4G移動通信的核心技術與發展策略研究

賈慧穎

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4G移動通信的核心技術與發展策略研究

賈慧穎

廣州市匯源通信建設監理有限公司，廣東 廣州 510620

隨著科學技術的飛速發展，移動通信技術經歷了三次華麗發展。3G技術能有效提供前幾代產品無法提供的信息業務，但其自身存在較多局限性，尤其是對2G網絡結構的沿用，使得移動終端無法實現智能化。而4G移動通信技術能夠提供更為快捷的傳輸速度、更為穩定的傳輸效率、更優質的通話質量和高強的保密性等，將為人們提供更為人性化的用戶體驗。

4G移動通信；核心技術；存在缺陷；發展策略

1 4G移動通信的核心技術

1.1 基于IP的核心網

從圖1可見，4G的核心網是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。

由于Ipv4地址幾盡枯竭，4G將采用128位地址長度的Ipv6，地址空間增大了2 96倍，幾乎可以不受限制地提供地址。Ipv6的另一個特性是支持自動控制，支持無狀態和有狀態兩種地址自動配置方式。

無狀態地址自動配置方式下，需要配置地址的節點，使用一個鄰居發現機制獲得一個局部連接地址，一旦得到一個地址以后，使用一種即插即用的機制，在沒有任何外界干預的情況下，獲得一個全球唯一的路由地址。有狀態配置機制需要一個額外的服務器對DHCP協議進行改進和擴展，使得網絡的管理方便和快捷[1]。

圖1 4G通信系統網路組成示意圖

1.2 LTE物理層的傳輸技術

LTE物理層傳輸技術包括物理層上下行傳輸方案、幀結構設計、小區間干擾控制技術、多天線技術、小區搜索技術和隨機接入技術等。采用OFDM是LTE系統的主要特點，其優點是對時延擴展有較強的抵抗力，減小符號間干擾，通常在OFDM符號前加入保護間隔，只要保護間隔大于信道的時延擴展則可以完全消除符號間干擾。

MIMO作為提高系統傳輸率的最主要手段，也受到了廣泛關注。由于OFDM的子載波衰落情況相對平坦，十分適合與MIMO 技術相結合，提高系統性能。MIMO 系統在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道。

1.3 LTE的系統架構

3G的網絡由基站（NB）、RNC、服務通用分組無線業務支持節點（SGSN）和網關通用分組無線業務支持節點（GGSN）4個網絡節點組成，而LTE 網絡僅由演進型通用地面無線接入網基站（E-UTRAN基站即eNB）和接入網關（AGW）組成，相比WCDMA（HSDPA）網絡采用了更為扁平化的網絡架構。這一方面減少了設備的數量，同時也大大降低了業務時延。LTE的總體系統結構見圖2。

圖2 LTE總體系統架構

注：MME為移動性管理實體；SGW為服務網關。

LTE網絡架構涉及的功能包括：無線資源管理（RRM），UE與網絡的QoS協商，位置管理，尋呼、空閑和激活狀態移動性管理，不同接入技術間的移動性，安全和加密，報頭壓縮，上層自動請求重發（OuterARQ），IP地址分配，漫游，多媒體廣播與組播（MBMS）等。

1.4 LTE的空中接口協議

由于基于全分組的協議，3GPP LTE的協議結構得到極大簡化，RLC和MAC都位于節點eNB，因此調度器可以根據信道質量對RLC服務數據單元（SDU）進行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時可以對RLC層的自動重發請求（ARQ）和MAC層的混合自動重發請求（HARQ）進行聯合優化[2]。

2 當前4G移動通信系統面臨的問題

2.1 容量受到限制問題

4G系統的傳輸速率超過20Mbit/s，從理論上說其所謂的每秒100MB的寬帶速度，比3G的10倍多，但手機的速度將受到通信系統容量的限制，如系統容量有限，手機用戶越多，速度就越慢。為了承載大量增長的業務，4G系統的容量應比現有3G系統容量大10倍，考慮到由于受到頻率資源的限制，增加系統容量的其中一個解決方案就是通過減少基站的覆蓋半徑來達到。據有專家分析，4G手機將很難達到其理論速度。如果速度上不去，4G手機就要大打折扣。

