4G发展动态.docx

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4G发展动态

4G开展动态

信息产业部电信研究院通信信息研究所庾志成

一、对4G开展趋势的探讨

　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，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系统缺乏的下一代系统。

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未来开展和超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未来开展及超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的未来开展在2005年左右实现最高约30Mbps的速率，而超3G在2021年左右在高速移动环境支持最高约100Mbps的速率，在低速移动环境到达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为根底的无线接续，支持QOS；

●各系统〔IMT-2000、WLAN、BWA、卫星、播送〕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根底，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本钱的大大减少，未来的4G通信费用也要比目前低。

为了充分利用4G通信带来的先进效劳，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到达10M～20Mbps，最高可以到达100Mbps。

2.网络频谱更宽

　　要想使4G通信到达100Mbps的传输速度，通信运营商必须在3G通信网络的根底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的功能已不能简单划归“机〞的范畴，因为语音数据的传输只是4G移动的功能之一而已。

而且4G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、化装盒、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可以实现许多难以想像的功能，例如，4G将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒的主人。

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效劳将包括语音、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.通信费用更加廉价

　　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通信网络的根底设施之上，采用逐步引入的方法，这样就能够有效地降低运营本钱。

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的未来开展和超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的技术标准建议（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未来开展及超IMT-2000（FutureDevelopmentofIMT-2000andSystemsBeyondIMT-2000）〞。

该课题分为两局部：

A局部——IMT-2000未来开展（FutureDevelopmentofIMT-2000），即IMT-2000增强型；B局部——超IMT-2000（SystemsBeyondIMT-2000）。

继TG8/1之后，新成立的ITU-RWP8F组承当了3G未来开展和超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未来开展和超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技术标准建议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未来开展及超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。

经过屡次会议讨论之后，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拟稳定。

超3G的概念涵盖了现有的3G、3G增强型技术，以及新定义的两局部新能力，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的未来开展在2005年左右实现最高约30Mbit/s的数据速率，而超3G在2021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/本地无线接入环境到达最高约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的开展阶级及可能的时间表

　　WP8F也初步制订了超3G的研究方案，这些方案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的研究根本分成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方案。

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的比拟如附表所示，从比照中超3G的开展趋势可见一斑

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那么以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那么与处理软件、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〕、现场可编程器件〔FPGA〕、数字信号处理〔DSP〕等。

目前，软件无线电技术虽然根本上实现了其根本功能：

硬件数字化、软件可编程化、设备可重复配置性，但是其传统的流水线式结构严重影响了设备可配置功能和设备的可扩展性。

1999年，美国麻省理工学院V.Bose等人在SpectrumWare工程支持下提出了网络式结构的虚拟无线电概念。

这个工程致力于建立一个充分利用工作站提供的资源和网络优势的理想无线电结构，人们称它为虚拟无线电，这将是软件无线电的开展方向。

国内，“863〞中的软件无线电工程，也提出了类似的一种基于交换的硬件平台结构，它与1997年J.Mitola提出的基于交换的硬件平台结构完全类似。

3．全IP技术

核心IP网络不是专门用作移动通信,而是作为一种统一的网络,支持有线及无线的接入,它就像具有移动管理功能的固定网络,其接入点可以使有线或无线。

无线接入点可以是蜂窝系统的基站,WLAN（无线局域网）或者adhoc自组网等。

对于公用网和2Ｇ以及未实现全IP的3G网络等那么通过特定的网关连接。

另外,热点通信速率和容量的需要或网络铺设重叠将使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。

Ipv6

4．智能天线〔SA〕

智能天线原名自适应天线阵列〔AAA，AdaptiveAntennaArray〕，最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。

移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字——智能天线。

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。

智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其根本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。

目前，智能天线的工作方式主要有两种：

全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。

全自适应智能天线虽然从理论上讲可以到达最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。

正是在这一背景下，基于预多波束的切换波束工作方式被提出。

此时全空域〔各种可能的入射角〕被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个〔也有可能是几个，但需合并后再输出〕作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其看作是介于扇形天线与全自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术开展的方向。

