G移动通信系统研究进展和关键技术

1、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

2、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 ） 、I

3、ETF（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

4、，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。4

5、G 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

6、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

7、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。4 4G 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

8、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

9、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 NTTDo

10、CoMo 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 divisionmultiplexing） 。 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

11、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 系统的有关实验。采用他们研制的 4G 移动通信实验 系统，在室内环境成功进行了上行 20Mbps, 下行 100Mbps 的传输实验。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

12、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

13、（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

14、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