4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用研究

1、4G通信技術(shù)并沒(méi)有脫離以前的通信技術(shù)，而是以傳統(tǒng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)，并利用了一些新的通信技術(shù)，來(lái)不斷提高無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)效率和功能的。如果說(shuō)3G能為人們提供一個(gè)高速傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)通信環(huán)境的話(huà)，那么4G通信會(huì)是一種超高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，一種不需要電纜的信息超級(jí)高速公路，這種新網(wǎng)絡(luò)可使電話(huà)用戶(hù)以無(wú)線(xiàn)及三維空間虛擬實(shí)境連線(xiàn)。與傳統(tǒng)的通信技術(shù)相比，4G通信技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)在于通話(huà)質(zhì)量及數(shù)據(jù)通信速度。然而，在通話(huà)品質(zhì)方面，移動(dòng)電話(huà)消費(fèi)者還是能接受的。隨著技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，現(xiàn)有移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)中手機(jī)的通話(huà)質(zhì)量還在進(jìn)一步提高。數(shù)據(jù)通信速度的高速化的確是一個(gè)很大優(yōu)點(diǎn)，它的最大數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到100Mbit/s，簡(jiǎn)直是不可思議的事情

2、。另外由于技術(shù)的先進(jìn)性確保了成本投資的大大減少，未來(lái)的4G通信費(fèi)用也要比2009年通信費(fèi)用低。4G通信技術(shù)是繼第三代以后的又一次無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)演進(jìn)，其開(kāi)發(fā)更加具有明確的目標(biāo)性：提高移動(dòng)裝置無(wú)線(xiàn)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的速度-據(jù)3G市場(chǎng)分三個(gè)階段走的的發(fā)展計(jì)劃，3G的多媒體服務(wù)在10年后進(jìn)入第三個(gè)發(fā)展階段，此時(shí)覆蓋全球的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本建成，全球25%以上人口使用第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，3G服務(wù)的普及率更超過(guò)60%，那么這時(shí)就需要有更新一代的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)一步提升服務(wù)質(zhì)量。為了充分利用4G通信給人們帶來(lái)的先進(jìn)服務(wù)，人們還必須借助各種各樣的4G終端才能實(shí)現(xiàn)，而不少通信營(yíng)運(yùn)商正是看到了未來(lái)通信的巨大市場(chǎng)潛力，他們

3、已經(jīng)開(kāi)始把眼光瞄準(zhǔn)到生產(chǎn)4G通信終端產(chǎn)品上，例如生產(chǎn)具有高速分組通信功能的小型終端、生產(chǎn)對(duì)應(yīng)配備攝像機(jī)的可視電話(huà)以及電影電視的影像發(fā)送服務(wù)的終端，或者是生產(chǎn)與計(jì)算機(jī)相匹配的卡式數(shù)據(jù)通信專(zhuān)用終端。有了這些通信終端后，人們手機(jī)用戶(hù)就可以隨心所欲的漫游了，隨時(shí)隨地的享受高質(zhì)量的通信了。4G系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)4G移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為三層：物理網(wǎng)絡(luò)層、中間環(huán)境層、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)層。物理網(wǎng)絡(luò)層提供接入和路由選擇功能，它們由無(wú)線(xiàn)和核心網(wǎng)的結(jié)合格式完成。中間環(huán)境層的功能有QoS映射、地址變換和完全性管理等。物理網(wǎng)絡(luò)層與中間環(huán)境層及其應(yīng)用環(huán)境之間的接口是開(kāi)放的，它使發(fā)展和提供新的應(yīng)用及服務(wù)變得更為容易，提供無(wú)

4、縫高數(shù)據(jù)率的無(wú)線(xiàn)服務(wù)，并運(yùn)行于多個(gè)頻帶。這一服務(wù)能自適應(yīng)多個(gè)無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)及多模終端能力，跨越多個(gè)運(yùn)營(yíng)者和服務(wù)，提供大范圍服務(wù)。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括信道傳輸；抗干擾性強(qiáng)的高速接入技術(shù)、調(diào)制和信息傳輸技術(shù)；高性能、小型化和低成本的自適應(yīng)陣列智能天線(xiàn)；大容量、低成本的無(wú)線(xiàn)接口和光接口；系統(tǒng)管理資源；軟件無(wú)線(xiàn)電、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)協(xié)議等。第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)主要是以正交頻分復(fù)用（OFDM）為技術(shù)核心。OFDM技術(shù)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)高度可擴(kuò)展，具有良好的抗噪聲性能和抗多信道干擾能力，可以提供無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)技術(shù)質(zhì)量更高（速率高、時(shí)延小）的服務(wù)和更好的性能價(jià)格比，能為4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)提供更好的方案。例如無(wú)線(xiàn)區(qū)域環(huán)路（WLL）

