论文部分内容阅读
摘要：4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，让更多的通信用户能轻易地升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式。
关键词：4G；无缝性；移动通讯；智能化
第四代移动通信（4G）的概念可称为宽带（Broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它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。
与传统的通信技术相比，4G 通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度，同时具有更高的数据率、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、更高的传输质量和更高的灵活性；它还能支持非对称性业务，并能支持多种业务。从传输速率上看，第一代模拟通信仅能提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS(小灵通)；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；而第四代移动通信系统可以达到10Mbps -20Mbps，甚至以每秒100Mbps 速度传输无线信息，这相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。
从网络频谱看，每个4G 信道将占有100MHz 的频谱，相当于W-CDMA 3G 网路的20倍。
从频率资源上看，3G 使用1.8-2.5GHz 的频率，其频谱效率只有2bps/Hz，频率资源不够丰富，而4G 使用2-8GHz 的频率，其频谱效率能达到5bps/Hz，能够满足手机用户的日益增长。因此，4G 灵活性要比3G 强得多，能自适应地进行资源分配。
从覆盖性能上看，目前3G 的地区覆盖方面存在着许多技术问题，而4G 可在不同接入技术之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信，另外4G 还可以在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。
从 IP 网络兼容性看，3G 系统不是基于IP 的，如CDMA2000 基于ANSI-41(美国国家标准局-41)，WCDMA基于GSM-MAP(GSM-移动应用层)。而4G则支持下一代的Interne（t IPv6）和所有的信息设备，它能在IP IPv6 网络上实现话音和多媒体业务。
4G系统总的技术目标和特点可以概括为：具有更高的数据库、更好的业务质量（QQS）、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系统充分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系统是当下一个全IP的网络，其技术关键主要表现为：
(1)接入方式和多址方案。正交频分复用（OFDM）技术的出现是移动通讯的一次革命，它是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是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，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。
(2)调制与编码技术。4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。
(3)高性能的接收机。4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。
(4)智能天线技术。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。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。
(5)MIMO技术。(多输入多输出)技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bps/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。
(6)软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。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、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。
(7)基于IP的核心网。移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：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，因此在设计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。
(8)多用户检测技术。多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
如今，第四代移动通信的智能性更高，无论任何人在任何时候和任何地点都能和任何人进行任何方式的通信。长期以来，这一直都是人们的美好幻想。而现在，这一切因为有了4G 技术的出现变为现实。虽然4G 系统的发展道路是坎坷的，但是随着新技术和新需求的不断出现，4G 必然会成为时下移动通信领域的主导，其通信前景会更美好。
关键词：4G；无缝性；移动通讯；智能化
第四代移动通信（4G）的概念可称为宽带（Broadband）接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。它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。
与传统的通信技术相比，4G 通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度，同时具有更高的数据率、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、更高的传输质量和更高的灵活性；它还能支持非对称性业务，并能支持多种业务。从传输速率上看，第一代模拟通信仅能提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS(小灵通)；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；而第四代移动通信系统可以达到10Mbps -20Mbps，甚至以每秒100Mbps 速度传输无线信息，这相当于目前手机的传输速度的1万倍左右。
从网络频谱看，每个4G 信道将占有100MHz 的频谱，相当于W-CDMA 3G 网路的20倍。
从频率资源上看，3G 使用1.8-2.5GHz 的频率，其频谱效率只有2bps/Hz，频率资源不够丰富，而4G 使用2-8GHz 的频率，其频谱效率能达到5bps/Hz，能够满足手机用户的日益增长。因此，4G 灵活性要比3G 强得多，能自适应地进行资源分配。
从覆盖性能上看，目前3G 的地区覆盖方面存在着许多技术问题，而4G 可在不同接入技术之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信，另外4G 还可以在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。
从 IP 网络兼容性看，3G 系统不是基于IP 的，如CDMA2000 基于ANSI-41(美国国家标准局-41)，WCDMA基于GSM-MAP(GSM-移动应用层)。而4G则支持下一代的Interne（t IPv6）和所有的信息设备，它能在IP IPv6 网络上实现话音和多媒体业务。
4G系统总的技术目标和特点可以概括为：具有更高的数据库、更好的业务质量（QQS）、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系统充分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系统是当下一个全IP的网络，其技术关键主要表现为：
(1)接入方式和多址方案。正交频分复用（OFDM）技术的出现是移动通讯的一次革命，它是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是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，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。
(2)调制与编码技术。4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案(如Turbo码、级连码和LDPC等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低Eb/N0条件下保证系统足够的性能。
(3)高性能的接收机。4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为l.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。
(4)智能天线技术。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。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。
(5)MIMO技术。(多输入多输出)技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bps/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。
(6)软件无线电技术。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。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、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。
(7)基于IP的核心网。移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即：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，因此在设计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。
(8)多用户检测技术。多用户检测是宽带通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
如今，第四代移动通信的智能性更高，无论任何人在任何时候和任何地点都能和任何人进行任何方式的通信。长期以来，这一直都是人们的美好幻想。而现在，这一切因为有了4G 技术的出现变为现实。虽然4G 系统的发展道路是坎坷的，但是随着新技术和新需求的不断出现，4G 必然会成为时下移动通信领域的主导，其通信前景会更美好。