1.4　第四代移动通信技术概述

1.4.1　4G的发展

2013年12月4日，工业和信息化部向中国移动、中国电信、中国联通三大运营商颁发“LTE/第四代数字蜂窝移动通信业务（TD-LTE）”经营许可，意味着我国已经正式进入4G时代。第四代移动通信（4G）技术抛弃了2G、3G一直沿用的基站—基站控制器（2G）/无线资源管理器（3G）—核心网的网络结构，而改成基站直接与核心网相连，整个网络更加扁平化，降低了时延，提升了用户感受。核心网抛弃了电路域，迈向全IP化，统一由IMS承载原先的业务；空中接口的关键技术也抛弃了3G的CDMA而改成OFDM，OFDM在大带宽上比CDMA更加具备可行性和适应性，大规模使用MIMO技术提升了频率复用度，跨载波聚合能获得更大的频谱带宽从而提升传输速率。OFDM具有更好的抗干扰能力和更高的传输速率，能够更好地满足用户需求。

1.4.2　关键技术

1. 正交频分复用技术

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术是一种高效的多载波频分复用调制技术，其子载波之间相互正交以提高频谱利用率。其基本思想是将系统可用频带划分为多个合适宽度的窄带，一个窄带为一个子载波，每个子载波独立传输一个低速数据流，在每个子载波上可以采用二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等传统的调制技术。OFDM这种特有的频谱模式，使其在高速通信中具有巨大优势。一路高速发送的数据通过OFDM调制机制并行调制到子载波上，将被分解为多路低速数据，每个子载波传输一路数据，整个频带被划分为N个窄带，只要N足够大，每个窄带带宽将小于信道相干带宽，在单个子载波期间频域衰落成平坦特性。由于降低了数据传输速率，系统信道离散性减弱，将减小系统的符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI），另外，通过在每个OFDM符号之间插入循环前缀（Cylix Prefix，CP），能有效降低ISI干扰。OFDM技术这些无可比拟的技术优势，使其在第四代移动通信标准（4G）中得到广泛应用。

2. MIMO技术

多输入多输出（MIMO）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高容量。信息论已经证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，从而获得巨大容量。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，在4G系统中得到了广泛应用。

3. 软件无线电技术

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硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A转换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。

4. 多用户检测技术

多用户检测技术是宽带通信系统中用于抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，但是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰成了宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，能显著提高系统容量。

1.4.3　4G标准

1. LTE

长期演进（Long Term Evolution，LTE）项目是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。这一标准也是3GPP长期演进（LTE）项目，其演进历史为：GSM→GPRS→EDGE→WCDMA→HSDPA/HSUPA→HSDPA+/HSUPA+→FDD-LTE。

2. LTE-Advanced

LTE-Advanced是LTE技术的升级版，其相关特性如下：

（1）带宽：100MHz。

（2）峰值速率：下行1Gb/s，上行500Mb/s。

（3）峰值频谱效率：下行30b/s·Hz，上行15b/s·Hz。

（4）针对室内环境进行优化。

（5）有效支持新频段和大带宽应用。

（6）峰值速率大幅提高，频谱效率有有限的改进。

3. WiMax

WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即全球微波互联接入，WiMax的另一个名字是IEEE 802.16。WiMax技术的起点较高，WiMax能提供的最高接入速度是70Mb/s，这个速度是3G所能提供的宽带速度的30倍。

802.16的工作频段采用了无须授权频段，范围在2～66GHz，而802.16a则是一种采用2～11GHz无须授权频段的宽带无线接入系统，其频道带宽可根据需求在1.5～20MHz内进行调整。因此，802.16使用的频谱可能比其他无线技术更丰富。

4. WirelessMAN

WirelessMAN-Advanced事实上就是WiMax的升级版，即IEEE 802.16m标准，802.16系列标准在IEEE正式称为WirelessMAN。802.16m可在漫游模式或高效率/强信号模式下提供1Gb/s的下行速率。该标准还支持高移动模式，能够提供1Gb/s的传输速率。其优势如下：

（1）提高网络覆盖，降低链路预算。

（2）提高频谱效率。

（3）提高数据和VoIP容量。

（4）低时延 & QoS增强。

（5）功耗节省。

1.4.4　4G瓶颈

近几十年来，移动通信技术经历了快速发展。在第二代和第三代移动通信技术的基础上，第四代移动通信系统在国内外普及。随着移动业务量的持续增长，4G系统面临以下问题。

1. 4G容量不足

随着社会的发展，人们越来越关注通信容量，特别是以后进入万物互联的时代，到时需要大数据分析来进行实时处理，而现行的4G网络容量难以胜任。

2. 4G通信速率有限

现有通信系统无法满足用户对无线传输速率的需求。2015年，思科指出：与2013年相比，2014全球移动通信设备的数量增加了4.97亿台（套），总数量达到74亿台（套）。随着通信设备数量的增长，用户对移动传输速率的需求将成指数增长。2015年，据思科预测，2014—2019年，全球移动通信数据流量年复合增长率将达到57%，如何提高无线通信系统的传输速率是未来无线通信技术需要解决的首要问题。

3. 频谱资源稀缺的问题日益突出

随着无线设备的增加和无线业务（如物联网和车联网等）的发展，现有的通信频段已无法满足日益增长的频谱资源需求，频谱资源稀缺问题逐渐成为制约无线网络发展的瓶颈之一。美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）在2012年曾预计，到2014年如果没有新的频谱，无线数据需求的增长将会导致275MHz的“频谱赤字”，如何提高通信系统的频谱效率成为未来通信技术需要解决的重要问题。

4. 通信系统的能耗急剧增加

据调查显示，随着无线设备的增加，通信产业的耗电量正以每年15%～20%的速度持续增长。目前，全球信息通信产业的年耗电量超过300亿度，间接导致的二氧化碳排放量占全球二氧化碳总排放量的2%，对生态环境产生了巨大影响。为了降低通信系统的能量消耗，减少温室气体排放，节能减排已经成为未来移动通信系统必须达到的重要目标，如何提高通信系统的能量效率成为未来通信技术需要解决的另一个重要问题。