4G通信技術的研究

武文學 王文成 馮雷

【摘要】? ? 在3G移動通信技術之后，通信行業迅速提出4G技術，并積極建設4G技術，促使4G技術占據移動通信的行業領域。4G技術具備諸多優勢，傳輸速率快、安全性能高，體現移動通信的價值。4G通信技術的發展，并不是處于完善狀態，因此，木文通過對4G的LTE技術進行研究，分析4G技術的發展。

【關鍵詞】? ? 4G? ? LTE? ? 通信

一、4G技術的相關介紹

1.1 4G技術的概念

4G是移動通信技術發展過程中的第四代移動通信網絡。相比3G網絡，4G網絡技術在速率和性能上具有較高的用戶感知，是我國出現移動通訊系統的新變革和，它是在3G的基礎上的一個提升，并且依靠無線網技術的支撐出現的新系統。4G網絡技術具有高兼容性特點，該網絡應用廣泛，能適用于不同業務需求，在網絡服務上大大提升了用戶感知效率。4G網絡技術在技術及標準規定上也大大提高了用戶的使用效果，特別是在不同業務速率上給用戶帶來滿意的感知，在技術標準規定上，國際電信聯盟規定同小區下4G無線網絡靜態傳輸速率為1Gbit/s，多小區切換環境傳輸速率下要求達到100Mbit/s，所以，在高效的技術規范要求下，4G無線網絡給人民帶來了質的變化。

在智能設備發展的推動下，無線通信網絡也隨之發展變化，由模擬信號到數字信號，再從3G技術發展為現在的高速率、高兼容性、數字IP技術的4G網絡技術也走進了人們的生活。4G無線網絡技術特點主要體現在無線傳輸方面，特別是在高清視頻播放下載、大文件下載傳輸等業務上體現的特別明顯。4G無線網絡的另一個技術特點就是具有較高的容量承載，并以全數字IP網絡架構進行建設，建設成本及維護成本較低、網絡兼容性強、業務廣泛等特點。

1.2 4G無線網的關鍵技術

1、 OFDM技術特點。OFDM技術在4G無線網絡系統中起到了關鍵性作用，將定信道分解成眾多的窄正交子信道，通過子載波對每一個子信道來實現調制，并行傳輸子載波間，讓信號波能夠很協調的存在于一個空間，不受到各自的干擾。OFDM正交頻分復用技術主要解決了高傳輸速率下，無線信號波形失真、傳輸效率差等問題。OFDM這一關鍵性技術主要解決了4G網絡高速率網絡傳輸所遇見的問題，所以，OFDM技術已成為4G無線網絡系統中相關技術的核心。

2、MIMO技術特點。MIMO技術是解決4G無線網絡高容量問題的主要技術手段，它是采用多輸入多輸出的方式實現的，MIMO的技術核心就在信號的無線側增加多路的收發天線來實現多通道傳輸的效果，使高高容量用戶在不同通道內傳輸，互不干擾對方，從而達到高速率傳輸效果。通過MIMO技術在空間上把不同的信息通過不同的管道進行傳輸，不僅大大改善了高容量、高速率下的用戶效果，而且也解決了在有限的傳輸資源的情況下尋求高容量、高速率傳輸的矛盾問題，這樣也大大提高了頻帶資源的利益效率，從而也提高了無線網絡的覆蓋區域及覆蓋效果。

3、軟件無線電技術特點。軟件定義無線電對我國的通信系統有著重大的作用，是唯一能夠結合不同的通信技術成功實現連接的技術。在4G環境下，通訊系統的發展更加先進完善，軟件也在以往的基礎上進入到一個新的發展階段。隨著通信技術的發展，為了提高無線網絡質量及效率，軟件定義無線電技術從而迎刃而出。軟件定義無線電技術的主要優勢在于它能同時運行多個軟件系統，從而形成了不同形式、不同層次的通信模式，基于此，移動終端能無障礙進入各個不同的系統。

