4G通信关键技术探讨

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        紧接着3G之后的4G移动通信技术,其技术发展已成为继3G、3.5G通讯技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形,然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨,并探究4G通信的关键技术。

  历经了前两代移动通信的发展,目前移动通信技术已经堂堂进入3G世代,而3.5代通信技术也如火如荼发展。过去第一代移动通信技术是採用模拟技术的语音tqq 动通信,到了2G移动通信则是採用数字无线传输技术的语音通信。目前3G移动通信系统已经进入实际应用阶段,因此紧接着3G之后的4G移动通信技术,其技术发展已成为继3G、3.5G通信技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形,然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨,并探究4G通信的关键技术。

4G通信技术崛起

  今日,3G通讯的技术标准与规范已进入商业用途。然而到目前为主,在应用上也发现3G通信的许多缺点,例如缺乏全球统一的标准。3G所採用的语音交换架构仍承袭了2G的"电路交换模式"(Circuit Switch Mode),而非採用纯IP方式,也因此容易受到多用户的干扰,导致传输速率无法大幅提高。面对这些应用上的缺点,理想中的4G通讯技术应该具备以下的特色:

更大传输频宽

  对大范围高速移动的使用者(最高250km/h)频宽需求为2Mbps,中速移动的使用者(60km/h)频宽需求为20Mbps,低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps;

更高储存容量

  由于传输频宽增大,因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上;

更高相容性

  4G通信技术必须具备向下相容、开放介面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等,并能从3G通信技术平稳过渡至4G;

不同系统的无缝连接

  行动使用者在移动中,特别是高速移动,也都能顺利使用通信系统,并在不同系统间进行无缝转换(Seamless Transitions),传送高速多媒体资料等;

高度智慧化网路系统

  4G网路必须是高度智慧、能随状况自行调整的网路系统,它须具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求;

整合性的便利服务

  4G系统将个人通信、资讯传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合,提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。

  综上所述,4G移动通信其技术的根本目的说穿了,主要是能够在各终端产品间发送、接收来自另一端的信号,并在多个不同的网路系统、平台与无线通讯介面之间找到最快速与最有效率的通信路径,以进行最即时的传输、接收与定位等动作。

  而当在通信过程进行中,4G通讯还必须保持良好的无缝连接能力,透过不同网路确保资料传输过程不中断,并维持高品质与高频宽。4G通讯的多层式蜂巢结构,可透过不同无线介面接收网路营运商与内容供应商所提供的内容服务。接下来将介绍4G通信的几项关键技术。

4G通信关键技术

OFDM正交频率多重分割技术


  OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing;正交频率多重分割)技术的应用已有近40年历史,第一个OFDM技术的实际应用是军事用途的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线资料方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展之后,该技术已广泛应用于广播式音频和视频等领域。OFDM主要应用还包括:ADSL、DAB与DVB等。

  OFDM通常与通道编码(channel code;用以更正错误的技术)同时使用。尽管其技术复杂度高,但是已广于应用于数字通信系统上。这是因为此项技术有效地消除了多路径(multipath)的问题,也就是消费者所熟知在传统模拟电视信号中所存在的"鬼影"的问题。

  OFDM技术採用不连续的多音调技术,将不同频率载波中的大量讯号合併成单一信号,并完成信号传送。由于此技术具有在杂波干扰下传送信号之能力,所以常常会被利用在容易受到外界干扰,或者是抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

  OFDM技术的发展目的是为了提高载波的频谱利用率,或者针对多载波的调制,其特点是各子载波相互正交,于是扩频调制后的频谱可以相互重叠,因而减少子载波间相互干扰的情况。
  在FDMA(Frequency Division Multiple Access;分频多重进接)、TDMA(Time Division Multiple Access;多时分工存取)、CDMA(Code Division Multiple Access;分码多工)和OFDM等多址方式中,OFDM是4G系统最为合适的多址方案。OFDM技术是在频域内将给定通道分成许多更窄的正交子通道,在每个子通道上使用一个子载波进行调制,且各子载波间进行平行传输,因此可以消除讯号波形彼此间的干扰。

  OFDM可以在不同的子通道上自行调整分配传输负荷量,以最佳化整体传输率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄频干扰。在OFDM系统中由于各个子通道的载波相互正交,于是它们的频谱是相互重叠的,这样不仅减少子载波间的相互干扰,同时并可提高频谱利用率。

  OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通讯资料化、宽频化、个人化和移动化的需求,OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。OFDM是一种多载波数位调变技术,虽然OFDM的概念已经存在了很长时间,但是直到最近随着多媒体应用的发展,才被发现OFDM用于高速双向无线资料传输的好处。随着DSP晶片技术的发展,傅立叶变换/反变换、高速Modem採用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、通道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步导入,也使通讯产业开始集中更多资源开发行动通讯应用的OFDM技术,也因此估计在后3G时代,OFDM技术将会成为4G通讯技术的主流。

