林壯第四代移動通信系統(tǒng)資料

1、吉林電子信息職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計（論文） 題目第四代移動通信系統(tǒng) 姓 名：林壯 專 業(yè)：計算機應用技術 指導老師：朱偉華 完成時間： 2016.5.23 2016610 摘 要 在3G系統(tǒng)還沒有全球全面鋪開的現(xiàn)在，4G的研究已經(jīng)開始好幾年，目前 3G所 面臨的困難使人們更加關注4G研究的進展情況。本文首先介紹了前幾代移動通信技 術的發(fā)展歷程，接著詳細介紹了 4G的概念和特點；接著重點介紹了 4G中的關鍵技術； 最后將4G所要達到的目標及其發(fā)展趨勢給以了介紹。 關鍵詞：移動通信系統(tǒng)；4G信道；OFDM載波 i 信息技術學院畢業(yè)論文 ABSTRACT The simple elaborati o

2、n mobile com muni cati on tech no logy developme nt course, will with emphasis elaborate the fourth gen erati on of mobile com muni cati on tech no logy system (4G) con cept, the tech no logy, the goal, the characteristic and the n ext trend of developme nt. Keywords： mobile com muni cati on systems

3、 ； 4G cha nnel ； OFDM carrier. # 目 錄 目錄 第一章引言1 第二章移動通信技術的發(fā)展歷程2 2.1第一代移動通信系統(tǒng)（1G） 2 2.2第二代移動通信系統(tǒng)（2G） 2 2.3第三代移動通信系統(tǒng)（3G）2 第三章第四代移動通信系統(tǒng)（4G）3 3.1第四代移動通信系統(tǒng)的概念 3 3.2第四代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術 3 3.2.1 OFDM（正交頻分復用）3 3.2.2調制與編碼4 3.2.3 MIMO 5 3.2.4高效的頻譜使用方案5 3.2.5基于IP的核心網(wǎng)5 3.2.6 軟件無線電（SDR技術 5 3.2.7高性能的接收機 6 3.2.8 智能天線技術 6

4、 3.2.9多用戶檢測技術 7 3.2.10系統(tǒng)資源管理 7 3.2.11 Ad hoc 網(wǎng)絡技術7 3.2.12 IPv6 8 3.3第四代移動通信系統(tǒng)的目標及發(fā)展趨勢 8 第四章結束語10 參考文獻11 致謝12 iii 第一章引言 第一章引言 近年來移動通信技術飛速發(fā)展，已經(jīng)歷了 3個主要發(fā)展階段。每一代的發(fā)展都是 技術的突破和觀念的創(chuàng)新。第一代起源于20世紀80年代，主要采用模擬和頻分多址 （FDMA技術。第二代（2G起源于90年代初期，主要采用時分多址（TDMA和碼 分多址（CDMA技術。第三代移動通信系統(tǒng)（3G可以提供更寬的頻帶，不僅傳輸話 音，還能傳輸高速數(shù)據(jù)，從而提供快捷方便的

5、無線應用。然而，第三代移動通信系統(tǒng) 仍是基于地面標準不一的區(qū)域性通信系統(tǒng)，盡管其傳輸速率可高達2 Mb s,但仍無 法滿足多媒體通信的要求，因此，第四代移動通信系統(tǒng)（ 4G的研究隨之應運而生。 1 第三章第四代移動通信系統(tǒng)（4G） 第二章 移動通信技術的發(fā)展歷程 2.1第一代移動通信系統(tǒng)（1G） 80年代采用的第一代移動通信系統(tǒng)（模擬移動通信技術）主要運用模擬技術和 頻分多址（FDMA技術。主要業(yè)務有模擬蜂窩電話模擬無繩電話等。由于受到傳輸帶 寬的限制，不能進行移動通信的長途漫游，只能是一種區(qū)域性的移動通信系統(tǒng)。 其在 商業(yè)上取的了成功，但是弊端逐漸顯露出來，比如容量有限、制式太多、互不兼容、

6、 保密性差、通話質量不高、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務、不能提供自動漫游等，所以退出了歷 2.2第二代移動通信系統(tǒng)（2G） 90年代采用的第二代移動通信系統(tǒng)（數(shù)字移動通信技術）主要采用的是數(shù)字的 時分多址（TDMA技術和碼分多址（CDMA技術。主要采用的制式是 GSM和CDMA主要 業(yè)務有數(shù)字蜂窩（GSM IS-54、PDC數(shù)字無繩（DECT PHS移動衛(wèi)星）等。第二代 移動通信系統(tǒng)主要提供數(shù)字化的語音業(yè)務級低速數(shù)據(jù)化業(yè)務，話音質量、保密性能得 到大的提高，并可進行省內、省際自動漫游，克服了模擬系統(tǒng)的弱點。第二代移動通 信完成了由模擬技術向數(shù)字技術的轉變。但是由于第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)帶寬有 限，限制了數(shù)