2.2 設施更新問題

4G通信網絡系統之前，覆蓋全球的大部分無線基礎設施都是基于3G建立的，如果要向第四代通信技術轉移的話，那么全球的許多無線基礎設施都需要經歷著大量的變化和更新，這種變化和更新勢必減緩4G通信技術全面進入市場、占領市場的速度。4G通信終端要能在4G通信網絡建成后及時提供，不能讓通信終端的生產滯后于網絡建設。

2.3 網絡安全問題

很多因素都會對4G通信技術的使用安全產生威脅，究其原因主要是系統的漏洞、故意攻擊或破壞、密碼泄露以及無意識錯誤等，具體主要有以下幾種：（1）病毒。病毒對通信技術的破壞是防不勝防的，它能夠對系統的傳輸路徑造成破壞，進而影響傳播功能，其可能引起的結果有兩種，一種是接收不到信號，一種是接收到亂碼信息。（2）黑客。一般來說，黑客都是指能夠編輯程序和操作系統的程序編輯人員，他們具有豐富的計算機知識，能夠利用計算機中存在的安全漏洞對他人的計算機系統進行非法入侵，進而竊取電腦信息等，這對于其他用戶的使用安全產生了極大的威脅。（3）計算機安裝的瀏覽器或者網絡服務器等軟件存在的安全漏洞也很容易會引起通信系統出現問題，其中常見的主要有死機等，這都是因為系統和軟件不成熟造成的。

3 4G移動通信系統的發展策略

3.1 注重專業人才的培養

目前，4G移動通信系統資深專業人員相對不足，因此，人才的培養迫在眉睫。這就需要全球通信業的共同努力，進行有效的資源共享和相互借鑒，以各種方式進行技術研發、市場等方面的合作與交流。

3.2 注重相關設施的更新

目前4G移動通信系統很多得以開發的技術并沒能及時獲得相應的設施跟進。例如，WAP手機推出后，用戶并未能及時獲得其相關信息，卻承擔著相關信息的費用，收費系統嚴重滯后。因此，在研發過程中，要注重技術、產品、設施的配套生產，避免由于設施或者其他環節的脫節而影響系統的運行。

3.3 提供更高的數據傳輸速率、頻譜利用率和用戶吞吐量

系統和終端應具有合理的復雜性、成本和功耗，支持增強的IMS（IP多媒體子系統）和核心網，盡可能地向后兼容，但是應該考慮系統性能提高與向后兼容之間的平衡；取消了電路交換（CS）域，CS域的業務和其他實時業務都在包交換（PS）域實現；支持終端在整個系統范圍內的移動性，為低速移動終端提供最優服務，對中速移動終端實現較高性能，同時支持高速移動終端。可靈活配置1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、20MHz帶寬。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；下行頻譜利用率是R6 HSDPA（高速下行分組數據接入）的3～4倍，上行頻譜利用率是R6 HSUPA（高速上行分組接入）的2～3倍。

3.4 提供4G網絡的安全性

為了有效提高4G網絡的安全性，在4G移動通信技術的開發中尤其要注意私密性和完整性的研究。一方面，在語音通話數據交換的過程中，我們可以采用更加完善的身份識別和認證服務，加強通話的私密性研究，進而為用戶提供更加完善的隱私保護。另一方面，要提高系統的防御能力和恢復能力，使系統能夠抗病毒侵襲和自動恢復，這樣即使是發生率防漏和檢漏等問題，也能夠快速恢復系統和數據，以保證信息系統的安全性，確保4G移動通信技術用戶的數據信息應用安全性。

4 結論

總之，4G移動通信系統相比于3G系統具有更為顯著的優勢，在現代移動通信中的應用將會越來越廣泛，但也存在一些缺陷。因此，移動通信技術開發和研究人員應當充分發揮4G移動通信技術的優勢和特色，在系統的關鍵技術上實現更高的突破，改善存在的缺陷，以滿足更高的用戶需求和體驗。

[1]朱永賢，郭俊哲.第四代移動通信系統有關的問題探討[J].電子與通信工程，2012，10（32）：115-118.

[2]郭燕飛，李志敏.簡析第三代移動通信系統的不足與第四移動通信系統核心技術[J].科學與財富，2012，10（12）：256-259.

TN929.53

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1009-6434（2016）03-0011-02