4G通信關鍵技術說明

緊接著3G之后的4G移動通信技術，其技術發(fā)展已成為繼3G、3.5G通訊技術之后各廠商的研究重點。盡管目前4G移動通信技術尚未成形，然其雛形已大致具備。本文將針對4G通信技術的技術需求、架構與特性等議題進行探討，并探究4G通信的關鍵技術。

歷經了前兩代移動通信的發(fā)展，目前移動通信技術已經堂堂進入3G世代，而3.5代通信技術也如火如荼發(fā)展。過去第一代移動通信技術是採用模擬技術的語音tqq 動通信，到了2G移動通信則是採用數(shù)字無線傳輸技術的語音通信。目前3G移動通信系統(tǒng)已經進入實際應用階段，因此緊接著3G之后的4G移動通信技術，其技術發(fā)展已成為繼3G、3.5G通信技術之后各廠商的研究重點。盡管目前4G移動通信技術尚未成形，然其雛形已大致具備。本文將針對4G通信技術的技術需求、架構與特性等議題進行探討，并探究4G通信的關鍵技術。

4G通信技術崛起

今日，3G通訊的技術標準與規(guī)范已進入商業(yè)用途。然而到目前為主，在應用上也發(fā)現(xiàn)3G通信的許多缺點，例如缺乏全球統(tǒng)一的標準。3G所採用的語音交換架構仍承襲了2G的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode），而非採用純IP方式，也因此容易受到多用戶的干擾，導致傳輸速率無法大幅提高。面對這些應用上的缺點，理想中的4G通訊技術應該具備以下的特色：

更大傳輸頻寬

對大范圍高速移動的使用者（最高250km/h）頻寬需求為2Mbps，中速移動的使用者（60km/h）頻寬需求為20Mbps，低速移動或室內靜止的使用者頻寬需求為100Mbps；

更高儲存容量

由于傳輸頻寬增大，因此資料儲存容量至少需求為3G系統(tǒng)的10倍以上；

更高相容性

4G通信技術必須具備向下相容、開放介面、全球漫游、與網(wǎng)路互聯(lián)、多元終端應用等，并能從3G通信技術平穩(wěn)過渡至4G；

不同系統(tǒng)的無縫連接

行動使用者在移動中，特別是高速移動，也都能順利使用通信系統(tǒng)，并在不同系統(tǒng)間進行無縫轉換（Seamless Transitions），傳送高速多媒體資料等；

高度智慧化網(wǎng)路系統(tǒng)

4G網(wǎng)路必須是高度智慧、能隨狀況自行調整的網(wǎng)路系統(tǒng)，它須具備良好的彈性以滿足不同環(huán)境與不同用戶的通信需求；

整合性的便利服務

4G系統(tǒng)將個人通信、資訊傳輸、廣播服務與多媒體娛樂等各項應用整合，提供更為廣泛、便利、安全與個性化的服務。

綜上所述，4G移動通信其技術的根本目的說穿了，主要是能夠在各終端產品間發(fā)送、接收來自另一端的信號，并在多個不同的網(wǎng)路系統(tǒng)、平臺與無線通訊介面之間找到最快速與最有效率的通信路徑，以進行最即時的傳輸、接收與定位等動作。

而當在通信過程進行中，4G通訊還必須保持良好的無縫連接能力，透過不同網(wǎng)路確保資料傳輸過程不中斷，并維持高品質與高頻寬。4G通訊的多層式蜂巢結構，可透過不同無線介面接收網(wǎng)路營運商與內容供應商所提供的內容服務。接下來將介紹4G通信的幾項關鍵技術。

4G通信關鍵技術

OFDM正交頻率多重分割技術

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；正交頻率多重分割）技術的應用已有近40年歷史，第一個OFDM技術的實際應用是軍事用途的無線高頻通信鏈路。但這種多載波傳輸技術在雙向無線資料方面的應用卻是近十年來的新趨勢。經過多年的發(fā)展之后，該技術已廣泛應用于廣播式音頻和視頻等領域。OFDM主要應用還包括：ADSL、DAB與DVB等。

OFDM通常與通道編碼（channel code；用以更正錯誤的技術）同時使用。盡管其技術復雜度高，但是已廣于應用于數(shù)字通信系統(tǒng)上。這是因為此項技術有效地消除了多路徑（multipath）的問題，也就是消費者所熟知在傳統(tǒng)模擬電視信號中所存在的「鬼影」的問題。

