未来移动通信关键技术的发展研究

    马文文　霍英杰

    摘要：随着时代的不断进步，人们对信息量的需求越来越大，对通信信号传输质量的要求也越来越高，未来移动通信也势必将向设备智能化及小型化、频谱的高效利用、高移动互联性等方向发展。文章将对现代移动通信技术的发展历程进行回顾，对未来移动通信的几项关键技术及其优点进行简要的介绍和分析。

    关键词：移动通信；关键技术；发展趋势

    1引言

    科技的发展尤其是计算机技术的发展，为移动通信技术的创新奠定了基础。在社会发展的过程中，人们对移动通信系统的依赖性越来越强，从第一代移动通信系统到目前已经相对普及的第四代移动通信系统，信号传输的速度越来越快，质量也越来越高。但是必须要意识到，目前的移动通信技术仍然存在不足，比如通信系统容量较小、频率选择性衰落得不到完全消除等，因此在未来移动通信系认的发展过程中，势必要对相关技术进行革新，解决上述问题。

    2现代移动通信技术的发展历程

    现代移动技术的发展，最早可以追溯到20世纪20年代，主要可以分为5大发展阶段。

    第1阶段：20世纪20年代至40年代。这二十年是现代通信技术的早期发展阶段，在此期间，专用移动通信系统诞生并逐渐得到应用，标志着现代移动通信技术的诞生和起步。该阶段的显著特点是对专用系统的开发，并且在现代通信技术诞生初期，工作频率相对较低。

    第2阶段：20世纪40年代至60年代。随着公用移动通信业务的诞生和推广标志着现代移动通信技术进入一个全新的发展阶段，最主要的标志即公用移动电话系统的诞生。该阶段的主要特点是实现了通信系统由专用网向公用网的过渡，但是由于运营过程中主要靠人工来完成接线工作，因此效率较低，网络容量较小。

    第3阶段：20世纪60年代至70年代。随着高新科技在通信领域的应用，移动电话系统也在不断进行改进。在60年代，美国和德国分别对国内的移动电话系统进行了改革，实现了无线频道与公用电话网之间的自动接续。在这十年的发展过程中，移动电话系统的特点呈现出大区制，且容量相较于之前有了明显的扩展。

    第4阶段：20世纪70年代中期至80年代。在这十年中，移动通信迎来了飞速发展期。很多高新科技不断为移动通信技术的发展提供了动力，比如微电子技术的诞生和发展，为通信设备的小型化奠定了基础；大规模集成电路、微处理器技术的诞生以及计算机技术的迅猛发展，为超大型通信网的管理与控制提供了可能；为解决传统移动通信系统容量小的问题，贝尔实验室发明了蜂窝网，极大提高了移动通信系统容量1983年，美国芝加哥建成了世界上首个商用蜂窝移动通信系统，标志着蜂窝式公用移动通信网的诞生。

    第5阶段：20世纪80年代至现在。第一代蜂窝移动网（1G）以AMPS和TACS为代表，虽然比前4个阶段取得了极大进步，但也存在不足，比如只能进行语音通话、设备复杂、应用成本较高、通话安全性得不到保障、容量不满足时代发展需要。80年代中期，西方国家先后推出了以GSM为代表的第二代移动通信系统（2G），性能有了极大提高，在保证语音通话的基础上也支持数据的传输，但越区切换性能不完善，为了解决这一问题，高通公司于1985年推出了以CDMA为技术基础的3G技术，3G技术极大的扩充了通信系统的容量、实现了全球覆盖、一定程度上消除了地域限制、能够实现数据和声音的高速传输，从而为用户提供更好的通信服务。随着人们对信息量和信息传输速度的要求越来越高，第四代移动通信系统（4G）应运而生，相较于第三代移动通信系统，第四代移动通信系统的传输速度更高，理论可达100Mbps，在声音、视频和图像的传输方面优势十分明显。

    3未来移动通信关键技术

    3.1多入多出技术（MIMO）

    在目前的无线通信领域，多入多出技术（MIMO）已经逐渐成为核心技术。众所周知，在无线通信过程中，无线信号在传输过程中会受到各类因素的影响从而出现无线信道的衰落，从而使得通信质量降低。而多入多出技术（MIMO）则在很大程度上缓解了无线信道的衰落，其主要原理是在信号的发送端和信号接收端之间设置多个天线作为信号传输的中转站，尽可能地减少信号传输过程中的无线信道衰落。MIMO技术的最大特点在于在保证原有系统带宽和天线发射功率不增加的前提下极大提高通信系统的容量。MIMO技术的本质是通过时间域和空间域的联合分集来对通信信号进行处理。通过理论分析及已有的相关仿真数据不难看出，在信道状态已知时，应用了MIMO技术的通信系统其信道容量会随着传输天线个数的增加而线性增大，也就是说MIMO技术在实际应用过程中能够有效解决通信系统容量小的问题，因而具有很高的应有价值及广阔的市场前景。MIMO技术发展至今，目前最主要的研究方向集中于空时编码。所谓空时编码，其本质是综合利用空间和时间来对通信信号进行二维处理，是时间传输信号和空间传输信号的有机结合，通过空时编码技术，能够极大提高通信信号及数据的传输效率，目前已有的空时编码主要可以分为3类：BLAST码、孔氏格码和空时分组码。总的来说，MIMO技术极大提高了无线通信系统的信道容量、降低了通信信号传输过程中的码间干扰、提高了空间和时间的分集增益以及频谱的利用率，英雌具有广阔的市场应用前景。

