4G網絡通信系統的發展過程分析

摘 要：4G通信系統是由于3G通信系統在發展中出現了瓶頸，受到局限而提出。本文通過3G和4G的一些技術指標做對比，介紹4G的特點，著重分析4G通信網絡的關鍵技術和網絡結構。

關鍵詞：4G；通信系統；智能天線；軟件無線電

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 04-0000-01

3G全稱是3rd Generation，其含義是指第三代數字通信。在國際上，3G網絡通信有四個標準：CDMA2000、WiMAX、WCDMA和TD-SCDMA。Code Division Multiple Access的縮寫就是CDMA，它是3G移動通信系統的技術基礎。CDMA網絡系統的優點是通信質量好、抗干擾能力強、系統容量大、多址能力強、手機功耗小、頻率利用率高、抗多徑衰落能力強和安全保密性能高。3G業務由我國三大通信運營商推出，這也標志著我國正式進入3G網絡通信時代。3G的核心應用主要有一下幾個方面：視頻通話、手機網游、寬帶上網、手機購物、手機電視、手機音樂、無線搜索。但是3G技術和頻率方面有一定的局限，主要體現在：在不同業務環境之間不同頻段難以進行無縫漫游；動態范圍多速率業務很難得到提供；通信速率不高。

一、4G通信系統的特點

4G屬于寬帶接入與分布網絡，相比3G通信，4G通信是一種更加先進的新無線世界。可以提供150Mb/s的高質量影像服務給全速移動用戶，還有超過2Mb/s的非對稱的數據傳輸能力，這是三維圖像的高質量傳輸的首次實現。

4G通信系統特點：

（一）傳輸速率加快。對于大范圍告訴移動用戶（達到250km/h的移動速度）來說，4G系統的達到的數據速率為2Mbit/s；而對于中速移動用戶（達到60km/h的移動速度）來說，其數據速率達到20Mbit/s；而對于低速移動用戶（如步行或在室內者），其數據速率達到100Mbit/s。

（二）更寬廣的寬帶。4G信道將會達到100MHz甚至更多帶寬。

（三）更大容量。為了大力滿足未來大信息量的需求，常常通過新型網絡技術如空分多址技術幫助盡量提高系統的容量。

（四）更高的智能型。相比3G系統而言，4G系統的智能性更高，其還可以適應資源分配，適應不同的信道環境以及處理變化的業務流。

（五）多媒體通信得到更高質量的實現。4G通信可以幫助提供如數據、語音和影響等無線多媒體通信服務，通過寬頻信道將大量信息傳送出去，，是任何用戶在任何地點和任何時間都可以在系統中接收到。

二、4G核心技術

正交頻分復用（即OFDM）是4G的核心技術。移動通信未來的發展方向是更加高化的頻段、更為寬帶化、高速化和數據化，而未來移動網的主流業務就是移動IP和移動數據。

（一）正交頻分復用技術

正交頻分復用技術（OFDM）屬于一種較為特殊的多載波傳輸方案，多載波之間彼此正交能夠幫助高效利用頻譜資源，且OFDM可以將總寬帶分為幾個窄帶子載波，對于頻率選擇性衰落具有很高的抵抗能力。其優點是：高利用率頻譜；較強的康衰落能力；適宜的高速數據傳輸；較強的抗碼間干擾能力。其缺點為：較低的功率效率，很敏感的相位和頻偏噪聲。

（二）軟件無線電技術

軟件無線電英文簡稱為SDR，各種類型的無線電通信系統可以在一個通用硬件平臺中，通過模塊化和標準化的硬件功能單元對軟件加載方式加以利用來得到實現，而通過適宜的軟件使不同體制之間的兼容和所有的標準與體系的更新得以完成。在可編程控制的通用硬件平臺上，通過數字信號處理技術使軟件無線電技術充分利用軟件定義得以實現無線電臺的各項功能。

在靠近天線處充分使用寬帶的“數字/模擬”轉換器是軟件無線電技術的中心思想，信號數字化的盡快完成，無線電的功能也由此在軟件定義中得以實現。

（三）多進多出技術

多進多出（即MIMO）技術指的是空間分集技術通過多接受和多發射天線來實現，其采取分立式多天線，很多并行的子信道通過通信鏈的高效分解而得到，這使網絡容量大大的提高。MIMO技術是在受到限制的功率寬帶的無線信道中系統容量得到提高、高數據速率得以實現、傳輸質量得到有效提高的空間分集技術。

（四）高性能的接收機

大部分數字接收機都采用模擬器件和高效能魔術轉換器，由于基站數字接收機需要有足夠的動態范圍，幫助對極大的干擾信號進行處理，以使電平較低的有用信號解調出來。根據香農定理，因為較高的傳輸速率，相比于3G移動通信系統，4G移動通信系統對接收機的性能要高得多。

（五）智能天線技術

在波束間，自適應陣列天線或沒有切換的天線就是智能天線。在一個扇區中多波束天線可以同時使用多個固定波束，而多個天線的接收信號在自適應陣列中，可以得到被加權，同時這多個天線在一起合成的信噪比達到最大。

通過陣列天線技術，充分利用各種用戶信號空間存在的差異特征，各天線陣元的加權向量依照一些接收準則得到自動調節，也是智能天線達到最佳的放射和接收，這使得多個用戶可以在同一個信道上發送并接收還互相不受到干擾。

（六）全IP技術

一個全IP的網絡也可以說是4G移動通信系統，這種4G通信系統能夠支持IPv6，從而使移動IP得到實現。各種類型的接入系統都可以得到全IP網絡支持，網絡用戶可以通過多個接入系統同時和網絡相接連；用戶通過網絡提供接受到系統可知的業務；網絡還為用戶提供到跨接入系統的授權、認證、尋址與加密機制。在全IP網絡中，核心交換傳輸和網絡呼叫控制在業務控制分離的基礎中得到更深入的分離。

（七）切換技術

在當前的服務基站廣播的消息使移動臺在4G移動通信系統中得到相鄰小區的信息，先進的切換技術在4G移動通信系統中得到使用，使終端在多個基站之間可以同時進行接收和發送數據，信號質量也因此得到很好的改善。

三、4G技術展望

現在4G系統已經開始投入到市場，但是還發展范圍還不廣泛，國際化標準如IEEE等還處在制度規范和標準的過程當中。不過4G是一個融合了現有多種無線接入技術的無縫連接的統一系統，這是網絡業務的可便攜性和跨系統的全球漫游得以實現，成為更加滿足未來市場需求的新移動通信系統。

參考文獻：

[1]高飛，平立.淺談4G無線網絡安全[J].科技資訊，2010（04）.