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宽带无线通信论文班级：信研093姓名：曾云甫学号：G20098070当前3G/B3G的网络结构及其特性摘要: 本文主要对当前B3G网络研究现状及其发展趋势进行了调查研究，并就其中关键技术,主要是网络结构和特性展开讨论。1、引言国际通信界对于移动通信的研究，一向侧重于如何使第二代(2G)演进到第三代(3G)无线蜂窝网，甚至扩展至3G以后，直到2010年可能出现新的蜂窝网。然而，人们非常向往利用随身携带的手机随时随地找到对方，并互相通信，因此移动通信的使用不会只局限于蜂窝网，移动通信的研究范围应当扩大。诚然，城市蜂窝网已经起了很大作用，它们继续改进和发展是完全应该和有益的。但是，除了蜂窝网以外，还有企业单位和住家需要的无线局域网(WEAN)、大企业单位需要的无线广域网(WWAN)、个人需要的个人区域网(PAN)，以及火车和私人汽车驶行时分别需要的公用车辆网和专用车辆网(PVN，public & private vehicular network)。这些都是B3G( beyond 3G) 移动通信网。由于本文作者水平有限，本文就准备先介绍3G/B3G技术发展历程，然后介绍其关键技术，最后介绍所调查到的B3G的研究框架。2、移动通信系统发展综述 无线通信作为移动通信的基石，使得移动通信可以快速发展。目前，无线通信及其应用已成为当今信息科学技术最活跃的研究领域之一。移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间的通信。随着电子技术的发展，特别是半导体、集成电路和计算机技术的发展，移动通信得到了迅速的发展。随着其应用领域的扩大和对性能要求的提高，促使移动通信在技术上和理论上向更高水平发展。20世纪80年代以来，移动通信已成为现代通信网中不可缺少并发展最快的通信方式之一。2.1、移动通信发展历程回顾移动通信的发展历程，移动通信的发展大致经历了几个发展阶段：第一代移动通信技术主要指蜂窝式模拟移动通信，技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量低、活动范围受限的问题。第二代移动通信是蜂窝数字移动通信，使蜂窝系统具有数字传输所能提供的综合业务等种种优点。第三代移动通信的主要特征是除了能提供第二代移动通信系统所拥有的各种优点，克服了其缺点外，还能够提供宽带多媒体业务，能提供高质量的视频宽带多媒体综合业务，并能实现全球漫游。移动通信发展历程如下。第一代模拟移动通信系统 第一代(即1G，是the first generation的缩写)移动通信系统1的主要特征是采用模拟技术和频分多址(FDMA)技术、有多种制式。我国主要采用TACS，其传输速率为24kbps，由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只是一种区域性的移动通信系统。第一代移动通信系统在商业上取得了巨大的成功，但是其弊端也日渐显露出来，如频谱利用率低、业务种类有限、无高速数据业务、制式太多且互不兼容、保密性差、易被盗听和盗号、设备成本高、体积大、重量大。所以，第一代移动通信技术作为2O世纪80年代到90年代初的产物已经完成了任务退出了历史舞台。 (二)第二代数字移动通信系统 第二代(即2G，是the second generation的缩写)移动通信系统是从20世纪90年代初期到目前广泛使用的数字移动通信系统，采用的技术主要有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种技术，它能够提供96-288kbps的传输速率。全球主要采用GSM和CDMA两种制式，我国采用主要是GSM这一标准，主要提供数字化的语音业务级低速数据化业务，克服了模拟系统的弱点。和第一代模拟移动蜂窝移动系统相比，第二代移动通信系统具有保密性强，频谱利用率高，能提供丰富的业务，标准化程度高等特点，可以进行省内外漫游。但因为采用的制式不同，移动标准还不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，还无法进行全球漫游，虽然第二代比第一代有更大的带宽，但带宽还是很有限，限制了数据的应用，还无法实现高速率的业务，如移动的多媒体业务。