1、4G 数字移动通信系统的发展及展望学生学号：2011020324所在班级：信工 112 班所在院系：信息工程系学生姓名：黄 方4G 移动通信系统的发展及展望摘要：近年来,随着我国通信行业的迅速发展,4G 通信技术在各行业中得到了广泛的应用与推广。4G 移动通信技术是 3G 移动通信技术的升级 ,其通信技术具有传输速度高、安全性高、技术保障能力强、更有人性化等方面的优点,成为移动通信行业的主导技术,满足了用户的基本需求。文章阐述了 4G 移动通信技术的概念和特征,在此基础上,针对 4G 移动通信关键技术以及应用进行了探讨 ,并提出了其技术的展望。关键词：4G；通信技术；无线通信；网络结构；核心技
2、术一、引言4G 是指第四代移动通信及其技术，是我们熟悉的 2G、3G 的升级版。4G 最大的数据传输速率超过 100Mbit/s，是移动电话数据传输速率的 1 万倍，是 3G移动电话速率的 50 倍。4G 手机可以提供超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直播节目，从而成为合并广播和通信的新基础设施中的一个纽带。2G 时代，我们通过手机打电话和发短信，并尝试一些低速移动上网服务。3G 时代网络速度有了提升，也带动了智能手机的兴起。如今 4G 来临，对网络速度要求更高、体验更好的应用会成为用户新宠。通信业专家项立刚说过，如果把 2G 比
3、作自行车，3G 则是绿皮火车，那么 4G 就将是高速动车。二、第四代（4G）移动通信系统简介4G 移动通信网络结构可分为三层：物理网络层、中间环境层、应用网络层。物理网络层提供接入和路由选择功能，它们由无线和核心网的结合格式完成。中间环境层的功能有 QoS 映射、地址变换和完全性管理等。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，它使发展和提供新的应用及服务变得更为容易，提供无缝高数据率的无线服务，并运行于多个频带。这一服务能自适应多个无线标准及多模终端能力，跨越多个运营者和服务，提供大范围服务。第四代移动通信系统的关键技术包括信息传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；
4、高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心。OFDM 技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为 4G 无线网提供更好的方案。例如无线区域环路（WLL）、数字音讯广播（DAB）等，预计都采用 OFDM 技术。4G 移动通信对加速增长的广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。移动通信会向数
5、据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP 预计会成为未来移动网的主流业务。 三、4G 移动通信系统的核心技术从前面对 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，下面分别介绍这几种4G 通信系统中的关键技术。1. OFDM(正交频分复用)由于无线信道存在多径效应，数据信号在各种不同类型的无线信道上传输时，产生的时延会造成接收信号的码间干扰，尤其当码元速率提高而周期相应缩短时，时延将会跨越更多的码元，而使这种干扰变得更大
6、。未来的无线多媒体业务首先要求数据传输速率要高，同时又要保证传输质量，这就要求所采用的调制解调技术既要有较高的信元速率，又要有较长的码元周期。基于这样的考虑，产生了 OFDM 技术，属于多载波调制技术(MCM)中的一种。OFDM 是 4G 通信网的核心技术。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
7、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(Impulse Noise)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，如衰落不特别严重，就没必要再添加时域均衡器。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。(3)抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会
