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热点技术

4G通信技术及其应用前景

□杨超1梅康1陈金鹰1　朱军2

（1、成都理工大学信息工程学院，成都610059；2、成都军区通信网络技术管理中心，成都610011）

摘要：

本文在介绍第四代移动通信基本概念的基础上，对其可能采用的OFDM、软件无线电、智能天线、MIMO、基于IP的核心网技术进行了讨论。

通过对4G通信技术主要优势的分析，探讨了4G的基本特征，以及由于新技术的引用和效能的提高，将为4G带来的更为广阔的应用领域和市场。

关键词：

移动通信4GOFDM全IP核心网

引言

移动通信以其用户可在通信覆盖区域内任意位置、并在运动情况下通信，而极大地拓展了实用性，并为社会发展带来深刻的影响。

以模拟信号传输为基础的第一代移动通信，解决了人们基本通话需求，所采用的蜂窝网络结构实现了频率的重用，使成千上万的公众能利用有限的频率资源进行大众化的通信。

第二代移动通信以数字信号传输为基础，在改善通信质量、提高频率资源利用率和信道容量的同时，还提供低速率的数据传输能力。

第三代移动通信进一步提高频率利用率，使高质量的视频宽带多媒体综合业务成为可能，也使手机上网、移动计算得以实现。

进一步的移动通信发展将是怎样的面貌，是值得关注的话题，本文就已经露出了一些端倪进行讨论。

一、4G的概念

“4G”是业界对第四代移动通信通俗的叫法，国际电联的官方称法是“IMT-Advanced”。

4G技术不同于3G技术的一个明显特征是，4G技术由于连接传输速率大幅提高，从而能引入高质量的视频通信，将被广泛地应用于人们生活和经济建设的方方面面[1]。

就数据传输速率而言，有了较大提高。

如韩国三星电子所演示的4G技术，实现了静止时以1Gbps级的速度和移动时以100Mbps级的传输速率连续无停顿传输数据[2]。

我国的首个4G外场试验系统在上海的测试也显示，该系统在高速移动环境下的信息传输速率达100Mbps，将现有移动通信传输效率提高了近10倍[3]。

其次，就4G的应用和功能而言，同样进行了新的扩展。

如韩国三星的4G演示中，同时使用宽带、视频通话、直播论坛等示范服务，4G传输的影像画面清晰，无停顿和抖动。

第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

4G标准正在加紧制定中，4G标准申报工作已经结束，国际电联在相关的截止日期前已经收到6份提案，其中包括中国的TD-LTE-Advanced提案。

世界无线电全会将于2012年春天召开，届时将正式公布4G标准最终结果。

未来5年移动通信技术的最大热点将是4G和3D，100Mbit/s的速度可让手机成为真正的移动多媒体终端[4]。

二、4G通信中的关键技术

目前的4G系统仍处于研究的起步阶段，但有网络融合的趋势，如图1所示。

图1中的固定无线接入、WLAN接入、卫星通信系统、GSM等2G通行系统、3G通行系统、蓝牙技术接入、数字音频视频广播以及其他新的接入系统都将接入全IP核心网。

“全IP核心网”包括从IP骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。

未来的无线基站将具备通过IP协议直接接入“全IP核心网”的能力，2G移动通信系统原有的交换中心MSC、归属位置寄存器HLR、鉴权中心AUC等网元的主要功能都将由4G网络上的服务器或数据库来实现，信令网上的各层协议也将逐渐被IP协议所取代。

整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构，业务的差异性也只体现在接入层面。

在4G通信系统中可能采用的关键技术主要包括OFDM、软件无线电、智能天线、MIMO、基于IP的核心网等[5，6,7]，下面分别予以讨论。

全IP核心网

GSM等2G

通信系统

3G

通信系统

蓝牙

技术接入

卫星

通信系统

WLAN

接入

固定

无线接入

数字音频

视频广播

其它新的

接入系统

图14G通信系统网路组成示意图

1、正交频分复用技术（OFMD）

第四代移动通信以OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）为核心技术，OFDM技术是多载波调制技术（MCM）中的一种，其主要思想是：

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。

其优点是：

频谱效率比串行系统高、抗衰落能力强、适合高速数据传输、抗码间干扰（ISI）能力强[8]。

2、软件无线电技术

软件无线电（SoftwareDefinedRadio，SDR）可以将不同形式的通信技术联系在一起。

软件无线电技术的基本思想是将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将A/D和D/A转换器尽可能地靠近RF前端，利用DSP技术进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。

SDR通过建立一个能运行各种软件系统的高弹性软、硬体系统平台，实现多通路、多层次和多模式的无线通信，使不同系统和平台之间的通信兼容，因此是实现“无疆界网路”世界的技术平台。

