4G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)與關(guān)鍵技術(shù)的探討

【摘 要】4G技術(shù)就是第四代移動通信技術(shù)，全球通訊市場格局也會因此發(fā)生巨大變化，移動互聯(lián)網(wǎng)前景無限，是不爭的事實(shí)。目前國內(nèi)4G管理和服務(wù)還沒有跟上。今后，只有提供更多的增值服務(wù)，才能體現(xiàn)4G對人們生活帶來的影響，尤其在移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】4G；網(wǎng)絡(luò)；關(guān)鍵技術(shù)

1.基本概念

4G是第四代移動通信技術(shù)的簡稱，4G是多種接入技術(shù)的綜合系統(tǒng)，基于一個公共的平臺，實(shí)現(xiàn)各種技術(shù)的無縫鏈接。具有非對稱超過2Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸能力，對全球移動用戶能提供150Mb/s的高質(zhì)量影像服務(wù)。

簡單來說，4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級高速公路。這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話用戶以無線形式實(shí)現(xiàn)全方位虛擬連接。4G最突出的特點(diǎn)之一，就是網(wǎng)路傳輸速率可以達(dá)到前所未有的150Mbit/s，完全能夠滿足用戶的上網(wǎng)需求。4G系統(tǒng)總的技術(shù)目標(biāo)和特點(diǎn)可以概括為：系統(tǒng)具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量、更高的靈活性；支持非對稱性業(yè)務(wù)，并能支持多種業(yè)務(wù)；體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢。

2. 3G向4G演進(jìn)的原因

隨著無線技術(shù)的種類越來越多，迫切需要將這些無線技術(shù)整合到一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去，這就是正在形成的超三代移動通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)和未來的4G通信系統(tǒng)。B3G和4G通信系統(tǒng)將是未來提供寬帶接入，全球無縫漫游和無處不在的數(shù)據(jù)，語音業(yè)務(wù)等方面的最合適和最好的技術(shù)。

就拿智能通信視頻監(jiān)控來說，推出4G的主要原因是：

2.1 3G無線監(jiān)控的應(yīng)用難以持久

對于3G來說，3G視頻監(jiān)控資費(fèi)過高，一般用戶無法承受，行業(yè)用戶難于承擔(dān)視頻監(jiān)控項目后期的持續(xù)網(wǎng)絡(luò)資費(fèi)支出。同時3G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性實(shí)際上也是很多消費(fèi)者考慮的問題，由于網(wǎng)絡(luò)基站的均衡性不一，造成了3G網(wǎng)絡(luò)在傳輸上容易造成信號強(qiáng)弱不均，從而回導(dǎo)致掉幀、畫面卡的現(xiàn)象。3G網(wǎng)絡(luò)在高速移動的過程中傳輸速率為144kbps，若想保證CIF畫面需求傳輸速率至少保證512kbps，技術(shù)不成熟，網(wǎng)絡(luò)帶寬不足是它在無線監(jiān)控上難以持久致命因素之一。

2.2 4G網(wǎng)絡(luò)的安防無線監(jiān)控優(yōu)勢突出

4G是一種超高速無線網(wǎng)絡(luò)，其最突出的特點(diǎn)就是網(wǎng)速可以達(dá)到100M/S，4CIF的畫質(zhì)只需要2Mbps的傳輸速率，對比3G可知，無線監(jiān)控甚至是無線高清監(jiān)控都有可能被4G實(shí)現(xiàn)；4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，家里不用拉網(wǎng)線，用戶就能享受每秒80Mbps的極速沖浪，據(jù)相關(guān)人士表示，4G資費(fèi)有望有較大下調(diào)，讓4G網(wǎng)絡(luò)更“親民”，傳輸價格的下調(diào)也必將更易接受，為發(fā)展提供了空間。

4G技術(shù)在通信技術(shù)中集3G與WLAN技術(shù)于一體，能夠高質(zhì)量地傳輸視頻圖像，圖像傳輸質(zhì)量能達(dá)到高清電視畫質(zhì)的程度。4G技術(shù)比目前的撥號上網(wǎng)方式快10倍左右。它可以提供更加穩(wěn)定和高速的無線移動網(wǎng)絡(luò)，傳輸一個視頻監(jiān)控文件可能僅需幾分鐘時間。此外，它能夠滿足安防產(chǎn)品用戶對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的要求，4G技術(shù)有不可比擬的技術(shù)優(yōu)越性，可以在ADSL沒有覆蓋的地方首先部署，然后再擴(kuò)展到整個地區(qū)，這為安防系統(tǒng)的無線傳輸解決了技術(shù)上的難題。

