淺析4G移動通信系統(tǒng)

摘要：本文闡述了4G通信技術(shù)的概念和關(guān)鍵性能，對4G通信的幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了簡要說明，如正交頻分復(fù)用、軟件無線電、多人多出無線技術(shù)、智能天線技術(shù)、多用戶檢測、IPv6技術(shù)等，本文又對4G技術(shù)優(yōu)于3G技術(shù)的原因進(jìn)行了解析，最后還預(yù)測了4G未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：4G移動通信技術(shù)性能分析技術(shù)結(jié)構(gòu)發(fā)展展望

1 4G移動通信系統(tǒng)的簡介

1.1 4G的定義 4G移動通信是站在無限網(wǎng)絡(luò)通信的肩上而建立發(fā)展起來的，它是真正意義上的高速度傳輸，是一種具有頑強的抗干擾性及廣泛的兼容性的信息移動通信技術(shù)[1]?，F(xiàn)在4G網(wǎng)絡(luò)可以分為TD-LTE和 FDD-LTE兩種，最近，工信部向中國聯(lián)通、中國移動、中國電信發(fā)放4G牌照，中國移動用的是TD-LTE 4G，中國電信和中國聯(lián)通它們選擇的是采用FDD-LTE 4G，從技術(shù)上來增強網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和覆蓋率。廣播網(wǎng)絡(luò)、廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)以及移動廣帶等技術(shù)都是4G通信的主要技術(shù)[2]。

1.2 4G具備的特點及能力 現(xiàn)在，信息界對4G的認(rèn)識主要有以下幾方面：

①具有很好的數(shù)據(jù)傳輸速率。通信專家最早研究4G就是為了使蜂窩電話的速度得以提高，且提升其他移動裝置無線訪問互聯(lián)網(wǎng)的速度，因此4G通信讓人們感覺到的就是更便捷、更快速[3]。在4G移動通信中一般的用戶速率在10~20M范圍內(nèi)，最大限度可到達(dá)100Mbit/s，此速度差不多是原來手機10000倍的速率。②網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬。據(jù)美國AT&T的報告顯示，任一個4G通信信道占到的頻譜量等同于二十倍的W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)[4]。③智能性更高。在智能性的比較中，4G智能性最高，靈活性和適應(yīng)性更強，它的智能程度不單純體現(xiàn)在4G終端設(shè)備操作以及設(shè)計上，最重要的還表現(xiàn)在4G的手機能實現(xiàn)很多超智能的功能。④兼容性能更平滑。當(dāng)前的通信移動指標(biāo)有CDMA、GSM、TDMA。要解決它們的兼容性問題，這就要通過4G標(biāo)準(zhǔn)的制定才能實現(xiàn)。4G通信還具備多樣化開放接口、漫游全球以及和多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)等特點，真正的實現(xiàn)“無縫連接”和全球一致的標(biāo)準(zhǔn)，還具有從2G、3G過渡平穩(wěn)的特征[5]。⑤用戶共存性。4G能根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)情況和信道環(huán)境進(jìn)行處理，使高用戶、低用戶以及不同設(shè)備的用戶并存與相通，這樣就能滿足不同的用戶需求。⑥業(yè)務(wù)多樣性。4G能集成的業(yè)務(wù)通信是廣泛的、不同標(biāo)準(zhǔn)的，小到一個局域網(wǎng)，大到全球的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，它都能夠執(zhí)行。它能使不同的系統(tǒng)平臺間互通更安全、更快捷，且它面向的對象是不同的。4G的電話在各方面上都有著巨大的進(jìn)步，4G眼鏡、智能手表等都漸漸的成為了4G的終端設(shè)備。4G是用動態(tài)的帶寬來進(jìn)行分配和調(diào)節(jié)不同的功率，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的多樣性[6]。⑦較好的技術(shù)基礎(chǔ)。4G具有驚人的技術(shù)突破，如OFDM、軟件無線電、無線接入等，都能很好的使用頻率效率以及系統(tǒng)的各種可實現(xiàn)性功能。⑧隨時隨地的移動接入。4G可以很好的實現(xiàn)隨時隨地的無線電通信，4G系統(tǒng)采用的是全I(xiàn)P，IPv6能在IP網(wǎng)絡(luò)上更好的實現(xiàn)語音和多媒體等業(yè)務(wù)。⑨自治的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的4G通信是一個徹徹底底的自適應(yīng)與自治的系統(tǒng)，它可以通過智能化的操作，隨時動態(tài)的變換自己的結(jié)構(gòu)，這樣就能滿足系統(tǒng)所需的變化與發(fā)展。

2 4G移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 3G中蜂窩網(wǎng)絡(luò)將被4G采用的全世界范圍蜂窩核心網(wǎng)所取代，4G采取的是全數(shù)字技術(shù)與全I(xiàn)P技術(shù)，這個是從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)邊沿最終向全網(wǎng)智能化的發(fā)展。4G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層、網(wǎng)絡(luò)層以及中間環(huán)境層。今后的骨干網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，就會以光纖網(wǎng)絡(luò)與寬帶IP技術(shù)為重點，而4G網(wǎng)絡(luò)的蜂窩按功率可細(xì)分為三類，分別是宏區(qū)基站、微區(qū)基站以及微微區(qū)基站。

