。ofdm技術(shù)還能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在ofdm系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。ofdm技術(shù)主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間同步，基于導(dǎo)頻符號(hào)輔助的信道估計(jì)，峰平比問(wèn)題和多普勒頻偏的影響以及基于ofdm、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
智能天線(sa)與多入多出天線(mimo)技術(shù)
智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無(wú)線基站端使用天線陣和相干無(wú)線收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應(yīng)方式和基于預(yù)多波束的波束切換方式。
軟件無(wú)線電技術(shù)(sdr)
軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。在4g移動(dòng)通信系統(tǒng)中，軟件將會(huì)變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無(wú)線電技術(shù)，將其作為從第二代移動(dòng)通信通向第三代和第四代移動(dòng)通信的橋梁。軟件無(wú)
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