OFDM技術採用不連續(xù)的多音調技術，將不同頻率載波中的大量訊號合併成單一信號，并完成信號傳送。由于此技術具有在雜波干擾下傳送信號之能力，所以常常會被利用在容易受到外界干擾，或者是抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質中。

OFDM技術的發(fā)展目的是為了提高載波的頻譜利用率，或者針對多載波的調制，其特點是各子載波相互正交，于是擴頻調制后的頻譜可以相互重疊，因而減少子載波間相互干擾的情況。

在FDMA（Frequency Division Multiple Access；分頻多重進接）、TDMA（Time Division Multiple Access；多時分工存?。?、CDMA（Code Division Multiple Access；分碼多工）和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案。OFDM技術是在頻域內將給定通道分成許多更窄的正交子通道，在每個子通道上使用一個子載波進行調制，且各子載波間進行平行傳輸，因此可以消除訊號波形彼此間的干擾。

OFDM可以在不同的子通道上自行調整分配傳輸負荷量，以最佳化整體傳輸率。OFDM技術還能對抗頻率選擇性衰落或窄頻干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個子通道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不僅減少子載波間的相互干擾，同時并可提高頻譜利用率。

OFDM由于其頻譜利用率高、成本低等原因越來越受到人們的關注。隨著人們對通訊資料化、寬頻化、個人化和移動化的需求，OFDM 技術在綜合無線接入領域將越來越得到廣泛的應用。OFDM是一種多載波數(shù)位調變技術，雖然OFDM的概念已經存在了很長時間，但是直到最近隨著多媒體應用的發(fā)展，才被發(fā)現(xiàn)OFDM用于高速雙向無線資料傳輸?shù)暮锰?。隨著DSP晶片技術的發(fā)展，傅立葉變換/反變換、高速Modem採用的64/128/256QAM技術、柵格編碼技術、軟判決技術、通道自適應技術、插入保護時段、減少均衡計算量等成熟技術的逐步導入，也使通訊產業(yè)開始集中更多資源開發(fā)行動通訊應用的OFDM技術，也因此估計在后3G時代，OFDM技術將會成為4G通訊技術的主流。

OFDM技術可滿足5.15GHz～5.35GHz頻段間可靠的高速數(shù)據(jù)傳輸?？衫帽Ｗo時間階段來解決多徑效應產生的碼間干擾，以及藉由時序同步來避免接收和發(fā)射之間的頻率誤差，實現(xiàn)可靠正交傳輸，目前應用于許多不同類型的網(wǎng)路系統(tǒng)。OFDM除符合數(shù)位電纜、DSL、數(shù)位化電視和輸電線聯(lián)網(wǎng)產品之使用需求外，也符合WLAN標準如IEEE 802.11g等無線區(qū)域網(wǎng)路標準。而OFDM也非常適用于4G蜂巢式系統(tǒng)。

MIMO多重輸入與多重輸出技術

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output；多重輸入與多重輸出）技術是近年來熱門的無線通訊技術之一，其最主要特色是可以大幅提昇資料的傳輸速率。根據(jù)Shannon理論，通道所允許傳輸之最大速率與信號能量、傳輸頻寬有關。然而這兩項因素在通訊系統(tǒng)上卻是錙銖必較的珍貴資源。傳統(tǒng)的SISO（Single-input single-output）技術以單一天線進行傳輸，而MIMO技術則是透過增加天線數(shù)量以達到提高傳輸速度之效果。

圖一。 MIMO技術可大幅提升無線傳輸速率，圖為MIMO Router。

在過去的無線網(wǎng)路傳輸中，大多是利用二支天線切換接收的方式，選擇其中收訊較好的一組天線來傳送與接收資料，這種方式常常會受到障礙物與其它電波的干擾而影響傳輸效能。但MIMO技術則是利用多組天線（通常為三組天線）同時傳送、接收資料并合成訊號，因此不僅衰減過的訊號也可以達成傳輸?shù)哪康?，也可以保持一定的傳輸速率?/p>

MIMO還可以利用環(huán)境中的反射波來組合訊號，因此就算是處于障礙物多的環(huán)境也能擁有穩(wěn)定快速的訊號傳輸。因此對于隔間較多的房屋或是辦公大樓，都能大幅提高訊號傳輸效果。

由于終端系統(tǒng)的需求從網(wǎng)際網(wǎng)路接取和電子郵件等高頻寬應用，逐漸加入了游戲、視訊及音訊串流等，更高傳輸頻寬的需求不斷增高，因此如何提高無線覆蓋范圍，并更有效利用網(wǎng)路頻譜將成為廠商發(fā)展重點。

