4G移動通信關鍵技術及特征（轉1、我國4G進展程度2001年,“國家863計劃”啟動了面向后三代/四代（B3G/4G的移動通信發展研究計劃一一未來通用無線環境研究計劃（簡稱future計劃。其主要目標是面向未來10年無線通信領域的發展趨勢與需求，重點突破新一代移動通信系統關鍵技術，逐步建立一個集大范圍蜂窩移動通信、區域性寬帶無線接入和短程無線連接為一體的通用無線電環境，為中國未來無線與移動通信產業的跨越式發展創造條件。2001年“國家863計劃”啟動以來,截止到2006年已經取得了相當多的科研成果,在國內外申請移動通信技術發明專利100余項;future計劃實施5年來，累計培養了近千名移動通信超前研發人才，顯著增強了我國移動通信可持續發展能力。B3G/4G研究并不只是一個科研項目，更是一個推動我國未來通信產業發展的試驗系統,涉及知識產權、專利、國際合作等問題，并且能為我國在下一代移動通信標準化上打下基礎。在B3G/4G研究上,中國與國際同步,而B3G/4G外場技術演示和示范則在世界范圍內處于領先地位。在3G技術的研究方面,我國比國外晚了8?10年,而4G技術的研究已經實現了與國際同步，這為我們擁有一個更好的發展前景奠定了基礎。我國啟動4G研發以來，國內十余家大學、企業和研究所均參與其中。在FUTURE計劃一期課題的支持下，北京郵電大學等國內六所高校，分別與華為、三星等國內外企業開展合作，經過一年多的艱苦努力，完成了六種無線傳輸鏈路方案的設計，并初步研究了無線資源管理方案和上層協議，基本完成了基帶電路核心硬件和軟件的設計和測試,并完成了支持分布式多天線接入的射頻系統的設計;取得了一系列創新性研究成果，申請了30余項國家發明專利，為進一步凝煉面向“十五”末期的超3代總體技術方案打下了良好的基礎。在此基礎之上，國家“863”FuTURE計劃于2003年11月啟動了第二階段研究開發計劃。本課題研究開發的總體目標是:面向超3代移動通信在傳輸速率、業務支持、系統容量等方面的應用需求，在超3G移動通信系統網絡結構、空中接口等各個方面，進一步開展深入系統的研究，重點突破,形成完善的超3代總體技術方案，構建具有超3代移動通信主要技術特征的試驗系統,具備向ITU提交初步的新一代無線通信體制標準建議的技術基礎。國家“863”項目“超3代蜂窩移動通信無線網絡實驗系統研究與開發”子課題——“TDD系統OFDM上行鏈路設計與實現及TDD技術集成”由北京郵電大學無線新技術研究所承擔，具體負責該課題的實施和集成。該子課題于2003年11月啟動,2004年7月完成了鏈路方案驗收，至2006年6月完成了上下行鏈路以及整個系統的聯調工作，在2006年6月17日進行了正式驗收。驗收結果表明該系統已達到了國際領先水平，這標志著我國在下一代移動通信系統的研究中取得了突破性進展。2007年1月28日，在上海快速移動的測試車上，基于IPV6的高清電視等業務的演示十分流暢。工作人員在上海延安西路高架做了2km長的覆蓋，車輛在真實的路況中以50km/h的時速行駛，獲得的下行速率為20Mbps~90Mbps，上行最高也可達80Mbps。這標志著我國第一個4G試驗網已經正式進入第三階段，即外場試驗和預商用計劃。該實驗系統由三個無線覆蓋小區、六個接入站點和六個移動終端組成,提供多小區、多用戶模擬網絡集成測試環境，驗證室內、開闊地、城市熱點，高架路等多種無線場景適用性，其集成測試平臺提供從鏈路空口質量到業務承載質量、從靜止模擬信道環境到實時高速移動環境下的多種測試手段。4G由技術向產品轉移,經過系統集成、產品開發等環節之后,才能進入產業化研發階段，根據預測還要經歷至少5年,也就是2012年才能實現相關產品的商用試驗。2、4G的定義4G集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質量視頻圖像,圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下。4G系統能夠以100Mbps的速度下載,比目前的撥號上網快2000倍,上傳的速度也能達到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面,4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據自身的需求確定所需的服務。此外,4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署,然后再擴展到整個地區。目前4G有來自ITU定義、WiMAX、4GMF和通播網等幾個觀點，但都尚未定論。