淺析4G移動通信技術

劉巧平，董軍堂

（延安大學物電學院通信工程專業，陜西延安，716000）

0 引言

以CDMA為核心技術的第三代(3G)移動通信技術能夠將無線通信與國際互聯網等多媒體通信相結合。它能夠對多媒體形式進行處理不管是圖像，還是音樂、視頻等，同時也可以提供多種信息服務，例如電話會議、網頁瀏覽，或是電子商務等。高速數據業務是3G的主要特征。但是3G移動通信技術也存在部分缺陷：業務類型受限制，因其受空中接口標準的限制，該技術無法提供較大的服務速率動態范圍；較高的通信速率也無法支持；不同頻段的不同業務環境間的無縫漫游也無法真正的實現；信號不穩，視頻通話效果不好等。鑒于此，第4代移動通信4G(4th Generation,4G)技術已成為目前移動通信領域的研究熱點。人們期望 4G能夠解決3G存在的問題，能夠提供更高的數據速率更大的容量和帶寬，能夠提供高分辨率多媒體業務等。

1 4G移動通信網絡的體系結構

第4代移動通信系統 (4th Generation,4G)技術已成為目前移動通信領域的研究熱點，與3G相比，4G將提供更高速、高容量、低網絡建設成本和基于全IP的核心網平臺。4G移動通信系統包括廣帶無線固定接入，廣帶無線局域網，移動廣帶系統以及互操作的廣播網絡(基于地面和衛星系統)。是集多種無線技術和無線LAN系統為一體的綜合系統,也是寬帶IP接入系統。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移動通信系統網絡結構可分為物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。接入和路由選擇功能由物理網絡層提供；中間環境層提供有源網絡，具有地址變換、QoS 映射、完全性管理等功能；此外中間環境層和物理網絡層共同提供開放式IP接口，而應用網絡層與中間環境層之間也是開放式接口，從而更容易提供、發展新的應用和服務，無縫搞數據率的無線服務也同樣可以提供并在多個頻帶運行。這一服務的優勢在于能夠提供更大服務范圍，主要是由于該服務能自行適應多個無線標準與多模終端。

2 4G移動通信網絡的特點

4G是多功能集成寬帶移動通信系統，比3G更接近于個人通信，在技術上比3G更完善更安全。當前，關于4G通信技術業界得出以下幾點共識：

1）具有很高的數據傳輸速率。最低數據傳輸速率為2Mb/s，最高可達100Mb/s。

2）真正的實現無縫漫游。4G移動通信系統實現全球統一的標準，與各類媒體、網絡、通信主機之間實現“無縫連接”。

3）高度智能化的網絡。4G網絡將能夠使用智能技術,自適應、動態地進行資源管理及分配,以適應不斷變化的業務及容量和適應不同的信道環境.在操作上和技術上有很強的靈活性、智能性以及適應性。

4）覆蓋性能良好。

5）不同QoS 的業務得以實現。4G通信系統技術能夠使用戶在任何地方獲得所需的信息服務，由于該系統提供的各種不同類型不同質量的業務是通過動態帶寬分配和調節發射功率來實現的，并將信息系統、娛樂、廣播、個人通信等行業結合成為一個整體，供用戶選擇的服務與應用會更快捷、更安全、更豐富。

6）基于IP的網絡。4G通信系統將會采用IPv6技術，該技術將能在IP網絡上實現話音和多媒體業務。

3 4G移動通信網絡中的關鍵技術

根據國際電信聯盟定義，4G移動通信技術是可為移動中的用戶提供100 Mb/S的數據傳輸，為靜止中的用戶提供1Gb/S的數據傳輸，4G移動通信系統具有比3G更加優良的性能，因此是一個遠比3G復雜的通信系統。4G將要采用的關鍵技術主要有以下幾種。

3.1 正交頻分復用（OFDM）

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）正交頻分復用技術，屬于多載波調制技術的一種。由于這種技術具有在雜波干擾下傳送信號的能力,因此常常會被利用在容易被外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸環境中。它的基本思想是：在頻域內將給定的信道劃分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交,于是它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波（ICI）間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。OFDM技術還具有以下優點：可以對抗多徑干擾和頻率選擇性衰落；調制解調實現容易；支持非對稱業務；適合高速數據傳輸；OFDM技術還易與和其它多址方式結合使用。由此，OFDM技術必將成為4G移動通信的關鍵技術。

