浅析4G移动通信技术

jzmacheng

引言

　　第四代移动通信系统（4G）的目标是成为一个无所不在的无线通信系统，提供无缝、高QoS、高速率的无线业务。这必然要求在现存的体系、频谱分配及利用上进行创新，对无线传输网络、无线业务和应用进行创新。4G比3G更接近于个人通信，本文将介绍其体系结构和关键技术。

一　4G简述

　　在移动通信领域，每10年就发生一次革命性变化。80年代的第一代模拟移动通信系统和90年代的第二代蜂窝移动通信系统主要用于话音业务和支持电路交换类型的业务，这两代系统的空中接口速率只有几百kbit/s。将在21世纪初投入使用的3G系统IMT-2000在室内环境下能提供2Mbit/s的速率，在车载情况下速率至少为144kbit/s。移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。当今移动通信系统正向高数据率、高度移动性和大范围覆盖方向发展。

　　尽管3G系统标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞争和标准不兼容等问题。人们呼吁移动通信标准的统一，期望通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。

　　国际电信联盟（ITU）目前已开始研究制定4G系统标准，把移动通信系统同其他系统（如无限局域网，WLAN）结合起来，产生4G技术，2010年前使数据传输速率达到100Mbit/s。提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容。4G应具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和服质量（QoS）。4G系统应体现移动与无线接入网及IP网络不断融合的发展趋势。因此4G 系统应当是一个全IP的网络。

二　4G的技术特点

　　4G是多功能集成宽带移动通信系统，比3G更接近于个人通信。其特点主要有：

　　（1）高速率。4G的信息传输速率要比3G高一个等级，从2Mbit/s提高到10Mbit/s。

　　（2）灵活性强。4G拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。有很强的智能性、适应性和灵活性。

　　（3）兼容性好。目前ITU承认的、已有相当规模的移动通信标准有GSM、CDMA和TDMA三大分支，可通过4G标准的制定来解决兼容问题。

　　（4）用户共存性。4G能根据网络的状况和信道条件进行自适应处理，使低、高速用户和各种用户设备能够并存与互通从而满足多类型用户的需求。

　　（5）业务多样性。未来通信中所需的是多媒体通信：个人通信、信息系统、广播和娱乐等将结合成一个整体。4G能提供各种标准的通信业务，满足宽带和综合多种业务需求。

　　（6）技术基础较好。4G将以几项突破性技术为基础，如OFDM、无线接入、软件无线电等，能大幅提高频率使用效率和系统可实现性。

　　（7）随时随地的移动接入。4G利用无线接入技术，提供话音、高速信息业务、广播及娱乐等多媒体业务接入方式，用户可随时随地接入系统。

　　（8）自治的网络结构。4G网络将是一个完全自治、自适应的网络。可自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。

三　4G网络结构

　　4G系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。4G网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使发展和提供新的服务变得更容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。

　　4G网络有如下特征：

　　（1）支持现有的系统和将来系统通用接入的基础结构；

　　（2）与Internet集成统一，移动通信网仅仅作为一个无线接入网；

　　（3）具有开放、灵活的结构，易于扩展；

　　（4）是一个可重构的、自组织的、自适应网络；

　　（5）智能化的环境，个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满足用户的各种需求；

　　（6）用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统无缝切换，传送高速多媒体业务数据；

　　（7）支持接入技术和网络技术各自独立发展。


四　4G通信系统的关键技术

4.1　OFDM调制技术

　　未来无线多媒体业务既要求数据传输速率高，又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期，OFDM 技术正满足这一需求。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，这样尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的。且在各子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道带宽，消除信号波形间的干扰。OFDM技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰，从而减小各子载波间的相互干扰，提高频谱利用率。

4.2　软件无线电

　　软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。通过不同软件程序，在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，尽可能多地用软件来定义无线功能。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等。

4.3　智能天线（SA）

　　智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。

　　目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量，计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。

4.4　MIMO技术
　　多输入多输出技术（MIM0）是指在基站和移动终端都有多个天线。MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。MIM0技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。

五　4G的发展趋势

　　从4G的发展前景看，除0FDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。

　　（1）交互干扰抑制和多用户识别：待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收高质量信号。这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围，减少网络基础设施的部署，确保服务质量。

　　（2）可重构性自愈网络：4G无线网络中将采用智能处理器，可处理节点故障或基站超载。网络各部分采用基于知识解答装置，可纠正网络故障。

　　（3）微微无线电接收器：未来4G 中要研究的另一重点，它是嵌入式无线电。采用此技术，功耗是采用现有技术的l/10～1/100。

　　（4）无线接入网（RAN）：4G系统高速度、大容量，低比特成本。4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。

结束语

　　4G是人类有史以来最复杂的技术系统。要顺利全面地实施4G通信，还将遇到一些困难，其发展将面临极大的市场压力。目前世界发达国家正积极进行4G技术规格的研究制定，研究包括网络结构、用户切换和漫游等移动环境下的系统实施方案，从而实现用户的大范围移动。