4G移动通信关键技术及现状.docx
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4G移动通信关键技术及现状
南京师范大学泰州学院
毕业论文
题目：
4G通信关键技术及现状
姓名：
窦煜鸣
院系：
信息工程系
专业：
通信工程
年级：
10级
学号：
12100319
指导教师：
陆霞
摘要
移动通信已成为当代通信领域内的发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。
目前全球已具有相当规模的移动通信标准有GSM、CDMA和TDMA三大分支，每个分支都在抢占市场。
全球无线技术各自为营，各厂商都在不断推出新技术，以迅速抢占行业标准的主导地位。
尽管第三代移动通信（3G）标准比现有无线技术更强大，但也将面积竞争和标准不兼容等问题。
人们开始呼吁移动通信标准的统一，以期通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。
国际电信联盟（ITU）目前已经开始研究制订第四代移动通信标准，并已达成共识：
把移动通信系统同其他系统（例如无限局域网，W-LAN，等）结合起来，产生4G技术，2010年之前使数据传输数率达到100Mbps，以提供更有效的多种业务。
目前相互兼容移动通信技术的第四代移动通信标准（4G）正在业界萌动。
第四代移动通信与第三代移动通信相比，将在技术和应用上有质的飞跃。
4G将适合所有的移动通信用户，最终实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信的无缝衔接并相互兼容。
随着近年来3G服务的日渐普及，各厂商开始投入4G的研发，4G技术标准有着三大阵营：
移动WIMAX、LTE及UMB。
近年来在Intel的大力推广下，移动WIMAX声势庞大，颇有脱颖而出的味道；但随着美国第二大移动通信业者Verizon的宣布采LTE为其4G标准下，对移动WIMAX及UMB是一大重击，也让4G标准之争变成两雄相争的局面。
Abstract
Mobilecommunicationhasbecomethelargestcontemporarythedevelopmentpotentialinthefieldofcommunicationandmarketprospectsofthemostwidelyhotspottechnology.Atpresent,theworldhasconsiderablescaleofmobilecommunicationstandardwithGSM,CDMAandTDMAthreebranches,eachbranchinthemarket.Currentglobalwirelesstechnology,GeChang
manufacturersincontinuouslyintroducenewtechnologies,inordertoquicklytakethedominanceofindustrystandard.Althoughthethirdgenerationmobilecommunication（3g）standardsaremorepowerfulthantheexistingwirelesstechnology,butwillalsoareaofcompetitionandthestandardproblemsuchasincompatible.Peoplestartedcallingfortheunityofthemobilecommunicationstandard,inordertothroughthefourthgenerationmobilecommunicationstandardstosolvetheproblemofcompatibility.Theinternationaltelecommunicationunion（ITU）hasstartedthefourthgenerationmobilecommunicationstandards,andhavereachedaconsensus:
themobilecommunicationsystemwithothersystems（suchasinfiniteLAN,W-LAN,etc.）,4gtechnology,datatransmissionratebefore2010made2010MBPS,variousbusinesstoprovidemoreeffective.Themutualcompatibilityofmobilecommunicationtechnologyofthefourthgenerationmobilecommunication（4g）istheindustrystandardstirring.Thefourthgenerationmobilecommunicationcomparedwiththethirdgenerationmobilecommunication,willhaveaqualitativeleapintechnologyandapplication.4gwillbesuitableforallmobileusers,finallyrealizesthecommercialwirelessnetwork,localareanetwork,bluetooth,radio,television,satellitecommunicationsseamlesslyandcompatiblewitheachother.
Withthegrowingpopularityofthe3gservicesinrecentyears,variousvendorstostartintheresearchanddevelopmentofthe4gand4gtechnologystandardhasthreemajorgroups:
mobileWIMAXandLTEandUMB.Inrecentyears,underthepromotingofIntel,mobileWIMAX
momentumlarge,havetostandoutoftaste;ButasAmerica'ssecondlargestmobileoperatorVerizonannouncedinLTE4gforitsstandard,isabigblowformobileWIMAXandUMB,alsomake4gstandardsoftwomalestrivefor
目录
摘要I
目录III
前言1
第一章4G网络结构2
1.1三层网络结构2
1.2物理层2
第二章4G网络中的关键技术4
2.1OFDM4
2.2软件无线电4
2.3智能天线技术（SA）4
2.4多输入多输出（MIMO）技术5
2.5基于IP的核心网5
第三章3G与4G的比较6
3.1核心阅读6
3.2技术指标方面6
3.3技术方面7
3.4速度方面7
3.54G是什么8
3.64G会采用什么标准9
3.74G手机怎么样10
3.8公众何时能用上4G11
3.94G会取代3G吗11
第四章5大4G标准14
4.1LTE14
4.2LTE-Advanced14
4.3WIMAX15
4.4HSPA+：
高速下行链路分组接入技术16
4.5WirelessMAN-Advanced16
第五章、4G的发展展望18
5.1显著的差异18
5.2无线宽带，一插即行18
5.3其它市场19
5.4我国的4G的发展20
第六章4G的主要优势27
6.1网络频谱更宽27
6.2通信更加灵活27
6.3智能性能更高28
6.4兼容性能更平滑28
6.5提供各种增值服务28
6.6实现更高质量的多媒体通信28
6.7频率使用效率更高29
6.8通信费用更加便宜29
第七章4G存在缺陷30
7.1标准难以统一30
7.2技术难以实现30
7.3容量受到限制30
7.4市场难以消化31
7.5设施难以更新31
第八章总结33
参考文献：
34
致谢35
前言
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。
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4G网络结构
1.1三层网络结构
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]。
1.2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,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。
所谓的MIMO，就字面上看到的意思，是MultipleInputMultipleOutput（多入多出）的缩写，大部分您所看到的说法，都是指无线网络讯号通过多重天线进行同步收发，所以可以增加资料传输率。
然而比较正确的解释，应该是说，网络资料通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送，由于无线讯号在传送的过程当中，为了避免发生干扰起见，会走不同的反射或穿透路径，因此到达接收端的时间会不一致。
为了避免资料不一致而无法重新组合，因此接收端会同时具备多重天线接收，然后利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的资料重新作组合，然后传送出正确且快速的资料流。
由于传送的资料经过分割传送，不仅单一资料流量降低，可拉高传送距离，又增加天线接收范围，因此MIMO技术不仅可以增加既有无线网络频谱的资料传输速度，而且又不用额外占用频谱范围，更重要的是，还能增加讯号接收距离。
所以不少强调资料传输速度与传输距离的无线网络设备，纷纷开始抛开对既有Wi-Fi联盟的兼容性要求，而采用MIMO的技术，推出高传输率的无线网络产品。
MIMO技术大致可以分为两类：
发射/接收分集和空间复用。
传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道
衰落。
具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。
举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。
如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到，单天线衰落信道的平均误差概率为。
对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。
在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。
智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。
广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。
分集技术主要用来对抗信道衰落。
相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度（degreesoffreedom）。
从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。
如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被称为空间复用。
需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。
根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：
D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。
2.5基于IP的核心网
4G移动通信系统的核心网是一个基于全IP的网络,可以实现不同网络间的无缝互联。
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。
在4G通信系统中将取代IPv4协议,主要采用全分组方式IPv6技术,IPv6具有许多的优点,如:
有巨大的地址空间;支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式;能够提供不同水平的服务质量;更具有移动性。
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
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