  OFDM技术可满足5.15GHz~5.35GHz频段间可靠的高速数据传输。可利用保护时间阶段来解决多径效应产生的码间干扰,以及藉由时序同步来避免接收和发射之间的频率误差,实现可靠正交传输,目前应用于许多不同类型的网路系统。OFDM除符合数位电缆、DSL、数位化电视和输电线联网产品之使用需求外,也符合WLAN标准如IEEE 802.11g等无线区域网路标准。而OFDM也非常适用于4G蜂巢式系统。

MIMO多重输入与多重输出技术

  MIMO(Multiple-Input Multiple-Output;多重输入与多重输出)技术是近年来热门的无线通讯技术之一,其最主要特色是可以大幅提昇资料的传输速率。根据Shannon理论,通道所允许传输之最大速率与信号能量、传输频宽有关。然而这两项因素在通讯系统上却是锱铢必较的珍贵资源。传统的SISO(Single-input single-output)技术以单一天线进行传输,而MIMO技术则是透过增加天线数量以达到提高传输速度之效果。

        在过去的无线网路传输中,大多是利用二支天线切换接收的方式,选择其中收讯较好的一组天线来传送与接收资料,这种方式常常会受到障碍物与其它电波的干扰而影响传输效能。但MIMO技术则是利用多组天线(通常为三组天线)同时传送、接收资料并合成讯号,因此不仅衰减过的讯号也可以达成传输的目的,也可以保持一定的传输速率。

  MIMO还可以利用环境中的反射波来组合讯号,因此就算是处于障碍物多的环境也能拥有稳定快速的讯号传输。因此对于隔间较多的房屋或是办公大楼,都能大幅提高讯号传输效果。

  由于终端系统的需求从网际网路接取和电子邮件等高频宽应用,逐渐加入了游戏、视讯及音讯串流等,更高传输频宽的需求不断增高,因此如何提高无线覆盖范围,并更有效利用网路频谱将成为厂商发展重点。

  MIMO技术的特性就是在相同时间内,能在相同的无线电通道内传输和接收两个或多个不同的数据串流,因此系统在每个讯息通道内传送的数据率将能提高两倍以上。MIMO技术每个讯息通道的最大数据速率,都能随着同一讯息通道中所传输的数据串流数量呈线性增加。透过允许MIMO能在不使用额外的频谱条件下,同时发送多个数据串流,提高无线数据传输容量。

  尽管MIMO在架构和运算上需要更多复杂的演算法、复杂的架构和更高的数据处理能力。但随着MIMO技术渐渐运用于更多无线技术中,预计MIMO技术将大幅改变未来十年的无线电产业,例如4G蜂巢式网路、WLAN、WiBro、WiMAX与802.20等无线技术。

SDR软体无线电技术

  多重标准及装置是今日无线产业的发展主流,消费者希望手机具备多种功能,例如单一装置便具备对谈、接收电子邮件和下载影片等多媒体功能。加上全球化的影响,因此这些装置不管在哪个国家,都必须可靠地运作并进行漫游。因此设计人员和厂商必须以更具弹性且符合经济效益的方式开发新技术,这些需求都使得下一代的通讯技术复杂度更为提升。

  软体无线电(Software Defined Radio;SDR)是一种通讯装置,其实体层至更高阶通讯协定层的作业主要是由软体定义,可提供容许这种改变的框架。软体无线电支援多频宽多模式的无线电、国际漫游、运行时间重新配置和无线程式设计(over the air programming),并可以将不同的通讯技术有效整合。只要在处理硬体时变更装置的软体程式码,软体无线电便可弹性提供变更无线电作业的能力。另外软体无线电还具有其他优点,例如可改善频谱的使用等,都可进一步提升软体无线电的技术价值。

  对于4G通讯来说,由于4G通讯系统之架构将会非常繁杂,因此可以使用软体无线电做为跨越2G、3G以至于4G等不同技术之间的桥樑。软体无线电技术能够将类比讯号的数位化过程尽可能与天线的距离接近,即让A/D及D/A转换器尽可能靠近RF前端,并利用DSP进行通道分离、调变解调变,以及通道编解码等工作。透过建立无线电通讯平台,并于平台上运作各种软体系统,如此可以实现多通道、多层次与多模式的无线通讯。软体无线电技术可让单一行动终端装置在不同系统和平台间畅行无阻。

  IT产业从过去到现在,发展过程中的第一阶段革命出现在1980年代,当时个人电脑出的出现带动科技产业的经济呈现高度成长,第二阶段IT产业革命则是个人电脑和网际网路的结合,带动新一波经济发展与商机。到了二十一世纪,IT产业出现第三次革命,也就是个人电脑、网际网路与行动通讯结合而形成"无疆界网路"(Ubiquitous Network),透过这样的系统,人们将可透过通讯随时取得所需的资讯,其结果将大幅改善生活品质并提高工作效率。