ITU的定義，在2005年10月18日結束的ITU-RWP8F第17次會議上,ITU給了B3G技術一個正式的名稱IMT-Advanced。國際電信聯盟定義為:IMT-2000技術和IMT-Advanced技術擁有一個共同的前綴“IMT”表示移動通信;當前的WCDMA、HSDPA等技術統稱為IMT-2000技術;未來的新的空中接口技術叫做IMT-Advanced技術。IMT-Advanced與IMT-2000是并列的，都是IMT的一個分支。從這個意義上講,IMT-Advanced是3G的新發展,而不是4G。之所以稱為B3G,而不是4G,是因為未來系統及標準必須繼續依賴3G標準組織已發展的多項新定標準加以延伸，如IP核心網、開放業務架構及IPv6。同時，其規劃又必須滿足整體系統架構能夠由3G系統演進到未來B3G架構的需求。按照ITU對IMT-Advanced的定義，當用戶處于靜止或者低速移動時,IMT-Advanced應當能夠支持1000Mbps的數據業務速率;當用戶處于高速移動狀態時,IMT-Advanced應當能夠支持100Mbps的數據業務速率。與B3G技術相比,IMT-Advanced技術的性能要高一個數量級。與此相對應,IMT-Advanced的商用時間也將在2010年以后，即在B3G技術商用以后。目前，雖然國際上正積極開展IMT-Advanced技術的預研工作，但是,對究竟采用什么樣的技術才能達到預定目標方面,各個國家都還沒有一個明確的認識。在系統架構上,B3G的終端設備將可以利用單一或少數的無線接口、軟件無線電、智能型天線，并以最符合頻寬需求或具經濟可行性的方式，選擇通信時的接口及協議。其可選擇的接口包括WLAN、2G、2.5G、3G接口,以及B3G新規劃的高速無線接口。B3G技術的發展,不僅僅包括移動通信領域的技術,也就是3GPP和3GPP2國際標準組織定義的接入技術標準發展演進路線，還包括寬帶無線接入領域的新技術及廣播電視領域的技術。WiMAX的定義,4G是從WiMAX演進而來,是基于IP的、能覆蓋廣大地區的移動無線城域網，主要用于移動傳送高速數據而不是語音。既是WiFi的競爭者，又是XDSL,技術的無線替代技術，構成支持高速移動和實時在線的公共無線寬帶接入網。目前WiMAX是寬頻無線接入（BWA中最受關注的技術。BWA是指以無線傳輸方式向用戶提供連接到寬帶固定網絡的接入技術。韓國運營商是最早商用WiMAX的運營商之一,WiBro是韓國提出的寬帶無線接入標準，可以看作是802.16e標準的子集，其下行速率18.4Mbps，上行速率6.1Mbps。韓國的KT、SK都已經建立了Wibro商用網絡。目前,WiMAX向4G演進的工作正在有條不紊的進行中。2006年11月,IEEE802委員會成立了新的工作組“P802.16m”,其瞄準的目標即是4G。在2008年ITU確定4G標準時,P802.16m希望能被IMT-Advanced所采納。P802.16m的特點是能夠確保與移動WiMAX的兼容，除了采用與移動WiMAX同樣的“OFDMA”接駁方式外,還將實現基站的共用等功能。以WiMAX.為代表的寬帶無線接入技術和以LTE、AIE為代表的移動通信技術已經非常相似,兩者之間界線變得模糊。出現這樣的局面,究其原因是不同的產業領域從不同方向向同一市場滲透的結果。4GMF的定義,4G技術的重點是融合無線接入技術、移動技術和寬帶技術于一體。4G的主要特征將是開放的無線結構，而不是高速無線傳輸技術，開放的無線結構實現多網合一。其應用將不局限于電信行業，也將廣泛應用于汽車通信業、民航通信業、廣播電視業、國防、政府、教育、醫療和金融系統等領域。盡管業界的描述各有不同，但有幾點是大家公認的，即4G將實現移動化、寬帶化、IP化。移動化將人們從地理的限制上解脫出來，實現無時不在、無所不在的信息傳遞。寬帶化是滿足用戶對視頻業務、流媒體等業務帶寬的需求。而下一代網絡將是全IP網，從核心網到用戶設備均支持IP協議。隨著向4G演進，趨勢將是不同的無線技術在NGN架構下融合、共存，發揮各自的優勢，形成多層次的無線網絡環境。3、4G的基本特征4G網絡結構可分為三層:物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的,使發展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，并運行于多個頻帶，這一服務能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大范圍服務。移動化將人們從地理的限制上解脫出來，實現無時不在、無所不在的信息傳遞。不僅是無線,距離還得夠遠，以基地臺為圓心，傳輸距離得在直徑10km以上。