第四代移动通信技术

1、第四代移动通信技术 第四代移动通信技术，简称4G。是集3G与WLAN于一 体，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和 图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目 前的家用宽带ADSL（4M）快25倍，上传速度也能达 到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务 的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调 器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。 很明显，4G有着不可比拟的优越性。 4G的定义 4G的网络架构 4G的网络体系结构 在4G通信系统中，为了满足不同用户对不同业务的需求， 将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

2、的、灵活的、可扩展 的平台。 基于IP技术的网络框架可以让用户能够在2G、3G、4G、 WLAN、固定网之间实现无缝漫游。 4G的网络架构 4G的网络体系结构 4G系统的网络体系结构可以分为：物理层、网络业务执行 技术层、应用层等三层。 4G的网络架构 4G的网络体系结构 物理层提供接入和选路功能，网路业务执行技术层为桥接 层提供QoS映射、地址转移、即插即用、安全管理、有源 网络。 物理层与网络业务执行技术层提供开放式IP接口。 应用层与网络业务执行技术层之间也是开放式接口，用于 第三方开发和提供新业务。 4G移动网络的根本任务是能够接收、捕获到终端的呼叫， 在多个运行网络（平台）之间或者多

3、个无线接口之间，建 立其最有效的通信路径，并对其进行实时的定位与跟踪。 4G移动通信网将基于多层蜂窝结构，通过多个无线端口， 由多个业务提供者和众多运营商提供多媒体业务。 4G的接入系统 4G的接入系统显著特点是智能化多模式终端基于 公共平台，通过各种接入技术，在各种网络系统 （平台）之间实现无缝连接和协作，以最优化的 方式来进行工作，以达到满足不同用户的通信需 求。 当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频 带，给出最优路由，以达到最佳通信效果。 4G主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统（如 2G，3G）、无绳系统（如DECT）、短距离连接系 统（如蓝牙）、WLAN系统、固定无线接入系统、

4、 卫星系统、平流层通信（STS）、广播电视接入系 统（如DAB、DVB-T、CATV）。新的接入技术将会 伴随市场需求和通信的发展也会出现。 4G的接入系统 未来的接入系统将主要在下面三个方面进行技术革新和突 破： 1）为了最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的 物理层、优化调制、信道编码和信号传输技术，研究先进 的信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共 享和新型天线方面做进一步研究。 2）为了提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究 网络自我优化和自动重构技术、动态频谱分配和资源分配 技术、网络管理和不同接入系统间协作。 3）提高和扩展IP技术在移动网络中的应用，加强软件

5、无线 电技术，优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务， 无线连接和网络安全。 4G的关键技术 智能天线技术2 MIMO技术3 1OFDM技术 软件无线电技术4 OFDM技术 多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，提出 正交频分复用的调制技术 。正交频分复用的基本原理是把 高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的 若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相 正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波分别进行调 制，信号通过各个子信道独立传输。 OFDM技术 在OFDM系统中，在OFDM符号之间插入保护间隔来保证 频域子信道之间的正交性，消除OFDM符号之间的干扰。 O

6、FDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独 特的优点： 1)频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。 OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利 用率可以接近Nyquist极限。 2)抗多径干扰与频率选择性衰落能力强。 由于OFDM系统把数据分散到许多个子载波上，大大降低 了各子载波的符号速率，从而减弱多径传播的影响，若再 通过采用加循环前缀作为防护间隔的方法，甚至可以完全 消除符号间干扰。 OFDM技术 3)采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率。 要求各子信道信息分配应遵循信息论中的“注水定理”， 亦即优质信道多传送，较差信道少传送，劣质信道不传送 的原则。

7、4)通过各子载波的联合编码，可具有很强的抗衰落能力。 OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不 是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。但通过将各个 信道联合编码，可以使系统性能得到提高。 5)基于离散傅立叶变换(DFT)的OFDM有快速算法，OFDM采用 IFFT和FFT来实现调制和解调，易用DSP实现。 智能天线技术 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波 束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过 满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅 度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，以 达到增强所需信号抑制干扰信号的目的。智能天 线技术适宜于TDD方式的CDMA系统，能够在较

