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第四代移动通信系统计算机专业论文
摘要
在3G系统还没有全球全面铺开的现在，4G的研究已经开始好几年，目前3G所面临的困难使人们更加关注4G研究的进展情况。
本文首先介绍了前几代移动通信技术的发展历程，接着详细介绍了4G的概念和特点；接着重点介绍了4G中的关键技术；最后将4G所要达到的目标及其发展趋势给以了介绍。
关键词：
移动通信系统4G信道OFDM载波中图分类号
ABSTRACT
Thesimpleelaborationmobilecommunicationtechnologydevelopmentcourse,willwithemphasiselaboratethefourthgenerationofmobilecommunicationtechnologysystem（4G）concept,thetechnology,thegoal,thecharacteristicandthenexttrendofdevelopment.
Keywords：
mobilecommunicationsystems4GchannelOFDMcarrier.
目录
摘要…………………………………………………………………………………2
关键词………………………………………………………………………………………2
0引言……………………………………………………………………………………2
1移动通信技术的发展历程………………………………………………………………2
1.1第一代移动通信系统（1G）……………………………………………………2
1.2第二代移动通信系统（2G）……………………………………………………3
1.3第三代移动通信系统（3G）……………………………………………………3
2第四代移动通信系统（4G）………………………………………………………3
2.1第四代移动通信系统的概念……………………………………………………3
2.2第四代移动通信系统的关键技术…………………………………………4
2.3第四代移动通信系统的目标及发展趋势………………………………………10
3结束语…………………………………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………………………………………11
第四代移动通信系统
0.引言
近年来移动通信技术飞速发展，已经历了3个主要发展阶段。
每一代的发展都是技术的突破和观念的创新。
第一代起源于20世纪80年代，主要采用模拟和频分多址（FDMA）技术。
第二代（2G）起源于90年代初期，主要采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）技术。
第三代移动通信系统（3G）可以提供更宽的频带，不仅传输话音，还能传输高速数据，从而提供快捷方便的无线应用。
然而，第三代移动通信系统仍是基于地面标准不一的区域性通信系统，尽管其传输速率可高达2Mb／s，但仍无法满足多媒体通信的要求，因此，第四代移动通信系统（4G）的研究随之应运而生。
1.移动通信技术的发展历程
1.1第一代移动通信系统（1G）
80年代采用的第一代移动通信系统（模拟移动通信技术）主要运用模拟技术和频分多址（FDMA）技术。
主要业务有模拟蜂窝电话模拟无绳电话等。
由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。
其在商业上取的了成功，但是弊端逐渐显露出来，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，所以退出了历史舞台。
1.2第二代移动通信系统（2G）
90年代采用的第二代移动通信系统（数字移动通信技术）主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。
主要采用的制式是GSM和CDMA。
主要业务有数字蜂窝（GSM、IS-54、PDC）数字无绳（DECT、PHS移动卫星）等。
第二代移动通信系统主要提供数字化的语音业务级低速数据化业务，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，克服了模拟系统的弱点。
第二代移动通信完成了由模拟技术向数字技术的转变。
但是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。
1.3第三代移动通信系统（3G）
当第二代移动通信系统满足不了人类需要的大容量，满足不了话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输时，出现了第三代多媒体移动通信系统。
与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比，3G将有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz以上。
目前有三种标准，即WCDMA、CDMA2000和我国提出的TD—SCDMA。
不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。
能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另个主要特点。
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。
但第三代移动通信仍是基于地面、标准不的区域性通信系统。
虽然第三代移动通信可以比现有传输率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求,所以我们需要更好的系统4G[1]。
2.第四代移动通信系统（4G）
2.1第四代移动通信系统的概念
确切的说，现在还不能对第四代移动通信作出准确的定义，不过关于4G的一般描述为：
“第四代移动通信的概念可称为广带接入和分布网络，具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。
它包括广带无线固定接入、广带无线局域网、移动广带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。
