4G技术的分析与展望

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1、前言

        就在我们为3G时代的光明前景欢欣鼓舞的时候，就在我们为3G市场如何全面启动而争论不休的时候，第四代移动通信技术（4G）已经悄然呈现在我们面前，开始为我们勾画出信息传输速度超过3G达1万倍的第四代移动通讯技术的蓝图。

        简单而言，4G是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路。这种新网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。4G最突出的特点之一，就是网路传输速率达到了前所未有的100M，完全能够满足用户的上网需求。这样它就完全可以同现代的高速网络技术相比美，这也是跨越3G直接进入4G的倡导者们提出的重要理由。

        有别于以往的无线通信系统，4G将能够提供全息录音、远程控制卡以及移动虚拟现实等功能。4G将不仅仅应用于蜂窝电话通信领域，日本及欧洲一些移动运营商正在开发相关增值服务，而美国的固定无线通信服务商则试图通过改变网络灵活性向4G过渡。另外，由于无线LAN技术提供的速率已接近4G的水平，4G将融合新型无线LAN技术。

        4G系统总的技术目标和特点可以概括为：系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性；4G系统应能支持非对称性业务，并能支持多种业务；4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势，因此4G系统应当是一个全IP的网络。

2、4G系统崭露头角

        3G技术发展至今仍不是很成熟。目前，3G还缺乏全球统一标准，即使是在美国，也存在三种互不兼容的规范；3G所运用的语音交换架构仍承袭了第二代（2G）的电路交换，而不是完全IP形式；由于受到多用户干扰，难以达到很高的通信速率等。被人们炒得沸沸扬扬的视频应用也不尽如人意——犹如放幻灯片一样；更为重要的一点是，它的数据传输率只相当于普通拨号接入的水平，更赶不上DSL。

        4G系统应该很好的解决了以上各种缺陷，具有如下特征：

2.1　高速率，高容量

        对于大范围高速移动用户（250km/h），数据速率为2Mbps；对于中速移动用户（60km/h），数据速率为20Mbps；对于低速移动用户（室内或步行者），数据速率为100Mbps。其容量至少应是3G系统容量的10倍以上。

2.2　网络频带更宽

        要想使4G通信达到100Mbps的传输速度，通信运营商必须在3G通信网络的基础上进行大幅度的改造，以便使4G网络在通信带宽上比3G网络的带宽高出许多。每个4G信道将占有100MHZ的频谱，相当于W-CDMA 3G网络的20倍。

2.3　兼容性更加平滑

        要使4G通信尽快地被人们接受，还应该考虑到让更多的用户在投资最少的情况下轻易地过渡到4G通信。因此，4G应该接口开放、能够跟多种网络互联，并且具备很强的对2G、3G手机的兼容性，以完成对多种用户的融合。在不同系统间无缝切换，传送高速多媒体业务数据。

2.4　智能性能更高

        4G的网络系统是一个高度自治、自适应的网络，它具有良好的重构性、可伸缩性、自组织性等，用以满足不同环境、不同用户的通信需求。第四代移动通信的智能性，不仅表现在4G通信的终端设备的设计和操作具有智能化，更重要的是4G手机可以实现许多难以想像的功能，例如，4G手机将能根据环境、时间以及其他因素来适时提醒手机的主人。

        严格的说，4G手机的功能已不能简单的称其为电话机，因为语音数据的传输只是4G移动电话的功能之一而已，它已越来越接近于一台小型掌上电脑。4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等，大量信息通过宽频的信道传送出去，因此4G也称为“多媒体移动通信”。它将个人通信、信息系统、广播和娱乐等各项业务结合成整体，服务和应用更加广泛、安全、方便和个性化。

        4G移动网络的根本任务是能够接收、获取到终端的呼叫，在多个运行网络之间或者多个无线接口之间，建立起最有效的通信路径，并对其进行实时的定位和跟踪。在移动通信过程中，移动网络还要保持良好的无缝连接能力，保证数据传输的高质量、高速率。4G移动网络将基于多层蜂窝结构，通过多个无线接口，由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。其核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。各种针对不同业务的接入系统通过多媒体接入系统连接到基于IP的核心网中，形成一个公共的、灵活的、可扩展的平台。

3、四大关键技术探讨

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。

        智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。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。

        其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。

        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。

3.4　IPv6
        4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑：

（1）巨大的地址空间。

        在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球唯一的地址。

（2）自动控制。

        IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。有状态配置机制，如DHCP（动态主机配置协议），需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。

（3）服务质量。

        服务质量（QoS）包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6与目前的IPv4提供相同的QoS，但是IPv6的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于IPv6报头中新增加的字段“流标志”。有了这个20位长的字段，在传输过程中，中间的各节点就可以识别和分开处理任何IP地址流。

（4）移动性。

        移动IPv6（MIPv6）在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。每个移动设备设有一个固定的家乡地址（home address），这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址（care-of address）来提供移动节点当前的位置信息。移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。

4、发展面临四大挑战

        要顺利地把4G系统投入实际应用，会遇到技术和市场两方面的挑战：

        未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现这些要求在技术上将面临更大挑战。此外，系统性能（如蜂窝规模和传输速率）在很大程度上将取决于频率的高低。有人认为，4G技术指标、应用范围各方面如果没有“革命性”的变革，不能够叫“4G”。4G移动通信的数据传输应该比3G高一个数量级。这会引起一系列技术上的难题。

        4G系统所运用的各种核心技术还不完善，这些技术还需要一个长期逐步完善的过程。例如核心网的移动IP技术，对于第四代移动通信系统而言，移动IP技术缺乏实时位置管理和快速无缝切换机制的支持。

        4G系统所号称的最大速度，在实际应用中，很难达到理论值。人们对未来的4G通信的需求是它的通信传输速度将会得到极大提升，从理论上说最高可达到100Mbps，但手机的传输速度将受到通信系统容量的限制。

        4G的发展实施还要受到市场压力的影响。有专家预测，在10年以后，2G的多媒体服务将进入第三个发展阶段，此时覆盖全球的3G网络已经基本成形，全球至少有25%以上的人口使用3G系统，到那时，整个行业正在消化吸收第三代技术，利用4G相关技术对3G进行改进与完善的工作也会同时进行，对于4G系统的接受还需要一个逐步过渡的过程。另外在过渡过程中，号称5G的技术随时都有可能威胁到4G的盈利计划。

5、结束语

        尽管第四代移动通信技术有着比3G更强的优越性，可要是把4G投入到实际应用，需要对现有的移动通信基础设施进行更新改造，这将会引发一系列的资金、观念等问题，从而在一定程度上会减缓4G正式进入市场的速度。

        虽然4G系统的发展道路是坎坷的，其中也充满了变数。但是随着新技术和新需求的不断出现，4G必然会取代3G，成为未来移动通信领域的主导技术，4G一定会使我们未来的移动通信事业前景更美好。