浅析4G移动通信系统

摘要：本文阐述了4G通信技术的概念和关键性能，对4G通信的几种关键技术进行了简要说明，如正交频分复用、软件无线电、多人多出无线技术、智能天线技术、多用户检测、IPv6技术等，本文又对4G技术优于3G技术的原因进行了解析，最后还预测了4G未来的发展趋势。

关键词：4G移动通信技术性能分析技术结构发展展望

1 4G移动通信系统的简介

1.1 4G的定义 4G移动通信是站在无限网络通信的肩上而建立发展起来的，它是真正意义上的高速度传输，是一种具有顽强的抗干扰性及广泛的兼容性的信息移动通信技术[1]。现在4G网络可以分为TD-LTE和 FDD-LTE两种，最近，工信部向中国联通、中国移动、中国电信发放4G牌照，中国移动用的是TD-LTE 4G，中国电信和中国联通它们选择的是采用FDD-LTE 4G，从技术上来增强网络质量和覆盖率。广播网络、广带无线固定接入、广带无线局域网以及移动广带等技术都是4G通信的主要技术[2]。

1.2 4G具备的特点及能力 现在，信息界对4G的认识主要有以下几方面：

①具有很好的数据传输速率。通信专家最早研究4G就是为了使蜂窝电话的速度得以提高，且提升其他移动装置无线访问互联网的速度，因此4G通信让人们感觉到的就是更便捷、更快速[3]。在4G移动通信中一般的用户速率在10~20M范围内，最大限度可到达100Mbit/s，此速度差不多是原来手机10000倍的速率。②网络频谱更宽。据美国AT&T的报告显示，任一个4G通信信道占到的频谱量等同于二十倍的W-CDMA 3G网络[4]。③智能性更高。在智能性的比较中，4G智能性最高，灵活性和适应性更强，它的智能程度不单纯体现在4G终端设备操作以及设计上，最重要的还表现在4G的手机能实现很多超智能的功能。④兼容性能更平滑。当前的通信移动指标有CDMA、GSM、TDMA。要解决它们的兼容性问题，这就要通过4G标准的制定才能实现。4G通信还具备多样化开放接口、漫游全球以及和多种网络互联等特点，真正的实现“无缝连接”和全球一致的标准，还具有从2G、3G过渡平稳的特征[5]。⑤用户共存性。4G能根据具体的网络情况和信道环境进行处理，使高用户、低用户以及不同设备的用户并存与相通，这样就能满足不同的用户需求。⑥业务多样性。4G能集成的业务通信是广泛的、不同标准的，小到一个局域网，大到全球的网络互联，它都能够执行。它能使不同的系统平台间互通更安全、更快捷，且它面向的对象是不同的。4G的电话在各方面上都有着巨大的进步，4G眼镜、智能手表等都渐渐的成为了4G的终端设备。4G是用动态的带宽来进行分配和调节不同的功率，实现业务的多样性[6]。⑦较好的技术基础。4G具有惊人的技术突破，如OFDM、软件无线电、无线接入等，都能很好的使用频率效率以及系统的各种可实现性功能。⑧随时随地的移动接入。4G可以很好的实现随时随地的无线电通信，4G系统采用的是全IP，IPv6能在IP网络上更好的实现语音和多媒体等业务。⑨自治的网络结构。现在的4G通信是一个彻彻底底的自适应与自治的系统，它可以通过智能化的操作，随时动态的变换自己的结构，这样就能满足系统所需的变化与发展。

2 4G移动通信系统结构

2.1 网络体系结构 3G中蜂窝网络将被4G采用的全世界范围蜂窝核心网所取代，4G采取的是全数字技术与全IP技术，这个是从网络内及网络边沿最终向全网智能化的发展。4G网络结构可分为三层：应用网络层、网络层以及中间环境层。今后的骨干网与互联网系统，就会以光纤网络与宽带IP技术为重点，而4G网络的蜂窝按功率可细分为三类，分别是宏区基站、微区基站以及微微区基站。

2.2 接入结构 4G通信接入系统的最大优势就是多模终端以公共开放平台为基础，采用不同的接入技术，在不同的网络平台间进行协作与无缝连接。当系统被多模终端接入时，网络这时就会自动的分配频带，且分析出哪个路由最佳，从而实现最优通信。现今4G通信主要接入技术有:无线蜂窝移动通信系统、短距离连接系统、固定无线接入系统、卫星系统、广电接入系统等。

