4G移動(dòng)通信系統(tǒng)及核心技術(shù)

王 昆

(西安航空學(xué)院，陜西 西安 710077)

0 引言

近年來，隨著4G通信技術(shù)的深入研究，人們期望通過4G系統(tǒng)來解決3G無法解決的問題，最終實(shí)現(xiàn)無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙等室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)、蜂窩信號、廣播電視到衛(wèi)星通信等的無縫銜接并相互兼容，真正實(shí)現(xiàn)用戶在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、以任何形式接入網(wǎng)絡(luò)。因此，本文通過比較，簡要介紹了4G和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的區(qū)別和優(yōu)勢，4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)，4G研究現(xiàn)狀及前景等。

1 4G和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)的區(qū)別與優(yōu)勢

1.1 區(qū)別

4G是fourth generation的縮寫，而4G移動(dòng)通信系統(tǒng)和3G移動(dòng)通信系統(tǒng)到底有何區(qū)別？與3G移動(dòng)通信系統(tǒng)比，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)具有：

（1）比3G系統(tǒng)更接近于個(gè)人通信，即任何人、在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)任何形式通信；

（2）在技術(shù)上，應(yīng)比3G更上一個(gè)的臺階，各種新的4G核心技術(shù)被引入到系統(tǒng)和業(yè)務(wù)中；

（3）在服務(wù)上，用戶可以自由選擇業(yè)務(wù)類型、應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)形式；

（4）在應(yīng)用上，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)終端不在局限于手機(jī)，可以是任何類型的。

1.2 優(yōu)勢

隨著人們對移動(dòng)通信系統(tǒng)的各種需求與日俱增，使得大力推廣的3G系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代移動(dòng)通信系統(tǒng)日益增長的高速多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。因此，人們在享受3G移動(dòng)通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)質(zhì)服務(wù)的同時(shí)，也期待著通過4G通信技術(shù)的引入，給人們帶來更加美好的未來。相比3G系統(tǒng)，未來4G系統(tǒng)應(yīng)具有如下優(yōu)勢：

①高速率、高容量:對于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s；對于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbit/s；對于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbit/s；其容量至少應(yīng)是3G系統(tǒng)容量的10倍以上。

②網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬:每個(gè)4G信道將占100MHz頻譜，相當(dāng)于W-CDMA 3G網(wǎng)絡(luò)的20倍。

③通信更加靈活：4G終端可以是任何類型，可使人們不僅可以隨時(shí)隨地、以不同方式通信。

④智能性能更高：4G采用智能技術(shù)，使得終端設(shè)備具有智能化，同時(shí)系統(tǒng)可自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配。

⑤兼容性能更平滑：4G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，在不同系統(tǒng)間無縫切換，傳送高速多媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

⑥實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量、低費(fèi)用的通信：4G系統(tǒng)可提供良好覆蓋性、高速數(shù)據(jù)和高分辨率的多媒體服務(wù)，因此4G移動(dòng)通信系統(tǒng)也可稱為“多媒體移動(dòng)通信”。同時(shí)，其能夠有效地降低運(yùn)行者和用戶的費(fèi)用

2 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及核心技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其大致可分為三層，分別為物理網(wǎng)絡(luò)層、承載層和應(yīng)用層。物理層與承載層提供開放式IP接口。應(yīng)用層與承載層之間也是開放式接口，用于第三方開發(fā)和提供新業(yè)務(wù)

2.2 核心技術(shù)

與3G移動(dòng)通信系統(tǒng)相比較，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用了一些不同的核心技術(shù)。

2.2.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

3G移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以CDMA為核心技術(shù)，而OFDM技術(shù)則被公認(rèn)為4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。OFDM[1-2]技術(shù)實(shí)際上是多載波調(diào)制的一種，其將給定信道分為若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行低速數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每一個(gè)子信道上傳輸。因而，OFMD技術(shù)具有頻率利用率高、抗衰能力強(qiáng)、適合高速數(shù)據(jù)傳輸、抗碼間干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.2 軟件無線電（SDR）技術(shù)

SOR[3]技術(shù)是一種基于DSP芯片，以軟件為核心的無線電技術(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定義無線功能，使用軟件來實(shí)現(xiàn)各種功能和信號處理。

2.2.3 智能天線技術(shù)

智能天線即波束間沒有切換的多波束或自適應(yīng)天線陣列，具有抑制信號、自動(dòng)跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等職能功能。其核心是通過選擇良好的智能算法來實(shí)現(xiàn)對波束的智能控制。

2.2.4 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。

3 研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景

當(dāng)前，世界各國對4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究工作已經(jīng)啟動(dòng)，但4G系統(tǒng)的研究還處于初級階段。ITU計(jì)劃在2004年征求第四代移動(dòng)通信的方案，2010年制定出全世界統(tǒng)一的第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。就我國而言，4G移動(dòng)通信的研究已經(jīng)正式列入863項(xiàng)目，并啟動(dòng)“FuTURE計(jì)劃”。

目前，D-LTE技術(shù)由中國自主研發(fā)，已于2010年10月入選4G國際標(biāo)準(zhǔn)。2012年5月，中國移動(dòng)首次在廣州、深圳、北京、杭州、南京等五個(gè)城市同時(shí)啟動(dòng)了TD-LTE的體驗(yàn)測試，2013年7月杭州成為國內(nèi)首個(gè)開放4G體驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的城市，而4G運(yùn)營牌照的正式發(fā)放也迫在眉睫。4G移動(dòng)通通信網(wǎng)帶給人們的美好的未來指日可待。

4 結(jié)束語

盡管4G移動(dòng)通信系統(tǒng)目前仍然不太成熟和完善，有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。但作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)，其發(fā)展前景是不可限量的。4G通信技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，將可實(shí)現(xiàn)人們對個(gè)人通信渴望。

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

［2］張重陽.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.軟件無線電SDR的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].無線通信技術(shù)， 2010（2）：48-51.