4G移動通信技術探討論文

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LTE的全名是3GPP長期演進（LongTermEvolution），能夠提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率，支持100Km半徑的小區覆蓋。英國沃達豐、日本NTTDoCoMo、美國AT&T和Verizon等世界最主要電信運營商已經決定采用LTE技術，近期中國移動、中國電信的加入，將大力推動LTE技術的發展。

WiMAX的全名是微波存取全球互通(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)，能提供最高接入速度是70Mbitps，其信號傳輸半徑可以達到50公里，剛好彌補了WiFi、3G的不足。WiMAX不僅在北美、歐洲迅猛發展，而且這股熱浪已經推進到亞洲。

用戶對互聯網的速率要求越來越高，目前韓國達20.4Mbitps,日本達15.8Mbitps,瑞典達成2.8Mbitps。為了適應通信用戶日益增長的高速多媒體數據業務需求，4g移動通信系統不管是采用WiMAX技術還是采用LTE技術，與3G相比，4G將是以數字寬帶為主的高度自組織、自適應的網絡，其特點主要有：高速率、良好的兼營性、多類型用戶共存、多種業務的融合、多種先進的技術應用。

4G移動通信系統的關鍵技術：

(1)OFDM正交頻分復用技術

OFDM正交頻分復用技術的基本思想是將高速串行的數據碼流變換成N（通常取偶數）路并行的低速數據流，再將這N路低速數據流分別調制到等頻間隔的一組總數為N的子載波上，并且這組子載波要滿足下交的條件。OFDM技術的優點是可以通地添加循環前綴來減小或消除碼間干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實現低成本的單波段接收機。OFDM的主要缺點是功率效率不高，對頻偏和相位噪聲比較敏感。

(2)MIMO技術

MIMO（多進多出）是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現形式，即空間復用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX協議中都得到了應用。WiMAX相關協議還給出了同時使用空間復用和空時編碼的形式。支持MIMO是協議中的一種可選方案，結合自適應天線陣（AAS）和MIMO技術，能顯著提高系統的容量和頻譜利用率，可以大大提高覆蓋范圍并增強應對快衰落的能力，使得在不同環境下能夠獲得最佳的傳播性能

(3)軟件無線電技術

軟件無線電是美國MTLTRE公司于1992年明確提出的，其基本思想是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統，所有體制和標準的更新，以及不同體制之間的兼營，都可以通過適當的軟件來完成。軟件無線電的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，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。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、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調制解調算法軟件等。軟件無線電使得系統具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現各種應用的可變QoS。

(4)智能天線技術

智能天線（SA）原名自適應天線陣列，由多個天線單元組成，每個天線后面接一個加權器，經過加權器處理以后的信號，最后用相加器進行合并。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數字波束調節等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質量又能增加傳輸容量。

(5)調制與編碼技術

4G移動通信系統采用新的調制技術，如多載波正交頻分復用調制技術以及單載波自適應均衡技術等調制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統采用更高級的信道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發請求(ARQ)技術和分集接收技術等，從而在低Eb/N0條件下保證系統足夠的性能。

(6)高性能的接收機

4G移動通信系統對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，數據速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。

(7)全IP技術

4G移動通信系統應該是一個全IP的網絡，全IP網絡節約成本，提高可擴展性，靈活性，并使網絡運行更有效率，可支持IPv6，解決IP地址不足并能實現移動IP。同已有的移動網絡相比具有根本性的優點，即：可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網能把業務、控制和傳輸等分開。采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡(CN)協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。

(8)多用戶檢測技術

多用戶檢測是WCDMA通信系統中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統中，各個用戶信號之間存在一定的相關性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數的增加或信號功率的增大，多址干擾就成為WCDMA通信系統的一個主要干擾。傳統的檢測技術完全按照經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；多用戶檢測技術在傳統檢測技術的基礎上，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，從而具有優良的抗干擾性能，解決了遠近效應問題，降低了系統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，顯著提高系統容量。隨著多用戶檢測技術的不斷發展，各種高性能又不是特別復雜的多用戶檢測器算法不斷提出，在4G實際系統中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

（9）切換技術

MDHO（宏分集切換）和F基站S（快速基站切換）。移動臺可以通過當前的服務基站廣播的消息獲得相鄰小區的信息，或者通過請求分配掃描間隔或者是睡眠間隔來對鄰近的基站進行掃描和測距的方式獲得相鄰小區信息，對其評估，尋找潛在的目標小區。切換既可以由終端決策發起也可以由基站決策發起。在進行快速基站切換（F基站S）時，終端只與Anchor基站進行通信；所謂快速是指不用執行HO過程中的步驟就可以完成從一個Anchor基站到另一個Anchor基站的切換。支持F基站S對于終端和基站來說是可選的。進行宏分集切換（MDHO）時，終端可以同時在多個基站之間發送和接收數據，這樣可以獲得分集合并增益以改善信號質量。是否支持MDHO對于終端和基站來說是可選的。

（10）睡眠模式

終端睡眠模式：Sleep模式和Idle模式。Sleep模式的目的在于減少終端的能量消耗并降低對Serving基站空中資源的使用。Sleep模式是終端在預先協商的指定周期內暫時中止Serving基站服務的一種狀態。從Serving基站的角度觀察，處于這種狀態下的終端處于不可用（unavailability）狀態。Idle模式為終端提供了一種比Sleep模式更為省電的工作模式，在進入Idle模式后，終端只是在離散的間隔，周期性地接收下行廣播數據（包括尋呼消息和M基站業務），并且在穿越多個基站的移動過程中，不需要進行切換和網絡重新進入的過程。Idle模式與Sleep模式的區別在于：Idle模式下終端沒有任何連接，包括管理連接，而Sleep模式下終端有管理連接，也可能存在業務連接；Idle模式下終端跨越基站時不需要進行切換，Sleep模式下終端跨越基站需要進行切換，所以Idle模式下終端和基站的開銷都比Sleep小；Idle模式下終端定期向系統登記位置，Sleep模式下終端始終和基站保持聯系，不用登記。

在不同的4G移動通信系統中將采用的不同的新技術組合，并且以上的新技術正在不斷的發展完善中，特別是目前的4G標準未確定，處于研究開發和完善階段，成熟期預計要三到五年或更長。但可以肯定的是，隨著移動互聯網高速發展，新技術將隨著4G也會繼續高速發展，4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統。