第四代移动通信系统：技术概述及关键特点

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。OFDM作为第四代移动通信系统的核心技术，是多载波调制的一种，最大的优点就是能对抗频率选择性衰落与窄带干扰，同时频谱利用效率高，抗噪声能力强，采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率，该技术适合于高速数据传输。智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。

移动通信（Mobile Communication）是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信系统从20世纪80年代诞生以来，到2020年大体经过了5代的发展历程。未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求高数据速率、高机动性和无缝隙漫游。实现这些要求在技术上将面临更大的挑战。此外，在未来系统性能（如蜂窝规模和传输速率）在很大程度上将取决于频率的高低。考虑这些技术问题，有的系统将侧重提供高数据速率，有的系统将侧重增强机动性或扩大覆盖范围。

移动通信技术将向数据化、高速化、宽带化、频段更高化等方向发展，移动数据、移动IP将成为未来移动网的主流业务。第四代移动通信要求数据传输速率从2 Mbit/s提高到100 Mbit/s。为了达到这个目标，需要在下列几个方面作出努力：频谱的高效使用、带宽的动态分配、安全的无线应用、更高的服务质量、高性能的信号调制传输技术。为此，4G使用了许多新技术，现将其中的关键技术介绍如下。

1.正交频分复用技术

根据多径信道在频域中表现出来的频率选择性衰落特性，人们提出了正交频分复用（OFDM）调制技术。正交频分复用的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的若干子信道中进行传输，在频域内将信道划分为若干互相正交的子信道，每个子信道均拥有自己的载波，并分别进行调制，信号通过各个子信道独立传输。如果每个子信道的带宽被划分得足够窄，则每个子信道的频率特性就可近似看作是平坦的，即每个子信道都可看作无符号间干扰（ISI）的理想信道。这样在接收端不需要使用复杂的信道均衡技术即可对接收信号可靠地进行解调[9]。

OFDM作为第四代移动通信系统的核心技术，是多载波调制的一种，最大的优点就是能对抗频率选择性衰落与窄带干扰，同时频谱利用效率高，抗噪声能力强，采用动态子载波分配技术能使系统达到最大比特率，该技术适合于高速数据传输。

2.多输入多输出技术

多输入多输出（MIMO）技术已经成为无线通信领域的关键技术之一。MIMO技术利用发送端和接收端的多个天线来对抗无线信道衰落，从而在不增加系统带宽和天线发射功率的情况下可以有效地提高无线系统的容量，其本质是一种基于空域和时域联合分集的通信信号处理方法[2]。

3.智能天线技术

智能天线（SA）是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向（Direction of Arrival，DoA），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的[3]。

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

4.基于IP的核心网

4G的核心网是一个基于全IP的网络，可以实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构，能允许各种空中接口接入它；同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容，因此在设计核心网络时具有很大的灵活性，不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。在4G中主要采用全分组方式IPv6技术取代IPv4协议，IPv6具有许多的优点，如有巨大的地址空间，支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式，能够提供不同水平的服务质量，以及更具有移动性。

5.软件无线电技术

所谓软件无线电（SDR）就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义并实现无线电台的各部分功能，包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。其具有灵活性较高、集中性强及模块化等特点。

6.移动定位技术

定位是指移动终端位置的测量方法和计算方法。它主要分为基于移动终端定位、基于移动网络定位以及混合定位3种方式。在4G系统中，移动终端可能在不同系统（平台）间进行移动通信。因此，对移动终端的定位和跟踪，是实现移动终端在不同系统（平台）间无缝连接，以及系统中高速率、高质量移动通信的前提和保障。

7.多用户检测技术

多用户检测技术的核心思想是利用均衡技术，将来自其他用户的ISI当作MAI而一并消除。多用户检测技术充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著地提高系统容量。

第四代移动通信系统：技术概述及关键特点

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