4G移動(dòng)通信技術(shù)

田鴻彬　曹毅鵬　張環(huán)宇

【摘 要】近幾年來(lái)，隨著對(duì)4G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入探索和研究，人們期望用4G系統(tǒng)來(lái)解決3G無(wú)法解決的問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、蜂窩信號(hào)網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等的無(wú)縫銜接并相互兼容，最終實(shí)現(xiàn)用戶在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、以任何形式無(wú)限制的接入網(wǎng)絡(luò)。

【關(guān)鍵詞】4G；移動(dòng)通信；比較

一、3G與4G技術(shù)比較

（一）核心技術(shù)

3G系統(tǒng)以碼分多址（CDMA）為技術(shù)基礎(chǔ)。碼分多址是將相互正交的不同的碼分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)。由于去調(diào)制信號(hào)時(shí)利用相互正交（或盡可能正交）的碼，原用戶信號(hào)頻譜帶寬會(huì)被擴(kuò)展，因此CDMA通信系統(tǒng)是一種典型的擴(kuò)頻通信技術(shù)。

4G系統(tǒng)的核心技術(shù)正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）屬于多載波調(diào)制（MCM）

（二）通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

3G采用的主要是蜂窩組網(wǎng)，其系統(tǒng)如圖1所示，它的核心網(wǎng)是在GSM系統(tǒng)的核心網(wǎng)GSM-MAP和AMPS，IS-95的核心網(wǎng)ANSI-41的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其空中接口與相應(yīng)的2G系統(tǒng)后向兼容。它的3種工作模式為：?jiǎn)屋d波頻分雙工、多載波頻分雙工和時(shí)分雙工方式。

但現(xiàn)代通信要求能提供移動(dòng)用戶超寬帶的多媒體服務(wù)，使其能充分利用基于移動(dòng)網(wǎng)的下一代因特網(wǎng)技術(shù)。由于3G的核心網(wǎng)是由2G系統(tǒng)演進(jìn)而來(lái)，它不是處理（TCP/IP傳輸控制協(xié)議/互連網(wǎng)協(xié)議））數(shù)據(jù)包的最優(yōu)系統(tǒng)，它的數(shù)據(jù)傳輸速率也無(wú)力處理眾多包含大量圖像的信息。因此，必須建立能夠最優(yōu)地傳輸TCP/IP數(shù)據(jù)包、完全不同于2G與3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的新系統(tǒng)。

而4G發(fā)展為數(shù)字廣帶（broad band）為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)。采用統(tǒng)一的IP核心網(wǎng)，不同國(guó)家和地區(qū)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是在網(wǎng)絡(luò)層上用IP協(xié)議進(jìn)行的，而且各種接入網(wǎng)的接入方法和速率可以不同，從而解決了3G不能實(shí)現(xiàn)全球漫游的問(wèn)題。

（三）系統(tǒng)參數(shù)

3G采用的是CDMA技術(shù)，利用正交碼來(lái)區(qū)分用戶，有FDD和TDD兩種雙工方式來(lái)使用其在2GHz附近的對(duì)稱和非對(duì)稱頻段。而4G用的接入方式OFDM或MC-CDMA，采用全數(shù)字全技術(shù)，支持分組交換，使系統(tǒng)容量、頻譜效率和傳速率大為提高，并與現(xiàn)存的CDMA標(biāo)準(zhǔn)、CDMA2標(biāo)準(zhǔn)、TD-SCDMA即（3G三大標(biāo)準(zhǔn)）兼容。

二、4G技術(shù)——系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)

（一）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，它們由無(wú)線和核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開(kāi)放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)用及服務(wù)變得更為容易，提供無(wú)縫高數(shù)據(jù)率的無(wú)線服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶

（二）核心技術(shù)

1.正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

OFDM

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)，實(shí)際上OFDM是MCM（Multi Carrier Modulation），多載波調(diào)制的一種。

OFDM技術(shù)由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來(lái)。OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案。

在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號(hào)所需的帶寬要寬得多。如果一個(gè)信道只傳送一路信號(hào)是非常浪費(fèi)的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。

2.軟件無(wú)線電（SDR）技術(shù)

SOR技術(shù)是一種基于DSP芯片，以軟件為核心的無(wú)線電技術(shù)。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(lái)定義無(wú)線功能，使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能和信號(hào)處理。軟件無(wú)線電的基本思想就是將寬帶模數(shù)變換器（A/D）及數(shù)模變換器（D/A）盡可能地靠近射頻天線，建立一個(gè)具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、開(kāi)放的硬件平臺(tái)。在這個(gè)硬件平臺(tái)上盡量利用軟件技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能模塊。如使用寬帶ADC通過(guò)可編程數(shù)字濾波器對(duì)信道進(jìn)行分離；使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）技術(shù)，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)各種通信頻段的選擇，如HF、VHF、UHF和SHF等；通過(guò)軟件編程來(lái)完成傳送信息抽樣、量化、編碼/解碼、運(yùn)算處理和變換，以實(shí)現(xiàn)射頻電臺(tái)的收發(fā)功能；通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的信道調(diào)制方式的選擇，如調(diào)幅、調(diào)頻、單邊帶、數(shù)據(jù)、跳頻和擴(kuò)頻等；通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)不同的保密結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和控制終端功能等。軟件無(wú)線電技術(shù)是軟件化、計(jì)算密集型的操作形式。

3.智能天線技術(shù)

智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線，它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波束形成算法三部分組成。它通過(guò)滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號(hào)的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，以達(dá)到增強(qiáng)所需信號(hào)抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線技術(shù)適宜于TDD方式的CDMA系統(tǒng)，能夠在較大程度上抑制多用戶干擾、提高系統(tǒng)容量。但是由于存在多徑效應(yīng)，每個(gè)天線均需一個(gè)Rake接收機(jī)，從而使基帶處理單元復(fù)雜度明顯提高。

4.多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

MIMO技術(shù)是利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間集分的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高速率、高容量、高傳輸質(zhì)量。它采用多個(gè)分立式天線將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，當(dāng)不同的接收天線和發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，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。

5.基于IP的核心網(wǎng)

4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)是一個(gè)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(wú)縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨(dú)立于各種具體的無(wú)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(kāi)放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時(shí)核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_(kāi)。采用IP后，所采用的無(wú)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(wú)線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計(jì)核心網(wǎng)絡(luò)時(shí)具有很大的靈活性，不需要考慮無(wú)線接入究竟采用何種方式和協(xié)

三、結(jié)束語(yǔ)

4G移動(dòng)通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)屬于較為先進(jìn)的通信技術(shù)，具有安全性能高、傳輸速率快和智能化程度高等特點(diǎn)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)通信智能的互聯(lián)互通，進(jìn)一步促進(jìn)了移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展。通信企業(yè)應(yīng)樹(shù)立自身的前瞻意識(shí)和危機(jī)意識(shí)，并在時(shí)代的發(fā)展中牢牢掌握全球先進(jìn)的通信技術(shù)，從而進(jìn)一步加快我國(guó)4G移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和完善

【參考文獻(xiàn)】

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

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

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