第四代移动通信系统4G与其关键技术研究

刘伟　魏迎春

摘 要 本文首先介绍了第四代移动通信系统（4G）的概念、主要特点，并与第三代移动通信系统的参数进行了对比，然后讨论了第四代移动通信系统的网络架构及其七大关键技术，最后总结了第四代移动通信系统的最新进展。

关键词 4G OFMD MIMO 智能天线 软件无线电

1 第四代移动通信系统（4G）概述

1.1 4G概念

4G，即为第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品，提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容，它体现了移动与无线接入网及IP 网络不断融合的发展趋势。4G 亦可称为广带接入（broad-band）和分布网络， 包括广带无线固定接入、广带无线局域网（WLAN）、移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和移动卫星），是集成多功能的宽带移动通信系统[1]。它具有许多优势，已成为移动通信领域的研究热点。

1.2 4G主要特点

（1）通信速度更快：4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

（2）网络频谱更宽：每个4G信道将占有100MHz或者更多带宽，相当于WCDMA网络的20倍。

（3）智能性更高：4G的智能性更高，不仅表现于4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，而且能自适应低进行资源分配，处理变化的业务流和适应不同的信道环境。

（4）兼容性能更平滑：移动中不同系统间的无缝连接，4G通信系统具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化以及能从3G 平稳过渡等特点。用户在高速移动中， 能够按需接入系统， 并在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

（5）基于IP的核心网：支持有线及无线接入，且所采用的无线接入方式和协议与核心网协议、链路层是分离独立的[2]。

1.3 4G与3G的主要参数比较

4G和3G的系统主要参数的比较如表1所示。

2 4G的网络体系结构

在第四代移动通信系统中，为了满足不同用户对不同业务的需求，将各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台（如图1所示）。从图中我们可以看出基于IP技术的网络架构使得用户在2 G 、3 G 、4 G 、WLAN 、固定网之间无缝漫游可以实现。

目前认为4G网络体系的分层结构大致可分为3层，自上而下分为：物理层（又称物理网络层或接入层）、网络层（又称中间环境层或承载层）、应用层（又称应用网络层或业务控制层）。物理层网络以集成的方式为所有无线及核心网络提供接入与路由功能。中间件环境桥接应用层与物理层。它提供诸如QoS 映射、地址变换、即插即用、安全管理、激活网络等功能。物理层与中间件环境之间的接口应是一种开放的IP 接口。中间件环境与应用层之间的接口也应是开放接口， 以利于第三方开发和提供新的应用与服务。图2为4G的网络体系分层结构[3]。

3 4G的关键技术

移动通信技术将向数据化，高速化、宽带化、频段更高化等方向发展，移动数据、移动IP将成为未来移动网的主流业务。第四代移动通信要求数据传输速率从2Mb/s提高到100Mb/s。为了达到这个目标，需要在下列几个方面作出努力：频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。为此， 4G系统使用了许多新技术，其中关键技术介绍如下。

3.1 正交频分复用（OFDM）技术

根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出正交频分复用的调制技术。如图3所示[4]，正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰（ISI） 的理想信道， 这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地解调。

OFDM作为第四代移动通信系统的核心技术， 作为多载波调制的一种， 最大优点就是对抗频率选择性衰落与窄带干扰， 同时频谱利用效率高、抗噪声能力强，采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率，适合于高速数据传输。

3.2 多输入多输出（MIMO）技术

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一。MIMO 技术利用发送端和接收端的多个天线来对抗无线信道衰落， 从而在不增加系统带宽和天线发射功率的情况下可以有效地提高无线系统的容量，其本质是一种基于空域和时域联合分集的通信信号处理方法。

对于天线数与信道容量的关系，我们可以假设在发射端，各天线发射独立的等功率信号，而且各信号满足Rayleigh（瑞利）分布，根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量计算方法，推导出平衰落MIMO系统信道容量近似表达式为[5]：

C=[min（N，M）]·B·log2（SNR/2）

其中B 为信号带宽，SNR 为接收端平均信噪比，min（N，M）为发射天线数量N 和接收天线数量M 中的最小者。

理论和计算机仿真表明：在同等传输带宽，而且接收端信噪比不变化的情况下（基本取决于外界条件和发射功率的变化），多入多出系统的信道容量随最小天线数目的增加而线性增加，因此具有广泛的应用价值。

3.3 智能天线技术（SA）

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA（Direction of Arrival），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。

智能天线（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，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线使用数字信号处理技术[6]，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号之目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

3.4 基于IP的核心网

4G 移动通信系统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。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（CN）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。

在4G 通信系统中将取代IPv4协议，主要采用全分组方式IPv6 技术，IPv6 具有许多的优点，如：有巨大的地址空间；支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式；能够提供不同水平的服务质量；更具有移动性[7]。

3.5 软件无线电技术（SDR）

所谓软件无线电（简称SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等。整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/ 模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。它具有灵活性较高、集中性强及模块化等特点[7]：

3.6 移动定位技术

定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位三种方式。在第四代移动移动通信系统中， 移动终端可能在不同系统（平台）间进行移动通信。因此， 对移动终端的定位和跟踪， 是实现移动终端在不同系统（平台）间无缝连接和系统中高速率和高质量的移动通信的前提和保障。

3.7 多用户检测技术

多用户检测技术的核心思想就是利用均衡技术。将来自其他用户的 ISI 也当作MAI 而一并消除之。多用户检测技术充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。

4 4G新进展

由于4G 与3G 相比具有通信速度更快，网络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高兼容性能更平滑等优点。国际电信联盟（ITU）为4G 制定了明确目标，2006 年至2007 年完成频谱规划，2010 年左右完成全球统一的标准化工作，2010 年之后开始商用。

2010 年11 月，ITU 正式确认LTE-Advanced 与Wireless MAN-Advanced 技术为4G 标准；12月份，又将WiMax、HSPA+、LTE 技术纳入4G 标准。

现阶段我国的4G 研究成果，主要是在上海建立的一个4G 试验网，实验系统由3 个无线覆盖小区、6 个接入节点和6 个移动终端组成，并引入了世界上最复杂的技术，如IPv6 核心网络、IPTV 高清晰度业务与移动通信的切换技术等等。

2011年3月，中国移动将在深圳、上海、广州、南京、杭州等城市开始首批TD-LTE规模技术试验网建设。

5 结束语

目前，4G移动通信即将开始实验网建设，具体的设备及后续的软件开发还继续开发研究，但是未来的4G必定会具有高速率高质量的数据传输、无所不在的移动接入、高智能的多样化的用户设备等特征，随着新问题，新要求的不断出现，4G将会不断地调整、改善及进一步发展。我们相信在不久的将来，4G 将成为满足未来市场需求的新一代的移动通信系统，它将帮助我们实现充满个性化的通信梦想

参 考 文 献

[1] 百度学科.4G[EB/OL].http：//baike.baidu.com/view/2727.htm

[2] 王建峰，黄国策，康巧燕， 4G 移动通信系统及其与3G系统的比较研究， 西安邮电学院学报， 2006 .9

[3] 赵亚男张禄林吴伟陵.第四代移动通信系统关键技术研究.无线电工程.2005.2

[4] 李世博.第四代移动通信系统的关键技术及网络结构.广西通信技术.2007.12

[5] 刘丽 刘世忠 郭燕飞4G通信系统核心技术M I M O - O F D M 研究.移动通信.2009.2

[6] 张献英.第四代移动通信技术浅析.数字通信世界.2008.6

[7] 第四代移动通信技术研究[J].第三届全国软件测试会议与移动计算、栅格、智能化高级论坛论文集.2009.（22）：239-241.