4G移動通信系統(tǒng)及核心技術

王 昆

(西安航空學院，陜西 西安 710077)

0 引言

近年來，隨著4G通信技術的深入研究，人們期望通過4G系統(tǒng)來解決3G無法解決的問題，最終實現(xiàn)無線局域網(wǎng)和藍牙等室內網(wǎng)絡、蜂窩信號、廣播電視到衛(wèi)星通信等的無縫銜接并相互兼容，真正實現(xiàn)用戶在任何地點、任何時間、以任何形式接入網(wǎng)絡。因此，本文通過比較，簡要介紹了4G和3G移動通信系統(tǒng)的區(qū)別和優(yōu)勢，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及核心技術，4G研究現(xiàn)狀及前景等。

1 4G和3G移動通信系統(tǒng)的區(qū)別與優(yōu)勢

1.1 區(qū)別

4G是fourth generation的縮寫，而4G移動通信系統(tǒng)和3G移動通信系統(tǒng)到底有何區(qū)別？與3G移動通信系統(tǒng)比，4G移動通信系統(tǒng)應具有：

（1）比3G系統(tǒng)更接近于個人通信，即任何人、在任何時間、任何地點可實現(xiàn)任何形式通信；

（2）在技術上，應比3G更上一個的臺階，各種新的4G核心技術被引入到系統(tǒng)和業(yè)務中；

（3）在服務上，用戶可以自由選擇業(yè)務類型、應用和網(wǎng)絡形式；

（4）在應用上，4G移動通信系統(tǒng)終端不在局限于手機，可以是任何類型的。

1.2 優(yōu)勢

隨著人們對移動通信系統(tǒng)的各種需求與日俱增，使得大力推廣的3G系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務需求。因此，人們在享受3G移動通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)質服務的同時，也期待著通過4G通信技術的引入，給人們帶來更加美好的未來。相比3G系統(tǒng)，未來4G系統(tǒng)應具有如下優(yōu)勢：

①高速率、高容量:對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s；對于中速移動用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s；對于低速移動用戶(室內或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s；其容量至少應是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

②網(wǎng)絡頻譜更寬:每個4G信道將占100MHz頻譜，相當于W-CDMA 3G網(wǎng)絡的20倍。

③通信更加靈活：4G終端可以是任何類型，可使人們不僅可以隨時隨地、以不同方式通信。

④智能性能更高：4G采用智能技術，使得終端設備具有智能化，同時系統(tǒng)可自適應地進行資源分配。

⑤兼容性能更平滑：4G系統(tǒng)具備全球漫游，接口開放，能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)，終端多樣化，在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務數(shù)據(jù)。

⑥實現(xiàn)更高質量、低費用的通信：4G系統(tǒng)可提供良好覆蓋性、高速數(shù)據(jù)和高分辨率的多媒體服務，因此4G移動通信系統(tǒng)也可稱為“多媒體移動通信”。同時，其能夠有效地降低運行者和用戶的費用

2 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡結構及核心技術

2.1 網(wǎng)絡結構

4G系統(tǒng)網(wǎng)絡結構如圖1所示，其大致可分為三層，分別為物理網(wǎng)絡層、承載層和應用層。物理層與承載層提供開放式IP接口。應用層與承載層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務

2.2 核心技術

與3G移動通信系統(tǒng)相比較，4G移動通信系統(tǒng)中采用了一些不同的核心技術。

2.2.1 正交頻分復用（OFDM）技術

3G移動通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術，而OFDM技術則被公認為4G移動通信系統(tǒng)的核心技術之一。OFDM[1-2]技術實際上是多載波調制的一種，其將給定信道分為若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行低速數(shù)據(jù)流，調制在每一個子信道上傳輸。因而，OFMD技術具有頻率利用率高、抗衰能力強、適合高速數(shù)據(jù)傳輸、抗碼間干擾能力強等優(yōu)點。

圖1 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

2.2.2 軟件無線電（SDR）技術

SOR[3]技術是一種基于DSP芯片，以軟件為核心的無線電技術。其核心思想在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，從而盡可能使用軟件來定義無線功能，使用軟件來實現(xiàn)各種功能和信號處理。

2.2.3 智能天線技術

智能天線即波束間沒有切換的多波束或自適應天線陣列，具有抑制信號、自動跟蹤及數(shù)字波束調節(jié)等職能功能。其核心是通過選擇良好的智能算法來實現(xiàn)對波束的智能控制。

2.2.4 多輸入多輸出（MIMO）技術

MIMO技術是利用多發(fā)射、多接收天線進行空間集分的技術，可實現(xiàn)高速率、高容量、高傳輸質量。它采用多個分立式天線將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，當不同的接收天線和發(fā)射天線之間互不相關時，MIMO系統(tǒng)就能有效地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。

3 研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

當前，世界各國對4G移動通信系統(tǒng)的研究工作已經啟動，但4G系統(tǒng)的研究還處于初級階段。ITU計劃在2004年征求第四代移動通信的方案，2010年制定出全世界統(tǒng)一的第四代移動通信標準。就我國而言，4G移動通信的研究已經正式列入863項目，并啟動“FuTURE計劃”。

目前，D-LTE技術由中國自主研發(fā)，已于2010年10月入選4G國際標準。2012年5月，中國移動首次在廣州、深圳、北京、杭州、南京等五個城市同時啟動了TD-LTE的體驗測試，2013年7月杭州成為國內首個開放4G體驗網(wǎng)絡的城市，而4G運營牌照的正式發(fā)放也迫在眉睫。4G移動通通信網(wǎng)帶給人們的美好的未來指日可待。

4 結束語

盡管4G移動通信系統(tǒng)目前仍然不太成熟和完善，有待進一步的驗證。但作為新一代移動通信技術，其發(fā)展前景是不可限量的。4G通信技術的研究與實現(xiàn)，將可實現(xiàn)人們對個人通信渴望。

［1］秦連銘，王香麗.OFDM技術應用現(xiàn)狀與前景發(fā)展[J].中國科技信息， 2009（21）：32-33.

［2］張重陽.數(shù)字移動通信技術[J].西安電子科技大學，2006.

［3］夏少波，許娥.軟件無線電SDR的關鍵技術研究[J].無線通信技術， 2010（2）：48-51.