無線已是現代通信的必要手段，傳輸距離的遠近，會直接影響建設的進度與成本。2寬帶化寬帶化是滿足用戶對視頻業務、流媒體等業務帶寬的需求。在2G和3G網絡解決了語音應用和一部分數據應用之后,視頻應用將是4G網絡上的最主要內容。3G向視頻邁出了重要一步,但是較2G的提升有限，并未從根本上改變無線結構。比如3G的帶寬問題，多用戶同時使用就會出現擁堵。而4G的帶寬是3G的10倍，頻譜利用率大約也是10倍，這樣吞吐量就是100倍。3IP化下一代網絡將是全IP網，從核心網到用戶設備均支持IP協議。未來的通信世界，應該一切以IP為基礎，形成網絡化的移動世界。每一個網絡使用者，只要具有專屬的IP號碼，可以在任何時間、任何地點，透過4G網絡來通信，至于是語音、數據，還是視頻,不再是運營商該管的事了。4融合化隨著4G的演進，不同的無線技術在下一代網絡（NGN架構下將實現融合、共存,發揮各自的優勢，形成多層次的無線網絡環境。4G應該是NGN的一部分,4G必須適應三網融合的發展需求，既要實現“無所不在，無所不能”，又要滿足個性化服務的需求。因此，多體制、多技術仍將共存，必須統一的將是共同的承載網絡一一互聯網。三網都將失去其獨立組網特征,而淪為NGN的接入網。4G移動通信系統支持更豐富的移動業務，包括高清晰度圖像業務、會議電視、虛擬現實業務等，用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務。將個人通信、信息系統、廣播和娛樂等行業結合成一個整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務與應用。5靈活性4G移動通信系統采用智能技術使其能自適應地進行資源分配，能對通信過程中不斷變化的業務流大小進行相應處理而滿足通信要求,采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。4G移動通信系統是實現全球統一的標準，讓所有移動通信運營商的用戶享受共同的4G服務,真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。7層疊系統為了實現IGbps的峰值速率,4G系統需要寬達100MHz的系統帶寬，但在3GHz以下頻段分配100MHz連續頻譜幾乎是不可能的，而在高頻段又很難實現無縫全域覆蓋和高速移動（運營商要求基于現有站址部署4G系統，因此廣泛使用中繼和分布式天線技術有一定困難，因此需要同時使用部分3GHz以下頻譜。也就是說,4G系統將是一個層疊系統,需要同時使用上述兩段離散的頻譜，這形成了4G系統的一個重要特征。4、4G的關鍵技術4G移動通信系統將應用一批先進的技術，包括正交頻分復用（OFDM、多輸入多輸出（MIMO技術、智能天線、空時編碼技術、無線鏈路增強技術、軟件無線電技術、高效的調制解調技術、高性能的收發信機、多用戶檢測技術和分布式網絡架構等,提供全新的空中接口，并為終端用戶帶來更多的使用體驗。1OFDM未來無線多媒體業務既要保證數據傳輸速率高，又要保證傳輸質量，這就要求所采用的調制解調技術既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期,OFDM技術正滿足這一需求。OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的,OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，各子載波并行傳輸，這樣盡管總的信道是非平坦的,但每個子信道是相對平坦的。且在各子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道帶寬，大大消除了信號波形間的干擾。OFDM技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，從而降低各子載波間的相互干擾，提高頻譜利用率。2軟件無線電技術在4G眾多關鍵技術之中,軟件無線電技術是通向未來4G的橋梁。由于各種技術的交迭有利于減少開發的風險，所以未來的4G技術需要適應不同種類的產品的要求。而軟件無線電技術則是適應產品多樣性的基礎，它不僅能減少開發風險，還更易于開發系列型產品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而削減了運算器件的價格,其開放的結構也會允許多方運營的介入；同時，由于數碼信號處理器（DSP的使用，也彌補了廉價射頻（RF所造成的不足。在實際應用中，RF部分是昂貴而缺乏靈活性的，寬帶的RF是非線性的，而通過使用軟件無線電技術可彌補其在靈活性上的不足。