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[摘要]4G移动通信技术是在前三代移动通信技术基础上发展起来，具有高速、抗干扰和更兼容的优势，是通信行业未来发展的必然。本文介绍了4G移动通信核心网技术和发展现状，对4G移动通信技术进行了分析，阐述了4G移动通信技术的结构和技术关键，提出了4G移动通信技术的应用和发展前景。
[关键词]4G移动通信技术核心网技术性能分析发展展望
中图分类号：TN828.6 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）28―0509―02
一、4G移动通信技术的定义、性能与特点
1.4G移动通信技术的定义
4G移动通信技术是指建立在无线通信网络之上，实现高速数据传输，更高抗干扰性能和更强的兼容速率的信息移动通信技术，4G移动通信技术是未来五年我国通信行业科技进步的突破口，是未来十年商业化高端运行的通信技术。
2.4G移动通信技术的性能与特点
首先，4G移动通信技术的传输速率更快，与3G移动通信相比4G移动通信技术的传输数据在理论上至少要提高五十倍。其次，4G移动通信技术具有集约化的优势，网络结构和接入方式具有系统优化的功能，方便实现切换。其三，4G移动通信技术具有多网络融合优势，不但整合移动通信网络，还能对互联网络和局域网络进行融和，实现真正的大网络。最后，4G移动通信技术的应用前景广阔，4G移动通信网络可以实现高清音质、图像和信息的传递，还能具抗干扰功能，实现移动通信的安全性和保密性。
4G移动通信和3G相比较，4G移动通信技术具有明显的优势。总体来说，4G具有如下特点：（1）高速率和数字宽带技术。（2）良好的兼容性和较强的灵活性。通过采用智能技术使系统能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求，对各种复杂环境下的不同信道进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。（3）多类型用户共存和多种业务融合。4G移动通信系统能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理，满足系统多类型用户的需求。同时支持更丰富的移动业务，使用户随时随地获得所需的信息服务。更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。（4）4G移动通信系统具有先进的突破性的技术应用。（5）4G移动通信系统是一个完全自适应的网络，拥有对结构的自我管理能力，以满足用户在业务和容量方面不断变化的需求。
二、4G移动通信的技术结构与系统中核心技术
4G移动通信信道传输、抗干扰、多接入等功能的实现依靠无线网络的结构，4G移动通信技术分为：物理网络层、中间环节层和应用网络层，三个分层，在物理网络层中无线和核心网络是根本和关键，是提供接入和路由选择的根本；中间环节层的主要功能是實现映像、地址变换和实现管理的子系统，是主要的控制功能层；应用网络层实现着数据无缝高速连接，可以运用多个频带实现跨网络、地域和标准的服务。4G移动通信系统中的核心技术有：
1.正交频分复用技术（OFDM）
正交频分复用技术是多载波调制（MCM）的一种。是将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到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。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，OFDM发展到今天，得益于采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构。
OFDM在4G中的基本原理和方法就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个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的不良影响。还可以在 OFDM符号之间插入保护间隔，且保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰。OFDM技术能够有效地对抗频率选择性衰落或窄带干扰、对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM的信道利用率很高，这一点在当今频谱资源有限的无线环境中尤为重要。此外OFDM技术还可以和其它多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。
OFDM是4G关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度地提高了系统性能。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的 FDMA提高了频带利用率。
2.多输入多输出技术（MIMO）
