蜂窝移动通信关键技术及市场发展
摘要随着现代社会的快速发展，科学技术的发展也日新月异，而通信技术方面的技术变革，更是站在当今发展最快的技术变革行列的前茅。蜂窝移动通信已成为世界范围内的一项非凡成功之作，其发展如此迅速以致业务需求远远超过了原先的预测。5G移动通信技术作为目前最前沿的通信技术，目前尚处于探索研究阶段。本文对4G和5G移动通信技术的特点、优点及发展趋势做简要介绍。
关键字移动通信4G/5G关键技术 发展趋势
1、 引言
随着科学技术发展，通信技术也得到迅猛的发展和应用，在推动社会经济的同时改变了人们的生活方式。移动通信特别是蜂窝小区的发展，使用户实现完全的个人移动性、可靠的传输手段和接续方式，逐渐演变成社会进步必不可少的工具。移动通信现在已经成为人们广泛使用的一种通信方式，渗透到人们的生活和工作等各个方面，也给用户提供了更为丰富的娱乐服务，依靠其方便快捷、覆盖面广、注重个人用户体验等优点迅速吸引了大批移动用户。如今4G已经全面普及，而5G也已经在研究中，相信将会给我们带来更好的体验。
2、 4G移动通信系统
移动通信技术经过 2G、3G，已经到达了4G阶段，这不但为人们带来更多的便利，也反映出移动通信信息发展的非常迅速。身为通信行业，一定要具备长远目标以及预测未来的能力，谁获得了技术的先机，谁就可以在市场的竞争领域里独占鳌头，所以，移动通信技术在更新以及升级过程中，需要一直将当前通信技术的优势、劣势分析清楚，预测并提出更富发展性的改进方式。4G 移动通信技术属于 3G版的升级，在传输的速度上更快，技术保障更为可靠，智能构造设定更富有人性化，4G开辟了全新的移动通信技术。同时在普及速度上也十分迅速，在日常生活中给我们带来了非凡的体验。
2.1 4G移动通信的关键技术
4G通信系统具有比3G更加优良的性能,因此是一个远比3G复杂的通信系统。4G将要采用的关键技术主要有:
2.1.1 OFDM
4G系统采用的核心技术是正交频分复用(OFDM),属于多载波调制技术,其基本原理是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,再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;3G系统中采用的是码分多址CDMA技术,属于单载波调制,cdma2000中虽采用的是多载波技术,但各个载波之间相互独立,而OFDM各子载波之间的频率有重叠部分。对比分析可以看出OFDM有如下优点:
(1)抗多径干扰与窄带干扰能力较单载波系统强;
(2)与常规的频分复用系统相比,OFDM系统可以最大限度的利用频谱资源;
(3)能充分利用信噪比比较高的子信道,抗频率选择性衰落能力强;
(4)可与时分、频分、码分等多种方式相结合,灵活支持多种业务
2.1.2 源于IP的核心网技术
4G移动通信系统的核心网是一个源于整个IP的网络，能够完成各自网络之间的无缝互联。采用全IP的优点是可以实现不同网络间的无缝互连。全IP也是一种低成本的集成目前网络的方法。核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务且能与已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网,同时核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后,所采用的无线接入方式和协议与核心网络(CN)协议、链路层是分离独立的。IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。核心网独立在各类具体的无线接入方案，可以供应端到端的IP业务，可以和已经具备的核心网以及 PSTN 进行兼容。核心网具备了开放结构，可以让各类接口接到核心网里，并且核心网可以将业务、传输、控制区分开。使用 IP之后，所运用的无线接入方法以及协议与核心网络协议、链路层都是分开独立的。在4G通信系统里会取缔IPv4 协议，主要运用全分组形式IPv6技术。
2.1.3 智能天线
智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信技术,采用空分多址技术和数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,旁瓣或邻瓣对准干扰信号到达方向,达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。在3G标准
中,WCDMA和CDMA2000都希望能够在系统中采用智能天线,但因其算法复杂度高,仅仅只有TD-SCDMA系统采用了这种技术。
