4G 移動通信技術初探

余建平

(武漢鐵路職業技術學院，湖北武漢430205)

0 引言

隨著我國在信息通信投入的加大以及信息化高速公路的建設，移動通信正在逐漸改變人們的日常生活，在過去的20 年中，通信技術得到迅猛的發展和廣泛的應用。移動通信自20世紀初誕生以來，整個發展大致可分為三個階段:第一階段是20 世紀40 年代以前，這是移動通信的早期發展階段。在這階段，進行了一些傳播特性的測試，并在短波的頻段上進行了一些通信應用。第二階段是40 年代至60 年代后期，在這個階段發展了一些具有撥號、半雙工功能的移動通信系統，但它們還都停留在專用系統的水平上。第三階段是70 年代至今。由于蜂窩理論的應用，頻率復用的概念得以實用化。這階段在技術上又可分為第一代移動通信系統，第二代移動通信系統和第三代移動通信系統IMT2000。目前構思中的4G 移動通信技術將具有通信速度更快、網絡頻譜更寬、通信更加靈活、智能性更高、兼容性更平滑的特點，更高質量的多媒體通信等優勢將占據未來移動通信的主導位置。如圖1 所示，移動通信系統向4G 的演進過程。

圖1 移動通信網絡向4G 的演進過程

1 4G 移動通信技術的定義和性能

所謂的4G 通信技術，在通信行業內，迄今為止還沒有統一的科學定義。通常情況下是按照其功能性描述來界定4G 移動通信技術的。其實就是下一代移動通信技術的一個通用名稱而已。總之，它是不斷優化，并為用戶給予更多體驗的移動通信網絡。是在3G 移動通信技術的基礎上，集3G 與WLAN 于一體并能夠傳輸高質量視頻圖像以及圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下的技術產品。2012 年1 月18 日下午17 時，在日內瓦舉行的國際電聯2012 年無線電通信全體會議上，WirelessMAN-Advanced(802.16 m)和 LTE -Advanced 技術規范通過審議，正式被確立為IMT-Advanced(俗稱“4G”)國際標準。它具有數據傳輸速率高、高度智能化的網絡優勢，更好的兼容性和覆蓋性能，基于IP 的網絡，能實現不同QoS 的業務，通信資費更加便宜等性能。

2 4G 移動通信的網絡接入系統結構

4G 通信技術的接入網絡系統結構最明顯的特點是以多模式的智能化的終端作為公共平臺。以公共平臺為基準點，實現各種的接入技術完好的協和與連接。并且基于這個平臺的支撐來實現各種類的接入系統的完好融和。能最高要求的滿足通信用戶的要求。越來越多的新的技術將在未來的不斷需求下增長衍生。與密密麻麻的3G 中蜂窩網絡相比，4G 采用全數字全IP 技術，采用單一的全球范圍的蜂窩核心網。結構如圖2所示。這種結構的通用性和可擴展性很好。使得多種業務能透明地與IP 核心網連接。

圖2 4G 網絡體系結構

未來的全球互聯網絡IP 核心網和骨干網系統，將以結合寬帶IP 技術和光纖網技術為主如圖3 所示。進一步來提高和擴展IP 技術在移動網絡中的應用，形成基于IP 核心網的靈活、可擴展一個公共平臺。這種基于IP 技術的未來網絡架構可以使用戶在3G、4G、WLAN、固定網之間實現無縫連接和漫游。

圖3 網絡系統未來構架

3 4G 移動通信的關鍵技術

3.1 正交頻分復用(OFDM)技術

多載波技術包括OFDM 和多載波CDMA 技術等，現在主要網絡與通信應用的是OFDM 技術。最適合4G 系統的多址方法是OFDM 技術，該技術的主要思想是將某一頻分信道分為較多的正交子信道在每個子信道上使用一個子載波進行調制使他們并行傳輸。因此，可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM 技術具有頻譜利用率高，抗衰落能力強，適合高速數據傳輸的優點，另外，OFDM 采用加載算法，提高信息傳送的速率;抗碼間干擾能力強，還可與時分、頻分、碼分等多種方式相結合，靈活支持多種業務。

