第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)4G與其關(guān)鍵技術(shù)研究

劉偉　魏迎春

摘 要 本文首先介紹了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）的概念、主要特點(diǎn)，并與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，然后討論了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其七大關(guān)鍵技術(shù)，最后總結(jié)了第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最新進(jìn)展。

關(guān)鍵詞 4G OFMD MIMO 智能天線 軟件無(wú)線電

1 第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）概述

1.1 4G概念

4G，即為第四代移動(dòng)通信及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，是集3G與WLAN于一體并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像以及圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)產(chǎn)品，提供更有效的多種業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)、藍(lán)牙、電視衛(wèi)星通信等的無(wú)縫銜接并相互兼容，它體現(xiàn)了移動(dòng)與無(wú)線接入網(wǎng)及IP 網(wǎng)絡(luò)不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)。4G 亦可稱為廣帶接入（broad-band）和分布網(wǎng)絡(luò)， 包括廣帶無(wú)線固定接入、廣帶無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、移動(dòng)廣帶系統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡(luò)（基于地面和移動(dòng)衛(wèi)星），是集成多功能的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)[1]。它具有許多優(yōu)勢(shì)，已成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.2 4G主要特點(diǎn)

（1）通信速度更快：4G系統(tǒng)能夠以100Mbps的速度下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mbps，并能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。

（2）網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬：每個(gè)4G信道將占有100MHz或者更多帶寬，相當(dāng)于WCDMA網(wǎng)絡(luò)的20倍。

（3）智能性更高：4G的智能性更高，不僅表現(xiàn)于4G通信的終端設(shè)備的設(shè)計(jì)和操作具有智能化，而且能自適應(yīng)低進(jìn)行資源分配，處理變化的業(yè)務(wù)流和適應(yīng)不同的信道環(huán)境。

（4）兼容性能更平滑：移動(dòng)中不同系統(tǒng)間的無(wú)縫連接，4G通信系統(tǒng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、終端多樣化以及能從3G 平穩(wěn)過(guò)渡等特點(diǎn)。用戶在高速移動(dòng)中， 能夠按需接入系統(tǒng)， 并在不同系統(tǒng)間無(wú)縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

（5）基于IP的核心網(wǎng)：支持有線及無(wú)線接入，且所采用的無(wú)線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)協(xié)議、鏈路層是分離獨(dú)立的[2]。

1.3 4G與3G的主要參數(shù)比較

4G和3G的系統(tǒng)主要參數(shù)的比較如表1所示。

2 4G的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了滿足不同用戶對(duì)不同業(yè)務(wù)的需求，將各種針對(duì)不同業(yè)務(wù)的接入系統(tǒng)通過(guò)多媒體接入系統(tǒng)連接到基于IP的核心網(wǎng)中，形成一個(gè)公共的、靈活的、可擴(kuò)展的平臺(tái)（如圖1所示）。從圖中我們可以看出基于IP技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)使得用戶在2 G 、3 G 、4 G 、WLAN 、固定網(wǎng)之間無(wú)縫漫游可以實(shí)現(xiàn)。

目前認(rèn)為4G網(wǎng)絡(luò)體系的分層結(jié)構(gòu)大致可分為3層，自上而下分為：物理層（又稱物理網(wǎng)絡(luò)層或接入層）、網(wǎng)絡(luò)層（又稱中間環(huán)境層或承載層）、應(yīng)用層（又稱應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層或業(yè)務(wù)控制層）。物理層網(wǎng)絡(luò)以集成的方式為所有無(wú)線及核心網(wǎng)絡(luò)提供接入與路由功能。中間件環(huán)境橋接應(yīng)用層與物理層。它提供諸如QoS 映射、地址變換、即插即用、安全管理、激活網(wǎng)絡(luò)等功能。物理層與中間件環(huán)境之間的接口應(yīng)是一種開放的IP 接口。中間件環(huán)境與應(yīng)用層之間的接口也應(yīng)是開放接口， 以利于第三方開發(fā)和提供新的應(yīng)用與服務(wù)。圖2為4G的網(wǎng)絡(luò)體系分層結(jié)構(gòu)[3]。

3 4G的關(guān)鍵技術(shù)