此外，第四代移动通信系统将是由多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入IP系统。
”而且，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100Mb/s的速率下载，比目前的拨号上网快2000倍，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。
4G与3G之间的主要区别在于终端设备的类型、网络拓扑的结构以及构成网络的技术类型。
终端设备除了手机之外应当包括头戴式话机、PDA终端、膝上机、手表式话机、电视机、游戏机、DVD、零售机，甚至宠物机等等，凡是人所能构想的和能够识别IP地址的无线电收发信机。
其次，4G是由多种技术组成的，包括彼此似乎不相干的技术，如Wi-Fi、超宽带无线电、便携式电脑、软件无线电等技术构成的全球通网络。
与3G手机相比，4G手机的功能更强大，应用更广泛。
4G手机智能化程度更高，通话只是最最基本的功能之一，更多的功能体现在多媒体应用方面。
所以，我们可以发现4G有很多比以前的通信系统更优秀的特点：
传输速率更快；带宽更宽；容量更大；智能性更高；实现更高质量的多媒体通信；兼容性能更平滑；业务的多样性；灵活性较强；用户共存[3]。
2.2第四代移动通信系统的关键技术
2.2.1OFDM（正交频分复用）
在FDMA、TDMA、CDMA和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案，从目前的研究进展来看，OFDM也是将来4G系统最有可能采用的多址方式。
OFDM技术实际上是MCM（Multi-CarrierModulation，多载波调制）的一种。
其主要思想是：
将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制在每个子信道上进行传输。
正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。
每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。
OFDM技术之所以越来越受关注，是因为OFDM有很多独特的优点：
（1）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍。
这一点在频谱资源有限的无线环境中很重要。
OFDM信号的相邻子载波相互重叠，从理论上讲其频谱利用率可以接近Nyquist极限。
（2）抗衰落能力强。
OFDM把用户信息通过多个子载波传输，在每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使OFDM对脉冲噪声（ImpulseNoise）和信道快衰落的抵抗力更强。
同时，通过子载波的联合编码，达到了子信道间的频率分集的作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。
因此，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。
（3）适合高速数据传输。
OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪声背景的不同使用不同的调制方式。
当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。
当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。
再有，OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。
因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
OFDM的主要缺点是功率效率不高，对载频的偏置较敏感。
OFDM系统对载频的偏置比较敏感的主要原因是在频率选择性深衰落情况下，OFDM系统在相应子载波上的数据可能被破坏。
为此，众多学者把OFDM与直接序列扩频相结合，使得信号可以在多个载波上扩展，这样一来就能有效地利用未被破坏的子载波上的信息恢复出原始数据，实现频率的分集。
OFDM技术的主要技术难点是系统中的频率和时间同步、基于导频符号辅助的信道估计、峰平比问题、多普勒频偏引起的互载频干扰（ICI）降低系统性能的问题以及基于OFDM、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。
4G移动系统方案的无线接入方式为VSF（variablespedingfactor）-OFCDM（orthogonalfrequencyandcodedivisionmul-tiplexing）。
VSF-OFCDM在采用多载波的同时，进行与CDMA相同的扩散处理来增大容量。
其最大特点在于，可以根据具体的通信服务来改变时间方向与频率方向上的扩散率，从而在类似热点的孤立区域，通过降低扩散率来优先增大传输速率；而在用户众多的环境下，提高扩散率，增加系统容量。
这种接入方式可以提高频谱利用率，并且不受多径干扰的影响，可通过改变扩频因子，应用于高密度业务区和一般业务区[2]。
2.2.2调制与编码
自适应调制和编码（AMC）根据信道的情况确定当前信道的容量，再根据容量确定合适的编码调制方式等，以便最大限度地发送信息，实现比较高的速率。
AMC能提供可变化的调制编码方案（共七级调制方案）以适应每一个用户的信道质量。
自适应编码调制技术主要包括RCPT（RateCompatiblePuncturingTurbocodes）和高阶调制（MPSK&M-QAM）的结合、H-ARQ和MIMO等。
AMC对测量误差和时延比较敏感是面临的技术挑战。
2.2.3MIMO
MIMO系统，该技术最早是由Marconi于1908年提出的，它利用多天线来抑制信道衰落。
根据收发两端天线数量，相对于普通的单输入单输出（SISO）系统，MIMO还可以包括单输入多输出（SIMO）系统和多输入单输出（MISO）系统。
MIMO系统在一定程度上可以利用传播中的多径分量，也就是说MIMO可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO系统依然是无能为力。
目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。
