3G与4G技术标准概论
3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。
1．三种标准的简单介绍
WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。因此WCDMA具有先天的市场优势。WCDMA已是当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种3G标准，占据全球80%以上市场份额。CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，韩国成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。虽然CDMA2000的支持者不如W-CDMA多但是CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMAIS95（2G）-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。TD—SCDMA全称为Time Division-Synchronous CDMA（时分同步CDMA），该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，TD-SCDMA具有辐射低的特点，被誉为绿色3G。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。，非常适用于GSM系统向3G升级。军用通信网也是TD-SCDMA的核心任务。相对于另两个主要3G标准CDMA2000和WCDMA它的起步较晚，技术不够成熟。
2.三种标准的对比
WCDMA、CDMA2000与TD—SCDMA都属于宽带CDMA技术。宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念，在一个相对更宽的频带上扩展信号，从而减少由多径和衰减带来的传播问题，具有更大的容量，可以根据不同的需要使用不同的带宽，具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力，支持多路同步通话或数据传输，且兼容现有设备。WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都能在静止状态下提供2Mbit/s的数据传输速率，但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别，性能上也有所不同。
1、双工模式
WCDMA与CDMA2000都是采用FDD(频分数字双工)模式，TD-SCDMA采用TDD(时分数字双工)模式。WCDMA与CDMA2000能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信，而TD-SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势。
2、码片速率与载波带宽
码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题，WCDMA在这方面最具优势。载波带宽方面，带宽越高，支持的用户数就越多，在通信时发生网塞的可能性就越小。在这方面WCDMA具有比较明显的优势。TD-SCDMA系统采用TDD双工模式，因此只需占用单一的1.6M带宽，因而TD-SCDMA对频率资源的利用率是最高的。
3、智能天线技术
智能天线技术是TD-SCDMA采用的关键技术，已由大唐电信申请了专利，目前WCDMA与CDMA2000都还没有采用这项技术。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线获取方向性，还可以减少小区间及小区内的干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。
4、越区切换技术
WCDMA与CDMA2000都采用了越区“软切换”技术，即当手机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，而是先与新的基站连接后，再中断与原基站的联系。而TD-SCDMA则是采用了越区“接力切换”技术，智能天线可大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息，判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换目的。
