第四代移動通信技術論文

第四代移動通信技術論文

第四代移動通信技術

200730590123 丘 暉 07通信1班

摘要：21世紀移動通信技術和市場飛速發(fā)展，在新技術和市場需求的共同作用下，未來移動通信技術將呈現(xiàn)以下幾大趨勢：網(wǎng)絡業(yè)務數(shù)據(jù)化、分組化，移動互聯(lián)網(wǎng)逐步形成；網(wǎng)絡技術數(shù)字化、寬帶化；網(wǎng)絡設備智能化、小型化；應用于更高的頻段，有效利用頻率；移動網(wǎng)絡的綜合化、全球化、個人化；各種網(wǎng)絡的融合；高速率、高質(zhì)量、低費用。這正是第四代（4G）移動通信技術發(fā)展的方向和目標。

關鍵詞：第四代移動通信（4G）；正交頻分復用；多模式終端

移動通信是指移動用戶之間，或移動用戶與固定用戶之間的通信。隨著電子技術的發(fā)展，特別是半導體、集成電路和計算機技術的發(fā)展，移動通信得到了迅速的發(fā)展。隨著其應用領域的擴大和對性能要求的提高，促使移動通信在技術上和理論上向更高水平發(fā)展。20世紀80年代以來，移動通信已成為現(xiàn)代通信網(wǎng)中不可缺少并發(fā)展最快的通信方式之一。

回顧移動通信的發(fā)展歷程，移動通信的發(fā)展大致經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段：第一代移動通信技術主要指蜂窩式模擬移動通信，技術特征是蜂窩網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)克服了大區(qū)制容量低、活動范圍受限的問題。第二代移動通信是蜂窩數(shù)字移動通信，使蜂窩系統(tǒng)具有數(shù)字傳輸所能提供的綜合業(yè)務等種種優(yōu)點。第三代移動通信的主要特征是除了能提供第二代移動通信系統(tǒng)所擁有的各種優(yōu)點，克服了其缺點外，還能夠提供寬帶多媒體業(yè)務，能提供高質(zhì)量的視頻寬帶多媒體綜合業(yè)務，并能實現(xiàn)全球漫游。現(xiàn)在用的大多是第二代技術，第三代技術還不太成功，但已有了第四代技術的設想。第四代移動通信系統(tǒng)（4G）標準比第三代具有更多的功能。

一.第四代移動通信技術

第四代移動通信技術的概念可稱為寬帶接入和分布網(wǎng)絡，具有非對稱的超過2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括寬帶無線固定接入、寬帶無線局域網(wǎng)、移動寬帶系統(tǒng)和交互式廣播網(wǎng)絡。第四代移動通信標準比第三代標準擁有更多的功能。第四代移動通信可以在不同的固定、無線平臺和跨越不同的頻帶的網(wǎng)絡中提供無線服務，可以在任何地方用寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)（包括衛(wèi)星通信和平流層通信），能夠提供定位定時、數(shù)據(jù)采集、遠程控制等綜合功能。此外，第四代移動通信系統(tǒng)是集成多功能的寬帶移動通信系統(tǒng)，是寬帶接入IP系統(tǒng)。目前正在開發(fā)和研制中的4G通信將具有以下特征：

1.1通信速度更快

由于人們研究4G通信的最初目的就是提高蜂窩電話和其他移動裝置無線訪問Internet的速率，因此4G通信的特征莫過于它具有更快的無線通信速度。專家預估，第四代移動通信系統(tǒng)的速度可達到10-20Mbit/s，最高可以達到100Mbit/s。

1.2網(wǎng)絡頻譜更寬

要想使4G通信達到100Mbit/s的傳輸速度，通信運營商必須在3G通信網(wǎng)絡的基礎上對其進行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡的帶寬高出許多。據(jù)研究，每個4G信道將占有100MHz的頻譜，相當于W-CDMA3G網(wǎng)絡的20倍。

二 第四代移動通信優(yōu)越性

個人通信、信息系統(tǒng)、廣播、娛樂等業(yè)務無縫連接為一個整體，滿足用戶的各種需求。4G應能集成不同模式的無線通信——從無線局域網(wǎng)和藍牙等室內(nèi)網(wǎng)絡、蜂窩信號、廣播電視到衛(wèi)星通信，移動用戶可以自由地從一個標準漫游到另一個標準。各種業(yè)務應用、各種系統(tǒng)平臺間的互聯(lián)更便捷、安全，面向不同用戶要求，更富有個性化。而且4G手機從外觀和式樣上看將有更驚人的突破，可以想象的是，眼鏡、手表、化妝盒、旅游鞋都有可能成為4G終端。

