4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)與發(fā)展策略研究

賈慧穎

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4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)與發(fā)展策略研究

賈慧穎

廣州市匯源通信建設(shè)監(jiān)理有限公司，廣東 廣州 510620

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了三次華麗發(fā)展。3G技術(shù)能有效提供前幾代產(chǎn)品無(wú)法提供的信息業(yè)務(wù)，但其自身存在較多局限性，尤其是對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的沿用，使得移動(dòng)終端無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化。而4G移動(dòng)通信技術(shù)能夠提供更為快捷的傳輸速度、更為穩(wěn)定的傳輸效率、更優(yōu)質(zhì)的通話質(zhì)量和高強(qiáng)的保密性等，將為人們提供更為人性化的用戶體驗(yàn)。

4G移動(dòng)通信；核心技術(shù)；存在缺陷；發(fā)展策略

1 4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)

1.1 基于IP的核心網(wǎng)

從圖1可見(jiàn)，4G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)，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)議。

由于Ipv4地址幾盡枯竭，4G將采用128位地址長(zhǎng)度的Ipv6，地址空間增大了2 96倍，幾乎可以不受限制地提供地址。Ipv6的另一個(gè)特性是支持自動(dòng)控制，支持無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)配置方式。

無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式下，需要配置地址的節(jié)點(diǎn)，使用一個(gè)鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個(gè)局部連接地址，一旦得到一個(gè)地址以后，使用一種即插即用的機(jī)制，在沒(méi)有任何外界干預(yù)的情況下，獲得一個(gè)全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機(jī)制需要一個(gè)額外的服務(wù)器對(duì)DHCP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，使得網(wǎng)絡(luò)的管理方便和快捷[1]。

圖1 4G通信系統(tǒng)網(wǎng)路組成示意圖

1.2 LTE物理層的傳輸技術(shù)

LTE物理層傳輸技術(shù)包括物理層上下行傳輸方案、幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、小區(qū)間干擾控制技術(shù)、多天線技術(shù)、小區(qū)搜索技術(shù)和隨機(jī)接入技術(shù)等。采用OFDM是LTE系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)時(shí)延擴(kuò)展有較強(qiáng)的抵抗力，減小符號(hào)間干擾，通常在OFDM符號(hào)前加入保護(hù)間隔，只要保護(hù)間隔大于信道的時(shí)延擴(kuò)展則可以完全消除符號(hào)間干擾。

MIMO作為提高系統(tǒng)傳輸率的最主要手段，也受到了廣泛關(guān)注。由于OFDM的子載波衰落情況相對(duì)平坦，十分適合與MIMO 技術(shù)相結(jié)合，提高系統(tǒng)性能。MIMO 系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道。

1.3 LTE的系統(tǒng)架構(gòu)

3G的網(wǎng)絡(luò)由基站（NB）、RNC、服務(wù)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（SGSN）和網(wǎng)關(guān)通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）4個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，而LTE 網(wǎng)絡(luò)僅由演進(jìn)型通用地面無(wú)線接入網(wǎng)基站（E-UTRAN基站即eNB）和接入網(wǎng)關(guān)（AGW）組成，相比WCDMA（HSDPA）網(wǎng)絡(luò)采用了更為扁平化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這一方面減少了設(shè)備的數(shù)量，同時(shí)也大大降低了業(yè)務(wù)時(shí)延。LTE的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 LTE總體系統(tǒng)架構(gòu)

注：MME為移動(dòng)性管理實(shí)體；SGW為服務(wù)網(wǎng)關(guān)。

LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)涉及的功能包括：無(wú)線資源管理（RRM），UE與網(wǎng)絡(luò)的QoS協(xié)商，位置管理，尋呼、空閑和激活狀態(tài)移動(dòng)性管理，不同接入技術(shù)間的移動(dòng)性，安全和加密，報(bào)頭壓縮，上層自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)（OuterARQ），IP地址分配，漫游，多媒體廣播與組播（MBMS）等。

1.4 LTE的空中接口協(xié)議

由于基于全分組的協(xié)議，3GPP LTE的協(xié)議結(jié)構(gòu)得到極大簡(jiǎn)化，RLC和MAC都位于節(jié)點(diǎn)eNB，因此調(diào)度器可以根據(jù)信道質(zhì)量對(duì)RLC服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU）進(jìn)行切割，從而減少填充和充分利用信道的傳輸能力，同時(shí)可以對(duì)RLC層的自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）和MAC層的混合自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（HARQ）進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化[2]。

2 當(dāng)前4G移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

2.1 容量受到限制問(wèn)題

4G系統(tǒng)的傳輸速率超過(guò)20Mbit/s，從理論上說(shuō)其所謂的每秒100MB的寬帶速度，比3G的10倍多，但手機(jī)的速度將受到通信系統(tǒng)容量的限制，如系統(tǒng)容量有限，手機(jī)用戶越多，速度就越慢。為了承載大量增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)，4G系統(tǒng)的容量應(yīng)比現(xiàn)有3G系統(tǒng)容量大10倍，考慮到由于受到頻率資源的限制，增加系統(tǒng)容量的其中一個(gè)解決方案就是通過(guò)減少基站的覆蓋半徑來(lái)達(dá)到。據(jù)有專家分析，4G手機(jī)將很難達(dá)到其理論速度。如果速度上不去，4G手機(jī)就要大打折扣。

