科 普 园 地 2009 年 第 1 期 4G 移动通信技术 陈 卉 华东师范大学信息学院 ， （ 上海市 200062） 摘 要 人们在享受 3G 移动通信系统商用所带来服务的同时，4G 移动通信技术的研究 已在悄然进行。 文章简要分析了 4G 的网络结构及其关键技术，如正交频分复用（OFDM）、 软件无线电、智能天线技术、多输入多输出（MIMO）技术。 比较了 3G 和 4G 不同指标，分 析了 3G 和 4G 采用的不同技术。 最后对全球 4G 的现状和发展进行了初步探讨。 关键词 4G； 正交频分复用（OFDM）； 软件无线电； 智能天线； 多输入多输出（MIMO） 随着 在我国的商用 3G 和视频通话方面 好等问题 够提供更高的数据速率 人们开始期望 ， 。 、 ， 用户在使用手机电视 视频通话效果不 能 从而使 能够解决这些问题 4G 更大的容量和带宽 、 ， 出现了信号不稳 比 更接近个人通信 在技术上比 ， 3G 。 更完善 。 3G 4G 1 4G 网络结构 ， ， 。 ， IP IP 等 和 到 从 3G 2G ATM 其中 的演变 分组交换技术包括 网络结构大致可以分为三层 移动通信核心网由电路交 使得核心网更加独立于接入技 换转变为分组交换 可以 术 使核心网能与各种无线和有线技术接入技术相互融 中 合 物理网络层提供接入和选路 间环境层 地址转 功能 换 物理网络层与中间环境层提供开放 式 应用网络层与中间环境层之间也可以提 供开放式接口 用于第三方的开发和新业务的提供 中间环境层作为桥接层可以提供映射 , 安全管理等 物理网络层 应用网络层 接口 。4G IP ： 、 、 。 、 、 。 。 ， 。 2 4G 网络中的关键技术 正交频分复用 （OFDM） 是 多 载 波 调 制 1） OFDM 的基本思想是把数据流串并变换为 用它们分别去调制 N 因子数据流的速率是原来的 , 技 术 的 一 种 N 1/N， （MCM） 。 路速率 路子载波后 即符号 远大于信道的最大延迟扩 ， 就把一个宽带频率选择性信 从 具有非常高的频带 是下一代移动通信系统 均衡简单 ）， （ ， 。 MCM 较低的子数据流 并行传输 周期扩大为原来的 展 道划分成了 而 利用率 这种情况下 OFDM N 。 ， 倍 N MCM 个窄带平坦衰落信道 能有效地抗多径衰落 适于宽带移动通信 ， 46 中实现高速移动通信的最有前途的技术 。 系统中的信道具有频率选择性和时变特性 收端及时地获得信道状态信息 相干解调 必须对信道进行动态的估计 OFDM 要在接 实现实时而准确的 但 ， ， 。 ， 软件无线电 2） 软件无线电 、 。 ， 。 90 20 世纪 （SDR） 模块化的通用数字硬件平台 实现各种无线电系统的通信功能 是 年代初提出的 基本概念是把硬件作为无线 而把尽可能多的无线和个人通信 其中心思想是构建一个开放性 标 通过实时的软件 并使宽带模 ， 等先进的模块 （D／A） 使得基带移到中频 ， 软件无线电的使用是无 固定到移动之后的又 通信新概念和新技术 通信的基本平台 功能用软件实现 准化 控制 数转换器 及数模转换器 尽可能地接近射频天线的要求 对整个系统频带进行采样 。 线通信领域上继模拟到数字 一重大突破 （A／D） 、 ， ， ， 、 智能天线 技术 。 ， ， ， （SA） 3） 智能天线依靠对多个天线组阵 动态地调整接收和发射功率方向特性 通过对各单元 根据不同的环境和应 达到 智能天线定义为波束间没有切换 智能天线成形波束可在 增强特殊范围内想要的信 智能天线 提高链路质量和可 智能天线 天线馈电信号进行组合处理 用要求 性能优化的目的 的多波束或自适应阵列天线 空间域内抑制交互干扰 号 可获得扩大作用距离和覆盖范围 靠性 可以解决复杂电磁环境中抑制干扰等技术问题 既能改善信号质量又能增加传输容量 提高频谱利用率等作用 在军事方面 ， 。 ， ， 。 、 。 ， 、 。 。 多输入多输出 （MIMO） 技术 技术是一项新兴的热点技术 4） MIMO 将 ， MIMO 

2009 年 第 1 期 ， 。 ， 。 MIMO 充分利用空间传播中的多径分量 抵抗信道 技术为系统提供空间复用增益和空间 空间复用是在接收端和发射端使用多副 在同一频带 使容量随天线数量的 空间分集有发射分集和接收分集 基于分集技术与信道编码技术的空时码可获 已成为该领域的研究 且其 提高无线系 技术用于移动通信中可以增加系统容量 衰落 分集增益 天线 上使用多个子信道发射信号 增加而线性增加 两类 得高的编码增益和分集增益 热点 空间分集可显著改善无线信道的性能 统的容量及覆盖范围 技术可提供很高的频谱利用率 。 MIMO ， ， 。 。 ， ， ， 。 5） 的核心网 基于 移动通信系统的核心网是一个基于全 IP 4G 可以实现不同网络间的无缝互联 ， 网络 于各种具体的无线接入方案 务 能 同 已 有 的 核 心 网 ， 。 