在4G中,为了达到高速通信的目的,必须更加有效的使用智能天线。3G中智能天线无法解决的时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动引起的多普勒效应等问题,将在4G中得到有效的解决。此外,智能天线的系统复杂度将会降低,其算法结构将能够兼容常规的处理结构,采用智能天线的基站能够和常规基站混合组网,兼容网络侧的管理和维护。
2.2 4G 移动通信技术的发展趋势
（1）交互干扰抑制技术。交互干扰抑制技术是4G移动通信技术的重要基础，交互干扰抑制技术采用交互的办法降低了通信设施间相互的干扰，保证了通信信号的质量。
（2）多用户识别技术。多用户识别技术通过加大基站和移动电话系统的容量和覆盖范围，减少通信网络基础设施的建和部署，确保通信服务的质量。
（3）可重构性自愈网络技术。4G移动通信网络依靠智能处理器智能化处理节点故障或基站超载，4G移动通信网络各部分采用基于问答装置及时纠正错误，达到自动排出网络故障的目的。
（4）微微无线电接收器技术。4G移动通信技术对移动设备节能有高度的关注，微微无线电接收器是嵌入式无线电。采用此技术，功耗是采用现有技术的l/10 ～ 1/100，是4G移动通信技术实现节能环保的重要措施和技术。
（5）无线接入网（RAN）技术。4G移动通信技术具有高速度、大容量、低比特成本的特点，4G 移动通信RAN技术的发展趋势是电路交换向基于 IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。
3、 5G移动通信系统
现在是信息时代，人们对网络承载能力，通信速度要求越来越高，现在网络与人们的生活、学习、工作密切不可分，因此信息通信在人们生活中起到关键作
用，人们的需求量增加，人们对通信能力要求越来越高，信息通信是现在人们交往的主要渠道。现有的通信能力已经不能满足人们的需要，因此 5G 移动通信技术的发展是时代发展需要，5G 移动通信技术在技术上要进行改革，在频率等都有进行改革，5G 移动通信技术值得期待。
3.1网络架构
5G 移动通信技术正在研发阶段，但其网络架构基本成型，主要包括三大模块：网络部署场景、接入网和核心网，其如图所示。网络部署场景主要分室内和室外场景，室外借助分布式 天 线 ( distributed antennasystem，DAS) 和 大 规 模 MIMO( multiple input multi-ple output) 配备基站，天线元件分散放置在小区，且通过光纤与基站连接。室内用户只需要与安装在室外建筑的大型天线阵列的室内AP 进行通信，这样就可以利用多种适用于短距离通信的技术实现高速率传输，比如 60 GHz 毫米波通信，可以解决频谱稀缺问题。其接入网主要特点有异构多接入技术的融合、基站资源的虚拟化，资源分配集中控制及内容边缘缓存和投递。核 心 网 主 要 是 由 SDN、 网 络 功 能 虚 拟 化 ( net-work function
virtualization，NFV)
技术驱动网络变革，同
样具有四大特点：控制
与转发分离、物理硬件
与逻辑分离、对业务的
感知，支持动态的数据
传输策略及数据平面
扁平化。
3.2 5G移动通信的关键技术
随着移动互联网发展，移动端的业务需求也急剧增加，对无线网络技术和传输技术都有很高的要求。在无线网络方面，网络架构和组网技术将会更加灵活，更加智能。网络架构会采用控制与转发分离的软件来控制，会使用统一的自组网和异构超密部署等技术。将在无线传输方面引入能进一步挖掘频谱效率提升潜力等技术，如先进的多址接入技术、多天线技术、编码调制技术、新的波形设计技术等。
超高效的无线传输技术和高密度的无线网络技术是5G通信系统的标志性技术，这两方面的技术是实现5G需求的关键。期中MIMO无线传输技术是传输技术的关键，大规模的使用有可能使频谱效率和功率效率比4G提高一个量级。目前该技术的问题是高维度信道建模与估计以及复杂度控制。 全双工技术会提高移动通信的频谱利用率。 而超密集网络也是5G研究者关注的重点，而网络协同与干扰管理是其实现的关键。
3.2.1 全频谱的使用
拥有丰富的空闲频率资源，天线增益较高，天线和设备小型化。 因此，5G 将实现全频段接入，其中低频段是5G的核心频段，用于无缝覆盖；高频段作为辅助频段，用于热点区域的速率提升。全频谱接入采用高频和低频混合组网，充分挖掘高频和低频的优势，共同实现无缝覆盖、大容量、高速率等 5G需求。但高频信号在移动条件下，易受到阻挡、反射、散射、大气吸收等环境因素的影响，并且高频信道与传统的蜂窝网络信道有着很大的差异，如信道变化快、传播损耗大、绕射能力差等，因此需要对高频信道测量与建模、高频新空口，组网技术以及器件等内容展开深入的研究。