3.2 智能天線技術

智能天線也叫自適應天線陣列（AAA），它由天線陣、波束形成網絡、波束形成算法三部分組成。智能天線采用了空時多址（SDMA）的技術，利用信號在傳輸方向上的差別,將同頻率或同時隙、同碼道的信號進行區分，動態改變信號的覆蓋區域，將主波束對準用戶方向，旁瓣或零陷對準干擾信號方向，并能夠自動跟蹤用戶和監測環境變化，為每個用戶提供優質的上行鏈路和下行鏈路信號從而達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。被認為是4G移動通信的關鍵技術。智能天線在移動通信中的用途主要包括抗衰落、抗干擾、增加系統容量、降低成本，擴大覆蓋范圍以及實現對移動臺的定位。

3.3 MIMO技術

多輸入輸出技術（MIMO）是指發射端和接收端使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線發送和接收，從而改善每個用戶的服務質量。MIMO利用無線信道的多徑傳播,開發空間資源,建立空間并行傳輸通道，采用各類空時編碼方案來實現發射分集與接收分集，由此來獲得相對常規無線通信系統明顯的復用增益與分集增益，若想使信道容量和頻譜利用率成倍提高，那么天線發射功率和無線頻譜資源不能增加。若想使MIMO系統能夠更好地使系統的抗衰落性能和抗噪聲得到提高，需要做到總的發射功率不變，多個接收天線與多個發射天線之間也互不相關，如此便會獲得巨大的容量并提高無線系統的覆蓋范圍。由此必將成為4G移動通信的核心技術。

3.4 軟件無線電（SDR）技術

軟件無線電技術，簡單的說就是用現代化軟件來操縱、控制傳統的“純硬件電路”的無線通信。它的核心思想是將寬帶模數變換器(A/D)及數模變換器(D/A)盡可能地靠近射頻天線，將模塊化的、標準化的硬件單元連接一個開放的公共硬件平臺，采用DSP技術,在通用的可編程控制平臺上，通過軟件編程來實現無線電臺的各部分功能，如各種通信頻段的選擇，信道調制解調方式的選擇，以及網絡協議，控制終端功能以及保密模式的實現等。軟件無線電具有以下特點：多頻段多功能通信能力；很強的靈活性；可以方便的通過軟件編程來進行系統升級和擴展系統功能；便于實現模塊化等。在4G 移動通信系統中, 將利用軟件無線電技術來實現對各種移動臺的互連互通互操作、來實現各種移動終端之間的無縫連接, 在很大程度上節省了投資成本。

3.5 切換技術

切換(handover)是指在移動通信的過程中，在保證通信不間斷的前提下,把通信的信道從一個無線信道轉換到另一個無線信道的功能。這是移動通信系統不可缺少的重要功能。主要

3.6 Ipv6技術

4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP 的信網絡,能實現與各種網絡、通信主機以及各類媒體之間進行“無縫連接”。為了給更多的用戶提供更多的業務，4G移動通信系統引入了先進的Ipv6技術。IPv6主要有如下一些優勢: 擴大了地址空間，IPv6采用128位地址長度, 能夠為所有網絡設備提供一個全球唯一的地址；提高了網絡的整體吞吐量；為QoS提劃分為硬切換、軟切換和更軟切換。

硬切換是在不同頻率的基站或覆蓋小區之間的切換。這種切換的過程是移動臺(手機)先暫時斷開與原基站的聯系的信道，然后自動向新的頻率調諧，與新的基站建立聯系,建立新的信道，從而完成切換的過程。簡單來說就是“先斷開、后切換”。這種方式因為移動臺在與原基站的聯系信道切斷后,往往不能馬上建立新基站的新信道，這時就容易出現一個短暫的通話中斷，影響通話質量，這是硬切換的一個缺點。

軟切換是指在不同頻率的基站之間的切換。在切換過程中，移動臺(手機)與原基站和新基站都保持通信鏈路，只有當移動臺在目標基站的小區建立穩定通信后，才斷開與原基站的聯系。簡單地說,軟切換的特點是“先切換、后斷開”。這種切換方式是移動臺在與新基站建立聯系信道后，才斷開與原基站的聯系信道,因此在切換過程中沒有中斷的問題，對通信質量沒有影響。可以說軟交換具有健壯性。

更軟切換是指發生在同一基站具有相同頻率的不同扇區之間的切換。

4G移動通信中的切換技術正朝著軟切換和硬切換相結合的方向發展。供了良好的網絡平臺；用戶可以對網絡層的數據進行加密并對IP報文進行校驗，在Ipv6中的加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性，極大的增強了網絡的安全性；并且更好地實現了多播功能等。

4 結束語

4G是多功能集成寬帶移動通信系統，比3G更接近于個人通信，在技術上比3G更完善更安全。4G具有廣闊的市場前景和巨大的經濟潛力。希望4G移動通信早日商業化，把我們真正帶到多媒體時代，同時更加方便人們的生活。

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