周婷

近年來，飛速發(fā)展的移動通信技術(shù)如同一張無形巨網(wǎng)，悄悄地覆蓋了全球各個角落，并通過社會、經(jīng)濟、文化、生活，深刻改變著人們的行為方式和思維習(xí)慣。2013年年末。隨著4G牌照正式發(fā)放，我國通信產(chǎn)業(yè)進入4G時代，然而4G究竟是什么？其具備哪些特征和關(guān)鍵技術(shù)？本文將結(jié)合蜂窩移動通信技術(shù)發(fā)展，揭開4G的神秘面紗。

通信與信息系統(tǒng)是構(gòu)建現(xiàn)代信息社會的重要基石，而無線通信則是實現(xiàn)“5w”目標(biāo)（Whoever、Wherever、Whenever、Whomever、Whatever，即任何人可在任何時候、任何地方、與任何人、進行任何形式通信）這一終極理想的必要途徑。

將時間回溯至1978年，美國貝爾實驗室開發(fā)的先進移動電話業(yè)務(wù)（AMPS）系統(tǒng)（1G），拉開了現(xiàn)代人類通信時代的大幕；20世紀90年代，采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)的第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)（2G）逐漸興起；此后，過渡性的GPRS技術(shù)（2.5G）初步解決了GSM在系統(tǒng)容量、傳輸速率、頻譜效率方面的局限性：隨之而來的3G大規(guī)模商用，帶動了移動互聯(lián)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。

4G是指在移動通信領(lǐng)域第一代模擬技術(shù)、第二代數(shù)字技術(shù)、第三代以多媒體通信為特征的3G技術(shù)之后的第四代移動通信技術(shù)。ITU（國際電信聯(lián)盟）將4G標(biāo)準的需求定義為：傳輸帶寬擴展到100MHz，在靜止或低速移動下峰值速率達到每秒1G比特，高速移動下峰值速率達到每秒100M比特。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，4G通信技術(shù)最明顯的優(yōu)勢在于通話質(zhì)量及數(shù)據(jù)通信速度，同時具有更高的數(shù)據(jù)率、更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、更高的頻譜利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的傳輸質(zhì)量和更高的靈活性，并能支持多種業(yè)務(wù)。

4G網(wǎng)絡(luò)特點

個人通信是移動通信不斷發(fā)展的最高目標(biāo)，個人通信網(wǎng)是實現(xiàn)“5W”目標(biāo)的電信網(wǎng)絡(luò)。第四代移動通信系統(tǒng)（4G）在3G通信技術(shù)基礎(chǔ)上，向5W目標(biāo)又邁進了一大步，其特點具體體現(xiàn)在以下幾方面。

通信速度更快。4G通信研究的初衷之一，是希望進一步提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問Internet的速率，因此4G在數(shù)據(jù)傳輸速率方面，較前幾代技術(shù)有巨大提升。 具體比較移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率，第一代模擬式移動通信系統(tǒng)僅提供語音服務(wù)；第二代數(shù)位式移動通信系統(tǒng)傳輸速率也只有9.6Kbps，最高可達32Kbps，如PHS（即小靈通）；第三代移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率可達到2Mbps；而第四代移動通信系統(tǒng)傳輸速率可達到20Mbps，甚至可以高達100Mbps，這種速度大約相當(dāng)于2009年最新手機傳輸速度的1萬倍、第三代手機傳輸速度的50倍。

移動更便捷。4G通信能令人們從地理位置限制中得以解脫，實現(xiàn)無時不在、無所不在的信息傳遞。4G通信不僅是無線，距離還得夠遠，以基站臺為圓心，傳輸距離將在直徑10km以上，極大地拓展了傳統(tǒng)的無線通信距離和覆蓋面。

目前，3G通信技術(shù)在區(qū)域覆蓋方面存在著諸多技術(shù)問題，而4G可以在DSL（數(shù)字用戶線路，指以電話線為傳輸介質(zhì)的傳輸技術(shù)組合）和有線電視調(diào)制解調(diào)器沒有覆蓋的地方部署，然后再擴展到整個地區(qū)。同時，4G還可以在不同接入技術(shù)之間進行全球漫游與互通，實現(xiàn)無縫通信。