5、、數(shù)字音訊廣播（DAB）等，預(yù)計(jì)都采用OFDM技術(shù)。4G移動(dòng)通信對(duì)加速增長(zhǎng)的廣帶無(wú)線(xiàn)連接的要求提供技術(shù)上的回應(yīng)，對(duì)跨越公眾的和專(zhuān)用的、室內(nèi)和室外的多種無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)保證提供無(wú)縫的服務(wù)。通過(guò)對(duì)最適合的可用網(wǎng)絡(luò)提供用戶(hù)所需求的最佳服務(wù)，能應(yīng)付基于因特網(wǎng)通信所期望的增長(zhǎng)，增添新的頻段，使頻譜資源大擴(kuò)展，提供不同類(lèi)型的通信接口，運(yùn)用路由技術(shù)為主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以傅利葉變換來(lái)發(fā)展硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)第四代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。移動(dòng)通信會(huì)向數(shù)據(jù)化，高速化、寬帶化、頻段更高化方向發(fā)展，移動(dòng)數(shù)據(jù)、移動(dòng)IP預(yù)計(jì)會(huì)成為未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)的主流業(yè)務(wù)。4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用：隨著廣電總局確定高清同播作為推進(jìn)高清技術(shù)發(fā)展的新舉措，各臺(tái)正大力構(gòu)建高清制播

6、系統(tǒng)。高清電視不僅會(huì)在畫(huà)幅、清晰度、碼率等方面帶來(lái)技術(shù)上的革新，而且會(huì)在節(jié)目制作工藝、配套標(biāo)準(zhǔn)、管理政策等方面帶來(lái)重大變革、隨著高清電視的推廣，新聞節(jié)目高清化也正成為趨勢(shì)。伴隨著設(shè)備和技術(shù)手段的不斷更新，新聞直播這一最能及時(shí)有效地展示新聞事件事態(tài)發(fā)展的報(bào)道形式，也越來(lái)越多地被廣泛運(yùn)用到常態(tài)化新聞報(bào)道播出中來(lái)。 常態(tài)化的直播需要有效的技術(shù)手段來(lái)保障，在推行新聞直播常態(tài)化的過(guò)程中，SNG、微波、光纖、海事衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò)等各種手段都被廣泛運(yùn)用到現(xiàn)代的電視直播中。同時(shí)，在4G網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展的時(shí)代，也在不斷探索將4G網(wǎng)絡(luò)引入到電視直播中來(lái)。4G網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及基本技術(shù)概要4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要采用了MIMO

7、天線(xiàn)，OFDM、LDPC等前言技術(shù)，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)主要有以下性能特點(diǎn)：1、 傳輸速率可以高達(dá)100Mbit/s,甚至更高；2、 容量達(dá)到3G系統(tǒng)的5到10倍，傳輸質(zhì)量?jī)?yōu)于3G系統(tǒng)；3、 小區(qū)覆蓋范圍大于3G系統(tǒng)；4、 在不同速率間能夠自動(dòng)切換，以保證通信質(zhì)量；由此可見(jiàn)，4G網(wǎng)絡(luò)的種種優(yōu)勢(shì)使得它非常適合高清新聞直播節(jié)目室外采集的視音頻流及其它數(shù)據(jù)流的傳輸，下面就對(duì)4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)做具體介紹。1、MIMO技術(shù)MIMO（Multiple Input Multiple Output）即多輸入多輸出。它利用多發(fā)射和多接收天線(xiàn)進(jìn)行空間分集的技術(shù)。各發(fā)送天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送的信號(hào)占用同一頻段，所以 在沒(méi)

8、有增加帶寬的情況下，成倍的提高了系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。而OFDM是將信道分成若干正交子信道、在每個(gè)信道上進(jìn)行窄帶調(diào)制和傳輸，這樣減少了子信道之間的相互干擾。MIMO系統(tǒng)，該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線(xiàn)數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(Single-InputSingle-Output)系統(tǒng)，MIMO還可以包括 SIMO(Single-InputMulti-ple-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)?？梢钥闯觯藭r(shí)的信道容量隨著天線(xiàn)數(shù)量的增大而線(xiàn)性增大。也就是說(shuō)可以利用MIMO信道