IP IP （CN） 核心网具有开放的结构 的 核心网独立 业 能提供端到端的 ， 和 公 共 交 换 电 话 网 络 能允许各种 控制和 所采用的无线接入方式和 与多种无 因此在设计核心网络时具有很 不需要考虑无线接入究竟采用何种方 同时核心网能把业务 ， 后 链路层是分离独立的 。IP IP ， 、 ， 兼容 。 采用 （PSTN） 空中接口接入核心网 传输等分开 协议与 线接入协议相兼容 大的灵活性 式和协议 。 协议 CN 、 ， ， 。 IPv6 通信系统中将取代 IPv4 协议 ， 具有许多优点 主要采用 技术 有巨 支持无状态和有状态两种地址自动 更具有移 。IPv6 如 ， ： 能够提供不同水平的服务质量 ； ； 在 4G 全分组方式 大的地址空间 配置方式 动性等 ； 。 3 4G 与 3G 的比较 由于目前 可以在很大程度上进一步融合 3G 采用了很多先进性的技术 3G ， 将来 现有的技术 ， 功率控制 但是在指标和 、 软件无线电 联合检测 、 的许多技术 、 ， 虽然 智能天线 4G 比如 继承了 等 技术方面有诸多区别 技术指标方面 4G 。 3G 。 1） 世界上不同的组织给 为是基于 演进 。 IP 业务特征上 a） 是融合数据和 4G b） 结构包括 VoIP。 ：3G 蓝牙等 Wi-Fi/ 的定义不同 但都认 ， 4G 协议的高速蜂窝移动网 从现有的 3G 优先考虑语音 数据业务 而 ； ， ：3G 网络结构上 是蜂窝小区 而 ； 4G 是混合 ， ， 科 普 园 地 1.6GHz~2.5GHz；4G 是 频 带 范 围 c） ：3G 是 低频 2GHz~8GHz，800MHz 。 d） e） f） g） 。 h） 是 带宽 ：3G 速 度 是 5MHz~20MHz；4G 是 100MHz。 是 ：3G 385kbit/s~2Mbit/s；4G 20Mbit/s ~100Mbit/s。 接 入 方 式 是 WCDMA / CDMA2000 / TD-SCDMA；4G 交换方式 MC-CDMA / OFDM。 包交换 是电路交换 / 是包 ；4G ：3G 是 ：3G 交换 移动性能 是 ：3G 200Kmph，4G 是全 是多版本 ，4G 是 200Kmph。 IP。 的关键技术是 技术 CDMA 采用 能 在支持高速率数据传输时信号间干 可以提高频谱利用率 。 OFDM 4G 而 ， ， 性能 ：3G 技术方面 i）IP 2） a）3G 技术 OFDM 的是 够克服 扰增大的问题 CDMA 。 ， ， b） 对 4G 3G ，4G 满足 在软件无线电方面 使得 3G 同时在 中的软件无线 中无线接入多样化的要 中无线接入标准不统一的问题得以解 软件无线电基础上通过增 使软切 成为一个统一的标准 在 对相应的软件进行升级 电技术进行升级 求 决 中 ， 加相应的硬件模块 换和硬切换最终融合到一起 实现各种需求 4G 3G 。 ， ， ， ， 。 c）3G 网络采用的主要是蜂窝组网 技术 支持分组交换 将 ， 、 IP 全 数字 局域网融入广域网中 处理速度和效率 在 础上 协议来满足 。 ， 的要求 4G 。 在 ， 4G TD-CDMA 对相关的软件和算法加以升级 ， ，4G WLAN、 采用全 蓝牙等 中提高了智能天线的 采用智能天线的基 增加一些接口 ， 。 系统也使用了许多新技术 d）4G 特定无线网络技术 动态分配技术以及软件无线电技术等 动态自适应网络技术 、 、 ， 包括超链接和 智能频谱 ， 。 e） 比 ，4G 在功率控制上 3G 目的是为了满足高速通信的要求 制移动用户信号的传输速率 射功率也限制了用户信号的传输速率 用切换技术来减少对其它小区的干扰 量 切换和硬切换相结合的方向发展 要求更加严格 其 不仅频率资源限 而且基站和终端的发 在 采 提高话音质 并朝着软 切换技术的应用更加广阔 3G 4G 中 在 中 ， 。 ， ， ； ， ， 。 4G 的发展 国际电信联盟 年至 2007 4 2006 为 （ITU） 4G 年完成频谱规划 制定了明确目标 ， 年左右完成 ，2010 47 

