4G移动通信系统研究进展和关键技术.doc

4G移动通信系统研究进展和关键技术一、概述第四代（4G）移动通信系统和技术是目前移动通信领域的研究热点。第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在日本和韩国投入商用，但目前大多数国家运营的仍然是2G或2.5G的移动通信系统。我国运营的移动通信系统主要是2G的GSM和CDMA。目前用户对移动通信系统的速率需求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率也只有384kbps（虽然标称最高速率为2Mbps）,不能满足用户的实际需求，因此在3G系统还没有大规模投入商用的情况下，国内外移动通信领域的专家已在进行4G系统的研究和研发工作。90年代早期欧洲就开始4G移动通信系统的研究，其目标速率是100Mbps,预期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一个特别委员会，领导日本的有关政府部门、大学研究机构和工业部门，从事4G系统的研究工作和制定4G的有关标准。日本NTT的DoCoMo公司已于2002年成功研制出一个包含移动终端和基站的4G空中接口实验系统，并在该系统上成功地进行了有关传输和实验。目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPv6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛（ the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移动通信设备厂商也在进行4G的研究和研发工作。AT&T已研发了名为4G接入的实验网络。NORTEL正进行软件无线电功率放大器技术的研究，而HP实验室正在进行4G 网络上传输多媒体内容的相关研究。Ericsson在加州大学投入了1000万美元从事下一代CDMA和4G移动通信技术的研究。按照目前的研究成果和专家的预测，4G系统将会在2010年以后投入商业运营，最高下行速率将达到100Mbps。ITU-R的WP8F工作组也估计下一代移动通信系统将在2010年左右投入商业运营。二、4G系统的技术目标和特点4G系统总的技术目标和特点能概括为：同3G等已有的数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4G系统应体现移动和无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势，因此4G系统应当是个全IP的网络。下面是一些具体的技术目标和特点。14G系统的容量。4G系统的容量至少为3G系统的10倍。4G系统下行信道的最高速率将达100Mbps,因此移动终端下载文件的速度将比3G系统快得多。4G系统也可把高清晰度的视频图像实时地传送给移动终端用户，从而使用户产生身临其境的感觉。为了适应数据和多媒体业务不断增长的需求，4G系统自然应具有更高的容量，但所能分给4G系统的频谱仍然是有限的，因此4G系统的频谱效率应当为3G系统的5到10倍。4G系统目标速率为：对于大范围高速移动用户（250km/h），数据速率为2Mbps;对于中速移动用户（60km/h），数据速率为20Mbps;对于低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100Mbps。2.4G系统是个无缝网。4G系统应能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游。无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合。4G系统应当是个移动网络和无线接入网的融合体，他应能实现和无线LAN的无缝连接。4G的无缝特性，包含系统、业务和覆盖等多方面的无缝性。系统的无缝性指的是用户既能在WLAN中使用，也能在蜂窝系统中使用；业务的无缝性指的是对话音、数据和图像的无缝性；而覆盖的无缝性则指4G系统应能在全球提供业务。因此4G系统应当是个综合系统，蜂窝部分提供广域移动性，而WLAN提供热点地区的高速业务，同时也应当包含家庭和办公室的个人LAN.34G系统应具有良好的覆盖性能。4G系统应具有良好的覆盖，并能提供高速可变速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，因此小区的半径更小。44G系统应当是个基于IP的网络。4G应当是个基于IP的移动网络，所以有些文献把4G系统称为“基于IP的第四代无线网络“（theFourthGenerationIP-based wireless network）。全IP 的4G网络同已有的移动网络相比具有根本性的好处。IP和实际所采用的各种无线接入方式是兼容的，并且和具体采用的无线接入方式是独立的，采用IP后，所采用的无线接入方式和协议和核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。IP和多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时就具有非常大的灵活性，而不必去考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。一个采用IP的核心网络能采用多种无线接入方式，比如IEEE 802.11, WCDMA, Bluetooth, HyperLAN等。全IP的核心网能和无线接入方式独立地发展。4G系统将会采用Ipv6。Ipv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。54G系统将能实现不同QoS的业务。4G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。三、4G和3G的主要技术参数比较四、4G系统的关键技术4G系统的有关关键技术为：宽带接受机，智能天线，空时编码，高性能的功率放大器，先进的调制解调技术，高性能的RF收发信机，和多用户检测等。1.无线接入方式和多址方案。在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案,从目前的研究进展来看，OFDM也是将来4G系统最有可能采用的多址方式。OFDM的主要好处有：各个信号间不会相互干扰；对多径衰落和多普勒频移不敏感；用户间和相邻小区间无干扰；可实现低成本的单波段接收机等。OFDM的主要缺点是功率效率不高。日本NTTDoCoMo提出的4G移动系统方案的无线接入方式为：VSF-OFCDM。VSF表示可变扩频因子（variable spreading factor），而OFCDM则表示正交频分和码分复用(orthogonal frequency and code division multiplexing) 。VSF-OFCDM 属于多载波CDMA(MC-CDMA)，这种无线接入方式能提高频谱利用率，并且不受多径干扰的影响。VSF-OFCDM实际上也是CDMA,因此同一般的CDMA移动通信系统相同，频率能在所有的小区中重复使用。由于VSF-OFCDM采用了可变扩频因子，因此通过改动扩频因子，可应用于高密度业务区和一般业务区。NTTDoCoMo已于2002年10月成功进行了4G系统的有关试验。采用他们研制的4G移动通信试验系统，在室内环境成功进行了上行20Mbps,下行100Mbps的传输试验。2调制和编码。4G系统将会采用多载波调制（MCM）技术。4G系统可能会采用两种形式的MCM:多载波码分多址（MC-CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA）一般MC-CDMA采用QPSK调制，而OFDM-TDMA采用高电平调制，如M-QAM(M从4到256)。对于M-QAM,为了提高系统的性能，一般认为需要采用自适应调制，按照实际测量的参数来确定QAM的电平数和符号速率。NTTDoCoMo的4G移动通信系统的基本调制方案为QPSK，相应的数据传输速率为103.68Mbps。当采用64-QAM调制时，数据速率高达331.776Mbps（相应的扩频因子为1）。4G移动通信系统将采用更高级的信道编码方案，如Turbo码、级连码和LDPC等，从而在极低的Eb/N0下确保足够的性能。NTTDoCoMo的4G实验系统信道编码采用TURBO码。3无线链路增强技术。能提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集技术，如通过空间分集、时间分集（信道编码）、频率分集和极化分集等方法来获得最佳的分集性能；多天线技术，如采用2或4天线来实现发射分集，或采用多输入多输出（MIMO）技术来实现发射和接受分集。4高效的频谱使用方案。提高频谱效率的方法有：使用3GHz以上的频段，由于能使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3G系统的频谱效率只有2bps/Hz，而4G系统的频谱效率应达到5bps/Hz。5基于IP的核心网。3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系统应当是个全IP的网络。采用全IP的好处有：能实现不同网络间的无缝互连；全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。4G系统的核心网是个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务；能同已有的核心网和PSTN共存。要实现全IP的核心网有许多问题需要解决，如鉴权、计费等。核心网应具有开放的结构，从而能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网应把业务、控制和传输等分开。6软件无线电（SDR）技术。软件无线电技术将会在4G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务；当终端移动时，可重新设置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动设置该终端，从而该终端可获得服务。采用软件无线电技术实现的移动终端或BS