4G通信系统关键技术初探(2)

3　4G中的关键技术

从前面对于4G系统的描述中我们可以看出，它是一个远比3G更加复杂的通信系统，它的实现需要依托于很多新兴技术。在4G系统中可能采用的关键技术主要包括OFDM、软件无线电、智能天线、移动IPv6等。

3.1　正交频分复用(OFDM)技术

由于无线信道存在多径效应，数据信号在各种不同类型的无线信道上传输时，产生的时延会造成接收信号的码间干扰，尤其当码元速率提高而周期相应缩短时，时延将会跨越更多的码元，而使这种干扰变得更大。此外，码元速度的提高引起信号带宽相应增大，当信号带宽大干信道的相关带宽时会造成频率选择性衰落。目前单载波调制技术为了能够尽量减轻这种衰落而采用了均衡技术，但却不得不以增加信道噪声作为代价。

未来的无线多媒体业务首先要求数据传输速率要高，同时又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期。基于这样的考虑，产生了OFDM技术，属于多载波调制技术(MCM)中的一种。OFDM是4G通信网的核心技术。

OFDM技术将需要传输的串行数据流分解为若干个较低速率的并行子数据流，在将它们各自调制到相互正交的子载波上，最后合成输出，输出的数据速率与串行数据流分解前的速率相同。

首先，由于这些子载波相互正交，因此允许它们之间的频谱重叠，从而提高了频谱利用率。

其次，由于信号分解后并行子数据流的码元周期变长，只要时延扩展与码元周期之比小于一定的数值，就不会造成码间干扰，且这些子数据流的信号传输带宽减小，可以有效降低频率选择性衰落，同时合成后输出的总数据速率并没有降低。

第三，OFDM采用跳频的方法来选用正交子载波。跳频是把一个宽频段分解为若干个频率间隔(频道或频隙)，发端在某一个特定的时间间隔中采用哪一个频道发送信号，由一个伪随机序列进行控制。由于发射频道在各个时间段是跳变的，除非窄带干扰在特定时间内与所需信号同时落入一个频道内，才会形成对这一频道特定的干扰，否则干扰在进入接收机前端时将被有效抑制。因此，OFDM技术有很好的抗窄带干扰能力。

第四，OFDM每个子载波所使用的调制方法可以不同，但不同的调制方法具有不同的频谱利用率和误码率，尤其在无线信道条件不同的情况下，如何选用一种最佳的调制方法是值得考虑的。而OFDM技术采用了自适应调制的方案，可以根据信道条件的好坏，灵活选择不同的调制方式。例如在终端距离基站比较近的时候，信道条件一般较好，就可以选用较高阶的调制方式，从而获得最大频谱效率。而在信道条件变差时则可以选用较低阶的调制方式，来确保信噪比。这样，系统可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。但自适应调制方式需要信号中包含一定的开销比特。

除上述优点以外，OFDM也有3个较明显的缺点。

首先，对频偏和相位噪声敏感。频率偏移和相位噪声会使OFDM各个子载波之间的正交性恶化，使得信噪比下降。

其次，功率峰值与均值比(PARR)大，导致发送端放大器功率效率较低。由于OFDM的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的，因此有可能产生比较大的峰值功率，也就有可能产生较大的PARR值。而过高的PARR值通常会对发送端功率放大器提出较高的线性要求，从而增加基站和用户终端的成本。

第三，自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的复杂度，并且当移动终端达到车载的移动速度时，自适应的调制技术就没有很大意义了。

3.2　软件无线电

4G系统若要实现"任何人在任何地点以任何形式接入网络"的理想通信方式，则至少需要保证移动终端能够适合各种类型的空中接口，能够在各类网络环境间无缝漫游，并可以在不同类型的业务之间进行转换，这样才能够实现真正意义上的"个人通信"。而不同的通信技术(如GSM、WLAN、Bluetooth等)其调制方式、工作频带等都是不同的，是否能够使不同的无线通信系统基于同一通用硬件平台上实现成为大家关注的问题。

软件无线电的概念是由MITRE公司的美国人Jee Mitala在1992年5月的美国电信会议上首次明确提出的。当时这个技术的提出主要是为了解决美国军方不同军种之间通信装备不同而引起的通信不畅的问题，在后来则越来越多的引起了民用研究机构的广泛注意。它的出现是无线通信继从模拟到数字、从固定到移动后，从硬件到软件的第三次变革。

软件无线电的基本思想就是将硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信的功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。也可以说，它是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。

软件无线电的核心技术是用宽频带的无线接收机来代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多的采用可编程软件来实现。

软件无线电的优势主要体现在以下几个方面。

(1)系统结构通用，功能实现灵活，改进升级方便。

(2)提供了不同系统间互操作的可能性。软件无线电可以使移动终端适合各种类型的空中接口，可以在不同类型的业务间转换。

(3)由于通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高了系统抗干扰的性能。

(4)拥有较强的跟踪新技术的能力。由于它能够在保证硬件平台的基本结构不发生变化的情况下，通过改变软件来实现新业务和使用新技术，因此大大降低了设备商新通信产品的开发成本和周期，同时也降低了运营商的投资。

但软件无线电的实现还需要克服以下技术难点。

(1)多频段天线的设计。软件无线电的天线需要覆盖多个频段，以满足多信道不同方式同时通信的需求，而射频频率和传播条件的不同，使得各频段对天线的要求存在着较大的差异，因此多频段天线的设计成为软件无线电技术实现的难点之一。

(2)宽带A/D、D/A转换。根据奈奎斯特抽样定理，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。而目前A/D、D/A的最高采样频率受到其性能的限制，从而也限制了所能处理的已调信号频率。

(3)高速DSP(数字信号处理器)。高速DSP芯片主要完成各种波形的调制解调和编解码过程，它需要有更多的运算资源和更高的运算速度来处理经宽带A/D、D/A变换后的高速数据流，因此其芯片有待进一步研发。