科 普 园 地 2009 年 第 1 期 ， 。 4G ，2010 的研究 年之后开始商用 全 全球统一的标准化工作 球很多国家已经加快对 欧洲的爱立信 。 着手研制第四代 公司与美国加利福尼亚大学合作 移动通信系统 会在 年正 爱立信公司预计 ， 式投入运营 等未来 日本和韩国也已开始进行 移动通信服务技术的开发研究 年成立 日本主要的电子电气公司参加了该 了移动 使用的频 论坛 4G 韩国情报通 谱 ， 信部 IT 同时日本政府甚至已经确定了 年之前首先商用 ， 并计划在 2010 也已将 日本于 论坛 2011 2002 4G； 4G 4G 。 ， ， 4G 成立了 列人 政 府 的 研 究 开 发 课 题 标准化项目 （MIC） 年底 ，IEEE IEEE 802.20 2002 主要目标是建立一个移动宽带无线 接 入 的标准 入网的一个非对称网络 公司演示了被其称之为 AT&T 随后 。 。 ， ， 技术 下行信道采用了宽带 ， EDGE 国已经在国家 “863” 研究重点领域之一 计划中将 称为 ， 年前后移动通信产业的发展 4G （MBWA） 接 该网 络 上 行 信 道 采 用 了 我 的研究作为战略 瞄准了 OFDM 技术 4G ； FUTURE 计划 ， 年 ， 10 。 2006 月 31 正式 这是全球进行的 我国决定在更多地 年前对其进 ， ， 2010 外场试验系统在上海通过了现场验收 计划带入了第三阶段 技术的应用测试 4G 系统的测试工作 。 期望 ，4G FUTURE 2010 日 将 首次关于 区进行 行商业化测试 4G 5 结束语 本文研究了 4G 网络构架以及其关键技术 并 ， 32 页 上接第 （ 压缩只能利用静态字典的信息 路的确认 ） 。 5 结束语 而不能确认下行链 ， 本文阐述了 UDVM SigComp 的基本工作原理 并对其 的 解 压 过 程 作 了 比 较 详 细 地 分 的整 SigComp 需要使用较大 这暗示本论文的数据并不能代表最优情 中的拓展操作改进了 由于使用了动态和混合压缩 RFC ， ， DMS。 这还有待于进一步的研究 ， 核 心 部 件 析 使用 体性能 的 景 。 ， ， 。 和 对 3G 采用的技术进行了对比 4G 中除了核心网络之外 中所采用的技术资源和设备 ， 对原有的软件进行升级融合 ， 使得 能平滑过渡到 4G 都可以利用 3G 原有的硬件设施 上 关键技术 大限度地降低通信建设的投资成本 究上已经取得可喜的成果 决 ， 对于我国能否从现有的 形成 标准并商用化 我们可以看出 其他的很多设备和技术 ， 改进 再加 ； 并能最 研 但仍有很多难题有待解 平滑过渡到 4G， 我国在 TD-CDMA 让我们拭目以待 4G 3G 4G ， 。 。 4G， 4G ， 。 参考文献 1 E CIANCA, M DE SANCTIS, M RUGGIERI. Convergence Towards 4G: A Novel View of Integration. Wireless Personal Communications, 2005 （33）：327~336. 李 荣 秀 王 心 水 ， . 4G 中 的 关 键 技 术 甘 肃 科 学 学 报 ， . 2 3 4 5 ， 2008，18（3）：184~188. . ， 韩 泽 耀 2006，18（3）：87~91. 陈 良 明 发展 张 新 福 报 郑 淑 清 童 贞 理 ， . 4G 21（7）：94~95. ， 2003，26（9）：88~92. 移 动 通 信 的 主 流 技 术 计 算 机 技 术 与 . . 3G 向 4G 过 渡 策 略 探 讨 重 庆 大 学 学 . 及 其 关 键 技 术 浅 析 甘 肃 科 技 . ， 2005， 向为通信与信息系统 （1983—）， 女 ， 硕士研究生 ， 主要研究方 。 收稿日期 ：2008-09-22 June 2002. 2 PRICE R, BORMANN C, CHRISTOFFERSSON J, etal. Signaling Compression （SigComp） [S]. IETF RFC3320, January 2003. 3 DEUTSCH P. DEFLATE compression [S]. IETF RFC1951, May 1996. 4 HANNU H, CHRISTNFFERSSON J, VORSGREN S, etal.Signaling CompressionSigComp Extended Operations [S]. IETF RFC3321, January 2003. 5 JOHNSTON A, DONOVAN S, SPARKS R. Session Initiation Protocol （SIP） Basic Call Flow Examples, （1981—）， 向为下一代网络通信 ， 男 硕士研究生 ， 计算机通信网络 。 收稿日期 ， 主要研究方 ：2008-07-29 。 RFC3665[S]. 2003. 参考文献 李世旭 1 ROSENBERG J, SCHULZRINE H，CAMARILLO G， etal. SIP：Session Initiation Protocol [S]. IETF RFC3261, 48 。 陈 卉 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!