移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段。每一代的發(fā)展都是技術(shù)的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代起源于20世紀(jì)80年代,主要采用模擬和頻分多址(FDMA)技術(shù)。第二代(2G)起源于90年代初期,主要采用時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術(shù)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)可以提供更寬的頻帶,不僅傳輸話音,還能傳輸高速數(shù)據(jù),從而提供快捷方便的無(wú)線應(yīng)用。然而,第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)仍是基于地面標(biāo)準(zhǔn)不一的區(qū)域性通信系統(tǒng),盡管其傳輸速率可高達(dá)2 Mb/s,但仍無(wú)法滿足多媒體通信的要求,因此,第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的研究隨之應(yīng)運(yùn)而生。
一、4G通信技術(shù)的概念
4G的定義到目前為止依然有待明確,它的技術(shù)參數(shù)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、乃至業(yè)務(wù)內(nèi)容均未有明確說(shuō)法。
在2002年底Wi-Fi熱潮中,Wi-Fi被視作4G技術(shù)。但4G技術(shù)的提倡者認(rèn)為,4G與 Wi-Fi不同。2004年6月,市場(chǎng)研究公司Forrester的分析師預(yù)測(cè),4G移動(dòng)服務(wù)將是3G與WiMax結(jié)合在一起的技術(shù)。4G將提供以太網(wǎng)的接入速度(如10Mb/s),并且通過(guò)在一部手機(jī)中把3G和WiMax技術(shù)結(jié)合在一起,提供集成無(wú)線局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的服務(wù)。WiMax(或者說(shuō)是802.16標(biāo)準(zhǔn))能夠提供無(wú)線寬帶網(wǎng)服務(wù),最遠(yuǎn)距離可達(dá)30英里,速率大約是10 Mb/s。在2004年富士通發(fā)布的白皮書(shū)中,將WiMAX指為“4G”無(wú)線技術(shù)。
另外,也有很多專家對(duì)LAS-CDMA十分看好,認(rèn)為L(zhǎng)AS-CDMA代表著4G水平。
4G到底是什么樣的技術(shù)呢?目前普遍描述如下:
4G是集3G與WLAN于一體,并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像,它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mb/s的速率下載,比目前的撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍,上傳的速度也能達(dá)到20Mb/s,并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。而在用戶最為關(guān)注的價(jià)格方面,4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格方面不相上下,而且計(jì)費(fèi)方式更加靈活機(jī)動(dòng),用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外,4G可以在DSL和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒(méi)有覆蓋的地方部署,然后再擴(kuò)展到整個(gè)地區(qū)。很明顯,4G有著不可比擬的優(yōu)越性。
4G與3G之間的主要區(qū)別在于終端設(shè)備的類型、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)以及構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)類型。終端設(shè)備除了手機(jī)之外應(yīng)當(dāng)包括頭戴式話機(jī)、PDA終端、膝上機(jī)、手表式話機(jī)、電視機(jī)、游戲機(jī)、DVD、零售機(jī),甚至寵物機(jī)等等,凡是人所能構(gòu)想的和能夠識(shí)別IP地址的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)。其次,4G是由多種技術(shù)組成的,包括彼此似乎不相干的技術(shù),如Wi-Fi、超寬帶無(wú)線電、便攜式電腦、軟件無(wú)線電等技術(shù)構(gòu)成的高速全球通網(wǎng)絡(luò)。
與3G手機(jī)相比,4G手機(jī)的功能更強(qiáng)大,應(yīng)用更廣泛。4G手機(jī)智能化程度更高,通話只是最最基本的功能之一,更多的功能體現(xiàn)在多媒體應(yīng)用方面。
二、4G通信的關(guān)鍵技術(shù)
1.正交頻分復(fù)用(OFDM)
OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸,因此可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。OFDM還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷,這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。OFDM技術(shù)還能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時(shí)又提高了頻譜利用率。
移動(dòng)通信信道的突出特點(diǎn)之一就是信道存在多徑時(shí)延擴(kuò)展,它限制了數(shù)據(jù)速率的提高,因?yàn)槿绻麛?shù)據(jù)速率高于信道的相關(guān)帶寬,信號(hào)將產(chǎn)生嚴(yán)重失真,信號(hào)傳輸質(zhì)量大幅度下降。而OFDM技術(shù)由于具備上述特點(diǎn),是對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N潛在的解決方案,在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中,OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案,因此,OFDM技術(shù)已基本被公認(rèn)為4G的核心技術(shù)之一。
OFDM技術(shù)主要的技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中的頻率和時(shí)間同步,基于導(dǎo)頻符號(hào)輔助的信道估計(jì),峰平比問(wèn)題和多普勒頻偏的影響,以及基于OFDM、多載波技術(shù)的新一代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址方案的研究。
2.智能天線(SA)與多入多出天線(MIMO)技術(shù)
智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能,被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾,增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào),這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量,其基本原理是在無(wú)線基站端使用天線陣和相關(guān)無(wú)線收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器,對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并,實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種:全自適應(yīng)方式和基于多波束的波束切換方式。
多入多出天線MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng),該技術(shù)最早是由馬克尼(Guglielmo Marconi)于1908年提出的,它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量,相對(duì)于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng),MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。
