1 概述
第四代（4G）移動通信系統與技術是目前移動通信領域的研究熱點。第三代（3G）移動通信系統從2001年起先后在日本和韓國投入商用，但目前大多數國家運營的仍然是2G或2.5G的移動通信系統。我國運營的移動通信系統主要是2G的GSM和CDMA。目前用戶對移動通信系統的速率要求越來越高，而3G系統實際所能提供的最高速率也只有384kbps（雖然標稱最高速率為2Mbps），不能滿足用戶的實際需求，因此在3G系統還沒有大規模投入商用的情況下，國內外移動通信領域的專家已經在進行4G系統的研究和開發工作。
90年代早期歐洲就開始4G移動通信系統的研究，其目標速率是100Mbps, 預期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一個特別委員會，領導日本的有關政府部門、大學研究機構和工業部門，從事4G系統的研究工作和制定4G 的有關標準。日本NTT的DoCoMo公司已經于2002年成功研制出一個包含移動終端和基站的4G空中接口實驗系統，并在該系統上成功地進行了有關的傳輸和實驗。
目前全球范圍內有多個組織正在進行4G 系統的研究和標準化工作，如IPv6 論壇、SDR 論壇、3GPP、無線世界研究論壇（the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移動通信設備廠商也在進行4G的研究和開發工作。AT&&T已經開發了名為4G接入的實驗網絡。NORTEL正進行軟件無線電功率放大器技術的研究，而HP實驗室正在進行4G 網絡上傳輸多媒體內容的相關研究。Ericsson在加州大學投入了1000萬美元從事下一代CDMA和4G移動通信技術的研究。
按照目前的研究成果和專家的預測，4G 系統將會在2010年以后投入商業運營，最高下行速率將達到100Mbps。ITU-R 的WP8F工作組也估計下一代移動通信系統將在2010年左右投入商業運營。
2 4G系統的技術目標和特點
4G系統總的技術目標和特點可以概括為：同3G等已有的數字移動通信系統相比，4G系統應具有更高的數據率、更好的業務質量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質量、更高的靈活性；4G系統應能支持非對稱性業務，并能支持多種業務；4G系統應體現移動與無線接入網和IP網絡不斷融合的發展趨勢，因此4G系統應當是一個全IP的網絡。下面是一些具體的技術目標和特點。
2.1 4G系統的容量
4G系統的容量至少為3G系統的10 倍。4G系統下行信道的最高速率將達100Mbps, 因此移動終端下載文件的速度將比3G系統快得多。4G系統也可把高清晰度的視頻圖像實時地傳送給移動終端用戶，從而使用戶產生身臨其境的感覺。
為了適應數據和多媒體業務不斷增長的需求，4G系統自然應具有更高的容量，但所能分給4G系統的頻譜仍然是有限的，因此4G系統的頻譜效率應當為3G系統的5到10倍。
4G系統目標速率為：對于大范圍高速移動用戶（250km/h），數據速率為2Mbps; 對于中速移動用戶（60km/h），數據速率為20Mbps; 對于低速移動用戶（室內或步行者），數據速率為100Mbps。
2.2 4G系統是一個無縫網
4G系統應能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫游。無線通信領域的一個發展趨勢是移動網絡和無線接入網絡的融合。4G系統應當是一個移動網絡和無線接入網的融合體，它應能實現與無線LAN 的無縫連接。
4G的無縫特性，包含系統、業務和覆蓋等多方面的無縫性。系統的無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統中使用；業務的無縫性指的是對話音、數據和圖像的無縫性；而覆蓋的無縫性則指4G系統應該能向全球提供業務。因此4G系統應當是一個綜合系統，蜂窩部分提供廣域移動性，而WLAN提供熱點地區的高速業務，同時也應當包含家庭和辦公室的個人LAN。
2.3 4G系統應具有良好的覆蓋性能
4G系統應具有良好的覆蓋性，并能提供高速可變速率傳輸。對于室內環境，由于要提供高速傳輸，因此小區的半徑更小。
2.4 4G系統應當是一個基于IP的網絡
4G應當是一個基于IP的移動網絡，所以有些文獻把4G系統稱為“基于IP的第四代無線網絡”（the Fourth Generation IP-based wireless network）。全IP 的4G網絡同已有的移動網絡相比具有根本性的優點。IP與實際所采用的各種無線接入方式是兼容的，并且與具體采用的無線接入方式是獨立的，采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡（CN）協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時就具有很大的靈活性，而不需要去考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。一個采用IP的核心網絡可以采用多種無線接入方式，比如IEEE 802.11、WCDMA、Bluetooth、HyperLAN等。全IP的核心網可以與無線接入方式獨立地發展。4G系統將會采用Ipv6。Ipv6將能在IP網絡上實現話音和多媒體業務。
2.5 4G系統將能實現不同QoS的業務
4G系統通過動態帶寬分配和調節發射功率來提供不同質量的業務。
3 4G與3G的主要技術參數比較
4 4G系統的關鍵技術
4G 系統的有關關鍵技術為：寬帶接受機、智能天線、空時編碼、高性能的功率放大器、先進的調制解調技術、高性能的RF收發信機和多用戶檢測等。
4.1 無線接入方式與多址方案
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統最為合適的多址方案，從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統最有可能采用的多址方式。OFDM的主要優點有：各個信號間不會相互干擾；對多徑衰落和多普勒頻移不敏感；用戶間和相鄰小區間無干擾；可實現低成本的單波段接收機等。OFDM的主要缺點是功率效率不高。