1.3 4G的主要技術特點

4G的主要技術特點主要包含以下五個方面：第一、高容量、傳輸速率達到100Mbit/s，傳輸快的特點。第二、兼容性強。4G技術的接口比較開放，可以跟各種網絡連接起來，就算在異構系統也沒有問題。第三、無縫覆蓋。4G技術比較規范標準很明確，適用性比較強，能夠匹配各種載體的連接。第四、4G網絡的智能化系統，4G網絡系統可以智能化根據用戶需求自動匹配無線網絡。第五、4G網絡的個性化服務系統，在社會發展及通信技術更新的基礎上，4G無線網絡為人們的個性化服務提供了基礎保障。總之，4G無線網絡技術是社會發展及智能設備出現所推動的產物，它不僅大大提高無線網絡性能也滿足了人們日益增長的網絡傳輸速率的需求。

二、LTE 技術原理與對比分析

LTE可以有效的升級原有的3G網絡架構，主要運行的是扁平化的網絡結構，這根以往的3G技術是完全不一樣的，接入口也有相關的限制，只能介入Node B，在4G無線網絡架構中，取消了以往3G的RNC無線網絡控制器節點。LTE無線網絡架構主要包括無線核心網層、基站層和用戶設備層這三方面節點。其中，4G網絡架構的核心是EPC，MME實現EPC信令處理功能; eNodeB主要實現接入網的連接，而E-UTRAN;UE就是我們通常所說的用戶終端設備。

2.1 4G無線網的基本傳輸方式

4G無線網絡傳輸方式相比3G時代已經有了很大的改進，4G無線網絡空口傳輸技術采用的是OFDM技術。TD LTE和LTE FDD都采用O FDM A來達到正交頻分的多址來對其上下行實現多址運行。

2.2 4G無線網的雙工方式

4G網絡具有兩種雙工方式，即TDD和FDD方式，其中，FDD采用的是在相同的時間內通過上下行不同頻帶上傳輸信號。整體來說有下面幾個明顯的特征：有更大的空間在頻譜的配置上，能夠發揮出高效的作用;在上下行資源的比例上可以靈活設置，對非對稱的護分組業務能夠起到更大的幫助;基于行到對稱這一點，讓系統得到進一步的完善;TDD雙工方式對網絡有全網同步的要求，所以對于協調小區間的干擾上北京場運用。但是TDD在運行的雙工方式目前主要有以下的阻礙。1、TDD跟FDD相比，復雜程度更高。不但要匹配FDD系統上下行的干擾，達到上行干擾上行，下行干擾下行的效果，而且因為各小區在上下行的時隙配置也不一樣，也會出現上行干擾下行，下行干擾上行的這種情況。2、TDD雙工系統的主要特點是對系統在時間同步上要求較高。3、 TDD雙工方式主要是采用時間隔離上下行信號的，在傳送上會有一定延遲。

2.3幀結構

幀結構是指無線幀的結構，通過幀結構，讓數據的發送時間有嚴格的規定能做到更準確的收發。LTE FDD采用的幀結構如下圖所示，通過圖中可以看出LTE FDD的幀結構為一個無線幀長度為l0ms，一個無線幀包含10個子幀，其中，每個子幀是由長度為0.5 ms兩個時隙組成。

TD-LTE的幀結構如下圖所示，通過圖可以看出，它的幀結構與3G網絡TD-SCDMA幀結構相同，其幀結構如圖2所示。

通過上圖可以看出，TD LTE的幀結構是由長度為5ms兩個半幀組成。每一個半幀是由8個常規時隙和DwPTS，GP和UpPTS三個特殊時隙組成。為了用戶需求及高的傳輸性能，根據實際需求可以靈活配置特殊時隙。

TDD系統與 FDD系統相比，能夠對上下行的資源根據實際需要靈活的配置，去最大化實現資源的有效利用，發揮出更大的運用效果在不同的業務類型上。TDD系統可以通過設置下行子幀多于上行子幀的比例來打造出某些特定的業務場景，讓資源得到最大化的利用。但是這其中也有一些問題，主要是系統的不夠完善，所以在同步時會造成系統間上下行彼此的干擾，對TD-LTE的功能發揮造成發揮的阻礙。

