1、摘要：目前移動通信系統已經經歷了三代，雖然第三代移動通信系統（3G） 提供了寬帶信息業務，但由于其具有局限性，所以第四代移動通信系統（4G）的發展應運而生。4G將多種無線技術融合為一體, 為用戶提供基于全IP的多媒體服務，具有高速、抗干擾、兼容性好和低成本等特點。雖然4G的發展還面臨著許多挑戰，但它將是移動通信系統發展的必然趨勢。 關鍵詞：第四代移動通信系統；網絡結構；關鍵技術；OFDM；一 什么是第四代移動通信技術 ？ 嚴格說來，現在還不能對第四代移動通信作出確切地定義，但可以肯定，4G通信將是一個比3G通信更完美的無線世界，它可以創造出許多難以想象的應用。 關

2、于4G的一般描述為：“第四代移動通信的概念可稱為廣帶接入和分布網絡，具有非對稱的和超過2Mbit/s的數據傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網、移動廣帶系統和互操作的廣播網絡（基于地面和衛星系統）。此外，第四代移動通信系統將是由多功能集成的寬帶移動通信系統，也是寬帶接入IP系統”。 2 第四代移動通信系統的特征 4G系統應該具有下面的特征： 1. 通信速率更高專家稱，4G的實際速率將達到1020Mbit/s，最高可達100Mbit/s。 2. 網絡占用頻譜更寬 據研究，每個4G信道將占用100MHz的頻譜，相當于WCDMA 3G網絡的20倍。

3、 3. 通信終端更加靈活 4G終端的功能已不能簡單劃歸“電話機”的范疇，因為語音數據的傳輸只是4G移動電話的功能之一。而且4G終端的外觀和樣式上將有驚人的突破，可以想象，眼鏡、手表、鞋都有可能是終端。 4. 智能性能更高 這里不僅指4G終端設備的設計和操作上，更重要的是4G終端可以實現許多難以想象的功能。 5. 兼容性能更高，過渡更平穩 為了讓更多的用戶在投資更少的情況下平穩地過渡到4G系統，4G通信系統應當具備全球漫游、接口開放、能跟多種網絡互聯、終端多樣化以及能從3G平穩過渡等特點。 6.&

4、#160;高質量的多媒體通信  4G通信系統提供的寬帶無線多媒體通信服務將包括語音、數據、影像等多種業務應用。 7. 通信費用更加便宜 4G通信與其他技術相比，部署起來容易迅速得多，同時在建設4G通信網絡系統時，通信運營商們將考慮直接在3G通信網絡的基礎設施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地降低運營成本。三第四代移動通信系統的關鍵技術1 ，OFDM正交頻分復用技術 3G中的核心技術是碼分多址CDMA（Code Division Multiplex Access），在4G中核心技術是正交頻

5、分復用技術OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation)。未來無線多媒體業務對數據傳輸率和傳輸質量有較高的要求，所以調制技術需要具備較高的信元速率以及較長的代碼元素周期。 4G的核心技術正交頻分復用技術OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation)，屬于多載波調制MCM（Multi-Carrier Modulation），載波的頻率由標準委員會選為正交的，所以沒有串擾或干擾。它將指配的信道分成許多正交

6、子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流, 調制到每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開, 這樣可以減少子信道之間的相互干擾。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬, 因此每個子信道上可以看成平坦性衰落, 從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分, 信道均衡變得相對容易。OFDM系統框圖見圖3所示。簡介OFDM的工作原理，輸入數據信元的速率為R，經過串并轉換后，分成M個并行的子數據流，每個子數據流的速率為R/M，在每個子數據流中的若干個比特分成一組，每組的數目取決于對應子載波上

7、的調制方式，如PSK、QAM等。M個并行的子數據信元編碼交織后進行IFFT變換，將頻域信號轉換到時域，IFFT塊的輸出是 N個時域的樣點，再將長為Lp的CP(循環前綴)加到N個樣點前，形成循環擴展的OFDM信元，因此，實際發送的OFDM信元的長度為LpN，經過并/串轉換后發射。接收端接收到的信號是時域信號，此信號經過串并轉換后移去CP，如果CP長度大于信道的記憶長度時，ISI僅僅影響CP，而不影響有用數據，去掉CP也就去掉了ISI的影響。 由于OFDM信號是經過IFFT得到的，發送的數據在頻域被充分隨機化，OFDM信號可以認為是獨立同步分布的隨機變量的線性組合。當子載波非常

8、大時，由中心極限定理知OFDM信號近似服從復高斯分布，從而OFDM信號具有較大的峰值平均功率比（PAPR），此為OFDM系統的一個缺點。由于OFDM系統各個子載波間相互正交，OFDM系統另外一個缺點是對系統頻偏比較敏感2. 軟件無線電（SDR）技術 在4G系統中，由于移動用戶在不同的系統間漫游，系統之間以及系統內部需要無縫切換，而且隨著4G系統的發展，會不斷出現新的業務和新的需求，這些都需要對終端和網絡節點進行重新配置。 軟件無線電在4G中的可能應用為： a)采用軟件無線電實現的基站可同時為多個網絡服務； b) 當終端移動時可重新配置。如當移動終端移動到一個采用不同標準的移動通信系統中時，終端