8、造成一定的码间干扰。O 除上述优点外，OFDM 也有 3 个较明显的缺点。 首先，对频偏和相位噪声敏感。频偏和相位噪声会使 OFDM 各子载波之间的正交性恶化。其次，功率峰值与均值比(PARR)大，导致发送端放大器功率效率较低。由于 OFDM 的信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加合成的，因此有可能产生比较大的峰值功率，也就有可能产生较大的 PARR 值。第三，自适应的调制技术使系统复杂度有所增加。OFDM 采用的自适应调制技术会增加发射机和接收机的复杂度，并且当移动终端达到车载的移动速度时，自适应的调制技术就没有很大意义了。2.软件无线电所谓软件无线电(Software Defined
9、 Radio,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。软件无线电的核心技术是用宽频带无线接收机代替原来的窄带接收机，并将宽带的模拟/数字、数字/模拟变换器尽可能的靠近天线，从而使通信电台的功能尽可能多的采用可编程软件来实现。软件无线电的优势主要体现在以下几个方面。(1)系统结构通用，功能实现灵活，改进升级方便。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
10、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。(2)提供了不同系统间互操作的可能性。软件无线电可以使移动终端适合各种类型的空中接口，可以在不同类型的业务间转换。多个信道享有共同的射频前端与宽带 A/D、D/A 变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。(3)由于通过软件实现系统的主要功能，因此更易于采用新的信号处理手段，从而提高了系统抗干扰的性能。(4)拥有较强跟踪新技术的能力。由于它能在保证硬件平台基本结构不发生变化的情况下，通过改变软件来实现新业务和使用新技术，大大降低了设备商的新通信产品开发成本和周期
11、，同时也降低了运营商的投资。3智能天线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。多波束天线在一个扇区中使用多个固定波束，而在自适应阵列中，多个天线的接收信号被加权并且合成在一起使信噪比达到最大。与固定波束天线相比，天线阵列的优点是除了提供高的天线增益外，还能提供相应倍数的分集增益。但是它们要求每个天线有一个接收机，还能提供相应倍数的分集增益。目前 2G 通信系统中采用的天线分为全向天线和定向天线两种，全向天线应用于 360覆盖的小区，定向天线应用于小区分裂后的部分覆盖小区。这两种天线覆盖的区域形状都是不变的，因此对于基站来说，给每个移动用户的下行信号是广播式发送的，这样势必会引起系
12、统干扰，并降低了系统容量。因此，智能天线技术更加适用于具有复杂电波传播环境的移动通信系统。在我国提出的 3G 标准 TD-SCDMA 中采用了智能天线技术。智能天线具有以下优点。 (1)提高系统容量。智能天线采用了 SDMA 技术，利用空间方向的不同进行信道分割，在不同信道中可以在同一时间使用同一种频率而不会产生干扰，从而提高了系统容量。(2)降低系统干扰。智能天线技术将波束的旁瓣或零陷对准干扰信号方向，因此能够有效抑制干扰。(3)降低系统建设成本。由于智能天线技术能扩大覆盖区域，因此基站建设数量可相对减少，降低了运营商的建设成本。智能天线技术的主要缺点是，使用它将增加通信系统的复杂度，并对元
13、器件提出较高的性能要求。 4IPv6 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 协议主要基于两点的考虑，一点是足够的地址空间，另外一点是支持移动性管理，这两点是 IPv4 不具备的。除此以外，IPv6 还能够提供较 IPv4 更好的 Quos 保证及更好的安全性。由于承载网是 IP 网，未来的移动终端必然需要拥有唯一的一个 IP 地址作为身份标识。目前使用的 IPv4 的地址长度仅有 32bit，其 IP 地址资源预计将在 2006 年左右被消耗尽。而 IPv6 具有长达 128bit 的地址空间，即多达 21
14、28 个地址，能够彻底解决地址资源不足的问题。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
