淺談不同移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)劣

閆麗莉 許海琨

摘 要：信息時(shí)代下的通信技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是近幾年來(lái)，通信技術(shù)不斷普及和創(chuàng)新，人們對(duì)于更快、更有效的網(wǎng)絡(luò)信息的需求日益增長(zhǎng)。從技術(shù)方面講，盡管4G條件下單用戶(hù)的容量已經(jīng)接近香農(nóng)限，但在多用戶(hù)條件下無(wú)線系統(tǒng)容量還有提升的空間。學(xué)術(shù)界提出過(guò)小波多址等新的多址方式，但是產(chǎn)業(yè)界對(duì)采用完全革新性的技術(shù)還持保留態(tài)度。本文從通信技術(shù)的發(fā)展階段出發(fā)，對(duì)每個(gè)階段的技術(shù)簡(jiǎn)要分析，最后對(duì)5G通信系統(tǒng)展望。

關(guān)鍵詞：第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)；第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)；WLAN

移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四個(gè)發(fā)展階段，每個(gè)發(fā)展階段都代表著科技和觀念的創(chuàng)新。第一代起源于20世紀(jì)80年代，主要采用模擬和頻分多址（FDMA）技術(shù)。第二代（俗稱(chēng)2G通信）起源于90年代初，主要采用時(shí)多分址（TDMA）和碼多分址（CDMA）技術(shù)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（3G）可以提供更寬的頻帶，不僅能傳輸話音，還能傳輸高速數(shù)據(jù)，從而提供更方便的快捷無(wú)線應(yīng)用。然而，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)仍舊基于地面標(biāo)準(zhǔn)不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，盡管其傳輸速率可高達(dá)2Mb/s，但仍無(wú)法滿足多媒體通信的需求。因此，第四代移動(dòng)通訊系統(tǒng)（4G）應(yīng)運(yùn)而生。

1 4G通信技術(shù)的概念

到底什么是4G技術(shù)呢？目前，普遍描述是：4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mb/s的速率下載，比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍，上傳的速度也能達(dá)到20Mb/s，并能夠滿足幾乎所有用戶(hù)對(duì)于無(wú)線服務(wù)的要求。而在用戶(hù)最為關(guān)注的價(jià)格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價(jià)格方面不相上下，計(jì)費(fèi)方式更加靈活機(jī)動(dòng)，用戶(hù)完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。此外，4G覆蓋面更廣，很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。

4G與3G之間的主要區(qū)別在于終端設(shè)備的類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)類(lèi)型。終端設(shè)備除了手機(jī)之外還應(yīng)當(dāng)包括頭戴式話機(jī)、PDA終端、膝上機(jī)、手表話機(jī)、電視機(jī)、游戲機(jī)、DVD、零售機(jī)、甚至寵物機(jī)等等。凡是人所能構(gòu)想的和能夠識(shí)別IP地址的無(wú)線電收發(fā)信機(jī)。另外，4G是由多種技術(shù)組成的，包括彼此似乎不相干的技術(shù)，如Wi-Fi、超快帶無(wú)線電、便攜式電腦、軟件無(wú)線電等技術(shù)構(gòu)成的高速全球通網(wǎng)絡(luò)。與3G手機(jī)相比，4G手機(jī)的功能更強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛。4G手機(jī)智能化程度更高，通話只是最基本的功能之一，更多的功能體現(xiàn)在多媒體應(yīng)用方面。

2 4G通信的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 正交頻分復(fù)用（OFDM）

OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。因此可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。OFDM還可以在不同的子信道上自適應(yīng)地分配傳輸負(fù)荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。OFDM技術(shù)還能對(duì)抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個(gè)子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。

2.2 智能天線（SA）與多入多出天線（MIMO）技術(shù)

智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認(rèn)為是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。智能天線成形波束能在空間域內(nèi)抑制交互干擾，增強(qiáng)特殊范圍內(nèi)想要的信號(hào)，這種技術(shù)既能改善信號(hào)質(zhì)量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無(wú)線基站端使用天線陣和相關(guān)無(wú)線收發(fā)信機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。同時(shí)通過(guò)基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各個(gè)天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形。目前智能天線的工作方式主要有兩種：全自適應(yīng)方式和基于多波束的波束切換方式。

多入多出天線MIMO（Multiple-Input Multiple-output）系統(tǒng)，該技術(shù)最早由馬可尼于1908年提出的，它利用多天線來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端無(wú)線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO（Single-Input Multiple-output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)。