日本NTT DoCoMo提出的4G移動系統方案的無線接入方式為：VSF-OFCDM。VSF 表示可變擴頻因子（variable spreading factor），而OFCDM則表示正交頻分與碼分復用（orthogonal frequency and code division multiplexing）。VSF-OFCDM 屬于多載波CDMA（MC-CDMA），這種無線接入方式可以提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響。
VSF-OFCDM實際上也是CDMA, 因此同一般的CDMA移動通信系統一樣，頻率可以在所有的小區中重復使用。由于VSF-OFCDM采用了可變擴頻因子，因此通過改變擴頻因子，可應用于高密度業務區和一般業務區。
NTT DoCoMo 已經于2002年10月成功進行了4G系統的有關試驗。采用他們研制的4G移動通信試驗系統，在室內環境成功進行了上行20Mbps，下行100Mbps的傳輸試驗。
4.2 調制與編碼
4G系統將會采用多載波調制（MCM）技術。4G系統可能會采用兩種形式的MCM:多載波碼分多址（MC-CDMA）和正交頻分復用時分多址（OFDM-TDMA）
一般MC-CDMA采用QPSK調制，而OFDM-TDMA采用高電平調制，如M-QAM(M從4 到256)。對于M-QAM,為了提高系統的性能，一般認為需要采用自適應調制，按照實際測量的參數來確定QAM 的電平數和符號速率。
NTT DoCoMo的4G移動通信系統的基本調制方案為QPSK，相應的數據傳輸速率為103.68Mbps。當采用64-QAM調制時，數據速率高達331.776Mbps（相應的擴頻因子為1）。
4G移動通信系統將采用更高級的信道編碼方案，如Turbo碼、級連碼和LDPC等，從而在極低的Eb/N0下保證足夠的性能。NTT DoCoMo的4G實驗系統信道編碼采用TURBO碼。
4.3 無線鏈路增強技術
可以提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術有：分集技術，如通過空間分集、時間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法來獲得最好的分集性能；多天線技術，如采用2或4 天線來實現發射分集，或者采用多輸入多輸出（MIMO）技術來實現發射和接受分集。
4.4 高效的頻譜使用方案
提高頻譜效率的方法有：使用3GHz以上的頻段，由于可以使用的帶寬更寬，因此將具有更高的傳輸容量。3G系統的頻譜效率只有2 bps/Hz，而4G系統的頻譜效率應達到5 bps/Hz。
4.5 基于IP的核心網
3G系統不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系統應當是一個全IP的網絡。采用全IP 的優點有：可以實現不同網絡間的無縫互連；全IP也是一種低成本的集成目前網絡的方法。4G系統的核心網是一個基于全IP的網絡，因此核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN共存。要實現全IP的核心網有許多問題需要解決，如鑒權、計費等；核心網應具有開放的結構，從而能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網應把業務、控制和傳輸等分開。
4.6 軟件無線電（SDR）技術
軟件無線電技術將會在4G系統得到應用。軟件無線電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現各種應用的可變QoS。軟件無線電技術有助于不同標準和系統的融合。軟件無線電在4G中的可能應用為：采用軟件無線電實現的基站可同時為多個網絡服務；當終端移動時，可重新配置，如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動系統中時，終端可按照該系統的標準重新自動配置該終端，從而該終端可獲得服務。
采用軟件無線電技術實現的移動終端或BS將采用模塊化的結構，主要由天線模塊、LNA模塊、功率放大器模塊、ADC\DAC模塊、DSP模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電中RF和基帶器件都應當是可編程的。
4.7 高性能的接收機
4G系統對接收機提出了特別高的要求。我們知道Shannon定理指出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我們可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，而數據速率為2Mbps，則所需的SNR 為1.2 dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mbps的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，因此對接收機的性能要求也要高得多。
4.8 智能天線與MIMO技術
智能天線和MIMO技術可以降低多址干擾，實現空間分集，因此將會在4G系統中得到應用。圖一左端為一個智能天線示意圖，基站對各個用戶可形成一個定向波束，因此既可降低來自小區內其它用戶的多址干擾，也可降低對基站發射功率的要求。
4.9 多用戶檢測技術
隨著多用戶檢測技術的不斷發展，多用戶檢測器將會在4G系統的基站和終端中得到應用。多用戶檢測器可以提高系統的容量，因此將是4G系統必然采用的技術。隨著多用戶檢測器研究的不斷深入，各種高性能但算法不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出來，因此在實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。
參 考 文 獻
[1] Young Kyun Kim.“new technological and standards toward beyond 3G”. cic 2002 . seoul，korea.
