4G通信技術(shù)的研究

武文學(xué) 王文成 馮雷

【摘要】? ? 在3G移動通信技術(shù)之后，通信行業(yè)迅速提出4G技術(shù)，并積極建設(shè)4G技術(shù)，促使4G技術(shù)占據(jù)移動通信的行業(yè)領(lǐng)域。4G技術(shù)具備諸多優(yōu)勢，傳輸速率快、安全性能高，體現(xiàn)移動通信的價值。4G通信技術(shù)的發(fā)展，并不是處于完善狀態(tài)，因此，木文通過對4G的LTE技術(shù)進(jìn)行研究，分析4G技術(shù)的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】? ? 4G? ? LTE? ? 通信

一、4G技術(shù)的相關(guān)介紹

1.1 4G技術(shù)的概念

4G是移動通信技術(shù)發(fā)展過程中的第四代移動通信網(wǎng)絡(luò)。相比3G網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在速率和性能上具有較高的用戶感知，是我國出現(xiàn)移動通訊系統(tǒng)的新變革和，它是在3G的基礎(chǔ)上的一個提升，并且依靠無線網(wǎng)技術(shù)的支撐出現(xiàn)的新系統(tǒng)。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高兼容性特點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，能適用于不同業(yè)務(wù)需求，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)上大大提升了用戶感知效率。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上也大大提高了用戶的使用效果，特別是在不同業(yè)務(wù)速率上給用戶帶來滿意的感知，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上，國際電信聯(lián)盟規(guī)定同小區(qū)下4G無線網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)傳輸速率為1Gbit/s，多小區(qū)切換環(huán)境傳輸速率下要求達(dá)到100Mbit/s，所以，在高效的技術(shù)規(guī)范要求下，4G無線網(wǎng)絡(luò)給人民帶來了質(zhì)的變化。

在智能設(shè)備發(fā)展的推動下，無線通信網(wǎng)絡(luò)也隨之發(fā)展變化，由模擬信號到數(shù)字信號，再從3G技術(shù)發(fā)展為現(xiàn)在的高速率、高兼容性、數(shù)字IP技術(shù)的4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也走進(jìn)了人們的生活。4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在無線傳輸方面，特別是在高清視頻播放下載、大文件下載傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)上體現(xiàn)的特別明顯。4G無線網(wǎng)絡(luò)的另一個技術(shù)特點(diǎn)就是具有較高的容量承載，并以全數(shù)字IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，建設(shè)成本及維護(hù)成本較低、網(wǎng)絡(luò)兼容性強(qiáng)、業(yè)務(wù)廣泛等特點(diǎn)。

1.2 4G無線網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、 OFDM技術(shù)特點(diǎn)。OFDM技術(shù)在4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中起到了關(guān)鍵性作用，將定信道分解成眾多的窄正交子信道，通過子載波對每一個子信道來實現(xiàn)調(diào)制，并行傳輸子載波間，讓信號波能夠很協(xié)調(diào)的存在于一個空間，不受到各自的干擾。OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)主要解決了高傳輸速率下，無線信號波形失真、傳輸效率差等問題。OFDM這一關(guān)鍵性技術(shù)主要解決了4G網(wǎng)絡(luò)高速率網(wǎng)絡(luò)傳輸所遇見的問題，所以，OFDM技術(shù)已成為4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中相關(guān)技術(shù)的核心。

2、MIMO技術(shù)特點(diǎn)。MIMO技術(shù)是解決4G無線網(wǎng)絡(luò)高容量問題的主要技術(shù)手段，它是采用多輸入多輸出的方式實現(xiàn)的，MIMO的技術(shù)核心就在信號的無線側(cè)增加多路的收發(fā)天線來實現(xiàn)多通道傳輸?shù)男Ч垢吒呷萘坑脩粼诓煌ǖ纼?nèi)傳輸，互不干擾對方，從而達(dá)到高速率傳輸效果。通過MIMO技術(shù)在空間上把不同的信息通過不同的管道進(jìn)行傳輸，不僅大大改善了高容量、高速率下的用戶效果，而且也解決了在有限的傳輸資源的情況下尋求高容量、高速率傳輸?shù)拿軉栴}，這樣也大大提高了頻帶資源的利益效率，從而也提高了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域及覆蓋效果。

