1、4G 网络通信新技术研究1通信网络基础4G 技术信息工程学院指 导 老 师 ： 专业、班级： 通信 111报告人姓名： (签名) 学号： 论文结题时间：2014 年 6 月 17 日4G 网络通信新技术研究24G网络技术介绍摘要摘要：随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第四代移动通信开始兴起，因此有理由期待这种第四代移动通信技术给人们带来更加美好的未来。另一方面，4G 也因为其拥有的超高数据传输速度，被中国物联网校企联盟誉为机器之间当之无愧的“高速对话” 。本文简要分析了:(1) 4G 的网络结构 ;(2) 4G 的关键技术 ,如 OFDM,软件无线
2、电,智能天线技术,MIMO 技术。(3) 比较了 3G 和 4G 不同指标,分析了 3G 和 4G 采用的不同技术。(4) 初步探讨了 4G 的现状和发展。关键词：4G，通信AbstractWith the development of data communication and multimedia service demand, adapt to the mobile data, mobile computing and mobile multimedia operation needs of the fourth generation mobile communication bega
3、n to rise, therefore have reason to look forward to the fourth generation mobile communication technology brings people a better future. On the other hand, 4G also because of its high speed of data transmission, high-speed dialogue Chinese networking alliance known as machine between fully deserve “
4、. This paper briefly analyses: (1) the network structure of 4G; (2) the key technology such as OFDM, 4G, software radio, smart antenna technology, MIMO technology. (3) comparison of different indicators of 3G and 4G, analyzes the different techniques of 3G and 4G use. (4) discusses the present situa
5、tion and development of 4G.keywords：4G, network communication4G 网络通信新技术研究3目录4G网络技术介绍 .2摘要 .2Abstract .2前言 .4第一章 4G 简介 .4第二章 4G系统网络结构 .62.1 三层网络结构 .62.2物理层 .7第三章 4G 网络中的关键技术 .83.1 OFDM.83.2软件无线电 .93.3 智能天线技术(SA) .93.4 多输入多输出(MIMO)技术 .93.5 基于 IP的核心网 .10第四章 3G 与 4G的比较 .104.1核心阅读 .104.2技术指标方面 .114.3技术方面
6、 .114.4速度方面 .12第五章 5 大 4G标准 .135.1 LTE.135.2 LTE-Advanced.145.3 WiMax.145.4 HSPA+：高速下行链路分组接入技术 .155.5 WirelessMAN-Advanced.16第六章 4G 的主要优势与缺陷 .166.1网络频谱更宽 .166.2通信更加灵活 .176.3智能性能更高 .176.4兼容性能更平滑 .186.5提供各种增值服务 .186.6实现更高质量的多媒体通信 .186.7频率使用效率更高 .196.8通信费用更加便宜 .196.9标准难以统一 .196.10技术难以实现 .196.11容量受到限制 .
7、206.12市场难以消化 .206.13设施难以更新 .214G 网络通信新技术研究4第七章 4G 目前的发展状况与我国 4G的发展前景 .227.1显著的差异 .227.2无线宽带，一插即行 .237.3我国的 4G的发展 .23第八章 总结 .26前言所谓 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
8、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 简介什么是 4G？4G 与 3G 有何不同？我们也许很早就听闻过 3G 技术，3G 对我们来说早已不陌生。3G 是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G 服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百 kbps 以上。 3G 是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。4G 技术支持 100Mbps150Mbps的下
9、行网络带宽，也就是 4G 意味着用户可以体验到最大 12.5MB/s18.75MB/s的下行速度。这是当前国内主流中国移动 3G(TD-SCDMA)2.8Mbps 的 35 倍，中国联通 3G（ WCDMA）7.2Mbps 的 14 倍。支持 4G 技术的移动设备可以提供高性能的汇流媒体内容，并通过 ID 应用程序成为个人身份鉴定设备。它也可以接受高分辨率的电影和电视节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。此外，4G 的无线即时连接等某些服务费用会比3G 便宜。还有，4G 有望集成不同模式的无线通信 从无线局域网和蓝牙等室内网络、蜂窝信号、广播电视4G 网络通信新技术研究5到卫星
10、通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。4G 通信技术并没有脱离以前的通信技术，而是以传统通信技术为基础，并利用了一些新的通信技术，来不断提高无线通信的网络效率和功能的。如果说3G 能为人们提供一个高速传输的无线通信环境的话，那么4G 通信会是一种超高速无线网络，一种不需要电缆的信息超级高速公路，这种新网络可使电话用户以无线及三维空间虚拟实境连线。与传统的通信技术相比，4G 通信技术最明显的优势在于通话质量及数据通信速度。然而，在通话品质方面，移动电话消费者还是能接受的。随着技术的发展与应用，现有移动电话网中手机的通话质量还在进一步提高。数据通信速度的高速化的确是一个很大优点，它的
11、最大数据传输速率达到100MB/s，简直是不可思议的事情。另外由于技术的先进性确保了成本投资的大大减少，未来的4G 通信费用也要比2009年通信费用低。4G 通信技术是继第三代以后的又一次无线通信技术演进，其开发更加具有明确的目标性：提高移动装置无线访问互联网的速度-据3G 市场分三个阶段走的的发展计划，3G 的多媒体服务在10 年后进入第三个发展阶段。在发达国家， 3G 服务的普及率更超过60%，那么这时就需要有更新一代的系统来进一步提升服务质量。为了充分利用4G 通信给人们带来的先进服务，人们还必须借助各种各样的4G终端才能实现，而不少通信营运商正是看到了未来通信的巨大市场潜力，他们已经开
12、始把眼光瞄准到生产4G 通信终端产品上，例如生产具有高速分组通信功能的小型终端、生产对应配备摄像机的可视电话以及电影电视的影像发送服务的终端，或者是生产与计算机相匹配的卡式数据通信专用终端。有了这些通信终端后，手机用户就可以随心所欲的漫游了，随时随地的享受高质量的通信了。4G 网络通信新技术研究6第二章 4G系统网络结构2.1 三层网络结构4G 移动系统 网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。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。1) 物理网络层提供
13、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4G 网络通信新技术研究7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
14、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。2.2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
15、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
16、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 3.4GHz3.6GHz 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4G 网络通信新技术研究8界面临的问题和需要努力的方向。（2）
17、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
18、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。第三章 4G 网络中的关键技术4G 移动通信对加速增长的宽带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信会向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动
19、 IP 预计会成为未来移动网的主流业务。4G 网络通信新技术研究93.1 OFDMOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术,实际上 OFDM 是 MCM Multi-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
20、率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISI)能力强。 3.2 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 。3.3 智能天线技术(SA
21、) 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。 3.4 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4G 网络通信新技术研究10系统提供空间复用增益和空间分集增益。空
22、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。 3.5 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。
