浅析新一代移动通信无线技术

2012-12-28廖天亮

中国新技术新产品 2012年11期

廖天亮

（贵州日海捷森通信工程有限公司，贵州贵阳 550002）

14G系统的关键技术

4G具有较高的数据速率和频谱利用率，能够提供多媒体业务，能够实现全球无缝隙漫游，具有更高的安全性、智能性、灵活性以及更高的传输质量和服务质量，能支持非对称性传输，并可支持多种业务。这些相对于3G系统所表现出的优点主要是由于使用了许多新兴的、先进的无线通信技术。4G系统最主要的关键技术如下：

1.1 智能天线技术

智能天线主要是指自适应天线阵列，是利用移动用户和基站间各个传输链路空间特征的差异，在基站端运用信号处理技术和软件技术，通过多天线阵元结构，产生特定方向特性(主波束对准移动用户信号方向，旁瓣或邻瓣对准干扰信号方向)的天线波束，在同一信道上减少多个移动用户接收和发送信号的干扰，提高频谱利用率的一种分集技术，其本质是利用相位关系抑制多址干扰和多径干扰。

智能天线技术的发展主要是考虑智能天线和移动通信环境的特性，如电波的传播特性、干扰和信号带宽的有效性等，通过链路级和系统级的仿真与实际验证，综合利用计算机处理技术优化天线阵列参数和设计数据业务的最优传输模式。

智能天线除了在提高频谱利用率、抑制干扰等方面的优点外，还可以通过基站对移动用户发射信号的空间特征矩阵的分析，实现对用户空间位置的较精确定位。

1.2 OFDM技术

正交频分复用技术是一种无线环境下的高速传输技术，与3G的CDMA技术显著不同。它是对多载波调制技术的改进，可以认为是整个4G技术的核心。

在高速移动的无线通信环境中，多普勒频移和多径效应会对信号的正确接收产生显著的干扰。OFDM技术是对抗频率选择性衰落和窄带干扰的有效途径，其基本原理是在频域内对传输信道进行分解，使各子载波相互正交，然后将高速数据流分解为多个低速数据片段，在各子载波上分别进行调制，使串行通信变换为多个独立子信道上的并行通信。一方面使每个子信道变得相对平坦，某个时刻只会有少部分信道受到深衰落的影响，不至于一次干扰就导致整个链路的失败，有效抑制了频率的选择性影响。另一方面由于高速数据流也进行了分解，每个子信道上传输的信号带宽小于信道的相应带宽，信号波形间的干扰也大大减少。

1.3 MIMO技术

多输入多输出技术本质是一种分集技术，是多天线技术的发展。它利用多个天线在收发两端同时工作，在空域上扩展传输通道进而提高系统的传输速率。并行工作的各个发送和接收天线通过角度扩展等多种途径减少空间相关，当彼此的信道冲击和响应相互独立时，信道的容量或者传输能力将随着天线数目的增加而线性增加，这样系统的通信能力将可以在不增加天线的发射功率和系统带宽的情况下得到成倍提高。

MIMO技术是无线通信领域的重大突破，发展潜力巨大。通过近几年的不断完善和改进，已经越来越多地应用到各种无线通信系统中，被认为是现代无线通信的关键技术之一。其优点可以概括为：可降低码间干扰、可提高空间分集增益、可提高无线信道容量和频谱利用率。

1.4 切换技术

切换技术指的是移动终端从一个通信覆盖区移动到另一个通信覆盖区，为保持通信业务连续性而改变信道所进行的链路侦测、仲裁和建立、断开等操作的综合技术。切换是蜂窝移动通信系统中保持用户移动性的基本技术，是4G实现无缝、可靠漫游的基础。

切换的实现在方式上可分为硬切换、接力切换、软切换和更软切换等多种方式，切换的发生时机包括移动终端在不同网络之间的接入和在不同基站之间的移动，也包括在同一基站的不同扇区或者不同频率之间的迁移，还包括随着信道变化进行链路的更新等情况。

现有的切换控制机制主要有两种，一种是由智能化移动终端进行端口信号的强度和质量的检测，由终端的软件系统进行判决，主动发起和完成切换操作，另一种是由移动用户临近的基站监测各通信链路的信号状态，交换网中心根据监测数据完成切换。

DSP和软件技术是4G切换技术的关键组成，高效智能的切换算法可以显著提高系统的切换效率和质量。在4G中将会综合两种控制机制的优点，发挥终端智能软件的优势，实现以软切换为主，辅助其它切换方式的综合切换技术。

1.5 软件无线电技术

软件无线电是改变传统的无线终端的设计以硬件为核心的观念，强调以可配置、可升级的软件编程和DSP技术为核心，尽量以最简化的、开放的、标准化的通用硬件平台来实现无线数据收发功能的设计技术。

在系统组成上，软件无线电的硬件部分主要包括天线、射频前端、宽带数字/模拟转换器件、数字信号处理器件等基本单元。天线覆盖频段一般比较宽，频段特性均匀，射频前端完成发射时的上变频、滤波、功放以及接收时的滤波、放大和下变频等功能。信号在完成数字化的转换以后，几乎全部的工作都由软件来处理。

软件部分主要包括类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。主要的通信子功能如基带处理、工作频段设置、数据格式、通信协议等全部用代码实现，即通过软件编程，使通用硬件平台成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。

软件无线电的灵魂是软件。针对传统的功能相对单一、难以扩展的硬件单元进行分析，通过建立适当的数学模型，研究高效实时的处理算法，开发出相应的软件模块来替代、提升相对应的硬件功能，是提高系统灵活性和扩展升级能力的有效途径。

软件无线电技术是解决移动终端在不同无线环境中工作的关键技术，伴随芯片处理能力的提高和DSP技术的进步，发展空间很大，对于4G支持多种业务的完整融合，支持各类媒体及网络协议之间的“无缝连接”非常重要。

1.6 对4G的讨论

当无线通信系统从模拟技术为主发展到现在的全数化以后，软件的地位和作用就一步步得到增强。软件技术突出优点在于易升级、易扩展和基本上不占体积。随着通技术发展的速度越来越快，新技术的更新对保护运营商和户的现有投资是一对日渐突出的矛盾，智能手机和移动终的小型化更一直是设计者努力的方向，而软件技术的推广疑是解决这些问题的最有效方式。

4G的软件无线电技术、智能天线技术、分组交换技术、据融合技术和切换技术都将在很大程度上依赖软件的实现手机芯片上的软件从单一的控制程序升级为独立的操作系已经是大势所趋，Android、Symbian、iOS和wp7现在已成为熟能详的名词。预计要不了多久，移动终端和智能手机上软件数量将超过台式电脑。