MIMO本质是一种分集技术，是多天线技术的发展。它利用多个天线在收发两端同时工作，在空域上扩展传输通道进而提高系统的传输速率。并行工作的各个发送和接收天线通过角度扩展等多种途径减少空间相关，当彼此的信道冲击和响应相互独立时，信道的容量或者传输能力将随着天线数目的增加而线性增加，这样系统的通信能力将可以在不增加天线的发射功率和系统带宽的情况下得到成倍提高。
MIMO技术是无线通信领域的重大突破，发展潜力巨大。通过近几年的不断完善和改进，已经越来越多地应用到各种无线通信系统中，被认为是现代无线通信的关键技术之一。其优点可以概括为：可降低码间干扰、可提高空间分集增益、可提高无线信道容量和频谱利用率。在4G系统中，MIMO与 OFDM结合使用，互为补充，综合了时间、频率和空间3个域上的分集技术，大大增加了系统的数据传输能力。通常，多径要引起衰落，因此被视为有害因素。最新研究结果表明，对于 MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而得到最佳的处理。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
3.软件无线电技术
软件无线电技术就是用现代化软件来控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于：传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台，而许多的通信功能则是由软件来实现，打破了设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。
软件无线电技术将硬件、软件、无线技术有机地结合在一起，组成灵活多样的多功能系统。它以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。在设计和应用中，软件无线电技术的优点：一是灵活性；二是集中性；三是模块化；模块化的设计，符合开放标准，使得系统便于维修、升级和改造。
4.切换技术
切换技术指的是移动终端从一个通信覆盖区移动到另一个通信覆盖区，为保持通信业务连续性而改变信道所进行的链路侦测、仲裁和建立、断开等操作的综合技术。切换是蜂窝移动通信系统中保持用户移动性的基本技术，是4G实现无缝、可靠漫游的基础。切换的实现在方式上可分为硬切换、接力切换、软切换和更软切换等多种方式。切换的发生时机不仅包括移动终端在不同网络之间的接入和在不同基站之间的移动，还包括在同一基站的不同扇区或者不同频率之间的迁移，以及随着信道变化进行链路的更新等情况。
现有的切换控制机制主要有两种，一种是由智能化移动终端进行端口信号的强度和质量的检测，由终端的软件系统进行判决，主动发起和完成切换操作，另一种是由移动用户临近的基站监测各通信链路的信号状态，交换网中心根据监测数据完成切换。DSP和软件技术是4G切换技术的关键组成，高效智能的切换算法可以显着提高系统的切换效率和质量。在4G中综合了两种控制机制的优点，充分发挥终端智能软件的优势，实现以软切换为主，辅助其它切换方式的综合切换技术。
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，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。
三、对4G移动通信技术的展望
目前，移动通信已经基本达到了人与人的互联，人与互联网的互联正在逐步实现。3G移动通信技术使应用智能手机上网的用户数量产生了质的飞跃，随着智能手机价格的下降以及通信资费的下调，在不久的将来，应用移动手机取代计算机上网的趋势将得到实现，4G移動通信技术应该抓住这一有利时机，依靠3G移动通信技术打下的网络基础和行为习惯，加强自身的结构优化，用高速、安全和智能化的技术推进4G移动通信的应用。在全球经济一体化的今天，物资流动将被互联网所兼容，根据全球移动通讯系统协会的预测，人类将迎来人与物、物与物之间的物联网时代，4G移动通信技术将实现随时、随地、无所不在的物流功能，有效实现物资流动和互联网沟通。
四、结语
综上所述，移动通信技术是当前通信技术的重要组成部分。4G移动通信技术在国际标准的制定工作已经基本完成，大型的4G移动通信技术商用将很快开展，通信行业应该抓住4G移动通信技术推广普及和商用的有利时机，在准确描述4G移动通信技术定义的基础上，对4G移动通信技术的关键和技术结构有所掌握，认真分析和预测4G移动通信技术的发展方向和应用前景，实现4G移动通信技术的发展。在实际的4G移动通信技术研究工作中不能将4G移动通信技术简单地看作是手机功能的开发和拓展，应该用科学和发展的观点真正理解4G移动通信技术的内涵，用踏实的工作推进4G移动通信技术的发展和应用。
参考文献
[1]陈仁森.4G移动通信系统及其关键技术[J].湘潭师范学院学报（自然科学版），2007（4）
[2]陆军.浅析4G移动通信技术[J].石家庄理工职业学院学术研究，2010（2）
[3]赵瑞玉3.4G移动通信系统的热点技术及其发展动态[J].山西电子技术，2008（226）
作者简介
陈洪、1977年3月出生、男、籍贯（浙江宁波）、现任浙江省邮电工程建设有限公司工程师职务、研究方向（无线核心网课题：移动通信核心网的IP化；4G移动通信核心网技术的应用与发展）。