(三)第三代多媒体移动通信系统 随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增，未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。第二代移动通信技术根本不能满足这样的通信要求，在这种情况下出现了第三代(即3c，是the third generation的缩写)多媒体移动通信系统。第三代移动通信系统在国际上统称为IMT一2000，是国际电信联盟(1TU)在1985年提出的工作在2000MHz频段的系统。与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务2.2、第四代移动通信系统（4G/B3G）虽然现在用的大多是第二代技术，第三代技术还不太成功，但已有了第四代技术的设想。目前，对于新一代的移动系统还无法精确定义，但这种新一代移动通信系统在概念和技术上与4G系统和Beyond 3G系统大致相同，因此本文所 讨论的这种通信系统就是基于4G和Beyond 3G的新一代移动通信系统。第四代移动通信系统（4G）标准比第三代具有更多的功能。它具有超过2Gbs的非对称数据传输能力对高速移动用户能提供100M bs的高质量的影像服务。并首次实现三维图像的高质量传输 它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)。是集多种无线技术和无线LAN 系统为一体的综合系统也是宽带IP接入系统在这个系统上。移动用户可以实现全球无缝漫游2。为了进一步提高其利用率满足高速率、大容量的业务需求。同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落和多径干扰等众多优势。B3G移动通信接入系统的显著特点是，智能化多模式终端基于公共平台，通过各种接技术，在各种网络系统（平台）之间实现无缝连接和协作。在B3G移动通信中，各种专门的接入系统都基于一个公共平台，相互协作，以最优化的方式工作，来满足不同用户的通信需求。当多模式终端接入系统时，网络会自适应分配频带、给出最优化路由，以达到最佳通信效果。目前，B3G移动通信的主要接入技术有：无线蜂窝移动通信系统（例如2G、3G）；无绳系统（如DECT）；短距离连接系统（如蓝牙）；WLAN系统；固定无线接入系统；卫星系统；平流层通信（STS）；广播电视接入系统（如DAB、DVB-T、CATV）。随着技术发展和市场需求变化，新的接入技术将不断出现。不同类型的接入技术针对不同业务而设计，因此，我们根据接入技术的适用领域、移动小区半径和工作环境，对接入技术进行分层。分配层：主要由平流层通信、卫星通信和广播电视通信组成，服务范围覆盖面积大。蜂窝层：主要由2G、3G通信系统组成，服务范围覆盖面积较大。热点小区层：主要由WLAN网络组成，服务范围集中在校园、社区、会议中心等，移动通信能力很有限。个人网络层：主要应用于家庭、办公室等场所，服务范围覆盖面积很小。移动通信能力有限，但可通过网络接入系统连接其他网络层。固定网络层：主要指双绞线、同轴电缆、光纤组成的固定通信系统。网络接入系统在整个移动网络中处于十分重要的位置。未来的接入系统将主要在以下三个方面进行技术革新和突破：为最大限度开发利用有限的频率资源，在接入系统的物理层，优化调制、信道编码和信号传输技术，提高信号处理算法、信号检测和数据压缩技术，并在频谱共享和新型天线3方面做进一步研究。为提高网络性能，在接入系统的高层协议方面，研究网络自我优化和自动重构技术，动态频谱分配和资源分配技术，网络管理和不同接入系统间协作。提高和扩展IP技术在移动网络中的应用；加强软件无线电技术；优化无线电传输技术，如支持实时和非实时业务、无缝连接和网络安全。3、B3G移动通信网络结构及其特性 3.1、B3G网络架构新一代移动通信系统是移动通信系统演进过程中的一个阶段和目标，它不仅采用新的无线传输技术提高通信系统的性能，而且与现有的各种有线与无线网络相融合：它不仅包含现有的移动蜂窝网络结构，而且在某些环境下也可以采用Ad hoc方式进行组网4，或者采用两种结构的组合形式，形成蜂窝网络下的两跳或多跳网络结构方式。