大多数研究人员认为OFDM技术是4G的核心技术，但4G需要极高的频谱利用率，而OFDM提高频谱利用率的作用毕竟是有限的。
在OFDM的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO+OFDM，可以提供更高的数据传输速率。
另外，OFDM由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
2.2.4高效的频谱使用方案
频谱资源是一种有限的资源，在4G系统中，一方面要采用有效的措施提高频谱利用率，另一方面要开发新的频谱资源。
因此，研究高频段宽带信号传输特性就变得非常重要。
2.2.5基于IP的核心网
综观当前的发展趋势，IP被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术。
统一的IP核心网络独立于具体的接入方案，使不同的无线和有线接入技术实现互联与融合，无线接入点可以是蜂窝系统的基站、无线局域网（WLAN）或者是Adhoc自组织网等。
对于公用电话网、2G以及未实现全IP的3G网络等则通过特定的网关连接。
目前移动OK急待解决的问题有三角路由问题，漫游和切换问题安全问题等。
2.2.6软件无线电（SDR）技术
所谓软件无线电（SoftwareDefinedRadio,简称SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能。
包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。
即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。
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v0S/H2t6gwww.mscbsc.c其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的“数字/模拟”转换器，尽早地完成信号的数字化，从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现。
总之，软件无线电是一种基于数字信号处理（DSP）芯片，以软件为核心的崭新的无线通信。
3p'Z'K9z6h#V#@%d移动通信,通信工程师的家园,通信人才,求职招聘,网络优化,通信工程,出差住宿,通信企业黑名单软件无线电有以下一些特点：
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5j9R/lMSCBSC移动通信论坛灵活性，工作模式可由软件编程改变，包括可编程的射频频段宽带信号接入方式和可编程调制方式等，所以可任意更换信道接入方式，改变调制方式或接收不同系统的信号。
可通过软件工具来扩展业务、分析无线通信环境、定义所需增强的业务和实时环境测试，升级便捷；集中性，多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能；模块化，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准，在硬件技术发展时，允许更换单个模块，从而使软件无线电保持较长的寿命。
2.2.7高性能的接收机
按照Shannon定理,对于3G系统如果信道带宽为5MHz,数据速率为2Mbit/s,则所需的SNR为1.2dB；而对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mbit/s的数据,则所需要的SNR为12dB。
可见由于4G系统的速率很高，因此对接收机的性能要求也要高很多。
2.2.8智能天线技术
智能天线原名自适应天线阵列，它具有抑制干扰、自动跟踪信号以及采用空时处理算法形成数字波束等智能功能，可以跟踪强信号，减少或抵消干扰信号，实现空间分集，提高信噪比，提升系统通信质量，缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾，降低系统整体造价。
目前，智能天线被认为是未来移动通信的关键技术之一，其工作方式主要有全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式两种。
全自适应智能天线虽然从理论上讲可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点；实际信道条件下当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。
而对于预多波束的切换波束工作方式，全空域（各种可能的入射角）被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠接收时的主要任务是挑选一个也有可能是几个，但需合并后再输出作为工作模式。
与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上可将其看作是介于扇形天线与全自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术发展的方向。
2.2.9多用户检测技术
4G移动通信系统是基于码分多址的CDMA技术，多址干扰问题是宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。
传统的检测技术都是基于DS-CDMA理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，抗多扯干扰能力较差。
多用户检测技术是充分利用造成多址干扰的所有信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有很强的抗干扰性能，解决了远近效应的问题。
这样就更加有效地利用了链路频谱资源。
在4G移动通信系统中广泛应用多用户检测技术是切实可行的。
2.2.10系统资源管理
在第四代移动通信系统中，移动商务和对QoS有较高要求的各类业务将持续增长。
网络将处理前所未有的多媒体业务量、多运营商配置、无需授权频段和Adhoc网络拓扑等各类结构的存在也使得具有不同QoS方案的不同域之间具有移动性和互相作用,从而显著增加了系统的全局复杂度。
这需要一个具有丰富连接性和智能的QoS无线分组网络的支撑系统的先进的无线资源管理策略也成为必需。