在切换的过程中，需要两个基站间的协调操作。WCDMA无需基站间的同步，通过两个基站间的定时差别报告来完成软切换。CDMA2000与TD-SCDMA都需要基站间的严格同步，因而必须借助GPS等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离。由于GPS依赖于卫星，CDMA2000与TD-SCDMA的网络布署将会受到一些限制，而WCDMA的网络在许多环境下更易于部署，即使在地铁等GPS信号无法到达的地方也能安装基站，实现真正的无缝覆盖。而且GPS是美国的系统，若将移动通信系统建立在GPS可靠工作的基础上，将会受制于美国的GPS政策，有一定的风险。
3.三种标准的优缺点
3G标准的确定 , 也就意味着其采用的一些关键技 术的确定。由于目前 3G采用很多技术的先进性 , 将来 4G在很大程度上将继续沿用 3G的很多关键技术。下 面从 3G和 4G都要采用的核心技术和其他一些关键技 术来对它们进行分析。
3.1 核心技术的比较
在 3G中 ,采用的核心技术是 CDMA 技术 ;在 4G中 采用 OFDM(正交频分复用)技术。对于 CDMA 技术 ,由 于已经比较成熟 ,这儿就不再做介绍。由于 OFDM技术 是一种可以有效对抗信号间干扰的高速传输技术 , 具 有良好的抗干扰性能 , 所以逐渐在通信领域得到广阔 的运用。由于无线信道传输特性的不理想 ,各类无线和 移动通信普遍存在着符号间干扰 ( ISI) 。对这种符号间 干扰通常采用自适应均衡器来加以克服 , 但是在高速 数字通信系统中 , 为了保证克服符号间干扰 , 往往要求 均衡器的抽头数很大 , 尤其是在城市环境 , 可能使得均 衡器的抽头数上百 , 这样就必然大大增加均衡器的复 杂程度 ,提高设备造价和成本。为了能在下一代移动通 信中有效解决这一问题 ,OFDM技术因其频谱利用率高 和抗多径衰落性能好而被普遍看好 , 以取代复杂而昂 贵的自适应均衡器。近年来 , 由于 DSP技术的飞速发 展 ,OFDM作为一种可以有效对抗符号间干扰的高速传 输技术 ,引起了广泛关注。OFDM技术在未来第四代移 动通信系统中的运用 , 将会使现在普遍使用的自适应 均衡器在 4G中退出历史舞台。
3.2 智能天线
智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信 新技术。它结合了自适应天线技术的优点 ,利用天线阵 列的波束汇成和指向 , 产生多个独立的波束 , 可以自适 应地调整其方向图以跟踪信号的变化。接收时 ,每个阵 元的输入被自适应地加权调整 , 并与其他的信号相加 , 以达到从混合的接收信号中解调出期望信号和抑制干 扰信号的目的 , 它对干扰方向调零以减少甚至抵消干 扰信号。发射时 ,根据从接收信号中获知的 UE信号方 位图 , 通过自适应地调整每个辐射阵元输出的幅度和 相位 , 使得它们的输出在空间迭加而产生指向目标 UE 的赋形波束。智能天线的特点是能够以较低的代价换 得天线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和抗掉话等性能的提高。智能天线在消除干扰、扩大小区半径、降低系统成 本、提高系统容量等方面具有不可比拟的优越性。正因 为如此 , 在 IMT- 2000 家族中 , WCDMA 和 CDMA2000 都希望能够在系统中采用智能天线 , 但是因为其算法 复杂度高 , 因此 , 在 3G 系统标准中 , 仅仅只有 TD-SCDMA 系统采用了这种技术。在 TD-SCDMA 系统中 的上、下行信道使用同一载频 , 上下行射频信道完全对 称 ,从而有利于智能天线的使用(目前仅用于基站) 。智 能天线系统由一组天线阵及相连的收发信机和先进的 数字信号处理算法构成。在发送端 ,智能天线根据接收 到的终端到达信号在天线阵产生的相位差 , 利用先进 的数字信号处理算法提取出终端的位置信息 , 根据终 端的位置信息 , 有效地产生多波束赋形 , 每个波束指向 一个特定终端并自动地跟踪终端移动 , 从而有效地减 少了同信道干扰 ,提高了下行容量。空间波束赋形的结 果使得在保持小区覆盖不变的情况下 , 可以极大地降 低总的射频发射功率 , 一方面改善了空间电磁环境 , 另 一方面也降低了无线基站的成本。在接收端 ,智能天线 通过空间选择性分集 , 可大大提高接收灵敏度 , 减少不 同位置同信道用户的干扰 , 有效合并多径分量 , 抵消多 径衰落 ,提高上行容量。 在 4G中 , 为了达到高速通信的目的 , 必须更加有 效的使用智能天线。智能天线无法解决的问题是时延 超过码片宽度的多径干扰和高速移动的多普勒效应造成的信道 ,这些问题在 4G中将得到有效的解决。因此 , 在多径干扰严重的高速移动环境下 , 智能天线必须和 其它抗干扰的数字信号处理技术同时使用 , 才可能达 到最佳效果。这些数字信号处理技术包括联合检测、干 扰抵消及 Rake 接收等。
