第四代移动通信系统
1、引言
到目前为止，3G各种标准和规范已达成协议，并已开始商用。可是3G还是有其局限性：由于受到多用户干扰，CDMA难以达到很高的通信速率；由于空中接口标准对核心网的限制，3G所能提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求；分配给3G的频率资源已经趋于饱和；3G缺乏全球统一标准；3G所采用的语音交换架构仍承袭了第二代(2G)的电路交换，而不是纯IP方式；流媒体(视频)的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，更赶不上XDSL等。所以，在第三代移动通信还没有完全铺开，距离完全实用化还有一段时间的时候，已经有不少国家开始了对下一代移动通信系统的研究。
2、系统特点
第四代移动通信技术的概念可称为广带(Broadband)接入和分布网络，具有非对称超过2Mb/s的数据传输能力，对全速移动用户能提供150Mb/s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。其广带无线局域网(WLAN)能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网(IBCN)，它还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要特点是：
(1)通信速度提高，数据传输速率超过UMTS，上网速率从2Mb/s提高到100Mb/s。
(2)以移动数据为主，面向因特网大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。
(3)采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电、可下载无线电等新技术。
(4)发射功率比现有移动通信系统降低10～100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。
(5)支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证。
(6)多种业务的完整融合。4G应能集成不同模式的无线通信——从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。各种业务应用、各种系统平台间的互联更便捷、安全，面向不同用户要求，更富有个性化。
3、网络架构
3.1 网络体系结构
在第四代移动通信系统中，为了满足不同用户对不同业务的需求，将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台，网络的连接如图1所示：
图1 4G系统的网络结构
从图1中可看出基于IP技术的网络架构使得用户在2G、3G、4G、WLAN、固定网之间无缝漫游可以实现。我们可将系统网络体系结构分为三层，如图2所示：
图2 4G系统的网络分层
从图2可看出，第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上分为：物理层、网络业务执行技术层、应用层等3层。物理层提供接入和选路功能，网络业务执行技术层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、即插即用、安全管理、有源网络。物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口，用于第三方开发和提供新业务。
结合移动通信市场发展和用户需求，4G移动网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络(平台)之间或者多个无线接口之间，建立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。4G移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。
同时，技术的发展和市场的需求，将加快并实现目前的计算机网、电信网、广播电视网和卫星通信网等网络融为一体，宽带IP技术和光网络将成为多网融合的支撑和结合点。数字化数据交易点是4G移动网络的一个重要技术。它用于预处理各个不同网络平台之间的呼叫。在网络平台之间的特定协议条件下，帮助业务供应者提供高质量、低费用的业务应用。例如，两个网络平台之间传送电视数据信息，首先经由数字化数据交易所处理。在数字化数据交易所里，这个电视数据信息将被分离成视频信号和音频信号，经由不同信道传送。音频信号将由覆盖广泛的网络传送，视频信号将由只能处理、接收视频信号的网络传送，从而达到降低通信成本和有效利用传输信道的目的。未来的全球互联网系统和骨干网系统，将以结合宽带IP技术和光纤网技术为主。
3.2 4G移动通信的接入系统
4G移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统(平台)之间实现无缝连接和协作。在4G移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，4G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统(例如2G、3G)、无绳系统(如DECT)、短距离连接系统(如蓝牙)、WLAN系统、固定无线接入系统、卫星系统、平流层通信(STS)、广播电视接入系统(如DAB、DVB-T、CATV)。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。
网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：
(1)为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线方面做进一步研究。
(2)为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。
(3)提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。
3.3 4G移动通信的软件系统
4G移动通信的软件系统趋于标准化、复杂化、智能化。软件系统的首要任务是，创建一个公共的软件平台，使不同通信系统和终端的应用软件，通过此平台“互联互通”；并且，通过此软件平台，实现对不同通信系统和终端的管理和监控。因此，建立一个统一的软件标准和互联协议，是4G移动通信软件系统的关键。
软件系统将逐步采用Web服务模式，以代替现行的客户/服务器模式。新的计算机语言如XML，将用于未来的这种基于Web的分布式服务。另一方面，软件系统还将在网络安全上做进一步研究，以保障通信网络的正常工作、数据完整和其他特殊需要。
4、关键技术
4.1 调制技术与信号传输
在高频段高速移动传输会产生严重的频率选择性衰落，实现调制/解调的鲁棒性可以克服这种频率选择性衰落，并且新的调制技术如多载波正交频分复用调制技术以及单载波带自适应均衡技术都将提供很高的频谱效率。另外，电池功率的限制也必须突破。4G系统将采用这些调制方式以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。此外，高性能正向纠错(FEC)编码，如Turbo编码技术、自动重发请求(ARQ)和分集接收技术也是建立高速大容量网络的重要因素。
若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而第四代移动通信系统技术则以OFDM最受瞩目。
4.2 软件无线电
在4G移动通信系统中，移动终端将会变得非常繁杂。为此，专家们提议引入软件无线电技术，实现移动终端的多模化。可以在不同的系统中工作。软件无线电技术能够将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将A/D和D/A转换器尽可能地靠近RE前端，利用DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。它旨在建立一个无线电通信平台，在平台上运行各种软件系统，以实现多通路、多层次和多模式的无线通信。因此，应用软件无线电技术，一个移动终端，就可以实现在不同系统和平台之间，畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。
4.3 网络结构与协议
4G系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网络配置和集成式3G WLAN无缝业务控制等功能模块。为了解决城区密集业务，频率复用是关键，而且用微蜂窝实现无缝覆盖要比热点覆盖策略好，因为前者可以避免地理位置上的业务集中。
在处理多媒体业务时，智能无线资源管理是关键技术，无线系统资源(频率和发射功率)是有限的且易受阻塞的困扰，因此，有必要采用无线QoS资源控制，以保证业务质量和支持各种级别的应用。由4G系统支持的应用业务将依据业务的特点进行分类(如分为实时和非实时)，无线QoS资源控制方式要既能支持实时性应用，也能支持非实时性应用。无线资源管理者首先检查可用资源、前/后向链路质量、应用类别以及QoS业务用户级别，然后再指配适当的前/后向链路速率和发射功率。4G系统中基于IP技术的网络结构可以处理IP包，方便地提供全向功能，关键是选路/切换和鉴权策略。
4.4 定位技术
定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方式。在4G移动通信系统中，移动终端可能在不同系统(平台)间进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现移动终端在不同系统(平台)间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。
4.5 切换技术
切换技术适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。切换技术是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术。它主要有软切换和硬切换。在4G通信系统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。
5、小结
第四代移动通信的具体实现在现在看来还面临着许多难题，但随着技术的发展、网络的发展，现在看来困难的事情可能因为某一关键技术的突破而实现。所以，现在对网络结构的可行性、灵活性的研究，对这些体系结构中的关键技术的研究将对4G的尽快实现有十分重要的意义。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的第四代移动通信系统，必将是通往未来无线与移动通信系统的必然方向。