2.3 核心结构 4G移动的核心网是以全IP为基础的网络，也就是基于IP的网络维护管理、IP的网络资源、IP的承载机制、IP的应用服务等来实现各种网络间的无缝连接。核心网有开放性，对任何的空中接口进入核心网都是无限制的，且它还能把传输、控制以及业务等分离然后进行相应的操作。

2.4 移动终端 4G的特点就导致了4G终端与3G的不同。它能满足广带宽与高速率的需求，它对复杂的QoS指标和任意的空中接口要求都能适应，最终能够完成不同用户需求的任务。

3 4G网络中的关键技术

3.1 正交频分复用（OFDM）技术。OFDM是4G技术的关键核心。此技术最大的优点就是能超大限度的提高频谱利用率，从而避免或减少其码间干扰，且它的抗干扰能力极强。3G使用的是码分多址、CDMA使用的是单载波技术、CDMA2000使用的是多载波调制，而OFDM中每个信道载波是相正交的，频谱是相互累叠的。OFDM主要内容是将指定的信道划分成无数个正交子信道，然后在子信道上采用子截波来完成相关调制，最后每个子截波并行来完成相关的传输，因此就解决了总信道是否平坦等问题。任何子信道都能够当作平坦衰落，于是就大幅度消减波形符号间的干扰，使频谱利用率得到提高。

3.2 智能天线技术。智能天线技术是波束间没有切换的多波束和自适应技术阵列天线，它是一种以自适应天线原理为基础的移动通信技术，它在抑制干扰、降低成本、扩充容量等方面有着空前的突破。该技术使用的是空间多址技术，智能天线本质上是双向天线，它是利用一组具有能编程电子相位关系的不变天线单元来获取方向，而且还能在同一时刻获得移动台与基站间链路的方向性。

3.3 软件无线电(SDR)技术。软件无线电技术的精髓就是窄带接收机被宽频带无线接收机顶替了，造就一个通用的硬件环境，使宽带的D/A、A/D变换器最大限度的接近天线，这样就可以将通信台的功能用可编程软件来完成。

3.4 多输入多输出（MIMO）技术。MIMO技术是指在移动终端和基站拥有无数个天线。空间分集与空间复用增益都是由MIMO技术所提供。MIMO工作原理则是采用多通道、多天线，信号经过多次切割后，再通过天线完成同步传输。它的优点是降低码间干扰，使频谱利用率和空间分集增益得以提高。

3.5 多用户检测技术。多用户检测技术核心思想是把同时占有某种信道的用户（包括部分用户）当成有用信号，通过多用户的码元、相位、时间等信息来检测出某个用户的信号，也就是运用各类信息和手段来处理接收信号，这样就能充分的应用链路频谱，扩大系统容量。

3.6 IPv6技术。4G移动通信的核心网是一个基于全IP的网络，核心网具有开放性，能让不同的空中接口进入核心网，并且它把业务、传输、操作等分开。IP与多种无线接入协议能兼容，因此核心网络的设计就具有很强的可操作性、多变性、灵活性，这样无论接入是采用何种方式、何种协议都不用担心了。IPv6拥有很多的优点，例如：巨大的地址空间；能自动控制有状态及无状态的地址；服务质量明显优于IPv4；具有移动性等。

4 4G的发展展望

4G的技术发展实现了无时无刻的物流功能，对物联网时代的发展起着重要作用，在今后的物联网生活中，任何一个东西都可以通过网络来控制，而网速的快慢就影响着人们的生活品质，4G的超速让人们时刻感受到方便，当人们不在家时就可以用手机控制电视机、空调、洗衣机、煤气、窗户等东西的开关，如果在家里装有防盗系统的，还可以用手机时刻关注门窗的变化，这一系列的智能家居都需要在4G的带动下才能普遍快速的发展起来。今后的4G网将会非常的普遍，2G网络也会在几十年后逐渐的消失。4G将会使以后的电子、商贸、医疗、教育、运输等发展更加的迅速，所以在4G发展成熟后会给人们带来前所未有的舒适便捷。

参考文献：

[1]刘彦彬.第四代无线通信技术[J].科技风，2010(13):10-17.

[2]宋莉.概述现代化4G 移动通信技术[J].数字技术与应用，2012(5):7-15.

[3]杜峰.4G催生IT业创投热点[J].通信信息，2013(1567):3-8.

[4]杨小牛.第四代移动通信系统概述[M].北京:电子工业出版社，2010:10-12.

[5]张玉龙.对4G移动通信技术应用与发展的展望[J].信息通信，2013(1):3-5.

[6]殷薇娜.全网智能化前景探讨[J].数字技术与应用，2012(11):15-19.

作者简介：

唐晔(1973-)，男，重庆人，副教授，主要从事信息技术研究。

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