4G移動通信系統(tǒng)的主要特點和關鍵技術

周立峰

【摘要】4G移動通信技術是通信歷史上最為重要的一次變革，與3G移動通信相比具有傳輸速度更快、傳輸效率更穩(wěn)定、通話質量更好以及保密性更強等特點，同時通信技術的變革也讓4G移動通信為人們帶來更為優(yōu)質的用戶體驗。時代的進步，科技的發(fā)展，人們在與時俱進中對移動通信技術有了更為嚴格的要求。未來移動通信技術將成為通信領域研究的重中之重。本文將對3G與4G通信技術的參數進行比較，然后具體闡釋4G移動通信系統(tǒng)的主要特點和關鍵技術，希望能夠為日后移動通信領域的相關研究提供經驗。

【關鍵詞】移動通信;用戶體驗;關鍵技術

人們的需求隨著科技的進步而日益增長，對于通信系統(tǒng)中高速多媒體數據業(yè)務來說，目前投入的2G系統(tǒng)以及部分投入商用的3G系統(tǒng)已經落后。所以許多國家目前已經加大力度開發(fā)和研究新的移動通信系統(tǒng)。

一、4G 移動通信通信系統(tǒng)的界定

4G通信技術產生和發(fā)展的時間較短，所以人們對于4G移動通信系統(tǒng)的研究領域也并不深入。對于4G移動通信系統(tǒng)概念的定義目前也僅僅放置在系統(tǒng)的功能定義上。4G移動通信系統(tǒng)總的來說就是以4G移動通信相關技術促進4G移動通信有關業(yè)務發(fā)展的系統(tǒng)。4G通信技術是在3G通信技術的基礎上發(fā)展起來的，在應用上集合了3G技術與 WLAN 技術，能夠在極短時間內向用戶傳遞清晰的視頻圖像，或者是能夠滿足用戶所有在線的要求。4G通信技術無論是使用上傳功能還是下載功能，與3G通信技術比較都更為快捷和方便。使用下載功能時，4G系統(tǒng)下載信息的速度超過100mb/s，是現(xiàn)階段上網速度的2000倍;使用上傳功能時，上傳速度接近20mb/s，能夠滿足所有上網用戶的需求。與此同時，4G應用在計費方面不僅費用便宜而且計費的方式多樣，上網用戶可以根據自身的實際情況選擇適合自身的計費方式和功能。但是現(xiàn)階段4G通信系統(tǒng)也存在某些不足之處，仍需要有關人員繼續(xù)研究和分析，大力推動4G通信系統(tǒng)不斷改進和發(fā)展。

二、4G和3G的主要技術參數比較

現(xiàn)階段世界公認的第三代移動通信系統(tǒng)有三種標準，第一種是CDMA2000，第二種是SCDMA，第三重是WCDMA。這種通信系統(tǒng)目前存在的缺陷主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是此種通信系統(tǒng)不能在動態(tài)范圍內為用戶提供多種速率業(yè)務;二是不能為用戶提供多業(yè)務環(huán)境、多時間段的無縫漫游通話;三是上網速度較慢。目前使用的4G通信系統(tǒng)雖然是3G通信系統(tǒng)的升級換代，但是就4G通信系統(tǒng)來說，它的主要技術參數與3G通信系統(tǒng)仍存在較大的差別。

三、4G移動通信系統(tǒng)的主要特點

（一）速率高

科研人員對于4G移動通信系統(tǒng)的研究其主要目的就是為了提高包括手機在內的各種形式的通信設備的上網速率。所以用戶使用4G通信系統(tǒng)能夠大大加快上網的速率。體現(xiàn)形式主要有以下幾個方面：一是對于大范圍內高速移動的用戶來說，如時速超過250千米，他們的上網速率接近20mb/s;二是對于中速移動的用戶來說，如時速在60千米左右，他們的上網速率接近20mb/s;三是對于低速移動的用戶來說，如慢走，他們的上網速率接近100mb/s，超過3G移動通信上網速率的50倍。

（二）兼容性高

4G移動通信系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域與3G相比更全面更廣闊，在全球范圍內能夠與無線網絡、固定網絡以及3G通信網絡等無縫連接，所以對于4G移動通信系統(tǒng)的所有用戶來說，他們能夠在全球范圍內享受共同的業(yè)務服務，并且在全球范圍內任何地方都能利用網絡溝通和交流。