2.3 軟件無(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線功能的技術(shù)，能在同一硬件平臺(tái)上利用軟件處理基帶信號(hào)，通過(guò)加載不同的軟件，可實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。軟件無(wú)線電技術(shù)被認(rèn)為是可以將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起的唯一技術(shù)。在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，軟件將會(huì)變得非常繁雜。應(yīng)用軟件無(wú)線電技術(shù)，一個(gè)移動(dòng)終端就可以實(shí)現(xiàn)其在不同系統(tǒng)和平臺(tái)之間暢通無(wú)阻的使用。

3 4G通信技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

4G網(wǎng)絡(luò)幾乎是個(gè)全I(xiàn)P的核心網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠接入衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)系統(tǒng)、2G和3G通信系統(tǒng)、數(shù)字音頻視頻系統(tǒng)、無(wú)線WALN系統(tǒng)等?？梢?jiàn)4G通信系統(tǒng)比3G更加復(fù)雜，功能也更加齊全，與此同時(shí)對(duì)于高新科技水平的要求也更高。雖然，4G通信系統(tǒng)具有很多的優(yōu)勢(shì)，但也面臨著挑戰(zhàn)：標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一、技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)、容量受到限制、市場(chǎng)難以消化和設(shè)施難以更新。因此，5G通信系統(tǒng)因運(yùn)而生。

4 第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）

第五代移動(dòng)通信將提供更高素的接入速率、更寬的帶寬、更靈活的配置及組網(wǎng)方式。5G可能需要從2GHz～6GHz的頻段中選取2000MHz的頻譜資源。從技術(shù)方面講，在5G中，會(huì)支持多種無(wú)線技術(shù)，芯片需要支持可配置的多模方式。采用軟件無(wú)線電需支持智能無(wú)線識(shí)別配置，節(jié)約電能。天線技術(shù)上，5G將采用更多空間分集方式，天線根數(shù)和種類(lèi)也更多。不同應(yīng)用的天線類(lèi)型不同，例如室內(nèi)采用微帶天線、車(chē)聯(lián)網(wǎng)上可以采用陣列天線等形式，接收機(jī)需能自動(dòng)識(shí)別天線類(lèi)型和頻段。無(wú)線通信的增益是通過(guò)分集和復(fù)用達(dá)到的，但兩者是負(fù)相關(guān)的，即提升分集增益會(huì)降低復(fù)用增益。分集技術(shù)有多載波、多天線、協(xié)同通信，增加分集的數(shù)目可以提升分集增益。例如，增加載波的密度；增加天線數(shù)，引入極化天線；采用中繼、或終端協(xié)同收發(fā)的情況。

從組網(wǎng)方面講，5G的核心網(wǎng)將會(huì)延續(xù)扁平化的趨勢(shì)。另外，隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，核心網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)商的云計(jì)算中心相連，核心網(wǎng)設(shè)備將計(jì)算分發(fā)給分布式的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，合并計(jì)算結(jié)果。即核心網(wǎng)設(shè)備具有云計(jì)算的MapReduce功能，此外，核心網(wǎng)還有虛擬化功能，無(wú)線接入網(wǎng)提交邏輯需求，核心網(wǎng)將邏輯需求轉(zhuǎn)換成物理單元執(zhí)行。考慮到5G時(shí)代，承載語(yǔ)音的GSM，承載數(shù)據(jù)的CDMA，承載多媒體的OFDM技術(shù)仍然運(yùn)行，這些技術(shù)還繼續(xù)占有一定頻段；新的技術(shù)例如物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程識(shí)別、人機(jī)交互等，可以說(shuō)，5G接入網(wǎng)會(huì)成為一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)的異構(gòu)網(wǎng)。

從應(yīng)用方面講，5G是個(gè)異構(gòu)的、自組織、自適應(yīng)、自配置的智能化網(wǎng)絡(luò)，可以承載多種不同的應(yīng)用。5G的終端也是多種多樣，有嵌入在機(jī)器中的，有人隨身攜帶的，也有放置于室內(nèi)或車(chē)內(nèi)，有室內(nèi)小基站作為中繼再接入5G網(wǎng)絡(luò)中。

隨著技術(shù)的發(fā)展，5G將有更廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，也將為我國(guó)移動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)提供新的機(jī)遇。

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