4G的特点及关键技术

叶子slm

4G的特点及关键技术

随着4G牌照的发放，中国电信行业将在2014年迎来“4G元年”。有人将此称之为一场“盛宴”序幕的开启，而有的人则把这看作是一个更大挑战的降临。作为拥有全世界最多手机用户的大国，敢于打开4G的大门，自主地推动移动通讯的变局，本身是值得赞许的。2014年，不管是对于运营商还是手机厂商来说，4G终端市场都将成为“兵家必争之地”。相信在不久的将来，4G将广泛普及，并带给人们不一样的无线体验。

1  4G的特点

4G通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能。和3G通信技术相比，4G通信技术的优势体现在：

1)容量、速率更高。最低数据传输速率为2Mbit/s，一般可以达到10Mbit/s至20Mbit/s,最高可达100Mbit/s；4G移动通信技术的信息传输速率更快了，这使得可视通信成为可能。

2)兼容性更好。4G系统开放了接口，能实现与各种网络的互联，同时能与二代、三代手机兼容。它能在不同系统间进行无缝切换，并提供多媒体高速传送业务。

3)数据处理更灵活。智能技术在4G系统中的应用，智能信号处理技术将实现任何信道条件下的信号收发；4G通信技术可以通过智能天线技术来整合通信网络，进而使得局域网和互联网可以实现多网合一，人们可以开始用云通信技术。

4)用户共存。4G系统会根据信道条件、网络状况自动进行处理，实现高速用户、低速用户、用户设备的互通与并存；

5)自适应网络。针对系统结构，4G系统将实现自适应管理，它可根据用户业务，进行动态调整，从而最大程度地满足用户需求。用户的无线网络可以通过其他网络扩展其应用业务，自适应地变换不同信道，提供更高质量和个性化的服务。

6)4G技术具有的抗干扰能力要比3G技术高很多。其修复能力和安全性能也远远高于3G技术。此外，4G技术的通信质量和分辨率也得到了很大的提高，可以满足多媒体对语音和音响以及其他服务的更高要求。使用4G手机观看3D视频的效果和在电影院观看3D电影的效果一样了。

7)4G技术的多网融合网络是必然趋势。

2  4G的关键技术

4G共有以下5种核心技术：OFDM（正交频分复用）技术、MIMO（多输入输出）技术、智能天线技术、软件无线电技术以及自适应传输技术。下面就针对以上几种技术分别进行分析和研究。

1)OFDM技术

OFDM技术（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，它本质上是多载波调制技术的一种，是传输速度非常高的调制技术。

OFDM的技术思想是：在频域内，将给定信道划分为若干正交子信道，使用子载波一对一地对子信道进行调制，所有子载波进行并行传输，这就保证了各子信道的相对平坦，从而有效解决了无线信道的不平坦问题，同时各子信道还要负责窄带传输，这就使得信号带宽比信道带宽更小，也就能使波形间的干扰被消除。这种技术的原理是将传统通信系统中的信道划分成若干个互不相关的正交子信道，将原本传输速度非常高的串行数据流分成传输速度相对比较低的并行数据流，分别加载到各正交子信道中进行传输。

OFDM系统的优点有：频谱利用率高；与单载波系统相比，其抗窄带干扰和多径干扰的能力更强；能较好地应对频率的选择性衰落；对信噪比高的子信道利用更充分；能较好地结合多种多址方式。

高速移动会在无线通信中产生明显的多普勒频移，造成无线信号的选择性衰落。4G系统将采用全新的OFDM调制技术，该技术不仅有较高的频谱效率，更能有效应对选择性衰落这一问题。3G系统的技术核心是CDMA，而4G系统则以OFDM为核心，OFDM能在无线环境中实现信号的高速传输。对抗窄带干扰、消除选择性衰落是OFDM的最大优势。OFDM技术下，各子载波的相互正交会使其频谱互相重叠，这就能有效减少各载波的相互干扰，并能使频谱利用率大为提高。

2)MIMO技术

在无线通信领域中，MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)技术是一项十分关键的技术。多入多出（MIMO）技术，又称空间分集，是通过利用接收端、发送端的天线，来降低无线信道的衰落，从而可以很大程度上提高无线系统的容量。该技术能在不增加发射功率和带宽前提下，使无线系统容量得到有效提高，它是基于时域、空域联合分集的信号处理技术。

从本质上来讲，MIMO技术是一种采用多天线传输的无线通信技术。在发送端，能够同时利用多个天线分别独立地发送信号；在接收端，能够同时利用多个天线接收信息。

空时编码是MIMO技术的一项研究热点，它主要包括了BLAST码、空时格码、空时分组码等编码方法。MIMO技术能降低ISI(码间干扰)，增加空间分集增益，提高频谱利用率和无线信道容量。

