基于OFDM技術的第四代移動通信系統

2019-11-03 09:19:24

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供稿：網友

姜緒永，顏彪，李志軍
　　（揚州大學信息工程學院　江蘇揚州　225009）

　　摘　要：首先描述了4G的定義和技術要求，然后詳細介紹了他的網絡結構及其關鍵技術。最后還介紹了國內外對4G的研究現狀。

　　關鍵詞：第四代移動通信系統；正交頻分復用；多媒體通信；CDMA

　　1　引　言

　　近年來移動通信技術飛速發展，已經歷了3個主要發展階段。每一代的發展都是技術的突破和觀念的創新。第一代起源于20世紀80年代，主要采用模擬和頻分多址（FDMA）技術。第二代（2G）起源于90年代初期，主要采用時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）技術。第三代移動通信系統（3G）可以提供更寬的頻帶，不僅傳輸話音，還能傳輸高速數據，從而提供快捷方便的無線應用。然而，第三代移動通信系統仍是基于地面標準不一的區域性通信系統，盡管其傳輸速率可高達2 Mb／s，但仍無法滿足多媒體通信的要求，因此，第四代移動通信系統（4G）的研究隨之應運而生。移動通信系統的發展狀況如表1所示。

　　2　4G的定義及其技術要求

　　第四代移動通信技術的概念可稱為廣帶（Broadband）接入和分布網絡，具有非對稱超過2 Mb／s的數據傳輸能力，對全速移動用戶能提供150 Mb／s的高質量影像服務，將首次實現三維圖像的高質量傳輸。他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）。其廣帶無線局域網（WLAN）能與B-ISDN和ATM兼容，實現廣帶多媒體通信，形成綜合廣帶通信網（IBCN），他還能提供信息之外的定位定時、數據采集、遠程控制等綜合功能。其主要技術要求是：

　?。?）通信速度提高，數據率超過UMTS，上網速率從2 Mb／s提高到100 Mb／s。

　?。?）以移動數據為主面向Internet大范圍覆蓋高速移動通信網絡，改變了以傳統移動電話業務為主設計移動通信網絡的設計觀念。

　?。?）采用多天線或分布天線的系統結構及終端形式，支持手機互助功能，采用可穿戴無線電，可下載無線電等新技術。

　　（4）發射功率比現有移動通信系統降低10～100倍，能夠較好地解決電磁干擾問題。

　?。?）支持更為豐富的移動通信業務，包括高分辨率實時圖像業務、會議電視虛擬現實業務等，使用戶在任何地方可以獲得任何所需的信息服務，且服務質量得到保證。

　　3　第四代移動通信系統的網絡結構及關鍵技術

　　3．1　4G的網絡體系結構

　　第四代移動通信系統的網絡體系結構可以由下而上分為：物理層、網絡業務執行技術層、應用層等3層。物理網絡層提供接入和選路功能；中間環路層作為橋接層提供QoS映射、地址轉換、安全管理等。物理網絡層與中間環路層之間也可以提供開放式接口，用于提供其他服務。4G的網絡分層圖如圖1所示。

　　3．2　OFDM技術第四代移動通信系統的關鍵技術包括信道傳輸；抗干擾性強的高速接入技術、調制和信息傳輸技術；高性能、小型化和低成本的自適應陣列智能天線；大容量、低成本的無線接口和光接口；系統管理資源；軟件無線電、網絡結構協議等。但若從技術層面看，OFDM被認為是4G的核心技術之一。OFDM的基本思想是將所要傳輸的數據流分解成多個比特流，每個子數據流具有低得多的傳輸比特速率，并且用這些數據流去并行調制多個載波。顯然，在多載波調制的子信道中，數據傳輸速率降低了，符號持續時間加長了，因而對時延擴展有較強的抵抗力，減小了符號間干擾的影響。

　　在傳統的頻分復用系統中，各載波上的信號頻譜沒有重疊，以便接收機中能用傳統的濾波器方法將其分離、提取，這樣做的最大缺點是頻譜利用率低，造成頻譜浪費。OFDM允許子載波頻譜部分重疊，只要滿足子載波間相互正交則可以從混疊的子載波上分離出數據信息。當載波間最小間隔等于符號周期倒數的整數倍時，可滿足正交條件。為了提高頻譜效率，一般取最小間隔等于符號周期的倒數。OFDM的信號頻譜如圖2所示。

　　移動通信信道的突出特點之一就是信道存在多徑時延擴展，他限制了數據速率的提高，因為如果數據速率高于信道的相干帶寬，信號將產生嚴重失真，信號傳輸質量大幅度下降。而OFDM技術由于具備上述特點，是對高速數據傳輸的一種潛在的解決方案，因此，OFDM技術已基本被公認為4G的核心技術之一。OFDM系統結構框圖如圖3所示，其核心是一對傅里葉變換。

　　4　國內外對4G的研究現狀

　　中國、日本、韓國以及歐洲等國家對第四代移動通信的研究工作已經啟動，歐洲的項目為“第六框架”，日韓兩國都是自己獨立研究，目前對4G的研究還處于初級階段，并沒有進入實質部分，還談不上頻段的劃分，ITU計劃在2004年征求第四代移動通信的方案，2010年制定出全世界統一的第四代移動通信標準。

　　在世界各國都在積極的對4G研究時，我們國家也不甘落后，我國對第四代移動通信的研究已經正式列入863項目，并啟動了“FuTURE計劃”。具體分3個階段實施：

　　2001年12月～2003年12月，開展Beyond 3G／4G蜂窩通信空中接口技術研究，完成Beyond 3G／4G系統無線傳輸系統的核心硬、軟件研制工作，開展相關傳輸實驗，向ITU提交有關建議；2004年1月～2005年12月，使Beyond 3G／4G空中接口技術研究達到相對成熟的水平，進行與之相關的系統總體技術研究（包括與無線自組織網絡、游牧無線接入網絡的互聯互通技術研究等），完成聯網試驗和演示業務的開發，建成具有Beyond 3G／4G技術特征的演示系統，向ITU提交初步的新一代無線通信體制標準；2006年1月～2010年12月，設立有關重大專項，完成通用無線環境的體制標準研究及其系統實用化研究，開展較大規模的現場試驗。

　　在近幾年的研究中，我國已經取得了喜人的成果，武漢漢網高技術有限公司、華中科技大學和上海交通大學聯手攻克的全ip蜂窩移動技術是國際公認的第四代移動通信技術的核心，其數據傳輸速率是3G移動電話的50倍，能同時傳輸語音、文字、視頻圖像等不同數據類型。這使歐美移動通信技術在中國市場獨領風騷的局面將有所改變。

　　5　結　語

　　本文對第四代移動通信技術及其系統的特性、核心技術等進行了討論，并介紹了國內外對4G的研究現狀。隨著社會的不斷進步，對4G研究的不斷深入，相信第四代移動通信系統與我們的距離將越來越小。具有高數據率、高頻譜利用率、低發射功率、靈活業務支撐能力的未來無線移動通信系統（4G），必將是通往未來無線與移動通信系統的必然途徑。

　　參考文獻

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摘自現代電子技術

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