4G移动通信：计算机网络原理、技术与应用

3G现行标准互不兼容，造成支持每个标准的网络设备间不能直接进行通信，这使移动通信的标准需要统一，以期通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容性问题。第四代移动通信与第三代移动通信相比，在技术和应用上将有质的飞跃。

国际电信联盟已制定4G标准，把移动通信系统同其他系统结合起来，产生4G技术，提供更有效的多种网络业务与服务，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。

4G具有更高的数据传输率和频谱利用率，是多功能集成宽带移动通信系统，具有更高安全性、智能性和灵活性，更高传输质量与QoS。4G系统体现移动与无线接入网及IP网融合的趋势，将是一个全IP的网络。

通常，4G是指3G与无线局域网集成为一体，并能传输高质量视频图像。4G系统能以100Mbit/s速度下载，比目前ADSL技术快200倍（与ADSL最低传输速率512kbit/s比较），比一般意义上的3G快50倍，上传速度能达20Mbit/s，并能满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G可在ADSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，且计费方式灵活，用户完全可根据自身需求确定所需的服务。

1）4G通信网络结构。4G网络将是一个完全自治、自适应的网络，可自动管理、动态改变自己的结构以满足系统变化和发展的要求。

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及固网间无缝漫游。4G网络结构分3层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理层提供接入和路由选择功能；中间层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等；物理层与中间层及其应用环境之间的接口开放，使继续发展和提供新的服务较容易，提供无缝高数据传输率无线服务，并运行多个频带，这一功能可自适应于多个无线标准及多模终端，跨越多个运营和服务商，提供更大范围的服务。

2）4G网络通信特性：支持现有系统和未来系统通用接入的基础结构；与互联网集成统一，移动通信网仅作为无线接入网；具有开放、灵活的结构，易于扩展；是一个可重构、自组织、自适应网络；具智能化应用环境，个人通信、信息系统等业务无缝连接整合，满足用户的各种需求；高速移动中，能按需接入系统，并在不同系统间无缝切换，传送多媒体数据；支持接入技术和网络技术各自独立发展。

3）4G通信系统关键技术。高传输速率，4G信息传输速率要比3G高一个等级，从2Mbit/s提高到10Mbit/s；灵活性强，4G采用智能技术，可自适应进行资源分配；采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号正常收发；兼容性好，目前ITU公布的已有相当规模的移动通信标准GSM、CDMA和TDMA三大分支，将通过4G标准制定解决兼容问题；用户共存性，根据网络状况和信道条件进行自适应处理，使低速、高速用户和各种用户设备并存与互通，满足多类型用户需求；业务多样性，未来通信中所需的多媒体通信，个人通信、信息系统、广播和娱乐等将结合集成为整体。(www.xing528.com)

4G以OFDM、无线接入、软件无线电等突破性技术为基础，大幅提高频率使用效率和系统可实现性。

①OFDM（正交频分复用）调制技术。未来无线多媒体业务既要求数据传输率高，又要保证传输质量，因此所采用的调制解调技术既要有较高信元速率，又要有较长码元周期，OFDM技术满足这一需求，它是无线环境下的高速传输技术，为多载波调制技术中的一种。OFDM的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输，这样尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道则相对平坦，且在各子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道带宽，大大消除信号波形间的干扰。OFDM最大优点是能对抗频率选择性衰落和窄带干扰，从而减小各子载波间相互干扰，提高频谱利用率。

②软件无线电技术。该技术用软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信，将标准化、模块化的硬件功能单元统一为通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统，是一种开放式结构的技术。它通过不同软件程序，在硬件平台上实现在不同系统中利用单一终端漫游。其核心思想是在靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换，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、信号流变换、调制解调算法、信道纠错编码、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）、数字信号处理（DSP）等。图12-9为软件无线电技术框架。

图12-9 软件无线电技术框架

③智能天线。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，是4G通信关键技术。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，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法合并，实现上行波束赋形。目前，智能天线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两种。全自适应天线从理论上讲最优，但相对各种算法均存在所需数据量/计算量大、信道模型简单、收敛速度慢、在某些情况下甚至可能出现错误收敛的缺点。在实际信道条件下，当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变，很难对某一用户实时跟踪；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，接收时主要任务是挑选一个作为工作模式。与自适应方式相比，全自适应方式更易实现，是未来智能天线技术发展的方向。

④MIMO（多输入多输出）技术。MIMO能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息。采用MIMO技术的基站和移动终端都有多个天线。该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编码增益和分集增益。MIMO技术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，提高系统容量及覆盖范围。