網(wǎng)絡(luò)頻譜更寬。更寬的頻譜，主要是為了滿足用戶對視頻業(yè)務(wù)、流媒體等高流量業(yè)務(wù)帶寬的需求。在解決了語音應(yīng)用和部分數(shù)據(jù)應(yīng)用之后，3G網(wǎng)絡(luò)向視頻應(yīng)用邁出了重要一步，但是較之2G技術(shù)，提升有限，并未從根本上改變無線結(jié)構(gòu)。比如3G帶寬問題——多用戶同時使用，就會出現(xiàn)擁堵。4G網(wǎng)絡(luò)帶寬是3G的10倍，頻譜利用率大約也是10倍?；趲?、頻譜利用率的大幅提高，大流量、快速度的視頻應(yīng)用業(yè)務(wù)，勢必成為4G網(wǎng)絡(luò)承載的主要內(nèi)容。

智能性更高。4G終端設(shè)備的智能性操作，除了大大降低用戶對菜單、滾動操作的依賴程度，還可以實現(xiàn)許多在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)上難以想象的功能。譬如4G手機可以根據(jù)環(huán)境、時間及其他設(shè)定因素，適時提醒主人“此時該做什么”。4G手機可以直接下載電影院票房資料，能夠把售票情況、座位情況顯示得清清楚楚，人們可以根據(jù)這些信息，實現(xiàn)在線購票。4G手機還可以被看作手提電視，用于觀看體育比賽等各種現(xiàn)場直播……隨著更多4G應(yīng)用的開發(fā)、無疑將突破傳統(tǒng)手機概念，重塑智能通信系統(tǒng)新觀念。

lP化程度更高。下一代網(wǎng)絡(luò)將是全IP（InternetProtocol，網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議）網(wǎng)，從核心網(wǎng)到用戶設(shè)備均支持IP協(xié)議。未來的通信世界，應(yīng)一切以IP為基礎(chǔ)，形成網(wǎng)絡(luò)化的移動世界。每一個網(wǎng)絡(luò)使用者，只要具有專屬的IP號碼，就可以在任何時間、任何地點，通過4G網(wǎng)絡(luò)進行通信。

從IP網(wǎng)絡(luò)兼容性來看，3G系統(tǒng)不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41（美國國家標(biāo)準局-41），WCDMA基于GSM-MAP（GSM-移動應(yīng)用層），而4G則支持下一代的Internet（IPv6）和所有信息設(shè)備，將能在IP、IPv6網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務(wù)。

融合度更高。隨著4G技術(shù)演進，不同的無線技術(shù)在下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN，也稱次世代網(wǎng)絡(luò)，主要思想是在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺上以統(tǒng)一管理的方式提供多媒體業(yè)務(wù)）架構(gòu)下將實現(xiàn)融合、共存，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成多層次的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。4G應(yīng)該是NGN的一部分，必須適應(yīng)“三網(wǎng)融合”的發(fā)展需求，既要實現(xiàn)“無所不在，無所不能”，又要滿足個性化服務(wù)需求。因此，多體制、多技術(shù)仍將共存，必須統(tǒng)一的是其共同承載網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián)網(wǎng)。三網(wǎng)都將失去其獨立組網(wǎng)特征，而淪為NGN的接入網(wǎng)。

同時，4G移動通信系統(tǒng)支持更豐富的移動業(yè)務(wù)，包括高清晰度圖像業(yè)務(wù)、會議電視、虛擬現(xiàn)實業(yè)務(wù)等，用戶在任何地方都可以獲得任何所需的信息服務(wù)。它將個人通信、信息系統(tǒng)、廣播和娛樂等行業(yè)結(jié)合成一個整體，更安全、更方便地向用戶提供更廣泛的服務(wù)和應(yīng)用。

通信更加靈活。4G移動通信系統(tǒng)采用智能技術(shù)，使其能自適應(yīng)地進行資源分配，能對通信過程中不斷變化的業(yè)務(wù)流大小進行相應(yīng)處理、滿足通信要求，采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進行信號的正常發(fā)送與接收，具有很強的智能性、適應(yīng)性和靈活性。

嚴格意義上說，未來4G手機的功能，已不能簡單劃歸“電話機”范疇，畢竟，語音資料傳輸只是4G移動電話的諸多功能之一。未來的4G手機可謂一部小型電腦，其外觀、式樣會有更驚人的突破。人們可以想象：眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋……以方便和個性為前提，任何一件物品，都有可能成為4G終端，只是人們還不知應(yīng)該怎樣去稱呼它。

兼容性更高。若令4G通信盡快被市場接受，人們不但要考慮其功能強大，還應(yīng)考慮到現(xiàn)有通信基礎(chǔ)，以便讓存量客戶在投資最少的情況下，便捷過渡到4G通信。4G移動通信系統(tǒng)能實現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準，能讓所有移動通信運營商的用戶享受共同的服務(wù)，真正實現(xiàn)一部手機在全球任何地點無限漫游。