  产业界认为,软体无线电技术将是实现"无疆界网路"世界的主要技术平台,且将在2007年至2010年间实现。因为行动通讯在这段时间之内将会有很大的技术进展,并带来庞大商机。而软体无线电,正是最适合将行动通讯技术导引进入无疆界网路世界的主要技术平台,特别在即将到来的4G通讯世代,行动多媒体通讯将成为未来4G行动通讯的发展趋势,且多模系统也将是厂商的发展重心。而可发展高弹性软、硬体系统平台的软体无线电技术,正是提供多模系统解决方案的关键技术,因此软体无线电技术正受到欧、美、日等发展通讯技术的大厂所重视。

SA智慧型天线

  随着无线通讯技术持续发展,加上多媒体传输需求的提高,频谱已成为珍贵之资源。因此新一代无线通讯技术设计之重要课题即为加强终端用户无线接取(Radio Access)能力,以提高频谱效率及系统容量,并满足高弹性系统运作之需求,而终端用户也能在现有的语音与数据传输服务之外,获得更高速、多元之多媒体应用。为了满足高效率频谱运用的需求,智慧型天线(Smart Antenna;SA)技术已日渐受到重视,并公认为是解决频率资源匮乏、有效提昇系统容量、提高资讯传输速率和确保通讯品质之有效途径。

        智慧型天线是由适应性天线阵列(Adaptive Antenna Array)发展而来,最初应用于雷达、声纳和军事通讯领域中。近年来由于数位讯号处理技术的迅速发展、IC处理速度的提高和价格的普及,使得智慧型天线技术能广泛运用于无线通讯系统中,在不增加系统复杂度的情况下,可有效满足无线通讯系统的运用需求。

  智慧型天线可视为一种充分利用空间资源来进行讯号品质提升、干扰抑制、消除及进行适应性波束调整等智慧性功能的机制,原先是透过天线阵列来提供天线增益(Antenna Gain)以提升讯号杂讯比(SNR),但考虑其讯号传输在空间存在方向的差异性,为了对抗通道的多路径衰落,进一步利用天线阵列以达成空间分集(Spatial Diversity),以获得分集增益(Diversity Gain)的目的。

  天线分集(Antenna Diversity)即对空间资源的初步利用,至于更充分利用讯号方向性的做法是波束形成(Beamforming)技术,波束形成是透过自我适应、调整功能之演算法,来驱动阵列天线(空间分集器),通过权值(Weight)之计算来控制天线波束形状、辐射具有方向性之波束,以把主波束对准目标讯号并适应性达到即时讯号追踪功能,有效强化接收讯号品质。此外,智慧型天线也能调整零陷(Null)点来对准干扰讯号以抑制或消除干扰,达到增加容量、扩大涵盖面及提高传输速率之目的。

        智慧型天线具备两项特点:一是充份利用讯号的空间方向性,藉由指向性天线加强讯号接收强度,并同时消除干扰;另一特点在于利用丰富的空间通道特性,藉由发射及接收多天线提供空间分集或提高传输速率。智慧型天线是因应新一代无线通讯系统,提供高速、多元、高品质、高频谱效率及低耗电等需求之关键技术之一,当然也是极具潜力的发展领域,目前全球许多先进的通讯厂商与国家都已投入大量经费与人力研发智慧型天线相关技术。智慧型天线对于覆盖面积、系统容量与讯号品质的提升有极为显着的效果,对于未来4G无线通讯技术的系统容量提升、传输速率提高及链路品质强化等要求,将会有其重要的应用价值。

  此外,提供多元、多样及高速的资讯传送能力,是4G通讯的主要需求,其中多功能服务可利用智慧型天线技术为终端用户提供多模系统,并透过软体技术为终端用户更新与昇级,使终端用户可享有语音、数据、影像、传真与视讯等多种服务。结合智慧型天线、软体无线电与MIMO技术,下一代的无线通讯将可透过软体操控,实现弹性化的多模通讯能力,并满足高速之链路传输要求。

结论

  4G通讯的核心技术尚在研发阶段,且以目前3G通讯技术应用现况为如预期热络的情况来看,要使3G通讯成为主流通讯应用技术还得等一等,专家便预测市场消化并完全吸收3G技术的时间约需十年左右,而接踵而至的还有往后的5G以上技术。尽管4G比起3G有着更强大的应用优势,但目前已可见到4G在发展与往后实际应用上所以面临的问题,但是市场不变的趋势是,新技术和新需求将不断出现,有朝一日4G必然会取代3G,成为新一代行动通讯的主流技术。

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