张彦龙4G网络通信技术本科毕业论文文档格式.docx
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人们开始期望4G能够解决这些问题,能够提供更高的数据速率,更大的容量和带宽。
从而使4G比3G更接近个人通信,在技术上比3G更完善。
所谓4G技术是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。
4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，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，而且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可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。
很明显，4G有着不可比拟的优越性
第一章移动通信的发展历程与4G网络结构
1.1移动通信的发展历程
第一代移动通信系统（1G）主要采用的是模拟技术和（FDMA）频分多址技术。
由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游游，只能是一种区域性的移动通信系统。
有很多不足之处，比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。
第二代移动通信技术主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。
主要业务是语音。
它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。
第二代移动通信替代第一代移动通信系统完成模拟技术向数字技术的转变，但由于第二代采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无法进行全球漫游，由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务如移动的多媒体业务。
目前普及最广的是第二代（2G）手机，一般采用GSM或CDMA技术。
可提供话音业务低速的数据业务,也就是收发短消息之类。
已经不能满足人们的需求。
因此3G技术的发展成为必然。
第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频率利用效率。
提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接。
满足多媒体业务的要求，从而为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。
新兴通信技术的不断推动之下，象征着3G通信标志的技术WCDMA应运而生。
该技术能为用户带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，使得现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。
强大的3G仍然有不足之处：
（1）速率不够。
3G支持的速率还不够高，单载波只支持最大2Mbps的业务。
虽然传输率比现有快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通讯需求。
（2）兼容性。
第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA，CDMA2000和TD—SCDMA三大分支，共同组成一个IMT2000家庭，成员间存在相互兼容的问题。
（3）带宽是非常稀缺的资源。
3G的频谱利用率还比较低，3G面临的应用问题制式标准仍然不统一，标准间不兼容,核心网络不基于IPv6，无法实现全球漫游,不能充分地利用宝贵的频谱资源；
不支持高速流媒体业务;
不支持与WLAN、FWA、PAN的互联
提出了新的挑战：
第四代移动通讯系统的任务是：
提供更大的频宽需求，满足第三代移动通讯尚不能达到的在覆盖、质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。
第四代移动通信的提出国内外对4G的研究现状随着3G在我国的商用以来,用户在使用手机电视和视频通话方面,出现信号不稳,视频通话效果不好等问题。
很明显，4G有着不可比拟的优越性,第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带的网络中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入互联网（包括卫星通信），能够提供信息通信之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。
同时，第四代移动通信系统还应该是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。
1.24G网络网络结构
4G系统针对各种不同业务的接入系统,通过多媒体接入连接到基于IP的核心网中。
基于IP技术的网络结构使用户可实现在3G、4G、WLAN及固定网间无缝漫游。
4G网络结构可分为三层:
物理网络层、中间环境层、应用网络层。
1）物理网络层提供接入和路由选择功能。
2）中间环境层的功能有网络服务质量映射、地址变换和完全性管理等。
3）物理网络层与中间环境层及其应用环境之间的接口是开放的,使发展和提供新的服务变得更容易,提供无缝高数据率的无线服务,并运行于多个频带,这一服务能自适应于多个无线标准及多模终端,跨越多个运营商和服务商,提供更大范围服务。
对于人们来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都认为第四代无线通信网络系统是人类有史以来发明的最复杂的技术系统，的确第四代无线通信网络在具体实施的过程中出现大量令人头痛的技术问题，大概一点也不会使人们感到意外和奇怪，第四代无线通信网络存在的技术问题多和互联网有关，并且需要花费好几年的时间才能解决。
总的来说，要顺利、全面地实施4G通信，可能遇到下面的一些困难：
近年来3G演进技术的发展异常迅速，但无线技术是否已经达到完美的地步?