移動(dòng)通信技術(shù)將向數(shù)據(jù)化，高速化、寬帶化、頻段更高化等方向發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)、移動(dòng)IP將成為未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。第四代移動(dòng)通信要求數(shù)據(jù)傳輸速率從2Mb/s提高到100Mb/s。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要在下列幾個(gè)方面作出努力：頻譜的高效使用、帶寬的動(dòng)態(tài)分配、安全的無(wú)線應(yīng)用、更高的服務(wù)質(zhì)量、高性能的信號(hào)調(diào)制傳輸技術(shù)。為此， 4G系統(tǒng)使用了許多新技術(shù)，其中關(guān)鍵技術(shù)介紹如下。

3.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

根據(jù)多徑信道在頻域中表現(xiàn)出來(lái)的頻率選擇性衰落特性，提出正交頻分復(fù)用的調(diào)制技術(shù)。如圖3所示[4]，正交頻分復(fù)用的基本原理是把高速的數(shù)據(jù)流通過(guò)串并變換，分配到傳輸速率相對(duì)較低的若干子信道中進(jìn)行傳輸，在頻域內(nèi)將信道劃分為若干互相正交的子信道，每個(gè)子信道均擁有自己的載波分別進(jìn)行調(diào)制，信號(hào)通過(guò)各個(gè)子信道獨(dú)立傳輸。如果每個(gè)子信道的帶寬被劃分得足夠窄，每個(gè)子信道的頻率特性就可近似看作是平坦的，即每個(gè)子信道都可看作無(wú)符號(hào)間干擾（ISI） 的理想信道， 這樣在接收端不需要使用復(fù)雜的信道均衡技術(shù)即可對(duì)接收信號(hào)可靠地解調(diào)。

OFDM作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)， 作為多載波調(diào)制的一種， 最大優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)抗頻率選擇性衰落與窄帶干擾， 同時(shí)頻譜利用效率高、抗噪聲能力強(qiáng)，采用動(dòng)態(tài)子載波分配技術(shù)能使系統(tǒng)達(dá)到最大比特率，適合于高速數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

MIMO技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO 技術(shù)利用發(fā)送端和接收端的多個(gè)天線來(lái)對(duì)抗無(wú)線信道衰落， 從而在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射功率的情況下可以有效地提高無(wú)線系統(tǒng)的容量，其本質(zhì)是一種基于空域和時(shí)域聯(lián)合分集的通信信號(hào)處理方法。

對(duì)于天線數(shù)與信道容量的關(guān)系，我們可以假設(shè)在發(fā)射端，各天線發(fā)射獨(dú)立的等功率信號(hào)，而且各信號(hào)滿足Rayleigh（瑞利）分布，根據(jù)MIMO系統(tǒng)的信道傳輸特性和香農(nóng)信道容量計(jì)算方法，推導(dǎo)出平衰落MIMO系統(tǒng)信道容量近似表達(dá)式為[5]：

C=[min（N，M）]·B·log2（SNR/2）

其中B 為信號(hào)帶寬，SNR 為接收端平均信噪比，min（N，M）為發(fā)射天線數(shù)量N 和接收天線數(shù)量M 中的最小者。

理論和計(jì)算機(jī)仿真表明：在同等傳輸帶寬，而且接收端信噪比不變化的情況下（基本取決于外界條件和發(fā)射功率的變化），多入多出系統(tǒng)的信道容量隨最小天線數(shù)目的增加而線性增加，因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

3.3 智能天線技術(shù)（SA）

智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向DOA（Direction of Arrival），旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。

智能天線（SA）具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)[6]，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分利用移動(dòng)用戶信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)之目的。同時(shí)，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。

3.4 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_。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)議。

在4G 通信系統(tǒng)中將取代IPv4協(xié)議，主要采用全分組方式IPv6 技術(shù)，IPv6 具有許多的優(yōu)點(diǎn)，如：有巨大的地址空間；支持無(wú)狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動(dòng)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(dòng)性[7]。

