4G的演进方向及其关键技术对比分析
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摘要：目前，移动通信高速发展，全球4g竞争激烈。本文针对目前3G的四个标准WCDMA、CDMA、TD-SCDMA、WiMax着手，阐述了各自相应的4G演进标准。并对其关键技术进行对比分析。
关键字：演进、关键技术、4G
中图分类号： TN929.5 文献标识码： A 文章编号：
一、演进方向
4G是第四代移动通信的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像，且图像传输质量与高清电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
同属3GPP阵营的TD-SCDMA和WCDMA的演进方向为LTE，而属于3GPP2阵营的CDMA2000则向着UMB的方向演进。由于UMB提前出局，CDMA向LTE演进。WiMax则继续着自己的步伐，向着WiMax（802.16m）演进。
图1：4G演进图
二、关键技术
目前对4G通信系统的描述主要有以下几方面：
(1)建立在新频段上的无线通信系统，基于分组数据的高速率传输，承载大量的多媒体信息，具有非对称的上下行链路速率、地区的连续覆盖、QoS机制、很低的比特开销等功能；
(2)真正的全球统一通信系统，基于全新网络体制的系，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝”连接，使得用户能够自由的在各种网络环境间无缝漫游；
(3)融合数字通信、数字音/视频接收和因特网接入的崭新的系统，用户能够自由的选择协议、应用和网络，让ASP及内容提供商能提供独立于操作的业务及内容。
下面将分别介绍几种4G通信系统中的关键技术。
2.1OFDM技术
第四代移动通信以OFDM为核心技术。OFDM是基于物理层的一种多载波调制技术。其核心思想是将信道分成若干个正交子信道，每个子信道上进行窄带调制和传输，这样减少了子信道之间的相互干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的频率选择性衰落是平坦的，大大消除了符号间干扰。
2.2MIMO技术
多天线收发技术(MIMO)可以大大增加无线通信系统的性能，它利用空间中增建的传输信道，在发送端和接收端能够多天线(或天线阵列)同时发送信号。由于各发射天线同时发送的信号占用同一频带，所以并未增加带宽，因而能成倍的地提高系统的容量和频谱利用率。
2.3智能天线技术
自适应阵列智能天线，利用基带数字信号处理技术，通过先进的算法处理对基站的接收和发射波束进行自适应赋形，从而降低干扰。其有优点是：能够提高输入信号的信噪比，能识别不同入射方向的直射波和发射波，具有较强的抗多径衰落和同信道干扰的能力；增强了系统抗频率选择性衰落的能力；智能天线自适应调节天线增益，可以很好地解决远近效应的问题。同时可以降低系统的整体造价，具有一定经济效益，可广泛应用到未来的移动通信系统中。
2.4软件无线电技术
所谓软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用的硬件平台，利用软件加载的方式来实现各种类型的无线电通信系统，是一种具有开放式结构的新技术，使无线通信系统具有软件可移植性和功能可编程性，使系统互联和功能升级非常方便。
2.5切换技术
切换技术应用于移动终端在不同小区，不同频率之间的通信或者信号降低信道选择等情况，是提高移动通信可靠性的关键技术。切换技术主要有软切换和硬切换。在4G中，软切换将广泛使用，并朝着软硬切换结合的方向发展。
2.6多用户检测技术
4G移动通信系统是基于码分多址的CDMA技术，多址干扰问题是宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。多用户检测技术是充分利用造成多址干扰的所有信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有很强的抗干扰性能，解决了远近效应的问题。这样就更加有效地利用了链路频谱资源。
2.7高性能的接收技术
为了实现4G移动通信系统性能指标，需要高性能的接收机。根据Shannon定理，对于现有的3G系统，如果信道带宽5MHz，数据速率为2Mb／s，所需要的信噪比为1.2dB；如果是4G系统，在5MHZ的带宽上传输20Mb／s的数据，则要求的信噪比是12dB，由于4G系统的数据速率较高，对接收机的性能也是一个挑战。
2.8移动IPV6
4G通信系统选择了采用基于IP的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。选择IPv6协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是IPv4不具备的。除此以外，IPv6还能够提供较IPv4更好QoS保证及更好的安全性。
三、对比分析
由于高通停止UMB研发，LTE和802.16m两大技术入围4G标准备选提案。下面就以LTE与WiMAX进行比较分析。
3.1调制技术
为了适应不断变化的无线信道，WiMAX和LTE都采用了多种调制方式，同时都可以根据无线信道质量的变化，动态改变调制方式，以使得传输的性能最优。WiMAX采用了BPSK、QPSK、16QAM和64QAM四种调整方式。LTE标准下行方案包括OFDMA和MC-WCDMA。OFDMA目前是最有可能采用的物理层技术。而上行包括SC-FDMA和OFDMA两种接入方式。
3.2ARQ机制
由于无线移动信道具有时变和多径导致的衰落特点，常有较高的误码率。因此为了减小高层重传，提高正确接收的概率，降低时延，WiMAX和LTE都采用前向纠错（FEC）和自动重传请求（ARQ）两种差错控制方法以确保服务质量，而LTE更进一步采用了HARQ机制。
3.3资源调度机制
为了能够高效的利用无线资源，WiMAX和LTE都采用了有效资源调度机制。WiMAX的MAC层支持点对多点的宽带无线接入应用，主要是在上行和下行链路上进行高速传输。
LTE采用多种资源调度方式来保障网络的高效运行，主要包括以下方面：无线承载控制、无线接纳控制、连接移动性控制、分组调度、小区间干扰协调、负荷均衡。
3.4网络结构
WiMAX的网络结构包括接入网络（ASN）和连接服务网络（CSN）。ASN的功能是管理空中接口。CSN可以作为全新的WiMAX系统的一个新建网络实体，也可利用部分现有网络设备实现CSN功能。LTE采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延、低复杂度和低成本的要求。
与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。
四、总结
WiMAX最大优势是比LTE开发进度领先两年，在向一系列运算设备提供宽频无线接取的竞赛中，第一阶段已被WiMAX赢得，且技术已经准备，WiMAX称得上是已经准备就绪的技术，并在这场4G的争夺战中蓄势待发，但未有强大现存基础设备的新市场，即使在许多已发展国家中，LTE技术已被认为是语音和数据服务的长期统一者，不过LTE仍然需要大量试验。LTE技术在语音网路顶层重叠中，使得利用现有的基础设备传输语音流量成为可能。
从两大阵营的动作可见，未来进入4G通信时代将是必然，然而LTE技术与WiMAX技术的市场争夺战也将愈发激烈。
参考文献
[1]张克平，LTE—B3G/4G移动通信系统无线技术，电子工业出版社，2008
[2]赵训，3GPP长期演进(LTE)系统架构与技术规范，人民邮电出版社，2010