4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)解析

【摘 要】隨著同Internet的結(jié)合以及IP化無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，4G技術(shù)成為高容量以及高傳輸速率的移動(dòng)通信技術(shù)，能夠滿足用戶的個(gè)性化需求，同時(shí)有著成本小以及安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)滿足多種業(yè)務(wù)傳輸。本文簡要介紹4G通信技術(shù)的特點(diǎn)，并著重分析4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】4G移動(dòng)通信 MIMO OFDM 特點(diǎn)

經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)通信市場(chǎng)的增長，為更好適應(yīng)市場(chǎng)需求，同時(shí)滿足用戶的個(gè)性化需求而提供多媒體服務(wù)，第四代移動(dòng)通信（4G）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

一、4G通信技術(shù)的特點(diǎn)

4G系統(tǒng)的最高能夠達(dá)到100M/s，同時(shí)可以做到全球無縫的漫游。隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)逐漸從語音通話轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)、圖像以及視頻等多媒體業(yè)務(wù)，對(duì)傳輸速率要求日益提高，從而對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)性能也提出更高要求。帶寬是移動(dòng)通信的稀缺資源，所以要使用先進(jìn)技術(shù)有效利用頻率資源，從而滿足大容量高速率業(yè)務(wù)的需要。4G移動(dòng)通信系統(tǒng)能夠保證用戶在任何地點(diǎn)以及任何時(shí)間通過任何方式接入網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，能夠自由選擇應(yīng)用、業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)，有著以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。第一，高數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)大范圍出于高速移動(dòng)中的用戶（250km/h）來說，4G通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率為2Mbi/s；對(duì)于中速移動(dòng)的用戶（60km/h）來說，數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到20Mbi/s；低速移動(dòng)中的用戶在數(shù)據(jù)速率方面能夠達(dá)到100Mbi/s。第二，真正實(shí)現(xiàn)無縫漫游。4G通信技術(shù)全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確保各類媒體以及通信主機(jī)在網(wǎng)絡(luò)間能夠?qū)崿F(xiàn)無縫連接，一部手機(jī)可以在全球任何地點(diǎn)通信。第三，高度智能化。4G通信使用智能技術(shù)，是高度自治以及自適應(yīng)網(wǎng)，通過智能信號(hào)處理對(duì)信道條件各不相同的復(fù)雜環(huán)境相結(jié)合實(shí)現(xiàn)正常發(fā)送接收，有適應(yīng)性、智能性以及靈活性特點(diǎn)。第四，覆蓋性良好能。4G通信技術(shù)有著優(yōu)異的覆蓋性能同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高速可變速率的傳輸。第五，基于lP網(wǎng)絡(luò)。4G通信技術(shù)采用IPv6，可以在IP網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行性話音以及多媒體業(yè)務(wù)。同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)帶寬分配并且調(diào)節(jié)發(fā)射功率進(jìn)而提供不同業(yè)務(wù)。

二、4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)

4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)主要包括MIMO技術(shù)、OFDM技術(shù)、SDR技術(shù)以及切換技術(shù)等，在此進(jìn)行簡要介紹。

第一，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。MIMO技術(shù)利用多天線抑制信道的衰落，通過在發(fā)送端以及接收端利用多個(gè)天線來同時(shí)發(fā)送并接收信號(hào)，如果發(fā)送以及接收天線間信道沖激響應(yīng)各自獨(dú)立，就會(huì)構(gòu)成并行空間信道。MIMO技術(shù)可以在不增加帶寬的前提下成倍提高通信系統(tǒng)容量，因而是無線通信技術(shù)的突破。

傳輸信息流S（k）經(jīng)過編碼形成N個(gè)子流Ci（k），i=1，2，…，N，子流經(jīng)過N個(gè)天線發(fā)射，經(jīng)由空間信道之后由M個(gè)天線接收。多天線接收機(jī)通過空時(shí)解碼處理分開解碼數(shù)據(jù)子流。不過需要指出的是，N個(gè)子流發(fā)送到信道時(shí)信號(hào)占用同個(gè)頻帶，所以并沒有增加帶寬。如果發(fā)射以及接收天線通道獨(dú)立響應(yīng)，那么多入多出系統(tǒng)就能夠提供多個(gè)并行信道，通過信道獨(dú)立傳輸信息，從而提高數(shù)據(jù)傳輸率。系統(tǒng)容量通信系統(tǒng)的標(biāo)志，表示通信系統(tǒng)提供的最大傳輸率，如果信道獨(dú)立利用衰落信道，那么發(fā)送天線以及接收天線分別為是N和M時(shí)，信道容量C=min（N，M）Blog2（ρ/2）。B是帶寬，ρ是接收端平均信噪比[14。在功率以及帶寬一定的時(shí)候，MIMO最大容量是隨著天線數(shù)增加而增加的，在提高通信系統(tǒng)容量領(lǐng)域有著極大潛力，頻譜利用率也可以成倍提高。

