4G开启移动互联新时代

周婷

近年来，飞速发展的移动通信技术如同一张无形巨网，悄悄地覆盖了全球各个角落，并通过社会、经济、文化、生活，深刻改变着人们的行为方式和思维习惯。2013年年末。随着4G牌照正式发放，我国通信产业进入4G时代，然而4G究竟是什么？其具备哪些特征和关键技术？本文将结合蜂窝移动通信技术发展，揭开4G的神秘面纱。

通信与信息系统是构建现代信息社会的重要基石，而无线通信则是实现“5w”目标（Whoever、Wherever、Whenever、Whomever、Whatever，即任何人可在任何时候、任何地方、与任何人、进行任何形式通信）这一终极理想的必要途径。

将时间回溯至1978年，美国贝尔实验室开发的先进移动电话业务（AMPS）系统（1G），拉开了现代人类通信时代的大幕；20世纪90年代，采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统（2G）逐渐兴起；此后，过渡性的GPRS技术（2.5G）初步解决了GSM在系统容量、传输速率、频谱效率方面的局限性：随之而来的3G大规模商用，带动了移动互联产业迅猛发展。

4G是指在移动通信领域第一代模拟技术、第二代数字技术、第三代以多媒体通信为特征的3G技术之后的第四代移动通信技术。ITU（国际电信联盟）将4G标准的需求定义为：传输带宽扩展到100MHz，在静止或低速移动下峰值速率达到每秒1G比特，高速移动下峰值速率达到每秒100M比特。与传统的通信技术相比，4G通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度，同时具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量和更高的灵活性，并能支持多种业务。

4G网络特点

个人通信是移动通信不断发展的最高目标，个人通信网是实现“5W”目标的电信网络。第四代移动通信系统（4G）在3G通信技术基础上，向5W目标又迈进了一大步，其特点具体体现在以下几方面。

通信速度更快。4G通信研究的初衷之一，是希望进一步提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G在数据传输速率方面，较前几代技术有巨大提升。 具体比较移动通信系统数据传输速率，第一代模拟式移动通信系统仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有9.6Kbps，最高可达32Kbps，如PHS（即小灵通）；第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbps；而第四代移动通信系统传输速率可达到20Mbps，甚至可以高达100Mbps，这种速度大约相当于2009年最新手机传输速度的1万倍、第三代手机传输速度的50倍。

移动更便捷。4G通信能令人们从地理位置限制中得以解脱，实现无时不在、无所不在的信息传递。4G通信不仅是无线，距离还得够远，以基站台为圆心，传输距离将在直径10km以上，极大地拓展了传统的无线通信距离和覆盖面。

目前，3G通信技术在区域覆盖方面存在着诸多技术问题，而4G可以在DSL（数字用户线路，指以电话线为传输介质的传输技术组合）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。同时，4G还可以在不同接入技术之间进行全球漫游与互通，实现无缝通信。

网络频谱更宽。更宽的频谱，主要是为了满足用户对视频业务、流媒体等高流量业务带宽的需求。在解决了语音应用和部分数据应用之后，3G网络向视频应用迈出了重要一步，但是较之2G技术，提升有限，并未从根本上改变无线结构。比如3G带宽问题——多用户同时使用，就会出现拥堵。4G网络带宽是3G的10倍，频谱利用率大约也是10倍。基于带宽、频谱利用率的大幅提高，大流量、快速度的视频应用业务，势必成为4G网络承载的主要内容。

智能性更高。4G终端设备的智能性操作，除了大大降低用户对菜单、滚动操作的依赖程度，还可以实现许多在传统通信系统上难以想象的功能。譬如4G手机可以根据环境、时间及其他设定因素，适时提醒主人“此时该做什么”。4G手机可以直接下载电影院票房资料，能够把售票情况、座位情况显示得清清楚楚，人们可以根据这些信息，实现在线购票。4G手机还可以被看作手提电视，用于观看体育比赛等各种现场直播……随着更多4G应用的开发、无疑将突破传统手机概念，重塑智能通信系统新观念。

lP化程度更高。下一代网络将是全IP（InternetProtocol，网络之间互连的协议）网，从核心网到用户设备均支持IP协议。未来的通信世界，应一切以IP为基础，形成网络化的移动世界。每一个网络使用者，只要具有专属的IP号码，就可以在任何时间、任何地点，通过4G网络进行通信。