9、成倍地提高無(wú)線(xiàn)信道容量，在不增加帶寬和天線(xiàn)發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高。利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線(xiàn)通信不能滿(mǎn)足要求。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實(shí)際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個(gè)研究熱點(diǎn)就是

10、空時(shí)編碼。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)塊碼、空時(shí)格碼?？諘r(shí)碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。 OFDM 基本原理 OFDM 技術(shù)屬于多載波調(diào)制 (Multi-Carrier Modula-tion, MCM)， 是一種無(wú)線(xiàn)信道中的高速傳輸技術(shù).一個(gè) OFDM 信號(hào)由頻率間隔相同的若干個(gè)子載波構(gòu)成 ， 系統(tǒng)的總帶寬被分成若干個(gè)等距離的子信道 ， 所有子載波在一定間隔時(shí)間內(nèi)相互正交 。 若 系 統(tǒng) 帶 寬 被 分 成 N 個(gè) 窄 的子信道 ， 則整個(gè) OFDM 組的持續(xù)時(shí)間就是相同帶寬的單載波傳輸系統(tǒng)的 N 倍 ， 此外還要加上一定的保護(hù)間隔 ， 以 避

11、免 多 徑 信 道 上 產(chǎn) 生 的 符號(hào)間干擾 。 每個(gè)子載波由調(diào)制信號(hào)單獨(dú)調(diào)制 。 子載波頻譜交疊 ， 提高了頻譜利用率 ， 同時(shí)信號(hào)相互正交 ， 可以使用相關(guān)技術(shù)恢復(fù) 。 其實(shí),20世紀(jì)60年代一些文獻(xiàn)已經(jīng)提出OFDM的基本原理,但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有功能強(qiáng)大的半導(dǎo)體器件,無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)這些想法。傳統(tǒng)的FDM系統(tǒng)中，獨(dú)立產(chǎn)生各窄帶信號(hào)，把它們分配到不同的頻帶上傳輸，在接收端用帶通濾波器予以分離。為了降低干擾，中間加入保護(hù)頻帶。而OFDM系統(tǒng)比傳統(tǒng)的 FDM 系統(tǒng)要求的帶寬要少得多。由于使用無(wú)干擾正交載波技術(shù)，單個(gè)載波間無(wú)需保護(hù)頻帶，這樣使得可 用頻譜的使用效率更高。傳統(tǒng)OFDM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，限制

12、了其進(jìn)一步推廣。1971年，Weinstein及Ebert等將 DFT/IDFT( 離散傅里葉變換 / 離散傅里葉 逆 變換)應(yīng)用在多載波傳輸系統(tǒng)中，從而很方便地實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的復(fù)合和分解 。 實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且人們很快找到了 DFT/IDFT 的快速算法 FFT/IFFT（ 快速傅里葉變換 / 快速傅里葉逆變換 ）， 這些理論突破使得 OFDM 技術(shù)逐漸趨于實(shí)用。下面是基于 FFT/IFFT 快速算法的 OFDM 系統(tǒng)框圖 。同子載波上傳輸一對(duì)導(dǎo)頻符號(hào)用不同的偽隨機(jī)序列差分調(diào)制，由此采用相關(guān)技術(shù)可以獲得粗略的頻率同步。最后通過(guò)測(cè)量同一對(duì)導(dǎo)頻符號(hào)間的相位差進(jìn)一步提高同步精

13、度。 在OFDM系統(tǒng)中，信道編碼也是非常重要的問(wèn)題。如果沒(méi)有信道編碼，BER（誤比特率）一般為平衰落曲線(xiàn)。通過(guò)信道編碼可以獲得更大的SNR（平均信噪比）。 OFDM 采用的是利用卷積碼作為編碼方式，因?yàn)樗Ｓ玫木S特比算法可以很容易進(jìn)行軟判決譯碼。此外，還可以用刪余的方法靈活調(diào)整卷積碼的編碼率，并且級(jí)聯(lián)兩個(gè)或更多的碼以提高簡(jiǎn)單卷積碼的性能。 此外，OFDM中的關(guān)鍵技術(shù)原理還包括各子載波獨(dú)立的調(diào)制和解調(diào)方式，對(duì) OFDM信號(hào)幅度的限制，這是因?yàn)镺FDM信號(hào)的峰值功率與平均功率相比很大，在 發(fā)射端，發(fā)大器的最大輸出功率就限制了信號(hào)的峰值，這會(huì)在OFDM頻段內(nèi)和相 鄰頻段之間產(chǎn)生干擾。還有OFDM信號(hào)