第二，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)。該技術(shù)最初用于軍事通信，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而限制推廣應(yīng)用。OFDM的原理是將高速率數(shù)據(jù)流分成若干子載波上上的低速率數(shù)據(jù)流，在并行子載波當(dāng)中使用低數(shù)據(jù)率來提高信號(hào)持續(xù)的時(shí)間，同時(shí)頻率選擇多徑衰落信道而降低了多徑衰落影響。因?yàn)橄嗬^OFDM信號(hào)之間能耐插入足夠長的間距，所以能夠避免信號(hào)間的干擾。OFDM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。首先是頻譜的利用率高，因?yàn)镺FDM技術(shù)的頻譜效率要高出串行系統(tǒng)一倍，這對(duì)頻譜資源非常有限的移動(dòng)通信環(huán)境非常重要。OFDM信號(hào)相鄰子載波理論上來說頻譜利用率能夠接近Nyquist的極限[5]，過去使用頻分多路技術(shù)將頻帶分為不相交子頻導(dǎo)致傳輸并行數(shù)據(jù)在接收端使用濾波器分離子信道，所以子信道要預(yù)留保護(hù)頻帶，導(dǎo)致頻譜的利用率比較低，OFDM系統(tǒng)子載波存在正交性所以允許子信道頻譜重疊，能夠提高頻譜資源的利用率其次是OFDM的抗多徑干擾以及選擇性衰落性能突出。因?yàn)镺FDM技術(shù)將數(shù)據(jù)分散到子載波上面，從而降低子載波符號(hào)速率，也就減弱了多徑傳播帶來的影響。如果家用循環(huán)前綴來保護(hù)間隔，能夠徹底消除符號(hào)之間的干擾。再次是OFDM使用動(dòng)態(tài)子載波的分配技術(shù)，可以保證通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大比特率。選取各子信道符號(hào)比特?cái)?shù)并分配子信道功率，使得總比特率最大，并且各子載波聯(lián)合編碼有著優(yōu)異的抗衰落能力。

第三，軟件無線電（SDR）技術(shù)。在4G通信系統(tǒng)中要想達(dá)到任何人在任何時(shí)間以任何形式接入的通信方式，需要保證終端可以適合各種類型接口，可以在各類網(wǎng)絡(luò)間實(shí)現(xiàn)無縫漫游，從而在不同業(yè)務(wù)間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。SDR技術(shù)是隨著微電子技術(shù)發(fā)展而興起的新技術(shù)，是通信理論作基礎(chǔ)以及數(shù)字信號(hào)的處理為中心。SDR技術(shù)強(qiáng)調(diào)使用開放性硬件作為通用平臺(tái)，同時(shí)使用可升級(jí)以及可重配置的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)無線電功能。核心思想是構(gòu)造有著標(biāo)準(zhǔn)化、開放性以及模塊化硬件平臺(tái)，將調(diào)制解調(diào)類型、加密模式、工作頻段以及通信協(xié)議等功能利用軟件完成，同時(shí)昂寬帶A/D以及D/A轉(zhuǎn)換器靠近天線，從而研制出有著靈活性以及開放性的無線通信系統(tǒng)。

第四，切換技術(shù)。切換術(shù)是終端從某個(gè)通信覆蓋區(qū)切換到另一個(gè)覆蓋區(qū)，為了保證通信業(yè)務(wù)的持續(xù)性而改變信道所需要的鏈路偵測(cè)、仲裁以及斷開等操作的技術(shù)。切換是移動(dòng)通信保持用戶移動(dòng)的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)無縫以及漫游的基礎(chǔ)。切換實(shí)現(xiàn)可以分為硬切換、軟切換、接力切換以及更軟切換等方式。切換發(fā)生的時(shí)機(jī)一方面包括終端在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的接入以及不同基站間移動(dòng)，另一方面也包括同一基站不同扇區(qū)以及不同頻率間遷移，同時(shí)隨著信道情況而更新鏈路。目前切換控制的機(jī)制有兩種，一是使用智能化終端檢測(cè)端口信號(hào)質(zhì)量以及強(qiáng)度，由終端軟件判決，發(fā)起并完成切換，二是由移動(dòng)臨近的基站監(jiān)測(cè)鏈路信號(hào)狀態(tài)，由交換網(wǎng)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行切換。

本文對(duì)4G移動(dòng)通信進(jìn)行簡要介紹，重點(diǎn)闡述MIMO技術(shù)以及OFDM技術(shù)，兩種技術(shù)是代4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)，能夠增加系統(tǒng)容量并改進(jìn)系統(tǒng)性能，在提高頻譜利用率的過程中有效處理抗頻率選擇性衰落，從而避免不必要干擾因素而提高4G移動(dòng)通信技術(shù)的應(yīng)用效果。

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