该策略的关键单元包括协调业务连接处理的业务管理部分，维护所有网络实体已分配的和可用的资源许可控制管理部分，以及按照QoS需求和业务条件在共享同一资源的业务之间分配可用资源的资源管理部分。
采用一些能够使网络有效满足不同业务请求的政策或机制包括接入控制、资源调度、缓冲区管理和流量控制等。
系统检测可用的资源以及信号的质量，然后根据不同用户、不同业务质量要求动态地分配频率资源和信号发射功率，从而大大提高系统的性能。
2.2.11Adhoc网络技术
未来移动通信网络除了以低成本达到高数据速率外，还要求在无专用通信基础设施下，网络具有适应和生存能力。
Adhoc网络或称为分组无线网络作为非集中控制网络结构，因灵活性将在未来网络中扮演重要角色。
用户和路由器能在网络中随机移动的Adhoc网络正成为主要研究领域，它准许袖珍终端扩展接入和改进应急通信质量。
现今蜂窝通信系统依靠集中控制和管理，而下一代移动通信系统标准转向固定与移动网络相结合，无隙缝和全方位通信Adhoc模式。
Adhoc网络没有事先确定的基础设施和网络链路的时间特性，给分组无线网络设计和实施带来一些基本的挑战，它们是：
（1）必须优化设计安全和路由功能，保证分布式结构有效运行；
（2）在网络动态时，降低路由表更新频数和开销来保证链路连接；
（3）在多跳网络中，改进路由协议设计来减少链路容量和等待时间的波动；
（4）全面权衡网络连接（覆盖）、时延、容量和功率预算等指标；
（5）以优化功率管理和MAC设计来减少先进技术的负面效应[4]。
2.2.12IPv6
4G通信系统选择了采用基于ＩＰ的全分组的方式传送数据流，因此IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。
选择IPv6协议主要基于以下几点的考虑:
（1）巨大的地址空间:
在一段可预见的时期内，它能够为所有可以想像出的网络设备提供一个全球惟一的地址。
（2）自动控制:
IPv6还有另一个基本特性就是它支持无状态和有状态两种地址自动配置的方式。
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，获得一个全球惟一的路由地址。
有状态配置机制，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。
（3）移动性:
移动IPv6（MIPv6）在新功能和新服务方面可提供更大的灵活性。
每个移动设备设有一个固定的家乡地址（homeaddress），这个地址与设备当前接入互联网的位置无关。
当设备在家乡以外的地方使用时，通过一个转交地址（care-ofaddress）来提供移动节点当前的位置信息。
移动设备每次改变位置，都要将它的转交地址告诉给家乡地址和它所对应的通信节点。
在家乡以外的地方，移动设备传送数据包时，通常在IPv6报头中将转交地址作为源地址。
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2.3第四代移动通信系统的目标及发展趋势
第四代移动通信应该实现：
（1）与已有的数字移动通信系统相比，4G系统应具有更高的数据速率和传输质量。
更好的业务质量（QoS）更高的频谱利用率,更高的安全性，智能性和灵活性;
（2）可以容纳更多的用户,应能支持包括非对称性业务在内的多种业务;
（3）4G系统应体现移动与无线接入网和IP网络不断融合的发展趋势,将在不同的固定和无线平台以及跨越不同频带的网络运行中提供无线服务;
（4）能实现全球范围内多个移动网络和无线网络间的无缝漫游,包括网络无缝、终端无缝和内容无缝;
（5）将是多功能集成的宽带移动通信系统，不仅联系人与人，更将联系人与机器、环境，人们将能够随时随地的接入需要的多媒体信息，并可远端控制其他设备。
从4G的发展趋势看，除0FDM和智能天线等核心技术外还包含一些相关技术。
（1）交互干扰抑制和多用户识别：
待开发的交互干扰抑制和多用户识别技术应成为4G的组成部分。
它们以交互干扰抑制的方式引入到基站和移动电话系统，消除不必要的邻近和共信道用户的交互干扰，确保接收高质量信号。
这种组合将满足更大用户容量和覆盖范围，大大减少网络基础设施的部署，确保服务质量。
（2）可重构性自愈网络：
4G无线网络中将采用智能处理器，可处理节点故障或基站超载。
网络各部分采用基于知识解答装置，可纠正网络故障。
（3）微微无线电接收器：
未来4G 中要研究的另一重点，它是嵌入式无线电。
采用此技术，功耗是采用现有技术的l/10～1/100。
（4）无线接入网（RAN）：
4G系统高速度、大容量，低比特成本。
4G系统RAN的发展趋势是电路交换向基于IP分组交换发展，设备分集向网络分集发展。
这种基于IP技术的网络架构使得在3G、4G、W-LAN、固定网之间漫游得以实现，并支持下一代因特网。
3.结束语
4G是人类有史以来最复杂的技术系统。
以上对4G的目标和关键技术进行了一些探讨，具体的实现还会面临着许多问题。
但是4G的曙光已经出现，可以预见，随着技术的进步和网络的发展，下一代的移动通信世界必将会更加灿烂辉煌。
不远的将来，人们将会不受时间、地点限制，可以自由自在地利用移动网络获取和传递信息，从而使人们的学习、工作、生活发生更深刻的变化[5]。
参考文献
[1]唐兴.移动通信技术的历史和发展趋势.江西通信科技,2008年第2期
[2]吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京，北京邮电大学出版社，2002年
[3]雷春娟，李承恕.关于第四代移动通信若干问题的探讨.移动通信2002年第6期
[4]樊自甫.3G后移动数据通信的发展探讨.移动通信2002年第10期
[5]彭艺.第四代移动通信系统及展望.电信科学2002年第6期
致谢
首先感谢我的所有老师，是你们给了我更多的知识，让我的知识结构更加稳固。
感谢老师对我的教育培养，你们细心指导我的学习与研究，教我做人之道，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。
从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!
最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢大家!
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