[2] Christian prehofer.“technologies for future mobile networks”, cic 2002, seoul, korea
[3] tatsuro masamura.“towards 4th generation mobile communications”. cic2002，seoul，korea.
[4] Rahim Tafazolli.“why we need 4G!”. 2001 Workshop on multiradio multimedia communications.
[5] v. kumar.“wireless communications beyond 3G”. Alcatel Telecommunications Review, 2002
[6] http://www.motorola.com. “beyond 3G”.
[7] http://dis.cnu.ac.kr/download/John-Beyond_3G.pdf
[8] http://www.fraunhofer.de/english/publications/df/df2002/magazine2-2002-26.pdf .
“c114”2004年2月
第四代（4G）移動通信系統與技術是目前移動通信領域的研究熱點。第三代（3G）移動通信系統從2001年起先后在日本和韓國投入商用，但目前大多數國家運營的仍然是2G或2.5G的移動通信系統。我國運營的移動通信系統主要是2G的GSM和CDMA。目前用戶對移動通信系統的速率要求越來越高，而3G系統實際所能提供的最高速率也只有384kbps（雖然標稱最高速率為2Mbps），不能滿足用戶的實際需求，因此在3G系統還沒有大規模投入商用的情況下，國內外移動通信領域的專家已經在進行4G系統的研究和開發工作。
90年代早期歐洲就開始4G移動通信系統的研究，其目標速率是100Mbps, 預期在2010左右投入商用。日本在2000年成立了一個特別委員會，領導日本的有關政府部門、大學研究機構和工業部門，從事4G系統的研究工作和制定4G 的有關標準。日本NTT的DoCoMo公司已經于2002年成功研制出一個包含移動終端和基站的4G空中接口實驗系統，并在該系統上成功地進行了有關的傳輸和實驗。
目前全球范圍內有多個組織正在進行4G 系統的研究和標準化工作，如IPv6 論壇、SDR 論壇、3GPP、無線世界研究論壇（the Wireless World Research Forum）、IETF(The Internet Engineering Task Force)和MWIF(the Mobile Wireless Internet Forum )等。一些全球著名的移動通信設備廠商也在進行4G的研究和開發工作。AT&&T已經開發了名為4G接入的實驗網絡。NORTEL正進行軟件無線電功率放大器技術的研究，而HP實驗室正在進行4G 網絡上傳輸多媒體內容的相關研究。Ericsson在加州大學投入了1000萬美元從事下一代CDMA和4G移動通信技術的研究。
按照目前的研究成果和專家的預測，4G 系統將會在2010年以后投入商業運營，最高下行速率將達到100Mbps。ITU-R 的WP8F工作組也估計下一代移動通信系統將在2010年左右投入商業運營。
2 4G系統的技術目標和特點
4G系統總的技術目標和特點可以概括為：同3G等已有的數字移動通信系統相比，4G系統應具有更高的數據率、更好的業務質量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質量、更高的靈活性；4G系統應能支持非對稱性業務，并能支持多種業務；4G系統應體現移動與無線接入網和IP網絡不斷融合的發展趨勢，因此4G系統應當是一個全IP的網絡。下面是一些具體的技術目標和特點。
2.1 4G系統的容量
4G系統的容量至少為3G系統的10 倍。4G系統下行信道的最高速率將達100Mbps, 因此移動終端下載文件的速度將比3G系統快得多。4G系統也可把高清晰度的視頻圖像實時地傳送給移動終端用戶，從而使用戶產生身臨其境的感覺。
為了適應數據和多媒體業務不斷增長的需求，4G系統自然應具有更高的容量，但所能分給4G系統的頻譜仍然是有限的，因此4G系統的頻譜效率應當為3G系統的5到10倍。
4G系統目標速率為：對于大范圍高速移動用戶（250km/h），數據速率為2Mbps; 對于中速移動用戶（60km/h），數據速率為20Mbps; 對于低速移動用戶（室內或步行者），數據速率為100Mbps。
2.2 4G系統是一個無縫網
4G系統應能實現全球范圍內多個移動網絡和無線網絡間的無縫漫游。無線通信領域的一個發展趨勢是移動網絡和無線接入網絡的融合。4G系統應當是一個移動網絡和無線接入網的融合體，它應能實現與無線LAN 的無縫連接。