一般而言，蜂窝网络是一种广覆盖的网络组网方式，它的目标是在有限的频率和功率资源前提下实现广域的无线覆盖。与蜂窝网络结构相比，Ad hoc移动网络结构形式更加灵活，它采用 分布式管理技术，由一组自主的无线节点相互合作而形成移动通信网络，其中，无线节点既是一般意义上的移动终端，又可以作为无线中继和路由设备对其他用户的数据进行转发，因此具有动态搜索，快速建网和网络自恢复的能力，有着广泛的应用前景。鉴于Ad hoc在无线组网和下一代无线网络的重要地位，IETF ( Internet Engineering Task Force)已经成立了MANET工作组，进行Ad hoc网络的研究。此外，近几年来，随着UWB(超宽带)技术的发展和应用，无线网络中的节点在工作时可以发送出大量的非常短和快的能量脉冲，其发射信号功率谱密度较低，非常适合作为新一代移动通信系统中个网络的实现技术。随着基于控制与承载相分离思想的软交换技术的不断发展与成熟，以及基于交换与业务控制相分离的可以快速实现各种增值业务的智能网技术的广泛应用，它们在新一代移动通信系统中将发挥更大的作用。 此外，随着IP技术的广泛应用，业界广泛认为基于新一代移动通信的通信网络结构发展趋势是以IP网络为核心，其框架结构可以由图1表示，这里各个系统采用基于IP的分组方式传送数据流，体现了下一代网络以IP为核心互联的网络结构。同时，伴随网络容量和用户的快速发展，IPv6技术将成为下一代网络的核心协议。从B3G移动通信系统无线接入网络的覆盖范围和实现技术来看，业界普遍认为基于新一代移动通信系统的未来无线网络将主要由三个层面的网络来实现：无线个域网、无线局域网和基于蜂窝结构的移动通信网。由此可以看出B3G移动通信系统的无线侧将是一个不同无线接入网络的异构融合体，这些系统在同层之间可以实现水平切换，在不同层之间进行垂直切换以实现网络间的互联互通，其中无线个域网络主要应用于个人和家庭范围内进行短距离无线通信，现在的无绳电话系统和未来即将出现的可穿戴无线系统就是典型的应用。无线局域网是指基于IEEE802.11等国际标准的无线网络，其覆盖范围和容量都比个域网大。基于蜂窝结构的移动通信网则是指包含现有2.5G、3G即将部署的4G以及将来出现的各种蜂窝移动网络系统( 包含目前已成为3G标准之一的WiMax网络)，这些系统是可以实现跨地区漫游和移动性管理的广域通信网络。从用户或者无线终端的角度来看，在部分地区，无线终端可能只由一个网络覆盖，这时，终端设备毫无选择的接入这个系统：而在很多地方，无线终端可能由多个层次的网络共同覆盖，这时终端不仅可以根据用户对业务、网络负荷和QoS的要求选择最优的网络接入，而且可以随着无线信道的变化和用户的移动，在特定的网络层次内进行有效的水平切换和在不同网络层次之间进行无缝的垂直切换，由此可见新的移动通信系统可以实现系统、业务和覆盖等多方面的无缝性，是一种真正意义上的无缝通信网。3.2、B3G网络关键技术特点3.2.1 OFDM技术它实际上是多载波调制MCM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N个子信道上并行传输的低速数据流，再用N 个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。以OFDM为基础5，OFDMA技术得到了以WiMAX、LTE、UMB为代表的 E3G技术的重视和采纳。由OFDMA并不能完全取代传统的CDMA，故将二者结合成为提高系统频谱效率和功率效率的一种可行手段。例如，日本NTT DoCoMo公司提出了针对B3G/4G的VSFOFCDM (可变扩频因子正交频码分复用)无线接入方式 ，并通过改变扩频因子以适应高密度业务区和一般业务区的不同要求。在未来B3G发展过程中，OFDM将扮演着重要的角色，它将与CDMA、 IDMA等其他技术结合，发挥出更大的优势。当然，如何进一步降低峰均比，进行更加有效的信道估计及同步等问题，也成为了未来OFDM技术研究的方向。