MIMO技術的特性就是在相同時間內，能在相同的無線電通道內傳輸和接收兩個或多個不同的數(shù)據(jù)串流，因此系統(tǒng)在每個訊息通道內傳送的數(shù)據(jù)率將能提高兩倍以上。MIMO技術每個訊息通道的最大數(shù)據(jù)速率，都能隨著同一訊息通道中所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串流數(shù)量呈線性增加。透過允許MIMO能在不使用額外的頻譜條件下，同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)串流，提高無線數(shù)據(jù)傳輸容量。

盡管MIMO在架構和運算上需要更多復雜的演算法、復雜的架構和更高的數(shù)據(jù)處理能力。但隨著MIMO技術漸漸運用于更多無線技術中，預計MIMO技術將大幅改變未來十年的無線電產業(yè)，例如4G蜂巢式網(wǎng)路、WLAN、WiBro、WiMAX與802.20等無線技術。

SDR軟體無線電技術

多重標準及裝置是今日無線產業(yè)的發(fā)展主流，消費者希望手機具備多種功能，例如單一裝置便具備對談、接收電子郵件和下載影片等多媒體功能。加上全球化的影響，因此這些裝置不管在哪個國家，都必須可靠地運作并進行漫游。因此設計人員和廠商必須以更具彈性且符合經濟效益的方式開發(fā)新技術，這些需求都使得下一代的通訊技術復雜度更為提升。

軟體無線電（Software Defined Radio；SDR）是一種通訊裝置，其實體層至更高階通訊協(xié)定層的作業(yè)主要是由軟體定義，可提供容許這種改變的框架。軟體無線電支援多頻寬多模式的無線電、國際漫游、運行時間重新配置和無線程式設計（over the air programming），并可以將不同的通訊技術有效整合。只要在處理硬體時變更裝置的軟體程式碼，軟體無線電便可彈性提供變更無線電作業(yè)的能力。另外軟體無線電還具有其他優(yōu)點，例如可改善頻譜的使用等，都可進一步提升軟體無線電的技術價值。

對于4G通訊來說，由于4G通訊系統(tǒng)之架構將會非常繁雜，因此可以使用軟體無線電做為跨越2G、3G以至于4G等不同技術之間的橋樑。軟體無線電技術能夠將類比訊號的數(shù)位化過程盡可能與天線的距離接近，即讓A/D及D/A轉換器盡可能靠近RF前端，并利用DSP進行通道分離、調變解調變，以及通道編解碼等工作。透過建立無線電通訊平臺，并于平臺上運作各種軟體系統(tǒng)，如此可以實現(xiàn)多通道、多層次與多模式的無線通訊。軟體無線電技術可讓單一行動終端裝置在不同系統(tǒng)和平臺間暢行無阻。

IT產業(yè)從過去到現(xiàn)在，發(fā)展過程中的第一階段革命出現(xiàn)在1980年代，當時個人電腦出的出現(xiàn)帶動科技產業(yè)的經濟呈現(xiàn)高度成長，第二階段IT產業(yè)革命則是個人電腦和網(wǎng)際網(wǎng)路的結合，帶動新一波經濟發(fā)展與商機。到了二十一世紀，IT產業(yè)出現(xiàn)第三次革命，也就是個人電腦、網(wǎng)際網(wǎng)路與行動通訊結合而形成「無疆界網(wǎng)路」（Ubiquitous Network），透過這樣的系統(tǒng)，人們將可透過通訊隨時取得所需的資訊，其結果將大幅改善生活品質并提高工作效率。

產業(yè)界認為，軟體無線電技術將是實現(xiàn)「無疆界網(wǎng)路」世界的主要技術平臺，且將在2007年至2010年間實現(xiàn)。因為行動通訊在這段時間之內將會有很大的技術進展，并帶來龐大商機。而軟體無線電，正是最適合將行動通訊技術導引進入無疆界網(wǎng)路世界的主要技術平臺，特別在即將到來的4G通訊世代，行動多媒體通訊將成為未來4G行動通訊的發(fā)展趨勢，且多模系統(tǒng)也將是廠商的發(fā)展重心。而可發(fā)展高彈性軟、硬體系統(tǒng)平臺的軟體無線電技術，正是提供多模系統(tǒng)解決方案的關鍵技術，因此軟體無線電技術正受到歐、美、日等發(fā)展通訊技術的大廠所重視。

