淺談４Ｇ移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)

陳富節(jié)　吳　剛　李冠民　鄧杰英　丁　攀

[摘要]未來(lái)移動(dòng)通訊技術(shù)最明顯的發(fā)展趨勢(shì)是高數(shù)據(jù)速率、高機(jī)動(dòng)性、任意位置的網(wǎng)絡(luò)接入和無(wú)縫漫游。首先將介紹下一代移動(dòng)通訊技術(shù)4G的主要技術(shù)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),然后介紹4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及IP接入方式。

[關(guān)鍵詞]移動(dòng)通信4G網(wǎng)絡(luò)IP接入方式

中圖分類號(hào):TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)0920019-02

隨著中國(guó)幾大電信運(yùn)營(yíng)商分別推出3G移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)服務(wù)。人們對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)注程度和各種需求與日俱增。3G通信面臨競(jìng)爭(zhēng)和標(biāo)準(zhǔn)不兼容等問(wèn)題,也不能滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。[1]4G是解決傳輸速度和標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的主要技術(shù)。本文將介紹4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn),并討論采用的關(guān)鍵技術(shù)。

一、4G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀

世界發(fā)達(dá)國(guó)家已積極投入4G通信技術(shù)規(guī)格的制定與研究。愛(ài)立信公司已開始進(jìn)行第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的研究,并著手研制第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)。愛(ài)立信與美國(guó)加利福尼亞大學(xué)合作開發(fā)4G技術(shù),加利福尼亞大學(xué)已經(jīng)正式成立了加州通信和信息技術(shù)學(xué)會(huì)。美國(guó)AT&T已推出了4G網(wǎng)絡(luò),并初步實(shí)現(xiàn)上傳、下載。日本和韓國(guó)在第四代移動(dòng)通信領(lǐng)域也進(jìn)行合作,兩國(guó)將共同建立因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、例行兩國(guó)之間的有線無(wú)線通訊結(jié)合環(huán)境,并進(jìn)行超高速衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)。[2]

我國(guó)漢網(wǎng)公司研制出的漢網(wǎng)“寬帶無(wú)線IP通信系統(tǒng)”使用了4G技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以漢網(wǎng)特有的包分多址(PDMA)接入技術(shù)為核心,可為無(wú)線用戶提供高達(dá)近2Mbps的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和高速率的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

二、4G移動(dòng)通訊主要特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)

(一)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)

1.數(shù)據(jù)傳輸速率高。對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h),數(shù)據(jù)速率為2Mb/s;對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h),數(shù)據(jù)速率為20Mb/s;對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者),數(shù)據(jù)速率為100Mb/s。

2.基于數(shù)字寬帶技術(shù)。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中,信號(hào)以毫米波為主要傳輸波段,蜂窩小區(qū)也會(huì)相應(yīng)小很多,很大程度上提高用戶容量,但同時(shí)也會(huì)引起系列技術(shù)上的難題。

3.網(wǎng)絡(luò)兼容性好。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),讓所有移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的用戶享受共同的4G服務(wù),真正實(shí)現(xiàn)一部手機(jī)在全球的任何地點(diǎn)都能進(jìn)行通信。

4.具有較強(qiáng)的靈活性。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用智能技術(shù)使其能自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配,能對(duì)通信過(guò)程中不斷變化的業(yè)務(wù)流大小進(jìn)行相應(yīng)處理而滿足通信要求,采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行信號(hào)的正常發(fā)送與接收,有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。

5.多用戶共存。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)能根據(jù)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)和變化的信道條件進(jìn)行自適應(yīng)處理,使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設(shè)備能夠共存與互通,從而滿足系統(tǒng)多類型用戶的需求。

6.多種業(yè)務(wù)的融合。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)支持更豐富的移動(dòng)業(yè)務(wù),包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會(huì)議電視、虛擬現(xiàn)實(shí)業(yè)務(wù)等,使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。將個(gè)人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂(lè)等行業(yè)結(jié)合成一個(gè)整體,更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務(wù)與應(yīng)用。

7.基于先進(jìn)的通信技術(shù)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)以幾項(xiàng)突破性技術(shù)為基礎(chǔ),如:OFDM多址接入方式、智能天線和空時(shí)編碼技術(shù)、無(wú)線鏈路增強(qiáng)技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)、高效的調(diào)制解調(diào)技術(shù)、高性能的收發(fā)信機(jī)和多用戶檢測(cè)技術(shù)等。

8.高度自組織、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)完全自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò),擁有對(duì)結(jié)構(gòu)的自我管理能力,以滿足用戶在業(yè)務(wù)和容量方面不斷變化的需求。

(二)4G移動(dòng)通信技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

為了適應(yīng)移動(dòng)通信用戶日益增長(zhǎng)的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,具體實(shí)現(xiàn)4G系統(tǒng)較3G的優(yōu)越之處,4G移動(dòng)通信系統(tǒng)將主要采用以下關(guān)鍵技術(shù):