3、軟件無線電技術(shù)特點(diǎn)。軟件定義無線電對我國的通信系統(tǒng)有著重大的作用，是唯一能夠結(jié)合不同的通信技術(shù)成功實現(xiàn)連接的技術(shù)。在4G環(huán)境下，通訊系統(tǒng)的發(fā)展更加先進(jìn)完善，軟件也在以往的基礎(chǔ)上進(jìn)入到一個新的發(fā)展階段。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，為了提高無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及效率，軟件定義無線電技術(shù)從而迎刃而出。軟件定義無線電技術(shù)的主要優(yōu)勢在于它能同時運(yùn)行多個軟件系統(tǒng)，從而形成了不同形式、不同層次的通信模式，基于此，移動終端能無障礙進(jìn)入各個不同的系統(tǒng)。

1.3 4G的主要技術(shù)特點(diǎn)

4G的主要技術(shù)特點(diǎn)主要包含以下五個方面：第一、高容量、傳輸速率達(dá)到100Mbit/s，傳輸快的特點(diǎn)。第二、兼容性強(qiáng)。4G技術(shù)的接口比較開放，可以跟各種網(wǎng)絡(luò)連接起來，就算在異構(gòu)系統(tǒng)也沒有問題。第三、無縫覆蓋。4G技術(shù)比較規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)很明確，適用性比較強(qiáng)，能夠匹配各種載體的連接。第四、4G網(wǎng)絡(luò)的智能化系統(tǒng)，4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以智能化根據(jù)用戶需求自動匹配無線網(wǎng)絡(luò)。第五、4G網(wǎng)絡(luò)的個性化服務(wù)系統(tǒng)，在社會發(fā)展及通信技術(shù)更新的基礎(chǔ)上，4G無線網(wǎng)絡(luò)為人們的個性化服務(wù)提供了基礎(chǔ)保障?？傊?，4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是社會發(fā)展及智能設(shè)備出現(xiàn)所推動的產(chǎn)物，它不僅大大提高無線網(wǎng)絡(luò)性能也滿足了人們?nèi)找嬖鲩L的網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的需求。

二、LTE 技術(shù)原理與對比分析

LTE可以有效的升級原有的3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要運(yùn)行的是扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這根以往的3G技術(shù)是完全不一樣的，接入口也有相關(guān)的限制，只能介入Node B，在4G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，取消了以往3G的RNC無線網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)。LTE無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括無線核心網(wǎng)層、基站層和用戶設(shè)備層這三方面節(jié)點(diǎn)。其中，4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心是EPC，MME實現(xiàn)EPC信令處理功能; eNodeB主要實現(xiàn)接入網(wǎng)的連接，而E-UTRAN;UE就是我們通常所說的用戶終端設(shè)備。

2.1 4G無線網(wǎng)的基本傳輸方式

4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式相比3G時代已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，4G無線網(wǎng)絡(luò)空口傳輸技術(shù)采用的是OFDM技術(shù)。TD LTE和LTE FDD都采用O FDM A來達(dá)到正交頻分的多址來對其上下行實現(xiàn)多址運(yùn)行。