通信費用更便宜。4G通信不僅解決了與3G通信的兼容性問題，讓更多通信用戶輕易升級到4G，而且引入了許多尖端通信技術(shù)，這些技術(shù)保證其能提供一種靈活性非常高的系統(tǒng)操作方式，因此相較其他技術(shù)，4G通信部署起來容易、迅速得多。同時，在建設(shè)4G通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時，營運商們會考慮直接在3G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施之上，采用逐步引入的方法，這樣能夠有效降低運行成本，合理控制使用資費，從而大大減少用戶暢游4G世界的后顧之憂。

4G關(guān)鍵技術(shù)

4G將是各類網(wǎng)絡(luò)的大融合。其核心網(wǎng)是一個全IP網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)各種無線、有線接入技術(shù)的互聯(lián)和融合。全IP核心網(wǎng)的無線接入點有無線局域網(wǎng)（WLAN）、Ad.Hoc網(wǎng)及終端等；有線接入點有PSTN、IsDN等。移動通信的2G/2.5G和3G/Beyond 3G通過特定的網(wǎng)關(guān)接入IP核心網(wǎng)，當(dāng)前Internet則通過路由器與IP核心網(wǎng)相連。4G系統(tǒng)融合了當(dāng)今及未來所有可能的業(yè)務(wù)，以及各種單一功能的系統(tǒng)。各式各樣的服務(wù)器接入統(tǒng)一的IP核心網(wǎng)，為用戶提供越來越完善的服務(wù)。

為了真正實現(xiàn)個人通信的“5W”目標(biāo)，4G系統(tǒng)將采用許多新的關(guān)鍵性技術(shù)，如OFDM技術(shù)、MIMO技術(shù)、智能天線技術(shù)、軟件無線電技術(shù)、調(diào)制與編碼技術(shù)、全IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多用戶檢測技術(shù)、Ad.Hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等。

OFDM技術(shù)

3G系統(tǒng)以CDMA技術(shù)為核心，而4G系統(tǒng)則以正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)為核心。OFDM是將信道分為若干子信道，各子信道中的調(diào)制載波保持相互正交，各子載波并行傳輸。

傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDMA）系統(tǒng)不允許各路信號的頻譜之間有重疊，以使接收端能夠通過濾波器分離各路信號，通常為防止鄰路信號間的干擾，還要留有一定的防護頻帶。其帶來的最大缺點是頻譜利用率低，會造成頻譜資源的極大浪費。

OFDM允許子載波頻譜部分重疊，只要保證子載波之間的相互正交性，就可以提取各子載波上的數(shù)據(jù)信息。當(dāng)各載波問的距離等于各子信道上數(shù)據(jù)速率的整數(shù)倍時，就能保證各子載波之間相互正交。通常各子載波的距離等于數(shù)據(jù)速率，以提高頻譜利用率。

由于OFDM系統(tǒng)將信息分散到了各個子載波上，大大降低了各子載波的信號速率，因此減弱了因無線信道多徑傳播所造成的影響，同時頻譜效率比串行系統(tǒng)提高了近一倍。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常被利用于“容易受外界干擾”或“抵抗外界干擾能力較差”的傳輸介質(zhì)中，可以大大消除信號波形間的干擾。

MIMO技術(shù)

移動通信環(huán)境中存在多個散射體、反射體，在無線通信鏈路發(fā)射與接收端存在多條播路徑，多徑傳播對通信有效性與可靠性造成了嚴重影響。鑒于此，MIMO在第四代移動通信技術(shù)標(biāo)準中被廣泛采用。由于其使用多空間通道傳送和接收數(shù)據(jù)，所以有時被稱作空間分集。

MIMO技術(shù)的應(yīng)用，使空間成為一種可用于提高性能的資源，并能增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。無線電發(fā)送信號被反射時，會產(chǎn)生多份信號，每份信號都是一個空間流。傳統(tǒng)通信中，使用單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，一次只能發(fā)送或接收一個空問流。利用MIMO系統(tǒng)，可以在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線，可以有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播，來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。

MIMO系統(tǒng)的核心技術(shù)是空時信號處理，即利用多發(fā)射和多接收天線進行空間分集的技術(shù)，來抑制信道衰落。傳統(tǒng)的智能天線終端只在發(fā)射端或接收端配備多個天線元，通常是在基站。MIMO由于采用分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成許多并行的子信道，從而大大提高系統(tǒng)容量。信息論已經(jīng)證明：當(dāng)不同的接收天線和不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。理論證明，信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，也就是說，可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍提高。

