4G移动通信关键技术与面临的问题

　　

　　摘要：本文主要对4G移动通信的关键技术进行了简要的论述，分析了4G的网络结构和4G的关键技术，在此基础上详细讨论了目前全球以及我国的4G技术进展及面临的问题，最后对4G的前景进行了预测。
　　关键词：4G；4G关键技术；OFDM SAMIMO SDR4G发展现状
　　
　　1　前言
　　
　　根据国际电联的工作安排，2009年将集中征集4G技术标准，2010年会推出第一个4G版本，并在2011年世界无线电通信大会上通过。4G预计2015年左右投入商用。4G技术的飞速发展，使得广大用户享受更新、更快捷、更丰富的通信生活成为可能。
　　
　　2　4G网络中的关键技术
　　
　　4G系统针对各种不同业务的接人系统，通过多媒体接入连接到基于口的核心网中。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南选择功能。
　　(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。
　　据国际电信联盟定义，4G技术是可为移动中的用户提供100 Mb/S的数据传输、为静止的用户提供1Gb/S的数据传输的无线通讯技术，包含OFDM、智能天线(SA)与多人多出天线(MIMO)技术、软件无线电技术(SDR)三大关键技术。
　　
　　2.1　OFDM
　　OFDM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。OFDM技术有很多优点：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。
　　
　　2.2　智能天线(SA)与多入多出天线(MIMO)技术
　　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，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术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接收和发射。同时通过基带数字信号处理器，对各个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。目前智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。
　　移动通信环境中的多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的影响。而多输入多输出(M1MO)技术在通信链路两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线阵元同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原始子码流，这相当于频带资源重复利用，使频谱利用率和链路可靠性极大的提高。
　　
　　2.3　软件无线电技术(SDR)
　　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。

2.4　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人方案，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，能允许各种窄中接口接人核心网；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。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。
　　
　　3　4G技术的发展现况及其挑战
　　
　　3.1　日本NTI-DoCoMo在4G的领先优势
　　2008年日本NTT DoCoMo公司发布新闻公报称，该公司在2007年年底进行的4G外场试验中，创下5.3 Gb/s的最大下行速率纪录。在此次试验中，无线通信系统的发射端和接收端天线均从一年前试验时的6根增加到12根，并采用了该公司独有的接收信号处理技术，使下行速率成功翻倍。
　　
　　3.2　WiMAX“准4G”标准
　　2007年10月19日，国际电信联盟ITU在日内瓦举行无线通信全体会议，无线宽带技术WiMAX通过投票正式成为3G标准。
　　WiMAX，即IEEE 802A6x，全称是“微波存取全球互通技术(Worldwide Interoperability for MicrowaveAccess)”，被业界认为是高于现有3G标准的“准4G”标准。和传统的TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000相比，WiMAX的最大传输半径达到了约50km，接近前者的两倍。而在传输速度上，WiMAX也让其他3G标准望尘莫及。在10km范围内，WiMAX网络的带宽可以达到70Mb/S，甚至超过了ADSL等有线网络的技术，而3G标准中的TD SCDMA和WCDMA则均为2Mb/s。
　　
　　3.3　美国与欧洲针对4G的举动
　　作为美国的代表，3G时代的霸主高通公司一方面希望通过引入DMMX和HMMX这两项技术后，性能达到4G的要求；另一方面则通过收购Flarion科技公司获得了近300项OFDM技术专利，这被业界视为高通欲在4G时代继续保持专利的绝对领先之举。
　　在欧洲，爱立信已与美国加利福尼亚大学合作开发4G技术。加利福尼亚大学已正式成立了加州通信和信息技术学会，并得到了爱立信的投资。而阿尔卡特、爱立信、摩托罗拉、诺基亚、西门子成立了旨在推动4G技术开发的世界无线研究论坛WWRF(Wireless World Research Forum)。该组织下设的6个工作组，分别讨论业务、市场、结构、接口、核心技术等问题。
　　
　　3.4　我国正在加快4G关键技术研究步伐
　　从2001年底起，继在国产3G标准制定方面取得巨大进展之后，国家“十五”、“863”计划启动了面向未来移动与无线通信发展的“FUTURE计划”。
　　2006年7月，上海建设的世界最大的4G实验网通过了863项目的验收。通过验收的上海试验网由三个无线覆盖小区、六个无线接入点组成，具有在移动环境下支持蜂值速率为100Mb/S的无线传输及高清晰度交互式图像业务演示等功能。
　　“FUTURE计划”负责人之一、国家“863”计划未来移动通信总体组组长尤肖虎表示，我国已经在国内外申请移动通信技术发明专利100余项，我国在第四代移动通信技术上已经处于世界前沿。
　　2009年，我国对4G的发展步伐明显加快。大唐移动联合中兴通讯、华为以及相关高校和科研院所完成了4G相关白皮书。相关业内人士透露，我国已经完成了4G标准的技术方案起草工作，目前正在进行4G关键技术的系统验证。我国目前正在更多地区进行4G系统的测试工作，且要赶在2010年前对其进行商业化测试，以便在2011年世界无线电通信大会时向国际电信联盟提交有着自主知识产权的4G标准。
　　
　　4　4G移动通信技术未来预测
　　
　　随着目前3G移动通信技术的全面商用化的开始，我国大部分的手机用户将感受到3G技术给我们带来的便捷，同时也能明显的感到3G技术的不足与缺陷。这些不足与缺陷将成为移动通信技术不断进步的动力。
　　所以3G技术目前的不足与缺陷将成为推动4G技术的重要力量，我们有理由相信4G将成为未来移动通信领域的主导技术，会使我们未来的生活更加美好。在技术飞速发展的同时，我们应该意识到，对待通信新技术我们更应该冷静、理智，4G演进的道路绝不会一帆风顺，前面的路仍是机遇与挑战并存。