摘? 要: 第三代移動通信" title="移動通信">移動通信發展之際,世界已開始關注第四代" title="第四代">第四代移動通信。本文回顧了移動通信的發展歷程,探討了第四代移動通信及其性能和系統網絡結構及其關鍵技術,分析了4G" title="4G">4G面臨的問題,介紹了世界及我國對4G的關注。?

　　關鍵詞: 4G? 第四代移動通信? OFDM?

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　　移動通信已成為當代通信領域內發展潛力最大、市場前景最廣的熱點技術。目前全球已具有相當規模的移動通信標準有GSM、CDMA和TDMA三大分支,每個分支都在搶占市場。全球無線技術各自為營,各廠商都在不斷推出新技術,以迅速搶占行業標準的主導地位。盡管第三代移動通信(3G)標準比現有無線技術更強大,但也將面臨競爭和標準不兼容等問題。人們開始呼吁移動通信標準的統一,以期通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。國際電信聯盟(ITU)目前已經開始研究制訂第四代移動通信標準,并已達成共識:把移動通信系統" title="移動通信系統">移動通信系統同其他系統(例如無限局域網,W-LAN,等)結合起來,產生4G技術,2010年之前使數據傳輸數率達到100Mbps,以提供更有效的多種業務。目前相互兼容移動通信技術" title="移動通信技術">移動通信技術的第四代移動通信標準(4G)正在業界萌動。第四代移動通信與第三代移動通信相比,將在技術和應用上有質的飛躍。4G將適合所有的移動通信用戶,最終實現商業無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛星通信的無縫銜接并相互兼容。?

1 移動通信發展歷程?

1.1 第一代移動通信技術(1G)?

??? 主要采用的是模擬技術和頻分多址(FDMA)技術。由于受到傳輸帶寬的限制,不能進行移動通信的長途漫游,只能是一種區域性的移動通信系統。第一代移動通信有多種制式,我國主要采用的是TACS。第一代移動通信有很多不足之處,比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通話質量不高、不能提供數據業務、不能提供自動漫游等。?

1.2 第二代移動通信技術(2G)?

??? 主要采用的是數字的時分多址(TDMA)技術和碼分多址(CDMA)技術。主要業務是語音,其主要特性是提供數字化的話音業務及低速數據業務。它克服了模擬移動通信系統的弱點,話音質量、保密性能得到大的提高,并可進行省內、省際自動漫游。第二代移動通信替代第一代移動通信系統完成了模擬技術向數字技術的轉變,但由于第二代采用不同的制式,移動通信標準不統一,用戶只能在同一制式覆蓋的范圍內進行漫游,因而無法進行全球漫游。由于第二代數字移動通信系統帶寬有限,限制了數據業務的應用,也無法實現高速率的業務如移動的多媒體業務。?

1.3 第三代移動通信技術(3G)?

??? 與從前以模擬技術為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術相比,3G將有更寬的帶寬,其傳輸速度最低為384K,最高為2M,帶寬可達5MHz以上。不僅能傳輸話音,還能傳輸數據,從而提供快捷、方便的無線應用,如無線接入Internet。能夠實現高速數據傳輸和寬帶多媒體服務是第三代移動通信的另一個主要特點。第三代移動通信網絡能將高速移動接入和基于互聯網協議的服務結合起來,提高無線頻率利用效率。提供包括衛星在內的全球覆蓋并實現有線和無線以及不同無線網絡之間業務的無縫連接。滿足多媒體業務的要求,從而為用戶提供更經濟、內容更豐富的無線通信服務。但第三代移動通信仍是基于地面、標準不一的區域性通信系統。雖然第三代移動通信可以比現有傳輸速率快上千倍,但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求。第四代移動通信系統的提出便是希望能滿足提供更大的頻寬需求,滿足第三代移動通信尚不能達到的在覆蓋、質量、造價上支持的高速數據和高分辨率多媒體服務的需要。?

2 第四代移動通信及其性能?

