浅谈第四代移动通信系统中的关键技术

摘要：随着人们对移动通信系统的各种需求与日俱增，3G系统已经开始不能满足现代移动通信系统日益增长的高速多媒体数据业务。在目前第三代移动通信系统给我们带来优质服务的同时，第四代移动通信系统的技术也在快速发展中。本文介绍了4G系统中的关键技术，如OFDM，MIMO等，这些技术的融合将使4G系统成为一个无缝连接的统一系统，从而实现跨系统的全球漫游及业务的可携带性。

关键词：4G OFDM MIMO IPv6

【分类号】：TN929.5

一、引言

3G相对2G来讲，有很多优势，但3G仍然存在一些局限性，例如：缺乏全球统一标准、3G不是完全 IP 形式、难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求、难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务、3G移动终端无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。随着3G在我国的商用以来，一些用户在使用手机电视和视频通话方面出现信号不稳、视频通话效果不好等问题。人们开始期望能够解决这些问题，并且能够提供更高的数据速率，和更大的容量和带宽。从而推动了人们对下一代通信系统―4G的研究和期待。4G比3G更接近个人通信，在技术上比3G更完善。

二、4G简介

4G是第四代移动通信及其技术的简称，是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。4G的概念可称为广带（Broad-band）接入和分布网络，具有超过2Mbps的非对称数据传输能力，其最大的数据传输速率超过100Mbps，是目前移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动通信速率50倍，对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输，无线用户之间可以进行三维虚拟现实通信。4G在业务、功能、频带上都与第三代移动通信系统不同，将在不同的固定和无线平台及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，比第三代移动通信更接近于个人通信。它包括广带无线固定接入、W-LAN、移动广带系统和互操作的广播网络。在不同的固定无线平台和跨越不同频带的网络中，4G可提供无线服务，并在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），提供信息通信以外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。同时，4G系统还是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

三、4G系统的关键技术

（一）正交频分复用（OFDM）技术

OFDM即正交频分复用技术，实际上是多载波调制（MCM）的一种。其主要思想是：将待传输的高速串行数据经串并变换，变成在子信道上并行传输的低速数据流，再用相互正交的载波进行调制，然后叠加一起发送。接收端用相干载波进行相干接收，再经并串变换恢复为原高速数据。这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰，而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

OFDM技术有很多优点：1）OFDM在窄带带宽下也能够发出大量的数据；2）有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰；3）有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输；4）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力；5）OFDM技术抗窄带干扰性很强；6）信道利用率很高。

（二）多输入多输出（MIMO）技术

多入多出（MIMO）技术是移动通信系统实现高数据速率、大系统容量，提高传输质量的重要技术。MIMO指无线网络信号通过多重天线进行同步收发，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，以提高传输率。信号通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送。由于无线信号在传送的过程当中，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。为了避免被切割的信号不一致而无法重新组合，接收端会同时具备多重天线接收，再利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的各信号重新组合，并且快速正确地还原信号。在4G系统中，OFDM与MIMO技术结合构成的MIMO-OFDM系统既可以达到很高的传输效率，又有很强的可靠性。

（三）IPv6技术

4G通信系统采用基于IP的分组方式传送数据流。选择IPv6协议主要基于两方面的考虑，一是有足够的地址空间，在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址；二是支持移动性管理，移动IPv6在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。此外，IPv6还能够提供较IPv4更好的QoS保证及更好的安全性。IPv6另一个基本特性是自动控制，它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是获得地址的关键。

移动用户接入4G通信系统最大的特点是具有不确定的移动性，因此必然要求所采用的IP协议能够提供强大的移动性管理功能以支持越区切换及无缝漫游。IPv6中引入了移动IP的概念，解决这个问题。

（四）软件无线电技术

软件无线电（Software Defined Radio，简称SDR）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。

软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。其天线一般要覆盖较宽的频段，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务，接受时实现滤波、放大、下变频等功能。而模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力，通常把A/D转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器件处理，降低数据流速率，并且把信号变至基带后，再把数据送给通用DSP进行处理。

（五）智能天线（SA）

智能天线原名自适应天线阵列（AAA，Adaptive Antenna Array），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位。智能天线采用了空分多址（SDMA）的技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号进行区分，动态改变信号的覆盖区域，使主波束对准用户方向，旁瓣对准干扰信号方向，并能够自动跟踪用户和监测环境变化，为每位用户提供优质的上行链路和下行链路信号，从而达到抑制干扰、准确提取有效信号的目的。智能天线具有抑制信号干扰、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。

四、总结

目前，4G系统已经逐步投入商用，随着新技术和人们的新需求不断出现，第四代移动通信技术将会做相应调整和进一步发展。纵观移动通信发展规律，我们相信，第四代移动通信技术的高速率、高质量、大容量的多媒体服务，将使我们的世界更美好！

参考文献

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