2.1智能性能更高

第四代移動通信的智能性更高，不僅表現(xiàn)在4G通信的終端設備的設計和操作

具有智能化，更重要的是4G手機可以實現(xiàn)許多難以想象的功能。例如，4G手機將能根據(jù)環(huán)境、時間以及其他因素來適時提醒手機的主人。

2.2兼容性能更平滑

要使4G通信盡快地被人們接受，還應該考慮到讓更多的用戶在投資最少的情況下輕易地過渡到4G通信。因此，從這個角度來看，4G通信系統(tǒng)應當具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)、終端多樣化以及能從2G、3G平穩(wěn)過渡等特點。

2.3實現(xiàn)更高質(zhì)量的多媒體通信

4G通信提供的無線多媒體通信服務將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等，大量信息透過寬頻的信道傳送出去，為此4G也稱為“多媒體移動通信”。

2.4通信費用更加便宜

由于4G通信不僅解決了與3G的兼容性問題，讓更多的現(xiàn)有通信用戶能輕易地升級到4G通信，而且4G通信引入了許多尖端通信技術，因此，相對其他技術來說，4G通信部署起來就容易、迅速得多。同時在建設4G通信網(wǎng)絡系統(tǒng)時，通信運營商們將考慮直接在3G通信網(wǎng)絡的基礎設施之上，采用逐步引入的方法，這樣就能夠有效地第一文庫網(wǎng)降低運營成本。

三 第四代移動通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4G移動通信接入系統(tǒng)的顯著特點是，智能化多模式終端（multi-modeterminal）基于公共平臺，通過各種接技術，在各種網(wǎng)絡系統(tǒng)（平臺）之間實現(xiàn)無縫連接和協(xié)作。在4G移動通信中，各種專門的接入系統(tǒng)都基于一個公共平臺，相互協(xié)作，以最優(yōu)化的方式工作，來滿足不同用戶的通信需求。當多模式終端接入系統(tǒng)時，網(wǎng)絡會自適應分配頻帶、給出最優(yōu)化路由，以達到最佳通信效果。目前，4G移動通信的主要接入技術有：無線蜂窩移動通信系統(tǒng)（例如2G、3G）；無繩系統(tǒng)（如DECT）；短距離連接系統(tǒng)（如藍牙）；WLAN系統(tǒng)；固定無線接入系統(tǒng)；衛(wèi)星系統(tǒng)；平流層通信（STS）；廣播電視接入系統(tǒng)（如DAB、DVB-T、CATV）。隨著技術發(fā)展和市場需求變化，新的接入技術將不斷出現(xiàn)。 不同類型的接入技術針對不同業(yè)務而設計，因此，我們根據(jù)接入技術的適用領域、移動小區(qū)半徑和工作環(huán)境，對接入技術進行分層。

分配層：主要由平流層通信、衛(wèi)星通信和廣播電視通信組成，服務范圍覆蓋面積大。

蜂窩層：主要由2G、3G通信系統(tǒng)組成，服務范圍覆蓋面積較大。

熱點小區(qū)層：主要由WLAN網(wǎng)絡組成，服務范圍集中在校園、社區(qū)、會議中心等，移動通信能力很有限。

個人網(wǎng)絡層：主要應用于家庭、辦公室等場所，服務范圍覆蓋面積很小。移動通信能力有限，但可通過網(wǎng)絡接入系統(tǒng)連接其他網(wǎng)絡層。

固定網(wǎng)絡層：主要指雙絞線、同軸電纜、光纖組成的固定通信系統(tǒng)。

網(wǎng)絡接入系統(tǒng)在整個移動網(wǎng)絡中處于十分重要的位置。未來的接入系統(tǒng)將主要在以下三個方面進行技術革新和突破：為最大限度開發(fā)利用有限的頻率資源，在接入系統(tǒng)的物理層，優(yōu)化調(diào)制、信道編碼和信號傳輸技術，提高信號處理算法、信號檢測和數(shù)據(jù)壓縮技術，并在頻譜共享和新型天線方面做進一步研究。為提高網(wǎng)絡性能，在接入系統(tǒng)的高層協(xié)議方面，研究網(wǎng)絡自我優(yōu)化和自動重構(gòu)技術，動態(tài)頻譜分配和資源分配技術，網(wǎng)絡管理和不同接入系統(tǒng)間協(xié)作。提高和擴展IP技術在移動網(wǎng)絡中的應用；加強軟件無線電技術；優(yōu)化無線電傳輸技術，如支持實時和非實時業(yè)務、無縫連接和網(wǎng)絡安全。

