迈向4G无线通信系统要考虑的5大关键技术

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虽然3G时代尚未完全到来，但现在国际上已经开始研究4G无线通信技术了，这就提出了下列关键问题：3G和4G究竟有何区别？如何从3G过渡到4G？4G无线通信系统有何种关键技术？本文对中国无线设计工程师关注的问题进行了深入探讨，并阐述了4G无线通信系统要考虑的5大关键技术。

无线业务提供商正逐步开始提供第三代(3G)无线业务。随着接入技术的不断进步，语音、视频、多媒体和宽带数据业务正逐渐集成至同一网络中。人们曾展望3G将成为真正意义上的宽带业务，不过这一美好愿望看来很难实现了。虽然按照协议标准，3G系统必须提供2Mbps的数据率，但实际上最多只能达到384kbps的速率。为实现真正意义上的宽带无线业务，系统必须迈向至第4代(4G)无线网络系统。

这不单纯只是个数字游戏，因为4G旨在提供基于IP的低成本高速高容量业务。

4G的目标是获得高达20Mbps的数据率，而且即使在以时速200公里行驶的车辆上也能达到此速率。然而新设计技术要求实现4G性能所耗费的预期成本必须只为3G的十分之一。

通过将单一的3G协议标准化从而实现向4G的跃进，这种方法的难度相当大，而如果不以一个协议为基础，设计人员则将面临更大的挑战。表1比较了3G和4G的一些关键参数(4G尚不具备统一的规范，因此提出的参数主要参照研究报告)，显然其中部分标准还是相当令人满意的。

多载波调制

为实现4G标准，需要一种新的方法，由频分多路复用技术派生出的多载波调制(MCM)正是实现此目标的一种潜在技术。MCM本身不是新技术，当前DSL调制解调器和数字音频/视频广播(DAB/DVB)就使用了各种形式的多载波系统。MCM是利用并行等带宽子信道进行信息传输的基带技术，通常采用快速傅立叶变换(FFT)技术实现。MCM在码间干扰(ISI)环境下具有良好的性能并可避免单频干扰，此外MCM增加了信号的峰值与平均值之比(PAVR) ，而且为了克服ISI必须为数据添加循环扩展(cyclic extension)或保护频带。

方程1描述了峰值与平均值之比，而MCM和单载波系统之间的PAVR差异则是副载波数目(N)的函数。

PAVR的任何提高都要求通过增加系统的线性度来降低失真，然而降低PAVR的方法本身也有缺陷。其中一种技术对信号限幅，这将导致更高的非线性度。此外还可利用线性化技术，但这些技术将增加系统的成本并需要放大器进行补偿。

循环扩展的原理如下：如果数据块的初始长度为N，通道响应的长度为M，那么循环扩展的码块新长度为N+M-1。该序列提交的图像与信道卷积，这类似于由N个重复的初始块所组成的周期性序列卷积。因此长度为N+M-1个采样周期的新码块中不含ISI，而代价是增加功率并对数据增加的位进行解码。在MCM接收机中只进行N次采样，而剩余的M-1次采样则丢弃，信噪比(SNR)损失参见方程2。

表1列出了两种可供4G选用的不同类型MCM，即多载波代码码分多址接入方式(MC-CDMA)和采用时分多址接入方式(TDMA)的正交频分多路复用(OFDM)。注意，MC-CDMA实际上是带有CDMA重复占位(overlay)的OFDM。

类似于单载波CDMA系统，用户可通过正交编码的多路复用来区分MC-CDMA用户。在MC-CDMA中每个用户可分配多个编码，而数据可以时域或频域扩展。上述两种方式中多个用户均可同时接入系统。

在带有TDMA的OFDM中，用户按分配的时间间隔发送和接收数据。同3G系统一样，4G系统必须处理多址接入的干扰和定时问题。

带有TDMA的OFDM和MC-CDMA之间的差异主要在于每个副载波使用的调制类型。通常MC-CDMA使用四相移键控(QPSK)，而带有TDMA的OFDM可使用高电平调制(HLM)，如多级正交振幅调制(M-QAM)(这里M=4至256)。为了优化整个系统的性能，还可使用自适应调制，这里所有副载波QAM电平的选择基于测量的参数。

现在从器件级来考虑这个问题。4G收发器的结构类似于任何其它的宽带无线收发器结构，而与典型收发器的主要区别在于基带处理。多载波调制信号将以宽带高PAVR信号的形式出现在收发器的RF/IF器件中。基站和移动终端的区别在于基站可发送和接收/解码多个移动终端的信号，而移动终端通常只为单个用户服务。移动终端可以是移动电话、计算机或其他个人通信设备。

4G系统中RF和基带之间的线路将更加紧凑，这样模拟数据变换为数字数据，或者数字数据变换为模拟数据的速度都相当快，由此增加了系统的灵活性。典型的RF器件，如功率放大器和天线均需要复杂的信号处理技术来处理宽带高速信号。

图1显示了典型收发器的RF/IF器件。在发送通道上，由于IF不变换同相和正交 (I&Q)信号，因此RF将I&Q信号变换并放大，然后再发送。在接收通道上，天线的射频部分接收数据，然后进行过滤、放大和下行变换，使其应用于基带处理。收发器提供功率控制、定时和同步以及频率信息。当使用多载波调制时，频率信息尤为重要。如果数据没有正确地同步，收发器将无法对其进行解码。

从高层的角度看，移动终端和基站RF/IF器件的结构很相似，但两者的总体结构和性能要求截然不同。两者均需考虑性能和成本；而移动终端还需考虑功耗和规格。

4G系统的工作过程

图2显示了收发器基带处理器件的顶层方框图。假定4G建立在多载波技术之上，发送器和接收机的核心基带器件是FFT及其反变换(IFFT)。在发送通道上，数据经过生成、编码、调制、变换、循环扩展，然后传送至RF/IF器件；而在接收通道上，数据无需进行循环扩展，只经过变换与检测，然后进行解码。如果数据是语音，还将发送至语音编码器。基带子系统将采用多个IC加以实现，这些IC包括数字信号处理器(DSP)、微控制器和ASIC。软件作为收发器的一个重要组成部分，用以实现不同的算法、编码和收发器的总状态机。基站中可包含若干个DSP，如果使用了智能天线，那么每个用户都需要接入DSP并根据天线射束进行必要的调整。

接收器件

与3G相比，4G需要对接收器件进行改进，以实现期望的数据传输速率和通信可靠性。如方程3所示，香农定理描述了可靠通信必需的最小SNR。

这里C表示通道容量(即数据率)，而BW表示带宽。

3G中要在5MHz带宽上实现2Mbps的数据率，SNR只需1.2dB。而4G中要在5MHz带宽上实现20Mbps的数据率，所需的SNR约为12dB。这表明由于4G中数据率有很大的提高，收发器系统应当具有比3G远为卓越的性能。