3.2 智能天線(SA)

智能天線原名自適應天線陣列(Adaptive AntennaArray，AAA)，最初用來完成空間濾波和定位。移動通信智能天線(SA)技術具有抑制信號干擾，可以自動地進行跟蹤以及數字波束的調節等功能，是一種基于自適應天線原理的移動通信新技術，它在消除干擾、擴大小區半徑、降低系統成本、提高系統容量等方面具有不可比擬的優越性。該技術采用了空分多址(SDMA)的技術，是一種能分析到達無線陣列信號的技術，其基本工作原理是根據信號來波的方向自適應地調整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。并能夠自動跟蹤用戶和監測環境變化，為每位用戶提供優質的上行鏈路和下行鏈路信號，從而達到抑制干擾、準確提取有效信號的目的，將成為4G 系統中一個廣泛的應用方向。

3.3 多輸入多輸出(MIMO)技術

MIMO 技術產生巨大推動的奠基工作則是20 世紀90 年代由AT＆TBell 實驗室學者完成的。MIMO 技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術，它采用的是分立式多天線，而GSM、CDMA IS - 95 、3G 系統中都沒有采用這種技術。該技術能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統的容量和頻譜利用率，是4G 移動通信系統的核心技術之一。如圖3所示。MIMO 系統采用空時處理技術進行信號處理，在豐富的散射環境下，空分復用MIMO 系統(如BLAST 結構)可以獲得與天線數成正比的容量增長，從而極大地提高頻譜效率，增加系統的數據傳輸速率。

3.4 軟件無線電(SDR)技術

在4G 通信系統中，軟件會變得至關重要，軟件無線電(SDR)技術是4G 移動通信技術的微電子技術基礎，其基本思想就是將硬件作為其通用的基本平臺，方便的升級和重配置構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，允許多方運營的介入。軟件無線電技術主要是模擬信號的數字化過程，利用高速的DSP 處理數據進行信道的編碼和解碼。實現了多通路、多層次和多模式的無線通信方式。

圖4 MIMO 系統原理圖

3.5 IPv6 技術

目前使用最為廣泛的網絡協議是網絡協議版本4. Ipv4 有32 位地址長度，理論上能編址1 600 萬個網絡、40 億臺主機。但采用A、B、C 三類編址方式后，可用的網絡地址和主機地址的數目大打折扣，以至目前的IP 地址近乎枯竭。IPv6 可提供大量的IP 地址，IPv6 具有巨大的網絡地址的空間方便為通信網絡的所有設備提供一個全球唯一的地址，IPv6 方便實現自動配置，獲得一個全球惟一的路由地址IPv6 將把地址長度擴展至 128 位，共計約 3.4 × 1 038 個地址，是 IPv4 地址空間(232)的近1 600 億倍(296)。勝過傳統IPv4 的服務質量，利于形成以服務級別為基礎的系統，具有移動安全性好等優勢。

4 4G 移動通信技術的未來與展望

在新世紀里，市場的需求不斷擴大，推動了信息技術和移動通信技術迅猛的發展，網絡業務的數據化、移動互聯性和分組化以及網絡設備的小型化和智能化等，這些趨勢正是第四代移動通信技術的發展目標和方向.

5 結語

文中對移動通信的演變過程、4G 移動通信的體系結構、關鍵技術和發展方向進行了探討，第四代移動通信技術高速率、高質量、大容量的多媒體服務，將使世界更美好。但具體的實現還面臨著許多問題。隨著技術的發展，困難會隨著某一關鍵技術的突破而解決。所以本文對4G 關鍵技術的研究對4G 的發展有十分深遠重要的意義。

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［2］2 Young Kyun Kim. New technological and standards toward beyond3G［J］. IEEE Trans. on Commun.，2001，45(12):113 -117.

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