4G的無縫特性，包含系統、業務和覆蓋等多方面的無縫性。系統的無縫性指的是用戶既能在WLAN中使用，也能在蜂窩系統中使用；業務的無縫性指的是對話音、數據和圖像的無縫性；而覆蓋的無縫性則指4G系統應該能向全球提供業務。因此4G系統應當是一個綜合系統，蜂窩部分提供廣域移動性，而WLAN提供熱點地區的高速業務，同時也應當包含家庭和辦公室的個人LAN。
2.3 4G系統應具有良好的覆蓋性能
4G系統應具有良好的覆蓋性，并能提供高速可變速率傳輸。對于室內環境，由于要提供高速傳輸，因此小區的半徑更小。
2.4 4G系統應當是一個基于IP的網絡
4G應當是一個基于IP的移動網絡，所以有些文獻把4G系統稱為“基于IP的第四代無線網絡”（the Fourth Generation IP-based wireless network）。全IP 的4G網絡同已有的移動網絡相比具有根本性的優點。IP與實際所采用的各種無線接入方式是兼容的，并且與具體采用的無線接入方式是獨立的，采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡（CN）協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時就具有很大的靈活性，而不需要去考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。一個采用IP的核心網絡可以采用多種無線接入方式，比如IEEE 802.11、WCDMA、Bluetooth、HyperLAN等。全IP的核心網可以與無線接入方式獨立地發展。4G系統將會采用Ipv6。Ipv6將能在IP網絡上實現話音和多媒體業務。
2.5 4G系統將能實現不同QoS的業務
4G系統通過動態帶寬分配和調節發射功率來提供不同質量的業務。
3 4G與3G的主要技術參數比較
4 4G系統的關鍵技術
4G 系統的有關關鍵技術為：寬帶接受機、智能天線、空時編碼、高性能的功率放大器、先進的調制解調技術、高性能的RF收發信機和多用戶檢測等。
4.1 無線接入方式與多址方案
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統最為合適的多址方案，從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統最有可能采用的多址方式。OFDM的主要優點有：各個信號間不會相互干擾；對多徑衰落和多普勒頻移不敏感；用戶間和相鄰小區間無干擾；可實現低成本的單波段接收機等。OFDM的主要缺點是功率效率不高。
日本NTT DoCoMo提出的4G移動系統方案的無線接入方式為：VSF-OFCDM。VSF 表示可變擴頻因子（variable spreading factor），而OFCDM則表示正交頻分與碼分復用（orthogonal frequency and code division multiplexing）。VSF-OFCDM 屬于多載波CDMA（MC-CDMA），這種無線接入方式可以提高頻譜利用率，并且不受多徑干擾的影響。
VSF-OFCDM實際上也是CDMA, 因此同一般的CDMA移動通信系統一樣，頻率可以在所有的小區中重復使用。由于VSF-OFCDM采用了可變擴頻因子，因此通過改變擴頻因子，可應用于高密度業務區和一般業務區。
NTT DoCoMo 已經于2002年10月成功進行了4G系統的有關試驗。采用他們研制的4G移動通信試驗系統，在室內環境成功進行了上行20Mbps，下行100Mbps的傳輸試驗。
4.2 調制與編碼
4G系統將會采用多載波調制（MCM）技術。4G系統可能會采用兩種形式的MCM:多載波碼分多址（MC-CDMA）和正交頻分復用時分多址（OFDM-TDMA）
一般MC-CDMA采用QPSK調制，而OFDM-TDMA采用高電平調制，如M-QAM(M從4 到256)。對于M-QAM,為了提高系統的性能，一般認為需要采用自適應調制，按照實際測量的參數來確定QAM 的電平數和符號速率。
NTT DoCoMo的4G移動通信系統的基本調制方案為QPSK，相應的數據傳輸速率為103.68Mbps。當采用64-QAM調制時，數據速率高達331.776Mbps（相應的擴頻因子為1）。
4G移動通信系統將采用更高級的信道編碼方案，如Turbo碼、級連碼和LDPC等，從而在極低的Eb/N0下保證足夠的性能。NTT DoCoMo的4G實驗系統信道編碼采用TURBO碼。
4.3 無線鏈路增強技術
可以提高容量和覆蓋的無線鏈路增強技術有：分集技術，如通過空間分集、時間分集（信道編碼）、頻率分集和極化分集等方法來獲得最好的分集性能；多天線技術，如采用2或4 天線來實現發射分集，或者采用多輸入多輸出（MIMO）技術來實現發射和接受分集。
4.4 高效的頻譜使用方案
提高頻譜效率的方法有：使用3GHz以上的頻段，由于可以使用的帶寬更寬，因此將具有更高的傳輸容量。3G系統的頻譜效率只有2 bps/Hz，而4G系統的頻譜效率應達到5 bps/Hz。
