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摘要：文章分析了4G移动通信的结构特征和关键技术，并就其发展趋势进行了论述，以供同仁参考。
关键词：4G移动通信；结构特征；关键技术；发展趋势
中图分类号： TN929.5 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
随著各种互联网应用的蓬勃发展，现有的3G网络已经不能满足人们日益增长的需求。无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的发展趋势，在此形势下，国际电联(ITU)提出了更高的要求——IMT-Advanced，也就是我们说的4G技术。WiMAX、LTE和UMB是目前向4G演进的主要标准。第四代移动通信系统(4G)的目标是成为一个无所不在的无线通信系统，提供无缝、高QoS、高速率的无线业务。这必然要求在现存的体系、频谱分配及利用上进行创新，对无线传输网络、无线业务和应用进行创新。4G比3G更接近于个人通信，文章分析了4G移动通信的结构特征和关键技术，并就其发展趋势进行了论述，以供同仁参考。
二、4G网络结构特征
4G系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网问无缝漫游。4G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，中间环境层的功能有网络服务质量映射、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，使发展和提供新的服务变得更容易。提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营者和服务商，提供更大范围服务。
图1 4G移动通信系统网络组成示意图
4G网络有如下特征：1)支持现有的系统和将来系统通用接入的基础结构；2)与Internet集成统一，移动通信网仅仅作为一个无线接入网；3)具有开放、灵活的结构，易于扩展；4)是一个可重构的、自组织的、自适应网络；5)智能化的环境，个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满足用户的各种需求；6)用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统无缝切换，传送高速多媒体业务数据；7)支持接入技术和网络技术各自独立发展。
三、4G通信系统的关键技术
（1）OFDM调制技术。OFDM是4G通信网的核心技术。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。
（2）软件无线电。软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。通过不同软件程序，在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想，是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，尽可能多地用软件来定义无线功能。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、调制解调算法软件、信道纠错编码软件和信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)及数字信号处理(DSP)等。
（3）智能天线(SA)。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量，计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。
（4）MIMO技术。多输入多输出技术(MIMO)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。MIMO技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。
（5）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协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是IPv4不具备的。除此以外，IPv6还能够提供较IPv4更好的QoS保证及更好的安全性。由于承载网是IP网，未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个IP地址作为身份标识。目前使用的IPv4的地址长度仅有32bit，其IP地址资源预计将在2006年左右被消耗尽。而IPv6具有长达128bit的地址空间，即多达2128个地址，能够彻底解决地址资源不足的问题。
四、4G的发展趋势
从4G的发展前景看，除OFDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。
(1)交互干扰抑制和多用户识别。待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收高质量信号。这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围，大大减少网络基础设施的部署，确保服务质量。
(2)可重构性自愈网络。4G无线网络中将采用智能处理器，可处理节点故障或基站超载。网络各部分采用基于知识解答装置，可纠正网络故障。
(3)微微无线电接收器。未来4G中要研究的另一重点，它是嵌入式无线电。采用此技术，功耗是采用现有技术的1/10～1/100。
(4)无线接入网(RAN)。4G系统高速度、大容量、低比特成本。4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。
这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W—LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。未来的4G移动通信将会是多功能集成的宽带移动通信系统，4G技术的发展和实现，将真正实现我们充满个性化的通信梦想。
参考文献
[1]中国电信广东研究院.中国电信LTE实验室测试规范.
[2]谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社.2005.7．
[3]谢新梅,黄俊钦,宋荣方.4G无线通信系统及其关键技术分析[J],2003,1．
关键词：4G移动通信；结构特征；关键技术；发展趋势
中图分类号： TN929.5 文献标识码： A 文章编号：
一、引言
随著各种互联网应用的蓬勃发展，现有的3G网络已经不能满足人们日益增长的需求。无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的发展趋势，在此形势下，国际电联(ITU)提出了更高的要求——IMT-Advanced，也就是我们说的4G技术。WiMAX、LTE和UMB是目前向4G演进的主要标准。第四代移动通信系统(4G)的目标是成为一个无所不在的无线通信系统，提供无缝、高QoS、高速率的无线业务。这必然要求在现存的体系、频谱分配及利用上进行创新，对无线传输网络、无线业务和应用进行创新。4G比3G更接近于个人通信，文章分析了4G移动通信的结构特征和关键技术，并就其发展趋势进行了论述，以供同仁参考。
二、4G网络结构特征
4G系统针对各种不同业务的接入系统，通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网问无缝漫游。4G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，中间环境层的功能有网络服务质量映射、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，使发展和提供新的服务变得更容易。提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带，这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营者和服务商，提供更大范围服务。
图1 4G移动通信系统网络组成示意图
4G网络有如下特征：1)支持现有的系统和将来系统通用接入的基础结构；2)与Internet集成统一，移动通信网仅仅作为一个无线接入网；3)具有开放、灵活的结构，易于扩展；4)是一个可重构的、自组织的、自适应网络；5)智能化的环境，个人通信、信息系统、广播、娱乐等业务无缝连接为一个整体，满足用户的各种需求；6)用户在高速移动中，能够按需接入系统，并在不同系统无缝切换，传送高速多媒体业务数据；7)支持接入技术和网络技术各自独立发展。
三、4G通信系统的关键技术
（1）OFDM调制技术。OFDM是4G通信网的核心技术。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。
（2）软件无线电。软件无线电(SDR)是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。通过不同软件程序，在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想，是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，尽可能多地用软件来定义无线功能。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、调制解调算法软件、信道纠错编码软件和信源编码软件等。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件(DSPH)、现场可编程器件(FPGA)及数字信号处理(DSP)等。
（3）智能天线(SA)。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，既能改善信号质量又能增加传输容量。目前，智能天线的工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量，计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。在基于预多波束的切换波束工作方式下，全空域被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，是未来智能天线技术发展的方向。
（4）MIMO技术。多输入多输出技术(MIMO)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用是在接收端和发射端使用多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个子信道发射信号，使容量随天线数量的增加而线性增加。空间分集有发射分集和接收分集两类。基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益，已成为该领域的研究热点。MIMO技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。
（5）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协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是IPv4不具备的。除此以外，IPv6还能够提供较IPv4更好的QoS保证及更好的安全性。由于承载网是IP网，未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个IP地址作为身份标识。目前使用的IPv4的地址长度仅有32bit，其IP地址资源预计将在2006年左右被消耗尽。而IPv6具有长达128bit的地址空间，即多达2128个地址，能够彻底解决地址资源不足的问题。
四、4G的发展趋势
从4G的发展前景看，除OFDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。
(1)交互干扰抑制和多用户识别。待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收高质量信号。这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围，大大减少网络基础设施的部署，确保服务质量。
(2)可重构性自愈网络。4G无线网络中将采用智能处理器，可处理节点故障或基站超载。网络各部分采用基于知识解答装置，可纠正网络故障。
(3)微微无线电接收器。未来4G中要研究的另一重点，它是嵌入式无线电。采用此技术，功耗是采用现有技术的1/10～1/100。
(4)无线接入网(RAN)。4G系统高速度、大容量、低比特成本。4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。
这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W—LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。未来的4G移动通信将会是多功能集成的宽带移动通信系统，4G技术的发展和实现，将真正实现我们充满个性化的通信梦想。
参考文献
[1]中国电信广东研究院.中国电信LTE实验室测试规范.
[2]谢显中.基于TDD的第四代移动通信技术[M].电子工业出版社.2005.7．
[3]谢新梅,黄俊钦,宋荣方.4G无线通信系统及其关键技术分析[J],2003,1．