国家863计划专家组成员、未来移动通信论坛秘书长尤肖虎的答案是否定的。
在他看来，现有无线技术有待解决的问题还很多，需要改进的空间也很大[1]。
1.3物理层
从物理层的传输技术看，虽然在目前LTE、UMB、WiMAX系统设计已经很完善，但在此基础上还需进一步的改造，尤其在多用户层面上。
“目前，4G中的点对点技术将接近理论值，但多用户传输技术还有很大的改进空间，多小区传输技术的差距更大。
”诸如多用户或多小区之间的协调、干扰的抑制抵消以及无线资源的分配等众多问题，都还没有系统的解决方案。
另外跨层的设计和优化也是需要解决的问题之一。
“原先的分层理论需要避免跨层联动的问题，而跨层设计的思想则恰恰相反，所以这是否是一个可能的发展方向还需进一步讨论。
”尤肖虎指出。
尤肖虎认为组网层面上同样存在很大的改进空间。
（1）现有网络向着扁平化发展，扁平化结构固然具备显而易见的优势，其中最突出的是简化系统结构和减少延时，但同时也带来很多问题，如基站间的协调与管理。
所以如何动态地感知周围干扰、对资源进行动态的配置，成为扁平化网络结构首先需要解决的问题，针对于这一点，尤肖虎认为无线网络的自组织、自优化将成为未来可能的发展方向。
虽然去年的世界无线电大会指定了4个IMT-Advanced的使用频段，但在全世界范围内很难找到4个统一的频段。
以3.4GHz～3.6GHz为例，由于中国的该频段已经用于无线卫星的导航业务，使得这一频段的利用非常复杂，并且出现了很多不确定性。
所以提高频谱利用率成为无线领域的重要命题。
同时尤肖虎还提到，不同频段都具有各自的特点，高频段带宽丰富，但是传播衰减较大;
低频段传播质量好，但其带宽较为有限。
尤肖虎认为，4G技术在面临多个频段的情况下，能否将这些频段有效地、甚至是动态地利用起来，从而发挥各个频段的优势，也是业界面临的问题和需要努力的方向。
（2）小区中心的性能差异在4G中仍将是重大难题。
由于信号存在衰减，离天线越远，频谱利用率越低。
而在现有网络结构中，由于基站处于小区的中心位置，所以当用户在小区边缘时很难充分享受到现有业务。
如何改善小区覆盖的均匀性就成为4G技术面临的挑战。
关于改善小区边缘性能的问题，尤肖虎提到了基于Relay和基于分布式天线的两种方式，他认为Relay复杂度较低，容易实现，但问题是中继节点离用户较近，提高频谱利用率的可能性也会因此而降低。
相比而言分布式天线的方式复杂度较高，实现上也有一定的困难，但经论证可以显著提高系统容量，并可较好地兼顾传输性能，在相同天线相同发射功率的条件下，小区的频谱利用率可以明显提高。
另外，出于对电磁污染和手机待机时间问题的考虑，手机发射功率已经成为“瓶颈”问题，分布式天线的方式则可以降低手机功率，对于此问题的解决也有很大助益。
第二章4G网络中的关键技术
2.1OFDM
OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）即正交频分复用技术, OFDM系统的主要技术
1）时域和频域同步
OFDM系统对定时和频率偏移敏感，特别是实际应用中可能与FDMA、TDMA和CDMA等多址方式结合使用时，时域和频域同步显得尤为重要。
与其他数字通信系统一样，同步分为捕获和跟踪两个阶段。
在下行链路中，基站向各个移动终端广播式发送同步信息，所以，下行链路同步相对简单，较易实现。
在上行链路中来自不同移动终端的信号必须同步到达基站，才能保证载波间的正交性。
基站根据各移动终端发来的子载波携带信息进行时域和频域同步信息的提取，再由基站发回移动终端，以便让移动终端进行同步。
具体实现时，同步可以分别在时域或频域进行，也可以时频域同步同时进行。
信道编码与交织
为了提高数字通信系统性能，信道编码和交织是通常采用的方法。
对于衰落信道中的随机错误，可以采用信道编码；
对于衰落信道中的突发错误，可以采用交织。
实际应用中通常同时采用信道编码和交织，进一步改善整个系统的性能。
在OFDM系统中，如果信道频域特性比较平缓，均衡是无法再利用信道的分集特性来改善系统性能的，因为OFDM系统本身具有利用信道分集特性的能力，一般的信道特性信息已经被OFDM这种调制方式本身所利用了。
但是OFDM系统的结构却为在子载波间进行编码提供了机会，形成OFDM编码方式。
实际上OFDM是MCMMulti-CarrierModulation,多载波调制的一种。
其主要原理是:
将待传输的高速串行数据经串并变换,变成在子信道上并行传输的低速数据流,再用相互正交的载波进行调制,然后叠加一起发送。
接收端用相干载波进行相干接收,再经并串变换恢复为原高速数据。
OFDM技术的有很多优点:
可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;
适合高速数据传输;
抗衰落能力强;
抗码间干扰（ISI）能力强。
2.2软件无线电
软件无线电（SDR）是将标准化、模块化的硬件功能单元经一通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各类无线电通信系统的一种开放式结构的技术。
其中心思想是使宽带模数转换器（A/D）及数模转换器（D/A）等先进的模块尽可能地靠近射频天线的要求。
尽可能多地用软件来定义无线功能。
其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、调制解调算法软件、信道纠错编码软件、信源编码软件等。
