4G移动通信的核心技术与发展策略研究

2016-10-13贾慧颖

移动信息 2016年3期

贾慧颖

4G移动通信的核心技术与发展策略研究

贾慧颖

广州市汇源通信建设监理有限公司，广东广州 510620

随着科学技术的飞速发展，移动通信技术经历了三次华丽发展。3G技术能有效提供前几代产品无法提供的信息业务，但其自身存在较多局限性，尤其是对2G网络结构的沿用，使得移动终端无法实现智能化。而4G移动通信技术能够提供更为快捷的传输速度、更为稳定的传输效率、更优质的通话质量和高强的保密性等，将为人们提供更为人性化的用户体验。

4G移动通信；核心技术；存在缺陷；发展策略

1 4G移动通信的核心技术

1.1 基于IP的核心网

从图1可见，4G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，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。

由于Ipv4地址几尽枯竭，4G将采用128位地址长度的Ipv6，地址空间增大了2 96倍，几乎可以不受限制地提供地址。Ipv6的另一个特性是支持自动控制，支持无状态和有状态两种地址自动配置方式。

无状态地址自动配置方式下，需要配置地址的节点，使用一个邻居发现机制获得一个局部连接地址，一旦得到一个地址以后，使用一种即插即用的机制，在没有任何外界干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。有状态配置机制需要一个额外的服务器对DHCP协议进行改进和扩展，使得网络的管理方便和快捷[1]。

图1 4G通信系统网路组成示意图

1.2 LTE物理层的传输技术

LTE物理层传输技术包括物理层上下行传输方案、帧结构设计、小区间干扰控制技术、多天线技术、小区搜索技术和随机接入技术等。采用OFDM是LTE系统的主要特点，其优点是对时延扩展有较强的抵抗力，减小符号间干扰，通常在OFDM符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展则可以完全消除符号间干扰。

MIMO作为提高系统传输率的最主要手段，也受到了广泛关注。由于OFDM的子载波衰落情况相对平坦，十分适合与MIMO 技术相结合，提高系统性能。MIMO 系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道。

1.3 LTE的系统架构

3G的网络由基站（NB）、RNC、服务通用分组无线业务支持节点（SGSN）和网关通用分组无线业务支持节点（GGSN）4个网络节点组成，而LTE 网络仅由演进型通用地面无线接入网基站（E-UTRAN基站即eNB）和接入网关（AGW）组成，相比WCDMA（HSDPA）网络采用了更为扁平化的网络架构。这一方面减少了设备的数量，同时也大大降低了业务时延。LTE的总体系统结构见图2。

图2 LTE总体系统架构

注：MME为移动性管理实体；SGW为服务网关。

LTE网络架构涉及的功能包括：无线资源管理（RRM），UE与网络的QoS协商，位置管理，寻呼、空闲和激活状态移动性管理，不同接入技术间的移动性，安全和加密，报头压缩，上层自动请求重发（OuterARQ），IP地址分配，漫游，多媒体广播与组播（MBMS）等。

1.4 LTE的空中接口协议

由于基于全分组的协议，3GPP LTE的协议结构得到极大简化，RLC和MAC都位于节点eNB，因此调度器可以根据信道质量对RLC服务数据单元（SDU）进行切割，从而减少填充和充分利用信道的传输能力，同时可以对RLC层的自动重发请求（ARQ）和MAC层的混合自动重发请求（HARQ）进行联合优化[2]。

2 当前4G移动通信系统面临的问题

2.1 容量受到限制问题

4G系统的传输速率超过20Mbit/s，从理论上说其所谓的每秒100MB的宽带速度，比3G的10倍多，但手机的速度将受到通信系统容量的限制，如系统容量有限，手机用户越多，速度就越慢。为了承载大量增长的业务，4G系统的容量应比现有3G系统容量大10倍，考虑到由于受到频率资源的限制，增加系统容量的其中一个解决方案就是通过减少基站的覆盖半径来达到。据有专家分析，4G手机将很难达到其理论速度。如果速度上不去，4G手机就要大打折扣。

2.2 设施更新问题

4G通信网络系统之前，覆盖全球的大部分无线基础设施都是基于3G建立的，如果要向第四代通信技术转移的话，那么全球的许多无线基础设施都需要经历着大量的变化和更新，这种变化和更新势必减缓4G通信技术全面进入市场、占领市场的速度。4G通信终端要能在4G通信网络建成后及时提供，不能让通信终端的生产滞后于网络建设。

2.3 网络安全问题

很多因素都会对4G通信技术的使用安全产生威胁，究其原因主要是系统的漏洞、故意攻击或破坏、密码泄露以及无意识错误等，具体主要有以下几种：（1）病毒。病毒对通信技术的破坏是防不胜防的，它能够对系统的传输路径造成破坏，进而影响传播功能，其可能引起的结果有两种，一种是接收不到信号，一种是接收到乱码信息。（2）黑客。一般来说，黑客都是指能够编辑程序和操作系统的程序编辑人员，他们具有丰富的计算机知识，能够利用计算机中存在的安全漏洞对他人的计算机系统进行非法入侵，进而窃取电脑信息等，这对于其他用户的使用安全产生了极大的威胁。（3）计算机安装的浏览器或者网络服务器等软件存在的安全漏洞也很容易会引起通信系统出现问题，其中常见的主要有死机等，这都是因为系统和软件不成熟造成的。

3 4G移动通信系统的发展策略

3.1 注重专业人才的培养

目前，4G移动通信系统资深专业人员相对不足，因此，人才的培养迫在眉睫。这就需要全球通信业的共同努力，进行有效的资源共享和相互借鉴，以各种方式进行技术研发、市场等方面的合作与交流。

3.2 注重相关设施的更新

目前4G移动通信系统很多得以开发的技术并没能及时获得相应的设施跟进。例如，WAP手机推出后，用户并未能及时获得其相关信息，却承担着相关信息的费用，收费系统严重滞后。因此，在研发过程中，要注重技术、产品、设施的配套生产，避免由于设施或者其他环节的脱节而影响系统的运行。

3.3 提供更高的数据传输速率、频谱利用率和用户吞吐量

系统和终端应具有合理的复杂性、成本和功耗，支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网，尽可能地向后兼容，但是应该考虑系统性能提高与向后兼容之间的平衡；取消了电路交换（CS）域，CS域的业务和其他实时业务都在包交换（PS）域实现；支持终端在整个系统范围内的移动性，为低速移动终端提供最优服务，对中速移动终端实现较高性能，同时支持高速移动终端。可灵活配置1.25MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、20MHz带宽。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；下行频谱利用率是R6 HSDPA（高速下行分组数据接入）的3～4倍，上行频谱利用率是R6 HSUPA（高速上行分组接入）的2～3倍。

3.4 提供4G网络的安全性

为了有效提高4G网络的安全性，在4G移动通信技术的开发中尤其要注意私密性和完整性的研究。一方面，在语音通话数据交换的过程中，我们可以采用更加完善的身份识别和认证服务，加强通话的私密性研究，进而为用户提供更加完善的隐私保护。另一方面，要提高系统的防御能力和恢复能力，使系统能够抗病毒侵袭和自动恢复，这样即使是发生率防漏和检漏等问题，也能够快速恢复系统和数据，以保证信息系统的安全性，确保4G移动通信技术用户的数据信息应用安全性。