7、據(jù)業(yè)務的應用，也無法實現(xiàn)高速率的業(yè)務如移動的多媒體業(yè)務。 2.3第三代移動通信系統(tǒng)（3G） 當?shù)诙苿油ㄐ畔到y(tǒng)滿足不了人類需要的大容量，滿足不了話音、數(shù)據(jù)、圖像、 多媒體等多種業(yè)務的有效傳輸時，出現(xiàn)了第三代多媒體移動通信系統(tǒng)。與從前以模擬 技術為代表的第一代和目前正在使用的第二代移動通信技術相比，3G將有更寬的帶 寬，其傳輸速度最低為384K,最高為2M帶寬可達5MHz以上。目前有三種標準，即 WCDMACDMA200和我國提出的TD SCDMA不僅能傳輸話音，還能傳輸數(shù)據(jù)，從而 提供快捷、方便的無線應用，如無線接入In ternet。能夠實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和寬帶 多媒體服務是第三代移動通信的

8、另個主要特點。第三代移動通信網(wǎng)絡能將高速移動接 入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務結合起來， 提高無線頻率利用效率。提供包括衛(wèi)星在內的 全球覆蓋并實現(xiàn)有線和無線以及不同無線網(wǎng)絡之間業(yè)務的無縫連接。滿足多媒體業(yè)務 的要求，從而為用戶提供更經(jīng)濟、內容更豐富的無線通信服務。但第三代移動通信仍 是基于地面、標準不的區(qū)域性通信系統(tǒng)。 雖然第三代移動通信可以比現(xiàn)有傳輸率快上千倍，但是未來仍無法滿足多媒體的通信需求 所以我們需要更好的系統(tǒng) 4G。 第二章第四代移動通信系統(tǒng)（4G） 3.1第四代移動通信系統(tǒng)的概念 確切的說，現(xiàn)在還不能對第四代移動通信作出準確的定義，不過關于4G的一般 描述為：“第四代移動通信的概念可稱

9、為廣帶接入和分布網(wǎng)絡，具有非對稱的和超過 2Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸能力。它包括廣帶無線固定接入、廣帶無線局域網(wǎng)、移動廣帶系 統(tǒng)和互操作的廣播網(wǎng)絡（基于地面和衛(wèi)星系統(tǒng)）。此外，第四代移動通信系統(tǒng)將是由 多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)， 也是寬帶接入IP系統(tǒng)?！倍?，4G是集3G與WLAN 于一體，并能夠傳輸高質量視頻圖像，它的圖像傳輸質量與高清晰度電視不相上下。 4G系統(tǒng)能夠以100Mb/s的速率下載，比目前的撥號上網(wǎng)快 2000倍，并能夠滿足幾乎 所有用戶對于無線服務的要求。而在用戶最為關注的價格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡 在價格方面不相上下，而且計費方式更加靈活機動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確

10、 定所需的服務。此外，4G可以在DSL和有線電視調制解調器沒有覆蓋的地方部署， 然后再擴展到整個地區(qū)。很明顯，4G有著不可比擬的優(yōu)越性。 4G與3G之間的主要區(qū)別在于終端設備的類型、網(wǎng)絡拓撲的結構以及構成網(wǎng)絡的 技術類型。終端設備除了手機之外應當包括頭戴式話機、PDA終端、膝上機、手表式 話機、電視機、游戲機、DVD零售機，甚至寵物機等等，凡是人所能構想的和能夠 識別IP地址的無線電收發(fā)信機。其次，4G是由多種技術組成的，包括彼此似乎不相 干的技術，如 Wi-Fi、超寬帶無線電、便攜式電腦、軟件無線電等技術構成的全球通 網(wǎng)絡。 與3G手機相比，4G手機的功能更強大，應用更廣泛。4G手機智能化程

