雖然3G時(shí)代尚未完全到來(lái)，但現(xiàn)在國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始研究4G無(wú)線通信技術(shù)了，這就提出了下列關(guān)鍵問(wèn)題：3G和4G究竟有何區(qū)別？如何從3G過(guò)渡到4G？4G無(wú)線通信系統(tǒng)有何種關(guān)鍵技術(shù)？本文對(duì)中國(guó)無(wú)線設(shè)計(jì)工程師關(guān)注的問(wèn)題進(jìn)行了深入探討，并闡述了4G無(wú)線通信系統(tǒng)要考慮的5大關(guān)鍵技術(shù)。

無(wú)線業(yè)務(wù)提供商正逐步開(kāi)始提供第三代(3G)無(wú)線業(yè)務(wù)。隨著接入技術(shù)的不斷進(jìn)步，語(yǔ)音、視頻、多媒體和寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正逐漸集成至同一網(wǎng)絡(luò)中。人們?cè)雇?G將成為真正意義上的寬帶業(yè)務(wù)，不過(guò)這一美好愿望看來(lái)很難實(shí)現(xiàn)了。雖然按照協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，3G系統(tǒng)必須提供2Mbps的數(shù)據(jù)率，但實(shí)際上最多只能達(dá)到384kbps的速率。為實(shí)現(xiàn)真正意義上的寬帶無(wú)線業(yè)務(wù)，系統(tǒng)必須邁向至第4代(4G)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

這不單純只是個(gè)數(shù)字游戲，因?yàn)?G旨在提供基于IP的低成本高速高容量業(yè)務(wù)。

4G的目標(biāo)是獲得高達(dá)20Mbps的數(shù)據(jù)率，而且即使在以時(shí)速200公里行駛的車輛上也能達(dá)到此速率。然而新設(shè)計(jì)技術(shù)要求實(shí)現(xiàn)4G性能所耗費(fèi)的預(yù)期成本必須只為3G的十分之一。

通過(guò)將單一的3G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化從而實(shí)現(xiàn)向4G的躍進(jìn)，這種方法的難度相當(dāng)大，而如果不以一個(gè)協(xié)議為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員則將面臨更大的挑戰(zhàn)。表1比較了3G和4G的一些關(guān)鍵參數(shù)(4G尚不具備統(tǒng)一的規(guī)范，因此提出的參數(shù)主要參照研究報(bào)告)，顯然其中部分標(biāo)準(zhǔn)還是相當(dāng)令人滿意的。

多載波調(diào)制

為實(shí)現(xiàn)4G標(biāo)準(zhǔn)，需要一種新的方法，由頻分多路復(fù)用技術(shù)派生出的多載波調(diào)制(MCM)正是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的一種潛在技術(shù)。MCM本身不是新技術(shù)，當(dāng)前DSL調(diào)制解調(diào)器和數(shù)字音頻/視頻廣播(DAB/DVB)就使用了各種形式的多載波系統(tǒng)。MCM是利用并行等帶寬子信道進(jìn)行信息傳輸?shù)幕鶐Ъ夹g(shù)，通常采用快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。MCM在碼間干擾(ISI)環(huán)境下具有良好的性能并可避免單頻干擾，此外MCM增加了信號(hào)的峰值與平均值之比(PAVR) ，而且為了克服ISI必須為數(shù)據(jù)添加循環(huán)擴(kuò)展(cyclic extension)或保護(hù)頻帶。

方程1描述了峰值與平均值之比，而MCM和單載波系統(tǒng)之間的PAVR差異則是副載波數(shù)目(N)的函數(shù)。

PAVR的任何提高都要求通過(guò)增加系統(tǒng)的線性度來(lái)降低失真，然而降低PAVR的方法本身也有缺陷。其中一種技術(shù)對(duì)信號(hào)限幅，這將導(dǎo)致更高的非線性度。此外還可利用線性化技術(shù)，但這些技術(shù)將增加系統(tǒng)的成本并需要放大器進(jìn)行補(bǔ)償。

循環(huán)擴(kuò)展的原理如下：如果數(shù)據(jù)塊的初始長(zhǎng)度為N，通道響應(yīng)的長(zhǎng)度為M，那么循環(huán)擴(kuò)展的碼塊新長(zhǎng)度為N+M-1。該序列提交的圖像與信道卷積，這類似于由N個(gè)重復(fù)的初始?jí)K所組成的周期性序列卷積。因此長(zhǎng)度為N+M-1個(gè)采樣周期的新碼塊中不含ISI，而代價(jià)是增加功率并對(duì)數(shù)據(jù)增加的位進(jìn)行解碼。在MCM接收機(jī)中只進(jìn)行N次采樣，而剩余的M-1次采樣則丟棄，信噪比(SNR)損失參見(jiàn)方程2。

表1列出了兩種可供4G選用的不同類型MCM，即多載波代碼碼分多址接入方式(MC-CDMA)和采用時(shí)分多址接入方式(TDMA)的正交頻分多路復(fù)用(OFDM)。注意，MC-CDMA實(shí)際上是帶有CDMA重復(fù)占位(overlay)的OFDM。