智能天線（SA）技術(shù)

智能天線技術(shù)也是4G中的關(guān)鍵，最初用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域。它具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能，被視為未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。

智能天線技術(shù)是利用信號傳輸?shù)目臻g特性，達到抑制干擾，提取信號的目的。其核心技術(shù)是通過自適應(yīng)陣列天線跟蹤并提取各移動用戶的空間信息，利用用戶位置的不同，在同一信道中發(fā)送和接收各用戶的信號，而不發(fā)生干擾。

目前，現(xiàn)代數(shù)字信號技術(shù)發(fā)展迅速，利用自適應(yīng)數(shù)字信號處理器形成數(shù)字波束。智能天線的波束隨著用戶發(fā)出信號的最強路徑，不斷隨時間動態(tài)改變，智能天線跟蹤變化的速率大于用戶移動和信道快衰落的變化速率，起到自適應(yīng)跟蹤用戶的目的。

基于智能天線的SDMA技術(shù)能增加系統(tǒng)容量。此外，智能天線技術(shù)既能降低系統(tǒng)干擾，提高系統(tǒng)容量和信號質(zhì)量，又能擴大覆蓋區(qū)域的范圍。

軟件無線電技術(shù)

在眾多關(guān)鍵技術(shù)中，軟件無線電技術(shù)可謂通向未來4G的橋梁。未來的4G技術(shù)需要適應(yīng)不同種類的產(chǎn)品要求，而軟件無線電技術(shù)則是適應(yīng)產(chǎn)品多樣性的基礎(chǔ)，它能將不同形式的通信技術(shù)有效聯(lián)系在一起，不僅減少了開發(fā)風(fēng)險，還更易于開發(fā)系列型產(chǎn)品。此外，它還減少了硅芯片的容量，從而削減了運算器件的價格，其開放的結(jié)構(gòu)也會允許多方運營商介入。

軟件無線電技術(shù)是將標(biāo)準化、模塊化的硬件功能單元，經(jīng)過通用硬件平臺，利用數(shù)字信號處理軟件加載方式實現(xiàn)各種類型無線電通信的新技術(shù)。通過加載不同的軟件，實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。

軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的部位（中頻甚至射頻），使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。

軟件無線電可以使移動終端適合各種通信系統(tǒng)的空中接口，從而實現(xiàn)一個移動終端在不同系統(tǒng)中進行漫游的功能，實現(xiàn)“個人移動性”，解決不同移動通信網(wǎng)絡(luò)制式間的互聯(lián)互通難題。

調(diào)制與編碼技術(shù)

4G移動通信系統(tǒng)采用新的調(diào)制技術(shù)，如多載波正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)及單載波自適應(yīng)均衡技術(shù)等調(diào)制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統(tǒng)采用更高級的信道編碼方案、自動重發(fā)請求（ARQ）技術(shù)和分集接收技術(shù)，從而在低Eb/NO條件下保證系統(tǒng)性能。

全IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了滿足人們不斷變化的通信需求，未來的通信網(wǎng)絡(luò)將是一個全IP的網(wǎng)絡(luò)，它將完全實現(xiàn)語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的融合。全IP網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)約成本，提高可擴展性和靈活性，使網(wǎng)絡(luò)運作效率更高。它采用Ipv6技術(shù)，解決了當(dāng)前IPv4地址空間不足的問題，并且支持移動IP技術(shù)。移動IP是一種在Internet上提供移動功能的方案，提供了‘種IP路由機制，使移動節(jié)點可以使用一個永久lP地址連接任何鏈路，真正實現(xiàn)IP地址的個人化。

多用戶檢測技術(shù)

多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個用戶信號之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產(chǎn)生的多址干擾固然很小，但隨著用戶數(shù)增加，或信號功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的主要干擾。

傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴頻理論，對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差：多用戶檢測技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息，對單個用戶的信號進行檢測、從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，大幅提高系統(tǒng)容量。隨著多用戶檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種高性能、同時并不特別復(fù)雜的多用戶檢測器算法不斷被提出，并被應(yīng)用于4G系統(tǒng)之中。

Ad HOC無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Ad Hoc南無線節(jié)點的集合構(gòu)成，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有中心管理和固定基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，它是自我創(chuàng)建、自我組織、自我管理的。目前，支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)有IEEE802.11、藍牙等。

相較常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)，Ad Hoc最大的優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)自主性：任何時刻、任何地點，無需人工干預(yù)和任何其他預(yù)先設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，就可進行自動組網(wǎng)，這恰恰符合個人通信的要求。