4G移动通信技术的研究

网络通讯及安全本栏目责任编辑：冯蕾 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第 5 卷第 15 期 (2009 年 5 月) 4G移动通信技术的研究 朱晓华，张滋朋 （中国电信股份有限公司珠海分公司，广东 珠海 519002） 摘要：在还没有完全享受 3G 移动通信系统商所带来服务的同时，4G 移动通信技术的研究已经在逐步的进行着。 该文简要了： (1) 4G 的网络结构；(2) 4G 的关键技术，如 OFDM，软件无线电，智能天线技术，MIMO 技术。 (3) 比较了 3G 和 4G 不同指标，分析了 3G 和 4G 采用的不同技术。 (4) 初步探讨了 4G 的现状和发展。 关键词：3G；4G ；OFDM； 软件无线电；智能天线；MIMO 技术；网络 中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)15-3911-02 Study on 4G Wireless Communication Systems ZHU Xiao-hua, ZHANG Zi -peng (China Telecom Corporation Limited Zhuhai Branch,Zhuhai 519002,China) Abstract: in the absence of full enjoyment of 3G mobile communication systems brought about by service providers at the same time, 4G mobile communications technology has been carried out in step-by-step. In this paper, a brief analysis of: (1) 4G network structure; (2) 4G key technologies such as OFDM, software radio, smart antenna technology, MIMO technology. (3) comparison of different indicators of 3G and 4G, 3G and 4G analysis of the different technologies used. (4) discussed the current situation and development of 4G. Key words:3G; 4G;OFDM;Software Defined Radio;Intelligent Antenna;MIMO Technology; Network 1 前言 随着 3G 在我国的商用以来，用户在使用手机电视和视频通话方面，出现信号不稳，视频通话效果不好等问题。 人们开始期望 4G 能够解决这些问题，能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。 从而使 4G 比 3G 更接近个人通信，在技术上比 3G 更完善。 2 4G 网络结构 4G 系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于 IP 的核心网中。 基于 IP 技术的网络结构使用户可实现在 3G、4G、WLAN 及固定网间无缝漫游。 4G 网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。 1） 物理网络层提供接入和路由选择功能。 2） 中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。 3） 物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的，使发展和提供新的服务变得更容易，提供无缝高数据率的无 线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线及多模终端，跨越多个运营商和服务商，提供更大范围服务。 3 4G 网络中的关键技术 3.1 OFDM OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，实际上 OFDM 是 MCM Multi-CarrierModulation，多载波 调制的一种。其主要原理是:将待传输的高速串行数据经串并变换, 变成在子信道上并行传输的低速数据流, 再用相互正交的载波进 行调制, 然后叠加一起发送。 接收端用相干载波进行相干接收, 再经并串变换恢复为原高速数据。 OFDM 技术的有很多优点：可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率；适合高速 数据传输；抗衰落能力强；抗码间干扰（ISI）能力强。 3.2 软件无线电 软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一 种开放式结构的技术。其中心思想是使宽带模数转换器(A ／D)及数模转换器(D ／A)等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。尽可 能多地用软件来定义无线功能。 其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编 码软件、信源编码软件等。 软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等 3.3 智能天线技术（SA） 智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能， 被认为是未来移动通信的关键技术。 智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质 量又能增加传输容量。 其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信 号处理器，对各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。 4.4 多输入多输出(MIMO)技术 多输入多输出技术（MIM0）是指在基站和移动终端都有多个天线。 MIM0 技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。 空间 复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线 收稿日期：2009-04-11 作者简介：朱晓华（1982-），女，广东雷州人，助理师，研究方向：通信；张滋朋（1981-），男，重庆江津人，助理工程师，研究方向： 计算机编程、计算机通信。 