四 第四代移動通信系統(tǒng)中的關鍵技術

4.1 OFDM正交頻分復用技術

OFDM正交頻分復用技術的基本思想是將高速串行的數(shù)據(jù)碼流變換成N（通常取偶數(shù)）路并行的低速數(shù)據(jù)流，再將這N路低速數(shù)據(jù)流分別調(diào)制到等頻間隔的一組總數(shù)為N的子載波上，并且這組子載波要滿足下交的條件。OFDM技術的優(yōu)點是可以通地添加循環(huán)前綴來減小或消除碼間干擾，對多徑衰落和多普勒頻移不敏感，提高了頻譜利用率，可實現(xiàn)低成本的單波段接收機。OFDM的主要缺點是功率效率不高，對頻偏和相位噪聲比較敏感。

4.2 MIMO技術

MIMO（多進多出）是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX協(xié)議中都得到了應用。WiMAX相關協(xié)議還給出了同時使用空間復用和空時編碼的形式。支持MIMO是協(xié)議中的

一種可選方案，結(jié)合自適應天線陣（AAS）和MIMO技術，能顯著提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，可以大大提高覆蓋范圍并增強應對快衰落的能力，使得在不同環(huán)境下能夠獲得最佳的傳播性能

4.3 軟件無線電技術

軟件無線電是美國MTLTRE公司于1992年明確提出的，其基本思想是將標準化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)，所有體制和標準的更新，以及不同體制之間的兼營，都可以通過適當?shù)能浖�來完成。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(wǎng)絡和空中接口。軟件無線電技術能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現(xiàn)各種應用的可變QoS。

4.4智能天線技術

智能天線（SA）原名自適應天線陣列，由多個天線單元組成，每個天線后面接一個加權器，經(jīng)過加權器處理以后的信號，最后用相加器進行合并。智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，被認為是未來移動通信的關鍵技術。智能天線應用數(shù)字信號處理技術，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分利用移動用戶信號并消除或抑制干擾信號的目的。這種技術既能改善信號質(zhì)量又能增加傳輸容量。

4.5調(diào)制與編碼技術

4G移動通信系統(tǒng)采用新的調(diào)制技術，如多載波正交頻分復用調(diào)制技術以及單載波自適應均衡技術等調(diào)制方式，以保證頻譜利用率和延長用戶終端電池的壽命。4G移動通信系統(tǒng)采用更高級的信道編碼方案(如Turbo碼、級連碼和LDPC等)、自動重發(fā)請求(ARQ)技術和分集接收技術等，從而在低Eb/N0條件下保證系統(tǒng)足夠的性能。

4.6高性能的接收機

4G移動通信系統(tǒng)對接收機提出了很高的要求。Shannon定理給出了在帶寬為BW的信道中實現(xiàn)容量為C的可靠傳輸所需要的最小SNR。按照Shannon定理，可以 計算 出，對于3G系統(tǒng)如果信道帶寬為5MHz，數(shù)據(jù)速率為2Mb/s，所需的SNR為l.2dB；而對于4G系統(tǒng)，要在5MHz的帶寬上傳輸20Mb/s的數(shù)據(jù)，則所需要的SNR為12dB。可見對于4G系統(tǒng)，由于速率很高，對接收機的性能要求也要高得多。

4.7全IP技術

4G移動通信系統(tǒng)應該是一個全IP的網(wǎng)絡，全IP網(wǎng)絡節(jié)約成本，提高可擴展性，靈活性，并使網(wǎng)絡運行更有效率，可支持IPv6，解決IP地址不足并能實現(xiàn)移動IP。同已有的移動網(wǎng)絡相比具有根本性的優(yōu)點，即：可以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡間的無縫互聯(lián)。核心網(wǎng)獨立于各種具體的無線接入方案，能提供端到端的IP業(yè)務，能同已有的核心網(wǎng)和PSTN兼容。核心網(wǎng)具有開放的結(jié)構(gòu)，能允許各種空中接口接入核心網(wǎng)；同時核心網(wǎng)能把業(yè)務、控制和傳輸?shù)确珠_。采用IP后，所采用的無線接入方式和協(xié)議與核心網(wǎng)絡(CN)協(xié)議、鏈路層是分離獨立的。IP與多種無線接入?yún)f(xié)議相兼容，因此在設計核心網(wǎng)絡時具有很大的靈活性，不需要考慮無線接入究竟采用何種方式和協(xié)議。

在不同的4G移動通信系統(tǒng)中將采用的不同的新技術組合，并且以上的新技術正在不斷的發(fā)展完善中，特別是目前的4G標準未確定，處于研究開發(fā)和完善階段，成熟期預計要三到五年或更長。但可以肯定的是，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展，新技術將隨著4G也會繼續(xù)高速發(fā)展，4G將會是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，是滿足未來市場需求的新一代的移動通信系統(tǒng)

參考文獻：

移動通信原理 吳偉陵等編著 電子工業(yè)出版社

數(shù)字移動通信技術 何林娜編著 機械工業(yè)出版社

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