4G移动通信技术.docx
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4G移动通信技术
《能力拓展训练》报告
题目：
4G移动通信技术
专业班级：
通信0702班
学生姓名：
刘磊
指导教师：
撒继铭
武汉理工大学信息工程学院
2010年7月11日
《能力拓展训练》任务书
学生姓名：
刘磊专业班级：
通信0702班
指导教师：
撒继铭工作单位：
信息工程学院
题目:
4G移动通信技术
课程设计目的：
《能力拓展训练》主要目的是安排学生进行与专业有关的综合性设计和研究，开展专题调研、探索、研究和设计，培养学生综合应用所学知识分析问题、解决问题的能力；锻炼学生查询文献资料、灵活运用知识、有效开展科学研究的能力；提高学生的综合素质。
根据本专业需求和特点，需要在通信专业知识、实验技能和研究能力方面进行综合提高，使学生对专业综合及专业前沿知识有较为全面的了解和掌握，能够运用相关仪器和软件进行实验和模拟分析专业问题。
课程设计内容和要求：
对4G移动通信技术的发展与现状相关课题和问题进行调研，查阅资料，分析问题，设计和比较方案，进行综合分析、实验或仿真并得出结论，写出研究报告。
初始条件：
武汉理工大学图书馆及图书馆网站上的“电子资源导航”。
中国期刊网。
时间安排：
第19周，安排设计任务；
第20周，完成课题研究、报告书写以及答辩；
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要I
AbstractII
1概述1
24G移动通信网络1
33G和4G的比较1
3.1技术指标方面的对比1
3.2技术方面的对比2
44G移动通信的关键技术3
4.1OFDM3
4.1.1OFDM原理简介3
4.1.2OFDM技术的优点4
4.1.3OFDM技术存在的不足6
4.2软件无线电6
4.3智能天线技术（SA）8
4.4多输入多输出（MIMO）技术9
4.4.1空间复用技术10
4.4.2发送分集和接收分集11
54G面临的困难12
6我国4G的发展12
7总结（心得体会）14
8参考文献15
摘要
4G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。
在还没有完全享受3G移动通信系统商所带来服务的同时，4G移动通信技术的研究已经在逐步的进行着。
该文简要分析了：
（1）4G的网络结构；
（2）比较了3G和4G不同指标，分析了3G和4G采用的不同技术。
（3）4G的关键技术，如OFDM，软件无线电，智能天线技术，MIMO技术。
（4）初步探讨了4G的现状和发展。
关键词：
3G；4G；OFDM；软件无线电；智能天线；MIMO技术；网络
Abstract
4Gisthefourthgenerationmobilecommunicationandtechnologyforshort,isa3GandWLANinoneandbeabletotransmithighqualityvideoimagesandimagetransmissionqualitycomparabletohigh-definitiontelevisiontechnologyproducts.
4Gsystemisableto100Mbpsspeeddownload2000timesfasterthandial-up,uploadspeedcanreach20Mbps,andcansatisfyalmostanyuserdemandforwirelessservices.Whiletheuserismostconcernedaboutprice,4Gandfixedbroadbandnetworkscomparableinprice,andbillingmoreflexible,theusercandeterminebasedontheirneedstheservicesrequired.Inaddition,4GDSLandcablemodeminplacenotcoveredbythedeployment,andthenextendedtotheentireregion.
Intheabsenceoffullenjoymentof3Gmobilecommunicationsystemsbroughtaboutbyserviceprovidersatthesametime,4Gmobilecommunicationstechnologyhasbeencarriedoutinstep-by-step.Inthispaper,abriefanalysisof:
（1）4Gnetworkstructure;
（2）comparisonofdifferentindicatorsof3Gand4G,3Gand4Ganalysisofthedifferenttechnologiesused.（3）4GkeytechnologiessuchasOFDM,softwareradio,smartantennatechnology,MIMOtechnology.（4）discussedthecurrentsituationanddevelopmentof4G.