ISSN 1009-3044 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 Vol.5,No.15, May 2009, pp.3911-3912 E-mail: info@cccc.net.cn http://www.dnzs.net.cn Tel:+86-551-5690963 5690964 3911 本栏目责任编辑：冯蕾网络通讯及安全 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 第 5 卷第 15 期 (2009 年 5 月) 数量的增加而线性增加。 空间分集有发射分集和接收分集两类。 基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分 集增益，已成为该领域的研究热点。 MIM0 技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统 的容量及覆盖范围。 3.5 基于 IP 的核心网 4G 移动通信系统的核心网是一个基于全 IP 的网络， 可以实现不同网络间的无缝互联。 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 兼容。 核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入核心网;同时核心 网能把业务、控制和传输等分开。采用 IP 后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP 与多种无 线接入协议相兼容，因此在核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。 在 4G 通信系统中将取代 IPv4 协议，主要采用全分组方式 IPv6 技术，IPv6 具有许多的优点，如：有巨大的地址空间；支持无状态 和有状态两种地址自动配置的方式；能够提供不同水平的服务质量；更具有移动性。 4 3G与 4G的比较 由于目前 3G 采用很多先进性的技术, 将来 4G 在很大程度上进一步融合 3G 现有的技术。比如，智能天线，软件无线电，联合检 测，功率控制等。 虽然 4G 继承了 3G 的许多技术，但是在指标和技术方面有诸多区别。 4.1 技术指标方面 3G 提供了高速数据,在图象传输上，其静止传输速率达到 2Mbps,高速移动时的传输速率达到 114Kbps,慢速移动时的传输速率 达到 384kbps, 带宽可以达到 5MHz 以上 UMT 采用 WCDMA 技术,利用正教码区分用户,有 FDD 和 TDD 两种双工方式。 4G 的性能指标是: a) 数据速率从 2Mbps 到 100Mpbs b) 容量达到第 3 代系统的 5～10 倍 ,传输质量相当于甚至优于第 3 代系统。 广带局域网应能与宽带综合业务数据网 (B - IS- DN)和异步传送模式 (ATM)兼容 ,实现广带多媒体通信 ,形成综合广带通信网 c.) 条件相同时小区覆盖范围等于或大于第 3 代系统。 d) 具有不同速率间的自动切换能力 ,以保证通信质量。 e) 网络的每比特成本要比第 3 代低。 4.2 技术方面 a) 3G 的关键技术是 CDMA 技术，而 4G 采用的是 OFDM 技术。 OFDM 可以提高频谱利用率，能够克服 CDMA 在支持高速率数 据传输时信号间干扰增大的问题。 b) 在软件无线电方面，4G 对 3G 中的软件无线电技术进行升级，满足 4G 中无线接入多样化要求，使得 3G 中无线接入标准不 统一的问题得以解决。 同时在 4G 中，实现软切换和硬切换相结合，对 3G 中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块 ,对相应 的软件进行升级使他们最终都融合到一起 ,成为一个统一的标准 , 实现各种需求的功能。 c) 3G 网络采用的主要是蜂窝组网,4G 采用全数字全 IP 技术，支持分组交换，将 WLAN，Bluetooth 等局域网融入广域网中。 在 4G 中提高智能天线的的处理速度和效率。 在 TD－SCDMA 采用智能天线的基础上，对相关的软件和算法加以升级，增加一些接口协 议来满足 4G 的要求。 d) 4G 系统也使用了许多新技术 , 包括超链接 (ultra2connectivity)和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分 配技术以及软件无线电技术 ,等等。 e) 在功率控制上 ,4G 比 3G 要求更加严格 ,其目的是为了满足高速通信的要求。 不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率 , 而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。 在 3G 中 ,采用切换技术来减少对其它小区的干扰 ,提高话音质量 ,不 过在 4G 中 ,切换技术的应用更加广阔 ,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。 5 我国的 4G的发展 国际电信联盟 (ITU) 为 4G 制定了明确的时间表：2006 年至 2007 年完成频谱规划，2010 年左右完成全球统一的标准化工作， 2010 年之后开始商用。 其中，4G 技术提案将从 2008 年开始征集。 目前，全球范围内许多国家和地区都在加紧对 4G 的研究。我国在 2001 年，国家“863”启动了面向 B3G/4G 的移动通信发展 研究计划—FuTURE 未来通用无线环境研究计划(简称 FuTURE 计划)。 我国已经启动 4G 研发有 5 年的时间了，国内十余家大学、企 业和研究所均参与其中。2006 年 10 月 31 日，4G 外场试验系统在上海通过了现场验收，正式将 FuTRUE 计划带入了第三阶段。这是 全球进行的首次关于 4G 技术的应用测试，也是目前为止全世界最大的 4G 实验系统：共包括 6 个节点，3 个信道，6 个终端，并引入 了如 IPv6 核心网络、IPTV 高清晰度业务与移动通信切换等技术。 实验系统频点 3.5GHz、带宽 20MHz，采用协同分布式无线电蜂窝 构架、混合 FDD/TDD 双工方式、GMC/OFDM 多址技术。 我国目前已决定，将在更多地区进行 4G 系统的测试工作，且要赶在 2010 年前对其进行商业化测试 6 总结 该文分析了 4G 网络构架以及其关键技术，并对 4G 和 3G 采用的技术进行了对比。 我们可以看出 4G 中除了核心网络之外，其 他的很多的设备和技术，都可以利用 3G 中所采用的技术资源和设备，改进原有的硬件设施，对原有的软件进行升级融合，再加上 4G 的关键技术，使得 3G 平滑过渡到 4G，并且能够最大限度的降低通信建设的投资资本。 虽然我国在 4G 研究上已经取得可喜的成 果，但仍有很多难题有待解决。 对于我国能否从现有的 TD-CDMA 平滑过渡到 4G，形成 4G 标准并商用化，让我们拭目以待。 参考文献： [1] Convergence Towards 4G: A Novel View of Integration, E. 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