信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大,利用MIMO信道可成倍地提高無(wú)線信道容量,在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下,頻譜利用率可以成倍地提高。
利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量,同時(shí)也可以提高信道的可靠性,降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益,后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能,但是復(fù)雜度比較大,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn),但是對(duì)信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是空時(shí)編碼。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼??諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集,從而降低信道誤碼率。
3.軟件無(wú)線電技術(shù)
軟件無(wú)線電是利用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線功能的技術(shù),能在同一硬件平臺(tái)上利用軟件處理基帶信號(hào),通過(guò)加載不同的軟件,可實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。其優(yōu)點(diǎn)是:
(1)通過(guò)軟件方式,靈活完成硬件功能;
(2)具有良好的靈活性及可編程性;
(3)可代替昂貴的硬件電路,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能;
(4)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好,不會(huì)老化;
(5)便于系統(tǒng)升級(jí),降低用戶設(shè)備費(fèi)用。
軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的惟一技術(shù)。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中,軟件將會(huì)變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無(wú)線電技術(shù),將其作為從第二代移動(dòng)通信通向第三代和第四代移動(dòng)通信的橋梁。軟件無(wú)線電技術(shù)能夠?qū)⒛M信號(hào)的數(shù)字化過(guò)程盡可能地接近天線,即將A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近RF前端,利用軟件無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行信道分離、調(diào)制解調(diào)和信道編譯碼等工作。軟件無(wú)線電技術(shù)旨在建立一個(gè)無(wú)線電通信平臺(tái),在平臺(tái)上運(yùn)行各種軟件系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無(wú)線通信。因此應(yīng)用軟件無(wú)線電技術(shù),一個(gè)移動(dòng)終端就可以實(shí)現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺(tái)之間暢通無(wú)阻的使用。
三、4G通信技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)
如果說(shuō)2G、3G通信對(duì)于人類信息化的發(fā)展是足以稱道的話,那么未來(lái)的4G通信卻給了我們真正的溝通自由,并將徹底改變我們的生活方式甚至社會(huì)形態(tài)。目前正在研究中的4G通信具有以下的特征。
1.通信速度更快
由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動(dòng)裝置無(wú)線訪問(wèn)因特網(wǎng)的速率,因此4G通信給人印象最深刻的特征莫過(guò)于它具有更快的無(wú)線通信速度。從移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率作比較,第一代模擬式僅提供語(yǔ)音服務(wù);第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率只有9.6kb/s,最高可達(dá)32kb/s;而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2Mb/s;專家則預(yù)估,第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)可以達(dá)到10Mb/s至20Mb/s,甚至最高可以達(dá)到100Mb/s,這種速度將相當(dāng)于目前手機(jī)的傳輸速度的1萬(wàn)倍左右。
2.網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬
要想使4G通信達(dá)到100Mb/s的傳輸,通信營(yíng)運(yùn)商必須在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行大幅度的改造和研究,以便使4G網(wǎng)絡(luò)在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩系統(tǒng)的帶寬高出許多。據(jù)AT&T公司研究4G通信的專家們說(shuō),估計(jì)每個(gè)4G信道將占有100MHz的頻譜,相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)路的20倍。
3.通信更加靈活
從嚴(yán)格意義上說(shuō),4G手機(jī)的功能,已不能簡(jiǎn)單劃歸“電話機(jī)”的范疇,畢竟語(yǔ)音的傳輸只是4G移動(dòng)電話的功能之一而已,未來(lái)4G手機(jī)更應(yīng)該算得上是一只小型電腦了。而且4G手機(jī)從外觀和式樣上,將有更新的突破,我們可以想象的是,眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋,以方便和個(gè)性為前提,任何一件你能看到的物品都有可能成為4G終端,只是目前我們還不知應(yīng)該怎么稱呼它。未來(lái)的4G通信將使我們不僅可以隨時(shí)隨地通信,更可以雙向下載傳遞資料、圖畫(huà)、影像,當(dāng)然更可以和從未謀面的陌生人網(wǎng)上聯(lián)線對(duì)打游戲。也許你將有被網(wǎng)上定位系統(tǒng)永遠(yuǎn)鎖定無(wú)處遁形的苦惱,但是與它據(jù)此提供的地圖帶來(lái)的便利和安全相比,這簡(jiǎn)直可以忽略不計(jì)。
4.智能性能更高
第四代移動(dòng)通信的智能性更高,不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作具有智能化,例如對(duì)菜單和滾動(dòng)操作的依賴程度將大大降低,更重要的4G手機(jī)可以實(shí)現(xiàn)許多難以想象的功能。例如,4G手機(jī)將能根據(jù)環(huán)境、時(shí)間以及其他設(shè)定的因素來(lái)適時(shí)地提醒手機(jī)的主人此時(shí)該做什么事,或者不該做什么事,4G手機(jī)可以將電影院票房資料,直接下載到PDA之上,這些資料能夠把目前的售票情況、座位情況顯示得清清楚楚,大家可以根據(jù)這些信息來(lái)進(jìn)行在線購(gòu)買自己滿意的電影票;4G手機(jī)可以被看作是一臺(tái)手提電視,用來(lái)看體育比賽之類的各種現(xiàn)場(chǎng)直播。
5.兼容性能更平滑
要使4G通信盡快地被人們接受,不但考慮它的功能強(qiáng)大外,還應(yīng)該考慮到現(xiàn)有通信的基礎(chǔ),以便讓更多的現(xiàn)有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過(guò)渡到4G通
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