[科普中国]-4G技术

4G技术，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且图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。4G移动通信技术的根本目的主要是能够在各终端产品间发送、接收来自另一端的信号，并在多个不同的网路系统、平台与无线通信介面之间找到最快速与最有效率的通信路径，以进行最即时的传输、接收与定位等动作1。

发展现状4G通信技术也被称为第四代移动通信技术，第四代通信技术集3G与WLAN为一体，可以在一定程度上实现数据、音频、视频的快速传输,比以往我国家用的ADSL家用宽带快25倍，第四代通信技术是在数据通讯、多媒体业务的背景下产生的，我国是在2001年开始研发4G技术，在2011年正式的投入使用，截止到2015年底,我国4G用户总数达到3.8亿，发展到现在第四代通信技术中包括正交频分复用、调制与编码技术、智能天线技术、MIMO技术、软件无线电技术、多用户检测技术等核心的技术。

4G移动通信技术具有的优势有很多，主要体现在以下几方面，首先4G移动通信技术的数据传输速率较快，可以达到100Mbit/s，与3G通信技术相比，是其20倍。其次，4G通信技术具有较强的抗干扰能力，可以利用正交分频多任务技术，进行多种增值服务，防止信号对其造成的干扰。最后，4G通信技术的覆盖能力较强,在传输的过程中智能性极强。但是在4G技术发展的进程中，也存在许多亟待解决的问题,首先就是第四代通信技术的容量有限，虽然4G技术的信息传输速率较快,但是系统容量受到限制,随着手机等智能化设备的广泛普及,4G手机的运行速度将会越来越慢,这就成为5G技术发展的主要推动力。其次，4G通信技术设备更新速度较慢，这就在一定程度上阻碍了4G移动通信技术占领市场的速度，这时一旦5G技术兴起就会对其进行取代。2

特点优势4G技术全方位优于上一代技术，具体来讲它的优势特征就体现在以下4个方面。

1.极强的信号传播能力

近年来，3G技术在我国通信市场中已经成熟，但其所能覆盖的面积有限，基本上无法实现全方位信号接收，很多情况下容易出现通信质量低下的现实问题。而4G技术则完美地解决了这一问题。它拥有极强的信号传播能力，在满足常规通信功能要求的同时，也能满足某些高图画质量要求的电视业务及视频会议功能要求。目前，国内的移动通信运营商所采用的是3G与4G混合服务的通信模式，在满足基本通信功能的基础上也为用户提供高质量数据信息交换服务，实现多媒体通信。

2.极快的传输速度

4G技术拥有较快的通信传输速度，这是因为它的网络频宽在2～8 GHz。这一数据相当于3G网络通信通用频宽的20倍左右。在上行速度方面，4G也能达到3G的20倍以上（20 MB/s）。从整体表现来看，4G技术的接入能力更强，这保证了它始终拥有较快的传输速度，规避了传统通信技术存在的速率缺陷劣势，如此速度环境下的4G通信也更流畅。

3.极高的智能化水平

4G技术是典型的高智能水平技术。它的高智能化主要体现在它的应用功能方面，比如它拥有自主选择和处理能力。举个例子，4G手机可时刻根据用户需求提供个性化定制服务，比如人们比较常用的地理位置定位。虽然该技术在3G网络上就已经有所体现，但4G技术支持下的地理位置定位则更精确、更快速，可为用户提供导航设备一般的定位系统服务，非常便利。

4.极灵活的通信方式

4G移动通信技术背景下的各种通信工具显然更灵活，通信方式种类更多，比如它就已经不再局限于传统语音通信模式，而是拥有全新的视频通信模式。这是对通信网络终端服务的完善过程。为了体现通信方式的灵活性，这种高智能化的通信模式随时随地都可以展开，不受时间、空间等环境的限制。基于这一功能，4G通信技术也将手机与多媒体平台及计算机电脑上的所有功能都串联起来，让手机用户仅仅依靠一只手机就能实现更多种类的通信方式应用，使得人们的社交活动变得更加高效率，社交内容也越来越丰富精彩。3

关键技术为了适应移动通信用户日益增长的高速多媒体数据业务需求，具体实现4G系统较3G的优越之处，4G移动通信系统将主要采用以下关键技术。

1.接入方式和多址方案

OFDM（正交频分复用）是一种无线环境下的高速传输技术，其主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM的主要缺点是功率效率不高。