Keywords:
3G;4G;OFDM;SoftwareDefinedRadio;IntelligentAntenna;MIMOTechnology;Network
1概述
第三代移动通信（3G）的各种标准和规范已逐步形成，并开始应用，但目前大多数国家运营的仍然是2G或2．5G的移动通信系统。
3G系统实际所能提供的速率为384kbps，远低于标称的最高速率2Mbps，难以满足用户13益增长的需求。
因此在3G系统还没有大规模投入使用的情况下，国内外移动通信领域的专家已经开始进行4G（或B3G）系统的研究和开发工作。
24G移动通信网络
可以从以下几方面来描述第四代移动通信系统：
a．新的频段（比如5—8GHz或更高）上的无线通信系统，基于分组数据的高速率传输（50Mbps以上），承载大量的多媒体信息，具有非对称的上下行链路速率等功能；b．“全球统一”（包括卫星部分）的通信系统，基于全新网络体制的系统，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝”链接，使得用户能够自由地在各种网络环境间无缝漫游；c．融合了数字通信、数字音／视颇接收（点播）／和因特网介入的崭新的系统，用户能够自由的选择协议、应用和网络，让应用业务提供商（ASP）及内容提供商（SP）提供独立于操作的业务及内容。
33G和4G的比较
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。
3.1技术指标方面的对比
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。
3.2技术方面的对比
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；
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。
44G移动通信的关键技术
4.1OFDM
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。
4.1.1OFDM原理简介
OFDM技术是一种多载波调制技术，其特点是各副载波相互正交。
设{fm}是一组载波频率，各载波频率的关系为：
{fm}=f0+m/Tm=0,1,2,…N-1
（1）
式中，T是单元码的持续时间，f0是发送频率。
作为载波的单元信号组定义为[16]:
式中l的物理意义对应于“帧”（即在第l时刻有m路并行码同时发送）。
其频谱相互交叠。
OFDM是由一系列在频率上等间隔的副载波构成，每个副载波数字符号调制，各载波上的信号功率形式都是相同的，都为sinf/f型，它对应于时域的方波。
Φm（t）满足正交条件
以及
其中符号“*”表示共轭。
当以一组取自有限集的复数{Xm,l}表示的数字信号对φm调制时，则：
此S（t）即为OFDM信号，其中Sl（t）表示第l帧OFDM信号，Xm,l（m=0,1,…，N-1）为一簇信号点，分别在第l帧OFDM的第m个副载波上传输。
在接收端，可通过下式解调出Xm,l
这就是OFDM的基本原理。
当传输信道中出现多径传播时，在接收副载波间的正交性将被破坏，使得每个副载波上的前后传输符号间以及各副载波之间发生相互干扰。
为解决这个问题，就在每个OFDM传输信号前插入一保护间隔，它是由OFDM信号进行周期扩展而来。
只要多径时延不超过保护间隔，副载波间的正交性就不会被破坏。
4.1.2OFDM技术的优点
OFDM存在很多技术优点见如下，在3G、4G中被运用，作为通信方面其有很多优势：
（1）在窄带带宽下也能够发出大量的数据。
OFDM技术能同时分开至少1000个数字信号，而且在干扰的信号周围可以安全运行的能力将直接威胁到目前市场上已经开始流行的CDMA技术的进一步发展壮大的态势，正是由于具有了这种特殊的信号“穿透能力”使得OFDM技术深受欧洲通信营运商以及手机生产商的喜爱和欢迎，例如加利福尼亚Cisco系统公司、纽约Flarion工学院以及朗讯工学院等开始使用，在加拿大Wi-LAN工学院也开始使用这项技术。
（2）OFDM技术能够持续不断地监控传输介质上通信特性的突然变化，由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化，所以OFDM能动态地与之相适应，并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。
（3）该技术可以自动地检测到传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲，然后采取合适的调制措施来使指定频率下的载波进行成功通信。
（4）OFDM技术特别适合使用在高层建筑物、居民密集和地理上突出的地方以及将信号散播的地区。
高速的数据传播及数字语音广播都希望降低多径效应对信号的影响。
（5）OFDM技术的最大优点是对抗频率选择性衰落或窄带干扰。
