4G通信技術(shù)及其應(yīng)用前景2

第頁熱點技術(shù)4G通信技術(shù)及其應(yīng)用前景□楊超1梅康1陳金鷹1朱軍2（1、成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，成都610059；2、成都軍區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理中心，成都610011）摘要：本文在介紹第四代移動通信基本概念的基礎(chǔ)上，對其可能采用的OFDM、軟件無線電、智能天線、MIMO、基于IP的核心網(wǎng)技術(shù)進行了討論。通過對4G通信技術(shù)主要優(yōu)勢的分析，探討了4G的基本特征，以及由于新技術(shù)的引用和效能的提高，將為4G帶來的更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場。關(guān)鍵詞：移動通信4GOFDM全IP核心網(wǎng)引言移動通信以其用戶可在通信覆蓋區(qū)域內(nèi)任意位置、并在運動情況下通信，而極大地拓展了實用性，并為社會發(fā)展帶來深刻的影響。以模擬信號傳輸為基礎(chǔ)的第一代移動通信，解決了人們基本通話需求，所采用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了頻率的重用，使成千上萬的公眾能利用有限的頻率資源進行大眾化的通信。第二代移動通信以數(shù)字信號傳輸為基礎(chǔ)，在改善通信質(zhì)量、提高頻率資源利用率和信道容量的同時，還提供低速率的數(shù)據(jù)傳輸能力。第三代移動通信進一步提高頻率利用率，使高質(zhì)量的視頻寬帶多媒體綜合業(yè)務(wù)成為可能，也使手機上網(wǎng)、移動計算得以實現(xiàn)。進一步的移動通信發(fā)展將是怎樣的面貌，是值得關(guān)注的話題，本文就已經(jīng)露出了一些端倪進行討論。一、4G的概念“4G”是業(yè)界對第四代移動通信通俗的叫法，國際電聯(lián)的官方稱法是“IMT-Advanced”。4G技術(shù)不同于3G技術(shù)的一個明顯特征是，4G技術(shù)由于連接傳輸速率大幅提高，從而能引入高質(zhì)量的視頻通信，將被廣泛地應(yīng)用于人們生活和經(jīng)濟建設(shè)的方方面面[1]。就數(shù)據(jù)傳輸速率而言，有了較大提高。如韓國三星電子所演示的4G技術(shù)，實現(xiàn)了靜止時以1Gbps級的速度和移動時以100Mbps級的傳輸速率連續(xù)無停頓傳輸數(shù)據(jù)[2]。我國的首個4G外場試驗系統(tǒng)在上海的測試也顯示，該系統(tǒng)在高速移動環(huán)境下的信息傳輸速率達100Mbps，將現(xiàn)有移動通信傳輸效率提高了近10倍[3]。其次，就4G的應(yīng)用和功能而言，同樣進行了新的擴展。如韓國三星的4G演示中，同時使用寬帶、視頻通話、直播論壇等示范服務(wù)，4G傳輸?shù)挠跋癞嬅媲逦?，無停頓和抖動。第四代移動通信可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同頻帶的網(wǎng)絡(luò)中提供無線服務(wù)，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。4G標(biāo)準(zhǔn)正在加緊制定中，4G標(biāo)準(zhǔn)申報工作已經(jīng)結(jié)束，國際電聯(lián)在相關(guān)的截止日期前已經(jīng)收到6份提案，其中包括中國的TD-LTE-Advanced提案。世界無線電全會將于2019年春天召開，屆時將正式公布4G標(biāo)準(zhǔn)最終結(jié)果。未來5年移動通信技術(shù)的最大熱點將是4G和3D，100Mbit/s的速度可讓手機成為真正的移動多媒體終端[4]。二、4G通信中的關(guān)鍵技術(shù)目前的4G系統(tǒng)仍處于研究的起步階段，但有網(wǎng)絡(luò)融合的趨勢，如圖1所示。圖1中的固定無線接入、WLAN接入、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、GSM等2G通行系統(tǒng)、3G通行系統(tǒng)、藍牙技術(shù)接入、數(shù)字音頻視頻廣播以及其他新的接入系統(tǒng)都將接入全IP核心網(wǎng)?！叭獻P核心網(wǎng)”包括從IP骨干傳輸層到控制層、應(yīng)用層的一個整體。未來的無線基站將具備通過IP協(xié)議直接接入“全IP核心網(wǎng)”的能力，2G移動通信系統(tǒng)原有的交換中心MSC、歸屬位置寄存器HLR、鑒權(quán)中心AUC等網(wǎng)元的主要功能都將由4G網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)，信令網(wǎng)上的各層協(xié)議也將逐漸被IP協(xié)議所取代。整個網(wǎng)絡(luò)將從過去的垂直樹型結(jié)構(gòu)演變?yōu)榉植际降穆酚山Y(jié)構(gòu)，業(yè)務(wù)的差異性也只體現(xiàn)在接入層面。在4G通信系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無線電、智能天線、MIMO、基于IP的核心網(wǎng)等[5，6,7]，下面分別予以討論。全IP核心網(wǎng)全IP核心網(wǎng)GSM等2G通信系統(tǒng)3G通信系統(tǒng)藍牙技術(shù)接入衛(wèi)星通信系統(tǒng)WLAN接入固定無線接入數(shù)字音頻視頻廣播其它新的接入系統(tǒng)圖14G通信系統(tǒng)網(wǎng)路組成示意圖正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFMD）第四代移動通信以O(shè)FDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）為核心技術(shù)，OFDM技術(shù)是多載波調(diào)制技術(shù)（MCM）中的一種，其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個子信道上進行傳輸。