SA智慧型天線

隨著無線通訊技術持續(xù)發(fā)展，加上多媒體傳輸需求的提高，頻譜已成為珍貴之資源。因此新一代無線通訊技術設計之重要課題即為加強終端用戶無線接?。≧adio Access）能力，以提高頻譜效率及系統(tǒng)容量，并滿足高彈性系統(tǒng)運作之需求，而終端用戶也能在現(xiàn)有的語音與數(shù)據(jù)傳輸服務之外，獲得更高速、多元之多媒體應用。為了滿足高效率頻譜運用的需求，智慧型天線（Smart Antenna；SA）技術已日漸受到重視，并公認為是解決頻率資源匱乏、有效提昇系統(tǒng)容量、提高資訊傳輸速率和確保通訊品質之有效途徑。

圖二。 智慧型天線技術應用

智慧型天線是由適應性天線陣列（Adaptive Antenna Array）發(fā)展而來，最初應用于雷達、聲納和軍事通訊領域中。近年來由于數(shù)位訊號處理技術的迅速發(fā)展、IC處理速度的提高和價格的普及，使得智慧型天線技術能廣泛運用于無線通訊系統(tǒng)中，在不增加系統(tǒng)復雜度的情況下，可有效滿足無線通訊系統(tǒng)的運用需求。

智慧型天線可視為一種充分利用空間資源來進行訊號品質提升、干擾抑制、消除及進行適應性波束調整等智慧性功能的機制，原先是透過天線陣列來提供天線增益（Antenna Gain）以提升訊號雜訊比（SNR），但考慮其訊號傳輸在空間存在方向的差異性，為了對抗通道的多路徑衰落，進一步利用天線陣列以達成空間分集（Spatial Diversity），以獲得分集增益（Diversity Gain）的目的。

天線分集（Antenna Diversity）即對空間資源的初步利用，至于更充分利用訊號方向性的做法是波束形成（Beamforming）技術，波束形成是透過自我適應、調整功能之演算法，來驅動陣列天線（空間分集器），通過權值（Weight）之計算來控制天線波束形狀、輻射具有方向性之波束，以把主波束對準目標訊號并適應性達到即時訊號追蹤功能，有效強化接收訊號品質。此外，智慧型天線也能調整零陷（Null）點來對準干擾訊號以抑制或消除干擾，達到增加容量、擴大涵蓋面及提高傳輸速率之目的。

圖三。 普通天線與智慧型天線接收之差異

智慧型天線具備兩項特點：一是充份利用訊號的空間方向性，藉由指向性天線加強訊號接收強度，并同時消除干擾；另一特點在于利用豐富的空間通道特性，藉由發(fā)射及接收多天線提供空間分集或提高傳輸速率。智慧型天線是因應新一代無線通訊系統(tǒng)，提供高速、多元、高品質、高頻譜效率及低耗電等需求之關鍵技術之一，當然也是極具潛力的發(fā)展領域，目前全球許多先進的通訊廠商與國家都已投入大量經費與人力研發(fā)智慧型天線相關技術。智慧型天線對于覆蓋面積、系統(tǒng)容量與訊號品質的提升有極為顯著的效果，對于未來4G無線通訊技術的系統(tǒng)容量提升、傳輸速率提高及鏈路品質強化等要求，將會有其重要的應用價值。

此外，提供多元、多樣及高速的資訊傳送能力，是4G通訊的主要需求，其中多功能服務可利用智慧型天線技術為終端用戶提供多模系統(tǒng)，并透過軟體技術為終端用戶更新與昇級，使終端用戶可享有語音、數(shù)據(jù)、影像、傳真與視訊等多種服務。結合智慧型天線、軟體無線電與MIMO技術，下一代的無線通訊將可透過軟體操控，實現(xiàn)彈性化的多模通訊能力，并滿足高速之鏈路傳輸要求。

結論

4G通訊的核心技術尚在研發(fā)階段，且以目前3G通訊技術應用現(xiàn)況為如預期熱絡的情況來看，要使3G通訊成為主流通訊應用技術還得等一等，專家便預測市場消化并完全吸收3G技術的時間約需十年左右，而接踵而至的還有往后的5G以上技術。盡管4G比起3G有著更強大的應用優(yōu)勢，但目前已可見到4G在發(fā)展與往后實際應用上所以面臨的問題，但是市場不變的趨勢是，新技術和新需求將不斷出現(xiàn)，有朝一日4G必然會取代3G，成為新一代行動通訊的主流技術。