11、度更高， 通話只是最最基本的功能之一，更多的功能體現(xiàn)在多媒體應用方面。 所以，我們可以發(fā)現(xiàn)4G有很多比以前的通信系統(tǒng)更優(yōu)秀的特點： 傳輸速率更快； 帶寬更寬；容量更大；智能性更高；實現(xiàn)更高質量的多媒體通信；兼容性能更平滑； 業(yè)務的多樣性；靈活性較強；用戶共存 O 3.2第四代移動通信系統(tǒng)的關鍵技術 3.2.1 OFDM（正交頻分復用） 在FDMA TDMA CDMA和 OFDM等多址方式中，OFDM是4G系統(tǒng)最為合適的多址 方案，從目前的研究進展來看，OFDM也是將來4G系統(tǒng)最有可能采用的多址方式。OFDM 技術實際上是MCM（Multi-Carrier Modulation ，多載波調制）的

12、一種。其主要思想是： 將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調制在每 個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減 少子信道之間的相互干擾(ICI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因 此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。 OFDM技術之所以越來越受關注，是因為 OFDMT很多獨特的優(yōu)點： (1) 頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍。這一點在頻譜資源有限 的無線環(huán)境中很重要。OFDM言號的相鄰子載波相互重疊，從理論上講其頻譜利用率 可以接近Nyquist極限。 (2) 抗衰落能力強。OFDM把用

13、戶信息通過多個子載波傳輸，在每個子載波上的 信號時間就相應地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使OFDM寸脈沖噪 聲(Impulse Noise )和信道快衰落的抵抗力更強。同時，通過子載波的聯(lián)合編碼， 達到了子信道間的頻率分集的作用，也增強了對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力。因 此，如果衰落不是特別嚴重，就沒有必要再添加時域均衡器。 (3) 適合高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDMI適應調制機制使不同的子載波可以按照信道情 況和噪聲背景的不同使用不同的調制方式。當信道條件好的時候，采用效率高的調制 方式。當信道條件差的時候，采用抗干擾能力強的調制方式。再有，OFDM加載算法 的采用，使系統(tǒng)可以把更多

14、的數(shù)據(jù)集中放在條件好的信道上以高速率進行傳送。因此， OFDM技術非常適合高速數(shù)據(jù)傳輸。 OFDM勺主要缺點是功率效率不高，對載頻的偏置較敏感。OFDM系統(tǒng)對載頻的偏 置比較敏感的主要原因是在頻率選擇性深衰落情況下，OFDM系統(tǒng)在相應子載波上的 數(shù)據(jù)可能被破壞。為此，眾多學者把 OFDM與直接序列擴頻相結合，使得信號可以在 多個載波上擴展，這樣一來就能有效地利用未被破壞的子載波上的信息恢復出原始數(shù) 據(jù)，實現(xiàn)頻率的分集。 OFDM技術的主要技術難點是系統(tǒng)中的頻率和時間同步、基于導頻符號輔助的信 道估計、峰平比問題、多普勒頻偏引起的互載頻干擾(ICI )降低系統(tǒng)性能的問題以 及基于OFDM多載波技

15、術的新一代蜂窩移動通信系統(tǒng)的多址方案的研究。 4G移動系統(tǒng)方案的無線接入方式為 VSF ( variable speding factor ) -OFCDM(orthogonal frequency and code division mul-tiplexing)。VSF-OFCD在 采用多載波的同時，進行與 CDMA相同的擴散處理來增大容量。 其最大特點在于，可以根據(jù)具體的通信服務來改變時間方向與頻率方向上的擴散 率，從而在類似熱點的孤立區(qū)域，通過降低擴散率來優(yōu)先增大傳輸速率；而在用戶眾 多的環(huán)境下，提高擴散率，增加系統(tǒng)容量。這種接入方式可以提高頻譜利用率，并且 不受多徑干擾的影響，可通過改

16、變擴頻因子，應用于高密度業(yè)務區(qū)和一般業(yè)務區(qū)2。 3.2.2調制與編碼 自適應調制和編碼（AMC根據(jù)信道的情況確定當前信道的容量，再根據(jù)容量確 定合適的編碼調制方式等，以便最大限度地發(fā)送信息，實現(xiàn)比較高的速率。AM提 供可變化的調制編碼方案（共七級調制方案）以適應每一個用戶的信道質量。自適應 編碼調制技術主要包括 RCPT（ Rate Compatible Puncturing Turbo codes）和高階 調制（MPSK而對于4G系統(tǒng)，要在5MHZ的帶寬上傳輸20Mbit/s的數(shù)據(jù),則所 需要的SNF為12dB?？梢娪捎?G系統(tǒng)的速率很高，因此對接收機的性能要求也要高 很多。 3.2.8智能