類似于單載波CDMA系統(tǒng)，用戶可通過(guò)正交編碼的多路復(fù)用來(lái)區(qū)分MC-CDMA用戶。在MC-CDMA中每個(gè)用戶可分配多個(gè)編碼，而數(shù)據(jù)可以時(shí)域或頻域擴(kuò)展。上述兩種方式中多個(gè)用戶均可同時(shí)接入系統(tǒng)。

在帶有TDMA的OFDM中，用戶按分配的時(shí)間間隔發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同3G系統(tǒng)一樣，4G系統(tǒng)必須處理多址接入的干擾和定時(shí)問(wèn)題。

帶有TDMA的OFDM和MC-CDMA之間的差異主要在于每個(gè)副載波使用的調(diào)制類型。通常MC-CDMA使用四相移鍵控(QPSK)，而帶有TDMA的OFDM可使用高電平調(diào)制(HLM)，如多級(jí)正交振幅調(diào)制(M-QAM)(這里M=4至256)。為了優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的性能，還可使用自適應(yīng)調(diào)制，這里所有副載波QAM電平的選擇基于測(cè)量的參數(shù)。

現(xiàn)在從器件級(jí)來(lái)考慮這個(gè)問(wèn)題。4G收發(fā)器的結(jié)構(gòu)類似于任何其它的寬帶無(wú)線收發(fā)器結(jié)構(gòu)，而與典型收發(fā)器的主要區(qū)別在于基帶處理。多載波調(diào)制信號(hào)將以寬帶高PAVR信號(hào)的形式出現(xiàn)在收發(fā)器的RF/IF器件中。基站和移動(dòng)終端的區(qū)別在于基站可發(fā)送和接收/解碼多個(gè)移動(dòng)終端的信號(hào)，而移動(dòng)終端通常只為單個(gè)用戶服務(wù)。移動(dòng)終端可以是移動(dòng)電話、計(jì)算機(jī)或其他個(gè)人通信設(shè)備。

4G系統(tǒng)中RF和基帶之間的線路將更加緊湊，這樣模擬數(shù)據(jù)變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變換為模擬數(shù)據(jù)的速度都相當(dāng)快，由此增加了系統(tǒng)的靈活性。典型的RF器件，如功率放大器和天線均需要復(fù)雜的信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理寬帶高速信號(hào)。

圖1顯示了典型收發(fā)器的RF/IF器件。在發(fā)送通道上，由于IF不變換同相和正交 (I&Q)信號(hào)，因此RF將I&Q信號(hào)變換并放大，然后再發(fā)送。在接收通道上，天線的射頻部分接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行過(guò)濾、放大和下行變換，使其應(yīng)用于基帶處理。收發(fā)器提供功率控制、定時(shí)和同步以及頻率信息。當(dāng)使用多載波調(diào)制時(shí)，頻率信息尤為重要。如果數(shù)據(jù)沒(méi)有正確地同步，收發(fā)器將無(wú)法對(duì)其進(jìn)行解碼。

從高層的角度看，移動(dòng)終端和基站RF/IF器件的結(jié)構(gòu)很相似，但兩者的總體結(jié)構(gòu)和性能要求截然不同。兩者均需考慮性能和成本；而移動(dòng)終端還需考慮功耗和規(guī)格。

4G系統(tǒng)的工作過(guò)程

圖2顯示了收發(fā)器基帶處理器件的頂層方框圖。假定4G建立在多載波技術(shù)之上，發(fā)送器和接收機(jī)的核心基帶器件是FFT及其反變換(IFFT)。在發(fā)送通道上，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)生成、編碼、調(diào)制、變換、循環(huán)擴(kuò)展，然后傳送至RF/IF器件；而在接收通道上，數(shù)據(jù)無(wú)需進(jìn)行循環(huán)擴(kuò)展，只經(jīng)過(guò)變換與檢測(cè)，然后進(jìn)行解碼。如果數(shù)據(jù)是語(yǔ)音，還將發(fā)送至語(yǔ)音編碼器。基帶子系統(tǒng)將采用多個(gè)IC加以實(shí)現(xiàn)，這些IC包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、微控制器和ASIC。軟件作為收發(fā)器的一個(gè)重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)不同的算法、編碼和收發(fā)器的總狀態(tài)機(jī)。基站中可包含若干個(gè)DSP，如果使用了智能天線，那么每個(gè)用戶都需要接入DSP并根據(jù)天線射束進(jìn)行必要的調(diào)整。

接收器件

與3G相比，4G需要對(duì)接收器件進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)期望的數(shù)據(jù)傳輸速率和通信可靠性。如方程3所示，香農(nóng)定理描述了可靠通信必需的最小SNR。

這里C表示通道容量(即數(shù)據(jù)率)，而B(niǎo)W表示帶寬。

3G中要在5MHz帶寬上實(shí)現(xiàn)2Mbps的數(shù)據(jù)率，SNR只需1.2dB。而4G中要在5MHz帶寬上實(shí)現(xiàn)20Mbps的數(shù)據(jù)率，所需的SNR約為12dB。這表明由于4G中數(shù)據(jù)率有很大的提高，收發(fā)器系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有比3G遠(yuǎn)為卓越的性能。