1、4G 移动通信系统一、4G 移动通信系统概述（1）4G 简述在移动通信领域，每 10 年就发生一次革命性变化。80 年代的第一代模拟移动通信系统和 90 年代的第二代蜂窝移动通信系统主要用于话音业务和支持电路交换类型的业务，这两代系统的空中接口速率只有几百 kbit/s。将在 21 世纪初投入使用的 3G 系统 IMT-2000 在室内环境下能提供 2Mbit/s 的速率，在车载情况下速率至少为 144kbit/s。移动通信已成为当代通信领域发展潜力最大、市场前景最广的热点技术。当今移动通信系统正向高数据率、高度移动性和大范围覆盖方向发展。尽管 3G 系统标准比现有无线技术更强大，但也将面临竞
2、争和标准不兼容等问题。人们呼吁移动通信标准的统一，期望通过第四代移动通信标准的制定来解决兼容问题。（2）4G 概念目前，业界专业人士对 4G 概念移动通信系统的共识主要有以下几点：a) 用户可以在任何地点、任何时间以任何方式不受限地接入网络中来；b) 移动终端可以是任何类型的；c) 用户可以自由地选择业务、应用和网络；d) 可以实现非常先进的移动电子商务；e) 新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。（3）4G 特点（1）具有很高的数据传输速率由于人们研究 4G 通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问 Internet 的速率，因此 4G 通信给人印象最深刻的特征莫过于它具
3、有更快的无线通信速度。从移动通信系统数据传输速率作比较，第一代模拟式仅提供语音服务；第二代数位式移动通信系统传输速率也只有 9.6Kbps，最高可达 32Kbps，如 PHS；而第三代移动通信系统数据传输速率可达到 2Mbps；专家则预估，第四代移动通信系统可以达到 10Mbps 至 20Mbps，甚至最高可以达到每秒高达 100Mbps 速度传输无线信息，这种速度将相当于目前手机的传输速度的 1 万倍左右。（3）高度智能化的网络4G 拟采用智能技术，可自适应地进行资源分配。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行信号的正常收发。有很强的智能性、适应性和灵活性。第四代移动通信的智能
4、性更高，不仅表现在 4G 通信的终端设备的设计和操作具有智能化，例如对菜单和滚动操作的依赖程度将大大降低，更重要的 4G 手机可以实现许多难以想象的功能。例如 4G 手机将能根据环境、时间以及其他设定的因素来适时地提醒手机的主人此时该做什么事，或者不该做什么事，4G 手机可以将电影院票房资料，直接下载到 PDA 之上，这些资料能够把目前的售票情况、座位情况显示得清清楚楚，大家可以根据这些信息来进行在线购买自己满意的电影票；4G 手机可以被看作是一台手提电视，用来看体育比赛之类的各种现场直播。（4）兼容性好目前 ITU 承认的、已有相当规模的移动通信标准有 GSM、CDMA 和 TDMA 三大分
5、支，可通过 4G 标准的制定来解决兼容问题。未来的第四代移动通信系统应当具备全球漫游，接口开放，能跟多种网络互联，终端多样化以及能从第二代平稳过渡等特点。（5）良好的覆盖性能4G 通信系统应具有良好的覆盖并能提供高速可变速率传输。对于室内环境，由于要提供高速传输，小区的半径会更小。（7）实现更高质量的多媒体通信尽管第三代移动通信系统也能实现各种多媒体通信，但未来的 4G 通信能满足第三代移动通信尚不能达到的在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要，第四代移动通信系统提供的无线多媒体通信服务将包括语音、数据、影像等大量信息透过宽频的信道传送出去，为此未来的第四代移动通
6、信系统也称为“多媒体移动通信” 。第四代移动通信不仅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。总结来说，首先必须可以容纳市场庞大的用户数、改善现有通信品质不良，以及达到高速数据传输的要求。(4)4G 发展趋势（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，
7、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/101/100。（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。二、4G 通信系统的网络结构目前，4G 系统仍处于研究的起步阶段，相关标准尚未出台，网络结构也没有成型，但网络融合的趋势是显而易见的，
8、如图 1 所示。图中的“全 IP 核心网”包括从 IP 骨干传输层到控制层、应用层的一个整体。未来的无线基站将具备通过 IP 协议直接接入“全 IP 核心网”的能力，2G 移动通信系统原有的交换中心 MSC、归属位置寄存器HLR、鉴权中心 AUC 等网元的主要功能都将由 4G 网络上的服务器或数据库来实现，信令网上的各层协议也将逐渐被 IP 协议所取代。整个网络将从过去的垂直树型结构演变为分布式的路由结构，业务的差异性也只体现在接入层面。 图 1 4G 移动通信系统网络组成示意图4G 通信系统按照功能可以划分为接入层、承载层和业务控制层 3 层。接入层允许用户使用各种终端通过各种形式接入到 4
9、G 通信系统中，这一部分将是革命性的演进；承载层提供 QoS 保证、安全管理、地址转换等功能，与接入层之间的接口应为开放的 IP 协议接口；业务控制层提供对业务的管理、加载等功能，它与承载层之间也应有开放的接口，以便于第三方提供新的业务应用。从前面对 4G 通信系统的描述中可看出，它是一个远比 3G 更加复杂的通信系统，它的实现需要依托于很多新兴技术。在 4G 通信系统中可能采用的关键技术主要包括 OFDM、软件无线电、智能天线、移动 IPv6 等。三、4G 移动通信系统传输过程（1）复用技术1、OFDM 正交频分复用技术 OFDM 正交频分复用技术的基本思想是将高速串行的数据码流变换成 N（
