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摘要:在还没有完全享受3G移动通信系统商所带来服务的同时,4G移动通信技术的研究已经在逐步的进行着。该文简要分析了:(1) 4G的网络结构;(2) 4G的关键技术,如OFDM,软件无线电,智能天线技术,MIMO技术。(3) 比较了3G和4G不同指标,分析了3G和4G采用的不同技术。(4) 初步探讨了4G的现状和发展。
关键词:3G;4G ;OFDM; 软件无线电;智能天线;MIMO技术;网络
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-3911-02
Study on 4G Wireless Communication Systems
ZHU Xiao-hua, ZHANG Zi -peng
(China Telecom Corporation Limited Zhuhai Branch,Zhuhai 519002,China)
Abstract: in the absence of full enjoyment of 3G mobile communication systems brought about by service providers at the same time, 4G mobile communications technology has been carried out in step-by-step. In this paper, a brief analysis of: (1) 4G network structure; (2) 4G key technologies such as OFDM, software radio, smart antenna technology, MIMO technology. (3) comparison of different indicators of 3G and 4G, 3G and 4G analysis of the different technologies used. (4) discussed the current situation and development of 4G.
Key words:3G; 4G;OFDM;Software Defined Radio;Intelligent Antenna;MIMO Technology; Network
1 前言
随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。从而使4G比3G更接近個人通信,在技术上比3G更完善。
2 4G网络结构
4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。
1) 物理网络层提供接入和路由选择功能。
2) 中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。
3) 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。
3 4G网络中的关键技术
3.1 OFDM
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要原理是:将待传输的高速串行数据经串并变换, 变成在子信道上并行传输的低速数据流, 再用相互正交的载波进行调制, 然后叠加一起发送。 接收端用相干载波进行相干接收, 再经并串变换恢复为原高速数据。
OFDM技术的有很多优点:可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。
3.2 软件无线电
软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。其中心思想是使宽带模数转换器(A/D)及数模转换器(D/A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。尽可能多地用软件来定义无线功能。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)等
3.3 智能天线技术(SA)
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。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形。
4.4 多输入多输出(MIMO)技术
多输入多输出技术(MIM0)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。
3.5 基于IP的核心网
4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。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兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。
在4G通信系统中将取代IPv4协议,主要采用全分组方式IPv6技术,IPv6具有许多的优点,如:有巨大的地址空间;支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式;能够提供不同水平的服务质量;更具有移动性。
4 3G与4G的比较
由于目前 3G采用很多先进性的技术, 将来4G在很大程度上进一步融合 3G现有的技术。比如,智能天线,软件无线电,联合检测,功率控制等。虽然4G继承了3G的许多技术,但是在指标和技术方面有诸多区别。
4.1 技术指标方面
3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps, 带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,有FDD和TDD两种双工方式。
4G的性能指标是:
a) 数据速率从2Mbps到100Mpbs
b) 容量达到第 3 代系统的 5～10 倍 ,传输质量相当于甚至优于第 3 代系统。广带局域网应能与宽带综合业务数据网 (B - ISDN)和异步传送模式 (ATM)兼容 ,实现广带多媒体通信 ,形成综合广带通信网
c.) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第 3 代系统。
d) 具有不同速率间的自动切换能力 ,以保证通信质量。
e) 网络的每比特成本要比第 3 代低。
4.2 技术方面
a) 3G的关键技术是CDMA技术,而4G采用的是OFDM技术。OFDM可以提高频谱利用率,能够克服 CDMA 在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。
b) 在软件无线电方面,4G对3G中的软件无线电技术进行升级,满足4G中无线接入多样化要求,使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。同时在4G中,实现软切换和硬切换相结合,对3G中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块 ,对相应的软件进行升级使他们最终都融合到一起 ,成为一个统一的标准 , 实现各种需求的功能。