    3.2正交频分复用调制技术（0FDM）

    正交频分复用调制技术（OFDM）也是基于无线通信环境下的高速传输技术。相关理论和实验研究已经表明，在无线通信过程中，高速的移动会产生数值较大的多普勒位移，当多普勒位移达到一定数值时，会导致频率出现严重的选择性衰落。为了解决频率选择性衰落这一问题，相关科研工作者研发了正交频分复用调制技术（OFDM）。众所周知，在无线通信过程中，绝大多数的通信信道并不平坦，这就会导致无线信道的频率响应曲线出现较大幅度的波动，从而导致频率的选择性衰落，影响通信质量。而正交频分复用调制技术在很大程度降低了频率的选择性衰落，其主要原理是当无线信道给定时，将给定信道划分成若干子信道，子信道之间相互正交，并为每一个正交子信道加载一个子载波对信号进行调制，再通过一定的技术手段使子载波并行传输。尽管无线信道存在不平坦的客观情况，但是在利用正交频分复用调制技术将信道划分成很多子信道时，可以在一定程度上认为每一个子信道是平坦的，也就是说实现了频率选择性。同时需要指出的是，利用正交频分复用调制技术划分的子信道在传输通信信号时为窄带传输，其带宽小于信道带宽，这也就在很大程度上消除了信号在传输过程中在波形上的相互干扰，提高了通信质量。总的来说，正交频分复用调制技术的优点主要体现在以下几个方面：（1）提高频谱利用率；（2）抗干扰能力强，信号传输质量好；（3）能够提高高信噪比子信道的利用率，解决了频率选择性衰落这一问题。

    3.3软件无线电技术（SDR）

    软件无线电技术以数字信号处理技术为技术基础，以可编程控制的硬件平台为依托，通过软件实现对无线电的标准化、模块化硬件进行动态加载的技术。其功能模块主要包括高频模块、中频模块、基带处理模块等，这些模块的运作全部通过软件编程来实现，也就是说对系统输入不同的程序，能够分别驱动不同的模块运作实现不同的功能。软件无线电技术的核心思想是利用软件编程来定义各类无线功能，在通信移动终端在不同系统工作时，可以利用软件编程来改变移动终端的工作性能。可以说软件无线电技术的诞生，极大简化了无线指令的处理流程，提高了通信信号的处理效率。

    3.4智能天线技术（SA）

    智能天线技术的主要理论基础是自适应天线技术，其主要原理是信号传输过程中的无线基站使用天线阵和相干无线收发信机来对射频信号进行接收和发射，同时，利用数字信号处理器按照一定的算法对天线阵中的各个天线链上接收的信号进行合并和处理。应用了智能天线技术的无线通信系统在无线信号的传输过程中能够在空间域内对交互干扰现象形成明显抑制，对理想信号进行反复加强，也就是说智能天线技术相当于是一种空时滤波器，能够形成对信号的有效筛选，不仅提高了信号传输的质量，还增加了无线通信系统的容量，降低了无线通信系统的建设成本。

    3.5网络架构

    在未来移动通信系统的发展中，最主要的是侧重于建立一个基于全IP的交换系统，也就是说，IP分组交换网络在未来势必将替代传统的电路交换以及现在普遍常用的分组交换。为了实现全IP交换系统的构建，就必须加强对线性放大器和射频等设备的控制，3G所采用的基础架构是交换层架构，而在未来移动通信系统的发展中，不仅要考虑交换层的架构，更要加强对各种不同类型的通信接口的控制，也就是说未来移动通信系统主要是基于路由技术的网络架构。

    4结语

    随着社会的发展，人们对信息量和信息传输质量及效率的要求越来越高，同时人类科技水平的不断提高也在推动着无线通信技术进行着快速的变革和创新，从第一代移动通信系统（1G）到目前已经相当普及的第四代移动技术（4G），信息传输的速度更快、质量更高，但是如何提高信号传输过程中的抗干扰能力和频谱的利用率，仍然需要相关科研人员不断探索和创新，对未来移动通信系统关键技术的探讨对于通信领域的快速发展具有十分重要的意义。