壹 4G簡述 在移動通信領域，每10年就發生壹次革命性變化。80年代的第壹代模擬移動通信系統和90年代的第二代蜂窩移動通信系統主要用於話音業務和支持電路交換類型的業務，這兩代系統的空中接口速率只有幾百kbit/s。將在21世紀初投入使用的3G系統IMT-2000在室內環境下能提供2Mbit/s的速率，在車載情況下速率至少為144kbit/s。移動通信已成為當代通信領域發展潛力最大、市場前景最廣的熱點技術。當今移動通信系統正向高數據率、高度移動性和大範圍覆蓋方向發展。 盡管3G系統標準比現有無線技術更強大，但也將面臨競爭和標準不兼容等問題。人們呼籲移動通信標準的統壹，期望通過第四代移動通信標準的制定來解決兼容問題。 國際電信聯盟（ITU）目前已開始研究制定4G系統標準，把移動通信系統同其他系統（如無限局域網，WLAN）結合起來，產生4G技術，2010年前使數據傳輸速率達到100Mbit/s。提供更有效的多種業務，實現商業無線網絡、局域網、藍牙、廣播、電視衛星通信等的無縫銜接並相互兼容。4G應具有更高的數據率和頻譜利用率，更高的安全性、智能性和靈活性，更高的傳輸質量和服質量（QoS）。4G系統應體現移動與無線接入網及IP網絡不斷融合的發展趨勢。因此4G 系統應當是壹個全IP的網絡。二 4G的技術特點 4G是多功能集成寬帶移動通信系統，比3G更接近於個人通信。其特點主要有： （1）高速率。4G的信息傳輸速率要比3G高壹個等級，從2Mbit/s提高到10Mbit/s。 （2）靈活性強。4G擬采用智能技術，可自適應地進行資源分配。采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行信號的正常收發。有很強的智能性、適應性和靈活性。 （3）兼容性好。目前ITU承認的、已有相當規模的移動通信標準有GSM、CDMA和TDMA三大分支，可通過4G標準的制定來解決兼容問題。 （4）用戶***存性。4G能根據網絡的狀況和信道條件進行自適應處理，使低、高速用戶和各種用戶設備能夠並存與互通從而滿足多類型用戶的需求。 （5）業務多樣性。未來通信中所需的是多媒體通信：個人通信、信息系統、廣播和娛樂等將結合成壹個整體。4G能提供各種標準的通信業務，滿足寬帶和綜合多種業務需求。 （6）技術基礎較好。4G將以幾項突破性技術為基礎，如OFDM、無線接入、軟件無線電等，能大幅提高頻率使用效率和系統可實現性。 （7）隨時隨地的移動接入。4G利用無線接入技術，提供話音、高速信息業務、廣播及娛樂等多媒體業務接入方式，用戶可隨時隨地接入系統。 （8）自治的網絡結構。4G網絡將是壹個完全自治、自適應的網絡。可自動管理、動態改變自己的結構以滿足系統變化和發展的要求。三 4G網絡結構 4G系統針對各種不同業務的接入系統，通過多媒體接入連接到基於IP的核心網中。基於IP技術的網絡結構使用戶可實現在3G、4G、WLAN及固定網間無縫漫遊。4G網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的，使發展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，並運行於多個頻帶，這壹服務能自適應於多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大範圍服務。 4G網絡有如下特征： （1）支持現有的系統和將來系統通用接入的基礎結構； （2）與Internet集成統壹，移動通信網僅僅作為壹個無線接入網； （3）具有開放、靈活的結構，易於擴展； （4）是壹個可重構的、自組織的、自適應網絡； （5）智能化的環境，個人通信、信息系統、廣播、娛樂等業務無縫連接為壹個整體，滿足用戶的各種需求； （6）用戶在高速移動中，能夠按需接入系統，並在不同系統無縫切換，傳送高速多媒體業務數據； （7）支持接入技術和網絡技術各自獨立發展。四 4G通信系統的關鍵技術4.1 OFDM調制技術 未來無線多媒體業務既要求數據傳輸速率高，又要保證傳輸質量，這就要求所采用的調制解調技術既要有較高的信元速率，又要有較長的碼元周期，OFDM 技術正滿足這壹需求。OFDM是壹種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用壹個子載波進行調制，各子載波並行傳輸，這樣盡管總的信道是非平坦的，但每個子信道是相對平坦的。且在各子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小於信道帶寬，大大消除信號波形間的幹擾。OFDM技術的最大優點是能對抗頻率選擇性衰落和窄帶幹擾，從而減小各子載波間的相互幹擾，提高頻譜利用率。4.2 軟件無線電 軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經壹通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各類無線電通信系統的壹種開放式結構的技術。通過不同軟件程序，在硬件平臺上實現在不同系統中利用單壹終端漫遊。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，盡可能多地用軟件來定義無線功能。其軟件系統包括各類無線信令規則與處理軟件、信號流變換軟件、調制解調算法軟件、信道糾錯編碼軟件、信源編碼軟件等。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。4.3 智能天線（SA） 智能天線具有抑制信號幹擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互幹擾，增強特殊範圍內想要的信號，既能改善信號質量又能增加傳輸容量。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相幹無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按壹定算法進行合並，實現上行波束賦形。 目前，智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基於預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據量，計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當幹擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某壹用戶進行實時跟蹤。在基於預多波束的切換波束工作方式下，全空域被壹些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有壹些重疊，接收時的主要任務是挑選壹個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發展的方向。4.4 MIMO技術 多輸入多輸出技術（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同壹頻帶上使用多個子信道發射信號，使容量隨天線數量的增加而線性增加。空間分集有發射分集和接收分集兩類。基於分集技術與信道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIM0技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋範圍。五 4G的發展趨勢 從4G的發展前景看，除0FDM和智能天線等核心技術外還包含壹些相關技術。 （1）交互幹擾抑制和多用戶識別：待開發的交互幹擾抑制和多用戶識別技術應成為4G的組成部分。它們以交互幹擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統，消除不必要的鄰近和***信道用戶的交互幹擾，確保接收高質量信號。這種組合將滿足更大用戶容量和覆蓋範圍，大大減少網絡基礎設施的部署，確保服務質量。 （2）可重構性自愈網絡：4G無線網絡中將采用智能處理器，可處理節點故障或基站超載。網絡各部分采用基於知識解答裝置，可糾正網絡故障。 （3）微微無線電接收器：未來4G 中要研究的另壹重點，它是嵌入式無線電。采用此技術，功耗是采用現有技術的l/10～1/100。 （4）無線接入網（RAN）：4G系統高速度、大容量，低比特成本。4G系統RAN的發展趨勢是電路交換向基於IP分組交換發展，設備分集向網絡分集發展。這種基於IP技術的網絡架構使得在3G、4G、W-LAN、固定網之間漫遊得以實現，並支持下壹代因特網。結束語 4G是人類有史以來最復雜的技術系統。要順利全面地實施4G通信，還將遇到壹些困難，其發展將面臨極大的市場壓力。目前世界發達國家正積極進行4G技術規格的研究制定，研究包括網絡結構、用戶切換和漫遊等移動環境下的系統實施方案，從而實現用戶的大範圍移動。
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