第四代移动通信系统关键技术研究

贺延平

(中国联合网络通信有限公司宝鸡分公司，陕西宝鸡721000)

4G是第四代移动通信系统的简称。4G技术就是把移动通信系统同其他系统结合起来，提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容。4G具有更高的数据速率、频谱利用率和安全性、智能性、灵活性，更高的传输质量和服务质量。4G系统应体现移动与无线接入网及IP网络不断融合的发展趋势。因此，4G应当是一个全IP网络。

14 G定义

严格来说，4G并没有一个确切的定义及标准，普遍认可的一种描述是:“第四代移动通信技术可称为广带接入和分布网络，具有非对称超过2 Mbit·s－1的数据传输能力，对全速移动用户能提供150 Mbit·s－1的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输”［1］。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络。此外，4G还是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入IP系统。

24 G的系统特点

2.14 G优势分析

与以往的通信系统相比，4G最明显的优势在于通话质量和数据通信速度。其优势主要体现在以下几个方面:

(1)高通信速率、高存储容量。4G系统具备更快的无线通信速度，其中，对于高速移动的用户，数据速率为2 Mbit·s－1;对于中速移动的用户，数据速率为20 Mbit·s－1;对于低速移动的用户，数据速率为100 Mbit·s－1。由于传输速率增大，因此储存容量至少为3G系统的10倍以上。

(2)高兼容性，实现不同系统间的无缝连接。未来的4G通信系统应当具备向下兼容、全球漫游，接口开放，能实现跟多种网络互联，多元终端等特点，并能从3G通信技术平稳过渡到4G，顺利的在不同系统间进行无缝切换，传输高速多媒体文件等。

(3)基于全IP的网络，实现高的频率使用效率。相比3G而言，4G的核心网是一个基于全IP的网络，主要运用以路由技术为主的网络架构。为了进一步提高无线因特网的主干带宽宽度，引入了交换层级技术，该技术能同时涵盖不同类型的通信接口，因此无线频率的使用率得到了提高。

(4)可靠的鉴权及安全机制。4G移动通信网是一个基于分组数据的异构网络，目前已基本确定了4G安全体系的总体方向，如移动IPv6、认证、授权、审计和计费(AAAA)，以及各种协议或算法计算量轻等特性［2］。

2.24 G劣势分析

尽管4G移动通信技术有着比3G更强的优越性，但不可否认4G是较复杂的技术系统之一，在具体实施过程中必然会遇到许多复杂的技术问题。4G技术有待于解决的主要问题主要有:

(1)无线系统中的移动性管理。移动性通常涉及到在不同网段间漫游的移动用户，数据链路层的移动性支持通常限制在同类网络之间，因而网络层移动性是4G移动性管理的关键。

(2)核心网的移动IP技术。移动IP代表了一种简单而且可以升级的全球移动性方案。但是，对于4G系统而言，它缺乏实时位置管理和快速无缝切换机制的支持。要解决这些问题，必须采用新的网络结构和管理路由优化方案，需要采用高效的发送和切换协议。但由于4G移动通信网络的架构相当复杂，因此这两个问题显得格外突出。

34 G的关键技术研究

以上4G系统的优劣与其所使用的关键技术密不可分，因此对其关键技术的研究将有助于最大限度地发挥4G系统的优势，避免其劣势。4G的关键技术主要包括切换、智能天线［3］、无线链路增强、全IP、调制与编码、软件无线电和OFDM调制技术等。其中最为关键的是OFDM调制技术。

(1)无线链路增强技术。无线链路增强技术主要有分集技术和多天线技术。4G系统采用了多输入多输出(MIMO)技术实现发射和接收分集。它是在发射端通过多个发射天线传送信号，在接收端使用多个接收天线接收信号的多发射、多接收的空间分集技术，采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道从而大大提高容量，同时提高信道的可靠性，降低误码率。现有移动通信系统中，多数基站的天线采用一发两收的结构。

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对比分析这两种技术，MIMO系统具有降低码间干扰;提高空间分集增益;提高无线信道容量和频谱利用率［4］等优点。

(2)全IP技术。4G移动通信系统采用了基于IP的全分组方式传输数据流，支持有线及无线的接入，可实现不同网络间的无缝互联。IP与多种无线接入协议相兼容，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。同时4G系统还将采用IPv6技术，它能够提供更好的QoS保证及更好的安全性，能够彻底解决地址资源不足的问题。

(3)调制与编码技术。4G系统将采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等。4G系统可能会采用两种形式的多载波调制(MCM)技术:多载波码分多址(MCCDMA)和正交频分复用时分多址(OFDM－TDMA)。一般MC－CDMA采用QPSK调制，而OFDM－TDMA采用高电平调制［5］。采用这些调制方式以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。另外，4G移动通信系统还采用更高级的信道编码方案，从而在低Eb/No条件下保证系统足够的性能［6－7］。

(4)OFDM调制技术。4G系统既要求高的数据传输速率，又要求保证传输质量，因而要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期，而OFDM技术正满足这一需求。

OFDM技术实际上是多载波调制技术(MCM)中的一种。它的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，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。OFDM的传输系统可以描述如图1所示［8－10］。

图1 OFDM传输系统

OFDM系统的一个优异特性是易于改用其它带宽。为有效利用频宽，OFDM采用了高阶调制的方法。OFDM采用的是64QAM，所以其频谱效率较高。尽管总的信道是非平坦的，但是每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM技术之所以备受关注，主要是因为它有以下优点［11－13］:

图2 重叠多载波调制技术与传统非重叠多载波技术的频带分布比较

1)抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长数倍，使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。同时，通过子载波的联合编码，达到子信道间频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

2)适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。并且OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。

3)抗码间干扰能力强。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带有限，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，因此其对抗码间干扰的能力很强。

除了上述优点外，OFDM也存在一些明显的缺点。首先，对频偏和相位噪声敏感。频偏和相位噪声会使OFDM各子载波之间的正交性恶化，使信噪比下降。其次，功率峰值与均值之比PARR较大，导致发送端放大器功率效率较低，增加基站和用户终端的成本。最后，自适应的调制技术使系统复杂度有所增加，当移动终端达到车载移动速度时，自适应的调制技术就没有意义了。

4 结束语

对整个体系结构中关键技术的研究，将对4G的发展有着重要的意义。在对4G进行优劣分析的基础上讨论了其关键技术，重点对4G中的OFDM调制技术进行了探讨。可以看出，虽然OFDM技术有着许多优点，但也存在缺点，容易受频率偏差和相位噪声的影响，并存在着较大的峰值平均功率比。尽管如此，由于OFDM技术具备较强的抗多径能力，与信道编码和时间频率交织相结合，适用于高速无线传输的4G系统，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案。在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最合适的多址方案。

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