17、天線技術 智能天線原名自適應天線陣列，它具有抑制干擾、自動跟蹤信號以及采用空時處 理算法形成數(shù)字波束等智能功能，可以跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號，實現(xiàn)空間 分集，提高信噪比，提升系統(tǒng)通信質量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛 盾，降低系統(tǒng)整體造價。 目前，智能天線被認為是未來移動通信的關鍵技術之一，其工作方式主要有全自 適應方式和基于預多波束的波束切換方式兩種。 全自適應智能天線雖然從理論上講可以達到最優(yōu)， 但相對而言各種算法均存在所 需數(shù)據(jù)量、計算量大，信道模型簡單，收斂速度較慢，在某些情況下甚至可能出現(xiàn)錯 誤收斂等缺點；實際信道條件下當干擾較多、多徑嚴重，特別是信道快速時變時，很

18、難對某一用戶進行實時跟蹤。而對于預多波束的切換波束工作方式， 全空域(各種可 能的入射角）被一些預先計算好的波束分割覆蓋， 各組權值對應的波束有不同的主瓣 指向，相鄰波束的主瓣間通常會有一些重疊接收時的主要任務是挑選一個也有可能是 幾個，但需合并后再輸出作為工作模式。 與自適應方式相比它顯然更容易實現(xiàn)， 實際 上可將其看作是介于扇形天線與全自適應天線間的一種技術，也是未來智能天線技術 發(fā)展的方向。 329多用戶檢測技術 4G移動通信系統(tǒng)是基于碼分多址的 CDMA技術，多址干擾問題是寬帶 CDMAS信 系統(tǒng)的一個主要干擾。傳統(tǒng)的檢測技術都是基于DS-CDM理論對每個用戶的信號分別 進行擴頻碼匹配

19、處理，抗多扯干擾能力較差。多用戶檢測技術是充分利用造成多址干 擾的所有信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有很強的抗干擾性能，解決了 遠近效應的問題。這樣就更加有效地利用了鏈路頻譜資源。在4G移動通信系統(tǒng)中廣 泛應用多用戶檢測技術是切實可行的。 3.2.10系統(tǒng)資源管理 在第四代移動通信系統(tǒng)中，移動商務和對QoS有較高要求的各類業(yè)務將持續(xù)增 長。網(wǎng)絡將處理前所未有的多媒體業(yè)務量、多運營商配置、無需授權頻段和Ad hoc 網(wǎng)絡拓撲等各類結構的存在也使得具有不同QoS方案的不同域之間具有移動性和互 相作用，從而顯著增加了系統(tǒng)的全局復雜度。這需要一個具有豐富連接性和智能的 QoS無線分組網(wǎng)絡的支

20、撐系統(tǒng)的先進的無線資源管理策略也成為必需。該策略的關鍵 單元包括協(xié)調業(yè)務連接處理的業(yè)務管理部分， 維護所有網(wǎng)絡實體已分配的和可用的資 源許可控制管理部分，以及按照QoS需求和業(yè)務條件在共享同一資源的業(yè)務之間分配 可用資源的資源管理部分。 采用一些能夠使網(wǎng)絡有效滿足不同業(yè)務請求的政策或機制包括接入控制、 資源調 度、緩沖區(qū)管理和流量控制等。系統(tǒng)檢測可用的資源以及信號的質量，然后根據(jù)不同 用戶、不同業(yè)務質量要求動態(tài)地分配頻率資源和信號發(fā)射功率， 從而大大提高系統(tǒng)的 性能。 3.2.11 Ad hoc 網(wǎng)絡技術 未來移動通信網(wǎng)絡除了以低成本達到高數(shù)據(jù)速率外，還要求在無專用通信基礎設 施下，網(wǎng)絡具有適

21、應和生存能力。 Ad hoc網(wǎng)絡或稱為分組無線網(wǎng)絡作為非集中控制網(wǎng)絡結構，因靈活性將在未來 網(wǎng)絡中扮演重要角色。用戶和路由器能在網(wǎng)絡中隨機移動的Ad hoc網(wǎng)絡正成為主要 研究領域，它準許袖珍終端擴展接入和改進應急通信質量。 現(xiàn)今蜂窩通信系統(tǒng)依靠集中控制和管理，而下一代移動通信系統(tǒng)標準轉向固定與 移動網(wǎng)絡相結合，無隙縫和全方位通信 Ad hoc模式。 Ad hoc網(wǎng)絡沒有事先確定的基礎設施和網(wǎng)絡鏈路的時間特性，給分組無線網(wǎng)絡 設計和實施帶來一些基本的挑戰(zhàn)，它們是： (1) 必須優(yōu)化設計安全和路由功能，保證分布式結構有效運行； (2) 在網(wǎng)絡動態(tài)時，降低路由表更新頻數(shù)和開銷來保證鏈路連接； (3

