浅析移动通信关键技术

摘　要：简要介绍了移动通信技术的概念和国内外最新研究进展, 讨论了4G系统的主要技术特点、目标，并对其基于IP核心网的网络系统构架和各项关键技术进行了论述。

关键词：全IP;正交频分复用;软件无线电

Abstract：This paper introduces concept of 4th-Generation mobile communication briefly and the 

latest research situations at home and abroad Discusses the 4G system of the main technical characteristics, the destination and dscribes its net-work systemframe based on the IP core network and each of its important technologies.

Key words：full IP; OFDM; Software RadioTechnology

1　引言

移动通信系统发展十分迅速。第一代移动通信系统主要采用频分多址(FDMA)和模拟技术,受传输带宽所限仅提供语音服务。第二代移动通信系统主要采用数字码分多址(CDMA)技术和时分多址(TDMA)技术, 采用数字技术来提供语音服务,并附带一定的数字业务。第三代移动通信系统是正在全力商用的移动通信系统，能提供的各种宽带信息业务,如高速数据、慢速图像、电视图像等。第三代系统并没有发生实质性的飞跃,语音业务仍占主导，通信速率得到提高。移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点。

在我国的“九五”和“十五”预研项目和“863”计划中都将4G通信技术列为重点研究项目，我国提出了第三代移动通信系统方案之一TD-SCDMA，全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPv6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛等。一些全球著名的移动通信设备厂商也在进行4G的研究和开发工作，如AT&T，HP等。

2  移动通信系统的基本概念

4G也称为beyond 3G(超3G),是多种无线技术的综合系统。它融合了现有3G的增强型技术,集3G网络技术和无线LAN系统为一体。4G广义上不仅仅限于蜂窝电话系统，还包括许多新的通信系统，如宽带无线接入系统、毫米波LAN、智能传输系统、高空同温层平台基站系统、特定无线网络系统等。

4G的基本特点和优势：

(1)通信速度：4G通信具有超过2Mbps的非对称数据传输能力,对全速移动用户能提供150Mbps的高质量的影像服务,并首次实现三维图像的高质量传输。

(2)信道容量：每个4G信道将占有100MHz的频谱,相当于W-CDMA 3G网络的20倍。在FDMA、CDMA、TDMA的基础上引入空分多址(SDMA)。空分多址将会采取自适应波束,如同无线电波一样连接到每一个用户,从而使无线系统容量比现在提高一个数量级。

(3) 能动态地分配资源：处理变化的业务流，对不同的信道条件有很强的自组织性和自适应性，使低速率与高速率的用户能够共存, 它对带宽的使用更加有效，这要靠智能频谱动态分配技术，它包括高效的自适应调制与编码、混合多址接入、兼顾频谱和资源的MAC链路层以及多层资源管理。

(4)兼容性能平滑：4G通信系统具备全球漫游、接口开放、能跟多种网络互联、终端多样化，使4G有望成为一个真正的无缝连接的统一系统,实现跨系统的全球漫游和业务的可携带性。

(5)能实现更高质量的多媒体通信：4G通信提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等,大量信息透过宽频的信道传送出去,为此4G也称为“多媒体移动通信”。

(6)通信费用便宜：4G是构建在现有网络基础上融合多种新的无线技术的新一代的无线网络,不需要运营商完全重建一套系统,在成本方面优势大于3G 。

它对带宽的使用更加有效，这要靠智能频谱动态分配技术，它包括高效的自适应调制与编码、混合多址接入、兼顾频谱和资源的MAC链路层以及多层资源管理。

3　4G的网络体系结构    

    4G无线通信系统的特征是不同接入技术到不同的用户终端， WLAN系统、短距离连接、广播系统、有线系统之间的水平通信。这些不同的系统要基于一个统一、灵活和大容量的公共平台在无线环境下完成最佳路径选择来满足不同的业务要求。移动通信从第二代向第三代演进使得核心网由电路交换转变为分组交换,进一步的要求是使核心网于接入技术。分组交换的技术有ATM和IP等,综合当前的发展趋势以及IP技术的特点,最终的4G网络将会基于无缝全IP核心网。IP被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术,统一的IP核心网将使不同的无线和有线接入技术实现互联融合。移动通信的网络结构如下图1所示：