3.2.2 多输入多输出(MIMO)技术多输入多输出(MIMO)技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破。该技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是下一代移动通信系统的核心技术之一。MIMO系统采用空时处理技术进行信号处理，在丰富的散射环境下，空分复用MIMO系统(如BLAST结构)可以获得与天线数成正比的容量增长，从而极大地提高频谱效率，增加系统的数据传输速率。但是当散射程度欠佳时，会引起信道间的空间相关，尤其在室外环境下，由于基站的天线较高，从而角度扩展较小，其空间相关难以避免，在这种情况下MIMO不可能获得所期望的数据传输速率。在MIMO系统中，目前实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLA-ST算法、ZF算法、MMSE算法和ML算法等。随着研究的进一步深入，一些结合MI MO的新技术不断产生，成为未来B3G系统的发展方向。3.3.3 切换技术切换技术能够实现移动终端在不同小区之间跨越和在不同频率之间通信以及在信号质量降低时如何选择信道。它是未来移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠通信的基础。主要划分为硬切换、软切换和更软切换硬切换发生在不同频率的基站或不同系统之间。第4代移动通信中的切换技术正朝着软切换和硬切换相结合的方向发展。3.3.4 软件无线电技术软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序，在硬件平台上可实现不同功能，用以实现在不同系统中利用单一的终端进行漫游，它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。软件无线电技术主要涉及数字信号处理硬(Digital Signal Process Hardware，DSPH)、现场可编程器件(Field Programmable Gate Array，FPGA)、数字信号处理(Digital Signal Processor，DSP)等。软件无线电的基本思想6有两点：一是将宽带的A/D 和D/A转换器尽可能地靠近天线端；二是用软件完成尽可能多的无线电功能。由软件无线 电技术具有的特点，可以预见其今后会向着两个方向发展。一是向理想的软件无线电方向发展，使A/D采样向射频前端靠近，信号处理几乎都采用软件实现；二是向设备实用软件化方向发展，在现有的器件条件下实现一些具有软件无线电性质的系统。目前，在软件无线电的基础上，一些新的概念和理论被相继提出，其中最具有代表性的是虚拟无线电 (Virtual Radio)和认知无线电 (Cognitive Radio)。3.3.5 IPv6协议技术3G网络采用的主要是蜂窝组网，而4G系统将是一个基于全IP的移动通信网络，可以实现不同类型的接入系统和通信网络之间的无缝连。为了给用户提供更为广泛的业务，使运营商管理更加方便、灵活，4G中将取代现有的IPv4协议，采用全分组方式传送数据的IPv6协议。由于目前Internet网络采用的是IPv4技术，故从IPv4向IPv6的过渡问题成为当前研究的热点7。IPv6提供的过渡技术主要包括两大类：一类是IPv6 孤岛互通技术，用以实现IPv6网络和IPv6网络的互通；另一类是IPv6和IPv4互通技术，用以实现两个不同网络之间的资源互访。目前解决过渡问题的基本技术主要有三种：双协议栈(Dual Stack)、隧道技术 (Tunnel)和NATPT。IPv6和IPv4相比，具有更大的地址空间，更高的灵活性及移动性，是B3G网络协议的基础。随着过渡方法的逐步明晰及标准化组织的推进，IPv6在B3G系统中的应用逐步成为现实。4、小结目前，B3G移动通信还只处于实验室研究开发阶段。具体的设备和技术还没有完全成型，后续的软件开发还没有启动。这都会给B3G的发展带来很多难题，有待人们深入研究。但未来移动通信必将具有文中描述的这些基本特征：高速率、高质量的数据传输，完全集中的服务。对于现在的人来说，未来的4G通信的确显得很神秘，不少人都