9、可按照該系統的標準重新自動配置該終端，從而使該終端獲得服務。 采用軟件無線電技術實現的移動終端或基站將采用模塊化結構，主要由天線模塊、LNA 模塊、ADC/DAC功率放大器模塊、DSP 模塊和多媒體模塊等組成。軟件無線電技術主要涉及數字信號處理硬件（DSPH）、現場可編程器件（FPGA）、數字信號處理（DSP）等。1軟件無線電的理論基礎  采樣理論：由于軟件無線電所覆蓋的頻率范圍一般都要求比較寬，例如從0.1MHZ到2.2GHZ，只有具有這么寬的頻段才能具有廣泛的適應性。對于如此寬的頻帶采用Nyquist低通采樣所需的采樣速率至少要大于4.4GHZ，在目前很不實際。所以無法

10、使用Nyquist采樣定理，而必須采用帶通采樣。一種接近理想化的軟件無線電設計方案稱為射頻直接帶通采樣軟件無線電體制，在天線與A/D間只存在跟蹤濾波器和放大器，與軟件無線電所要求的A/D盡可能靠近天線的設計宗旨完全一致。 多速率信號處理：帶通采樣定理大大降低了所需的射頻采樣速率，但從軟件無線電的要求來看，帶通采樣帶寬應越寬越好，對信號有更寬的適應性，這樣就應當使采樣速率盡可能地寬。然而又會導致后續的信號處理速度跟不上，因此要對A/D后的數據流進行降速處理。抽取和內插是最基本最重要的基本理論，對于軟件無線電的研究及數字下/上變頻器的實現有重大作用。 整數倍抽取是把原始采樣速序

11、列x(n)每隔（D-1）個數據抽取一個，形成一個新序列xD(m)，即xD(m)=x(mD)，這樣經過抽取的數據流速率只有后者的D分之一，顯然大大降低了對后處理速度的要求，也提高了頻域分辨率。這是軟件無線電接收機的理論基礎。 整數倍內插是在兩個原始抽樣點之間插入（I-1）個零值，也形成一個新序列xI(m),即xI(m)=x(m/I),經過內插大大提高了時域分辨率，也可以用來提高輸出信號的頻率。顯然內插器起到了上變頻作用。它是軟件無線電發射機的理論基礎。 整數倍抽取和內插都只是頻率變換的一種特殊情況，實際中往往用到分數倍變換，它可通過先進行I倍內插，再進行D倍抽取來實現。（注意

12、必須內插在前，以免引起信號失真）。  高效數字濾波：實現取樣速率變換的主要問題是如何實現抽取前或內插后的數字濾波。FIR濾波器相對與IIR濾波器有許多獨特優越性，線性相位，穩定性等。可采用窗函數法來設計，簡單，直觀，但濾波性能不是最佳。也可采用最佳濾波器的設計。半帶濾波器適合于實現D=2的M冪次方倍的抽取或內插，計算效率也高實時性高。而在實際的抽取系統中抽取因子D往往不是2的M冪次方，此時可以積分梳狀濾波器和半帶濾波器結合起來使用。  數字正交變換理論：對一個實信號進行正交變換而用一個復解析信號來表示是因為從解析信號很容易獲得三個特征參數：瞬時幅度，瞬時

13、相位和瞬時頻率，它們是信號分析，參數測量或識別解調的基礎。窄帶信號可用解析信號和基帶信號表示，對于要滿足高虛假抑制的要求，可采用數字正交混頻的方法實現，即先對模擬信號x(t)通過A/D采樣數字化形成數字序列x(n),然后與兩個正交本振序列cos(w0n)和sin(w0n)相乘，再通過數字低通濾波器來實現。在采樣速率很高時，對后續的數字低通濾波實現較困難。還可以采用基于多相濾波的數字正交變換，需用到抽取和內插理論。3.智能天線（SA） 智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線成形波束可在空間域內抑制交互干擾，增強特殊范圍內想要的信號，既能改

14、善信號質量又能增加傳輸容量。基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。 目前，智能天線的工作方式主要有全自適應方式和基于預多波束的波束切換方式。全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優，但相對而言各種算法均存在所需數據量，計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現錯誤收斂等缺點，實際信道條件下，當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很難對某一用戶進行實時跟蹤。在基于預多波束的切換波束工作方式下，全空域被一些預先計算好的波束分割覆蓋，各組權值對應

15、的波束有不同的主瓣指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊，接收時的主要任務是挑選一個作為工作模式，與自適應方式相比它顯然更容易實現，是未來智能天線技術發展的方向。智能天線技術的基本原理    如圖2，智能天線由天線陣列，A/D和D/A轉換，自適應算法控制器和波束形成網絡組成。其中，波束形成網絡是由每個單元空間感應信號加權相加，其權系數是復數，即每路信號的幅度和相位均可以改變。自適應控制網絡是智能天線的核心，該單元的功能是根據一定的算法和優化準則來調節各個陣元的加權幅度和相位，動態的產生空間動態定向波束。    智能

