4G发展动态

4G发展动态信息产业部电信研究院通信信息研究所庾志成一、对4G发展趋势的探讨好象GSM等第二代移动通信系统正式投入市场的同时，业界就开始第三代移动通信的研究一样，在3G系统还没有在全球全面铺开的现在，4G的研究已经开始了好几年了。和当初的情况不同的是，目前3G所面临的困难使人们更加关注4G研究的进展情况。甚至有人宣称，我们应该跨过3G而直接进入4G。这些各式各样的大政方针式的言论我们暂且把它放在一边，在这篇文章里，我们来看一看，人们对4G的设想是什么，现在全球对4G的研究已经走到了哪一步。4G的提出本来应该是针对3G系统在使用中无法克服的困难，现在3G的商用还没有全面展开，4G就被炒得沸沸扬扬的事实说明了一个问题，那就是人们从一开始就对3G不那么满意。显而易见，当初ITU制定IMT2000标准的时候，希望是一个能够提供高速数据接入的全球统一的标准。但是各方在自身利益的驱动下，争执不下，最后折中成了以WCDMA和CDMA2000系列为首的5个大标准，立即产生了相互之间的漫游的问题。此外，用户在使用中的速率要求也没有得到很好的满足。IMT2000要求3G用户在慢速移动和静止状态下的数据接收速率在2M以上，而现有3G系统的实际接收速率只有几百K。此外，手机问题、与原有网络的兼容问题等等，所有这些都增加了人们对3G的不满，和对4G的期待。那么4G是什么呢？用一句不那么精确的话来解释，4G就是能够解决上面3G系统不足的下一代系统。由此，尽管有人说4G和超3G有一些区别，我们在这里还是把它混为一谈。关于4G（超3G），ITU－R的WP8F工作组已经给出了一个定义，以供大家参考。1999年成立的ITU-R的WP8F工作组的主要任务是负责3G未来发展和超3G的研究。在2001年10月日本举行的第六次会议上讨论提出了“IMT-2000未来发展及超IMT-2000的远景框架及总目标（IMT-VIS）”。该文件定义的目标数据传输速率为：IMT-2000的未来发展在2005年左右实现最高约30Mbps的速率，而超3G在2010年左右在高速移动环境支持最高约100Mbps的速率，在低速移动环境达到1Gbps速率。WP8F提出的超3G系统的要求主要包括：高速数据传输，根据移动速度支持各种传输速度（3公里／小时－100Mbps，60公里／小时－20Mbps，250公里／小时－2Mbps，500公里／小时－xMbps）；以IP为基础的无线接续，支持QOS；各系统（IMT-2000、WLAN、BWA、卫星、广播）之间无缝的业务支持，并支持全球漫游。支持多重模式、支持对称／非对称业务。4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，不断提高无线通信的网络效率和功能。与传统的通信技术相比，4G通信技术的优势在于通话质量及数据通信速度。另外，由于技术的先进性确保了投资成本的大大减少，未来的4G通信费用也要比目前低。为了充分利用4G通信带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信制造商已经开始把眼光瞄准到生产4G通信终端产品上。4G通信的特征目前正在构思中的4G通信具有下面的特征：1.通信速度更快由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。专家预估，第四代移动通信系统的速度可以达到10M～20Mbps，最高可以达到100Mbps。2.网络频谱更宽要想使4G通信达到100Mbps的传输速度，通信运营商必须在3G通信网络的基础上进行大幅度的改造，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。据研究，每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网络的20倍。3.通信更加灵活从严格意义上说，4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已。而且4G手机从外观和式样上看将有更惊人的突破，可以想像的是，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋都有可能成为4G终端。4.智能性能更高第四代移动通信的智能性更高，不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的是4G手机可以实现许多难以想像的功能，例如，4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。5.兼容性能更平滑要使4G通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此，从这个角度来看，4G通信系统应当具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从2G平稳过渡等特点。6.实现更高质量的多媒体通信4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息透过宽频的信道传送出去，为此4G也称为“多媒体移动通信”。7.通信费用更加便宜由于4G通信不仅解决了与3G的兼容性问题，让更多的现有通信用户能轻易地升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端通信技术，因此，相对其他技术来说，4G通信部署起来就容易迅速得多。同时在建设4G通信网络系统时，通信运营商们将考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营成本。ITUBeyond3G的看法，超3G是ITU定义的“SystemsBeyondIMT-2000”简称，意为超越3G的系统，或称Beyond3G、超IMT-2000等，目前有些国家所称的第4代移动通信(4G)实际上就是指ITU提出的超3G系统。