4．4G网络的开展趋势

4.1广带化趋势

4.2网络互联／综合/重叠的趋势

4.3软件无线电的趋势

4.4灵活和自适应的开展趋势

三、世界各国对4G的研发和试验情况

为了在新一轮竞争中变被动为主动，日本总务大臣的咨询机构———信息通信审议会专门委员会在2001年6月15日就已完成了第四代移动通信系统框架协议。

韩国有关运营商和通信研究所ETRI也向政府提出了相应的4G研究方案。

而在我国，尤肖虎介绍，4G的立项早在2000年初就已开始酝酿，2001年11月立项申请被批准，随后国家成立了由尤肖虎负责、由863方案通信技术主题专家组领导的总体组，并于2001年年底和今年六月发布了两次课题指南，成立了一系列课题组，开始了方案的启动。

　　日本几年前已经开始研究，并在NTTDoCoMo的牵头下，已经开发出了可支持20Mbit/s的实验系统，并于2002年年初成立了mITF（移动IT论坛），下设4G研究工作组，由运营商、制造商和高等院校参加，与标准化组织ARIB保持密切的关系。

日本政府甚至已经确定了超3G使用的频谱，并方案在2021年之前首先商用超3G。

韩国情报通信部（MIC）已经将超3G研究列入政府的研究开发课题，方案在2005年之前投资1亿美元。

此外，情报通信部在今年年初成立了4G远景研究委员会，统筹部署国内的超3G研究以及国际合作。

目前，日本NTTDoCoMo公司已经表示，4G通信的试验网络已经部署在公司的横须贺研发园内，该网络集结了试验基站和移动终端，同时NTTDoCoMo公司还表示，4G通信效劳将于2021年推出，网络的下载速度可以到达100Mbps，上载速度为20Mbps。

美国AT&T公司推出的4G通信网络的试验，据说可以配合目前的EDGE进行无线上传，并通过OFDM技术到达快速下载的目的。

美国AT&T公司声称大约还需要5年，这项技术才能发布；再有10年左右的时间，4G才能真正投入到商用阶段。

在去年2月份，欧洲的4家移动设备生产商——阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子组成了世界无线研究论坛（WWRF），以研究3G以后的开展方向。

WWRF预计4G技术将在2021年开始投入应用。

接着IST的专家佩莱拉先生介绍了“第六框架方案IST工程中对后3G的研发〞。

他首先指出“后3G〞（B3G）和第4代（4G）的区别，B3G是指3G以后的演进过程，估计时段是2021年到2021年，4G是远景，估计在2021年左右进入。

对于4G美国、欧洲、日本各有不同看法。

美国强调是高速率的个人专用系统和无需牌照的系统，同时对无线本地环（WLAN）技术比拟看重。

日本强调应该是高速率的公用系统，因此要求过高的速率和带宽。

欧洲认为4G应该是多种技术和各种不同终端的混合，在IPv6根底上做到全球每人一个代码。

他希望在B3G研究方面欧盟能和中国合作。

摘自“中国信息协会：

欧洲3G技术研发商用情况考察报告〞

实际上，不仅仅3G标准上存在两大阵营，世界各国在对4G的设想上也存在着巨大的差异。

欧洲、日本和美国都有自己的看法。

欧洲国家一般认为4G是一种可以有效地使用频谱的数据通信技术，并且一定是以IPV6为根底的，网络上的所有单位都有自己的IP地址。

通过在移动通信网络中引入IPV6就可以把现有的各种不同的网络融合在一起，比方4G网络将会融合卫星和平流层通信系统、数字关播送电视系统，各种蜂窝和准蜂窝系统，无线本地环路和无线局域网，并且可以和2G、3G兼容。