3.5 軟件無(wú)線電技術(shù)（SDR）

所謂軟件無(wú)線電（簡(jiǎn)稱SDR），就是采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來(lái)定義實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號(hào)的基帶處理等等。整個(gè)無(wú)線電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來(lái)完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的“數(shù)字/ 模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號(hào)的數(shù)字化，從而使無(wú)線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)。它具有靈活性較高、集中性強(qiáng)及模塊化等特點(diǎn)[7]：

3.6 移動(dòng)定位技術(shù)

定位是指移動(dòng)終端位置的測(cè)量方法和計(jì)算方法。它主要分為基于移動(dòng)終端定位、基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位以及混合定位三種方式。在第四代移動(dòng)移動(dòng)通信系統(tǒng)中， 移動(dòng)終端可能在不同系統(tǒng)（平臺(tái)）間進(jìn)行移動(dòng)通信。因此， 對(duì)移動(dòng)終端的定位和跟蹤， 是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端在不同系統(tǒng)（平臺(tái)）間無(wú)縫連接和系統(tǒng)中高速率和高質(zhì)量的移動(dòng)通信的前提和保障。

3.7 多用戶檢測(cè)技術(shù)

多用戶檢測(cè)技術(shù)的核心思想就是利用均衡技術(shù)。將來(lái)自其他用戶的 ISI 也當(dāng)作MAI 而一并消除之。多用戶檢測(cè)技術(shù)充分利用造成多址干擾的所有用戶信號(hào)信息對(duì)單個(gè)用戶的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題，降低了系統(tǒng)對(duì)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 4G新進(jìn)展

由于4G 與3G 相比具有通信速度更快，網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬，通信更加靈活，智能性能更高兼容性能更平滑等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）為4G 制定了明確目標(biāo)，2006 年至2007 年完成頻譜規(guī)劃，2010 年左右完成全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作，2010 年之后開始商用。

2010 年11 月，ITU 正式確認(rèn)LTE-Advanced 與Wireless MAN-Advanced 技術(shù)為4G 標(biāo)準(zhǔn)；12月份，又將WiMax、HSPA+、LTE 技術(shù)納入4G 標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)階段我國(guó)的4G 研究成果，主要是在上海建立的一個(gè)4G 試驗(yàn)網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由3 個(gè)無(wú)線覆蓋小區(qū)、6 個(gè)接入節(jié)點(diǎn)和6 個(gè)移動(dòng)終端組成，并引入了世界上最復(fù)雜的技術(shù)，如IPv6 核心網(wǎng)絡(luò)、IPTV 高清晰度業(yè)務(wù)與移動(dòng)通信的切換技術(shù)等等。

2011年3月，中國(guó)移動(dòng)將在深圳、上海、廣州、南京、杭州等城市開始首批TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，4G移動(dòng)通信即將開始實(shí)驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)，具體的設(shè)備及后續(xù)的軟件開發(fā)還繼續(xù)開發(fā)研究，但是未來(lái)的4G必定會(huì)具有高速率高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)所不在的移動(dòng)接入、高智能的多樣化的用戶設(shè)備等特征，隨著新問(wèn)題，新要求的不斷出現(xiàn)，4G將會(huì)不斷地調(diào)整、改善及進(jìn)一步發(fā)展。我們相信在不久的將來(lái)，4G 將成為滿足未來(lái)市場(chǎng)需求的新一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，它將幫助我們實(shí)現(xiàn)充滿個(gè)性化的通信夢(mèng)想

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 百度學(xué)科.4G[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2727.htm

[2] 王建峰，黃國(guó)策，康巧燕， 4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)及其與3G系統(tǒng)的比較研究， 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)， 2006 .9

[3] 趙亞男張祿林吳偉陵.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.無(wú)線電工程.2005.2

[4] 李世博.第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).廣西通信技術(shù).2007.12

[5] 劉麗 劉世忠 郭燕飛4G通信系統(tǒng)核心技術(shù)M I M O - O F D M 研究.移動(dòng)通信.2009.2

[6] 張獻(xiàn)英.第四代移動(dòng)通信技術(shù)淺析.數(shù)字通信世界.2008.6

[7] 第四代移動(dòng)通信技術(shù)研究[J].第三屆全國(guó)軟件測(cè)試會(huì)議與移動(dòng)計(jì)算、柵格、智能化高級(jí)論壇論文集.2009.（22）：239-241.