c) 3G 网络采用的主要是蜂窝组网,4G采用全数字全IP技术,支持分组交换,将WLAN,Bluetooth 等局域网融入广域网中。在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。在TD-SCDMA采用智能天线的基础上,对相关的软件和算法加以升级,增加一些接口协议来满足4G的要求。
d) 4G系统也使用了许多新技术 , 包括超链接 (ultra2connectivity)和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术 ,等等。
e) 在功率控制上 ,4G比 3G要求更加嚴格 ,其目的是为了满足高速通信的要求。不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率 ,而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。在 3G中 ,采用切换技术来减少对其它小区的干扰 ,提高话音质量 ,不过在 4G中 ,切换技术的应用更加广阔 ,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
5 我国的4G的发展
国际电信联盟(ITU)为4G制定了明确的时间表:2006年至2007年完成频谱规划,2010年左右完成全球统一的标准化工作,2010年之后开始商用。其中,4G技术提案将从2008年开始征集。
目前,全球范围内许多国家和地区都在加紧对4G的研究。我国在2001年,国家“863”计划启动了面向B3G/4G的移动通信发展研究计划—FuTURE未来通用无线环境研究计划(简称FuTURE计划)。我国已经启动4G研发有5年的时间了,国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。2006年10月31日,4G外场试验系统在上海通过了现场验收,正式将FuTRUE计划带入了第三阶段。这是全球进行的首次关于4G技术的应用测试,也是目前为止全世界最大的4G实验系统:共包括6个节点,3个信道,6个终端,并引入了如IPv6核心网络、IPTV高清晰度业务与移动通信切换等技术。实验系统频点3.5GHz、带宽20MHz,采用协同分布式无线电蜂窝构架、混合FDD/TDD双工方式、GMC/OFDM多址技术。
我国目前已决定,将在更多地区进行4G系统的测试工作,且要赶在2010年前对其进行商业化测试
6 总结
该文分析了4G网络构架以及其关键技术,并对4G和3G采用的技术进行了对比。我们可以看出4G中除了核心网络之外,其他的很多的设备和技术,都可以利用3G中所采用的技术资源和设备,改进原有的硬件设施,对原有的软件进行升级融合,再加上4G的关键技术,使得3G平滑过渡到4G,并且能够最大限度的降低通信建设的投资资本。虽然我国在4G研究上已经取得可喜的成果,但仍有很多难题有待解决。对于我国能否从现有的TD-CDMA平滑过渡到4G,形成4G标准并商用化,让我们拭目以待。
参考文献:
[1] Convergence Towards 4G: A Novel View of Integration, E. CIANCA, M. DE SANCTIS and M. RUGGIERI,Wireless Personal Communications,,2005, 33: 327–336.
[2] 李荣秀,王心水.4G中的关键技术[J].甘肃科学学报,2006,18)(3):87-91.
[3] 陈良明,韩泽耀.OFDM—第四代移动通信的主流技术[J].计算机技术与发展,2008,(18),3:184-188.
[4] 张新福,童贞理.3G向4G过渡策略探讨[J].重庆大学学报,2003,26(9):88-92..
[5] 郑淑清.4G及其关键技术浅析 [J].甘肃科技,2005,21(7): 94-95.
关键词:3G;4G ;OFDM; 软件无线电;智能天线;MIMO技术;网络
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)15-3911-02
Study on 4G Wireless Communication Systems
ZHU Xiao-hua, ZHANG Zi -peng
(China Telecom Corporation Limited Zhuhai Branch,Zhuhai 519002,China)
Abstract: in the absence of full enjoyment of 3G mobile communication systems brought about by service providers at the same time, 4G mobile communications technology has been carried out in step-by-step. In this paper, a brief analysis of: (1) 4G network structure; (2) 4G key technologies such as OFDM, software radio, smart antenna technology, MIMO technology. (3) comparison of different indicators of 3G and 4G, 3G and 4G analysis of the different technologies used. (4) discussed the current situation and development of 4G.
Key words:3G; 4G;OFDM;Software Defined Radio;Intelligent Antenna;MIMO Technology; Network
1 前言
随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。从而使4G比3G更接近個人通信,在技术上比3G更完善。
2 4G网络结构
4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层:物理网络层、中间环境层、应用网络层。
1) 物理网络层提供接入和路由选择功能。
2) 中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。
3) 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。
3 4G网络中的关键技术
3.1 OFDM
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Multi-CarrierModulation,多载波调制的一种。其主要原理是:将待传输的高速串行数据经串并变换, 变成在子信道上并行传输的低速数据流, 再用相互正交的载波进行调制, 然后叠加一起发送。 接收端用相干载波进行相干接收, 再经并串变换恢复为原高速数据。
OFDM技术的有很多优点:可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。
3.2 软件无线电