与欧洲关于4G的观点正相反，日本热衷于建立一个单一的4G全球标准。

2002年10月，日本的NTTDoCoMo公司已经试验他自己的4G空中接口，该空中接口是基于可变扩展因子技术的正交频率和码分复用技术〔VSF/OFCDM〕。

在像OFDM一样采用多载波的同时，进行与CDMA相同的扩散处理来增大容量。

其最大的特点在于，可以根据具体的通信效劳来改变时间方向与频率方向上的扩散率。

这样，就可以在类似热点的孤立区域，通过降低扩散率来优先增大传输速率，而在用户众多的环境下，能够提高扩散率、增加系统容量。

该试验显示，此系统在从基站向终端传输的下行方向上，可以确保最大100Mbit/秒的数据传输速度。

NTTDoCoMo将在该技术的根底上，向ITU-R提供4G的技术提案。

美国那么希望把WLAN技术进行扩展，从而演进为4G的根底。

1．欧洲

在欧洲，超3G研究活动是以欧盟的IST研究方案为中心来进行的。

IST的超3G系统技术系列工程把很多IST相关领域的研究成果汇总了起来。

该工程的范围包括：

对接入系统进行评估，包括陆地和卫星技术，电信和交互式播送系统；

在核心网和无线接入系统中的IP技术，包括移动管理技术；

和现有的、演进中的以及新生的接入系统之间的互通问题。

1.1欧盟的第六框架研究方案

欧盟的研究活动是4年一个周期，每个周期都会制定一个框架研究方案。

第六框架方案〔FP6〕的有效期是从2003年到2006年。

在FP6中，信息社会技术〔IST〕被列作优先支持的工程，有总额为36.25亿欧元的经费支持。

在IST中，超3G移动和无线通信系统技术的研究工程获得了最先获得了9千万欧元的预支经费，占总预支经费的80％。

该工程的目标是实现“随时随地的最优地接入〞。

早期的预备工作已经已经把超3G系统成为了一个综合的通信模型，在超3G系统中，不同的陆地接入层次和技术融合起来、相互补充，从而为适应不同的业务要求和无线环境提供最优的方案。

这些技术和系统包括个人层次的〔个人携带／身体不同部位／AdHoc网络〕，本地和家庭层次的〔为LAN和UWB〕，蜂窝层次的〔GPRS、UMTS等〕、以及更大范围的〔DxB-T，BWA〕等。

而卫星网络可以补充上面的接入系统，提供一个全球覆盖的层次〔比方，S-DMB〕。

网络系统的重新配置是实现这样一个多样化和综合的无线接入系统的关键。

核心的要求在于：

●一个统一的接入网络，包括新型的空中接口，以一个公用的、灵活的和无缝的全IP网络设施来提供规模性和移动性。

●对统一接入网络采用先进的资源管理技术可以更合理地使用频谱资源，实现动态频谱分配，减少电磁辐射。

●所有接入技术的全球漫游，包括水平方向和纵向的切换，以及无缝的业务提供，还有协商能力，包括基于Ipv6业务结构的移动性、平安和QoS要求。

●接入技术和核心网络之间的互通，在业务和控制层面，包括高级业务和整体网络管理能力；

●高级的网络结构实现所有层次的重新配置〔终端、网络和业务〕。

1.2WWRF

欧盟已经将超3G的研究列入政府支持的方案中，并在此根底上于2001年8月成立了WWRF论坛（无线世界研究论坛）。

其由欧洲主要厂商发起，目前已向全球开展，对ITU的工作影响较大。

在去年2月份，欧洲的4家移动设备生产商——阿尔卡特、爱立信、诺基亚和西门子组成了世界无线研究论坛（WWRF），以研究3G以后的开展方向。

WWRF预计4G技术将在2021年开始投入应用。

1.3BRAIN和MIND

2．日本

日本的TTC在下一代移动通信系统的研究活动中起到了主导作用。

在他们最近发表的一份叫做“新一代移动通信系统的未来透视〞的报告中，他们阐述了通信对社会越来越大的影响。

对信息的普遍接入对现代社会来说越来越重要。

IP和互联网技术将会是未来移动通信系统的基石，从而可以实现

更高速、高质量的传输；

灵活多样的业务；

开放式的业务。

日本政府于2001年5月10日表示，政府与主要的移动通信业企业已为超高速移动通信技术拟定了根底方案，这项4G移动通信技术将于2005年成形。

据外电报道，日本总务省官员石田表示，总务省已与NTTDoCoMo等日本移动通信业巨头，针对4G移动通信技术的根底性能要求达成同识。

石田表示，如政府在“e-Japan〞方案中所述，我们打算在2005年前制定4G核心技术标准，并让它在2021年普及。

与DoCoMo将于今年10月1日推出的3G移动通信效劳相比，4G技术更为复杂。

石田指出，日本政府与业界已取得共识：

4G移动通信技术的信息传输速度将是目前“i-mode〞效劳的10000倍。

而在4G开发的中间阶段，日本总务省与企业界打算在2005年先推出为i-mode效劳设计的3.5G，它将把传输速度提高到30Mbps，比目前的9.6Mbps快3倍。

3.5G技术将可让所有移动通信运营商的用户，享受共同的3.5G效劳。

而目前还有个