3.2.2超密集异构网络
未来5G网络正朝着网络多元化、宽带化、综合化、智能化的方向发展。随着各种智能终端的普及，面向 2020 年及以后，移动数据流量将呈现爆炸式增长。在未来 5G网络中，减小小区半径，增加低功率节点数量，是保证未来5G网络支持1 000 倍流量增长的核心技术之一。因此，超密集异构网络成为未来5G网络提高数据流量的关键技术。未来无线网络将部署超过现有站点 10 倍以上的各种无线节点，在宏站覆盖区内，站点间距离将保持 10 m以内，并且支持在每 1 km 2 范围内为 25 000 个用户提供服务。同时也可能出现活跃用户数和站点数的比例达到 1∶1 的现象，即用户与服务节点一一对应。密集部署的网络拉近了终端与节点间的距离，使得网络的功率和频谱效率大幅度提高，同时也扩大了网络覆盖范围，扩展了系统容量，并且增强了业务在不同接入技术和各覆盖层次间的灵活性。虽然超密集异构网络架构在5G 中有很大的发展前景，但是节点间距离的减少，越发密集的网络部署将使得网络拓扑更加复杂，从而容易出现与现有移动通信系统不兼容的问题。在5G 移动通信网络中，干扰是一个必须解决的问题。网络中的干扰主要有:同频干扰，共享频谱资源干扰，不同覆盖层次间的干
扰等。现有通信系统的干扰协调算法只能解决单个干扰源问题，而在5G 网络中，相邻节点的传输损耗一般差别不大，这将导致多个干扰源强度相近，进一步恶化网络性能，使得现有协调算法难以应对。
3.3 5G移动通信技术发展趋势
目前，全球关于5G的技术研究，还处于实验室研究阶段，将来还要经过技术研究、标准化、外场试验等阶段，并最终实现商用部署。不过，尽管对于5G概念和技术仍在探讨，但对于5G标准融合的大方向，现在学术界和产业界基本形成了共识。在2G、3G时代，不同的通信协议标准之间存在较大的差异。而在4G时代，TD－LTE和LTE－FDD 在核心网方面已拥有95% 的相似性，在无线传输方面也有 90% 的相似性。面向 2020 年的 5G 时代，在频谱的使用上将更加高效和灵活，核心技术和系统架构将进一步融合，全球共用一套通信标准将成为5G技术的发展趋势。
4、 结束语
移动通信能力现在是人们关心的重要问题，通信与人们的生活息息相关，如何解决通信能力，是很多移动通信技术学者需要解决问题，4G移动通信技术是当前我国最好的通信技术，具备了更加安全、快速、智能的特点。能够让移动通信的智能实现互联互通，加快移动通信技术的发展。同时5G 移动通信技术的研究与开发，为解决人们对通信能力的需求提供可能。按照移动通信的发展规律, 5G 技术将在 2020 年之后实现商用, 其基本发展目标是满足未来移动互联网业务飞速增长的需求, 并为用户带来新的业务体验。
5G技术的研究尚处于初期阶段, 今后几年将是确定其技术需求、关键指标和使能技术的关键时期。 5G移动通信系统容量的提升将从频谱效率的进一步提高、网络结构的变革和新型频谱资源开发与利用技术等途径加以实现, 将派生出一系列新的无线移动通信核心支撑关键技术。结合目前移动通信的最新发展趋势, 本文对目前已经成熟的4G移动通信系统和富有发展前景的 5G移动通信系统若干关键技术和发展趋势进行了简要的概述。随着研究的不断深入, 5G关键支撑技术将逐步得以明确, 并在未来几年内进入实质性的标准化研究与制定阶段。
参考文献
[1] 陈仁森. 4G移动通信系统及其关键技术[J]. 湘潭师范学院学报(自然科学
版),2007(04)
[2]张茹芳. 浅析 4G 移动通信技术的要点和发展趋势 [J].信息通信，2013
（01）.
[3]张玉龙,李志峰,赵勋. 对 4G 移动通信技术应用与发展的展望 [J]. 信息
通信 ,2013(01)
[4]孔丽南 , 刘云松 .4G 概念移动通信关键技术浅析 [J]. 黑龙江科技信
息 ,2011(19).
[5]陈 强.移动通信技术的应用与未来发展趋势研究[J].科学导报，2015（24）
[6]沈洁．第 5 代移动通信系统展望［J］．电信科学，2013，29(09)
[7]董利，陈金鹰，刘世林，等．第五代移动通信初探［J］．通信与信息技术，
2013，5(05)
[8]王志勤,罗振东,魏克军. 5G业务需求分析及技术标准进程[J]. 中兴通讯技
术,2014（02）
[9]董爱先,王学军. 第 5 代移动通信技术及发展趋势[J]. 通信技术,2014（03）
[10]翟冠楠，李昭勇． 5G无线通信技术概念及相关应用［J］．电信网技术，2013，
9(09)
[11]尤肖虎,潘志文,高西奇,曹淑敏,邬贺铨. 5G移动通信发展趋势与若干关键
技术[J]. 中国科学:信息科学,2014（05）