浅析第四代移动通信系统的关键技术及其展望
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摘要：在伴随着移动增值业务的不断发展，迈向3G（3rd Generation，第三代移动通信）则是两大移动运营商的必然选择。而向4G则是集前三代移动通信系统的优点于一身，更加是人们所追求的必然。本文就第四代移动通信系统的关键技术进行探讨为其展望。
关键词：3G系统 4G系统 技术发展
前言
移动通信是指通信的双方至少有一方是在移动中进行信息交换的。移动通信系统主要有四代。第一代移动通信系统(也叫1G），主要采用的是模拟技术和频分多址（ＦＤＭＡ）技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。第二代移动通信系统(2G)起源于９０年代初期，主要采用的是数字的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术。第二代移动通信系统与第一代移动通信系统相比，仅仅是移动通信性能增强了许多。第三代移动通信系统（3G），也称IMT-2000，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等，其传输速率高达2Mbit/S，带宽可达5MHz以上。
一、3G的系统应用
第三代移动通信系统是我们中国这几年主要发展的通信系统，主要有TD－SCDMA（时分同步码分多址）以中国自主研发的3G标准，目前已被国际电信联盟接受，与WCDMA（宽带码多分址）和CDMA2000。尽管目前3G的各种标准和规范已达成协议，并已开始商用，但3G技术仍存在一些不足。3G的局限性主要体现为：(1)缺乏全球统一标准；(2)3G所运用的语音交换架构仍承袭了2G的电路交换，而不是完全IP形式；(3)由于采用CDMA技术，难以达到很高的通信速率，无法满足用户对高速多媒体业务的需求；(4)由于3G空中接口标准对核心网有所限制，因此3G难以提供具有多种QoS及性能的各种速率的业务；(5)由于3G采用不同频段的不同业务环境，需要移动终端配置有相应不同的软、硬件模块，而3G移动终端目前尚不能够实现多业务环境的不同配置，也就无法实现不同频段的不同业务环境间的无缝漫游。所有这些局限性推动了人们对下一代通信系统――4G的研究和期待。
二、4G的系统应用
第四代移动通信系统是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。 4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到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。
究竟什么是4G，目前尚未有明确的定义。一种普遍认可的观点将4G称为广带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力及不同速率间的自动切换能力，是多功能集成的宽带移动通信系统、宽带接入IP系统，包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络, 集成不同模式的无线通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。而有的学者将4G称为超高速无线网络，认为4G是一种不需要电缆的信息超级高速公路，该网络可使电话用户以无线形式实现全方位虚拟连接。还有人将4G称为“多媒体移动通信”。也有学者认为采用了OFDM和MIMO技术的HSOPA就可作为4G的标准。同时，也有一部分专家认为4G就是超3G（又称后3G、B3G或Beyond IMT-2000，这个超3G的概念涵盖了现有的3G、3G增强技术，以及新的移动接入和游牧/本地接入系统）。
三、4G的网络结构分解
4G移动系统网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有QoS映射、地址变换和完全性管理等。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，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。
四、4G通信系统的关键
第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输，抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术，高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线，大容量、低成本的无线接口和光接口，系统管理资源，软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。下面主要介绍一下第四代移动通信系统的一些主要技术。
一、OFDM(正交频分复用)。
OFDM技术实际上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多载波调制)的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。
二、软件无线电。
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。
三、智能天线。
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。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，其基本工作原理是根据信号来波的方向自适应地调整方向图，跟踪强信号，减少或抵消干扰信号。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。智能天线的核心是智能的算法，而算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率，因此需要选择较好算法实现波束的智能控制。
四、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；2、自动控制；3、服务质量；4、移动性。
五、4G的展望
目前移动通信在各国的经济中都发挥着支柱作用。以信息技术为基础的知识经济和以新能源技术为基础的绿色经济是当今世界最重要的两大经济领域。而以4G为龙头的移动通信技术正在带来信息产业新的革命，并成为国际竞争制高点之一。第四代通信系统有着通信速度更快，网络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高，兼容性能更平滑，提供各种增值服务，能实现更高质量的多媒体通信，频率使用效率更高，通信费用更加便宜的优势，必将引领中国移动通信业的发展。虽然，中国目前3G还没有完全的普及，但是第四代操作系统以它独有的优越性必将普及未来通信行业。
与此同时，我们不能总是幻想，我们要解决普及4G时所要面对的技术难题。从技术角度来分析，4G要实现高数据速率、高机动性和无缝隙漫游，必须对现有的移动通信基础设施进行更新改造，首先需要解决无线系统中的移动性管理、资源管理和核心网的移动IP技术等问题，还有4G的标准问题。其次要开发新的频谱资源，提高频谱利用率并选择合适的传输技术。例如，利用RAKE接收、跳频以及Turbo码等技术来增强系统的性能，提高信噪比；提高检测可用的资源以及信号质量、动态分配频率资源和信号发射功率、增加移动通信系统容量、降低信号发射功率；提高通信的覆盖范围，并支持多媒体通信、无线接入宽带固定网以及在不同系统之间的漫游等。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的4G系统，将是通往未来无线移动通信系统的必然途径。
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