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)

4G移動通信系統(tǒng)主要是以O(shè)FDM為核心技術(shù)。OFDM技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制的一種，其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

OFDM技術(shù)之所以越來越受關(guān)注，因為OFDM有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)：1）頻譜利用率高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。OFDM信號的相鄰子載波相互重疊，其頻譜利用率可以接近奈奎斯特極限。2）抗衰落能力強(qiáng)。OFDM把用戶信息通過多個子載波傳輸，這樣在每個子載波上的信號時間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，從而使OFDM對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力更強(qiáng)。3）適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的子載波可以按照信道情況和噪聲背景的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時候，應(yīng)采用效率高的調(diào)制方式；而當(dāng)信道條件差的時候，則應(yīng)采用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。再有，OFDM加載算法的采用，使得系統(tǒng)可以把更多的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，OFDM技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。4）抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)。碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾，它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。OFDM由于采用了循環(huán)前綴，故對抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。

3.2軟件無線電（SDR）技術(shù)

在4G移動通信系統(tǒng)中，軟件將會變得非常復(fù)雜。為此，有專家提議引入軟件無線電技術(shù)，軟件無線電是近幾年隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的新技術(shù)，它以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號處理為核心，以微電子技術(shù)為支持。軟件無線電概念一經(jīng)提出，就受到各方的極大關(guān)注，這不僅是因為軟件無線電概念新技術(shù)先進(jìn)、發(fā)展?jié)摿Υ?，更為重要的是它潛在的市場價值也是極具吸引力的。軟件無線電強(qiáng)調(diào)以開放性最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的不同應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。

其中心思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等各種功能用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。在4G眾多關(guān)鍵技術(shù)中，軟件無線電技術(shù)是通向未來4G的橋梁。

由于各種技術(shù)的交迭有利于減少開發(fā)風(fēng)險，所以未來4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品要求，而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)，它不僅能減少開發(fā)風(fēng)險，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而降低了運(yùn)算器件的價格，其開放的結(jié)構(gòu)也會允許多方運(yùn)營的介入。

3.3智能天線技術(shù)（SA）

智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)陣列天線。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被認(rèn)為是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束可在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號，既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號的收發(fā)，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。

3.4多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIMO技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用是在接收端和發(fā)射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發(fā)射信號，使容量隨天線數(shù)量的增加而線性增加。

空間分集有發(fā)射分集和接收分集兩類?；诜旨夹g(shù)與信道編碼技術(shù)的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

MIMO技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。

3.5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I(xiàn)P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)中將主要采用全分組方式IPv6技術(shù)取代IPv4，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。

3.6多用戶檢測技術(shù)

4G系統(tǒng)的終端和基站將用到多用戶檢測技術(shù)以提高系統(tǒng)的容量。多用戶檢測技術(shù)的基本思想是：把同時占用某個信道的所有用戶或部分用戶的信號都當(dāng)作有用信號，而不是作為噪聲處理，利用多個用戶的碼元、時間、信號幅度以及相位等信息聯(lián)合檢測單個用戶的信號，即綜合利用各種信息及信號處理手段，對接收信號進(jìn)行處理，從而達(dá)到對多用戶信號的最佳聯(lián)合檢測。它在傳統(tǒng)的檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶的信號進(jìn)行檢測，從而具有良好的抗干擾和抗遠(yuǎn)近效應(yīng)性能，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.結(jié)語

總之，4G技術(shù)的日益完善，對安防無線監(jiān)控帶來了沖擊，也帶來了新的活力、新的變革、新的市場。全球移動通信系統(tǒng)協(xié)會稱，中國4G普及速度將遠(yuǎn)超3G，而全球通訊市場格局也會因此發(fā)生巨大變化。移動互聯(lián)網(wǎng)前景無限，是不爭的事實(shí)。中國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會秘書長盧衛(wèi)表示，預(yù)計到2015年，移動互聯(lián)網(wǎng)信息消費(fèi)規(guī)模將達(dá)2萬多億元。目前國內(nèi)4G管理和服務(wù)還沒有跟上。今后，只有提供更多的增值服務(wù)，才能體現(xiàn)4G對人們生活帶來的影響，尤其在移動互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。