软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬件（DSPH）、现场可编程器件（FPGA）、数字信号处理（DSP）等[2]。
2.3智能天线技术（SA）
智能天线定义为波束间没有切换的多波束或自适应阵列天线。
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能,被认为是未来移动通信的关键技术。
智能天线成形波束可在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,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干无线收发信机来实现射频信号的收发,同时,通过基带数字信号处理器,对各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。
2.4多输入多输出（MIMO）技术
多输入多输出（MIMO）系统技术
多用户检测（MUD）技术能够有效地消除码间干扰，提高系统性能。
多用户检测的基本思想是把同时占用某个信道的所有用户或某些用户的信号都当做有用信号，而不是作为干扰信号处理，利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号，即综合利用各种信息及信号处理手段，对接收信号进行处理，从而达到对多用户信号的最佳联合检测。
多用户检测是4G系统中抗干扰的关键技术，能进一步提高系统容量，改善系统性能。
随着不同算法和处理技术的应用与结合，多用户检测获得了更高的效率、更好的误码率性能和更少的条件限制。
在基站端放置多个天线，在移动台也放置多个天线，基站和移动台之间可形成MIMO通信链路。
MIMO技术在不需要占用额外的无线电频率的条件下，利用多径来提供更高的数据吞吐量，并同时增加覆盖范围和可靠性。
它解决了当今任何无线电技术都面临的两个最困难的问题，即速度与覆盖范围。
它的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。
也就是说，可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。
多输入多输出技术（MIM0）是指在基站和移动终端都有多个天线。
MIM0技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。
空间复用是在接收端和发射端使用多副天线,充分利用空间传播中的多径分量,在同一频带上使用多个子信道发射信号,使容量随天线数量的增加而线性增加。
空间分集有发射分集和接收分集两类。
基于分集技术与信道编码技术的空时码可获得高的编码增益和分集增益,已成为该领域的研究热点。
MIM0技术可提供很高的频谱利用率,且其空间分集可显著改善无线信道的性能,提高无线系统的容量及覆盖范围。
2.5基于IP的核心网
IPv6技术
4G通信系统选择了采用IP的全分组方式传送数据流，因此IPv6技术是下一代网络的核心协议。
选择IP主要基于以下几点考虑：
（1）巨大的地址空间。
IPv6地址为128位，代替了IPv4的32位，地址空间大于3.41038。
如果整个地球表面（包括陆地和水面）都覆盖着计算机，那么IPv6允许每平方米拥有71023个IP地址。
可见，IPv6地址空间是巨大的。
在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想象出的网络设备提供一个全球唯一的地址。
自动控制。
IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态或有状态两种地址自动配置方式。
无状态地址自动配置方式是获得地址的关键。
在这种方式下，需要配置地址的节点使用一种邻居发现机制获得一个局部连接地址。
一旦得到这个地址之后，它使用另一种即插即用的机制，在没有任何人工干预的情况下，获得一个全球唯一的路由地址。
对于有状态地址配置机制，如DHCP（动态主机配置协议），需要一个额外的服务器，因此也需要很多额外的操作和维护。
核心网独立于各种具体的无线接入方案,能提供端到端的IP业务,能同已有的核心网和PSTN兼容。
核心网具有开放的结构,能允许各种空中接口接入核心网;
同时核心网能把业务、控制和传输等分开。
IP与多种无线接入协议相兼容,因此在设计核心网络时具有很大的灵活性,不需要考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。
第三章3G与4G的比较
3.1核心阅读
正当第三代移动通信（3G）正在国内全面铺开的时候，比3G提速十倍以上的新一代移动通信技术TD—LTE，在上海世博会上闪亮登场：
高清视频通话，实时展会直播，高速移动上网……多种移动宽带服务，不仅实现了对5.28平方公里的世博园区的完整覆盖，而且还实现了黄浦江水面以及信息通信馆、世博中心等11个重要场馆室内覆盖。
在这个全球首个“准4G”TD—LTE规模演示网获得成功之后，中国移动又计划下半年在国内三个城市进行扩大规模的实验试用。
引人注目的是，TD—LTE已聚集了大批中外企业，如大唐、华为、中兴、上海贝尔、摩托罗拉，以及创毅视讯、海思等国内外网络设备商与芯片厂商。