其優(yōu)點是：頻譜效率比串行系統(tǒng)高、抗衰落能力強、適合高速數(shù)據(jù)傳輸、抗碼間干擾(ISI)能力強[8]。2、軟件無線電技術(shù)軟件無線電(SoftwareDefinedRadio，SDR)可以將不同形式的通信技術(shù)聯(lián)系在一起。軟件無線電技術(shù)的基本思想是將模擬信號的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近RF前端，利用DSP技術(shù)進行信道分離、調(diào)制解調(diào)和信道編譯碼等工作。SDR通過建立一個能運行各種軟件系統(tǒng)的高彈性軟、硬體系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)多通路、多層次和多模式的無線通信，使不同系統(tǒng)和平臺之間的通信兼容，因此是實現(xiàn)“無疆界網(wǎng)路”世界的技術(shù)平臺。3、智能天線技術(shù)智能天線（Smart

Antenna，SA）也叫自適應(yīng)陣列天線，由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)、波未形成算法三部分組成。SA通過滿足某種準(zhǔn)則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位，從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀，達到增強所需信號抑制干擾信號的目的，如圖2所示。圖2左邊反映的是利用智能天線實現(xiàn)對用戶的跟蹤過程，圖右邊反映的是利用智能天線的多天線技術(shù)實現(xiàn)空分多路接入。SA具有抑制信號干擾，自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是解決頻率資源匱乏、有效提升系統(tǒng)容量、提高通信傳輸速率和確保通信品質(zhì)的有效途徑。4、MIMO技術(shù)MIMO（MultipleInputMultipleOutput,MIMO）技術(shù)采用在發(fā)射端和接收端分別設(shè)置多副發(fā)射天線和接收天線，通過多發(fā)送天線及多接收天線相結(jié)合來改善每個用戶的通信質(zhì)量或提高通信效率[9]。利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益?？臻g復(fù)用技術(shù)用以提高信道容量，空間分集則用以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素，有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率，因此它能夠在不增加所占用的信號帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個數(shù)量級[8]。圖2智能天線的功能圖2智能天線的功能圖2智能天線的功能5、基于IP的核心網(wǎng)從圖1可見，4G的核心網(wǎng)是一個基于全IP的網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。4G的核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務(wù)、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議及核心網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。IP及多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設(shè)計核心網(wǎng)絡(luò)時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。

由于Ipv4地址幾盡枯竭，4G將采用128位地址長度的Ipv6，地址空間增大了296倍，幾乎可以不受限制地提供地址。Ipv6的另一個特性是支持自動控制，支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩種地址自動配置方式。無狀態(tài)地址自動配置方式下，需要配置地址的節(jié)點，使用一個鄰居發(fā)現(xiàn)機制獲得一個局部連接地址，一旦得到一個地址以后，使用一種即插即用的機制，在沒有任何外界干預(yù)的情況下，獲得一個全球唯一的路由地址。有狀態(tài)配置機制需要一個額外的服務(wù)器對DHCP協(xié)議進行改進和擴展，使得網(wǎng)絡(luò)的管理方便和快捷。此外，Ipv6技術(shù)還有服務(wù)質(zhì)量優(yōu)越，移動性能好，安全保密性好的特性[10]。三、4G通信技術(shù)的主要優(yōu)勢4G通信不僅為人們提供溝通的自由，并將深刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞健哪壳罢谘芯康?G通信所透露出來的信息，可以看出4G的某些特征[11～14]。1、通信速度更快對大范圍高速移動的使用者（最高250km/h）頻寬需求為2Mbps，中速移動的使用者（60km/h）頻寬需求為20Mbps，低速移動或室內(nèi)靜止的使用者頻寬需求為100Mbps；據(jù)AT&T公司研究4G通信的專家們估計，每個4G信道將占有100MHz的頻譜，相當(dāng)于W-CDMA3G網(wǎng)路的20倍。2、更高儲存容量由于傳輸頻寬增大，因此資料儲存容量至少需求為3G系統(tǒng)的10倍以上。3、更高相容性4G通信技術(shù)使用戶在移動中，特別是高速移動情況下能順利使用通信系統(tǒng)，傳送高速多媒體資料等。