2.2 4G無線網(wǎng)的雙工方式

4G網(wǎng)絡(luò)具有兩種雙工方式，即TDD和FDD方式，其中，F(xiàn)DD采用的是在相同的時間內(nèi)通過上下行不同頻帶上傳輸信號。整體來說有下面幾個明顯的特征：有更大的空間在頻譜的配置上，能夠發(fā)揮出高效的作用;在上下行資源的比例上可以靈活設(shè)置，對非對稱的護(hù)分組業(yè)務(wù)能夠起到更大的幫助;基于行到對稱這一點(diǎn)，讓系統(tǒng)得到進(jìn)一步的完善;TDD雙工方式對網(wǎng)絡(luò)有全網(wǎng)同步的要求，所以對于協(xié)調(diào)小區(qū)間的干擾上北京場運(yùn)用。但是TDD在運(yùn)行的雙工方式目前主要有以下的阻礙。1、TDD跟FDD相比，復(fù)雜程度更高。不但要匹配FDD系統(tǒng)上下行的干擾，達(dá)到上行干擾上行，下行干擾下行的效果，而且因為各小區(qū)在上下行的時隙配置也不一樣，也會出現(xiàn)上行干擾下行，下行干擾上行的這種情況。2、TDD雙工系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是對系統(tǒng)在時間同步上要求較高。3、 TDD雙工方式主要是采用時間隔離上下行信號的，在傳送上會有一定延遲。

2.3幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)是指無線幀的結(jié)構(gòu)，通過幀結(jié)構(gòu)，讓數(shù)據(jù)的發(fā)送時間有嚴(yán)格的規(guī)定能做到更準(zhǔn)確的收發(fā)。LTE FDD采用的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示，通過圖中可以看出LTE FDD的幀結(jié)構(gòu)為一個無線幀長度為l0ms，一個無線幀包含10個子幀，其中，每個子幀是由長度為0.5 ms兩個時隙組成。

TD-LTE的幀結(jié)構(gòu)如下圖所示，通過圖可以看出，它的幀結(jié)構(gòu)與3G網(wǎng)絡(luò)TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)相同，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

通過上圖可以看出，TD LTE的幀結(jié)構(gòu)是由長度為5ms兩個半幀組成。每一個半幀是由8個常規(guī)時隙和DwPTS，GP和UpPTS三個特殊時隙組成。為了用戶需求及高的傳輸性能，根據(jù)實際需求可以靈活配置特殊時隙。

TDD系統(tǒng)與 FDD系統(tǒng)相比，能夠?qū)ι舷滦械馁Y源根據(jù)實際需要靈活的配置，去最大化實現(xiàn)資源的有效利用，發(fā)揮出更大的運(yùn)用效果在不同的業(yè)務(wù)類型上。TDD系統(tǒng)可以通過設(shè)置下行子幀多于上行子幀的比例來打造出某些特定的業(yè)務(wù)場景，讓資源得到最大化的利用。但是這其中也有一些問題，主要是系統(tǒng)的不夠完善，所以在同步時會造成系統(tǒng)間上下行彼此的干擾，對TD-LTE的功能發(fā)揮造成發(fā)揮的阻礙。

2.4多天線技術(shù)

多天線技術(shù)常被運(yùn)用于在LTE系統(tǒng)。

MIMO技術(shù)的運(yùn)行原理是通過分解用戶的數(shù)據(jù)帶來多項數(shù)據(jù)流的并行，能在特定的帶寬內(nèi)完成多個天線的發(fā)射在同一時刻，通過無線信道，被不同的天線接收。同時通過分析研究并行數(shù)據(jù)流的特征，來進(jìn)行技術(shù)的解調(diào)，讓數(shù)據(jù)能夠還原到最初的數(shù)據(jù)狀態(tài)。3G PP定義了LTE的九種傳輸模式（表1）。

4G無線網(wǎng)絡(luò)為了無線信號在傳輸過程中，檢測信道質(zhì)量及效果，采用專用的導(dǎo)頻的波束賦形技術(shù)，所以，在TDD-LTE系統(tǒng)中R8定義了傳輸模式7。在4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中，為了滿足高容量及高業(yè)務(wù)需求，R9定義了TD –LTE雙流傳輸系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了波束賦形與空間復(fù)用技術(shù)的相結(jié)合。傳輸模式8可以采用非預(yù)編碼矩陣指示（PMI）或PMI兩種反饋方式。

