4G移动通信系统的主要特点和关键技术

周立峰

【摘要】4G移动通信技术是通信历史上最为重要的一次变革，与3G移动通信相比具有传输速度更快、传输效率更穩定、通话质量更好以及保密性更强等特点，同时通信技术的变革也让4G移动通信为人们带来更为优质的用户体验。时代的进步，科技的发展，人们在与时俱进中对移动通信技术有了更为严格的要求。未来移动通信技术将成为通信领域研究的重中之重。本文将对3G与4G通信技术的参数进行比较，然后具体阐释4G移动通信系统的主要特点和关键技术，希望能够为日后移动通信领域的相关研究提供经验。

【关键词】移动通信;用户体验;关键技术

人们的需求随着科技的进步而日益增长，对于通信系统中高速多媒体数据业务来说，目前投入的2G系统以及部分投入商用的3G系统已经落后。所以许多国家目前已经加大力度开发和研究新的移动通信系统。

一、4G 移动通信通信系统的界定

4G通信技术产生和发展的时间较短，所以人们对于4G移动通信系统的研究领域也并不深入。对于4G移动通信系统概念的定义目前也仅仅放置在系统的功能定义上。4G移动通信系统总的来说就是以4G移动通信相关技术促进4G移动通信有关业务发展的系统。4G通信技术是在3G通信技术的基础上发展起来的，在应用上集合了3G技术与 WLAN 技术，能够在极短时间内向用户传递清晰的视频图像，或者是能够满足用户所有在线的要求。4G通信技术无论是使用上传功能还是下载功能，与3G通信技术比较都更为快捷和方便。使用下载功能时，4G系统下载信息的速度超过100mb/s，是现阶段上网速度的2000倍;使用上传功能时，上传速度接近20mb/s，能够满足所有上网用户的需求。与此同时，4G应用在计费方面不仅费用便宜而且计费的方式多样，上网用户可以根据自身的实际情况选择适合自身的计费方式和功能。但是现阶段4G通信系统也存在某些不足之处，仍需要有关人员继续研究和分析，大力推动4G通信系统不断改进和发展。

二、4G和3G的主要技术参数比较

现阶段世界公认的第三代移动通信系统有三种标准，第一种是CDMA2000，第二种是SCDMA，第三重是WCDMA。这种通信系统目前存在的缺陷主要表现在以下几个方面：一是此种通信系统不能在动态范围内为用户提供多种速率业务;二是不能为用户提供多业务环境、多时间段的无缝漫游通话;三是上网速度较慢。目前使用的4G通信系统虽然是3G通信系统的升级换代，但是就4G通信系统来说，它的主要技术参数与3G通信系统仍存在较大的差别。

三、4G移动通信系统的主要特点

（一）速率高

科研人员对于4G移动通信系统的研究其主要目的就是为了提高包括手机在内的各种形式的通信设备的上网速率。所以用户使用4G通信系统能够大大加快上网的速率。体现形式主要有以下几个方面：一是对于大范围内高速移动的用户来说，如时速超过250千米，他们的上网速率接近20mb/s;二是对于中速移动的用户来说，如时速在60千米左右，他们的上网速率接近20mb/s;三是对于低速移动的用户来说，如慢走，他们的上网速率接近100mb/s，超过3G移动通信上网速率的50倍。

（二）兼容性高

4G移动通信系统的覆盖区域与3G相比更全面更广阔，在全球范围内能够与无线网络、固定网络以及3G通信网络等无缝连接，所以对于4G移动通信系统的所有用户来说，他们能够在全球范围内享受共同的业务服务，并且在全球范围内任何地方都能利用网络沟通和交流。

（三）智能化明显

4G 通信技术在应用方向上更趋向于智能化，在技术方面4G移动通信系统不仅能够在不同的速率之间随便切换，还能够享受通信资源的分配，将不同的业务进行有效地融合，让通信资源能够实现合理化地分配。与此同时4G移动通信系统还能够具有不同区域、不同设备的移动办公能力。所以，4G移动通信系统不仅在移动终端设备的设计上具有智能化的表现，在各项实际的应用操作上智能化效果也非常明显。

（四）覆盖范围较广

4G通信技术将打破3G通信技术区域的限制，覆盖范围更加广阔，无论是海拔地区较高的高原地区，还是信号闭塞的山区，随着4G通信技术的不断发展和创新，这些区域的限制终将被打破，通信用户即使在偏远的山区也能享受较快的上网速率。

（五）媒体业务广

4G移动通信系统能够促进媒体业务更好更快地发展，在3G原有的业务基础上，4G移动通信系统上传或下载的图像更清晰，同时利用4G通信还能够实现电视业务以及其他形式的虚拟业务等。另外，4G移动通信系统还能为广大通信用户提供形式更加丰富的多媒体功能，与其他通信业务建立更为紧密的联系，如电视、视频、卫星通信等。

四、4G移动通信系统的关键技术

为了能够满足用户对高速增长的多媒体业务的需求，实现4G移动通信系统的升级换代，研发人员在设计和研发4G移动通信系统时应用了以下几种关键技术：

（一）接入方式和多址方案

OFDM是一种在无线环境下高速传输信息的技术，它的设计思想就是在此区域内把给定信道分散成不同的正交子信道，通过利用子载波对每一个子信道进行调制，各个子信道内的子载波并行传输信息。总信道实际上并不平坦，也就是具有频率选择性，但是与总信道相比，每个子信道相对平坦，每个子信道在传输信息时利用的是窄带传输，信号带宽不大于信道的相应带宽。OFDM技术与其他技术相比其优点就是能够减少甚至消除掉信号波对其造成的不必要干扰，有效增强了频谱的利用效率，能够实现较低成本的单波段接收机。但是OFDM技术自身的缺点就是功率效率较低。

