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摘 要：信息时代下的通信技术飞速发展，尤其是近几年来，通信技术不断普及和创新，人们对于更快、更有效的网络信息的需求日益增长。从技术方面讲，尽管4G条件下单用户的容量已经接近香农限，但在多用户条件下无线系统容量还有提升的空间。学术界提出过小波多址等新的多址方式，但是产业界对采用完全革新性的技术还持保留态度。本文从通信技术的发展阶段出发，对每个阶段的技术简要分析，最后对5G通信系统展望。
关键词：第四代移动通信系统；第五代移动通信系统；WLAN
移动通信技术已经实现了四个发展阶段，每个发展阶段都代表着科技和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术。第二代（俗称2G通信）起源于90年代初，主要采用时多分址（TDMA）和码多分址（CDMA）技术。第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带，不仅能传输话音，还能传输高速数据，从而提供更方便的快捷无线应用。然而，第三代移动通信系统仍旧基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的需求。因此，第四代移动通讯系统（4G）应运而生。
1 4G通信技术的概念
到底什么是4G技术呢？目前，普遍描述是：4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mb/s的速率下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mb/s，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G覆盖面更广，很明显，4G有着不可比拟的优越性。
4G与3G之间的主要区别在于终端设备的类型、网络的拓扑结构以及构成网络的技术类型。终端设备除了手机之外还应当包括头戴式话机、PDA终端、膝上机、手表话机、电视机、游戏机、DVD、零售机、甚至宠物机等等。凡是人所能构想的和能够识别IP地址的无线电收发信机。另外，4G是由多种技术组成的，包括彼此似乎不相干的技术，如Wi-Fi、超快带无线电、便携式电脑、软件无线电等技术构成的高速全球通网络。与3G手机相比，4G手机的功能更强大，应用更广泛。4G手机智能化程度更高，通话只是最基本的功能之一，更多的功能体现在多媒体应用方面。
2 4G通信的关键技术
2.1 正交频分复用（OFDM）
OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷，这样可优化总的传输速率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中由于各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
2.2 智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以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。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相关无线收发信机来实现射频信号的接收和发射。同时通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。目前智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于多波束的波束切换方式。
多入多出天线MIMO（Multiple-Input Multiple-output）系統，该技术最早由马可尼于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端无线数量，相对于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-Input Multiple-output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。
2.3 软件无线电技术
软件无线电技术是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。在4G移动通信系统中，软件将会变得非常繁杂。应用软件无线电技术，一个移动终端就可以实现其在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。
3 4G通信技术面临的挑战
4G网络几乎是个全IP的核心网络，这个网络能够接入卫星通讯系统、蓝牙技术系统、2G和3G通信系统、数字音频视频系统、无线WALN系统等。可见4G通信系统比3G更加复杂，功能也更加齐全，与此同时对于高新科技水平的要求也更高。虽然，4G通信系统具有很多的优势，但也面临着挑战：标准难以统一、技术难以实现、容量受到限制、市场难以消化和设施难以更新。因此，5G通信系统因运而生。
4 第五代移动通信系统（5G）
第五代移动通信将提供更高素的接入速率、更宽的带宽、更灵活的配置及组网方式。5G可能需要从2GHz～6GHz的频段中选取2000MHz的频谱资源。从技术方面讲，在5G中，会支持多种无线技术，芯片需要支持可配置的多模方式。采用软件无线电需支持智能无线识别配置，节约电能。天线技术上，5G将采用更多空间分集方式，天线根数和种类也更多。不同应用的天线类型不同，例如室内采用微带天线、车联网上可以采用阵列天线等形式，接收机需能自动识别天线类型和频段。无线通信的增益是通过分集和复用达到的，但两者是负相关的，即提升分集增益会降低复用增益。分集技术有多载波、多天线、协同通信，增加分集的数目可以提升分集增益。例如，增加载波的密度；增加天线数，引入极化天线；采用中继、或终端协同收发的情况。
从组网方面讲，5G的核心网将会延续扁平化的趋势。另外，随着云计算技术的发展，核心网与运营商的云计算中心相连，核心网设备将计算分发给分布式的云计算网络，合并计算结果。即核心网设备具有云计算的MapReduce功能，此外，核心网还有虚拟化功能，无线接入网提交逻辑需求，核心网将逻辑需求转换成物理单元执行。考虑到5G时代，承载语音的GSM，承载数据的CDMA，承载多媒体的OFDM技术仍然运行，这些技术还继续占有一定频段；新的技术例如物联网、远程控制、远程识别、人机交互等，可以说，5G接入网会成为一个具有层次结构的异构网。
从应用方面讲，5G是个异构的、自组织、自适应、自配置的智能化网络，可以承载多种不同的应用。5G的终端也是多种多样，有嵌入在机器中的，有人随身携带的，也有放置于室内或车内，有室内小基站作为中继再接入5G网络中。
随着技术的发展，5G将有更广阔的应用场景，也将为我国移动产业的发展和升级提供新的机遇。
参考文献
[1]张云龙.3G和4G的网络对比[J].电子测试，2013.5.
[2]邓永红.4G通信技术综述[J].数字通信世界，2005.2.
