第四代移动通信系统的浅析与探讨.docx

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第四代移动通信系统的浅析与探讨

第四代移动通信系统的浅析与探讨

摘要

本文从移动通信发展的几个历史性阶段引入了第四代移动通信系统，并从基本概念、接入系统、网络结构、技术要求、关键技术等几个方面全面介绍了第四代移动通信系统，以及第四代移动通信（4G）的特点及发展趋势，与移动通信发展的前几个阶段相比具有的一些优势，提出了实现4G移动通信需要解决的多项关键技术，包括正交频分复用OFDM多载波传输技术、软件无线电技术、智能天线技术、多输入多输出技术（MIMO）、IP网络技术；特别讨论了正交频分复用OFDM多载波传输技术、4G系统的网络结构，它具体包括一个基于IP的核心网络和由几种接入系统组成的接入平台。

以及4G系统的基本要素，完全集中的服务，无所不在的移动接入，不同的用户设备，自治的网络；第四代移动通信系统产生的背景；第四代移动通信存在的一些问题讨论，通过分析了4G面临的问题，介绍了世界及我国对4G的关注，对移动通信前20余年的发展略予回顾，指出其现状差强人意之处。

阐述了当前世界各国相关业界对于新一代移动通信技术发展的一些要求、设想和探讨，并对4G的技术前景等进行一些探索和展望。

随着社会的不断进步，对4G研究的不断深入，相信第四代移动通信系统与我们的距离将越来越小。

具有高数据率、高频谱利用率、低发射功率、灵活业务支撑能力的未来无线移动通信系统（4G），必将是通往未来无线与移动通信系统的必然途径。

关键词4G移动通信，正交频分复用 ，多模式终端，无线接入网，多媒体通信

THEANALYSISANDDISCUSSABOUTTHE4th

GENERATIONMOBILECOMMUNICATIONSYSTEM

ABSTRACT

Thistextintroducethe4thgenerationmobilecommunicationsystembyseveralhistorystageofthemobilecommunicationdevelopment,italsointroducethemobilecommunicationsystemandthecharacteranddeveloptrendof4thgenerationcommunication（4G）,ithassomeadvantagecomparewiththeformerstagesofmobilecommunication,itproposeseveralcriticaltechnologytorealizethe4thgenerationcommunication,includingOFDM,multicarrierwavetransmittechnology,softwarewirelesstechnology,intelligentantennatechnology,MIMO,IPnetworktechnology;speciallydiscussingOFDM,networkstructionof4thGsystem,itincludeanetworkbasedonIPcorenetworkandanaccessplatformthatconstitutebyseveralaccesssystem.andthebasicelementsof4Gsystem,totallycenterservice,everywhereradioaccess,differentcustomerequipment,autonomicnetwork;thegeneratebackgroundof4thmobilecommunication;someproblemdiscussingof4thmobilecommunication,itintroducethefocusof4GbytheworldorChina,thereviewoftheformer20yearsdevelopmentofmobilecommunicationbyanalyzingthe4Gfacingproblem.Elaboratedthedemand,assumeanddiscussofthenewgenerationmobilecommunicationtechnologybyrelatedindustryofinternationalcommunity,exploredandprospectedtechnologyforegroundof4G.Alongwiththeprogressunremittinglyofsociety,studytothe4Gcontinuouslythorough,believethe4thmobilecommunicationsystemandusdistancewillbemoreandmoreshort.Havethehighdatarate,highfrequencychartutilizationcoefficient,Lowblast-offpower,agilityoperationpropsupabilityofthefuturewirelessmobilecommunicationsystemwillisleadstothepathnecessityofthefuturewirelessandmobilecommunicationsystem.

KEYWORDS4thmobilecommunication,OFDM,multimodeterminal,wirelessnetwork,multimediacommunication.