图1 移动通信的网络结构图

下一代网略结构的研究将集中在实现一个分布式的全IP网，以代替传统的ATM环网和核心网。4G必定会发展成以数字广带为基础的网络，采用统一的IP核心网，不同国家和地区之间的网络互联是在网络层上用IP协议进行的，而且各接入方法和速率可以不同，从而解决了3G不能实现全球漫游的问题。另外，4G系统将会采用128位地址空间的IPV6在IP网络上实现语音和多媒体业务。无线接入点可以是蜂窝系统的基站,无线局域网或者自组网等。对于公用电话网和未实现全IP的3G网络等则通过特定的网关连接。另外,热点通信速率和容量的需要或网络铺设重叠将使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。未来的全球互联网络系统和骨干网系统将以结合宽带技术和光纤网技术为主。

图 2 未来网络体系架构

未来的网络系统构架如图2所示。它是一种新型光网络，它是利用大气激光传输原理的一种“无光纤”光网系统。该系统主要由激光器、光放大器和光接收器组成，通过发射一种特殊的扩展光束传送光信号，并采用密集波分复用技术，支持10Gb/s速率的波长，工作距离大于5km,信号安全和稳定性均良好。可以预见，在未来4G移动通信网络中，光网络将起着举足轻重的作用。

4　4G网络中的关键技术

4G系统技术主要实现无线通信全球覆盖以及提供无缝的高质量无线业务。为了满足不同的需求，4G系统使用了许多新技术，包括正交频分复用技术、多进多出技术、智能天线技术以及软件无线电技术等。

4.1　正交频分复用(OFDM)技术

OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，它可以解决在高频段进行高速移动通信时面临的频率选择性衰落问题。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的,而该技术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,并且各子载波并行传输。这样,每个子信道是相对平坦的,即使总的信道是非平坦的。同时在每个子信道上进行的是窄带传输,信号带宽小于信道的相应带宽,因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于OFDM技术能够克服DS_CDMA在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题,并且有频谱效率高,硬件实施简单等优点,因此OFDM被看作是移动通信系统中的核心技术。OFDM技术的主要的技术难点是系统中的频率和时间同步,基于导频符号辅助的信道估计,峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。

4.2　切换技术

切换技术主要可以划分为软切换和硬切换, 适用于移动终端在不同移动小区之间和不同频率之间通信，或者信号降低信道选择等情况。在第一和第二代移动通信系统中都采用迫使通信容易中断的越区硬切换方式。3G系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以与两个小区的基站同时接通只相应改变扩频码。即可做到”先接通再断开”的交换功能从而大大改善了切换时的通话质量。在4G通信系统中，切换技术的适用范围更为广泛，并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。

4.3　软件无线电技术

软件无线电技术就是用现代化软件来操纵、控制传统的硬件电路的无线通信。软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的基本思想就是将宽带模数变换器(A/D)及数模变换器(D/A)尽可能地靠近射频天线,建立一个具有“A/D-DSP-D/A”模型的通用的、开放的硬件平台,在这个硬件平台上尽量利用软件技术来实现电台的各种功能模块。使用数字信号处理器(DSP)技术,通过软件编程来实现各种通信频段的选择，完成传送信息抽样、量化、编码/解码、运算处理和变换,实现射频电台的收发功能，实现不同的信道调制方式的选择和实现不同的保密结构、网络协议和控制终端功能等。这样无线通信系统具有很好的通用性灵活性，使系统互连和升级变得非常方便。因此,它是解决终端在不同系统间工作的关键技术。

5　结束语

移动通信技术是多功能集成的移动通信系统,是宽带接入IP系统。它具有超过2Mbps的非对称的数据传输能力。在4G系统中,多个不同的接入系统将结合成一个公共的平台以满足不同用户的要求。随着人们新需求的不断出现,移动通信技术也将会有所调整。部分的协议,标准也有待于进一步改进。

参考文献：

[1] Mehmet Akar, Urbashi Mitra,“Variations on Optional and Suboptional Handoff Control for Wireless Communication Systems”, IEEE JOURNAL ON SELECT AREAS INCOMMUNICATIONS, Vol.19, NO.6, JUNE 2001.

[2] 李波,张昀. 4G系统的新技术和特点[J].现代电信科技,2009,(2):32.

[3] 徐啸涛,赵宏亮.浅谈移动通信系统[J].移动通信,2003,(3):22-25.

[4] 中国电信. 2009年年报.

[5] 刘伟等.4G移动通信系统的研究进展与关键技术[J].中国无线电.2004,(45):49-62.