必須具備向下兼容、開放界面、全球漫游、及網(wǎng)路互聯(lián)、多元終端應(yīng)用等，并能從3G通信技術(shù)平穩(wěn)過渡至4G。4、高度智慧化網(wǎng)路系統(tǒng)4G網(wǎng)路系統(tǒng)能隨狀況自行調(diào)整，具備良好的彈性以滿足不同環(huán)境及不同用戶的通信需求。通信的終端設(shè)備的設(shè)計和操作更加智能化，以滿足用戶將來更多的功能需求。5、頻率使用效率更高4G對無線頻率使用的有效性，可以讓更多的人用及以前相同數(shù)量的無線頻譜做更多的事情，而且做這些事情的時候速度更快。6、整合性的便利服務(wù)4G系統(tǒng)將個人通信、信息傳輸、廣播服務(wù)及多媒體娛樂等各項應(yīng)用整合，提供更為廣泛、便利、安全及個性化的服務(wù)。4G手機可相當(dāng)一臺小型電腦，眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋等任何一件物品都有可能成為4G終端。利用4G通信技術(shù)可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像、地圖，可以實現(xiàn)例如無線區(qū)域環(huán)路(WLL)、數(shù)字視頻廣播(DVB)、數(shù)字音訊廣播(DAB)等方面的無線通信增殖服務(wù)。7、通信費用更加便宜4G通信利用高靈活性的系統(tǒng)操作，使通信部署起來更容易和便捷。在建設(shè)4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，通信營運商可直接在3G通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上，采用逐步引入的方法，有效地降低運營者和用戶的費用。四、4G的應(yīng)用新技術(shù)的引用和效能的提高，將為4G帶來更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場。1、4G在智能手機中的應(yīng)用利用4G可在語音通話的同時雙向傳遞資料、圖畫、影像。4G手機可根據(jù)環(huán)境、時間以及其他設(shè)定的因素來適時地提醒手機的主人此時該做什么或不該做什么事。4G手機可以將電影院票房資料直接下載下來，包括售票情況、座位情況。使人們可以根據(jù)這些信息來進行在線購買電影票，可以在4G手機上根據(jù)自己需要直接購買車票、機票。2、4G在移動/便攜游戲中的應(yīng)用4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的速度優(yōu)勢和終端設(shè)備接入所提供的便捷有助于游戲的推廣，人們可通過無線網(wǎng)絡(luò)接受4G信息并傳輸?shù)接螒蛟O(shè)備中。3、4G在射頻測量技術(shù)中的應(yīng)用射頻測量技術(shù)包括射頻信號源、射頻功率計、射頻頻譜或射頻信號分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等。隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，對于射頻測量提出更快速度，更高精度的要求。4G網(wǎng)絡(luò)擁有的高頻譜帶寬，可在很大程度上滿足射頻測量的需求。4、其它應(yīng)用通過4G網(wǎng)絡(luò)可以提供更好、更快和更便宜的醫(yī)療和應(yīng)急服務(wù)，并在抗洪搶險、地震災(zāi)害中發(fā)揮作用。五、結(jié)束語隨著4G通信技術(shù)研究的深入，許多國家和地區(qū)正在積極參及第四代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作。對4G通信系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)還有待取得突破，從目前來看，這些關(guān)鍵技術(shù)還主要集中在對OFDM、軟件無線電、智能天線、MIMO、基于IP的核心網(wǎng)的研究方面。由此帶來的4G通信技術(shù)優(yōu)勢，使手機的傳輸速率進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域向移動智能終端方向發(fā)展，帶來新的商機。參考文獻[1]4G國際標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].http://labs.chinamobile/news/43583,2019-5-16.[2]韓國4G技術(shù)實現(xiàn)100Mbps移動傳輸速率[EB/OL].http://news.iresearch/0468/20191101/56751.shtml,2019-5-16.[3]我國首個4G系統(tǒng)通過驗收傳輸速率100Mbps[EB/OL].http://news.iresearch/0468/20191101/56751.shtml,2019-5-16.[4]4G標(biāo)準(zhǔn)遴選:多標(biāo)準(zhǔn)并行幾成定局[EB/OL].http://net130/CMS/Pub/special/special_3G/2019_02_09_24485.htm.[5]4G通信關(guān)鍵技術(shù)探討[EB/OL].http://cnaidc/tech/qitajishu/28.html,2019-5-16.[6]李翠華.4G中的關(guān)鍵技術(shù)OFDM[J].黑龍江科技信息,2019(19).[7]4G系統(tǒng)嶄露頭角三大關(guān)鍵技術(shù)探討[EB/OL].http://eaw/news/newsdisplay/article/23400,2019-5-16.[8]王芳.4G中的MIMO-OFDM原理及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國新通信,2009(23).[9]杜加懂,林輝.多天線無線信道仿真及建模方法