从IP网络兼容性来看，3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41（美国国家标准局-41），WCDMA基于GSM-MAP（GSM-移动应用层），而4G则支持下一代的Internet（IPv6）和所有信息设备，将能在IP、IPv6网络上实现话音和多媒体业务。

融合度更高。随着4G技术演进，不同的无线技术在下一代网络（NGN，也称次世代网络，主要思想是在一个统一的网络平台上以统一管理的方式提供多媒体业务）架构下将实现融合、共存，发挥各自的优势，形成多层次的无线网络环境。4G应该是NGN的一部分，必须适应“三网融合”的发展需求，既要实现“无所不在，无所不能”，又要满足个性化服务需求。因此，多体制、多技术仍将共存，必须统一的是其共同承载网络 互联网。三网都将失去其独立组网特征，而沦为NGN的接入网。

同时，4G移动通信系统支持更丰富的移动业务，包括高清晰度图像业务、会议电视、虚拟现实业务等，用户在任何地方都可以获得任何所需的信息服务。它将个人通信、信息系统、广播和娱乐等行业结合成一个整体，更安全、更方便地向用户提供更广泛的服务和应用。

通信更加灵活。4G移动通信系统采用智能技术，使其能自适应地进行资源分配，能对通信过程中不断变化的业务流大小进行相应处理、满足通信要求，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的正常发送与接收，具有很强的智能性、适应性和灵活性。

严格意义上说，未来4G手机的功能，已不能简单划归“电话机”范畴，毕竟，语音资料传输只是4G移动电话的诸多功能之一。未来的4G手机可谓一部小型电脑，其外观、式样会有更惊人的突破。人们可以想象：眼镜、手表、化妆盒、旅游鞋……以方便和个性为前提，任何一件物品，都有可能成为4G终端，只是人们还不知应该怎样去称呼它。

兼容性更高。若令4G通信尽快被市场接受，人们不但要考虑其功能强大，还应考虑到现有通信基础，以便让存量客户在投资最少的情况下，便捷过渡到4G通信。4G移动通信系统能实现全球统一的标准，能让所有移动通信运营商的用户享受共同的服务，真正实现一部手机在全球任何地点无限漫游。

通信费用更便宜。4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，让更多通信用户轻易升级到4G，而且引入了许多尖端通信技术，这些技术保证其能提供一种灵活性非常高的系统操作方式，因此相较其他技术，4G通信部署起来容易、迅速得多。同时，在建设4G通信网络系统时，营运商们会考虑直接在3G通信网络的基础设施之上，采用逐步引入的方法，这样能够有效降低运行成本，合理控制使用资费，从而大大减少用户畅游4G世界的后顾之忧。

4G关键技术

4G将是各类网络的大融合。其核心网是一个全IP网络，可以实现各种无线、有线接入技术的互联和融合。全IP核心网的无线接入点有无线局域网（WLAN）、Ad.Hoc网及终端等；有线接入点有PSTN、IsDN等。移动通信的2G/2.5G和3G/Beyond 3G通过特定的网关接入IP核心网，当前Internet则通过路由器与IP核心网相连。4G系统融合了当今及未来所有可能的业务，以及各种单一功能的系统。各式各样的服务器接入统一的IP核心网，为用户提供越来越完善的服务。

为了真正实现个人通信的“5W”目标，4G系统将采用许多新的关键性技术，如OFDM技术、MIMO技术、智能天线技术、软件无线电技术、调制与编码技术、全IP网络技术、多用户检测技术、Ad.Hoc无线网络技术等等。

OFDM技术

3G系统以CDMA技术为核心，而4G系统则以正交频分复用（OFDM）技术为核心。OFDM是将信道分为若干子信道，各子信道中的调制载波保持相互正交，各子载波并行传输。

传统的频分复用（FDMA）系统不允许各路信号的频谱之间有重叠，以使接收端能够通过滤波器分离各路信号，通常为防止邻路信号间的干扰，还要留有一定的防护频带。其带来的最大缺点是频谱利用率低，会造成频谱资源的极大浪费。

OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要保证子载波之间的相互正交性，就可以提取各子载波上的数据信息。当各载波问的距离等于各子信道上数据速率的整数倍时，就能保证各子载波之间相互正交。通常各子载波的距离等于数据速率，以提高频谱利用率。

由于OFDM系统将信息分散到了各个子载波上，大大降低了各子载波的信号速率，因此减弱了因无线信道多径传播所造成的影响，同时频谱效率比串行系统提高了近一倍。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常被利用于“容易受外界干扰”或“抵抗外界干扰能力较差”的传输介质中，可以大大消除信号波形间的干扰。

