4G通信技術綜述 - 全文

移動通信技術已經歷了三個主要發(fā)展階段。每一代的發(fā)展都是技術的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代起源于20世紀80年代，主要采用模擬和頻分多址(FDMA)技術。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術。第三代移動通信系統(tǒng)(3G)可以提供更寬的頻帶，不僅傳輸話音，還能傳輸高速數據，從而提供快捷方便的無線應用。然而，第三代移動通信系統(tǒng)仍是基于地面標準不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，盡管其傳輸速率可高達2 Mb/s，但仍無法滿足多媒體通信的要求，因此，第四代移動通信系統(tǒng)(4G)的研究隨之應運而生。

一、4G通信技術的概念

4G的定義到目前為止依然有待明確，它的技術參數、國際標準、網絡結構、乃至業(yè)務內容均未有明確說法。

在2002年底Wi-Fi熱潮中，Wi-Fi被視作4G技術。但4G技術的提倡者認為，4G與 Wi-Fi不同。2004年6月，市場研究公司Forrester的分析師預測，4G移動服務將是3G與WiMax結合在一起的技術。4G將提供以太網的接入速度（如10Mb/s）,并且通過在一部手機中把3G和WiMax技術結合在一起,提供集成無線局域網和廣域網的服務。WiMax（或者說是802.16標準）能夠提供無線寬帶網服務，最遠距離可達30英里，速率大約是10 Mb/s。在2004年富士通發(fā)布的白皮書中，將WiMAX指為“4G”無線技術。

另外，也有很多專家對LAS-CDMA十分看好，認為LAS-CDMA代表著4G水平。

4G到底是什么樣的技術呢？目前普遍描述如下：

4G是集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質量視頻圖像，它的圖像傳輸質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，比目前的撥號上網快2000倍，上傳的速度也能達到20Mb/s，并能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網絡在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據自身的需求確定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。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)別在于終端設備的類型、網絡拓撲的結構以及構成網絡的技術類型。終端設備除了手機之外應當包括頭戴式話機、PDA終端、膝上機、手表式話機、電視機、游戲機、DVD、零售機，甚至寵物機等等，凡是人所能構想的和能夠識別IP地址的無線電收發(fā)信機。其次，4G是由多種技術組成的，包括彼此似乎不相干的技術，如Wi-Fi、超寬帶無線電、便攜式電腦、軟件無線電等技術構成的高速全球通網絡。

與3G手機相比，4G手機的功能更強大，應用更廣泛。4G手機智能化程度更高，通話只是最最基本的功能之一，更多的功能體現在多媒體應用方面。

二、4G通信的關鍵技術

1.正交頻分復用（OFDM）

OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多窄的正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸，因此可以大大消除信號波形間的干擾。OFDM還可以在不同的子信道上自適應地分配傳輸負荷，這樣可優(yōu)化總的傳輸速率。OFDM技術還能對抗頻率選擇性衰落或窄帶干擾。在OFDM系統(tǒng)中由于各個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，同時又提高了頻譜利用率。

移動通信信道的突出特點之一就是信道存在多徑時延擴展，它限制了數據速率的提高，因為如果數據速率高于信道的相關帶寬，信號將產生嚴重失真，信號傳輸質量大幅度下降。而OFDM技術由于具備上述特點，是對高速數據傳輸的一種潛在的解決方案，在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址方案，因此，OFDM技術已基本被公認為4G的核心技術之一。

OFDM技術主要的技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步，基于導頻符號輔助的信道估計，峰平比問題和多普勒頻偏的影響，以及基于OFDM、多載波技術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。

2.智能天線(SA)與多入多出天線(MIMO)技術

智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束能在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量，其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相關無線收發(fā)信機來實現射頻信號的接收和發(fā)射。同時通過基帶數字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。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-Out-put)系統(tǒng)，該技術最早是由馬克尼（Guglielmo Marconi）于1908年提出的，它利用多天線來抑制信道衰落。根據收發(fā)兩端天線數量，相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。

信道容量隨著天線數量的增大而線性增大，利用MIMO信道可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。

利用MIMO技術可以提高信道的容量，同時也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現，但是對信道的信噪比要求較高。性能和復雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術得出的。目前MIMO技術領域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。

3.軟件無線電技術

軟件無線電是利用數字信號處理軟件實現無線功能的技術，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現不同的業(yè)務性能。其優(yōu)點是：