2.2 設(shè)施更新問(wèn)題

4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之前，覆蓋全球的大部分無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施都是基于3G建立的，如果要向第四代通信技術(shù)轉(zhuǎn)移的話，那么全球的許多無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施都需要經(jīng)歷著大量的變化和更新，這種變化和更新勢(shì)必減緩4G通信技術(shù)全面進(jìn)入市場(chǎng)、占領(lǐng)市場(chǎng)的速度。4G通信終端要能在4G通信網(wǎng)絡(luò)建成后及時(shí)提供，不能讓通信終端的生產(chǎn)滯后于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題

很多因素都會(huì)對(duì)4G通信技術(shù)的使用安全產(chǎn)生威脅，究其原因主要是系統(tǒng)的漏洞、故意攻擊或破壞、密碼泄露以及無(wú)意識(shí)錯(cuò)誤等，具體主要有以下幾種：（1）病毒。病毒對(duì)通信技術(shù)的破壞是防不勝防的，它能夠?qū)ο到y(tǒng)的傳輸路徑造成破壞，進(jìn)而影響傳播功能，其可能引起的結(jié)果有兩種，一種是接收不到信號(hào)，一種是接收到亂碼信息。（2）黑客。一般來(lái)說(shuō)，黑客都是指能夠編輯程序和操作系統(tǒng)的程序編輯人員，他們具有豐富的計(jì)算機(jī)知識(shí)，能夠利用計(jì)算機(jī)中存在的安全漏洞對(duì)他人的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行非法入侵，進(jìn)而竊取電腦信息等，這對(duì)于其他用戶的使用安全產(chǎn)生了極大的威脅。（3）計(jì)算機(jī)安裝的瀏覽器或者網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等軟件存在的安全漏洞也很容易會(huì)引起通信系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，其中常見(jiàn)的主要有死機(jī)等，這都是因?yàn)橄到y(tǒng)和軟件不成熟造成的。

3 4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展策略

3.1 注重專業(yè)人才的培養(yǎng)

目前，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)資深專業(yè)人員相對(duì)不足，因此，人才的培養(yǎng)迫在眉睫。這就需要全球通信業(yè)的共同努力，進(jìn)行有效的資源共享和相互借鑒，以各種方式進(jìn)行技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)等方面的合作與交流。

3.2 注重相關(guān)設(shè)施的更新

目前4G移動(dòng)通信系統(tǒng)很多得以開(kāi)發(fā)的技術(shù)并沒(méi)能及時(shí)獲得相應(yīng)的設(shè)施跟進(jìn)。例如，WAP手機(jī)推出后，用戶并未能及時(shí)獲得其相關(guān)信息，卻承擔(dān)著相關(guān)信息的費(fèi)用，收費(fèi)系統(tǒng)嚴(yán)重滯后。因此，在研發(fā)過(guò)程中，要注重技術(shù)、產(chǎn)品、設(shè)施的配套生產(chǎn)，避免由于設(shè)施或者其他環(huán)節(jié)的脫節(jié)而影響系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.3 提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、頻譜利用率和用戶吞吐量

系統(tǒng)和終端應(yīng)具有合理的復(fù)雜性、成本和功耗，支持增強(qiáng)的IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）和核心網(wǎng)，盡可能地向后兼容，但是應(yīng)該考慮系統(tǒng)性能提高與向后兼容之間的平衡；取消了電路交換（CS）域，CS域的業(yè)務(wù)和其他實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)都在包交換（PS）域?qū)崿F(xiàn)；支持終端在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)的移動(dòng)性，為低速移動(dòng)終端提供最優(yōu)服務(wù)，對(duì)中速移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)較高性能，同時(shí)支持高速移動(dòng)終端?？伸`活配置1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、20MHz帶寬。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；下行頻譜利用率是R6 HSDPA（高速下行分組數(shù)據(jù)接入）的3～4倍，上行頻譜利用率是R6 HSUPA（高速上行分組接入）的2～3倍。

3.4 提供4G網(wǎng)絡(luò)的安全性

為了有效提高4G網(wǎng)絡(luò)的安全性，在4G移動(dòng)通信技術(shù)的開(kāi)發(fā)中尤其要注意私密性和完整性的研究。一方面，在語(yǔ)音通話數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中，我們可以采用更加完善的身份識(shí)別和認(rèn)證服務(wù)，加強(qiáng)通話的私密性研究，進(jìn)而為用戶提供更加完善的隱私保護(hù)。另一方面，要提高系統(tǒng)的防御能力和恢復(fù)能力，使系統(tǒng)能夠抗病毒侵襲和自動(dòng)恢復(fù)，這樣即使是發(fā)生率防漏和檢漏等問(wèn)題，也能夠快速恢復(fù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)，以保證信息系統(tǒng)的安全性，確保4G移動(dòng)通信技術(shù)用戶的數(shù)據(jù)信息應(yīng)用安全性。

4 結(jié)論

總之，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)相比于3G系統(tǒng)具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)代移動(dòng)通信中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，但也存在一些缺陷。因此，移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)發(fā)和研究人員應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮4G移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特色，在系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)更高的突破，改善存在的缺陷，以滿足更高的用戶需求和體驗(yàn)。

[1]朱永賢，郭俊哲.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)有關(guān)的問(wèn)題探討[J].電子與通信工程，2012，10（32）：115-118.

[2]郭燕飛，李志敏.簡(jiǎn)析第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的不足與第四移動(dòng)通信系統(tǒng)核心技術(shù)[J].科學(xué)與財(cái)富，2012，10（12）：256-259.

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