8、大 程度上抑制多用户干扰、提高系统容量。但是由 于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机， 从而使基带处理单元复杂度明显提高。 网络结构与协议 4G系统网络体系结构包括了适用于IP分组传输的空中接口、 位置寄存、基站网络配置、无线QoS控制、网路配置和集 成式3G-WLAN无缝业务控制等功能模块。为了解决城区 密集的业务，频率复用是关键，而且用微蜂窝实现无缝覆 盖要比热点覆盖策略好，因为前者可以避免地理位置上的 业务集中。 在处理多媒体业务室，智能无线资源管理是关键技术，无 线系统资源（频率与发射功率）是有限的，并且受阻塞的 困扰，为此有必要采用无线QoS资源控制，以保证业务质 量和支持

9、各种级别的应用。 QoS资源控制方式能支持实时性应用，也可支持非实时性 的应用。无线资源者首先检查可用资源、前/后向链路质量、 应用类别以及QoS业务用户级别，然后在指配适当的前/后 向链路速率和发射功率。 4G系统基于IP技术的网络结构可以处理IP包，方便地提供 全向功能，关键是选路/切换和鉴权策略。 MIMO技术 MIMO技术是指在发射端和接收端分别设置多副发射天线 和接收天线，其出发点是将多发送天线与多接收天线相结 合以改善每个用户的通信质量(如差错率)或提高通信效率 (如数据速率)。 MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集 增益，空间复用技术可以大大提高信道容量，而空间分

10、集 则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。 MIMO技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径衰 落影响因素变成对用户通信性能有利的增强因素，MIMO 技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地 提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带 宽的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。 MIMO技术 信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以 利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽 和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。 利用MIMO技术可以成倍提高信道的容量，同时也可以提 高信道的可靠性，降低误码率。前者是利用MIMO信道提 供的空间复用增益，

11、后者是利用MIMO信道提供的空间分 集增益。 目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见 的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利 用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集， 从而降低信道误码率。 MIMO技术 在未来的宽带无线通信系统中存在两个最严峻的挑战：多 径衰落信道和带宽效率。 OFDM将频率选择性多径衰落信道在频域内转换为平坦信 道，减小了多径衰落的影响，而MIMO技术能够在空间中 产生独立的并行信道同时传输多路数据流，这样就有效地 提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增 加频谱效率。 MIMO技术 当然我们可以考虑多种技术的结合，将OFDM和

12、MIMO两 种技术相结合就能达到两种效果：一种是实现很高的传输 速率，另一种是通过分集实现很强的可靠性，同时，在 MIMO-OFDM中加入合适的数字信号处理的算法能更好地 增强系统的稳定性。 MIMO-FDM技术是OFDM与MIMO技术结合形成的新技术， 通过在OFDM传输系统中采用天线阵列实现空间分集，提 高了信号质量，充分利用了时间、频率和空间3种分集技 术，大大增加了无线系统对噪声、干扰、多径的容限。因 此，基于OFDM的MIMO系统具有逼近极限的系统容量和 良好的抗衰落特性，可以预见，它将是下一代网络采用的 核心技术。 软件无线电 所谓软件无线电技术就是采用数字信号处理技术， 在可编程

13、控制的通用硬件平台上，利用软件来实 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。 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实现 。 软件无线电核心技术就是在尽可能接近天线的地 方使用A/D和D/A转换器，尽早完成信号的数字化。 因此，应用软件无线电技术，一个移动终端，就 可以实现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。 4G的优点 优点：通信速度快、网络频谱宽、通信灵活、智能 性能高、兼容性好、提供增值服务、高质量通 信、频率效率高、费用便宜 缺点：标准多、技术难、容量受限、市场难以消化、 设施更新慢 未来移动通信技术5G 5G网络是指下一代无线网络。5G网络将是4G网络的真正 升级版，它和基本要求并不同于今天的无线网络。 2014年5月13日，三星电子宣布，其已率先开发出了首 个基于5G核心技术的移动传输网络，并表示将在2020年 之前进行