MIMO技术历经多年发展，目前已在无线通信系统中得到了广泛应用。在移动通信系统的无线宽带方面，3G合作计划组织已将MIMO技术的相关内容纳入了标准中，MIMO技术也必将应用于B3G、4G系统中。正在制定的无线宽带接入系统标准（如802.11n、802.16e、802.20等）中也加入了MIMO技术。而其他无线通信系统，如UWB（超宽带系统）、CR（认知无线电系统），也正在考虑MIMO技术的应用。

3)智能天线技术（SA）

智能天线也叫自适应天线阵列（AAA），通常认为由三个组成部分：天线阵列、波束形成网络以及波束形成算法。这种技术通过设计合适的算法，使得各天线单元信号的幅度和相位处于最有利的状态，共同构成最合适的天线阵列方向图，最终使得干扰信号功率减弱而有用信号功率增强。

智能天线技术具有如数字波束调节、自动跟踪、抑制信号干扰等一系列的智能功能，故被认为将会是下一代移动通信技术的关键内容。在空域内，智能天线的成形波束会对交互干扰进行抑制，使特殊范围内的特定信号增强，该技术不仅可以提高信号质量，还可以扩大传输容量。智能天线技术的原理为：使用无线收发信机和天线阵在无线基站端，接收、发射射频信号，并且利用基带数字信号处理器，使用一定算法对接收信号进行合并，以实现波束赋形。

在未来的4G通信中，智能天线技术将在以下几个提高通信传输性能的方面占据重要地位；对抗信号在传输过程中的干扰和衰落，增加通信系统的总容量以及快速实现移动台的定位。

4)软件无线电技术

软件无线电技术本质上是一种无线电广播通信技术，是用软件架构的一种通信协议。这种技术主要是用软件编程来取代相应的硬件功能，通过这种方式建立起一个无线电通信平台，在平台之上可以同时运行多种能够实现通信协议等功能的软件系统，从而达到可以通过软件应用和更新即可实现多种终端通信的无线通信方式。这种技术解决了4G通信系统中出现的用户终端的多样化和复杂化，使得不同的用户终端都可以在同一平台中进行信息交流，有效地解决了兼容性问题，实现了多种通信方式的兼容与传输。

软件无线电技术的软件系统主要包括了信源编码、信道纠错编码、调制解调算法、信号流变换、无限信令处理等软件。

5)自适应传输技术

4G系统的信号传输将采用自适应传输技术，它是指在不同的无线网络情况下，移动通信设备会自行选择传输方式，来保证传输效果的最优。在4G系统中，自适应传输技术将得到充分的应用，例如OFDM技术中的自适应子载波调制、联合信源信道编码都是自适应技术的具体体现。自适应子载波调制技术，就是以信道状况为依据，各子载波进行不同的调制，如信道条件差时选用性能好、效率低的调制方案；信道条件好时，则选择高效调制方案。

综上，4G可以做更多的事，不光是多媒体通讯，远程控制，而且可以把互联网、电信网、广电网、卫星网融合为一个通播网。而手机只不过是一个终端而已。

4  目前4G存在的问题

虽然4G为未来移动通信产业发展勾绘了一幅美好的蓝图，但是在大规模的推广上依然存在很多问题有待解决，4G推广仍需各方的共同努力。

1)支持4G的多模终端匮乏，短期内仍是4G大规模推广的制约因素。LTE-FDD/TDD将促进移动终端更新换代，多种4G技术体制并存以及第三代移动通信发展初期，第二代移动通信不会在短期内退出市场的现实情况，决定了未来的移动终端必将是单模、双模和多模终端共存的局面，在“换机潮”来临之时，市场上配套终端的丰富性成为4G推广的重要基础。

2)目前推行的4G服务资费水平较高，尚不亲民。从目前推广的4G套餐来看，4G服务价格远高于3G水平，大量顾客望而却步。因此，应进一步鼓励市场竞争，通过竞争降低4G价格，并促进电信服务质量的进一步提高。

3)4G推广仍缺乏杀手级应用。短期看来 ，从3G到4G的升级，仍然是一次网络提速。4G对移动互联网的影响不会像当年2G升级3G时那样带来颠覆效应，除了速度更快之外，还没有出现“杀手级应用”吸引用户付费。但在对移动性的依赖与日俱增的现在，这也为移动互联网应用商业化探索提供了更多可能。

5  结束语

在3G移动通信系统的竞争刚刚趋于平稳阶段的时候，4G技术已经伴随着自身强大的通信竞争力悄然来临。通过文中的介绍，4G至少将在以下几个方面占据优势：远高于3G的数据传输速率和频谱的带宽，可以满足用户对于通信的有效性要求；兼容性良好，可以实现任意终端或是任意网络之间的互联互通；具有非常强的灵活性，随时随地在任何环境中都能够提供给用户需要的各种数据乃至多媒体业务；智能程度更进一层，真正意义上能够达到智能机的要求。但是，目前4G技术尚处于研究开发时期，要真正在实际生活中得到应用，还有不少难题需要解决。

总的来说，4G通信作为下一代移动通信技术，将是通信行业的又一次重大革命，将会从更深层次地给人们带来更方便舒适的通信体验，也将使信息全球化更上一层台阶。