（1）通過軟件方式，靈活完成硬件功能；

（2）具有良好的靈活性及可編程性；

（3）可代替昂貴的硬件電路，實現復雜的功能；

（4）對環(huán)境的適應性好，不會老化；

（5）便于系統(tǒng)升級，降低用戶設備費用。

軟件無線電技術被認為是可以將不同形式的通信技術有效聯(lián)系在一起的惟一技術。在4G移動通信系統(tǒng)中，軟件將會變得非常繁雜。為此專家們提議引入軟件無線電技術，將其作為從第二代移動通信通向第三代和第四代移動通信的橋梁。軟件無線電技術能夠將模擬信號的數字化過程盡可能地接近天線，即將A/D和D/A轉換器盡可能地靠近RF前端，利用軟件無線電技術進行信道分離、調制解調和信道編譯碼等工作。軟件無線電技術旨在建立一個無線電通信平臺，在平臺上運行各種軟件系統(tǒng)，以實現多通路、多層次和多模式的無線通信。因此應用軟件無線電技術，一個移動終端就可以實現其在不同系統(tǒng)和平臺之間暢通無阻的使用。

三、4G通信技術的主要優(yōu)勢

如果說2G、3G通信對于人類信息化的發(fā)展是足以稱道的話，那么未來的4G通信卻給了我們真正的溝通自由，并將徹底改變我們的生活方式甚至社會形態(tài)。目前正在研究中的4G通信具有以下的特征。

1.通信速度更快

由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問因特網的速率，因此4G通信給人印象最深刻的特征莫過于它具有更快的無線通信速度。從移動通信系統(tǒng)數據傳輸速率作比較，第一代模擬式僅提供語音服務；第二代移動通信系統(tǒng)數據傳輸速率只有9.6kb/s，最高可達32kb/s；而第三代移動通信系統(tǒng)數據傳輸速率可達到2Mb/s；專家則預估，第四代移動通信系統(tǒng)可以達到10Mb/s至20Mb/s，甚至最高可以達到100Mb/s，這種速度將相當于目前手機的傳輸速度的1萬倍左右。

2.網絡頻譜更寬

要想使4G通信達到100Mb/s的傳輸，通信營運商必須在3G通信網絡的基礎上，進行大幅度的改造和研究，以便使4G網絡在通信帶寬上比3G網絡的蜂窩系統(tǒng)的帶寬高出許多。據AT&T公司研究4G通信的專家們說，估計每個4G信道將占有100MHz的頻譜，相當于W-CDMA 3G網路的20倍。

3.通信更加靈活

從嚴格意義上說，4G手機的功能，已不能簡單劃歸“電話機”的范疇，畢竟語音的傳輸只是4G移動電話的功能之一而已，未來4G手機更應該算得上是一只小型電腦了。而且4G手機從外觀和式樣上，將有更新的突破，我們可以想象的是，眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋，以方便和個性為前提，任何一件你能看到的物品都有可能成為4G終端，只是目前我們還不知應該怎么稱呼它。未來的4G通信將使我們不僅可以隨時隨地通信，更可以雙向下載傳遞資料、圖畫、影像，當然更可以和從未謀面的陌生人網上聯(lián)線對打游戲。也許你將有被網上定位系統(tǒng)永遠鎖定無處遁形的苦惱，但是與它據此提供的地圖帶來的便利和安全相比，這簡直可以忽略不計。

4.智能性能更高

第四代移動通信的智能性更高，不僅表現在4G通信的終端設備的設計和操作具有智能化，例如對菜單和滾動操作的依賴程度將大大降低，更重要的4G手機可以實現許多難以想象的功能。例如，4G手機將能根據環(huán)境、時間以及其他設定的因素來適時地提醒手機的主人此時該做什么事，或者不該做什么事，4G手機可以將電影院票房資料，直接下載到PDA之上，這些資料能夠把目前的售票情況、座位情況顯示得清清楚楚，大家可以根據這些信息來進行在線購買自己滿意的電影票；4G手機可以被看作是一臺手提電視，用來看體育比賽之類的各種現場直播。

5.兼容性能更平滑

要使4G通信盡快地被人們接受，不但考慮它的功能強大外，還應該考慮到現有通信的基礎，以便讓更多的現有通信用戶在投資最少的情況下就能很輕易地過渡到4G通