4G技术的相关分析及应用研究

摘要：随着人们生活质量的不断提高以及由于现有通信系统的自身缺陷，就在第三代移动通信（简称3G）通信技术正处于酝酿之中时，新的移动通信系统的最新技术已经在实验室悄然进行，人们称之为后3G时代，或者说第四代移动通信系统（简称4G）。本文首先就第四代移动通信系统的概念、优势及面临的挑战进行了分析，并对第四代移动通信的接入系统以及OFDM技术的应用进行了讨论。

关键词：移动通信；4G 技术；OFDM技术

Abstract: As the improvement of the life quality and because of its own defects of the existing communication system, in the third generation mobile communication(3G) communication technology is brewing, the latest technology of mobile communication system new has quietly in the laboratory, known as 3G, or fourth generation mobile communication system (4G). This paper first analyzes the concept of the fourth generation mobile communication system, the advantages and challenges, and the application of the fourth generation mobile communication access system and OFDM technology are discussed.

Key words: mobile communication; 4G technology; OFDM technology

中图分类号：F626.5 文献标识码：文章编号

1.第四代移动通信系统（4G）的概念 4G也称为广带接入和分布网络。具有超过2Mb／s的非对称数据传输能力，对高速移动用户能提供150Mb／s的高质量的影像服务，并首次实现三维图像的高质量传输。它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。是集多种无线技术和无线LAN 系统为一体的综合系统，也是宽带lP接入系统。在这个系统上，移动用户可以实现全球无缝漫游。为了进一步提高其利用率，满足高速率、大容量的业务需求，同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。

2. 4G技术展现的优势及面临的挑战

2.1 特征

（1）高性能：有专家说3G无线网络在传输丰富的多媒体内容方面不占优势，与之相对照的是4G在传输高质量视频的特征可以与高清电视（HDTV）媲美。无线下载速度达到100Mbps，是3G速率的50倍。

（2）互操作性和漫游便捷性：3G的多个标准将会使得在穿越不同网络的漫游和互操作非常困难，然而4G给全球的移动提供一个统一的标准。多种多样的无线接入网络的不同主要体现在覆盖率、数据速率、等待时间和丢失率。因此，每一种无线接入方式适于支持不同的服务和设备，4G将覆盖各种不同类型的终端，带来各种个性化的服务。

（3）全整合服务：用户可通过4G的不同平台免费接入网络，如手机、手提电脑、PDAs，智能、灵活，支持数据视频、VolP电话或电影、e-mail、浏览器、电子商务和定位服务，对用户是完全开放的。

（4）低成本：4G将会比3G更加便宜，因为其网络可建立在现有网络之上而不需要安全重新建设，且无需电信公司购买额外的带宽。4G也将更加高效，从而节省人力等多方面的成本。

（5）设备界面更加友好：4G设备将取代现有文档和菜单的系统而变得更可视化和直观化，更易交流和作出反应。

（6）更强的GPS服务：除了个人定位，4G系统的GPS技术可使人们无论在哪里都能可视。

（7）危机处理：自然灾害会使得整个通信设施瘫痪，快速修复设施显得非常重要。宽带无线移动通信对比有线通信的修复速度将是倍数级的。

2.2 4G面临的挑战

（1）多模式用户终端：4G系统有必要设计一个用户终端能在不同的无线网络进行操作，同时克服设备在尺寸、费用和能耗方面的限制。可通过使用软件无线电如用户终端自适应网络无线接口的方法解决上述问题。

（2）各种无线系统的选择问题：每种无线系统都有它自身的特点和作用，无线技术的不断发展使得在某一时刻某一地点选择最合适的无线网络变得更加复杂。可根据服务质量（QoS）需求和可用的网络资源去选择所需无线系统。

（3）安全性：无线网络的不均匀性会加大安全的隐患，应大力发展动态可重构、自适应技术以及更新的安全机制。

（4）网络设施和QoS支撑：集成现有非IP和基于的IP系统以及为点对点服务提供QoS的保障仍是一个艰巨的任务。

（5）计费/账单：收集、处理和存储来自不同服务提供商的用户的帐户信息是非常麻烦的，同样给用户开帐单也不是一个简单的事情。

（6）应用层的攻击：4G移动无线服务以给用户带来前所未有的软件应用而著称，但软件的使用会带来新的漏洞，从而导致更多应用层的攻击。

（7）堵塞和电子欺诈：电子欺诈是指发送伪造的GPS信号，使GPS接收者认为这是来自卫星的信号从而错误的计算了坐标。犯罪分子可利用该技术扰乱治安。当发射机发送的信号与GPS信号同频时就会产生堵塞。

（8）数据加密：如果GPS接收者与发送中心通信时，两端的通信链接不难破解，所以需要对使用的数据加密。

3. 4G中关键技术的应用

3.1 OFDM。OFDM技术，属于多载波调制技术，它采用一种不连续的多音调制技术，将多个载波中的大量信息合并成一个信号，完成信息传输。在无线通信中一般采用一组相互正交、重叠、形状为Sa（X）函数的频谱信道完成无码间串扰和信道间干扰的高速信息传输。

OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷，这样可优化总的传输速率。在OFDM系统中由于各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信；还可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。

3.2智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术。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。其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（DirectionofArrinal），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。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。

目前智能天线定义为波束间没有切换的多波束和自适应阵列天线。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。

智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，同时通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。智能天线可以提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价，因此其势必会成为4G系统的关键技术。

3.3软件无线电技术（SDR）。所谓软件无线电（Software Defined Radio，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。即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。

软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。在4G移动通信系统中，软件将会变得非常繁杂。为此专家们提议引入软件无线电技术，将其作为从第二代移动通信通向第三代和第四代移动通信的桥梁。软件无线电技术能够将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将A/D和D/A转换器尽可能地靠近RF前端，利用DSP进行信道分离、调制解调和信道编译码等工作。它旨在建立一个无线电通信平台，在平台上运行各种软件系统，以实现多通路、多层次和多模式的无线通信。因此应用软件无线电技术，一个移动终端就可以实现其在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。目前比较成熟的软件无线电技术有参数控制软件无线电系统。

结语：对于现在的人来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来最复杂的技术系统。总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，还将可能遇到一些困难。要改善现有通信质量的不足，必须容纳市场中庞大的用户数量，并且改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。