淺析4G移動通信技術

崔剛

從80年代起，移動通信發生了重大的變化并取得迅速的發展。80年代初，引入了模擬傳輸方式實現話音業務的第一代移動通信系統。80年代末，引入了利用數字傳輸方式的第二代移動通信系統。它們提供更高的頻譜利用率、更好的數據業務以及比第一代更先進的漫游。第二代系統將進一步向第三代系統演變，提供更先進的業務。第三代移動通信系統將會在2002年在全球展開應用。然而人們對通信的要求沒有止境，人們要求更高的通信速度及更多的業務種類。本文主要描述4G系統的基本要素、關鍵技術。

4G系統針對各種不同業務的接入系統，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網中。基于IP技術的網絡結構使用戶可實現在3G、4G、WLAN及固定網間無縫漫游。4G網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的，使發展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，并運行于多個頻帶，這一服務能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大范圍服務。

4G網絡有如下特征：

（1）支持現有的系統和將來系統通用接入的基礎結構（2）與Internet集成統一，移動通信網僅僅作為一個無線接入網；（3）具有開放、靈活的結構，易于擴展；（4）是一個可重構的、自組織的、自適應網絡；（5）智能化的環境，個人通信、信息系統、廣播、娛樂等業務無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求；（6）用戶在高速移動中，能夠按需接入系統，并在不同系統無縫切換，傳送高速多媒體業務數據；（7）支持接入技術和網絡技術各自獨立發展。

4G通信系統的關鍵技術

1.OFDM調制技術

未來無線多媒體業務既要求數據傳輸速率高，又要保證傳輸質量，這就要求所采用的調制解調技術既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期，OFDM技術正滿足這一需求。OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，各子載波并行傳輸，這樣盡管總的信道是非平坦的，但每個子信道是相對平坦的。且在各子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道帶寬，大大消除信號波形間的干擾。OFDM技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾，從而減小各子載波間的相互干擾，提高頻譜利用率。

2.軟件無線電

軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經一通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各類無線電通信系統的一種開放式結構的技術。通過不同軟件程序，在硬件平臺上實現在不同系統中利用單一終端漫游。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，盡可能多地用軟件來定義無線功能。其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。

3.智能天線（SA）

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。

目前，智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據量，計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基于預多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發展的方向。

4.MIMO技術

多輸入多輸出技術（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發射信號，使容量隨天線數量的增加而線性增加。空間分集有發射分集和接收分集兩類。基于分集技術與信道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIM0技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋范圍。

4G的發展趨勢

從4G的發展前景看，除0FDM和智能天線等核心技術外還包含一些相關技術。

（1）交互干擾抑制和多用戶識別：待開發的交互干擾抑制和多用戶識別技術應成為4G的組成部分。它們以交互干擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統，消除不必要的鄰近和共信道用戶的交互干擾，確保接收高質量信號。這種組合將滿足更大用戶容量和覆蓋范圍，大大減少網絡基礎設施的部署，確保服務質量。

（2）可重構性自愈網絡：4G無線網絡中將采用智能處理器，可處理節點故障或基站超載。網絡各部分采用基于知識解答裝置，可糾正網絡故障。

（3）微微無線電接收器：未來4G中要研究的另一重點，它是嵌入式無線電。采用此技術，功耗是采用現有技術的1/10～1/100。

（4）無線接入網（RAN）：4G系統高速度、大容量，低比特成本。4G系統RAN的發展趨勢是電路交換向基于IP分組交換發展，設備分集向網絡分集發展。這種基于IP技術的網絡架構使得在3G、4G、W-LAN、固定網之間漫游得以實現，并支持下一代因特網。

4G是人類有史以來最復雜的技術系統。要順利全面地實施4G通信，還將遇到一些困難，其發展將面臨極大的市場壓力。目前世界發達國家正積極進行4G技術規格的研究制定，研究包括網絡結構、用戶切換和漫游等移動環境下的系統實施方案，從而實現用戶的大范圍移動。