15、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)服务质量。服务质量包含几个方面的内容。从协议的角度看，IPv6 与目前的 IPv4 提供相同的 QoS，但是 IPv6 的优点体现在能提供不同的服务。这些优点来自于 IPv6 报头中新增加的字段“流标志”。有了这个 20 位长的字段，在传输过程中，中国的各节点就可以识别和分开处理任何 IP 地址流。尽管对这个流标志的准确应用还没有制定出有关标准，但将来它用于基于服务级别的新计费系统。(4)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
16、备设有一个固定的家乡地址(home address)，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-of address)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。四、4G 移动通信系统对生活方式带来的改变4.1 有线电视或许会被淘汰直接用 4G 网络信号，就可以将电视链接所有电视节目。其实，现在已经有这种趋势，通过电视盒子，家用电视利用 20M 的家用宽带已经能够顺畅地链接互联网上的电视节目。
17、4.2 视频网站迎来利好视频网站使网络电视台更近一步。3G 时代文字资讯“随手化” ，4G 时代，估计视频节目也将可以“随手获得” 。视屏 App 也将会爆发式增长。4.3 在线教育将会获得巨大发展由于视频可以 “信手拈来” ，未来在线教育将变得更为可能。事实上，在很久以前百度、阿里、腾讯（简称 BAT）三巨头就布局了在线教育。4.4 平面媒体将再度受到冲击纸质媒体必须电子化、数字化，如果未来依然有报纸，那么未来的报纸上，将出现声音和视频。报纸的印刷已经不再必要。就像现在我们已经习惯不再冲印和打印照片。4.5 家电产业会迎来洗牌“网络监控”可能会更加便捷。比如，你在办公室，可以畅通地通过 4G
18、 网络实时监控到家里的情况。未来家电必须智能化，谁能胜出还说不定.4.6 汽车智能化产业大有可为第一步是车联网行业，包含车内网、车际网和车载移动互联网三个层次。第二步是无人驾驶。4.7 应急响应和远程医疗等公众服务将更好 4G 网络的应用与快速普及，最有效还是政府机关推进。中国移动可以说服需要应急响应的公共机构，例如公安机关、消防部和医疗结构部署 4G 网络，为市民提供更好、更快、更廉价的医疗和应急救助。4.8 导航应用将会变得更实用导航类应用一直深受 iPhone 等 3G 设备用户的青睐，随着带宽加速的 4G 网络，导航类应用开发商已经开始探索“增强现实”概念，用手机的摄像头就可以呈现实时
19、可视化的数据，定位或 GPS 信息。增强现实导航应用可能更广泛地用于汽车的车载系统、GPS 系统和动力装置。4.9 基于云的 App 4G 网络的普及将会使云计算和云存储 App 得到空前的发展，特别是对于那些经常要访问互联网才能做交易的企业人员，例如即时协作、出差等情况下。如果把云端与移动设备的宽带速度扩大 10 倍，那么对于移动终端用户，云服务将会变得更加可靠、实用和安全。4.10 手机游戏产业急速成长在 4G 时代手机游戏可能将成为最大受益者，它将会变得更具社交属性。社交游戏和手机游戏通常需要联网玩游戏。更快的网络连接，表示着玩家可以享受到更加流畅的体验，享受到画面更精美、更复杂的、需要
20、强大网络连接的优质游戏。这些游戏不但需要更好的硬件设备，同样需要一个更快的互联网连接。无论对于玩家还是游戏开发商，4G 网络将会给他们带来一个全新的游戏盛宴。4.11 移动电子商务将会爆发式增长 2012 年美国有 50%的人拥有智能手机，29%的人用手机购物，50%的消费者用手机浏览店铺、搜索商品，80%的人用手机浏览网站，下载软件。短短两三年时间，移动电商市场占电子商务总量的10%，随着 4G 时代的来临，移动电商将会呈现指数增长。五、总结随着 4G 移动通信技术的飞速发展，我们的社会将实现质的提高，生活、通信也会出现较大的飞跃。因此，我们要抓准时机，加大对 4G 移动通信技术的开发研究，促进它在更大范围、更深程度上的应用，以提高通信的质量和速度，促进信息技术的进一步发展。参考文献：1 孔丽楠 刘云松.4G 概念移动通信关键技术浅析J.黑龙江科技信息.2 郭鑫.第四代移动通信(4G)关键技术J.信息技术.3 张茹芳.浅析 4G 移动通信技术的要点和发展趋势J,信息通讯,2013年第 1 期.4 李向明；4G 通信网络结构及关键技术分析,科学之友 ，2013 年第 4 期.5 刘忠明.4G 移动通信系统及其关键技术探讨J,企业技术开发,2013 年第 19 期.
