4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)
摘 要：隨著(zhù)同Internet的結合以及IP化無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展，4G技術(shù)成為高容量以及高傳輸速率的移動(dòng)通信技術(shù)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求，同時(shí)有著(zhù)成本小以及安全性高的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)滿(mǎn)足多種業(yè)務(wù)傳輸。本文簡(jiǎn)要介紹4G通信技術(shù)的特點(diǎn)，并著(zhù)重分析4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)。
關(guān)鍵詞：4G移動(dòng)通信 MIMO OFDM 特點(diǎn)
經(jīng)濟技術(shù)的飛速發(fā)展帶動(dòng)通信市場(chǎng)的增長(cháng)，為更好適應市場(chǎng)需求，同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求而提供多媒體服務(wù)，第四代移動(dòng)通信(4G)技術(shù)應運而生。
一、4G通信技術(shù)的特點(diǎn)
4G系統的最高能夠達到100M/s，同時(shí)可以做到全球無(wú)縫的漫游。隨著(zhù)移動(dòng)通信業(yè)務(wù)逐漸從語(yǔ)音通話(huà)轉向數據、圖像以及視頻等多媒體業(yè)務(wù)，對傳輸速率要求日益提高，從而對移動(dòng)通信系統性能也提出更高要求。帶寬是移動(dòng)通信的稀缺資源，所以要使用先進(jìn)技術(shù)有效利用頻率資源，從而滿(mǎn)足大容量高速率業(yè)務(wù)的需要。4G移動(dòng)通信系統能夠保證用戶(hù)在任何地點(diǎn)以及任何時(shí)間通過(guò)任何方式接入網(wǎng)絡(luò )當中，能夠自由選擇應用、業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò )，有著(zhù)以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)。
第一，高數據傳輸速率。對大范圍出于高速移動(dòng)中的用戶(hù)(250km/h)來(lái)說(shuō)，4G通信技術(shù)的數據傳輸速率為2Mbi/s;對于中速移動(dòng)的用戶(hù)(60km/h)來(lái)說(shuō)，數據傳輸速率能夠達到20Mbi/s;低速移動(dòng)中的用戶(hù)在數據速率方面能夠達到100Mbi/s。
第二，真正實(shí)現無(wú)縫漫游。4G通信技術(shù)全球統一標準，確保各類(lèi)媒體以及通信主機在網(wǎng)絡(luò )間能夠實(shí)現無(wú)縫連接，一部手機可以在全球任何地點(diǎn)通信。
第三，高度智能化。4G通信使用智能技術(shù)，是高度自治以及自適應網(wǎng)，通過(guò)智能信號處理對信道條件各不相同的復雜環(huán)境相結合實(shí)現正常發(fā)送接收，有適應性、智能性以及靈活性特點(diǎn)。第四，覆蓋性良好能。4G通信技術(shù)有著(zhù)優(yōu)異的覆蓋性能同時(shí)可以實(shí)現高速可變速率的傳輸。第五，基于lP網(wǎng)絡(luò )。4G通信技術(shù)采用IPv6，可以在IP網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行性話(huà)音以及多媒體業(yè)務(wù)。同時(shí)能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)帶寬分配并且調節發(fā)射功率進(jìn)而提供不同業(yè)務(wù)。
二、4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)
4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)主要包括MIMO技術(shù)、OFDM技術(shù)、SDR技術(shù)以及切換技術(shù)等，在此進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
第一，多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)。MIMO技術(shù)利用多天線(xiàn)抑制信道的衰落，通過(guò)在發(fā)送端以及接收端利用多個(gè)天線(xiàn)來(lái)同時(shí)發(fā)送并接收信號，如果發(fā)送以及接收天線(xiàn)間信道沖激響應各自獨立，就會(huì )構成并行空間信道。MIMO技術(shù)可以在不增加帶寬的前提下成倍提高通信系統容量，因而是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的突破。
