4G移動通信系統的主要特點和關鍵技術

1、引言

隨著人們對移動通信系統的各種需求與日俱增，目前投入商用的2G、2.5G系統和部分投入商用的3G系統已經不能滿足現代移動通信系統日益增長的高速多媒體數據業務，許多國家已經投入到對4G移動通信系統的研究和開發中。本文將概要介紹4G移動通信系統的主要技術特點，并討論4G系統中可能采用的有關關鍵技術。

2、4G移動通信系統的主要特點

與3G相比，4G移動通信系統的技術有許多超越之處，其特點主要有：

（1）高速率。對于大范圍高速移動用戶（250km/h），數據速率為2Mb/s；對于中速移動用戶（60km/h），數據速率為20Mb/s；對于低速移動用戶（室內或步行者），數據速率為100Mb/s。

（2）以數字寬帶技術為主。在4G移動通信系統中，信號以毫米波為主要傳輸波段，蜂窩小區也會相應小很多，很大程度上提高用戶容量，但同時也會引起系列技術上的難題。

（3）良好的兼容性。4G移動通信系統實現全球統一的標準，讓所有移動通信運營商的用戶享受共同的4G服務，真正實現一部手機在全球的任何地點都能進行通信。

（4）較強的靈活性。4G移動通信系統采用智能技術使其能自適應地進行資源分配，能對通信過程中不斷變化的業務流大小進行相應處理而滿足通信要求，采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。

（5）多類型用戶共存。4G移動通信系統能根據動態的網絡和變化的信道條件進行自適應處理，使低速與高速的用戶以及各種各樣的用戶設備能夠共存與互通，從而滿足系統多類型用戶的需求。

（6）多種業務的融合。4G移動通信系統支持更豐富的移動業務，包括高清晰度圖像業務、會議電視、虛擬現實業務等，使用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務。將個人通信、信息系統、廣播和娛樂等行業結合成一個整體，更加安全、方便地向用戶提供更廣泛的服務與應用。

（7）先進的技術應用。4G移動通信系統以幾項突破性技術為基礎，如：OFDM多址接入方式、智能天線和空時編碼技術、無線鏈路增強技術、軟件無線電技術、高效的調制解調技術、高性能的收發信機和多用戶檢測技術等。

（8）高度自組織、自適應的網絡。4G移動通信系統是一個完全自治、自適應的網絡，擁有對結構的自我管理能力，以滿足用戶在業務和容量方面不斷變化的需求。

3、4G移動通信系統的關鍵技術

為了適應移動通信用戶日益增長的高速多媒體數據業務需求，具體實現4G系統較3G的優越之處，4G移動通信系統將主要采用以下關鍵技術：

（1）接入方式和多址方案

OFDM（正交頻分復用）是一種無線環境下的高速傳輸技術，其主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，各子載波并行傳輸。盡管總的信道是非平坦的，即具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬。OFDM技術的優點是可以消除或減小信號波形間的干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實現低成本的單波段接收機。OFDM的主要缺點是功率效率不高。

（2）調制與編碼技術

4G移動通信系統采用新的調制技術，如多載波正交頻分復用調制技術以及單載波自適應均衡技術等調制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統采用更高級的信道編碼方案（如Turbo碼、級連碼和LDPC等）、自動重發請求（ARQ）技術和分集接收技術等，從而在低Eb/N0條件下保證系統足夠的性能。

（3）高性能的接收機

4G移動通信系統對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照 Shannon定理，可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，數據速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統，要在5MHz 的帶寬上傳輸20Mb/s的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。

（4）智能天線技術

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。

（5）MIMO技術

MIMO（多輸入多輸出）技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時，MIMO系統能夠很好地提高系統的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當接收天線和發送天線數目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達42bps/Hz，這是單天線系統所能達到容量的40 多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術是實現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質量的空間分集技術。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，　 MIMO系統已經體現出其優越性，也會在4G移動通信系統中繼續應用。

（6）軟件無線電技術

軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統的一種具有開放式結構的新技術。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現。其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調制解調算法軟件等。軟件無線電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多

模式手機和基站，能實現各種應用的可變QoS。

（7）基于IP的核心網

4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，同已有的移動網絡相比具有根本性的優點，即：可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網能把業務、控制和傳輸等分開。采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡 （CN）協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。

（8）多用戶檢測技術

多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統中，各個用戶信號之間存在一定的相關性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數的增加或信號功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統的一個主要干擾。傳統的檢測技術完全按照經典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差；多用戶檢測技術在傳統檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有優良的抗干擾性能，解決了遠近效應問題，降低了系統對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統容量。隨著多用戶檢測技術的不斷發展，各種高性能又不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出，在4G實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

4、總結

4G移動通信系統目前還只是一個基本概念，處于實驗室研究開發階段。不少業內人士認為，盡管4G移動通信技術有著比3G更強的優越性，可要是把4G投入到實際應用，還需要對現有的移動通信基礎設施進行更新改造，這將會引發一系列的資金、觀念等問題，從而在一定程度上減緩4G正式進入市場的速度。但可以肯定的是，隨著互聯網高速發展，4G也會繼續高速發展，4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統。