1.接入方式和多址方案

OFDM(正交頻分復(fù)用)是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù),其主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的,即具有頻率選擇性,但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的,在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸,信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬。

2.調(diào)制與編碼技術(shù)

4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用新的調(diào)制技術(shù),如多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)以及單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)等調(diào)制方式,以保證頻譜利用率和延長(zhǎng)用戶終端電池的壽命。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)采用更高級(jí)的信道編碼方案(如Turbo碼、級(jí)連碼和LDPC等)、自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)技術(shù)和分集接收技術(shù)等,從而在低Eb/N0條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。

3.高性能的接收機(jī)

Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實(shí)現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理,可以計(jì)算出,對(duì)于4G系統(tǒng),要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù),則所需要的SNR為12dB。

4.智能天線技術(shù)

智能天線應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),產(chǎn)生空間定向波束,使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向,旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向,達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)的目的。這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量。

5.MIMO技術(shù)

MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù),它采用的是分立式多天線,能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道,從而大大提高容量。信息論已經(jīng)證明,當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí),MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能,從而獲得巨大的容量。

6.軟件無(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器,并盡可能多地用軟件來(lái)定義無(wú)線功能,各種功能和信號(hào)處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電技術(shù)能支持采用不同空中接口的多模式手機(jī)和基站,能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的可變QoS。

7.基于IP的核心網(wǎng)

4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò),同已有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比具有根本性的優(yōu)點(diǎn),即:可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無(wú)縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)線接入方案,能提供端到端的IP業(yè)務(wù),能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。采用IP后,所采用的無(wú)線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò)(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的。

8.多用戶檢測(cè)技術(shù)

多用戶檢測(cè)是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統(tǒng)中,各個(gè)用戶信號(hào)之間存在一定的相關(guān)性,這就是多址干擾存在的根源。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的多址干擾固然很小,可是隨著用戶數(shù)的增加或信號(hào)功率的增大,多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾。傳統(tǒng)的檢測(cè)技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對(duì)每個(gè)用戶的信號(hào)分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理,因而抗多址干擾能力較差;多用戶檢測(cè)技術(shù)在傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上,充分利用造成多址干擾的所有用戶信號(hào)信息對(duì)單個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),從而具有優(yōu)良的抗干擾性能,解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題,降低了系統(tǒng)對(duì)功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源,顯著提高系統(tǒng)容量。[3]隨著多用戶檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展,各種高性能又不是特別復(fù)雜的多用戶檢測(cè)器算法不斷提出,在4G實(shí)際系統(tǒng)中采用多用戶檢測(cè)技術(shù)將是切實(shí)可行的。

三、4G網(wǎng)絡(luò)IP的接入方式

在4G中網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)架構(gòu)將會(huì)簡(jiǎn)化。對(duì)于基于IP網(wǎng)絡(luò)的寬帶無(wú)線接入,可以有兩種設(shè)計(jì)架構(gòu),一種是全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖1所示。在這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)模型中,基站不僅可以具有信號(hào)的物理傳輸功能,還可以對(duì)無(wú)線資源進(jìn)行管理,扮演接入路由器的功能,缺點(diǎn)是會(huì)引入較大的開銷,尤其是在移動(dòng)終端進(jìn)行切換時(shí)對(duì)移動(dòng)IP地址進(jìn)行的配置的過(guò)程。[4]

另一種是基于子網(wǎng)的IP架構(gòu),如圖2所示,其中幾個(gè)相鄰基站組成子網(wǎng)接入基于IP接入網(wǎng)的路由器。這時(shí),基站和接入路由器分別負(fù)責(zé)管理第二層和第三層的協(xié)議,當(dāng)用戶在相鄰基站間發(fā)生切換時(shí),只涉及到第二層的切換協(xié)議,不需要改變第三層的移動(dòng)IP的地址。

四、總結(jié)

第四代無(wú)線通信技術(shù)在美國(guó)及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入密集的研發(fā)和市場(chǎng)化階段。這些研究包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、用戶切換和漫游等移動(dòng)環(huán)境下的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案等[5]。4G移動(dòng)通信技術(shù)不僅僅是一項(xiàng)高速的移動(dòng)設(shè)備Internet接入技術(shù),而且是關(guān)系到未來(lái)能否在通信領(lǐng)域生存發(fā)展的關(guān)鍵,是通信技術(shù)的發(fā)展方向。本文從不同的角度給出了4G概念的定義和要求,詳細(xì)闡述了4G中IP網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù),并且對(duì)各自的特點(diǎn)做了分析比較。

在不久的未來(lái),這種以寬帶、接入因特網(wǎng)、具有多種綜合功能第四代移動(dòng)通信技術(shù)將成為移動(dòng)通信市場(chǎng)主流技術(shù)。這也將為我國(guó)移動(dòng)通信的發(fā)展提供了前所未有的機(jī)遇,同時(shí)也帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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