在单载波系统中，单个衰落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分载波会受到干扰。
对这些子信道还可以采用纠错码来进行纠错。
（6）可以有效地对抗信号波形间的干扰，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。
当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其携带的信息受影响，其他的子载波未受损害，因此系统总的误码率性能要好得多。
（7）通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。
OFDM技术本身已经利用了信道的频率分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器。
通过将各个信道联合编码，则可以使系统性能得到提高。
（8）OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。
（9）可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法；
（10）信道利用率很高，这一点在频谱资源有限的无线环境中尤为重要；当子载波个数很大时，系统的频谱利用率趋于2Baud/Hz。
4.1.3OFDM技术存在的不足
虽然OFDM有上述优点，但是同样其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势：
（1）对相位噪声和载波频偏十分敏感
这是OFDM技术一个非常致命的缺点，整个OFDM系统对各个子载波之间的正交性要求格外严格，任何一点小的载波频偏都会破坏子载波之间的正交性，引起ISI，同样，相位噪声也会导致码元星座点的旋转、扩散，从而形成ISI。
而单载波系统就没有这个问题，相位噪声和载波频偏仅仅是降低了接收到的信噪比SNR，而不会引起互相之间的干扰。
（2）峰均比过大
OFDM信号由多个子载波信号组成，这些子载波信号由不同的调制符号独立调制。
同传统的恒包络的调制方法相比，OFDM调制存在一个很高的峰值因子。
因为OFDM信号是很多个小信号的总和，这些小信号的相位是由要传输的数据序列决定的。
对某些数据，这些小信号可能同相，而在幅度上叠加在一起从而产生很大的瞬时峰值幅度。
而峰均比过大，将会增加A/D和D/A的复杂性，而且会降低射频功率放大器的效率。
同时，在发射端，放大器的最大输出功率就限制了信号的峰值，这会在OFDM频段内和相邻频段之间产生干扰。
（3）所需线性范围宽
由于OFDM系统峰值平均功率比（PAPR）大，对非线性放大更为敏感，故OFDM调制系统比单载波系统对放大器的线性范围要求更高。
4.2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。
图1_软件无线电结构简图
使用SDR概念来设计和实现下一代的无线通信系统和设备，与传统的产品和设备相比较，具有明显的优势。
它将使得从技术研究开发，到设备制造商、电信运营商，再到每个无线通信最终用户都受益。
具体如下：
1、为技术和产品的研究开发提供一个新概念和通用无线通信平台，大大降低了开发成本和周期
对技术和产品的研究开发而言，传统的无线通信系统只对单一的标准进行产品开发，从标准相对稳定到设计和开发专用芯片，再到产品设计和实现是一个以年为单位的过程，开发周期长、开发成本高。
上述情况导致在标准制定进程中，大多数新技术不能被应用，限制了新技术的发展和应用，导致商用产品和当时技术水平的巨大差异。
SDR将提供一个新概念和通用无线通信平台，在此平台上，可能基于软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了开发成本和周期，使产品能跟上技术发展的水平。
未来的新业务将由用户来开发，只有使用SDR的概念，才可能让用户像使用PC一样，用SDR设备去开发所需的新业务。
2、为设备制造商降低投资风险，提高经济效益
对制造商来说，随着技术的进步，无线通信产品的生命周期越来越短，因此针对单一产品线的投资风险很大。
基于SDR产品的生产将比传统产品原材料成本低，且产品寿命长，这就意味着投资风险低。
同时，由于它简单化及标准化硬件使得产品容易生产。
因此，制造商生产基于SDR技术的产品，可得到远大于生产传统产品的效益。
3、为运营商降低投资风险
对运营商来说，移动通信网建设需要巨大投资，同时具有很大风险性。
一方面由于市场需求，GSM网络迅速扩容，增加GPRS设备；另一方面又面临第三代移动通信即将到来的时期，制定一个成功的投资战略极为困难。
在下阶段又将考虑在第三代移动通信的多种标准中如何选择，也有很大的投资风险。
软件无线电从某种程度上就可降低这种风险。
4、为最终用户提供了一个通用的终端设备平台
从最终用户的角度看，基于SDR技术用户的设备，是为用户提供了一个通用的终端设备平台。