4.5 基于IP的核心網
3G系統不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系統應當是一個全IP的網絡。采用全IP 的優點有：可以實現不同網絡間的無縫互連；全IP也是一種低成本的集成目前網絡的方法。4G系統的核心網是一個基于全IP的網絡，因此核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN共存。要實現全IP的核心網有許多問題需要解決，如鑒權、計費等；核心網應具有開放的結構，從而能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網應把業務、控制和傳輸等分開。
4.6 軟件無線電（SDR）技術
軟件無線電技術將會在4G系統得到應用。軟件無線電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現各種應用的可變QoS。軟件無線電技術有助于不同標準和系統的融合。軟件無線電在4G中的可能應用為：采用軟件無線電實現的基站可同時為多個網絡服務；當終端移動時，可重新配置，如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動系統中時，終端可按照該系統的標準重新自動配置該終端，從而該終端可獲得服務。
采用軟件無線電技術實現的移動終端或BS將采用模塊化的結構，主要由天線模塊、LNA模塊、功率放大器模塊、ADC\DAC模塊、DSP模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電中RF和基帶器件都應當是可編程的。
4.7 高性能的接收機
4G系統對接收機提出了特別高的要求。我們知道Shannon定理指出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我們可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，而數據速率為2Mbps，則所需的SNR 為1.2 dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mbps的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，因此對接收機的性能要求也要高得多。
4.8 智能天線與MIMO技術
智能天線和MIMO技術可以降低多址干擾，實現空間分集，因此將會在4G系統中得到應用。圖一左端為一個智能天線示意圖，基站對各個用戶可形成一個定向波束，因此既可降低來自小區內其它用戶的多址干擾，也可降低對基站發射功率的要求。
4.9 多用戶檢測技術
隨著多用戶檢測技術的不斷發展，多用戶檢測器將會在4G系統的基站和終端中得到應用。多用戶檢測器可以提高系統的容量，因此將是4G系統必然采用的技術。隨著多用戶檢測器研究的不斷深入，各種高性能但算法不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出來，因此在實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。
參 考 文 獻
[1] Young Kyun Kim.“new technological and standards toward beyond 3G”. cic 2002 . seoul，korea.
[2] Christian prehofer.“technologies for future mobile networks”, cic 2002, seoul, korea
[3] tatsuro masamura.“towards 4th generation mobile communications”. cic2002，seoul，korea.
[4] Rahim Tafazolli.“why we need 4G!”. 2001 Workshop on multiradio multimedia communications.
[5] v. kumar.“wireless communications beyond 3G”. Alcatel Telecommunications Review, 2002
[6] http://www.motorola.com. “beyond 3G”.
[7] http://dis.cnu.ac.kr/download/John-Beyond_3G.pdf
[8] http://www.fraunhofer.de/english/publications/df/df2002/magazine2-2002-26.pdf .
“c114”2004年2月
粵公網安備 44030902003195號