3.3 联合检测
联合检测技术的核心思想就是利用均衡技术 , 将 来自其他用户的 ISI也当作 MAI而一并消除之。系统干 扰包括多径干扰、小区内多用户干扰和小区间干扰。这 些干扰破坏各个信道的正交性 , 降低 CDMA 系统的频 谱利用率。传统的 Rake 接收机技术把小区内的多用户 干扰当作噪声处理 , 而没有利用该干扰不同于噪声干 扰的独有特性。联合检测技术即“多用户干扰”抑制技 术 ,是消除和减轻多用户干扰的主要技术 ,它把所有用 户的信号都当作有用信号处理 , 这样可充分利用用户 信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息 ,从而大幅度降 低多径多址干扰 , 但同时也存在多码道处理过于复杂 和无法完全解决多址干扰等问题。将智能天线技术和 联合检测技术相结合 ,可获得较为理想的效果。在 3 个 3G标准中 , TD - SCDMA 系统采用的低码片速率有利 于各种联合检测算法的实现。 4G中的联合检测技术为了获得更加理想的效果 , 可能会采用低码片速率 , 这样有利于将智能天线和联 合检测技术相结合 , 4G的联合检测原理相同于 3G的 原理图 ,如图 2 所示。
3.4 软件无线电
软件无线电是利用数字信号处理软件实现传统上 由硬件电路来完成的无线功能的技术 , 通过加载不同 的软件 ,可实现不同的硬件功能。在 3G和 4G系统中 , 软件无线电可用来实现智能天线、同步检测、载波恢复 和各种基带信号处理等功能模块。可以预料 ,在 4G中 , 软件无线电的使用将会比 3G中更加广阔。其优点主要 表现在 :(1) 通过软件方式 ,灵活完成硬件功能; (2) 良好的灵活性及可编程性; (3) 可代替昂贵的硬件电路 ,实现复杂的功能; (4) 对环境的适应性好 ,不会老化 ; (5) 便于系统升级 ,降低用户设备费用。
3.5 功率控制
功率控制技术是 3G系统的核心技术。在 3G中 , CDMA 系统是一个自扰系统 , 所有移动用户都占用相 同带宽和频率 ,“远近效用”问题特别突出。CDMA 功率 控制的目的就是克服“远近效用” , 使系统既能维护高 质量通信 ,又不对其他用户产生干扰。功率控制分为前 向功率控制和反向功率控制 , 反向功率控制又可分为 仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时 参与的闭环功率控制。 (l) 反向开环功率控制。它是移动台根据在小区中 接收功率的变化 , 调节移动台发射功率以达到所有移 动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是 为了补偿阴影、拐弯等效应 , 所以它有一个很大的动态 范围 ,根据 IS- 95 标准 ,它至少应该达到正负 32 dB 的 动态范围。 (2)反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标 是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正 , 以 使移动台保持最理想的发射功率。 (3) 前向功率控制。在前向功率控制中 ,基站根据 测量结果调整每个移动台的发射功率 , 其目的是对路 径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率 , 而对那 些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链 路功率。 在 4G系统中 , 功率控制的使用将会比 3G更加精 确 , 移动台和基站都将同时使用功率控制 , 现在 3G中 比较显著的“远近效用”问题 ,通过 4G的严格的功率控 制将得到比较圆满的解决。 