4G 移動通信技術(shù)初探

余建平

(武漢鐵路職業(yè)技術(shù)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(shè)，移動通信正在逐漸改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ?，在過去的20 年中，通信技術(shù)得到迅猛的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。移動通信自20世紀初誕生以來，整個發(fā)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(fā)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(yīng)用。第二階段是40 年代至60 年代后期，在這個階段發(fā)展了一些具有撥號、半雙工功能的移動通信系統(tǒng)，但它們還都停留在專用系統(tǒng)的水平上。第三階段是70 年代至今。由于蜂窩理論的應(yīng)用，頻率復(fù)用的概念得以實用化。這階段在技術(shù)上又可分為第一代移動通信系統(tǒng)，第二代移動通信系統(tǒng)和第三代移動通信系統(tǒng)IMT2000。目前構(gòu)思中的4G 移動通信技術(shù)將具有通信速度更快、網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬、通信更加靈活、智能性更高、兼容性更平滑的特點，更高質(zhì)量的多媒體通信等優(yōu)勢將占據(jù)未來移動通信的主導位置。如圖1 所示，移動通信系統(tǒng)向4G 的演進過程。

圖1 移動通信網(wǎng)絡(luò)向4G 的演進過程

1 4G 移動通信技術(shù)的定義和性能

所謂的4G 通信技術(shù)，在通信行業(yè)內(nèi)，迄今為止還沒有統(tǒng)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(shù)的。其實就是下一代移動通信技術(shù)的一個通用名稱而已?？傊遣粩鄡?yōu)化，并為用戶給予更多體驗的移動通信網(wǎng)絡(luò)。是在3G 移動通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，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。2012 年1 月18 日下午17 時，在日內(nèi)瓦舉行的國際電聯(lián)2012 年無線電通信全體會議上，WirelessMAN-Advanced(802.16 m)和 LTE -Advanced 技術(shù)規(guī)范通過審議，正式被確立為IMT-Advanced(俗稱“4G”)國際標準。它具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、高度智能化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，更好的兼容性和覆蓋性能，基于IP 的網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)不同QoS 的業(yè)務(wù)，通信資費更加便宜等性能。

2 4G 移動通信的網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4G 通信技術(shù)的接入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)各種的接入技術(shù)完好的協(xié)和與連接。并且基于這個平臺的支撐來實現(xiàn)各種類的接入系統(tǒng)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(shù)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(wǎng)絡(luò)相比，4G 采用全數(shù)字全IP 技術(shù)，采用單一的全球范圍的蜂窩核心網(wǎng)。結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種結(jié)構(gòu)的通用性和可擴展性很好。使得多種業(yè)務(wù)能透明地與IP 核心網(wǎng)連接。

圖2 4G 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

未來的全球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)IP 核心網(wǎng)和骨干網(wǎng)系統(tǒng)，將以結(jié)合寬帶IP 技術(shù)和光纖網(wǎng)技術(shù)為主如圖3 所示。進一步來提高和擴展IP 技術(shù)在移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，形成基于IP 核心網(wǎng)的靈活、可擴展一個公共平臺。這種基于IP 技術(shù)的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以使用戶在3G、4G、WLAN、固定網(wǎng)之間實現(xiàn)無縫連接和漫游。

圖3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未來構(gòu)架

3 4G 移動通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)

多載波技術(shù)包括OFDM 和多載波CDMA 技術(shù)等，現(xiàn)在主要網(wǎng)絡(luò)與通信應(yīng)用的是OFDM 技術(shù)。最適合4G 系統(tǒng)的多址方法是OFDM 技術(shù)，該技術(shù)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(diào)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(shù)具有頻譜利用率高，抗衰落能力強，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)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(jié)合，靈活支持多種業(yè)務(wù)。

3.2 智能天線(SA)

智能天線原名自適應(yīng)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(shù)具有抑制信號干擾，可以自動地進行跟蹤以及數(shù)字波束的調(diào)節(jié)等功能，是一種基于自適應(yīng)天線原理的移動通信新技術(shù)，它在消除干擾、擴大小區(qū)半徑、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)容量等方面具有不可比擬的優(yōu)越性。該技術(shù)采用了空分多址(SDMA)的技術(shù)，是一種能分析到達無線陣列信號的技術(shù)，其基本工作原理是根據(jù)信號來波的方向自適應(yīng)地調(diào)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(jiān)測環(huán)境變化，為每位用戶提供優(yōu)質(zhì)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(tǒng)中一個廣泛的應(yīng)用方向。

3.3 多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)

MIMO 技術(shù)產(chǎn)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(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，而GSM、CDMA IS - 95 、3G 系統(tǒng)中都沒有采用這種技術(shù)。該技術(shù)能在不增加帶寬的情況下成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，是4G 移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。如圖3所示。MIMO 系統(tǒng)采用空時處理技術(shù)進行信號處理，在豐富的散射環(huán)境下，空分復(fù)用MIMO 系統(tǒng)(如BLAST 結(jié)構(gòu))可以獲得與天線數(shù)成正比的容量增長，從而極大地提高頻譜效率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。

3.4 軟件無線電(SDR)技術(shù)

在4G 通信系統(tǒng)中，軟件會變得至關(guān)重要，軟件無線電(SDR)技術(shù)是4G 移動通信技術(shù)的微電子技術(shù)基礎(chǔ)，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(gòu)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(shù)主要是模擬信號的數(shù)字化過程，利用高速的DSP 處理數(shù)據(jù)進行信道的編碼和解碼。實現(xiàn)了多通路、多層次和多模式的無線通信方式。

圖4 MIMO 系統(tǒng)原理圖

3.5 IPv6 技術(shù)

目前使用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議版本4. Ipv4 有32 位地址長度，理論上能編址1 600 萬個網(wǎng)絡(luò)、40 億臺主機。但采用A、B、C 三類編址方式后，可用的網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址的數(shù)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(wǎng)絡(luò)地址的空間方便為通信網(wǎng)絡(luò)的所有設(shè)備提供一個全球唯一的地址，IPv6 方便實現(xiàn)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(tǒng)IPv4 的服務(wù)質(zhì)量，利于形成以服務(wù)級別為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，具有移動安全性好等優(yōu)勢。

4 4G 移動通信技術(shù)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(shù)和移動通信技術(shù)迅猛的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)化、移動互聯(lián)性和分組化以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)的發(fā)展目標和方向.

5 結(jié)語

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

［1］柴遠波，戚建平. 移動通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析［J］.山東大學學報，2009(12).

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

［3］李飛鵬. 3G 移動通信技術(shù)及其應(yīng)用［J］.信息通信，2011(4).

［4］劉志遠.淺析移動通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展［J］.電腦知識技術(shù)，2011(5).