原创 基于OFDM技术的第四代移动通信系统

　　近年来移动通信技术飞速发展，已经历了3个主要发展阶段。每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址(FDMA)技术。第二代(2G)起源于90年代初期，主要采用时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)技术。第三代移动通信系统(3G)可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2 Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通信系统(4G)的研究随之应运而生。移动通信系统的发展状况如表1所示。

　　2　4G的定义及其技术要求

　　第四代移动通信技术的概念可称为广带(Broadband)接入和分布网络，具有非对称超过2 Mb/s的数据传输能力，对全速移动用户能提供150 Mb/s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。他包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络(基于地面和卫星系统)。其广带无线局域网(WLAN)能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网(IBCN)，他还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。其主要技术要求是：

　　(1)通信速度提高，数据率超过UMTS，上网速率从2 Mb/s提高到100 Mb/s。

　　(2)以移动数据为主面向Internet大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。

　　(3)采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。

　　(4)发射功率比现有移动通信系统降低10～100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。

　　(5)支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证。

　　3　第四代移动通信系统的网络结构及关键技术

　　3.1　4G的网络体系结构

　　第四代移动通信系统的网络体系结构可以由下而上分为：物理层、网络业务执行技术层、应用层等3层。物理网络层提供接入和选路功能；中间环路层作为桥接层提供QoS映射、地址转换、安全管理等。物理网络层与中间环路层之间也可以提供开放式接口，用于提供其他服务。4G的网络分层图如图1所示。

　　3.2　OFDM技术 第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。但若从技术层面看，OFDM被认为是4G的核心技术之一。OFDM的基本思想是将所要传输的数据流分解成多个比特流，每个子数据流具有低得多的传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制多个载波。显然，在多载波调制的子信道中，数据传输速率降低了，符号持续时间加长了，因而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间干扰的影响。

　　在传统的频分复用系统中，各载波上的信号频谱没有重叠，以便接收机中能用传统的滤波器方法将其分离、提取，这样做的最大缺点是频谱利用率低，造成频谱浪费。OFDM允许子载波频谱部分重叠，只要满足子载波间相互正交则可以从混叠的子载波上分离出数据信息。当载波间最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，可满足正交条件。为了提高频谱效率，一般取最小间隔等于符号周期的倒数。OFDM的信号频谱如图2所示。

　　移动通信信道的突出特点之一就是信道存在多径时延扩展，他限制了数据速率的提高，因为如果数据速率高于信道的相干带宽，信号将产生严重失真，信号传输质量大幅度下降。而OFDM技术由于具备上述特点，是对高速数据传输的一种潜在的解决方案，因此，OFDM技术已基本被公认为4G的核心技术之一。OFDM系统结构框图如图3所示，其核心是一对傅里叶变换。

　　4　国内外对4G的研究现状

　　中国、日本、韩国以及欧洲等国家对第四代移动通信的研究工作已经启动，欧洲的项目为“第六框架”，日韩两国都是自己独立研究，目前对4G的研究还处于初级阶段，并没有进入实质部分，还谈不上频段的划分，ITU计划在2004年征求第四代移动通信的方案，2010年制定出全世界统一的第四代移动通信标准。

　　在世界各国都在积极的对4G研究时，我们国家也不甘落后，我国对第四代移动通信的研究已经正式列入863项目，并启动了“FuTURE计划”。具体分3个阶段实施：

　　2001年12月～2003年12月，开展Beyond 3G/4G蜂窝通信空中接口技术研究，完成Beyond 3G/4G系统无线传输系统的核心硬、软件研制工作，开展相关传输实验，向ITU提交有关建议；2004年1月～2005年12月，使Beyond 3G/4G空中接口技术研究达到相对成熟的水平，进行与之相关的系统总体技术研究(包括与无线自组织网络、游牧无线接入网络的互联互通技术研究等)，完成联网试验和演示业务的开发，建成具有Beyond 3G/4G技术特征的演示系统，向ITU提交初步的新一代无线通信体制标准；2006年1月～2010年12月，设立有关重大专项，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场试验。

　　在近几年的研究中，我国已经取得了喜人的成果，武汉汉网高技术有限公司、华中科技大学和上海交通大学联手攻克的全IP蜂窝移动技术是国际公认的第四代移动通信技术的核心，其数据传输速率是3G移动电话的50倍，能同时传输语音、文字、视频图像等不同数据类型。这使欧美移动通信技术在中国市场独领风骚的局面将有所改变。

　　5　结　语

　　本文对第四代移动通信技术及其系统的特性、核心技术等进行了讨论，并介绍了国内外对4G的研究现状。随着社会的不断进步，对4G研究的不断深入，相信第四代移动通信系统与我们的距离将越来越小。具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统(4G)，必将是通往未来无线与移动通信系统的必然途径。