三、4G通訊技術(shù)發(fā)展存在的安全問題

4G通訊技術(shù)被推出后，獲得了廣泛的運(yùn)用，移動通訊網(wǎng)速也到了很大的提升，網(wǎng)絡(luò)信號也有進(jìn)一步加強(qiáng)。雖然獲得了很好的推廣和發(fā)展，但是在發(fā)展過程中也有各種問題，最主要的問題就是安全性，這里所說的安全性并不是指某一方面，而是涉及到各個方面。安全隱患問題是4G通訊技術(shù)需要加強(qiáng)完善的重點(diǎn)。通過相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，其安全性主要來自以下幾個方面：首先是人為因素導(dǎo)致。從我國打開國門進(jìn)行經(jīng)濟(jì)發(fā)展改革開放以來到如今已有四十年的時間，我國在經(jīng)濟(jì)改革開放后，走向新的時代發(fā)展道路，打開國門走向國際，獲得了更多的資源和市場，引入國外先進(jìn)的技術(shù)以及先進(jìn)的管理經(jīng)驗不斷完善我國市場經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，經(jīng)濟(jì)跟以前相比有重大的提升，不論是經(jīng)濟(jì)還是社會文化都呈現(xiàn)出一篇繁榮的狀態(tài)，人們的生活水平也得到了很大的改善，從以往的溫飽都困難走向了小康水平。在此發(fā)展背景下人們對4G有了更多的需求，4G對人們的生活影響很大，有很多的用途，從目前我國的4G通訊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，技術(shù)還有很大的上升空間，特別是安全性還得不到保障，有很大的安全隱患。黑客可以針對系統(tǒng)的漏洞進(jìn)行攻擊，來獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，讓人們的安全隱私遭受到破壞，損害了他們的權(quán)益。除了這些黑客甚至制造一些病毒來入侵到計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如果沒有進(jìn)行有效及時的檢測，會讓計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰，無法正常運(yùn)行使用。系統(tǒng)如果沒有得到有效的防護(hù)會嚴(yán)重?fù)p害到用戶的信息，對客戶的傷害是無法預(yù)估的。其次網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)系統(tǒng)并不完善穩(wěn)固。4G通訊技術(shù)從被開發(fā)出來到投入使用并沒有很長的時間，在這么短的時間內(nèi)根本就無法去實現(xiàn)科學(xué)的技術(shù)發(fā)展制度，在各方面都存在不足之處，還有很大的提升完善空間。特別是在安全防護(hù)上沒有做到位，讓4G的進(jìn)一步發(fā)展運(yùn)用受到了很大的影響。安全防護(hù)問題成了目前4G通訊技術(shù)亟待解決的問題。還有就是沒有標(biāo)準(zhǔn)的安全配置來有效防控安全。4G通訊技術(shù)需要各類網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和編程來實現(xiàn)，在這個過程中如果不加強(qiáng)安全管理和防控，會4G通訊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行相對緩慢。最后是病毒的入侵。跟我們常見到的木馬病毒一樣，4G通訊網(wǎng)絡(luò)的病毒的入侵也是這個入侵原理，有一些違法份子用自己專業(yè)的計算機(jī)理論知識和時間操作能力來進(jìn)行違法入侵，通過病毒的植入來破壞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達(dá)到違法獲取用戶隱私數(shù)據(jù)的結(jié)果。

作者簡介：

武文學(xué)，男，生于1986年12月，在2010年7月從沈陽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，獲得學(xué)士學(xué)位，所學(xué)專業(yè)是電子信息工程，目前在遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司任職，職位是網(wǎng)絡(luò)工程師，主要工作內(nèi)容是LTE/5G移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化及工程咨詢設(shè)計工作，通信地址：遼寧省沈陽市東陵區(qū)（渾南新區(qū)）金科街7號，郵編：110179;

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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