2.4多天線技術

多天線技術常被運用于在LTE系統。

MIMO技術的運行原理是通過分解用戶的數據帶來多項數據流的并行，能在特定的帶寬內完成多個天線的發射在同一時刻，通過無線信道，被不同的天線接收。同時通過分析研究并行數據流的特征，來進行技術的解調，讓數據能夠還原到最初的數據狀態。3G PP定義了LTE的九種傳輸模式（表1）。

4G無線網絡為了無線信號在傳輸過程中，檢測信道質量及效果，采用專用的導頻的波束賦形技術，所以，在TDD-LTE系統中R8定義了傳輸模式7。在4G網絡發展過程中，為了滿足高容量及高業務需求，R9定義了TD –LTE雙流傳輸系統，從而實現了波束賦形與空間復用技術的相結合。傳輸模式8可以采用非預編碼矩陣指示（PMI）或PMI兩種反饋方式。

三、4G通訊技術發展存在的安全問題

4G通訊技術被推出后，獲得了廣泛的運用，移動通訊網速也到了很大的提升，網絡信號也有進一步加強。雖然獲得了很好的推廣和發展，但是在發展過程中也有各種問題，最主要的問題就是安全性，這里所說的安全性并不是指某一方面，而是涉及到各個方面。安全隱患問題是4G通訊技術需要加強完善的重點。通過相關研究發現，其安全性主要來自以下幾個方面：首先是人為因素導致。從我國打開國門進行經濟發展改革開放以來到如今已有四十年的時間，我國在經濟改革開放后，走向新的時代發展道路，打開國門走向國際，獲得了更多的資源和市場，引入國外先進的技術以及先進的管理經驗不斷完善我國市場經濟的大力發展，經濟跟以前相比有重大的提升，不論是經濟還是社會文化都呈現出一篇繁榮的狀態，人們的生活水平也得到了很大的改善，從以往的溫飽都困難走向了小康水平。在此發展背景下人們對4G有了更多的需求，4G對人們的生活影響很大，有很多的用途，從目前我國的4G通訊技術的發展現狀來看，技術還有很大的上升空間，特別是安全性還得不到保障，有很大的安全隱患。黑客可以針對系統的漏洞進行攻擊，來獲取相應的數據信息，讓人們的安全隱私遭受到破壞，損害了他們的權益。除了這些黑客甚至制造一些病毒來入侵到計算機網絡系統，如果沒有進行有效及時的檢測，會讓計算機網絡出現系統崩潰，無法正常運行使用。系統如果沒有得到有效的防護會嚴重損害到用戶的信息，對客戶的傷害是無法預估的。其次網絡安全防護系統并不完善穩固。4G通訊技術從被開發出來到投入使用并沒有很長的時間，在這么短的時間內根本就無法去實現科學的技術發展制度，在各方面都存在不足之處，還有很大的提升完善空間。特別是在安全防護上沒有做到位，讓4G的進一步發展運用受到了很大的影響。安全防護問題成了目前4G通訊技術亟待解決的問題。還有就是沒有標準的安全配置來有效防控安全。4G通訊技術需要各類網絡架構和編程來實現，在這個過程中如果不加強安全管理和防控，會4G通訊網絡運行相對緩慢。最后是病毒的入侵。跟我們常見到的木馬病毒一樣，4G通訊網絡的病毒的入侵也是這個入侵原理，有一些違法份子用自己專業的計算機理論知識和時間操作能力來進行違法入侵，通過病毒的植入來破壞網絡系統，達到違法獲取用戶隱私數據的結果。

作者簡介：

武文學，男，生于1986年12月，在2010年7月從沈陽工業大學畢業，獲得學士學位，所學專業是電子信息工程，目前在遼寧郵電規劃設計院有限公司任職，職位是網絡工程師，主要工作內容是LTE/5G移動通信網絡技術研究、網絡規劃優化及工程咨詢設計工作，通信地址：遼寧省沈陽市東陵區（渾南新區）金科街7號，郵編：110179;

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