1.4　第四代移動通信技術概述

1.4.1　4G的發展

2013年12月4日，工業和信息化部向中國移動、中國電信、中國聯通三大運營商頒發“LTE/第四代數字蜂窩移動通信業務（TD-LTE）”經營許可，意味著我國已經正式進入4G時代。第四代移動通信（4G）技術拋棄了2G、3G一直沿用的基站—基站控制器（2G）/無線資源管理器（3G）—核心網的網絡結構，而改成基站直接與核心網相連，整個網絡更加扁平化，降低了時延，提升了用戶感受。核心網拋棄了電路域，邁向全IP化，統一由IMS承載原先的業務；空中接口的關鍵技術也拋棄了3G的CDMA而改成OFDM，OFDM在大帶寬上比CDMA更加具備可行性和適應性，大規模使用MIMO技術提升了頻率復用度，跨載波聚合能獲得更大的頻譜帶寬從而提升傳輸速率。OFDM具有更好的抗干擾能力和更高的傳輸速率，能夠更好地滿足用戶需求。

1.4.2　關鍵技術

1. 正交頻分復用技術

正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術是一種高效的多載波頻分復用調制技術，其子載波之間相互正交以提高頻譜利用率。其基本思想是將系統可用頻帶劃分為多個合適寬度的窄帶，一個窄帶為一個子載波，每個子載波獨立傳輸一個低速數據流，在每個子載波上可以采用二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）、正交振幅調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）等傳統的調制技術。OFDM這種特有的頻譜模式，使其在高速通信中具有巨大優勢。一路高速發送的數據通過OFDM調制機制并行調制到子載波上，將被分解為多路低速數據，每個子載波傳輸一路數據，整個頻帶被劃分為N個窄帶，只要N足夠大，每個窄帶帶寬將小于信道相干帶寬，在單個子載波期間頻域衰落成平坦特性。由于降低了數據傳輸速率，系統信道離散性減弱，將減小系統的符號間干擾（Inter-Symbol Interference，ISI），另外，通過在每個OFDM符號之間插入循環前綴（Cylix Prefix，CP），能有效降低ISI干擾。OFDM技術這些無可比擬的技術優勢，使其在第四代移動通信標準（4G）中得到廣泛應用。

2. MIMO技術

多輸入多輸出（MIMO）技術是指利用多發射、多接收天線進行空間分集的技術，它采用分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成許多并行的子信道，從而大大提高容量。信息論已經證明，當不同的接收天線和不同的發射天線之間互不相關時，MIMO系統能夠很好地提高系統的抗衰落和噪聲性能，從而獲得巨大容量。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術是實現高數據速率、提高系統容量、提高傳輸質量的空間分集技術。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，MIMO系統已經體現出其優越性，在4G系統中得到了廣泛應用。

3. 軟件無線電技術

軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現各種類型的無線電通信系統的一種具有開放式結構的新技術。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A轉換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現。

4. 多用戶檢測技術

多用戶檢測技術是寬帶通信系統中用于抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統中，各用戶信號之間存在一定的相關性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產生的多址干擾固然很小，但是隨著用戶數的增加或信號功率的增大，多址干擾成了寬帶CDMA通信系統的一個主要干擾。多用戶檢測技術在傳統檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，具有優良的抗干擾性能，解決了遠近效應問題，降低了系統對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，能顯著提高系統容量。

1.4.3　4G標準

1. LTE

長期演進（Long Term Evolution，LTE）項目是3G的演進，它改進并增強了3G的空中接入技術，采用OFDM和MIMO作為其無線網絡演進的唯一標準。這一標準也是3GPP長期演進（LTE）項目，其演進歷史為：GSM→GPRS→EDGE→WCDMA→HSDPA/HSUPA→HSDPA+/HSUPA+→FDD-LTE。

2. LTE-Advanced

LTE-Advanced是LTE技術的升級版，其相關特性如下：

（1）帶寬：100MHz。

（2）峰值速率：下行1Gb/s，上行500Mb/s。

（3）峰值頻譜效率：下行30b/s·Hz，上行15b/s·Hz。

（4）針對室內環境進行優化。

（5）有效支持新頻段和大帶寬應用。

（6）峰值速率大幅提高，頻譜效率有有限的改進。

3. WiMax

WiMax（Worldwide Interoperability for Microwave Access），即全球微波互聯接入，WiMax的另一個名字是IEEE 802.16。WiMax技術的起點較高，WiMax能提供的最高接入速度是70Mb/s，這個速度是3G所能提供的寬帶速度的30倍。

802.16的工作頻段采用了無須授權頻段，范圍在2～66GHz，而802.16a則是一種采用2～11GHz無須授權頻段的寬帶無線接入系統，其頻道帶寬可根據需求在1.5～20MHz內進行調整。因此，802.16使用的頻譜可能比其他無線技術更豐富。

4. WirelessMAN

WirelessMAN-Advanced事實上就是WiMax的升級版，即IEEE 802.16m標準，802.16系列標準在IEEE正式稱為WirelessMAN。802.16m可在漫游模式或高效率/強信號模式下提供1Gb/s的下行速率。該標準還支持高移動模式，能夠提供1Gb/s的傳輸速率。其優勢如下：

（1）提高網絡覆蓋，降低鏈路預算。

（2）提高頻譜效率。

（3）提高數據和VoIP容量。

（4）低時延 & QoS增強。

（5）功耗節省。

1.4.4　4G瓶頸

近幾十年來，移動通信技術經歷了快速發展。在第二代和第三代移動通信技術的基礎上，第四代移動通信系統在國內外普及。隨著移動業務量的持續增長，4G系統面臨以下問題。

1. 4G容量不足

隨著社會的發展，人們越來越關注通信容量，特別是以后進入萬物互聯的時代，到時需要大數據分析來進行實時處理，而現行的4G網絡容量難以勝任。

2. 4G通信速率有限

現有通信系統無法滿足用戶對無線傳輸速率的需求。2015年，思科指出：與2013年相比，2014全球移動通信設備的數量增加了4.97億臺（套），總數量達到74億臺（套）。隨著通信設備數量的增長，用戶對移動傳輸速率的需求將成指數增長。2015年，據思科預測，2014—2019年，全球移動通信數據流量年復合增長率將達到57%，如何提高無線通信系統的傳輸速率是未來無線通信技術需要解決的首要問題。

3. 頻譜資源稀缺的問題日益突出

隨著無線設備的增加和無線業務（如物聯網和車聯網等）的發展，現有的通信頻段已無法滿足日益增長的頻譜資源需求，頻譜資源稀缺問題逐漸成為制約無線網絡發展的瓶頸之一。美國聯邦通信委員會（Federal Communication Commission，FCC）在2012年曾預計，到2014年如果沒有新的頻譜，無線數據需求的增長將會導致275MHz的“頻譜赤字”，如何提高通信系統的頻譜效率成為未來通信技術需要解決的重要問題。

4. 通信系統的能耗急劇增加

據調查顯示，隨著無線設備的增加，通信產業的耗電量正以每年15%～20%的速度持續增長。目前，全球信息通信產業的年耗電量超過300億度，間接導致的二氧化碳排放量占全球二氧化碳總排放量的2%，對生態環境產生了巨大影響。為了降低通信系統的能量消耗，減少溫室氣體排放，節能減排已經成為未來移動通信系統必須達到的重要目標，如何提高通信系統的能量效率成為未來通信技術需要解決的另一個重要問題。