3.6 Turbo 编/ 译码( Turbo Encode/ Decode ) 自从 1993 年 C·Berrou 等学者在国际通信会议上 提出 Turbo 码以来 , 有关 Turbo 码设计及其性能的研究 已成为国际信息与编码理论界最为重要的研究领域之 一。Turbo 码在低信噪比下所表现出的近Shannon 限的 性能 , 使得它在深空通信、移动通信等系统中有广阔的 应用前景。Turbo 码之所以具有如此诱人的性能 , 主要 是由于 Turbo 码译码器采用了软输出迭代译码算法 ,充 分利用了译码输出的软信息。另外 , Turbo 码还采用了 伪随机交织器分隔的递归系统卷积码 (RSC) 作为分量码。交织器除了抗信道突发错误外 ,还改变了码的重量 分布 , 控制编码序列的距离特性 , 使重量谱窄带化 , 从 而使 Turbo 码的整体纠错性能得以提高。鉴于 Turbo 码 的优点 , 3GPP 协议已明确要求所有的系统都应支持 Turbo 编/ 译码。 在 4G中 , 虽然现在还没有明确表示采用那种编码 方式 ,但是鉴于 Turbo 码的优越的性能 ,可以预见 ,在未 来的 4G系统中 ,采用 Turbo 码的可能性会很大。
4.4G在我国的发展现状
4G 移动通信技术发展到现在，在移动通信领域占据了重要地位，分析其技术发展现状对于未来改善探索有重要意义。现行应用的 4G 通信技术主要以通信服务为主，比如IPv6为该技术提供统一地址支持，通过自动配置功能实现地址唯一，其高级别的服务能力满足移动用户不同位置同等通信信号的服务质量，保障了信息传输速率与质量；4G 通信技术中 SA（智能天线）技术可有效屏蔽外界干扰信号，保障技术运行的健康环境，还可对相关数据信号做自动跟踪，有利于通信定位服务；OFDM（正交频分复用技术）利用信息算法通过改变正交分割信道完成高速信号的转化，形成具有低速特性的信息流完成信道的合理分配，在增强信号传递能力的同时也保障了高速传输效率，避免了不同信道之间的交叉干扰。的联合运用共同构成了现今的 4G 移动通信技术，引领着当前通信领域行业发展，不仅超越 3G 技术带来更加优越的用户体验，且为通信服务的升级、服务形式多样化提供了更多可能性，是未来移动领域通信技术实践的主要方向。4G 技术当前的基本应用可以从移动通信行业的发展历程中窥见一二，对 4G 技术的应用认知更多的还是集中在通信领域，虽然目前还存在不少问题影响该技术的推广、普及与应用效率，但是假以时日，通过改善探索那些阻碍 4G 技术发展的瓶颈必然会被突破。比如当前移动通信行业备受关注的 4G 通信服务，以移动、电信、联通等为代表的通信运营商在取得 4G 牌照后展开了激烈的市场竞争，几大运营商对于4G 通信技术高度重视，在OTT 业务发展影响下用户黏性的降低意味着 4G 技术应用竞争必然会面临更加严酷的挑战，因此如何与 OTT 业务发展保持平衡、解决收费问题成为了未来竞争的关键，也是真正发挥 4G 通信技术经济价值与社会价值的实践探索核心。 4G移动通信技术改善探索鉴于 4G 移动通信技术的诸多优势，在未来其必然有更多的技术突破，对通信行业产生变革式影响，诸多运营商在体验到 4G 技术的巨大发展潜力时无疑将会持续推出更好的通信产品，以改善用户体验，提升通信市场份额，在竞争中占据优势地位。比如移动通信 4G 基站的建立，越来越多的 4G 基站代表着不断提升的通信服务水准，也意味着 4G 技术的应用发展与市场需求、用户体验密切相关，这意味着未来更多的先进技术会被投入到4G研究中，为通信领域行业变革服务。4G 技术将会更好的实现用户的精准识别，在保障技术工作效率的同时，在用户识别方面持续升级，尤其是精准识别的应用，在用户信息管理方面将会发挥更大价值，通过拓展终端设备储存量可逐步缩减基础装置数量，实现网络基站的升级变革。4G 技术在自动报错与修复方面表现出众，通过利用相关处理器完成节点故障处理，避免信号过敏，还可利用自动修复技术及时排除故障，保障通信质量与效率，这也是未来该技术的改革探索重点。4G 技术在抗干扰方面的卓越表现促使通信零干扰成为发展主流，确保了通信质量有利于营造良性的通信环境，是未来技术探索改革的一大侧重点。除此之外，4G 技术在多区域漫游、技术节能降耗等方面的实践探索也是未来持续改革探索的主要方面，最终目的还是为提升通信服务质量与效率，保障用户体验。综上所述，4G 移动通信技术的发展与应用目前正经历着诸多考验，作为一种具有诸多优势的全面通信技术，其发展过程中面临着巨大压力，研究技术应用现状将对于技术未来的改善探索提供了诸多参考助益。
参考资料
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