2.2 接入結(jié)構(gòu) 4G通信接入系統(tǒng)的最大優(yōu)勢就是多模終端以公共開放平臺為基礎(chǔ)，采用不同的接入技術(shù)，在不同的網(wǎng)絡(luò)平臺間進(jìn)行協(xié)作與無縫連接。當(dāng)系統(tǒng)被多模終端接入時，網(wǎng)絡(luò)這時就會自動的分配頻帶，且分析出哪個路由最佳，從而實現(xiàn)最優(yōu)通信。現(xiàn)今4G通信主要接入技術(shù)有:無線蜂窩移動通信系統(tǒng)、短距離連接系統(tǒng)、固定無線接入系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、廣電接入系統(tǒng)等。

2.3 核心結(jié)構(gòu) 4G移動的核心網(wǎng)是以全I(xiàn)P為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，也就是基于IP的網(wǎng)絡(luò)維護管理、IP的網(wǎng)絡(luò)資源、IP的承載機制、IP的應(yīng)用服務(wù)等來實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)間的無縫連接。核心網(wǎng)有開放性，對任何的空中接口進(jìn)入核心網(wǎng)都是無限制的，且它還能把傳輸、控制以及業(yè)務(wù)等分離然后進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.4 移動終端 4G的特點就導(dǎo)致了4G終端與3G的不同。它能滿足廣帶寬與高速率的需求，它對復(fù)雜的QoS指標(biāo)和任意的空中接口要求都能適應(yīng)，最終能夠完成不同用戶需求的任務(wù)。

3 4G網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。OFDM是4G技術(shù)的關(guān)鍵核心。此技術(shù)最大的優(yōu)點就是能超大限度的提高頻譜利用率，從而避免或減少其碼間干擾，且它的抗干擾能力極強。3G使用的是碼分多址、CDMA使用的是單載波技術(shù)、CDMA2000使用的是多載波調(diào)制，而OFDM中每個信道載波是相正交的，頻譜是相互累疊的。OFDM主要內(nèi)容是將指定的信道劃分成無數(shù)個正交子信道，然后在子信道上采用子截波來完成相關(guān)調(diào)制，最后每個子截波并行來完成相關(guān)的傳輸，因此就解決了總信道是否平坦等問題。任何子信道都能夠當(dāng)作平坦衰落，于是就大幅度消減波形符號間的干擾，使頻譜利用率得到提高。

3.2 智能天線技術(shù)。智能天線技術(shù)是波束間沒有切換的多波束和自適應(yīng)技術(shù)陣列天線，它是一種以自適應(yīng)天線原理為基礎(chǔ)的移動通信技術(shù)，它在抑制干擾、降低成本、擴充容量等方面有著空前的突破。該技術(shù)使用的是空間多址技術(shù)，智能天線本質(zhì)上是雙向天線，它是利用一組具有能編程電子相位關(guān)系的不變天線單元來獲取方向，而且還能在同一時刻獲得移動臺與基站間鏈路的方向性。

3.3 軟件無線電(SDR)技術(shù)。軟件無線電技術(shù)的精髓就是窄帶接收機被寬頻帶無線接收機頂替了，造就一個通用的硬件環(huán)境，使寬帶的D/A、A/D變換器最大限度的接近天線，這樣就可以將通信臺的功能用可編程軟件來完成。

3.4 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。MIMO技術(shù)是指在移動終端和基站擁有無數(shù)個天線。空間分集與空間復(fù)用增益都是由MIMO技術(shù)所提供。MIMO工作原理則是采用多通道、多天線，信號經(jīng)過多次切割后，再通過天線完成同步傳輸。它的優(yōu)點是降低碼間干擾，使頻譜利用率和空間分集增益得以提高。

3.5 多用戶檢測技術(shù)。多用戶檢測技術(shù)核心思想是把同時占有某種信道的用戶（包括部分用戶）當(dāng)成有用信號，通過多用戶的碼元、相位、時間等信息來檢測出某個用戶的信號，也就是運用各類信息和手段來處理接收信號，這樣就能充分的應(yīng)用鏈路頻譜，擴大系統(tǒng)容量。

3.6 IPv6技術(shù)。4G移動通信的核心網(wǎng)是一個基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，核心網(wǎng)具有開放性，能讓不同的空中接口進(jìn)入核心網(wǎng)，并且它把業(yè)務(wù)、傳輸、操作等分開。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議能兼容，因此核心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計就具有很強的可操作性、多變性、靈活性，這樣無論接入是采用何種方式、何種協(xié)議都不用擔(dān)心了。IPv6擁有很多的優(yōu)點，例如：巨大的地址空間；能自動控制有狀態(tài)及無狀態(tài)的地址；服務(wù)質(zhì)量明顯優(yōu)于IPv4；具有移動性等。

4 4G的發(fā)展展望

4G的技術(shù)發(fā)展實現(xiàn)了無時無刻的物流功能，對物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展起著重要作用，在今后的物聯(lián)網(wǎng)生活中，任何一個東西都可以通過網(wǎng)絡(luò)來控制，而網(wǎng)速的快慢就影響著人們的生活品質(zhì)，4G的超速讓人們時刻感受到方便，當(dāng)人們不在家時就可以用手機控制電視機、空調(diào)、洗衣機、煤氣、窗戶等東西的開關(guān)，如果在家里裝有防盜系統(tǒng)的，還可以用手機時刻關(guān)注門窗的變化，這一系列的智能家居都需要在4G的帶動下才能普遍快速的發(fā)展起來。今后的4G網(wǎng)將會非常的普遍，2G網(wǎng)絡(luò)也會在幾十年后逐漸的消失。4G將會使以后的電子、商貿(mào)、醫(yī)療、教育、運輸?shù)劝l(fā)展更加的迅速，所以在4G發(fā)展成熟后會給人們帶來前所未有的舒適便捷。

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作者簡介：

唐曄(1973-)，男，重慶人，副教授，主要從事信息技術(shù)研究。

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