[关键词]4G移动通信技术核心网技术性能分析发展展望
中图分类号：TN828.6 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）28―0509―02
一、4G移动通信技术的定义、性能与特点
1.4G移动通信技术的定义
4G移动通信技术是指建立在无线通信网络之上，实现高速数据传输，更高抗干扰性能和更强的兼容速率的信息移动通信技术，4G移动通信技术是未来五年我国通信行业科技进步的突破口，是未来十年商业化高端运行的通信技术。
2.4G移动通信技术的性能与特点
首先，4G移动通信技术的传输速率更快，与3G移动通信相比4G移动通信技术的传输数据在理论上至少要提高五十倍。其次，4G移动通信技术具有集约化的优势，网络结构和接入方式具有系统优化的功能，方便实现切换。其三，4G移动通信技术具有多网络融合优势，不但整合移动通信网络，还能对互联网络和局域网络进行融和，实现真正的大网络。最后，4G移动通信技术的应用前景广阔，4G移动通信网络可以实现高清音质、图像和信息的传递，还能具抗干扰功能，实现移动通信的安全性和保密性。
4G移动通信和3G相比较，4G移动通信技术具有明显的优势。总体来说，4G具有如下特点：（1）高速率和数字宽带技术。（2）良好的兼容性和较强的灵活性。通过采用智能技术使系统能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理而满足通信要求，对各种复杂环境下的不同信道进行信号的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。（3）多类型用户共存和多种业务融合。4G移动通信系统能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理，满足系统多类型用户的需求。同时支持更丰富的移动业务，使用户随时随地获得所需的信息服务。更加安全、方便地向用户提供更广泛的服务与应用。（4）4G移动通信系统具有先进的突破性的技术应用。（5）4G移动通信系统是一个完全自适应的网络，拥有对结构的自我管理能力，以满足用户在业务和容量方面不断变化的需求。
二、4G移动通信的技术结构与系统中核心技术
4G移动通信信道传输、抗干扰、多接入等功能的实现依靠无线网络的结构，4G移动通信技术分为：物理网络层、中间环节层和应用网络层，三个分层，在物理网络层中无线和核心网络是根本和关键，是提供接入和路由选择的根本；中间环节层的主要功能是實现映像、地址变换和实现管理的子系统，是主要的控制功能层；应用网络层实现着数据无缝高速连接，可以运用多个频带实现跨网络、地域和标准的服务。4G移动通信系统中的核心技术有：
1.正交频分复用技术（OFDM）
正交频分复用技术是多载波调制（MCM）的一种。是将信道分成若干个正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到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。目前OFDM技术已经被广泛应用于广播式的音频、视频领域和民用通信系统，OFDM发展到今天，得益于采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构。
OFDM在4G中的基本原理和方法就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个子信道中进行传输。由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的不良影响。还可以在 OFDM符号之间插入保护间隔，且保护间隔大于无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度地消除由于多径带来的符号间干扰。而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰。OFDM技术能够有效地对抗频率选择性衰落或窄带干扰、对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。OFDM的信道利用率很高，这一点在当今频谱资源有限的无线环境中尤为重要。此外OFDM技术还可以和其它多种接入方法结合使用，构成OFDMA系统，使得多个用户可以同时利用OFDM技术进行信息的传输。
OFDM是4G关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度地提高了系统性能。OFDM中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的 FDMA提高了频带利用率。
2.多输入多输出技术（MIMO）
MIMO本质是一种分集技术，是多天线技术的发展。它利用多个天线在收发两端同时工作，在空域上扩展传输通道进而提高系统的传输速率。并行工作的各个发送和接收天线通过角度扩展等多种途径减少空间相关，当彼此的信道冲击和响应相互独立时，信道的容量或者传输能力将随着天线数目的增加而线性增加，这样系统的通信能力将可以在不增加天线的发射功率和系统带宽的情况下得到成倍提高。