22、) 在多跳網(wǎng)絡中，改進路由協(xié)議設計來減少鏈路容量和等待時間的波動； (4) 全面權衡網(wǎng)絡連接(覆蓋)、時延、容量和功率預算等指標； (5) 以優(yōu)化功率管理和 MAC設計來減少先進技術的負面效應 4。 3.2.12 IPv6 4G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術將 成為下一代網(wǎng)絡的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點的考慮:(1)巨大的地 址空間：在一段可預見的時期內，它能夠為所有可以想像出的網(wǎng)絡設備提供一個全球 惟一的地址。(2)自動控制:IPv6還有另一個基本特性就是它支持無狀態(tài)和有狀態(tài)兩 種地址自動配置的方式。無狀態(tài)地址自動配置方式是獲得地址的關鍵

23、。在這種方式下， 需要配置地址的節(jié)點使用一種鄰居發(fā)現(xiàn)機制獲得一個局部連接地址。一旦得到這個地 址之后，它使用另一種即插即用的機制，在沒有任何人工干預的情況下，獲得一個全 球惟一的路由地址。有狀態(tài)配置機制，如DHCP動態(tài)主機配置協(xié)議)，需要一個額外 的服務器，因此也需要很多額外的操作和維護。(3)移動性:移動IPv6 ( MIPv6)在新 功能和新服務方面可提供更大的靈活性。每個移動設備設有一個固定的家鄉(xiāng)地址 (home address)，這個地址與設備當前接入互聯(lián)網(wǎng)的位置無關。當設備在家鄉(xiāng)以外 的地方使用時，通過一個轉交地址(care-of address )來提供移動節(jié)點當前的位置 信息。移

24、動設備每次改變位置，都要將它的轉交地址告訴給家鄉(xiāng)地址和它所對應的通 信節(jié)點。在家鄉(xiāng)以外的地方，移動設備傳送數(shù)據(jù)包時，通常在 IPv6報頭中將轉交地 址作為源地址。 3.3第四代移動通信系統(tǒng)的目標及發(fā)展趨勢 第四代移動通信應該實現(xiàn)： (1) 與已有的數(shù)字移動通信系統(tǒng)相比，4G系統(tǒng)應具有更高的數(shù)據(jù)速率和傳輸質 量。更好的業(yè)務質量(QoS更高的頻譜利用率，更高的安全性，智能性和靈活性； (2) 可以容納更多的用戶，應能支持包括非對稱性業(yè)務在內的多種業(yè)務； (3) 4G系統(tǒng)應體現(xiàn)移動與無線接入網(wǎng)和IP網(wǎng)絡不斷融合的發(fā)展趨勢，將在不 同的固定和無線平臺以及跨越不同頻帶的網(wǎng)絡運行中提供無線服務； （4）

25、能實現(xiàn)全球范圍內多個移動網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡間的無縫漫游，包括網(wǎng)絡無縫、 終端無縫和內容無縫； （5）將是多功能集成的寬帶移動通信系統(tǒng)，不僅聯(lián)系人與人，更將聯(lián)系人與機 器、環(huán)境，人們將能夠隨時隨地的接入需要的多媒體信息，并可遠端控制其他設備。 從4G的發(fā)展趨勢看，除OFDM和智能天線等核心技術外還包含一些相關技術。 （1） 交互干擾抑制和多用戶識別：待開發(fā)的交互干擾抑制和多用戶識別技術應成為4G的組 成部分。它們以交互干擾抑制的方式引入到基站和移動電話系統(tǒng)，消除不必要的鄰近和共信道用 戶的交互干擾，確保接收高質量信號。這種組合將滿足更大用戶容量和覆蓋范圍，大大減少網(wǎng)絡 基礎設施的部署，確保服務質量。 （2） 可重構性自愈網(wǎng)絡：4G無線網(wǎng)絡中將采用智能處理器，可處理節(jié)點故障或基站超載。 網(wǎng)絡各部分采用基于知識解答裝置，可糾正網(wǎng)絡故障。 （3） 微微無線電接收器：未來4G中要研究的另一重點，它是嵌入式無線電。采用此技術， 功耗是采用現(xiàn)有技術的 1/101/100。 （4） 無線接入網(wǎng)（RAN： 4G系統(tǒng)高速度、大容量，低比特成本。 4G系統(tǒng)RAN的發(fā)展趨勢是 電路交換向基于IP分組交換發(fā)展，設備分集向網(wǎng)絡分集發(fā)展。這種基于IP技術的網(wǎng)絡架構使得 在3G