[3]沈洁.第五代移动通信系统展望.中国通信学会信息通信网络技术委员会2013年年会论文集，2013.
关键词：第四代移动通信系统；第五代移动通信系统；WLAN
移动通信技术已经实现了四个发展阶段，每个发展阶段都代表着科技和观念的创新。第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术。第二代（俗称2G通信）起源于90年代初，主要采用时多分址（TDMA）和码多分址（CDMA）技术。第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带，不仅能传输话音，还能传输高速数据，从而提供更方便的快捷无线应用。然而，第三代移动通信系统仍旧基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2Mb/s，但仍无法满足多媒体通信的需求。因此，第四代移动通讯系统（4G）应运而生。
1 4G通信技术的概念
到底什么是4G技术呢？目前，普遍描述是：4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mb/s的速率下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mb/s，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G覆盖面更广，很明显，4G有着不可比拟的优越性。
4G与3G之间的主要区别在于终端设备的类型、网络的拓扑结构以及构成网络的技术类型。终端设备除了手机之外还应当包括头戴式话机、PDA终端、膝上机、手表话机、电视机、游戏机、DVD、零售机、甚至宠物机等等。凡是人所能构想的和能够识别IP地址的无线电收发信机。另外，4G是由多种技术组成的，包括彼此似乎不相干的技术，如Wi-Fi、超快带无线电、便携式电脑、软件无线电等技术构成的高速全球通网络。与3G手机相比，4G手机的功能更强大，应用更广泛。4G手机智能化程度更高，通话只是最基本的功能之一，更多的功能体现在多媒体应用方面。
2 4G通信的关键技术
2.1 正交频分复用（OFDM）
OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。因此可以大大消除信号波形间的干扰。OFDM还可以在不同的子信道上自适应地分配传输负荷，这样可优化总的传输速率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在OFDM系统中由于各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。
2.2 智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以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。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量，其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相关无线收发信机来实现射频信号的接收和发射。同时通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。目前智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于多波束的波束切换方式。
多入多出天线MIMO（Multiple-Input Multiple-output）系統，该技术最早由马可尼于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端无线数量，相对于普通的SISO（Single-Input Single-Output）系统，MIMO还可以包括SIMO（Single-Input Multiple-output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统。
2.3 软件无线电技术
软件无线电技术是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。在4G移动通信系统中，软件将会变得非常繁杂。应用软件无线电技术，一个移动终端就可以实现其在不同系统和平台之间畅通无阻的使用。
3 4G通信技术面临的挑战
4G网络几乎是个全IP的核心网络，这个网络能够接入卫星通讯系统、蓝牙技术系统、2G和3G通信系统、数字音频视频系统、无线WALN系统等。可见4G通信系统比3G更加复杂，功能也更加齐全，与此同时对于高新科技水平的要求也更高。虽然，4G通信系统具有很多的优势，但也面临着挑战：标准难以统一、技术难以实现、容量受到限制、市场难以消化和设施难以更新。因此，5G通信系统因运而生。
4 第五代移动通信系统（5G）
第五代移动通信将提供更高素的接入速率、更宽的带宽、更灵活的配置及组网方式。5G可能需要从2GHz～6GHz的频段中选取2000MHz的频谱资源。从技术方面讲，在5G中，会支持多种无线技术，芯片需要支持可配置的多模方式。采用软件无线电需支持智能无线识别配置，节约电能。天线技术上，5G将采用更多空间分集方式，天线根数和种类也更多。不同应用的天线类型不同，例如室内采用微带天线、车联网上可以采用阵列天线等形式，接收机需能自动识别天线类型和频段。无线通信的增益是通过分集和复用达到的，但两者是负相关的，即提升分集增益会降低复用增益。分集技术有多载波、多天线、协同通信，增加分集的数目可以提升分集增益。例如，增加载波的密度；增加天线数，引入极化天线；采用中继、或终端协同收发的情况。
从组网方面讲，5G的核心网将会延续扁平化的趋势。另外，随着云计算技术的发展，核心网与运营商的云计算中心相连，核心网设备将计算分发给分布式的云计算网络，合并计算结果。即核心网设备具有云计算的MapReduce功能，此外，核心网还有虚拟化功能，无线接入网提交逻辑需求，核心网将逻辑需求转换成物理单元执行。考虑到5G时代，承载语音的GSM，承载数据的CDMA，承载多媒体的OFDM技术仍然运行，这些技术还继续占有一定频段；新的技术例如物联网、远程控制、远程识别、人机交互等，可以说，5G接入网会成为一个具有层次结构的异构网。
从应用方面讲，5G是个异构的、自组织、自适应、自配置的智能化网络，可以承载多种不同的应用。5G的终端也是多种多样，有嵌入在机器中的，有人随身携带的，也有放置于室内或车内，有室内小基站作为中继再接入5G网络中。
随着技术的发展，5G将有更广阔的应用场景，也将为我国移动产业的发展和升级提供新的机遇。
参考文献
[1]张云龙.3G和4G的网络对比[J].电子测试，2013.5.
[2]邓永红.4G通信技术综述[J].数字通信世界，2005.2.
[3]沈洁.第五代移动通信系统展望.中国通信学会信息通信网络技术委员会2013年年会论文集，2013.