一、移动通信发展的历程----------------------------------------3

1、第一代移动通信技术-----------------------------------------3

2、第二代移动通信技术-----------------------------------------3

3、第三代移动通信技术-----------------------------------------4

二、第四代移动通信产生的背景----------------------------------4

三、4G移动通信的概念、技术要求、特征--------------------------6

1、4G移动通信简介--------------------------------------------6

2、4G移动通信主要技术要求------------------------------------6

3、目前正在开发和研制中的4G通信具有的特征-------------------6

四、4G移动通信的接入系统--------------------------------------7

五、4G移动通信系统中的关键技术--------------------------------8

1、定位技术---------------------------------------------------8

2、切换技术---------------------------------------------------9

3、软件无线电技术---------------------------------------------9

4、智能天线（SA）与多入多出天线（MIMO）技术-----------------------9

5、交互干扰抑制和多用户识别-----------------------------------10

6、可重构性/自愈网络------------------------------------------10

7、新的调制和信号传输技术-------------------------------------10

8、信道传输---------------------------------------------------10

9、系统管理资源-----------------------------------------------11

10、4G的技术特点----------------------------------------------11

六、OFDM技术在4G移动通信中的应用-----------------------------11

1、功能模块---------------------------------------------------14

2、OFDM技术优点----------------------------------------------15

3、OFDM技术的两个缺陷----------------------------------------16

七、4G的网络体系结构------------------------------------------16

1、4G网络有如下特征--------------------------------------------17

八、第四代移动通信面临的问题----------------------------------18

1、第四代通信技术存在的缺陷-----------------------------------19

2、实施4G通信，将可能遇到的一些困难--------------------------20

九、当前的一些研究动向----------------------------------------21

1、移动宽带系统（MBS）----------------------------------------23

2、IEEE802．11系列　　----------------------------------------23

3、5－UP------------------------------------------------------24

4、多点多信道分配系统（MMDS）----------------------------------25

5、移动卫星服务（MSS）系统　------------------------------------25

6、全IP-------------------------------------------------------26

7、移动IP-----------------------------------------------------26

8、系统框架　---------------------------------------------------27　

十、第四代移动通信发展的前景-----------------------------------28

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。

一、移动通信发展历程：

图1-1

1、第一代移动通信技术（1G）

　　主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。

由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途温游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。

第一代移动通信有很多不足之处，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、不能提供自动温游等。

2、第二代移动通信技术（2G）

　　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，其主特性是提供数字化的话音业务及低速数据业务。

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。

3、第三代移动通信技术（3G）

　　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。

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。

第四代移动通信系统的提供便是希望能满足提供更大的频宽需求，满足第三代移动通信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。

二、第四代移动通信系统产生的背景

　　随着人们的生活空间、活动空间和参与领域在不断地扩大，对手机的功能要求，已不仅仅是对话和通信，还有许许多多其他方面的功能。

要实现这些功能，就必须要有新型的通信技术来做保证，在这种情况下各种新兴的通信技术就应运而生了，但是，因为各个通信商家的利益得不到很好的协调，这些新兴的通信技术如今被分化成了三大阵营。

然而，统一的呼声在业界仍然留存，希望在未来能够统一。

这种趋势迫使人们考虑新一代的系统，它能在所有的环境和各种移动状态中传送无线多媒体服务，满足用户服务质量（QoS）的要求。

目前相互兼容的第四代移动通信标准（亦称为后三代移动通信标准）正在业界萌动。

　　从移动通信系统数据传输速率的比较来看，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数字式移动通信系统传输速率也只有9.6kbit/s，最高可达32kbit/s，如PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到2Mbit/s；预计，第四代移动通信系统可以达到10Mbit/s至20Mbit/s。

虽然第三代移动通信可以比现有传输速率快上千倍，但是未来仍无法满足多媒体的通信需求，第四代移动通信系统的提出便是希望能满足更大的频宽需求。

　　第四代移动通信系统与第三代移动通信系统都是为未来无线通信服务的，将多媒体包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，我们可暂且将第四代移动通信系统称之为“多媒体移动通信（Multi-MobileCommunication）”，通常也简称为4G。

第四代移动通信不仅是为了因应用户数的增加，更重要的是，必须要因应多媒体的传输需求，当然还包括通信品质的要求。

总的来说，必须可以容纳庞大的用户数、改善现有通信品质以及达到高速数据传输的要求。

第四代移动通信系统在业务、功能、频带上都将不同于第三代系统，第四代移动通信的概念也可称为宽带接入和分布式网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。

它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和互操作的广播网络（基于地面和卫星系统）。

另外，第四代移动通信将在不同的固定和无线平台和跨越不同频带的网络运行中提供无线服务，可以在任何地方宽带接入因特网，包含卫星通信，能提供信息通信之外的定位、数据采集、远程控制等综合功能。

同时，第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统。

　　第四代移动通信系统技术目前还只是一个基本概念，就是无线互联网技术，但可以肯定的是，随着互联网高速发展4G也会继续高速发展；电脑日趋小型化、简便化，最终将所有技术整合为一个类似PDA的产品；卫星通信和空间技术会成为常用技术。

而移动通信应用的相关技术，如更高频宽的应用、智能信号处理技术、业务功能综合能力、网络技术及卫星技术等亦急速发展。

第四代移动通信系统技术与第三代移动通信系统技术相比，除了通信速度大为提高之外,还可以借助IP进行通话。

第四代移动通信技术的国际标准化作业,将由国际电联的无线部门负责实施。

如今，第四代蜂窝网络技术（4G）正向人们走来，它提供的移动数据通信速率可达100Mbps甚至更高。

业界人士预计，4G最早有望在2010出现，一些蜂窝电话生产商甚至将时间锁定在2006年。

据第四代移动通信论坛（FGMF）估计，到年底，全球在4G领域的投资将达300亿美元。

　　3G不成熟导致4G出台，3G技术发展至今仍不是很成熟。

目前，3G还缺乏全球统一标准，即使是在美国，也存在三种互不兼容的规范；3G所运用的语音交换架构仍承袭了第二代（2G）的电路交换，而不是纯IP方式；被人们炒得沸沸扬扬的流媒体（视频）应用也不尽如人意——犹如放幻灯片；更为重要的一点是，它的数据传输率只接近于普通拨号接入的水平，更赶不上DSL。