　　第四代移動通信系統可稱為廣帶(Broadband)接入和分布網絡,具有非對稱的超過2Mb/s的數據傳輸能力,數據率超過UMTS,是支持高速數據率(2～20Mb/s)連接的理想模式,上網速度從2Mb/s提高到100Mb/s,具有不同速率間的自動切換能力。第四代移動通信系統是多功能集成的寬帶移動通信系統,在業務上、功能上、頻帶上都與第三代系統不同,將在不同的固定和無線平臺及跨越不同頻帶的網絡運行中提供無線服務,比第三代移動通信更接近于個人通信。第四代移動通信技術可將上網速度提高到超過第三代移動技術50倍,可實現三維圖像的高質量傳輸。4G移動通信技術的信息傳輸級數要比3G移動通信技術的信息傳輸級數高一個等級。對無線頻率的使用效率比第二代和第三代系統都高得多,且抗信號衰落性能更好,其最大的傳輸速度將是目前“i-mode”服務的10000倍。除了高速信息傳輸技術外,它還包括高速移動無線信息存取系統、移動平臺技術、安全密碼技術以及終端間通信技術等,具有極高的安全性,4G終端還可用作諸如定位、告警等。4G手機系統下行鏈路速度為100mbps,上行鏈路速度為30mbps。其基站天線可以發送更窄的無線電波波束,在用戶行動時也可進行跟蹤,可處理數量更多的通話。第四代移動電話不僅音質清晰,而且能進行高清晰度的圖像傳輸,用途將十分廣泛。在容量方面,可在FDMA、TDMA、CDMA的基礎上引入空分多址(SDMA),容量達到3G的5～10倍。另外,可以在任何地方寬帶接入互聯網,包含衛星通信,能提供信息通信之外的定位定時、數據采集、遠程控制等綜合功能。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統和互操作的廣播網絡(基于地面和衛星系統)。其廣帶無線局域網(WLAN)能與B-ISDN和ATM兼容,實現廣帶多媒體通信,并形成綜合廣帶通信網(IBCN),通過IP進行通話。對全速移動用戶能提供150Mb/s的高質量的影像服務,實現三維圖像的高質量傳輸,無線用戶之間可以進行三維虛擬現實通信。能自適應的資源分配,處理變化的業務流、信道條件不同的環境,有很強的自組織性和靈活性。能根據網絡的動態和自行變化的信道條件,使低碼率與高碼率的用戶能夠共存,綜合固定移動廣播網絡或其他的一些規則,實現對這些功能體積分布的控制。支持交互式多媒體業務,如視頻會議、無線因特網等,提供更廣泛的服務和應用。4G系統可以自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。用戶將使用各種各樣的移動設備接入到4G系統中,各種不同的接入系統結合成一個公共的平臺,它們互相補充、互相協作以滿足不同業務的要求,移動網絡服務趨于多樣化,最終將演變為社會上多行業、多部門、多系統與人們溝通的橋梁。?

3 4G系統網絡結構及其關鍵技術?

　　4G移動系統網絡結構可分為三層:物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接人和路由選擇功能,它們由無線和核心網的綜合格式完成。中間環境層的功能有QoS映射、地址變換和安全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境層之間的接口是開放的,它使發展和提供新的應用及服務變得更為容易,提供無縫高數據率的無線服務,并運行于多個頻帶。這一服務能自適應多個無線標準及多模終端能力,跨越多個運營者和服務,提供大范圍服務。第四代移動通信系統的關鍵技術包括信道傳輸;抗干擾性強的高速接入技術、調制和信號傳輸技術;高性能、小型化和低成本的自適應陣列智能天線;大容量、低成本的無線接口和光接口;系統管理資源;軟件無線電、網絡結構協議等。第四代移動通信系統主要是以正交頻分復用(OFDM)為技術核心,OFDM技術的特點是網絡結構高度可擴展,具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力,可以提供比目前無線數據技術質量更高(速率高、時延小)的服務和更好的性能價格比,能為4G無線網提供更好的方案。例如無線區域環路(WLL)、數字音訊廣播(DAB)等,都將采用OFDM技術。4G移動通信對加速增長的廣帶無線連接的要求提供技術上的回應,對跨越公眾的和專用的、室內和室外的多種無線系統和網絡保證提供無縫的服務。通過對最適合的可用網絡提供用戶所要求的最佳服務,能應付基于因特網通信所期望的增長,增添新的頻段,使頻譜資源大拓展,提供不同類型的通信接口,運用路由技術為主的網絡架構,以傅利葉變換來發展硬件架構實現第四代網絡架構。移動通信將向數據化,高速化、寬帶化、頻段更高化方向發展,移動數據、移動IP將成為未來移動網的主流業務。?

