4G的发展与展望.pdf

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(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 技术、 软件无线电技术、 智能天线技术、 MIMO 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: TN929. 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 ITU( International Telecommunications Union) 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 Generation, 即 B3G), 或 称其 为第四 代移动 通信 ( 4th Generation Mobile Communication, 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 WLAN ( 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 UMTS, 即从 2Mbit/s 提高到 10Mbit/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 ITU 承认的、 在全球已有相当 规模的移动通信标准共有 GSM 、 CDMA 和 TDMA 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? OFDM 2( 正交频分复用) 技术 第三代移动通信系统主要是以 CDMA( 码分多址) 为核 心技术, 而第四代移动通信系统技术则以 OFDM 最受瞩目, OFDM 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 OFDM 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。 WCDMA 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 ?CDMA 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 OFDM 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 OFDM 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? MIMO 技术 5 MIMO( Multiple ?InputMultiple ?Out?put) 系统, 该技术最 早是由 Marconi 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 ?InputSingle ?Output)系统, MIMO 还可以包括 SIMO( Sin? gle ?InputMulti ?ple ?Output) 系统和 MISO( Multiple ?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 MIMO 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(Quality of Service)是一个关键问题, 也 是移动通信领域的研究重点。对于 SISO 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 MIMO 是未来移动通信的关键技术。MIMO 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 WiMAX 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 MIMO 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 MIMO 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 MIMO 是协议中的一种可选方 案, 协议对 MIMO 的定义已经比较完备了, MIMO 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 PDC 和美国的 D ?AMPS 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 FPLMTS 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 IMT? 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 1 ? Adachi F, Sawahashi M, Suda H. Wideband DS ?CDMA for next?generation mobile communications systems J. IEEE Commun Mag Sept, 1998, 9(36) : 56- 69. 2 ? Zou W Y, Yiyan Wu. ? COFDM: an overview, IEEE T rans. Broadcasting, March 1995, 1(41): 1- 8. 3 ? Mitola J. ? The software radio architecture , IEEE Com? munications Magazine, May 1995, 33(5): 26- 38. 4 ? Patti J J, Husnay R M, Pintar J. A smart software ra? dio: concept development and demonstration, SAC, IEEE Journal on, April 1999, 17( 4) : 631- 649. 5 ? Cook P G. Architecturaloverview of the SPEAKeasy sys? tem, SAC, IEEE Journal on, April 1999 , 17( 4) : 650- 661. 95第 2 期 ? ? ? ? ? ? ? ? 周夕良: 4G 的发展与展望 The Development and Survey of 4G Zhou Xi ?liang ( Electrical Engineering Department, Vocational Technology College of Three Gorges University Yichang H ubei 443000, China) Abstract:T his paper gives an introduction on the development, peculiarities and its technical content of the fourth generation mobile communication. It also discusses the related key know?how such as the technology of OFDM, software ?defined radio, smart antenna and MIMO. Key words:fourth generation mobile communication; orthogonal frequency division multiplexing; software ?defined radio; smart antenna ( 上接第 83 页) 络、 数字高速接口、 SCSI 硬盘及硬盘阵列等多项高新技术, 使非线性编辑系统的结构、 性能和使用功能都发生了很大的 变化, 非线性编辑系统发展趋势日益明显。 3. 1? 计算机平台 非线性编辑系统是基于计算机平台的, 因此计算机的发 展大大影响着非线性编辑的进程, 目前计算机市场的争夺主 要在苹果和 PC 之间进行。随着计算机主频速度的不断提 高, 总线技术和显示技术的大幅进步, Windows NT 的成功 应用, PC 在非线性编辑领域的应用逐渐成熟, 一些如 Avid、 Medial00 等原以苹果机为主要平台的非线性厂商相继推出 基于 Windows NT 操作系统的非线性编辑产品。 2005 年 6 月, 苹果公司宣布将从 2006 年开始转向使用 Intel 处理器, 摈弃苹果公司原来采用的 IBM PowerPC 处理 器。可以预测, PC 平台在未来几年将成为非线性编辑系统 的计算机平台发展趋势。 3. 2? 压缩算法更新 目前 M?JPEG 压缩算法占据非线性编辑系统主流, 各种 M?JPEG 压缩算法的非线性编辑网络系统产品接踵而来, 但 需注意, 在未来的全数字电视系统中, 没有任何一种压缩的 数字摄录系统采用 M?JPEG 压缩算法, 无法在数字域与采用 M?JPEG 压缩算法的非线性编辑系统进行直接兼容。相反, 开发数字摄录设备的索尼、 松下公司最近分别推出与其数字 摄录设备格式压缩算法相同的非线性编辑系统, 即分别采用 了 MPEG ?2 4!2!2 MP ML 标准和 DVCPRO 帧内编码压缩 算法, 并分别与世界上其它非线性编辑系统的生产商和广播 电视设备生产商合作, 推广这两种非线性编辑系统。 3. 3? 网络化制作 发挥数字电视专用设备的优势, 在网络体系下构建应用 平台, 围绕以节目为主的行业宗旨, 实现国家已明确的数字 电视主体是非线性编辑系统技术的发展方向。 2004年 6月 21 日, 英特尔正式发布了代号为 Grants? dale/alderwood 的 915/ 925芯片组以及代号 Prescott 的新一 代 Pentium4 CPU, 所提供的总线技术将桌面 PC 千兆以太网 连接的性能提高了一倍。千兆到桌面的网络传输使得在通 用的网络上传输高质量的视音频数据成为可能。目前网络 系统的认同度越来越高、 技术越来越成熟、 系统越来越稳定、 网络应用越来越实际, 网络正为节目制作带来巨大的优势。 鉴于非线性编辑系统外围设备如录像机的上下载速度 影响到实际制作时间过长的问题, 应根据实际需要, 对于时 间性强、 工作量大的新闻非线性编辑系统采用网络化的非线 性编辑系统方案来加以解决, 以应对当前新闻快速编辑和滚 动播出的需求; 网络化能使制作单位不同或多台非线性编辑 系统及其他数字化设备、 甚至不同厂家的非线性网络系统实 现数据及信息的共享和交互, 适应当前数字电视系统的发展 趋势, 使节目生产与管理的工作流程更科学、 效率更高, 并在 现行管理体制下, 努力保证播出的安全性及实现制播一体化。 3. 4? 高清晰化质量 数字电视是未来家庭的数字多媒体处理和显示终端, 数 字电视的高清晰化是人