3）智能天線技術智能天線技術也是4G中的關鍵，它與軟件無線電技術同樣緊密相連。它是在軟件無線電基礎上提出的天線設計新概念，是數字多波束形成（DBF）技術與軟件無線電完美結合的產物。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。目前，智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據計算量大、信道模型簡單、收斂速度較慢、在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點。實際信道條件下，當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基于預多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發展的方向。4）MIMOMIMO系統，該技術最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發兩端天線數量，相對于普通的單輸入單輸出（SISO）系統，MIMO還可以包括單輸入多輸出（SIMO）系統和多輸入單輸出（MISO）系統。MIMO系統在一定程度上可以利用傳播中的多徑分量，也就是說MIMO可以抗多徑衰落，但是對于頻率選擇性深衰落，MIMO系統依然是無能為力。目前解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落的方案一般是利用均衡技術，還有一種是利用OFDM。大多數研究人員認為OFDM技術是4G的核心技術，但4G需要極高的頻譜利用率，而OFDM提高頻譜利用率的作用畢竟是有限的。在OFDM的基礎上合理開發空間資源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的數據傳輸速率。另外，OFDM由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有極強的抗多徑干擾能力。由于多徑時延小于保護間隔，所以系統不受碼間干擾的困擾，這就允許單頻網絡（SFN）可以用于寬帶OFDM系統，依靠多天線來實現，即采用由大量低功率發射機組成的發射機陣列消除陰影效應，來實現完全覆蓋。5）先進的信道編碼技術4G移動通信系統采用Turbo碼與基于低密度校驗（LDPC）碼相結合的信道編碼技術，同時與自動重發請求（ARQ）技術和分集接收技術相結合，從而在低Eb/No條件下保證系統足夠的性能。6）基于IP的核心網B3G-TDD移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，同已有的移動網絡相比具有根本性的優點，即可實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，可以提供端到端的IP業務，能與已有核心網和公共交換電話網（PSTN）兼容。其具有開放的結構，允許多種空中接口接入核心網；同時能將業務、控制和傳輸分開。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在核心網的設計上具有很大的靈活性。7）高性能的接收機4G移動通信系統對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小信噪比（SNR）。按照Shannon定理，可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，數據速率為2Mb/s，所需的SNR為1.2dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。5、國際合作與國際競爭形勢國際上4G的技術與標準角力早就如火如荼地展開，任何有企圖的廠商、任何有實力的國家，都不愿意在這場戰役中缺席。目前，日本、韓國、美國、歐盟等已經在泛4G技術的研究上取得了領先，這些國家無不是采用《政府+運營商+制造企業》的模式來推動泛4G技術的研究，許多企業已經在泛4G技術領域有了長達十年左右的技術儲備。目前，歐洲和美國一些大學和機構都已大力投入對4G的研究，并結成了一些聯盟。新一代無線通信技術在美國及日本等發達國家已經進入密集的研發和市場化階段。據美國電氣電子工程學會（IEEE）最新公布的802.16無線寬帶技術草案文本，該機構目前正在研究一項無線傳輸新標準802.16m兼容WiMAX和4G。802.16m標準在快速移動狀態下的傳輸速率可達100Mbit/s。新標