MIMO技术

移动通信环境中存在多个散射体、反射体，在无线通信链路发射与接收端存在多条播路径，多径传播对通信有效性与可靠性造成了严重影响。鉴于此，MIMO在第四代移动通信技术标准中被广泛采用。由于其使用多空间通道传送和接收数据，所以有时被称作空间分集。

MIMO技术的应用，使空间成为一种可用于提高性能的资源，并能增加无线系统的覆盖范围。无线电发送信号被反射时，会产生多份信号，每份信号都是一个空间流。传统通信中，使用单输入单输出（SISO）系统，一次只能发送或接收一个空问流。利用MIMO系统，可以在发射端和接收端同时使用多个天线，可以有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播，来成倍地提高业务传输速率。

MIMO系统的核心技术是空时信号处理，即利用多发射和多接收天线进行空间分集的技术，来抑制信道衰落。传统的智能天线终端只在发射端或接收端配备多个天线元，通常是在基站。MIMO由于采用分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高系统容量。信息论已经证明：当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大的容量。理论证明，信道容量随着天线数量的增加而线性增大，也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发射功率的情况下，频谱利用率可以成倍提高。

智能天线（SA）技术

智能天线技术也是4G中的关键，最初用于雷达、声纳及军事通信领域。它具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能，被视为未来移动通信的关键技术。

智能天线技术是利用信号传输的空间特性，达到抑制干扰，提取信号的目的。其核心技术是通过自适应阵列天线跟踪并提取各移动用户的空间信息，利用用户位置的不同，在同一信道中发送和接收各用户的信号，而不发生干扰。

目前，现代数字信号技术发展迅速，利用自适应数字信号处理器形成数字波束。智能天线的波束随着用户发出信号的最强路径，不断随时间动态改变，智能天线跟踪变化的速率大于用户移动和信道快衰落的变化速率，起到自适应跟踪用户的目的。

基于智能天线的SDMA技术能增加系统容量。此外，智能天线技术既能降低系统干扰，提高系统容量和信号质量，又能扩大覆盖区域的范围。

软件无线电技术

在众多关键技术中，软件无线电技术可谓通向未来4G的桥梁。未来的4G技术需要适应不同种类的产品要求，而软件无线电技术则是适应产品多样性的基础，它能将不同形式的通信技术有效联系在一起，不仅减少了开发风险，还更易于开发系列型产品。此外，它还减少了硅芯片的容量，从而削减了运算器件的价格，其开放的结构也会允许多方运营商介入。

软件无线电技术是将标准化、模块化的硬件功能单元，经过通用硬件平台，利用数字信号处理软件加载方式实现各种类型无线电通信的新技术。通过加载不同的软件，实现不同的业务性能。

软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的部位（中频甚至射频），使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。

软件无线电可以使移动终端适合各种通信系统的空中接口，从而实现一个移动终端在不同系统中进行漫游的功能，实现“个人移动性”，解决不同移动通信网络制式间的互联互通难题。

调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术，从而在低Eb/NO条件下保证系统性能。

全IP网络技术

为了满足人们不断变化的通信需求，未来的通信网络将是一个全IP的网络，它将完全实现语音业务和数据业务的融合。全IP网络可以节约成本，提高可扩展性和灵活性，使网络运作效率更高。它采用Ipv6技术，解决了当前IPv4地址空间不足的问题，并且支持移动IP技术。移动IP是一种在Internet上提供移动功能的方案，提供了‘种IP路由机制，使移动节点可以使用一个永久lP地址连接任何链路，真正实现IP地址的个人化。

多用户检测技术

多用户检测是宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，但随着用户数增加，或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的主要干扰。

传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论，对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差：多用户检测技术在传统检测技术的基础上，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，大幅提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能、同时并不特别复杂的多用户检测器算法不断被提出，并被应用于4G系统之中。

Ad HOC无线网络技术

Ad Hoc南无线节点的集合构成，Ad Hoc网络没有中心管理和固定基础网络，它是自我创建、自我组织、自我管理的。目前，支持Ad Hoc网络的技术有IEEE802.11、蓝牙等。

相较常规通信网络，Ad Hoc最大的优点是网络自主性：任何时刻、任何地点，无需人工干预和任何其他预先设置的网络设施，就可进行自动组网，这恰恰符合个人通信的要求。