3、智能天线技术

智能天线（Smart Antenna，SA）也叫自适应阵列天线，由天线阵、波束形成网络、波未形成算法三部分组成。

SA通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号抑制干扰信号的目的，如图2所示。

图2左边反映的是利用智能天线实现对用户的跟踪过程，图右边反映的是利用智能天线的多天线技术实现空分多路接入。

SA具有抑制信号干扰，自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是解决频率资源匮乏、有效提升系统容量、提高通信传输速率和确保通信品质的有效途径。

4、MIMO技术

MIMO（MultipleInputMultipleOutput,MIMO）技术采用在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线，通过多发送天线与多接收天线相结合来改善每个用户的通信质量或提高通信效率[9]。

利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。

MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益。

空间复用技术用以提高信道容量，空间分集则用以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级[8]。

图2　智能天线的功能

图2智能天线的功能

5、基于IP的核心网

从图1可见，4G的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。

核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。

4G的核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。

采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络协议、链路层是分离独立的。

IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。

 由于Ipv4地址几尽枯竭，4G将采用128位地址长度的Ipv6，地址空间增大了296倍，几乎可以不受限制地提供地址。

Ipv6的另一个特性是支持自动控制，支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。

无状态地址自动配置方式下，需要配置地址的节点，使用一个邻居发现机制获得一个局部连接地址，一旦得到一个地址以后，使用一种即插即用的机制，在没有任何外界干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。

有状态配置机制需要一个额外的服务器对DHCP协议进行改进和扩展，使得网络的管理方便和快捷。

此外，Ipv6技术还有服务质量优越，移动性能好，安全保密性好的特性[10]。

三、4G通信技术的主要优势

4G通信不仅为人们提供沟通的自由，并将深刻地改变人们的生活方式。

从目前正在研究的4G通信所透露出来的信息，可以看出4G的某些特征[11～14]。

1、通信速度更快

对大范围高速移动的使用者（最高250km/h）频宽需求为2Mbps，中速移动的使用者（60km/h）频宽需求为20Mbps，低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps；据AT&T公司研究4G通信的专家们估计，每个4G信道将占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA3G网路的20倍。

2、更高储存容量

由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上。

3、更高相容性

4G通信技术使用户在移动中，特别是高速移动情况下能顺利使用通信系统，传送高速多媒体资料等。

必须具备向下兼容、开放界面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等，并能从3G通信技术平稳过渡至4G。

4、高度智慧化网路系统

4G网路系统能随状况自行调整，具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求。

通信的终端设备的设计和操作更加智能化，以满足用户将来更多的功能需求。

5、频率使用效率更高

4G对无线频率使用的有效性，可以让更多的人用与以前相同数量的无线频谱做更多的事情，而且做这些事情的时候速度更快。

6、整合性的便利服务

4G系统将个人通信、信息传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。

4G手机可相当一台小型电脑，眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋等任何一件物品都有可能成为4G终端。

利用4G通信技术可以双向下载传递资料、图画、影像、地图，可以实现例如无线区域环路（WLL）、数字视频广播（DVB）、数字音讯广播（DAB）等方面的无线通信增殖服务。

7、通信费用更加便宜

4G通信利用高灵活性的系统操作，使通信部署起来更容易和便捷。

在建设4G通信网络系统时，通信营运商可直接在3G通信网络基础设施之上，采用逐步引入的方法，有效地降低运营者和用户的费用。

四、4G的应用

新技术的引用和效能的提高，将为4G带来更为广阔的应用领域和市场。

1、4G在智能手机中的应用

利用4G可在语音通话的同时双向传递资料、图画、影像。

4G手机可根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么或不该做什么事。

4G手机可以将电影院票房资料直接下载下来，包括售票情况、座位情况。

使人们可以根据这些信息来进行在线购买电影票，可以在4G手机上根据自己需要直接购买车票、机票。

2、4G在移动/便携游戏中的应用

4G网络服务的速度优势和终端设备接入所提供的便捷有助于游戏的推广，人们可通过无线网络接受4G信息并传输到游戏设备中。

3、4G在射频测量技术中的应用

射频测量技术包括射频信号源、射频功率计、射频频谱或射频信号分析仪、网络分析仪等。

随着射频技术的发展，对于射频测量提出更快速度，更高精度的要求。

4G网络拥有的高频谱带宽，可在很大程度上满足射频测量的需求。

4、其它应用

通过4G网络可以提供更好、更快和更便宜的医疗和应急服务，并在抗洪抢险、地震灾害中发挥作用。

五、结束语

随着4G通信技术研究的深入，许多国家和地区正在积极参与第四代移动通信技术标准的研究制定工作。

对4G通信系统中可能采用的关键技术还有待取得突破，从目前来看，这些关键技术还主要集中在对OFDM、软件无线电、智能天线、MIMO、基于IP的核心网的研究方面。

由此带来的4G通信技术优势，使手机的传输速率进一步提高，应用领域向移动智能终端方向发展，带来新的商机。

参考文献

[1]4G国际标准[EB/OL].

[2]韩国4G技术实现100Mbps移动传输速率[EB