4G移动通信技术的特点及应用分析

　　摘要：在新兴通信技术的不断推动之下，3G即将成为通信技术的主流。在通信技术的加强条件下，主要介绍了第4代移动通信（4G）的含义、特点、国内外发展状况及发展趋势，指出4G移动通信中的关键技术及其目前存在的问题。

　　随着无线技术的发展，移动通信技术与现代社会的需要越来越要求高，加之通信技术跟人们的生活息息相关。本文主要简单介绍4G移动通信系统所采用的各种技术以及4G移动通信的优缺点。

　　1.4G的概念

　　4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。比较3G来分析，4G通信技术更完善设备的装置，以及给人们带来了更多的方便与价值。第四代移动通信与第三代移动通信相比，将在技术和应用上有质的飞跃。4G将适合所有的移动通信用户，终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。4G移动通信的应用广泛，例如应用到小区、交通、互联网等上面。

　　2.采用的主要技术

　　2.1 OFDM简介

　　OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency-Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用。这种技术是HPA联盟（HomePlug PowerlineAlliance）工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。

　　2.2 时域和频域同步

　　一种在采用OFDM调制的传输系统中使多个设备在时域和频域上同步的方法，其可应用于与同一电网相连的不同设备之间经由该电网进行的双向通信，以便在接收中估计OFDM符号的起始以及所述设备中本地振荡器的频率误差，包括生成通过所述电网传输的同步序列和通过用于发送数据的同一信道发送这些同步序列，其中所述信道由一个设备与其余所有设备之间的连接确定，其特征在于它包括：将含有所述数据和同步序列的接收信号分解为不同频带或频率范围；通过在时间上应用同步算法以在每个频带中基于所述算法估计所述OFDM符号的起始和所述本地振荡器的频率误差，从而在接收中检测每个频率范围或频带中的同步序列；将每个频带中获得的估计值进行组合。

　　2.3 信道估计

　　所谓信道估计，就是描述物理信道对输入信号的影响而进行定性研究的过程，换句话说，信道估计就是估计发送天线到接收天线之间的无线信道的频率响应。

　　无线通信系统受周围环境的影响较大，建筑物，河流，山脉，森林等对电磁波的吸收较强，加之反射与衍射、多径衰落对信号的影响，到达接收端的信号，幅值和相位可能发生畸变，难以进行识别。为了提高通信的抗干扰性能，必须对发射机和接收机之间的无线信道进行估计，以满足信号的无失真传输。对于现代通信系统，信道在时域存在时间选择性衰落特性，在频域存在频率选择性衰落特性，而系统又必须适应突发性数据业务，因此，信道估计仍是目前学术界较难攻克的难题之一。一般地，信道估计算法要使误码率，均方误差，且算法复杂度不要太高，因此，信道估计器结构的选择至关重要。信道估计：在正交频分复用系统中，信道估计器的设计主要考虑以下两方面的因素：一是算法简单、硬件实现容易且估计性能优良的估计器的设计；二是导频图案的选择，无线信道一般是多径衰落信道，为提高通信可靠性，需要不断地发送导频信息来跟踪无线信道。在具体设计时，必须同时考虑以上两个问题，因为估计器性能优良与否与导频图案的排列方式息息相关。

　　常用的信道估计算法分类如下：

　　（1）基于导频信息的信道估计；

　　（2）盲信道估计；

　　（3）半盲信道估计。

　　工程中使用较多的是导频符号辅助调制（Pilot Symbol Assisted Modulation,PSAM）信道估计方法，其所用的数学模型合理，理论成熟，算法复杂度较低，估计性能优良。在正交频分复用系统中，一般情况下都采用此类信道估计算法。

　　2.4 编码信道和交织

　　为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是普遍采用的方法。对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织技术。实际应用中，通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。DFT算法由于时域能量集中在少数抽样点上，减少了频谱泄露，因而信道估计性能较好；而改进DFT算法，由于汉宁窗的加入和线性变换，使得带外噪声迅速衰减，在低SNR下估计性能较DFT算法有所提高。

　　编码可以采用各种码，如：分组码、卷积码等，其中卷积码的效果要比分组码好。

　　2.5 降低峰值平均功率比

　　LMMSE信道估计是的低阶估计器，它的思想在于对LS估计进行奇异值分解，在不降低估计器性能的条件下降低算法复杂度，并抑制AWGN和ICI,但是它也有缺点，就是需要知道每条子路径功率的先验信息，并利用此信息来构造自相关矩阵。由于OFDM信道时域上表现为N个正交子载波信号的叠加，当这N个信号恰好均以峰值叠加时，OFDM信号也将产生峰值，该峰值功率是平均功率的N倍。

　　2.6 均衡

　　在新兴通信技术的不断推动之下，3G即将成为通信技术的主流。在通信技术的加强条件下，主要介绍了第4代移动通信（4G）的含义、特点、国内外发展状况及发展趋势，指出4G移动通信中的关键技术及其目前存在的问题。这是，可以考虑加均衡器以使CP的长度适当减小，即通过增加系统的复杂性换取频带利用率的提高。

　　2.7 OFDM优点

　　OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：

　　（1）频谱利用率高，频谱效率比串行系统高近一倍。OFDM信号的相邻子载波相互重叠，其频谱利用率可以接近Nyquist极限。

　　（2）抗衰落能力强。OFDM把用户信息通过多个子载波传输，这样在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，从而使OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力更强。

　　（3）适合高速数据传输。

　　（4）抗码间干扰（ISI）能力强。

　　3.4G系统的应用特点

　　任何一项技术都不是完美无瑕的，正交频分复用技术也是如此，存在着如下优缺点。

　　OFDM技术的优点主要有：

　　（1）由于DSP技术的飞速发展，OFDM系统中各子信道的正交调制和解调可通过快速傅里叶变换（FFT）和逆变换（IFFT）来实现，从而大大降低了算法复杂度，且信息的实时处理更快更可靠。

　　（2）现代数据通信业务一般存在非对称性，OFDM系统可通过调制不同的子载波来获得相应的信息传输速率，从而满足现代通信的需求。

　　（3）通过编码技术可以解决系统的随机错误，交织技术可解决突发错误，OFDM系统通过编码与交织，能很好地提高系统的误码性能。

　　OFDM技术的缺点主要有：

　　（1）存在一定概率的PAPR.高峰均比信号通过功率放大器时，为防止信号畸变，功放必须具有较大的线性范围，这将降低功率放大器的工作效率。

　　（2）对频率偏移敏感。OFDM系统要求各信道之间严格正交，系统的定时同步非常高，对于快衰落环境引起的频偏，高定时同步算法发杂，且较难实现。

　　OFDM之所以是的多载波调制方案，其原因不只是以上诸多优点，还与如下关键技术有关。

　　a.时域与频域同步技术：前文提到，OFDM系统对定时同步有很高的要求，且易受频偏影响；b.信道估计；c.信道编码与交织：信道编码与交织技术能够有效降低数字通信系统的误码率，提高通信的抗干扰能力；d.降低峰值平均功率比（PAPR）：在时域中，正交频分复用信号是N路子载波信号的叠加。

　　通过以上的介绍可以得出，OFDM系统在高速传输系统中具有无可比拟的优越性。也正因为信号的高速传输，要使接收端信号的误码率降低，必须对信道的传输特性进行估计。因此，设计好的信道估计器是OFDM系统必不可少的环节。（作者：奚强）