（二）调制与编码技术

4G 移动通信系统所采用的调制技术主要有两种，第一种是多载波正交频分复用调制技术，第二种是单载波自适应均衡技术，利用这种新型的调制技术不仅能够保障频谱利用率，还能有效延长用户终端设备电池的使用时间。4G 移动通信系统利用的信道编码方案与3G移动系统相比更为高级，如Turbo码、级连码等，另外自动重发请求等也比3G移动通信系统跟尾高端，这样能够有效保障即使4G移动通信系统在较低Eb/N0 条件下也能够拥有足够的性能。

（三）高性能的接收机

4G 移动通信系统与3G 移动通信系统相比对接收机的要求更为严格。在Sh-annon 定理中，在宽带BW的信道中实现容量若是C则需要最小SNR的可靠传输。所以依据Sh-annon 定理我们可以换算出，如果3G系统的信道宽是5MHz，数据传输速率是2Mb/s，那么可靠传输的最小 SNR 就是 1.2 dB;但是在4G系统中如果信道宽是5MHz，数据传输速率为20Mb/s，那么所需要的 SNR 则是3G系统中的10倍。所以对于4G系统来说，由于传输信息的速率更高，对接收机的性能要求也也随之提高。

（四）智能天线技术

智能天线技术的研究收到了非常高的重视，它不仅能够防止信号干扰，自动跟踪还能对数字波束进行调节，是未来促进未来移动技术创新的关键技术。智能天线技术是以数字信号处理技术为蓝本，发射空间定向波束，让天线的主波束与移动用户信号方向一致，并且能够有效利用移动信号防止甚至消除信号的目的。4G移动通信系统利用智能天线技术不仅能够提高信号的质量和水平还能加大信号传输的容量。

（五）MIMO技术

MIMO技术也就是多输入多输出，这种技术是通过多发射以及多接收天线以此对空间进行有效分集。MIMO技术利用的是分立式天线，可以将通信链路进行有效分解从而分散成一个个并行的子通道，进而提高信号传输的容量。信息论研究表明，当接收天线和发射天线互不相同且无关联时，MIMO 系统的抗衰落English以及噪声性能都会得到大幅度的增长，进而得到较为庞大的容量。举例来说，接收天线的数目是8根，发送天线的数目是8根，并且两种天线的平均信噪比是20dB 时，链路容量超过了40bps/Hz，而单天线系统仅为此链路容量的40/1，。所以，一旦无线信道中功率宽带受到其他因素的影响或限制，采用MIMO 技术就能够很好地解决，不仅能够提高数据传输的速率，增加系统容量，还能有效增强传输的质量。目前无线资源频谱匮乏的时期，MIMO 系統的优越性已经有所体现，在4G移动通信系统此项技术也会继续呗科研人员所使用。

（六）软件无线电技术

软件无线电是一种新型的、开放性结构的技术，它的操作方法就是利用通用硬件平台将具有标准化特点的硬件功能单元，采取软件加载的方法完成不同规模不同类型的无线电通信系统。其中心理念就是在距离天线较近的地方设置A/D和 D/A 变换器，通过软件对无线电功能进行定义甚至是用软件来进行信号处理。软件无线电系统中包含许多方面的软件，比如信号流变换软件、各种类型的无线信令规则、调制解调算法软件等等。利用软件无线电能够让系统更加灵活多变，适应能力也随之加强，能够满足不同的网络和空中接口。软件无线电技术不仅能够满足各种应用的可变 QoS，还能支持各种类型的空中接口手机以及基站。

（七）基于 IP 的核心网

基于IP 的网络是支撑整个4G 移动通信系统有效运行的核心网，与其他移动网络相比具有无法超越的特点，也就是能够实现不同网络之间的无缝连接。4G 移动通信系统的核心网游离于各种形式的无线接入方案之间，能够为移动用户提供端到端的IP业务，同时此核心网也能够与原来存在的核心网以及PSTN相互融合，彼此共存。核心网的结构特征具有开放性，能够包容各种空中接口与核心网相连;与此同时核心网还能将业务、控制以及传输等进行分离，保持彼此独立的状态。使用4G专题移动通信后，无线接入方式以及协议则与CN协议等保持彼此互不相容，相互分离。由于IP能够与各种形式的无线接入协议相互融合，所以研发人员在设计核心网络具有很大的选择空间，在选择无线接入时不用考虑方式以及协议等方面的因素。

五、结束语

4G 移动通信系统技术与3G通信网络相比优势明显，能够快速、清晰地向用户传达高质量的音频视频等，用户能够根基自身的实际情况选择自身需要的服务功能，服务功能的不同其计费方式也存在一定的差别，因此4G移动通信系统的的计费方式具有很大的灵活程度。4G移动通信系统与其他通信系统相比较其本身优势明显，在各领域内获得了较大程度的发展，拥有极大的发展空间。所以，研发人员应当在此基础上对4G移动通信系统的关键技术继续研发和创新，有效解决传输过程中发生的信号干扰问题，不断提高信号传输的质量和速率，保障信号传输的平稳性，为移动用户提供更好质量的业务服务以及通信功能。

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