负责第3代移动通信研究的ITU-RTG8/1组早在1999年6月就已经开始酝酿超3G的研究课题，在1999年11月TG8/1第18次会议上，也就是确定IMT-2000的五大技术标准(RSPC)的会议上，超IMT-2000的课题也相应通过，至此TG8/1组在经过长达十几年的努力之后完成了其历史使命，确定了3G的标准，提出了3G的未来发展和超3G的研究课题，起到了承上启下的作用。在2000年5月的ITU-R无线电全会(RA-2000)上，3G的技术规范建议(M.1457建议)和超3G的课题也同时获得通过，超3G在ITU-R正式的课题号为Q.229/8，课题的全称为“IMT-2000未来发展及超IMT-2000(FutureDevelopmentofIMT-2000andSystemsBeyondIMT-2000)”。该课题分为两部分：A部分——IMT-2000未来发展(FutureDevelopmentofIMT-2000)，即IMT-2000增强型；B部分——超IMT-2000(SystemsBeyondIMT-2000)。继TG8/1之后，新成立的ITU-RWP8F组承担了3G未来发展和超3G的研究，WP8F在1999年11月正式成立，并于2000年3月开始活动。WP8F的主要任务是负责3G未来发展和超3G有关的频谱研究以及远景、业务和无线技术的研究，负责更新3G技术规范建议M.1457，同时与负责核心网研究的ITU-TSSG(IMT-2000特别研究组)和负责移动卫星研究的WP8D组进行协调。在超3G的研究方面，WP8F将在2002年10月召开的第9次会议完成建议草案“IMT-2000未来发展及超IMT-2000的远景框架及总目标”(PDNRIMT-VIS)，该建议将明确超3G的概念、研究目标及涉及的主要内容，并初步提出时间表等。2超3G在国际上的研究进展2.1超3G在ITU的研究进展虽然WP8F在2000年就已经启动超3G的研究，但直到2001年下半年才逐渐被广泛关注，并逐步达成共识。经过多次会议讨论之后，在2002年6月WP8F的第8次会议上，超3G的概念、研究目标及时间表已经比较稳定。超3G的概念涵盖了现有的3G、3G增强型技术，以及新定义的两部分新能力，即新的移动接入和新的游牧/本地接入系统，前者一般是指蜂窝移动通信系统，后者一般由无线接入/无线局域网(WLAN)演变而来。IMT-VIS定义的目标数据速率为：IMT-2000的未来发展在2005年左右实现最高约30Mbit/s的数据速率，而超3G在2010年左右在高速移动环境支持最高约100Mbit/s的速率，在低速移动环境，如游牧/本地无线接入环境达到最高约1Gbit/s速率。超3G的概念还强调不同系统之间的互通和关联，包括3G、超3G系统与其他无线系统之间的协同工作等。超3G的示意图见图1，初步定义的时间表见图2。图1IMT-2000及超IMT-2000的能力示意图图2ITM-2000与超ITM-2000的发展阶级及可能的时间表WP8F也初步制订了超3G的研究计划，这些计划主要是围绕着世界无线电大会(WRC)制订的。WRC主要由各个国家的主管部门参加，规划和协调各种无线系统和国际及区域无线电频谱的重要会议。围绕着WRC-03(2003年WRC会议)和WRC-06两次会议，超3G的研究基本分成3个阶段：WRC-03会议之前：将完成IMT.VIS和CPMTEXT，目标是在2003年WRC会议上，通过一个关于超IMT-2000频谱的议程。WRC-03到WRC-06之前：将主要完成超IMT-2000的频谱计算方法IMT.METH、业务IMT.SERV报告、频谱需求量IMT.HOWMUCH、频谱规划IMT.SPEC、CPMTEXT和无线技术研究报告IMT.RADIO等，最主要的目的是在2006年WRC会议上确认超IMT-2000的频谱。WRC-06之后：重点将放在业务IMT.SERV、无线接口技术要求IMT.RADIO、无线接口标准IMT.GCS的完成。当然，在今后的会议中还会继续讨论，预计在2002年10月结束的第9次会议上应该形成较为定型的工作计划。从下次会议开始，WP8F的工作重点将全面转向超3G的研究，包括业务、频谱和无线技术等。图4G无线通信系统方案设想新兴的MBS系统（MobileBroadbandSystems，移动宽带系统）能够提供高达150Mbps的数据传输速率，以对3G的补充向超3G迈进。MBS与3G的典型代表--UMTS的比较如附表所示，从对比中超3G的发展趋势可见一斑二、4G中可能的核心技术1.OFDM技术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，OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的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，并且各子载波并行传输，这样，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，并且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，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。由于OFDM技术能够克服DS_CDMA在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题,并且有频谱效率高,硬件实施简单等优点,因此OFDM被看作是第四代移动通信系统中的核心技术。OFDM技术的主要的技术难点是系统中的频率和时间同步,基于导频符号辅助的信道估计,峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。2．软件无线电技术软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。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,其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH