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【摘要】本文概要介绍了第四代移动通信系统的最新研究进展。文中详细讨论了4G系统的主要技术特点、主要技术目标，重点讨论了4G系统中可能采用的有关关键技术。
【关键词】移动通信系统;4G系统;空中接口
1.概述
第四代（4G）移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点。第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在日本和韩国投入商用，我国也在2009年相继商用3G-WACMA，TD-SCDMA，CDMA-1X。目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率14.4Mbps已经不能满足用户的实际需求，因此全世界的目光都聚焦在4G领域。目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPv6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛（the Wireless World Research Forum）、IETF（The Internet Engineering Task Force）和MWIF（the Mobile Wireless Internet Forum ）等。
2.4G系统的技术目标和特点
4G系统总的技术目标和特点可以概括为：同3G等数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性，而且能与现代IP网络完全融合。
2.1 4G系统的容量
4G系统的容量至少为3G系统的10倍。4G系统下行信道的最高速率将达100Mbps。
2.2 4G系統是一个无缝网
无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合，4G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线LAN 的无缝连接。
2.3 4G系统应当是一个基于IP的网络
4G应当是一个基于IP的移动网络，采用IP技术后的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。4G系统将会采用Ipv6。Ipv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。
2.4 4G系统将能实现不同QoS的业务
4G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。
3.4G系统的关键技术
4G系统的有关关键技术有：宽带接受机、智能天线、空时编码、高性能的功率放大器、先进的调制解调技术、高性能的RF收发信机和多用户检测等。
3.1 无线接入方式与多址方案
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案，OFDM的主要优点有：各个信号间不会相互干扰;对多径衰落和多普勒频移不敏感;用户间和相邻小区间无干扰;可实现低成本的单波段接收机等。OFDM的主要缺点是功率效率不高。
3.2 调制与编码
4G系统将会采用多载波调制（MCM）技术。4G系统可能会采用两种形式的MCM：多载波码分多址（MC-CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA），一般MC-CDMA采用QPSK调制，而OFDM-TDMA采用高电平调制，如M-QAM（M从4 到256）。对于M-QAM，为了提高系统的性能，一般认为需要采用自适应调制，按照实际测量的参数来确定QAM 的电平数和符号速率。NTT DoCoMo的4G移动通信系统的基本调制方案为QPSK，相应的数据传输速率为103.68Mbps。当采用64-QAM调制时，数据速率高达331.776Mbps（相应的扩频因子为1）。4G移动通信系统将采用更高级的信道编码方案，如Turbo码、级连码和LDPC等，从而在极低的Eb/N0下保证足够的性能。NTT DoCoMo的4G实验系统信道编码采用TURBO码。
3.3 无线链路增强技术
可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集技术，如通过空间分集、时间分集（信道编码）、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能;多天线技术，如采用2或4天线来实现发射分集，或者采用多输入多输出（MIMO）技术来实现发射和接受分集。
3.4 高效的频谱使用方案
提高频谱效率的方法有：使用3GHz以上的频段，由于可以使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3G系统的频谱效率只有2bps/Hz，而4G系统的频谱效率应达到5bps/Hz。
3.5 基于IP的核心网
3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系统应当是一个全IP的网络。采用全IP 的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连;全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。要实现全IP的核心网有许多问题需要解决，如鉴权、计费等;核心网应具有开放的结构，从而能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网应把业务、控制和传输等分开。
3.6 软件无线电（SDR）技术
软件无线电技术将会在4G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务;当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端，从而该终端可获得服务。采用软件无线电技术实现的移动终端或BS将采用模块化的结构，主要由天线模块、LNA模块、功率放大器模块、ADC＼DAC模块、DSP模块和多媒体模块等组成。软件无线电中RF和基带器件都应当是可编程的。
3.7 高性能的接收机
4G系统对接收机提出了特别高的要求。我们知道Shannon定理指出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我们可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，而数据速率为2Mbps，则所需的SNR为1.2dB;而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbps的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，因此对接收机的性能要求也要高得多。
3.8 智能天线与MIMO技术
智能天线和MIMO技术可以降低多址干扰，实现空间分集，因此将会在4G系统中得到应用。图一左端为一个智能天线示意图，基站对各个用户可形成一个定向波束，因此既可降低来自小区内其它用户的多址干扰，也可降低对基站发射功率的要求。
3.9 多用户检测技术
随着多用户检测技术的不断发展，多用户检测器将会在4G系统的基站和终端中得到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4G系统必然采用的技术。随着多用户检测器研究的不断深入，各种高性能但算法不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
4.结束语
由于4G与3G相比具有通信速度更快，网络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高，兼容性能更平滑等优点，4G日益成为人们关注的焦点。相信不久的将来，4G将一统移动通信系统的天下。
作者简介：刘国（1972—），男，陕西西安人，数据通信工程师，主要研究通信领域编码技术。
【关键词】移动通信系统;4G系统;空中接口
1.概述
第四代（4G）移动通信系统与技术是目前移动通信领域的研究热点。第三代（3G）移动通信系统从2001年起先后在日本和韩国投入商用，我国也在2009年相继商用3G-WACMA，TD-SCDMA，CDMA-1X。目前用户对移动通信系统的速率要求越来越高，而3G系统实际所能提供的最高速率14.4Mbps已经不能满足用户的实际需求，因此全世界的目光都聚焦在4G领域。目前全球范围内有多个组织正在进行4G系统的研究和标准化工作，如IPv6论坛、SDR论坛、3GPP、无线世界研究论坛（the Wireless World Research Forum）、IETF（The Internet Engineering Task Force）和MWIF（the Mobile Wireless Internet Forum ）等。
2.4G系统的技术目标和特点
4G系统总的技术目标和特点可以概括为：同3G等数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据率、更好的业务质量（QoS）、更高的频谱利用率、更高的安全性、更高的智能性、更高的传输质量、更高的灵活性，而且能与现代IP网络完全融合。
2.1 4G系统的容量
4G系统的容量至少为3G系统的10倍。4G系统下行信道的最高速率将达100Mbps。
2.2 4G系統是一个无缝网
无线通信领域的一个发展趋势是移动网络和无线接入网络的融合，4G系统应当是一个移动网络和无线接入网的融合体，它应能实现与无线LAN 的无缝连接。
2.3 4G系统应当是一个基于IP的网络
4G应当是一个基于IP的移动网络，采用IP技术后的无线接入方式和协议与核心网络（CN）协议、链路层是分离独立的。4G系统将会采用Ipv6。Ipv6将能在IP网络上实现话音和多媒体业务。
2.4 4G系统将能实现不同QoS的业务
4G系统通过动态带宽分配和调节发射功率来提供不同质量的业务。
3.4G系统的关键技术
4G系统的有关关键技术有：宽带接受机、智能天线、空时编码、高性能的功率放大器、先进的调制解调技术、高性能的RF收发信机和多用户检测等。
3.1 无线接入方式与多址方案
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案，OFDM的主要优点有：各个信号间不会相互干扰;对多径衰落和多普勒频移不敏感;用户间和相邻小区间无干扰;可实现低成本的单波段接收机等。OFDM的主要缺点是功率效率不高。
3.2 调制与编码
4G系统将会采用多载波调制（MCM）技术。4G系统可能会采用两种形式的MCM：多载波码分多址（MC-CDMA）和正交频分复用时分多址（OFDM-TDMA），一般MC-CDMA采用QPSK调制，而OFDM-TDMA采用高电平调制，如M-QAM（M从4 到256）。对于M-QAM，为了提高系统的性能，一般认为需要采用自适应调制，按照实际测量的参数来确定QAM 的电平数和符号速率。NTT DoCoMo的4G移动通信系统的基本调制方案为QPSK，相应的数据传输速率为103.68Mbps。当采用64-QAM调制时，数据速率高达331.776Mbps（相应的扩频因子为1）。4G移动通信系统将采用更高级的信道编码方案，如Turbo码、级连码和LDPC等，从而在极低的Eb/N0下保证足够的性能。NTT DoCoMo的4G实验系统信道编码采用TURBO码。
3.3 无线链路增强技术
可以提高容量和覆盖的无线链路增强技术有：分集技术，如通过空间分集、时间分集（信道编码）、频率分集和极化分集等方法来获得最好的分集性能;多天线技术，如采用2或4天线来实现发射分集，或者采用多输入多输出（MIMO）技术来实现发射和接受分集。
3.4 高效的频谱使用方案
提高频谱效率的方法有：使用3GHz以上的频段，由于可以使用的带宽更宽，因此将具有更高的传输容量。3G系统的频谱效率只有2bps/Hz，而4G系统的频谱效率应达到5bps/Hz。
3.5 基于IP的核心网
3G系统不是基于IP的，如CDMA2000基于ANSI-41，而WCDMA基于GSM-MAP。4G系统应当是一个全IP的网络。采用全IP 的优点有：可以实现不同网络间的无缝互连;全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，因此核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能同已有的核心网和PSTN共存。要实现全IP的核心网有许多问题需要解决，如鉴权、计费等;核心网应具有开放的结构，从而能允许各种空中接口接入核心网;同时核心网应把业务、控制和传输等分开。
3.6 软件无线电（SDR）技术
软件无线电技术将会在4G系统得到应用。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。软件无线电技术有助于不同标准和系统的融合。软件无线电在4G中的可能应用为：采用软件无线电实现的基站可同时为多个网络服务;当终端移动时，可重新配置，如当移动终端移动到一个采用不同标准的移动系统中时，终端可按照该系统的标准重新自动配置该终端，从而该终端可获得服务。采用软件无线电技术实现的移动终端或BS将采用模块化的结构，主要由天线模块、LNA模块、功率放大器模块、ADC＼DAC模块、DSP模块和多媒体模块等组成。软件无线电中RF和基带器件都应当是可编程的。
3.7 高性能的接收机
4G系统对接收机提出了特别高的要求。我们知道Shannon定理指出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，我们可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，而数据速率为2Mbps，则所需的SNR为1.2dB;而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbps的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，因此对接收机的性能要求也要高得多。
3.8 智能天线与MIMO技术
智能天线和MIMO技术可以降低多址干扰，实现空间分集，因此将会在4G系统中得到应用。图一左端为一个智能天线示意图，基站对各个用户可形成一个定向波束，因此既可降低来自小区内其它用户的多址干扰，也可降低对基站发射功率的要求。
3.9 多用户检测技术
随着多用户检测技术的不断发展，多用户检测器将会在4G系统的基站和终端中得到应用。多用户检测器可以提高系统的容量，因此将是4G系统必然采用的技术。随着多用户检测器研究的不断深入，各种高性能但算法不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出来，因此在实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
4.结束语
由于4G与3G相比具有通信速度更快，网络频谱更宽，通信更加灵活，智能性能更高，兼容性能更平滑等优点，4G日益成为人们关注的焦点。相信不久的将来，4G将一统移动通信系统的天下。
作者简介：刘国（1972—），男，陕西西安人，数据通信工程师，主要研究通信领域编码技术。