10、通常取偶数）路并行的低速数据流，再将这 N 路低速数据流分别调制到等频间隔的一组总数为 N 的子载波上，并且这组子载波要满足下交的条件。OFDM 技术的优点是可以通地添加循环前缀来减小或消除码间干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。OFDM 的主要缺点是功率效率不高，对频偏和相位噪声比较敏感。 2 、MIMO 技术 MIMO（多进多出）是未来移动通信的关键技术。MIMO 技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在 WiMAX 协议中都得到了应用。WiMAX 相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持 MIMO 是协议中的一
11、种可选方案，结合自适应天线阵（AAS）和 MIMO 技术，能显著提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境下能够获得最佳的传播性能 （2）调制和编码4G 移动通信系统采用新的调制技术，如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式，以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G 移动通信系统采用更高级的信道编码方案 (如Turbo 码、级连码和 LDPC 等)、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等，从而在低 Eb/N0 条件下保证系统足够的性能。 （3）多址技术多用户检测是 WCDMA 通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的 CD
12、MA 通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为 WCDMA 通信系统的一个主要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差；多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断 发展 ，各种高性能又不是特别复杂
13、的多用户检测器算法不断提出，在 4G 实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。 （4）切换技术 MDHO（宏分集切换）和 F 基站 S（快速基站切换） 。移动台可以通过当前的服务基站广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小区。切换既可以由终端决策发起也可以由基站决策发起。在进行快速基站切换（F 基站S）时，终端只与 Anchor 基站进行通信；所谓快速是指不用执行 HO 过程中的步骤就可以完成从一个 Anchor 基站到另一个 Anchor 基站的切换。支持 F 基站 S 对于终端和基
14、站来说是可选的。进行宏分集切换（MDHO）时，终端可以同时在多个基站之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。是否支持 MDHO 对于终端和基站来说是可选的。 4.10 睡眠模式 睡眠模式：Sleep 模式和 Idle 模式。Sleep 模式的目的在于减少终端的能量消耗并降低对 Serving 基站空中资源的使用。 Sleep 模式是终端在预先协商的指定周期内暂时中止 Serving 基站服务的一种状态。从Serving 基站的角度观察，处于这种状态下的终端处于不可用（unavailability）状态。Idle 模式为终端提供了一种比 Sleep 模式更为省电的工作模式，在
15、进入 Idle 模式后，终端只是在离散的间隔，周期性地接收下行广播数据（包括寻呼消息和 M 基站业务） ，并且在穿越多个基站的移动过程中，不需要进行切换和 网络 重新进入的过程。Idle 模式与 Sleep 模式的区别在于：Idle 模式下终端没有任何连接，包括管理连接，而 Sleep 模式下终端有管理连接，也可能存在业务连接；Idle 模式下终端跨越基站时不需要进行切换，Sleep 模式下终端跨越基站需要进行切换，所以 Idle 模式下终端和基站的开销都比 Sleep 小；Idle 模式下终端定期向系统登记位置，Sleep 模式下终端始终和基站保持联系，不用登记。四、通信概论课程学习体会及意
16、见建议这个学期学习了通信课程，主要了解了一些通信的基本概念，对通信系统和一些通信方式也有了一定的认识，但由于基础知识没有学过，所以学起来感觉就是空中造楼，一开始上课的时候什么概念都不懂，实在是听不进去，后来到了编码译码调制检错纠错的时候，终于开始有些感悟，所以后来上课也能听懂，理解起来也不困难了。现在我觉得难点其实还是最开始的那几章，主要是对通信的计算，后面的章节还是比较容易的，但总的来说，这不是一门容易上手的课，至少我是这么认为的，因为上了两三个星期之后，才慢慢的说这不是一门神课，不是由易到难，感觉是有一道门槛，过了就好简单，没过就好复杂。说了这么多对这么课的感受，再说说学的内容，内容其实联
17、系的紧密的，教员安排的也非常合理，符合我们思考问题的顺序。学习的中途还做了一些实验大作业，我觉得挺好的，挺锻炼我们的编程能力，还锻炼我们挤时间的能力，毕竟这个学期课程相当之多，而每门课都要写大作业，能在规定时间完成真实相当不易。对于这么课，我比较感兴趣的就在编码调制和频带传输那几章，学了之后感觉通信是一个相当奇妙的东西，尤其是数学证明了之后。对这门课程我有一些自己的看法，我觉得上这门课首先要给我们一些通信专业的基础知识和概念或者术语什么的。其次呢，上课内容不能太过深入，太深了会影响之间本来形成的正确理解。再来我觉得，教员，您上课还得再活泼点，别急嘛，慢慢讲没有问题的，还有就是教员您一开始的 ppt 内容比较空洞，看了之后还是不是很清楚，希望加一些注释什么的。总之，这学期学了通信这门课还是非常非常有用的，我在复习计算机网络的时候有一天看到了海明码，真实非常欣慰我通信学过啦！哈哈哈！