它应当能支持多达5～8种国际上通用的标准，而且可以通过空间加载软件技术达到用户设备升级的目的。
只有这样，用户才不需要关心他所在的地区和运营商的问题，从而实现真正意义的全世界漫游。
用户也有可能获得他所希望得到的新业务。
4.3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。
天线的方向图表示的是空间角度与天线增益的关系，对于全向天线来说，它的方向图是一个圆；对于阵列天线，可以通过调整阵列中各个元素的加权参数来形成更具方向性的天线方向图，形成主瓣方向具有较大增益，而其它副瓣方向增益较小的形式。
智能天线正是一种能够根据通信的情况，实时地调整阵列天线各元素的参数，形成自适应的方向图的设备。
这种方向图通常以最大限度地放大有用信号、抑制干扰信号为目的，例如将大增益的主瓣对准有用信号，而在其他方向的干扰信号上使用小信号的副瓣。
智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其中信号处理部分根据得到的关于通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接收和发送特性。
这些信息可能是接收到的无线信号的情况；在使用闭环反馈的形式时，也可能是通信对端关于发送信号接收情况的反馈信息。
把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。
构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。
智能天线系统由天线阵列部分、阵列形状、模数转换等几部分组成,如图所示。
实际智能天线结构比图复杂,因为图中表示的是单个用户情况,假如在一个小区中有K个用户,则图中仅天线阵列和模数转换部分可以共用,其余自适应数字信号处理器与相应的波束形成网络需要每个用户一套,共K套。
以形成K个自适应波束跟踪K个用户。
被跟踪的用户为期望用户,剩下的K-1个用户均为干扰用户。
智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益,在干扰源的方向降低增益.因此,智能天线系统的应用可以带来如下好处：
提高系统容量、减小衰减、抗干扰能力较强、实现移动台定位、增强网络管理能力等。
4.4多输入多输出（MIMO）技术
多输人多输出技术（MIMO）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。
4.4.1空间复用技术
空间复用就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数据通道（ＭＩＭＯ子信道）发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。
这种信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段。
空间复用的实现，首先将需要传送的信号经过串并转换转换成几个平行的信号流并且在同一频带上使用各自的天线同时传送，由于多径传播每一副发射天线针对接收端产生一个不同的空间信号，接收方利用信号不同来区分各自的数据流。
实现空间复用必须要求发射和接收天线之间的间距大于相关距离，这样才能保证收发端各个子信道是独立衰落的不相关信道。
实现空间复用的接收端的解码算法有迫零算法（ＺＦ）、最小均方误差算法（ＭＭＳＥ）、垂直－贝尔实验室分层空时码（Ｖ－ＢＬＡＳＴ）算法和最大似然算法（ＭＬ）。
迫零算法是一种线性接收方法，可以很好地分离同频信号，但是需要有较高的信噪比才能保持较好的性能。
另一种线性接收算法是最小均方误码算法，该算法可以使由于噪声和同频信号相互干扰造成的错误最小，尽管它降低了信号分离的质量，但具有较好的抗噪性能。
最大似然算法接收性能最好，但是计算复杂性高。
ＢＬＡＳＴ是一种可以实现空间复用增益的算法。
１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ提出对角－贝尔实验室分层空时码（Ｄ－ＢＬＡＳＴ）算法，但是由于算法的复杂度太大，很难实际应用。
１９９８年由Ｆｏｓｃｈｉｎｉ和Ｇ．Ｇｏｌｄｅｎ提出Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法。
Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法不是对所有的发送信号一起解码，而是首先对最强的信号解码，然后在接收到的信号中减去这个最强的信号，再对剩余信号中的最强信号解码，再减去这个信号，这样依次进行，直到所有的信号都被译出。
Ｖ－ＢＬＡＳＴ算法是算法复杂度和译码性能综合考虑下一种最优的译码算法。
4.4.2发送分集和接收分集
空间分集技术可以分为接收分集和发射分集两类，通常
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