第四代移動通信系統(tǒng)4G與其關(guān)鍵技術(shù)研究

1、第四代移動通信系統(tǒng)第四代移動通信系統(tǒng) 4G4G 與其關(guān)鍵技術(shù)與其關(guān)鍵技術(shù)研究研究劉偉魏迎春摘 要 本文首先介紹了第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的概念、主要特點(diǎn)，并與第三代移動通信系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了對比，然后討論了第四代移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其七大關(guān)鍵技術(shù)，最后總結(jié)了第四代移動通信系統(tǒng)的最新進(jìn)展。關(guān)鍵詞 4G OFMD MIMO 智能天線 軟件無線電1 第四代移動通信系統(tǒng)（4G）概述1.1 4G 概念4G，即為第四代移動通信及其技術(shù)的簡稱，是集 3G 與 WLAN 于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品，提供更有效的多種業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、電

2、視衛(wèi)星通信等的無縫銜接并相互兼容，它體現(xiàn)了移動與無線接入網(wǎng)及 IP 網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢。4G 亦可稱為廣帶接入（broad-band）和分布網(wǎng)絡(luò)， 包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)（WLAN）、移動廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和移動衛(wèi)星），是集成多功能的寬帶移動通信系統(tǒng)1。它具有許多優(yōu)勢，已成為移動通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。1.2 4G 主要特點(diǎn)（1）通信速度更快：4G 系統(tǒng)能夠以 100Mbps 的速度下載，比撥號上網(wǎng)快 2000倍，上傳的速度也能達(dá)到 20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。（2）網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬：每個 4G 信道將占有 100MHz 或者更多帶寬，相

3、當(dāng)于 WCDMA網(wǎng)絡(luò)的 20 倍。（3）智能性更高：4G 的智能性更高，不僅表現(xiàn)于 4G 通信的終端設(shè)備的設(shè)計和操作具有智能化，而且能自適應(yīng)低進(jìn)行資源分配，處理變化的業(yè)務(wù)流和適應(yīng)不同的信道環(huán)境。（4）兼容性能更平滑：移動中不同系統(tǒng)間的無縫連接，4G 通信系統(tǒng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從 3G 平穩(wěn)過渡等特點(diǎn)。用戶在高速移動中， 能夠按需接入系統(tǒng)， 并在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。（5）基于 IP 的核心網(wǎng)：支持有線及無線接入，且所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的2。1.3 4G 與 3G 的主要參數(shù)比較4G 和 3G 的系

4、統(tǒng)主要參數(shù)的比較如表 1 所示。2 4G 的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在第四代移動通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對不同業(yè)務(wù)的需求，將各種針對不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過多媒體接入系統(tǒng)連接到基于 IP 的核心網(wǎng)中，形成一個公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺（如圖 1 所示）。從圖中我們可以看出基于 IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得用戶在 2 G 、3 G 、4 G 、WLAN 、固定網(wǎng)之間無縫漫游可以實(shí)現(xiàn)。目前認(rèn)為 4G 網(wǎng)絡(luò)體系的分層結(jié)構(gòu)大致可分為 3 層，自上而下分為：物理層（又稱物理網(wǎng)絡(luò)層或接入層）、網(wǎng)絡(luò)層（又稱中間環(huán)境層或承載層）、應(yīng)用層（又稱應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層或業(yè)務(wù)控制層）。物理層網(wǎng)絡(luò)以集成的方式為所有無線及核心網(wǎng)絡(luò)提供接入與路由

5、功能。中間件環(huán)境橋接應(yīng)用層與物理層。它提供諸如 QoS 映射、地址變換、即插即用、安全管理、激活網(wǎng)絡(luò)等功能。物理層與中間件環(huán)境之間的接口應(yīng)是一種開放的 IP 接口。中間件環(huán)境與應(yīng)用層之間的接口也應(yīng)是開放接口， 以利于第三方開發(fā)和提供新的應(yīng)用與服務(wù)。圖 2 為 4G 的網(wǎng)絡(luò)體系分層結(jié)構(gòu)3。3 4G 的關(guān)鍵技術(shù)移動通信技術(shù)將向數(shù)據(jù)化，高速化、寬帶化、頻段更高化等方向發(fā)展，移動數(shù)據(jù)、移動 IP 將成為未來移動網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。第四代移動通信要求數(shù)據(jù)傳輸速率從 2Mb/s 提高到 100Mb/s。為了達(dá)到這個目標(biāo)，需要在下列幾個方面作出努力：頻譜的高效使用、帶寬的動態(tài)分配、安全的無線應(yīng)用、更高的服務(wù)質(zhì)量、

6、高性能的信號調(diào)制傳輸技術(shù)。為此， 4G 系統(tǒng)使用了許多新技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)介紹如下。3.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)根據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來的頻率選擇性衰落特性，提出正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)。如圖 3 所示4，正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到傳輸速率相對較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸，在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號通過各個子信道獨(dú)立傳輸。如果每個子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個子信道都可看作無符號間干擾（ISI） 的理想信道， 這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)