16、天線技術主要基于自適應天線陣列原理,天線陣收到信號后,通過由處理器和權值調整算法組成的反饋控制系統,根據一定的算法分析該信號,判斷信號及干擾到達的方位角度,將計算分析所得的信號作為天線陣元的激勵信號,調整天線陣列單元的輻射方向圖、頻率響應及其它參數。利用天線陣列的波束合成和指向,產生多個獨立的波束,自適應地調整其方向圖,跟蹤信號變化,對干擾方向調零,減弱甚至抵消干擾,從而提高接收信號的載干比,改善無線網基站覆蓋質量,增加系統容量。 在方向圖的選擇和形成上智能天線的基本原理是在滿足窄帶傳輸假設（即某一入射信號在各天線單元的響應輸出只有相位差異而沒有幅度變化）下，各陣元上入射信號的波程差

17、導致了陣元上接收信號的相位差，若入射信號為平面波，則上述相位差將由載波波長、入射角度、天線位置分布唯一確定。具有相同信號強度、不同入射角度的信號，由于它們在天線陣元間的相位差不同，通過一個矢量加權合并后，各自的陣列輸出信號功率也會有所不同，由此可做出這個權矢量對應的方向圖。    以入射角為橫坐標、輸出功率(dB)為縱坐標所作的圖稱為方向圖。智能天線的方向圖不同于全向天線的方向圖（理想時為一直線），而是接近于方向性（directional）天線的方向圖，即有主瓣（main lobe）旁瓣（side lobe）等。4、MIMO技術

18、60;  MIMO（多進多出）是未來移動通信的關鍵技術。多輸入多輸出技術（MIM0）是指在基站和移動終端都有多個天線。MIM0技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個子信道發射信號，使容量隨天線數量的增加而線性增加。空間分集有發射分集和接收分集兩類。基于分集技術與信道編碼技術的空時碼可獲得高的編碼增益和分集增益，已成為該領域的研究熱點。MIM0技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋范圍。多輸入多輸出)技術是指利用多發射、多接收天線進

19、行空間分集的技術，它采用的是分立式多天線，能夠有效的將通信鏈路分解成為許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時，MIMO系統能夠很好地提高系統的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當接收天線和發送天線數目都為8根，且平均信噪比為20dB時，鏈路容量可以高達42bps/Hz，這是單天線系統所能達到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術是實現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質量的空間分集技術。在無線頻譜資源相對匱乏的今天， MIMO系統已經體現出其優越性，也會在4G移動通信系統中繼續應用基本原理M

20、IMO技術的基本是依賴多天線的多入多輸技術。通過不同天線發射信號的多徑產生不同的多徑衰落，可以根據不同的衰落特性區分出獨立的信道。在不增加天線發射功率和帶寬的情況下通過一些分集復用技術成倍的增加系統容量和頻道利用率5） 基于IP的核心網 4G移動通信系統的核心網是一個基于全IP的網絡，可以實現不同網絡間的無縫互聯。核心網獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業務，能同已有的核心網和PSTN兼容。核心網具有開放的結構，能允許各種空中接口接入核心網；同時核心網能把業務、控制和傳輸等分開。采用IP后，所采用的無線接入方式和協議與核心網絡(CN)協議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入協

21、議相兼容，因此在設計核心網絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協議。6.高性能的接收機  4G移動通信系統對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以計算出，對于3G系統如果信道帶寬為5MHz，數據速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數據，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。四、4G的網絡體系結構    

22、4G系統針對各種不同業務的接入系統，通過多媒體接入連接到基于IP的核心網中。基于IP技術的網絡結構使用戶可實現在3G、4G、WLAN及固定網間無縫漫游。4G網絡結構可分為三層：物理網絡層、中間環境層、應用網絡層。物理網絡層提供接入和路由選擇功能，中間環境層的功能有網絡服務質量映射、地址變換和完全性管理等。物理網絡層與中間環境層及其應用環境之間的接口是開放的，使發展和提供新的服務變得更容易，提供無縫高數據率的無線服務，并運行于多個頻帶，這一服務能自適應于多個無線標準及多模終端，跨越多個運營商和服務商，提供更大范圍服務。4G的網絡分層圖如圖1所示。在4G系統中，各種針對不同業務的接入系統通過多媒體

23、接入系統連接到基于IP的核心網中，形成一個公共的、靈活的、可擴展的平臺，網絡的連接如圖1所示。五第四代移動通信系統的目標及發展趨勢 我國4G發展的狀況   我國在4G領域也取得得大成果。漢網公司研制出的漢網“寬帶無線IP通信系統”要用了4G技術和IP網絡技術，以漢網特有的包分多址（PDMA）接入技術為核心，上下行數據速率采用不對稱設計，可為無線用戶提供高達近2Mbps的高速無線互聯網業務，同時提供高速率的文字、圖像、視頻、話音等不同類型數據業務。可實現手機、PDA、PC之間的自由通信和組播、多點通信等擴展業務。  七、4G的發展趨勢   從4G的發展前景看，除0FDM和智能天線等核心技術外還包含一些相關技術。