（三）智能化明顯

4G 通信技術在應用方向上更趨向于智能化，在技術方面4G移動通信系統(tǒng)不僅能夠在不同的速率之間隨便切換，還能夠享受通信資源的分配，將不同的業(yè)務進行有效地融合，讓通信資源能夠實現(xiàn)合理化地分配。與此同時4G移動通信系統(tǒng)還能夠具有不同區(qū)域、不同設備的移動辦公能力。所以，4G移動通信系統(tǒng)不僅在移動終端設備的設計上具有智能化的表現(xiàn)，在各項實際的應用操作上智能化效果也非常明顯。

（四）覆蓋范圍較廣

4G通信技術將打破3G通信技術區(qū)域的限制，覆蓋范圍更加廣闊，無論是海拔地區(qū)較高的高原地區(qū)，還是信號閉塞的山區(qū)，隨著4G通信技術的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，這些區(qū)域的限制終將被打破，通信用戶即使在偏遠的山區(qū)也能享受較快的上網速率。

（五）媒體業(yè)務廣

4G移動通信系統(tǒng)能夠促進媒體業(yè)務更好更快地發(fā)展，在3G原有的業(yè)務基礎上，4G移動通信系統(tǒng)上傳或下載的圖像更清晰，同時利用4G通信還能夠實現(xiàn)電視業(yè)務以及其他形式的虛擬業(yè)務等。另外，4G移動通信系統(tǒng)還能為廣大通信用戶提供形式更加豐富的多媒體功能，與其他通信業(yè)務建立更為緊密的聯(lián)系，如電視、視頻、衛(wèi)星通信等。

四、4G移動通信系統(tǒng)的關鍵技術

為了能夠滿足用戶對高速增長的多媒體業(yè)務的需求，實現(xiàn)4G移動通信系統(tǒng)的升級換代，研發(fā)人員在設計和研發(fā)4G移動通信系統(tǒng)時應用了以下幾種關鍵技術：

（一）接入方式和多址方案

OFDM是一種在無線環(huán)境下高速傳輸信息的技術，它的設計思想就是在此區(qū)域內把給定信道分散成不同的正交子信道，通過利用子載波對每一個子信道進行調制，各個子信道內的子載波并行傳輸信息。總信道實際上并不平坦，也就是具有頻率選擇性，但是與總信道相比，每個子信道相對平坦，每個子信道在傳輸信息時利用的是窄帶傳輸，信號帶寬不大于信道的相應帶寬。OFDM技術與其他技術相比其優(yōu)點就是能夠減少甚至消除掉信號波對其造成的不必要干擾，有效增強了頻譜的利用效率，能夠實現(xiàn)較低成本的單波段接收機。但是OFDM技術自身的缺點就是功率效率較低。

（二）調制與編碼技術

4G 移動通信系統(tǒng)所采用的調制技術主要有兩種，第一種是多載波正交頻分復用調制技術，第二種是單載波自適應均衡技術，利用這種新型的調制技術不僅能夠保障頻譜利用率，還能有效延長用戶終端設備電池的使用時間。4G 移動通信系統(tǒng)利用的信道編碼方案與3G移動系統(tǒng)相比更為高級，如Turbo碼、級連碼等，另外自動重發(fā)請求等也比3G移動通信系統(tǒng)跟尾高端，這樣能夠有效保障即使4G移動通信系統(tǒng)在較低Eb/N0 條件下也能夠擁有足夠的性能。

（三）高性能的接收機

4G 移動通信系統(tǒng)與3G 移動通信系統(tǒng)相比對接收機的要求更為嚴格。在Sh-annon 定理中，在寬帶BW的信道中實現(xiàn)容量若是C則需要最小SNR的可靠傳輸。所以依據Sh-annon 定理我們可以換算出，如果3G系統(tǒng)的信道寬是5MHz，數據傳輸速率是2Mb/s，那么可靠傳輸的最小 SNR 就是 1.2 dB;但是在4G系統(tǒng)中如果信道寬是5MHz，數據傳輸速率為20Mb/s，那么所需要的 SNR 則是3G系統(tǒng)中的10倍。所以對于4G系統(tǒng)來說，由于傳輸信息的速率更高，對接收機的性能要求也也隨之提高。