傳輸信息流S(k)經(jīng)過(guò)編碼形成N個(gè)子流Ci(k)，i=1，2，…，N，子流經(jīng)過(guò)N個(gè)天線(xiàn)發(fā)射，經(jīng)由空間信道之后由M個(gè)天線(xiàn)接收。多天線(xiàn)接收機通過(guò)空時(shí)解碼處理分開(kāi)解碼數據子流。不過(guò)需要指出的是，N個(gè)子流發(fā)送到信道時(shí)信號占用同個(gè)頻帶，所以并沒(méi)有增加帶寬。如果發(fā)射以及接收天線(xiàn)通道獨立響應，那么多入多出系統就能夠提供多個(gè)并行信道，通過(guò)信道獨立傳輸信息，從而提高數據傳輸率。系統容量通信系統的標志，表示通信系統提供的最大傳輸率，如果信道獨立利用衰落信道，那么發(fā)送天線(xiàn)以及接收天線(xiàn)分別為是N和M時(shí)，信道容量C=min(N，M)Blog2(ρ/2)。B是帶寬，ρ是接收端平均信噪比[14。在功率以及帶寬一定的時(shí)候，MIMO最大容量是隨著(zhù)天線(xiàn)數增加而增加的，在提高通信系統容量領(lǐng)域有著(zhù)極大潛力，頻譜利用率也可以成倍提高。
第二，正交頻分復用(OFDM)技術(shù)。該技術(shù)最初用于軍事通信，結構復雜而限制推廣應用。OFDM的原理是將高速率數據流分成若干子載波上上的低速率數據流，在并行子載波當中使用低數據率來(lái)提高信號持續的時(shí)間，同時(shí)頻率選擇多徑衰落信道而降低了多徑衰落影響。因為相繼OFDM信號之間能耐插入足夠長(cháng)的間距，所以能夠避免信號間的干擾。OFDM 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。首先是頻譜的利用率高，因為OFDM技術(shù)的頻譜效率要高出串行系統一倍，這對頻譜資源非常有限的移動(dòng)通信環(huán)境非常重要。OFDM信號相鄰子載波理論上來(lái)說(shuō)頻譜利用率能夠接近Nyquist的極限[5]，過(guò)去使用頻分多路技術(shù)將頻帶分為不相交子頻導致傳輸并行數據在接收端使用濾波器分離子信道，所以子信道要預留保護頻帶，導致頻譜的利用率比較低，OFDM系統子載波存在正交性所以允許子信道頻譜重疊，能夠提高頻譜資源的利用率其次是OFDM的抗多徑干擾以及選擇性衰落性能突出。因為OFDM技術(shù)將數據分散到子載波上面，從而降低子載波符號速率，也就減弱了多徑傳播帶來(lái)的影響。如果家用循環(huán)前綴來(lái)保護間隔，能夠徹底消除符號之間的干擾。再次是OFDM使用動(dòng)態(tài)子載波的分配技術(shù)，可以保證通信系統實(shí)現最大比特率。選取各子信道符號比特數并分配子信道功率，使得總比特率最大，并且各子載波聯(lián)合編碼有著(zhù)優(yōu)異的抗衰落能力。
第三，軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)技術(shù)。在4G通信系統中要想達到任何人在任何時(shí)間以任何形式接入的通信方式，需要保證終端可以適合各種類(lèi)型接口，可以在各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )間實(shí)現無(wú)縫漫游，從而在不同業(yè)務(wù)間實(shí)現轉換。SDR技術(shù)是隨著(zhù)微電子技術(shù)發(fā)展而興起的新技術(shù)，是通信理論作基礎以及數字信號的處理為中心。SDR技術(shù)強調使用開(kāi)放性硬件作為通用平臺，同時(shí)使用可升級以及可重配置的應用軟件實(shí)現無(wú)線(xiàn)電功能。核心思想是構造有著(zhù)標準化、開(kāi)放性以及模塊化硬件平臺，將調制解調類(lèi)型、加密模式、工作頻段以及通信協(xié)議等功能利用軟件完成，同時(shí)昂寬帶A/D以及D/A轉換器靠近天線(xiàn)，從而研制出有著(zhù)靈活性以及開(kāi)放性的無(wú)線(xiàn)通信系統。
第四，切換技術(shù)。切換術(shù)是終端從某個(gè)通信覆蓋區切換到另一個(gè)覆蓋區，為了保證通信業(yè)務(wù)的持續性而改變信道所需要的鏈路偵測、仲裁以及斷開(kāi)等操作的技術(shù)。切換是移動(dòng)通信保持用戶(hù)移動(dòng)的技術(shù)，是實(shí)現無(wú)縫以及漫游的基礎。切換實(shí)現可以分為硬切換、軟切換、接力切換以及更軟切換等方式。切換發(fā)生的時(shí)機一方面包括終端在各個(gè)網(wǎng)絡(luò )間的接入以及不同基站間移動(dòng)，另一方面也包括同一基站不同扇區以及不同頻率間遷移，同時(shí)隨著(zhù)信道情況而更新鏈路。目前切換控制的機制有兩種，一是使用智能化終端檢測端口信號質(zhì)量以及強度，由終端軟件判決，發(fā)起并完成切換，二是由移動(dòng)臨近的基站監測鏈路信號狀態(tài)，由交換網(wǎng)根據監測結果進(jìn)行切換。
本文對4G移動(dòng)通信進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)闡述MIMO技術(shù)以及OFDM技術(shù)，兩種技術(shù)是代4G移動(dòng)通信的核心技術(shù)，能夠增加系統容量并改進(jìn)系統性能，在提高頻譜利用率的過(guò)程中有效處理抗頻率選擇性衰落，從而避免不必要干擾因素而提高4G移動(dòng)通信技術(shù)的應用效果。
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