4 第四代移動通信面臨的問題?

　　要使第四代移動通信系統能投入實際應用,就需要對現有的移動通信基礎設施進行更新改造,首先需解決無線系統中的移動性管理和核心網的移動IP技術等問題,當然還有4G的標準問題。網絡層移動性是4G移動性管理的關鍵,移動性通常涉及到在不同網段間漫游的移動用戶,數據鏈路層的移動性支持通常限制在同類網絡之間。移動IP代表了一種簡單而且可以升級的全球移動性方案。但是,對于第四代移動通信系統而言,它缺乏實時位置管理和快速無縫切換機制的支持。要解決這些問題,必須采用新的網絡結構和智能路由優化方案,需要采用高效的發送和切換協議,這些協議必須能很好地解決數據丟失和延遲的問題。另外,移動IP環境下的QoS所使用的綜合業務/RSVP技術(IntSev/RSVP)和區別型業務技術(DifServ)也需解決。在4G系統中,要開發新的頻譜資源,提高頻譜利用率并選擇合適的傳輸技術,如多載波傳輸方式以及自適應均衡等技術來對抗頻率選擇性衰落。利用RAKE接收、跳頻以及Turbo碼等技術來增強系統的性能,提高信干比;提高檢測可用的資源以及信號的質量、動態分配頻率資源和信號發射功率、增加移動通信系統容量、降低信號發射功率;提高通信的覆蓋范圍,并支持多媒體通信、無線接入寬帶固定網以及在不同系統之間的漫游等。?

5 世界關注第四代移動通信 ?

?? 目前世界發達國家都正在積極進行4G技術規格的研究制定,以期在全球4G規格制定中享有發言權。4G的各項運行標準將由國際電信聯盟(ITU)電信標準局決定。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。新的研究包括網絡結構、用戶切換和漫游等移動環境下的系統實現方案,從而實現用戶的大范圍移動,這種技術路線是當前國際上設計第四代移動通信系統的主要思路。阿爾卡特、愛立信、諾基亞和西門子已共同建立了旨在推動4G技術開發的世界無線研究論壇。?

　　美國AT&T公司已在實驗室中研究第四代移動通信技術,其研究目的是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問因特網的速率,這項技術約需五年才能發布。AT&T已推出了4G Access 網絡,它能配合目前的EDGE技術進行上傳,并利用寬帶OFDM技術進行下載。目前AT&T的4G Access網絡升級分為兩個階段,第一階段是移動電話基地臺的軟件構建,第二階段則估計在兩年后進行智能型天線的硬件構建。北電網絡則努力使IP的4G網絡傳輸速度達到20Mbps,因此必須進行Software Radio、寬帶接收器、新型功率放大器等相關行動技術的開發。?

　　世界上最大的電信基礎設施提供商瑞典愛立信公司已開始進行第四代移動通訊標準的研究,并著手研制第四代移動通信系統。預計在2011年正式投入運營,2012年奧運會就可應用。愛立信已研究出的“4G眼鏡”2011年也將進入市場。愛立信計劃在目前所有通信網絡都以IP技術為基礎時開始建設第二階段的第三代移動通信網,第三代移動網的互聯網連接速度最高可達每秒2兆,比目前快200倍。而第四代技術的傳輸速度最高可達每秒100兆。愛立信與美國加利福尼亞大學合作開發4G技術,加利福尼亞大學已經正式成立了加州通信和信息技術學會,并由該大學的圣迭戈分校和歐文分校合作管理。目前該學會已經得到愛立信公司1200萬美元的投資,加州通信和信息技術學會將在4G技術、先進天線系統、新一代移動因特網、電力放大器技術和無線訪問網絡等領域內進行深入研究。美國惠普與日本NTT DoCoMo已聯手開發4G通信技術和產品,開發的4G多媒體體系結構有望向移動用戶提供高性能多媒體流內容,使媒體流數據能夠更好地傳輸到移動電話和其它手持設備上,該體系結構的基礎技術研究有望到2003年完成。?

