浅谈４Ｇ移动通信系统的网络接入技术

陈富节　吴　刚　李冠民　邓杰英　丁　攀

[摘要]未来移动通讯技术最明显的发展趋势是高数据速率、高机动性、任意位置的网络接入和无缝漫游。首先将介绍下一代移动通讯技术4G的主要技术特点和关键技术,然后介绍4G网络架构及IP接入方式。

[关键词]移动通信4G网络IP接入方式

中图分类号:TN92文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)0920019-02

随着中国几大电信运营商分别推出3G移动通讯网络的相关服务。人们对移动通信系统关注程度和各种需求与日俱增。3G通信面临竞争和标准不兼容等问题,也不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务。[1]4G是解决传输速度和标准统一的主要技术。本文将介绍4G移动通信系统的主要技术特点,并讨论采用的关键技术。

一、4G网络的发展现状

世界发达国家已积极投入4G通信技术规格的制定与研究。爱立信公司已开始进行第四代移动通信标准的研究,并着手研制第四代移动通信系统。爱立信与美国加利福尼亚大学合作开发4G技术,加利福尼亚大学已经正式成立了加州通信和信息技术学会。美国AT&T已推出了4G网络,并初步实现上传、下载。日本和韩国在第四代移动通信领域也进行合作,两国将共同建立因特网网络、例行两国之间的有线无线通讯结合环境,并进行超高速卫星通信实验。[2]

我国汉网公司研制出的汉网“宽带无线IP通信系统”使用了4G技术和IP网络技术,以汉网特有的包分多址(PDMA)接入技术为核心,可为无线用户提供高达近2Mbps的互联网业务和高速率的多媒体数据业务。

二、4G移动通讯主要特点和关键技术

(一)4G移动通信系统技术的特点

1.数据传输速率高。对于大范围高速移动用户(250km/h),数据速率为2Mb/s;对于中速移动用户(60km/h),数据速率为20Mb/s;对于低速移动用户(室内或步行者),数据速率为100Mb/s。

2.基于数字宽带技术。在4G移动通信系统中,信号以毫米波为主要传输波段,蜂窝小区也会相应小很多,很大程度上提高用户容量,但同时也会引起系列技术上的难题。

3.网络兼容性好。4G移动通信系统实现全球统一的标准,让所有移动通信运营商的用户享受共同的4G服务,真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。

4.具有较强的灵活性。4G移动通信系统采用智能技术使其能自适应地进行资源分配,能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求,采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常发送与接收,有很强的智能性、适应性和灵活性。

5.多用户共存。4G移动通信系统能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理,使低速与高速的用户以及各种各样的用户设备能够共存与互通,从而满足系统多类型用户的需求。

6.多种业务的融合。4G移动通信系统支持更丰富的移动业务,包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等,使用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。将个人通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体,更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。

7.基于先进的通信技术。4G移动通信系统以几项突破性技术为基础,如:OFDM多址接入方式、智能天线和空时编码技术、无线链路增强技术、软件无线电技术、高效的调制解调技术、高性能的收发信机和多用户检测技术等。

8.高度自组织、自适应的网络。4G移动通信系统是一个完全自治、自适应的网络,拥有对结构的自我管理能力,以满足用户在业务和容量方面不断变化的需求。

(二)4G移动通信技术的关键技术

为了适应移动通信用户日益增长的高速多媒体数据业务需求,具体实现4G系统较3G的优越之处,4G移动通信系统将主要采用以下关键技术:

1.接入方式和多址方案

OFDM(正交频分复用)是一种无线环境下的高速传输技术,其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的,即具有频率选择性,但是每个子信道是相对平坦的,在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽。

2.调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术,如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式,以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等,从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。

3.高性能的接收机

Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理,可以计算出,对于4G系统,要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据,则所需要的SNR为12dB。

4.智能天线技术

智能天线应用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。

5.MIMO技术

MIMO(多输入多输出)技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术,它采用的是分立式多天线,能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。信息论已经证明,当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时,MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能,从而获得巨大的容量。

6.软件无线电技术

软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能多地用软件来定义无线功能,各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站,能实现各种应用的可变QoS。

7.基于IP的核心网

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,同已有的移动网络相比具有根本性的优点,即:可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。

8.多用户检测技术

多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中,各个用户信号之间存在一定的相关性,这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小,可是随着用户数的增加或信号功率的增大,多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理,因而抗多址干扰能力较差;多用户检测技术在传统检测技术的基础上,充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测,从而具有优良的抗干扰性能,解决了远近效应问题,降低了系统对功率控制精度的要求,因此可以更加有效地利用链路频谱资源,显著提高系统容量。[3]随着多用户检测技术的不断发展,各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出,在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。

三、4G网络IP的接入方式

在4G中网络的设计架构将会简化。对于基于IP网络的宽带无线接入,可以有两种设计架构,一种是全IP网络架构,如图1所示。在这种网络设计模型中,基站不仅可以具有信号的物理传输功能,还可以对无线资源进行管理,扮演接入路由器的功能,缺点是会引入较大的开销,尤其是在移动终端进行切换时对移动IP地址进行的配置的过程。[4]

另一种是基于子网的IP架构,如图2所示,其中几个相邻基站组成子网接入基于IP接入网的路由器。这时,基站和接入路由器分别负责管理第二层和第三层的协议,当用户在相邻基站间发生切换时,只涉及到第二层的切换协议,不需要改变第三层的移动IP的地址。

四、总结

第四代无线通信技术在美国及日本等发达国家已经进入密集的研发和市场化阶段。这些研究包括网络结构、用户切换和漫游等移动环境下的系统实现方案等[5]。4G移动通信技术不仅仅是一项高速的移动设备Internet接入技术,而且是关系到未来能否在通信领域生存发展的关键,是通信技术的发展方向。本文从不同的角度给出了4G概念的定义和要求,详细阐述了4G中IP网络的接入技术,并且对各自的特点做了分析比较。

在不久的未来,这种以宽带、接入因特网、具有多种综合功能第四代移动通信技术将成为移动通信市场主流技术。这也将为我国移动通信的发展提供了前所未有的机遇,同时也带来了严峻的挑战。

参考文献:

[1]谢佳秀、唐宝民,4G概念移动通信[J].中国新通信,2007,(23).

[2]田国栋,解析第四代移动通信[J].商场现代化,2009(6).

[3]赵瑞玉,4G移动通信系统的热点技术及其发展动态[J].山西电子技术,2008,(02).

[4]武霞、亢军贤、薄征等,全IP第四代移动通信系统研究进展与关键技术[J].甘肃科技,2008,(10).

[5]莫晏光、苏佳佳,基于软件无线电技术的4G通信研究[J].信息通信,2008,(03).