14、的過(guò)濾、OFDM子載波上的平衰落問(wèn)題都是 OFDM技術(shù)的關(guān)鍵之處。OFDM在4G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 目前，隨著我國(guó)的3G（第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)）正處逐漸大規(guī)模推廣應(yīng)用階段 ， 其中，多媒體通信業(yè)務(wù)是3G的最大特點(diǎn)，下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)“Beyond 3G（后 3G）”或“4G（第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)）”的技術(shù)研究也早已展開(kāi) 。 目前3G的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2Mbps，下一代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率可達(dá)到100Mbps。除了傳輸速率的大幅提高，與3G相比，4G在性能和功能上還有這些要求：容量要達(dá)到3G的10-20倍，基站信號(hào)覆蓋范圍大于第三代系統(tǒng)，通信質(zhì)量進(jìn)一步提高，網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)營(yíng)成本要比第三代低，支持下

15、一代因特網(wǎng)和所有的信息設(shè)備，與固定通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接，支持多種多樣的IP業(yè)務(wù)，提供用戶(hù)定義的個(gè)性化服務(wù)等等。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從通信網(wǎng)絡(luò)的交換、傳輸、組網(wǎng)和接入等各個(gè)方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)性突破，尤其是在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境和有限頻譜資源的條件下，如何在保證一定通信質(zhì)量的前提下支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸。OFDM技術(shù)正因其具有良好的抗噪聲性能和抗多徑衰落的能力以及頻譜利用率高的特性，被業(yè)界普遍認(rèn)為是4G的核心技術(shù)。 基于4G的直播系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在高清流媒體傳輸中的優(yōu)勢(shì)如上圖所示，在現(xiàn)場(chǎng)端，也就是信號(hào)的采集，編碼和發(fā)射端、攝像機(jī)采集到的HD-SDI視音頻信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為DV信號(hào)，然后通過(guò)USB輸入到筆記本式的MP

16、EG-4編碼器。經(jīng)過(guò)編碼壓縮打包后通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡上行。經(jīng)4G國(guó)內(nèi)點(diǎn)對(duì)電傳輸后，由接收端4G外接天線(xiàn)式路由接收下行，而后通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)將接收到的IP數(shù)據(jù)傳輸至MPEG-4解碼器端，最后由解碼器輸出。系統(tǒng)在高清流媒體傳輸中的優(yōu)勢(shì)以上系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用于直播有如下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)1、 現(xiàn)場(chǎng)端的便攜、靈活性和幾乎全天候的適用性眾所周知，現(xiàn)代的直播設(shè)備，諸如SNG、海事衛(wèi)星、微波、光纖等有其自身的優(yōu)勢(shì)，但也同時(shí)普遍收到地理位置，周邊建筑，天氣因素，經(jīng)濟(jì)因素等制約，在應(yīng)付突發(fā)事件的直播報(bào)道中，顯得不是那么從容。而在4G系統(tǒng)方興未艾之時(shí)，可以預(yù)期的是4G系統(tǒng)將在新聞直播中，尤其是高清新聞直播中大展拳腳。這套系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)端采用的所有設(shè)備都可以或者是改裝后可以用電池供電，只要是4G信號(hào)可以覆蓋的地域，無(wú)論是高樓林立的街巷，還是臺(tái)風(fēng)大雨的天氣，都可以從容不迫地在室外或者室內(nèi)進(jìn)行直播。同時(shí)，在移動(dòng)情況下，例如進(jìn)行中的汽車(chē)內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋較好的地鐵內(nèi)，同樣可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)直播。2、4G的高效傳輸技術(shù)保障視音頻傳輸質(zhì)量和連續(xù)性一直以來(lái)，無(wú)線(xiàn)信道惡劣的信道條件都是制約信號(hào)傳輸效率和傳輸質(zhì)量的致命因素，因此傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)信道一直是用來(lái)進(jìn)行低速數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)通信，