MIMO技术是无线通信领域的重大突破，发展潜力巨大。通过近几年的不断完善和改进，已经越来越多地应用到各种无线通信系统中，被认为是现代无线通信的关键技术之一。其优点可以概括为：可降低码间干扰、可提高空间分集增益、可提高无线信道容量和频谱利用率。在4G系统中，MIMO与 OFDM结合使用，互为补充，综合了时间、频率和空间3个域上的分集技术，大大增加了系统的数据传输能力。通常，多径要引起衰落，因此被视为有害因素。最新研究结果表明，对于 MIMO系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线（或阵列天线）和多通道，MIMO的多入多出是针对多径无线信道来说的。多天线接收机利用先进的空时编码处理能够分开并解码这些数据子流，从而得到最佳的处理。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。
MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。
3.软件无线电技术
软件无线电技术就是用现代化软件来控制传统的“纯硬件电路”的无线通信。软件无线电技术的重要价值在于：传统的硬件无线电通信设备只是作为无线通信的基本平台，而许多的通信功能则是由软件来实现，打破了设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。
软件无线电技术将硬件、软件、无线技术有机地结合在一起，组成灵活多样的多功能系统。它以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。在设计和应用中，软件无线电技术的优点：一是灵活性；二是集中性；三是模块化；模块化的设计，符合开放标准，使得系统便于维修、升级和改造。
4.切换技术
切换技术指的是移动终端从一个通信覆盖区移动到另一个通信覆盖区，为保持通信业务连续性而改变信道所进行的链路侦测、仲裁和建立、断开等操作的综合技术。切换是蜂窝移动通信系统中保持用户移动性的基本技术，是4G实现无缝、可靠漫游的基础。切换的实现在方式上可分为硬切换、接力切换、软切换和更软切换等多种方式。切换的发生时机不仅包括移动终端在不同网络之间的接入和在不同基站之间的移动，还包括在同一基站的不同扇区或者不同频率之间的迁移，以及随着信道变化进行链路的更新等情况。
现有的切换控制机制主要有两种，一种是由智能化移动终端进行端口信号的强度和质量的检测，由终端的软件系统进行判决，主动发起和完成切换操作，另一种是由移动用户临近的基站监测各通信链路的信号状态，交换网中心根据监测数据完成切换。DSP和软件技术是4G切换技术的关键组成，高效智能的切换算法可以显着提高系统的切换效率和质量。在4G中综合了两种控制机制的优点，充分发挥终端智能软件的优势，实现以软切换为主，辅助其它切换方式的综合切换技术。
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，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。
三、对4G移动通信技术的展望
目前，移动通信已经基本达到了人与人的互联，人与互联网的互联正在逐步实现。3G移动通信技术使应用智能手机上网的用户数量产生了质的飞跃，随着智能手机价格的下降以及通信资费的下调，在不久的将来，应用移动手机取代计算机上网的趋势将得到实现，4G移動通信技术应该抓住这一有利时机，依靠3G移动通信技术打下的网络基础和行为习惯，加强自身的结构优化，用高速、安全和智能化的技术推进4G移动通信的应用。在全球经济一体化的今天，物资流动将被互联网所兼容，根据全球移动通讯系统协会的预测，人类将迎来人与物、物与物之间的物联网时代，4G移动通信技术将实现随时、随地、无所不在的物流功能，有效实现物资流动和互联网沟通。
四、结语
综上所述，移动通信技术是当前通信技术的重要组成部分。4G移动通信技术在国际标准的制定工作已经基本完成，大型的4G移动通信技术商用将很快开展，通信行业应该抓住4G移动通信技术推广普及和商用的有利时机，在准确描述4G移动通信技术定义的基础上，对4G移动通信技术的关键和技术结构有所掌握，认真分析和预测4G移动通信技术的发展方向和应用前景，实现4G移动通信技术的发展。在实际的4G移动通信技术研究工作中不能将4G移动通信技术简单地看作是手机功能的开发和拓展，应该用科学和发展的观点真正理解4G移动通信技术的内涵，用踏实的工作推进4G移动通信技术的发展和应用。
参考文献
[1]陈仁森.4G移动通信系统及其关键技术[J].湘潭师范学院学报（自然科学版），2007（4）
[2]陆军.浅析4G移动通信技术[J].石家庄理工职业学院学术研究，2010（2）
[3]赵瑞玉3.4G移动通信系统的热点技术及其发展动态[J].山西电子技术，2008（226）
作者简介
陈洪、1977年3月出生、男、籍贯（浙江宁波）、现任浙江省邮电工程建设有限公司工程师职务、研究方向（无线核心网课题：移动通信核心网的IP化；4G移动通信核心网技术的应用与发展）。