4G移动通信的关键技术及发展战略探讨

摘 要：本文对4G通信技术的定义、国际标准进行论述，对涉及的关键技术进行研究分析，最后对在我国如何发展4G移动通信进行探讨。

关键词：4G移动通信；LTE；TDD；FDD

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 18-0000-01

一、4G通信概述

（一）4G的定义。4G指的是第四代移动通信技术，英文全称为fourth generation of mobile phone mobile communications standards，也是3G之后的延伸。从技术标准的角度看，按照ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）的定义，静态传输速率达到1Gbps，用户在高速移动状态下可以达到100Mbps，就可以作为4G的技术之一。

（二）4G通信的特点与优势。未来的4G通信提供给人们真正的沟通自由，甚至将改变人们的生活方式。4G通信具有下面的特征有：（1）通信速度快。无线蜂窝制式2G标准下的GSM、3G标准下的CDMA2000、TD-SCDMA、WCDMA下行速率分别为384Kbps、3.1Mbps、2.8Mbps和14.4Mbps，上行速率分别为118Kbps、1.8Mbps、2.2Mbps和5.76Mbps，而4G通信的TD-LTE和FDD-LTE的下行速率分别为100Mbps和150Mbps；上行速率分别为50Mbps和40Mbsp。与2G、3G相比，相差悬殊，显而易见。（2）网络频谱宽。估计每个4G信道会占有100MHz的频谱，相当于W-CDMA 3G网络的20倍。（3）通信灵活。高速传输多媒体数据，实现多业务融合。（4）智能性能高。（5）兼容性好。应该考虑到现有通信的基础，让更多的现有通信用户能很轻易地过渡到4G通信。（6）高质量通信。（7）频率效率高。主要是运用路由技术（Routing）的网络架构。

二、4G通信的关键技术研究

（一）物理层多址方式。LTE的下行采用OFDM技术提供增强的频谱效率和能力。OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。它的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。LTE上行基于SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址接入）技术。具体采用DFT-S-OFDM（Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换）技术来实现，是基于OFDM的一种改进技术。该技术是在OFDM的IFFT调制之前对信号进行DFT扩展，这样系统发射的是时域信号，从而可以避免OFDM系统发送频域信号带来的PAPR（Peak-to-Average Power Ratio，峰值/平均功率比）问题。

（二）调制与编码技术。调制：上行链路与下行链路都支持QPSK（Quadrature Phase Shift Keying， 正交相移键控）、16QAM（16 Quadrature Amplitude Modulation，16种符号的正交幅度调制）和64 QAM （Quadrature Amplitude Modulation， 相正交振幅调制）三种调制技术。编码：4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案，如：Turbo码、级连码和LDPC等、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等。

（三）高性能接收机。Shannon（香农）定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

（四）多天线技术。多天线技术是指采用下行MIMO和发射分集的技术。LTE最基本的多天线技术配置是下行采用双发双收的2*2天线配置，上行采用单发双收的1*2天线配置，现阶段考虑的最高要求是下行链路MIMO和天线分集支持四发四收的4*4的天线配置或者四发双收的4*2天线配置。MIMO（Multiple-Input Multiple-Out-put，多输入多输出）系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。另外，还应用了智能天线技术，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，既改善了信号质量又能增加了传输容量。

（五）软件无线电技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D（Analog / Digital， 模拟/数字）和D/A（Digital /Analog， 数字/模拟）变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电能够适应不同的网络和空中接口，使得系统具有灵活性和适应性。支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，实现各种应用的可变QoS（Quality of Service， 服务质量）。

（六）基于IP的核心网。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（Public Switch Telephone Network，公用电话交换网），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。另外，还利用多用户检测技术增强抗干扰性能。

三、发展战略讨论

作为4G通信标准的FDD-LTE和TD-LTE，两者都是LTE的TDD模式。按照双工方式，FDD-LTE是WCDMA（宽带码分多址）的演进和发展；TD-LTE是TD-SCDMA （时分同步码分多址）系统的演进和发展。两者各有优势。对于我国采用什么标准，引起了各方从不同的角度进行了的讨论。既要让我国主导的TD-LTE价值得到充分利用，又要兼顾已有资源不浪费，且有利于技术竞争和通信科技进步。可以说，采取单一TD-LTE标准和FDD-LTE、TD-LTE并存都各有利弊。

4G移动通信成为大势所趋，目前来看我国4G通信发展速度很快但也存在一些隐忧。对于4G领跑者中国移动来说，即便牌照2013年内发放，参照3G的发展速度，全面商业化TD-LTE的时间也要1年多，期间及以后投入的增加将影响其近几年净利润的增长。对于中国电信和中国联通来说，更愿意继续完善现有3G网络，自然演进到FDD-LTE，若采用TD - LTE标准，会增加很多投入，是否仍会有3G时代的竞争力？如何做好流量经营，如何更好的化解OTT （Over The Top）在4G时代给电信运营商带来的更大的冲击。

参考文献：

[1]尹小龙.浅析4G概念移动通信关键技术[J].城市建设理论研究，2012.