2.调制与编码技术

4G移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案（如Turbo码、级连码和LDPC等）、自动重发请求（ARQ）技术和分集接收技术等，从而在低Eb/NO条件下保证系统足够的性能。

3.高性能的接收机

4G移动通信系统对接收机提出了很高的要求。Shannon定理给出了在带宽为BW的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以计算出，对于3G系统如果信道带宽为5MHz，数据速率为2Mb/s，所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统，由于速率很高，对接收机的性能要求也要高得多。

4.智能天线技术

智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷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。

5.MIMO技术

MIMO（多输入多输出）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成为许多并行的子信道，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，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20dB时，链路容量可以高达42bps/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。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，也会在4G移动通信系统中继续应用。

6.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变换器，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。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口。软件无线电技术能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。

7.基于IP的核心网

4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络，同已有的移动网络相比具有根本性的优点，即可以实现不同网络间的无缝互联。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，能同已有的核心网和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。

8.多用户检测技术

多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个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，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；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，从而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，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种高性能又不是特别复杂的多用户检测器算法不断提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。4

技术指标4G技术的主要技术指标如下：

1.数据速率从3G的2Mb/s提高到100Mb/s，移动速率从步行到车速，甚至更快。

2.在覆盖范围、通信质量、系统造价上满足3G所不能达到的支持高速率数据和高分辨率多媒体的服务的需要。广带局域网应能与宽带综合业务数据（B-ISDN）和异步传输模式（ATM）兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网。

3.对全速移动用户能够提供150Mb/s的高质量的影像多媒体业务。5

应用领域4G技术在通信领域得到了很广泛的应用，缩短了人与人之间的距离，同时在电视直播或者智能手机中的应用也非常广。

1.4G技术被应用到电视直播中

利用4G网络进行电视信号的传输，一方面可以降低传输的成本，另一方面提高电视信号的质量和速度，甚至实现超长距离的传输。由于运营商架设了许多信号传输的中转站，同时传输的设备价格适中，所以运营商有能力在大中城市、城镇和农村进行用地规划并放置设备，这样一来，电视信号的传播基本没有盲区，能够达到家家户户都能看电视的目的。4G通信技术能够突破山区复杂地形的制约，同时受自然灾害的影响比较小，所以在地形情况比较复杂、气候条件比较差的地区进行直播时，4G通信技术是个很好的选择。

2.4G技术在移动医护中的应用

在大中型医院中，医院为了为医护人员与病人之间建立比较完善的沟通系统，所以在医院内部设置了依靠移动医疗服务的综合信息化解决系统，也就是移动医护。利用移动医护系统，医护人员可以借助手持的智能终端设备更加准确并有效的开展对病人的诊疗工作，如果病人有需求或者有突发状况，可以直接通过手持设备对医生进行呼叫，这一切都是基于医院内部设立的无线通讯信号和专门的信息传输线路来实现的。通过4G技术，医护人员和病人之间的沟通更加方便，一方面可以提高医护人员的工作效率和质量，另一方面可以避免延误病情，从根本上减少医院发生医患纠纷的现象，推动医院真正成为救死扶伤的机构，不会因为救治不及时而导致病人出现意外。

3.4G通信技术在智能手机中的应用

随着经济的不断发展，科技也日新月异。在中国，智能手机基本已经普及到大中小城市人民的手中。通过使用智能手机，人们可以了解到外部世界，同时可以认识到自己生活的环境和外界环境的差异。智能手机中大多采用了4G通信技术，通过使用该技术，手机的通话质量能够得到很好的提升。除了在通话方面有了很大的进步之外，其它数据的传输质量和速度也有了很大的提高。比如，4G智能手机可以进行互联网购票，同时智能地根据用户的出行信息为用户安排更加合理的出行路线，还会提醒用户所到目的地的天气状况等等。通过4G智能手机，使用者可以通过互联网进行查阅对自己有用的信息和资料，同时将这些资料下载到自己的手机上，能够随时随地阅读学习。

综上所述，在智能设备日益普及和互联网技术不断进步的情况之下，信息技术也迎来了一个很重要的发展机会。通过使用4G通信技术，人们的生活水平能够提升到一个新的层次，随着新技术的不断开发和运用，人们也会享受到更加优质的服务。6

本词条内容贡献者为:

孙锐 - 教授 - 合肥工业大学