淺析4G移動通信系統

摘要：本文闡述了4G通信技術的概念和關鍵性能，對4G通信的幾種關鍵技術進行了簡要說明，如正交頻分復用、軟件無線電、多人多出無線技術、智能天線技術、多用戶檢測、IPv6技術等，本文又對4G技術優于3G技術的原因進行了解析，最后還預測了4G未來的發展趨勢。

關鍵詞：4G移動通信技術性能分析技術結構發展展望

1 4G移動通信系統的簡介

1.1 4G的定義 4G移動通信是站在無限網絡通信的肩上而建立發展起來的，它是真正意義上的高速度傳輸，是一種具有頑強的抗干擾性及廣泛的兼容性的信息移動通信技術[1]。現在4G網絡可以分為TD-LTE和 FDD-LTE兩種，最近，工信部向中國聯通、中國移動、中國電信發放4G牌照，中國移動用的是TD-LTE 4G，中國電信和中國聯通它們選擇的是采用FDD-LTE 4G，從技術上來增強網絡質量和覆蓋率。廣播網絡、廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網以及移動廣帶等技術都是4G通信的主要技術[2]。

1.2 4G具備的特點及能力 現在，信息界對4G的認識主要有以下幾方面：

①具有很好的數據傳輸速率。通信專家最早研究4G就是為了使蜂窩電話的速度得以提高，且提升其他移動裝置無線訪問互聯網的速度，因此4G通信讓人們感覺到的就是更便捷、更快速[3]。在4G移動通信中一般的用戶速率在10~20M范圍內，最大限度可到達100Mbit/s，此速度差不多是原來手機10000倍的速率。②網絡頻譜更寬。據美國AT&T的報告顯示，任一個4G通信信道占到的頻譜量等同于二十倍的W-CDMA 3G網絡[4]。③智能性更高。在智能性的比較中，4G智能性最高，靈活性和適應性更強，它的智能程度不單純體現在4G終端設備操作以及設計上，最重要的還表現在4G的手機能實現很多超智能的功能。④兼容性能更平滑。當前的通信移動指標有CDMA、GSM、TDMA。要解決它們的兼容性問題，這就要通過4G標準的制定才能實現。4G通信還具備多樣化開放接口、漫游全球以及和多種網絡互聯等特點，真正的實現“無縫連接”和全球一致的標準，還具有從2G、3G過渡平穩的特征[5]。⑤用戶共存性。4G能根據具體的網絡情況和信道環境進行處理，使高用戶、低用戶以及不同設備的用戶并存與相通，這樣就能滿足不同的用戶需求。⑥業務多樣性。4G能集成的業務通信是廣泛的、不同標準的，小到一個局域網，大到全球的網絡互聯，它都能夠執行。它能使不同的系統平臺間互通更安全、更快捷，且它面向的對象是不同的。4G的電話在各方面上都有著巨大的進步，4G眼鏡、智能手表等都漸漸的成為了4G的終端設備。4G是用動態的帶寬來進行分配和調節不同的功率，實現業務的多樣性[6]。⑦較好的技術基礎。4G具有驚人的技術突破，如OFDM、軟件無線電、無線接入等，都能很好的使用頻率效率以及系統的各種可實現性功能。⑧隨時隨地的移動接入。4G可以很好的實現隨時隨地的無線電通信，4G系統采用的是全IP，IPv6能在IP網絡上更好的實現語音和多媒體等業務。⑨自治的網絡結構。現在的4G通信是一個徹徹底底的自適應與自治的系統，它可以通過智能化的操作，隨時動態的變換自己的結構，這樣就能滿足系統所需的變化與發展。

2 4G移動通信系統結構

2.1 網絡體系結構 3G中蜂窩網絡將被4G采用的全世界范圍蜂窩核心網所取代，4G采取的是全數字技術與全IP技術，這個是從網絡內及網絡邊沿最終向全網智能化的發展。4G網絡結構可分為三層：應用網絡層、網絡層以及中間環境層。今后的骨干網與互聯網系統，就會以光纖網絡與寬帶IP技術為重點，而4G網絡的蜂窩按功率可細分為三類，分別是宏區基站、微區基站以及微微區基站。

2.2 接入結構 4G通信接入系統的最大優勢就是多模終端以公共開放平臺為基礎，采用不同的接入技術，在不同的網絡平臺間進行協作與無縫連接。當系統被多模終端接入時，網絡這時就會自動的分配頻帶，且分析出哪個路由最佳，從而實現最優通信。現今4G通信主要接入技術有:無線蜂窩移動通信系統、短距離連接系統、固定無線接入系統、衛星系統、廣電接入系統等。