（四）智能天線技術

智能天線技術的研究收到了非常高的重視，它不僅能夠防止信號干擾，自動跟蹤還能對數字波束進行調節(jié)，是未來促進未來移動技術創(chuàng)新的關鍵技術。智能天線技術是以數字信號處理技術為藍本，發(fā)射空間定向波束，讓天線的主波束與移動用戶信號方向一致，并且能夠有效利用移動信號防止甚至消除信號的目的。4G移動通信系統(tǒng)利用智能天線技術不僅能夠提高信號的質量和水平還能加大信號傳輸的容量。

（五）MIMO技術

MIMO技術也就是多輸入多輸出，這種技術是通過多發(fā)射以及多接收天線以此對空間進行有效分集。MIMO技術利用的是分立式天線，可以將通信鏈路進行有效分解從而分散成一個個并行的子通道，進而提高信號傳輸的容量。信息論研究表明，當接收天線和發(fā)射天線互不相同且無關聯(lián)時，MIMO 系統(tǒng)的抗衰落English以及噪聲性能都會得到大幅度的增長，進而得到較為龐大的容量。舉例來說，接收天線的數目是8根，發(fā)送天線的數目是8根，并且兩種天線的平均信噪比是20dB 時，鏈路容量超過了40bps/Hz，而單天線系統(tǒng)僅為此鏈路容量的40/1，。所以，一旦無線信道中功率寬帶受到其他因素的影響或限制，采用MIMO 技術就能夠很好地解決，不僅能夠提高數據傳輸的速率，增加系統(tǒng)容量，還能有效增強傳輸的質量。目前無線資源頻譜匱乏的時期，MIMO 系統(tǒng)的優(yōu)越性已經有所體現(xiàn)，在4G移動通信系統(tǒng)此項技術也會繼續(xù)唄科研人員所使用。

（六）軟件無線電技術

軟件無線電是一種新型的、開放性結構的技術，它的操作方法就是利用通用硬件平臺將具有標準化特點的硬件功能單元，采取軟件加載的方法完成不同規(guī)模不同類型的無線電通信系統(tǒng)。其中心理念就是在距離天線較近的地方設置A/D和 D/A 變換器，通過軟件對無線電功能進行定義甚至是用軟件來進行信號處理。軟件無線電系統(tǒng)中包含許多方面的軟件，比如信號流變換軟件、各種類型的無線信令規(guī)則、調制解調算法軟件等等。利用軟件無線電能夠讓系統(tǒng)更加靈活多變，適應能力也隨之加強，能夠滿足不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術不僅能夠滿足各種應用的可變 QoS，還能支持各種類型的空中接口手機以及基站。

（七）基于 IP 的核心網

基于IP 的網絡是支撐整個4G 移動通信系統(tǒng)有效運行的核心網，與其他移動網絡相比具有無法超越的特點，也就是能夠實現(xiàn)不同網絡之間的無縫連接。4G 移動通信系統(tǒng)的核心網游離于各種形式的無線接入方案之間，能夠為移動用戶提供端到端的IP業(yè)務，同時此核心網也能夠與原來存在的核心網以及PSTN相互融合，彼此共存。核心網的結構特征具有開放性，能夠包容各種空中接口與核心網相連;與此同時核心網還能將業(yè)務、控制以及傳輸等進行分離，保持彼此獨立的狀態(tài)。使用4G專題移動通信后，無線接入方式以及協(xié)議則與CN協(xié)議等保持彼此互不相容，相互分離。由于IP能夠與各種形式的無線接入協(xié)議相互融合，所以研發(fā)人員在設計核心網絡具有很大的選擇空間，在選擇無線接入時不用考慮方式以及協(xié)議等方面的因素。

五、結束語

4G 移動通信系統(tǒng)技術與3G通信網絡相比優(yōu)勢明顯，能夠快速、清晰地向用戶傳達高質量的音頻視頻等，用戶能夠根基自身的實際情況選擇自身需要的服務功能，服務功能的不同其計費方式也存在一定的差別，因此4G移動通信系統(tǒng)的的計費方式具有很大的靈活程度。4G移動通信系統(tǒng)與其他通信系統(tǒng)相比較其本身優(yōu)勢明顯，在各領域內獲得了較大程度的發(fā)展，擁有極大的發(fā)展空間。所以，研發(fā)人員應當在此基礎上對4G移動通信系統(tǒng)的關鍵技術繼續(xù)研發(fā)和創(chuàng)新，有效解決傳輸過程中發(fā)生的信號干擾問題，不斷提高信號傳輸的質量和速率，保障信號傳輸的平穩(wěn)性，為移動用戶提供更好質量的業(yè)務服務以及通信功能。

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