软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。其中心思想是使宽带模数转换器(A/D)及数模转换器(D/A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。尽可能多地用软件来定义无线功能。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)、数字信号处理(DSP)等
3.3 智能天线技术(SA)
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。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形。
4.4 多输入多输出(MIMO)技术
多输入多输出技术(MIM0)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。
3.5 基于IP的核心网
4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。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兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。
在4G通信系统中将取代IPv4协议,主要采用全分组方式IPv6技术,IPv6具有许多的优点,如:有巨大的地址空间;支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式;能够提供不同水平的服务质量;更具有移动性。
4 3G与4G的比较
由于目前 3G采用很多先进性的技术, 将来4G在很大程度上进一步融合 3G现有的技术。比如,智能天线,软件无线电,联合检测,功率控制等。虽然4G继承了3G的许多技术,但是在指标和技术方面有诸多区别。
4.1 技术指标方面
3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps, 带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,有FDD和TDD两种双工方式。
4G的性能指标是:
a) 数据速率从2Mbps到100Mpbs
b) 容量达到第 3 代系统的 5～10 倍 ,传输质量相当于甚至优于第 3 代系统。广带局域网应能与宽带综合业务数据网 (B - ISDN)和异步传送模式 (ATM)兼容 ,实现广带多媒体通信 ,形成综合广带通信网
c.) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第 3 代系统。
d) 具有不同速率间的自动切换能力 ,以保证通信质量。
e) 网络的每比特成本要比第 3 代低。
4.2 技术方面
a) 3G的关键技术是CDMA技术,而4G采用的是OFDM技术。OFDM可以提高频谱利用率,能够克服 CDMA 在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。
b) 在软件无线电方面,4G对3G中的软件无线电技术进行升级,满足4G中无线接入多样化要求,使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。同时在4G中,实现软切换和硬切换相结合,对3G中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块 ,对相应的软件进行升级使他们最终都融合到一起 ,成为一个统一的标准 , 实现各种需求的功能。
c) 3G 网络采用的主要是蜂窝组网,4G采用全数字全IP技术,支持分组交换,将WLAN,Bluetooth 等局域网融入广域网中。在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。在TD-SCDMA采用智能天线的基础上,对相关的软件和算法加以升级,增加一些接口协议来满足4G的要求。
d) 4G系统也使用了许多新技术 , 包括超链接 (ultra2connectivity)和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术 ,等等。
e) 在功率控制上 ,4G比 3G要求更加嚴格 ,其目的是为了满足高速通信的要求。不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率 ,而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。在 3G中 ,采用切换技术来减少对其它小区的干扰 ,提高话音质量 ,不过在 4G中 ,切换技术的应用更加广阔 ,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
5 我国的4G的发展
国际电信联盟(ITU)为4G制定了明确的时间表:2006年至2007年完成频谱规划,2010年左右完成全球统一的标准化工作,2010年之后开始商用。其中,4G技术提案将从2008年开始征集。
目前,全球范围内许多国家和地区都在加紧对4G的研究。我国在2001年,国家“863”计划启动了面向B3G/4G的移动通信发展研究计划—FuTURE未来通用无线环境研究计划(简称FuTURE计划)。我国已经启动4G研发有5年的时间了,国内十余家大学、企业和研究所均参与其中。2006年10月31日,4G外场试验系统在上海通过了现场验收,正式将FuTRUE计划带入了第三阶段。这是全球进行的首次关于4G技术的应用测试,也是目前为止全世界最大的4G实验系统:共包括6个节点,3个信道,6个终端,并引入了如IPv6核心网络、IPTV高清晰度业务与移动通信切换等技术。实验系统频点3.5GHz、带宽20MHz,采用协同分布式无线电蜂窝构架、混合FDD/TDD双工方式、GMC/OFDM多址技术。
我国目前已决定,将在更多地区进行4G系统的测试工作,且要赶在2010年前对其进行商业化测试
6 总结
该文分析了4G网络构架以及其关键技术,并对4G和3G采用的技术进行了对比。我们可以看出4G中除了核心网络之外,其他的很多的设备和技术,都可以利用3G中所采用的技术资源和设备,改进原有的硬件设施,对原有的软件进行升级融合,再加上4G的关键技术,使得3G平滑过渡到4G,并且能够最大限度的降低通信建设的投资资本。虽然我国在4G研究上已经取得可喜的成果,但仍有很多难题有待解决。对于我国能否从现有的TD-CDMA平滑过渡到4G,形成4G标准并商用化,让我们拭目以待。
参考文献:
[1] Convergence Towards 4G: A Novel View of Integration, E. CIANCA, M. DE SANCTIS and M. RUGGIERI,Wireless Personal Communications,,2005, 33: 327–336.
[2] 李荣秀,王心水.4G中的关键技术[J].甘肃科学学报,2006,18)(3):87-91.
[3] 陈良明,韩泽耀.OFDM—第四代移动通信的主流技术[J].计算机技术与发展,2008,(18),3:184-188.
[4] 张新福,童贞理.3G向4G过渡策略探讨[J].重庆大学学报,2003,26(9):88-92..
[5] 郑淑清.4G及其关键技术浅析 [J].甘肃科技,2005,21(7): 94-95.