种种迹象表明，3G尚在发力，4G已悄然逼近，且伸手可及。
由于目前3G采用很多先进性的技术,将来4G在很大程度上进一步融合3G现有的技术。
比如,智能天线,软件无线电,联合检测,功率控制等。
虽然4G继承了3G的许多技术,但是在指标和技术方面有诸多区别。
3.2技术指标方面
3G提供了高速数据,在图象传输上,其静止传输速率达到2Mbps,高速移动时的传输速率达到114Kbps,慢速移动时的传输速率达到384kbps,带宽可以达到5MHz以上UMT采用WCDMA技术,利用正教码区分用户,有FDD和TDD两种双工方式。
4G的性能指标是:
a）数据速率从2Mbps到100Mpbs
b）容量达到第3代系统的5～10倍,传输质量相当于甚至优于第3代系统。
广带局域网应能与宽带综合业务数据网（B-ISDN）和异步传送模式（ATM）兼容,实现广带多媒体通信,形成综合广带通信网
c）条件相同时小区覆盖范围等于或大于第3代系统。
d）具有不同速率间的自动切换能力,以保证通信质量。
e）网络的每比特成本要比第3代低。
3.3技术方面
a）3G的关键技术是CDMA技术,而4G采用的是OFDM技术。
OFDM可以提高频谱利用率,能够克服CDMA在支持高速率数据传输时信号间干扰增大的问题。
b）在软件无线电方面,4G对3G中的软件无线电技术进行升级,满足4G中无线接入多样化要求,使得3G中无线接入标准不统一的问题得以解决。
同时在4G中,实现软切换和硬切换相结合,对3G中的软件无线电基础上通过增加相应的硬件模块,对相应的软件进行升级使他们最终都融合到一起,成为一个统一的标准,实现各种需求的功能。
c）3G网络采用的主要是蜂窝组网,4G采用全数字全IP技术,支持分组交换,将WLAN,Bluetooth等局域网融入广域网中。
在4G中提高智能天线的的处理速度和效率。
在TD-SCDMA采用智能天线的基础上,对相关的软件和算法加以升级,增加一些接口协议来满足4G的要求。
d）4G系统也使用了许多新技术,包括超链接（ultra2connectivity）和特定无线网络技术、动态自适应网络技术、智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术,等等。
e）在功率控制上,4G比3G要求更加严格,其目的是为了满足高速通信的要求。
不仅频率资源限制移动用户信号的传输速率,而且基站和终端的发射功率也限制了用户信号的传输速率。
在3G中,采用切换技术来减少对其它小区的干扰,提高话音质量,不过在4G中,切换技术的应用更加广阔,并朝着软切换和硬切换相结合的方向发展[3]。
3.4速度方面
通信委员会的最新研究显示，在使用同样数量频谱（在客户手机于互联网之间传送信息的无线电波）的情况下，下一代移动技术的数据传输能力将是现有3G技术的两倍以上。
传输能力的增强对满足英国迅速增加的移动数据流量来说至关重要，而移动数据流量的增加主要受智能手机和移动宽带数据服务（如流媒体、电子邮件、信息服务、地图服务和社交网络等）增长的带动。
英国计划从2013年开始采用4G移动通信技术，届时，移动宽带服务的速度将显著提高——接近目前的ADSL家庭宽带速度。
这一目标有望通过4G技术更为有效地利用频谱而得以部分地实现。
通信委员会的首席技术官斯蒂芬•昂格尔博士指出：
“在频谱数量相同的情况下，4G移动通信技术传输的数据比3G多。
而效率的提高意味着4G网络将能够支持更高的数据速率和更多的用户。
我们的研究表明，早期4G移动网络的标准配置将是现有标准3G网络3.3倍（即4G的频谱效率高出3G230%）。
鉴于此，早期4G网络的用户在下载一段视频时，所使用的时间只有目前3G网络的三分之一*。
预计到2020年，这一比率将扩大至5.5倍（450%）。
”
相关部门在对现有理论预测和实地部署试验进行审核与分析的基础上，进行了上述研究，而这项研究的目的是希望了解在引入4G技术后，频谱效率可能提高的程度。
这些信息为通信办公室的战略频谱管理工作的提供了重要依据。
这项研究分析了多种4G技术，其中包括长期演进（LTE）及LTE后续技术（仍在开发中），如LTEAdvanced。
研究还探讨了新出现的和后继的WiMAX无线技术，这种技术与Wi-Fi类似，但其覆盖范围更大，可达数公里。
这项研究显示，尽管通过采用4G技术提高了频谱效率，进而增加了4G网络的容量，但这并不足以满足用户对移动数据的需求预期增长。
出了更为有效地利用现有的频谱，还需要更多的频谱，其中部分将通过2012年拍卖800MHz和2.6GHz新频谱获得。
2012将的拍卖将是英国有史以来为移动服务分派额外频谱而举行的规模最大单次拍卖活动，预计拍卖的频谱数量相当于目前所使用的移动频谱总量的四分之三。
此外，移动网络还需要巧妙的设计，以确保频谱能够得到最有效地利用。
该研究预计，为了满足特定地区的用户需求，更多小基站将会大展身手。
3.54G是什么
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100Mbps的速度下载，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。
第四代移动通信采用广带（Broadband）接入和分布网络技术，
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