7、即可對接收信號可靠地解調(diào)。OFDM 作為第四代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)， 作為多載波調(diào)制的一種， 最大優(yōu)點(diǎn)就是對抗頻率選擇性衰落與窄帶干擾， 同時頻譜利用效率高、抗噪聲能力強(qiáng)，采用動態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率，適合于高速數(shù)據(jù)傳輸。3.2 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)MIMO 技術(shù)已經(jīng)成為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO 技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多個天線來對抗無線信道衰落， 從而在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的情況下可以有效地提高無線系統(tǒng)的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時域聯(lián)合分集的通信信號處理方法。對于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨(dú)立的等功率信號，而且各

8、信號滿足 Rayleigh（瑞利）分布，根據(jù) MIMO 系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計算方法，推導(dǎo)出平衰落 MIMO 系統(tǒng)信道容量近似表達(dá)式為5：C=min（N，M）Blog2（SNR/2）其中 B 為信號帶寬，SNR 為接收端平均信噪比，min（N，M）為發(fā)射天線數(shù)量 N和接收天線數(shù)量 M 中的最小者。理論和計算機(jī)仿真表明：在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化），多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加，因此具有廣泛的應(yīng)用價值。3.3 智能天線技術(shù)（SA）智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定

9、天線單元獲取方向性，并可以同時獲取基站和移動臺之間各個鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無線電的信號導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向 DOA（Direction of Arrival），旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線（SA）具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線使用數(shù)字信號處理技術(shù)6，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號之目的。同時，智能天線技術(shù)利用

10、各個移動用戶間信號空間特征的差異，通過陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個移動用戶信號而不發(fā)生相互干擾，使無線電頻譜的利用和信號的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。3.4 基于 IP 的核心網(wǎng)4G 移動通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個基于全 IP 的網(wǎng)絡(luò)， 可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的 IP 業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和 PSTN 兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。采用 IP 后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(luò)（CN）協(xié)議、鏈路層是分離

11、獨(dú)立的。IP 與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計核心網(wǎng)絡(luò)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(xié)議。在 4G 通信系統(tǒng)中將取代 IPv4 協(xié)議，主要采用全分組方式 IPv6 技術(shù)，IPv6 具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如：有巨大的地址空間；支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置的方式；能夠提供不同水平的服務(wù)質(zhì)量；更具有移動性7。3.5 軟件無線電技術(shù)（SDR）所謂軟件無線電（簡稱 SDR），就是采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實(shí)現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等等。整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程

12、來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/ 模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)。它具有靈活性較高、集中性強(qiáng)及模塊化等特點(diǎn)7：3.6 移動定位技術(shù)定位是指移動終端位置的測量方法和計算方法。它主要分為基于移動終端定位、基于移動網(wǎng)絡(luò)定位以及混合定位三種方式。在第四代移動移動通信系統(tǒng)中， 移動終端可能在不同系統(tǒng)（平臺）間進(jìn)行移動通信。因此， 對移動終端的定位和跟蹤， 是實(shí)現(xiàn)移動終端在不同系統(tǒng)（平臺）間無縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動通信的前提和保障。3.7 多用戶檢測技術(shù)多用戶檢測技術(shù)的核心思想就是利用均衡技術(shù)。將來自其他用戶的

13、ISI 也當(dāng)作MAI 而一并消除之。多用戶檢測技術(shù)充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進(jìn)行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。4 4G 新進(jìn)展由于 4G 與 3G 相比具有通信速度更快，網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬，通信更加靈活，智能性能更高兼容性能更平滑等優(yōu)點(diǎn)。國際電信聯(lián)盟（ITU）為 4G 制定了明確目標(biāo)，2006 年至 2007 年完成頻譜規(guī)劃，2010 年左右完成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2010 年之后開始商用。2010 年 11 月，ITU 正式確認(rèn) LTE-Advanced 與 W

14、ireless MAN-Advanced 技術(shù)為 4G 標(biāo)準(zhǔn)；12 月份，又將 WiMax、HSPA+、LTE 技術(shù)納入 4G 標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段我國的 4G 研究成果，主要是在上海建立的一個 4G 試驗(yàn)網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3 個無線覆蓋小區(qū)、6 個接入節(jié)點(diǎn)和 6 個移動終端組成，并引入了世界上最復(fù)雜的技術(shù)，如 IPv6 核心網(wǎng)絡(luò)、IPTV 高清晰度業(yè)務(wù)與移動通信的切換技術(shù)等等。2011 年 3 月，中國移動將在深圳、上海、廣州、南京、杭州等城市開始首批TD-LTE 規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)。5 結(jié)束語目前，4G 移動通信即將開始實(shí)驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，具體的設(shè)備及后續(xù)的軟件開發(fā)還繼續(xù)開發(fā)研究，但是未來的 4G 必定會具有高速率高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸、無所不在的移動接入、高智能的多樣化的用戶設(shè)備等特征，隨著新問題，新要求的不斷出現(xiàn)，4G 將會不斷地調(diào)整、改善及進(jìn)一步發(fā)展。我們相信在不久的將來，4G 將成為滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)，它將幫助我們實(shí)現(xiàn)充滿個性化的通信夢想?yún)?考 文 獻(xiàn)1 百度學(xué)科.4GEB/OL.http：/ 王建峰，黃國策，康巧燕， 4G 移動通信系統(tǒng)及其與 3G 系統(tǒng)的比較研究，西安郵電學(xué)院學(xué)報， 2006 .9