　　日本的DoCoMo移動通信公司也已在日本進行第四代移動通信的研究,力圖成為第四代移動通信領頭羊。DoCoMo計劃在2006年推出第四代移動通信系統,在2010年左右首度推出4G業務,并意圖使它成為全球的標準。日本政府決定從2002年財政預算中撥款12億日元,支持速度更快、功能更齊備的“第四代移動通信系統”的研究與開發,使它成為全球的標準。日本政府與主要的移動通信業企業已為超高速移動通信技術擬定了基礎計劃,這項4G移動通信技術將于2005年成形。為了能夠搶占未來移動電話技術的先機,日本郵電部已向日本電氣通信技術審議會提交制定第四代(4G)移動電話規格的提案。日本電氣通信技術審議會負責審核4G技術的相關規格,決定其使用頻率、系統技術、開發日程等。日本已完成了繼第三代移動通信系統“IMT-2000″之后的第四代移動通信系統標準提案,該提案將4G的實用期定在2010年。4G將速度提高到了100Mbit/秒,對4G的目標是2010年之前達到實用化水平。日本電氣通信技術審議會估計,2001～2010年日本3G市場規模將達到42兆日元,僅2010年的營收就將達到9300億日元,而4G移動電話的市場潛力更遠勝于3G。日本和韓國在IMT-2000之后的第四代移動通信領域也進行合作,兩國將共同建立因特網網絡、創造兩國之間的有線無線通訊結合環境,并進行超高速衛星通信實驗。?

　　韓國政府將斥資1350億韓元,用于4G通信系統的開發。這些資金將主要用于高速信息包傳輸技術、固定無線通訊設備以及移動軟件開發和下一代網絡工藝上。為推進4G移動通信服務系統研發進程,政府成立一個科研開發小組,專門負責該項目的實施。韓國政府已與移動通信設備公司及服務公司合資成立了下一代移動通信技術開發協會,著手進行4G等未來移動通信服務技術的開發研究。下一代移動通信技術開發協會還將聚集產、學、研的通訊專家,成立未來移動通信規劃委員會,負責推動4G規劃、3G服務及系統改進、針對無線網絡專用通訊的TDD(Time Division Duplex)方案設計和高速數據通訊(Hight Data Rate)等領域的研究。三星電子的SERI研究中心也開始進行4G移動通信技術的開發工作。?

6 發展我國的第四代移動通信?

　　我國在4G領域也取得重大成果。漢網公司研制出的漢網″寬帶無線IP通信系統″采用了4G技術和IP網絡技術,以漢網特有的包分多址(PDMA)接入技術為核心,上下行數據速率采用不對稱設計,可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯網業務,同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數據業務?？蓪崿F手機、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點通信等擴展業務,預計2003年可投入市場使用。?

　　目前世界發達國家都正在積極進行第四代移動通信技術規格的研究制定工作,以期在全球第四代移動通信規格制定中能享有發言權。第四代移動通信設備“智能化”程度極高,移動通信面向個人、正反饋良性循環發展的特性,決定其市場潛力仍非常巨大。移動通信與互聯網的結合,給移動通信與互聯網的發展都將注入更大的活力。隨著互聯網高速發展,第四代移動通信系統將會得到更快的發展。據預測,這種以寬帶、接入因特網、具有多種綜合功能的第四代移動通信技術在2010年將成為移動通信市場主流技術。21世紀我國移動通信還有一個巨大的發展空間,這為我國移動通信的發展提供了前所未有的機遇,同時也帶來了嚴峻的挑戰。為此,我們有必要在大力開發第三代移動通信技術系統的同時,提前作好準備,積極參與ITU關于第四代移動通信標準建議的研究,掌握世界移動通信技術的研究動向和最新成果,加強國際合作,關注并積極進行第四代移動通信技術的研究與開發工作,把第四代移動通信的研發與建立我國移動通信產業結合起來,加快我國移動通信產業的發展,使我國的移動通信產業在國內外擁有強大的市場。?

參考文獻?

1 雷震洲.無線通信發展走勢.郵電設計技術,2001(7)?

2 李 爽,儲軼剛.向第四代移動通信系統的演進.電信快報,2001(4)?