2.3 核心結構 4G移動的核心網是以全IP為基礎的網絡，也就是基于IP的網絡維護管理、IP的網絡資源、IP的承載機制、IP的應用服務等來實現各種網絡間的無縫連接。核心網有開放性，對任何的空中接口進入核心網都是無限制的，且它還能把傳輸、控制以及業務等分離然后進行相應的操作。

2.4 移動終端 4G的特點就導致了4G終端與3G的不同。它能滿足廣帶寬與高速率的需求，它對復雜的QoS指標和任意的空中接口要求都能適應，最終能夠完成不同用戶需求的任務。

3 4G網絡中的關鍵技術

3.1 正交頻分復用（OFDM）技術。OFDM是4G技術的關鍵核心。此技術最大的優點就是能超大限度的提高頻譜利用率，從而避免或減少其碼間干擾，且它的抗干擾能力極強。3G使用的是碼分多址、CDMA使用的是單載波技術、CDMA2000使用的是多載波調制，而OFDM中每個信道載波是相正交的，頻譜是相互累疊的。OFDM主要內容是將指定的信道劃分成無數個正交子信道，然后在子信道上采用子截波來完成相關調制，最后每個子截波并行來完成相關的傳輸，因此就解決了總信道是否平坦等問題。任何子信道都能夠當作平坦衰落，于是就大幅度消減波形符號間的干擾，使頻譜利用率得到提高。

3.2 智能天線技術。智能天線技術是波束間沒有切換的多波束和自適應技術陣列天線，它是一種以自適應天線原理為基礎的移動通信技術，它在抑制干擾、降低成本、擴充容量等方面有著空前的突破。該技術使用的是空間多址技術，智能天線本質上是雙向天線，它是利用一組具有能編程電子相位關系的不變天線單元來獲取方向，而且還能在同一時刻獲得移動臺與基站間鏈路的方向性。

3.3 軟件無線電(SDR)技術。軟件無線電技術的精髓就是窄帶接收機被寬頻帶無線接收機頂替了，造就一個通用的硬件環境，使寬帶的D/A、A/D變換器最大限度的接近天線，這樣就可以將通信臺的功能用可編程軟件來完成。

3.4 多輸入多輸出（MIMO）技術。MIMO技術是指在移動終端和基站擁有無數個天線。空間分集與空間復用增益都是由MIMO技術所提供。MIMO工作原理則是采用多通道、多天線，信號經過多次切割后，再通過天線完成同步傳輸。它的優點是降低碼間干擾，使頻譜利用率和空間分集增益得以提高。

3.5 多用戶檢測技術。多用戶檢測技術核心思想是把同時占有某種信道的用戶（包括部分用戶）當成有用信號，通過多用戶的碼元、相位、時間等信息來檢測出某個用戶的信號，也就是運用各類信息和手段來處理接收信號，這樣就能充分的應用鏈路頻譜，擴大系統容量。

3.6 IPv6技術。4G移動通信的核心網是一個基于全IP的網絡，核心網具有開放性，能讓不同的空中接口進入核心網，并且它把業務、傳輸、操作等分開。IP與多種無線接入協議能兼容，因此核心網絡的設計就具有很強的可操作性、多變性、靈活性，這樣無論接入是采用何種方式、何種協議都不用擔心了。IPv6擁有很多的優點，例如：巨大的地址空間；能自動控制有狀態及無狀態的地址；服務質量明顯優于IPv4；具有移動性等。

4 4G的發展展望

4G的技術發展實現了無時無刻的物流功能，對物聯網時代的發展起著重要作用，在今后的物聯網生活中，任何一個東西都可以通過網絡來控制，而網速的快慢就影響著人們的生活品質，4G的超速讓人們時刻感受到方便，當人們不在家時就可以用手機控制電視機、空調、洗衣機、煤氣、窗戶等東西的開關，如果在家里裝有防盜系統的，還可以用手機時刻關注門窗的變化，這一系列的智能家居都需要在4G的帶動下才能普遍快速的發展起來。今后的4G網將會非常的普遍，2G網絡也會在幾十年后逐漸的消失。4G將會使以后的電子、商貿、醫療、教育、運輸等發展更加的迅速，所以在4G發展成熟后會給人們帶來前所未有的舒適便捷。

參考文獻：

[1]劉彥彬.第四代無線通信技術[J].科技風，2010(13):10-17.

[2]宋莉.概述現代化4G 移動通信技術[J].數字技術與應用，2012(5):7-15.

[3]杜峰.4G催生IT業創投熱點[J].通信信息，2013(1567):3-8.

[4]楊小牛.第四代移動通信系統概述[M].北京:電子工業出版社，2010:10-12.

[5]張玉龍.對4G移動通信技術應用與發展的展望[J].信息通信，2013(1):3-5.

[6]殷薇娜.全網智能化前景探討[J].數字技術與應用，2012(11):15-19.

作者簡介：

唐曄(1973-)，男，重慶人，副教授，主要從事信息技術研究。

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