3G开发之初，人们对其数据通信功能寄予厚望，但事实上开发3G主要受经济因素的驱动，即为了尽早推向市场，容纳更多的窄带语音应用。

迄今为止，人们仍视推出的3G系统为测试版本，很多功能没能真正实现，3G也无法做到当初开发人员对它的功能性要求。

如今3G的数据传输率已有所提高，但要快速传输较大的电子邮件附件，仍然不具备足够的带宽，更不可能实现蜂窝电话开发商早期所宣扬的，以广播电视的质量提供流式音/视频服务。

　　有别于以往的无线通信系统，4G将能够提供全息录音、远程控制卡以及移动虚拟现实等功能。

4G将不仅仅应用于蜂窝电话通信领域，日本及欧洲一些移动运营商正在开发相关增值服务，而美国的固定无线通信服务商则试图通过改变网络灵活性向4G过渡。

另外，4G将融合新型无线LAN技术，因为无线LAN技术提供的速率已接近4G的水平。

　　4G可以是移动宽带系统（MBS）虽然人们现在才谈论4G，但对其酝酿开发却是十多前年的事。

欧洲早在上世纪90年代就在进行相关研究，现在的核心问题是如何开发更高数据传输率的技术，以适应未来移动通信的需求。

　　目前，最先进的4G方案是在欧盟领导下由众多公司和大学协作开发的移动宽带系统（MBS）。

MBS的目标是使蜂窝系统具备低时延、高QoS保证，数据传输率达到OC-3（155M）的水平，比现行速率要快数千倍。

　　MBS创建于1995年，原型的数据传输率为E3（34M）的水平，但通过并行运用多路链接可提高数据传输率。

MBS经过很多室内和室外环境的测试，包括在比较拥塞的城区以每小时30英里的速度行进。

MBS的物理层采用独特的时分多路接入（TDMA）技术，这也是大多数2G蜂窝电话所采纳的标准；更高层则采用ATM方式。

不过开发人员认为，MBS原型的功能仍不是很强，估计要经过15年左右时间才能进行商品化生产：

成熟的产品将在2010年出现，广泛配置要到2020年。

这期间规范肯定要作相应变更，物理层将会采用OFDM（正交频分多路复用）技术，因为它的抗干扰能力强；由于将来采用IPv6协议，ATM方式将被舍弃。

系统到底采用哪类无线频谱目前仍在讨论中。

MBS原型运用60GHz频段，这有大量可利用带宽，但传输距离限制在约100米范围内。

因此，构建这样一个全国性网络需要数百万个基站，而且每个基站规模不能太大。

欧洲无线战略动议（EWSI）小组认为，应将频谱定在40GHz，以容纳更多蜂窝电话接入，而且能够节省网络构造成本。

以前的无线通信系统主要关注语音应用，其中也融合有短消息服务（SMS）等其它类型的通信。

MBS将朝着“与服务无关性”方向发展：

随着数据传输率的提高，无线通信设备将能实现任何应用。

迄今为止，日本是广泛运用移动数据通信并获利的唯一国家，这使得日本运营商最有可能成为引导4G发展的先锋。

NTTDoCoMo提供的i-mode服务模式已在日本赢得了广泛的市场，它能通过蜂窝电话提供有限的Web接入服务。

DoCoMo借助i-mode而一举成为全球最大的ISP（接入用户数最多）。

DoCoMo认为，真正的移动宽带网将完全取代固定接入模式，它计划在2006年前开发出可投入实际运用的4G系统。

DoCoMo甚至预计，将来的移动数据通信将不仅仅是Web冲浪和接入公司服务器这类简单应用，将会出现“机对机”通信的巨大市场应用。

例如，汽车从交通中心的计算机中获取方位信息，家电能够自动订购物品。

三、4G移动通信的概念、技术要求、特征

 1、4G移动通信简介

第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。

它包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。

第四代移动通信标准比第三代标准具有更多的功能。

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，可以在任何地方用宽带接入互联网（包括卫星通信和平流层通信），能够提供定位定时，数据采集、远程控制等综合功能。

此外，对全速移动用户能提供150Mb／s的高质量影像服务，将首次实现三维图像的高质量传输。

他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）。

其广带无线局域网（WLAN）能与B-ISDN和ATM兼容，实现广带多媒体通信，形成综合广带通信网（IBCN），他还能提供信息之外的定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。

2、4G移动通信主要技术要求：

（1）通信速度提高，数据率超过UMTS，上网速率从2Mb／s提高到100Mb／s。

（2）以移动数据为主面向Internet大范围覆盖高速移动通信网络，改变了以传统移动电话业务为主设计移动通信网络的设计观念。

　　（3）采用多天线或分布天线的系统结构及终端形式，支持手机互助功能，采用可穿戴无线电，可下载无线电等新技术。

　　（4）发射功率比现有移动通信系统降低10～100倍，能够较好地解决电磁干扰问题。

　（5）支持更为丰富的移动通信业务，包括高分辨率实时图像业务、会议电视虚拟现实业务等，使用户在任何地方可以获得任何所需的信息服务，且服务质量得到保证。

第四代移动通信系统是集成多功能的宽带移动通信系统，是宽带接入IP系统