3G和4G网络的区别.doc

青青 海海 民民 族族 大大 学学 题 目 3G 与 4G 网络的区别 课程论文 院 系 计算机学院 完 成 人 李朝鑫 班 级 电气二班 学 号 1310040006 专 业 电气信息类 摘摘 要要 在移动通信领域 每在移动通信领域 每 2020 年就发生一次革命性的变化 移动通信技术从第一代演进到年就发生一次革命性的变化 移动通信技术从第一代演进到 现今的第三代 以及处于实验阶段的第四代移动通信的发展大致经历三个发展阶段 移动通现今的第三代 以及处于实验阶段的第四代移动通信的发展大致经历三个发展阶段 移动通 信已然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 本文首先讨论了信已然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 本文首先讨论了 3G3G 以以 及及 3G3G 中的三大技术主流制式 并在中的三大技术主流制式 并在 3G3G 到到 4G4G 的演进进程做出简要的比较分析 的演进进程做出简要的比较分析 第四代移动通信系统第四代移动通信系统 4G 4G 是多种无线技术的综合系统是多种无线技术的综合系统 它融合了现有第三代移动系统它融合了现有第三代移动系统 3G 3G 的增强型技术的增强型技术 集集 3G3G 网络技术和无线网络技术和无线 LANLAN 系统为一体 在系统为一体 在 4G4G 的叙述中 首先简述了的叙述中 首先简述了 4G4G 的特点 分析讨论了的特点 分析讨论了 4G4G 通信系统的技术目标及关键技术的发展现状 然后对通信系统的技术目标及关键技术的发展现状 然后对 4G4G 和和 3G3G 的体系结构 系统参数 关键技术 移动性管理和安全策略等进行了比较研究的体系结构 系统参数 关键技术 移动性管理和安全策略等进行了比较研究 对对 4G4G 的研究的研究 和建设具有一定的参考价值 和建设具有一定的参考价值 关键词 3G3G 4G4G 关键技术 比较 关键技术 比较 AbstractAbstract inin thethe fieldfield ofof mobilemobile communication communication every 20 years to change a revolutionary Mobile communication technology from the first generation to the third generation of evolution as well as the development in the experimental stage of the fourth generation mobile communications has experienced three stages of development Mobile communication has become a hot technology development potential biggest contemporary communications market widely This paper discusses three major technology mainstream standard 3G and 3G and in the 3G to 4G evolution to make a brief comparative analysis The fourth generation mobile communication system 4G is a comprehensive system of multiple wireless technologies it combines the existing third generation mobile system 3G enhanced technology 3G network technology and wireless LAN system as a whole In the 4G statement this paper describes the features of 4G discusses current development goal and the key technology in 4G communication system and then the 4G and 3G system structure system parameters key technologies mobility management and security strategy were studied which has a certain reference value to study and construction 4G 目目 录录 摘要摘要 1 第第 1 1 章章 3G3G 1 1 1 3G 移动通信系统的概念 1 1 2 3G 的技术标准 1 1 3 3G 向 4G 演化的原因 2 第第 2 2 章章 4G4G 3 2 1 4G 移动通信系统的概念 3 2 2 4G 的特征 3 2 3 4G 的关键技术指标 4 第第 3 3 章章 3G3G 与与 4G4G 的比较的比较 4 3 1 系统参数的比较 4 3 2 通信格局的变化 5 3 3 核心技术的不同 6 3 4 4G 中的新技术 6 参考文献参考文献 7 1 3G 和 4G 的技术比较 前言 从 20 世纪 80 年代中期第一代模拟移动通信系统商用开始至今 短短的十几年间经历了 90 年代初第二代数字移动通信系统 2G 从萌芽到完善的整个发展过程 直至今天人们对第三 代移动通信系统 3G 的商用开发 足以证明移动通信的发展速度势不可挡 3G 的出现使移动 通信前进了一大步 相对于 2G 它能够提供更大的容量 更佳的通信质量并且支持多媒体应 用 但是 3G 系统尚有很多需要改进的地方 例如 1 缺乏全球统一标准 2 所采用的 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 3 流媒体 视频 的应 用不尽人意 4 数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平 更赶不上 xDSL 等 3G 面临 的致命缺点就是移动无线接入网络的空中接口标准不统一 所以 制定一个针对 IP 多媒体 业务的 4G 移动通信系统 提出相关新的理论 应用新的技术 已被许多国家提上议事日程 1 相对于 3G 而言 第四代移动通信系统 4G 在技术和应用上将有质的飞跃 而不仅仅是在第三 代移动通信的基础上再加上某些新的改进技术 第 1 章 3G 1 1 3G 移动通信系统的概念 3G 3rd Generation 指第三代移动通信技术 与前两代系统相比 第三代移动通信系统 的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务 其传输速率在高速移动环境中支持 144kb s 步行慢速移动环境中支持 384kb s 静止状态下支持 2Mb s 其设计目标是为了提 供比第二代系统更大的系统容量 更好的通信质量 而且要能在全球范围内更好地实现无缝 漫游及为用户提供包括话音 数据及多媒体等在内的多种业务 同时也要考虑与已有第二代 系统的良好兼容性 目前国际电联接受的 3G 标准主要有以下三种 WCDMA CDMA2000 与 TD SCDMA 1 2 3G 的技术标准 1 2 1MC CDMA CDMA2000 MC CDMA CDMA2000 由美国提出 是由 IS 95 系统演进而来的 并向下兼容 IS 95 系 统 IS 95 系统是世界上最早的 CDMA 移动系统 已经在世界范围内进行了 10 多年的实验和 运营 现已被证明是十分稳定 MC CDMA CDMA2000 系统继承了 IS 95 系统在组网 系统 优化方面的经验 并进一步对业务速率进行了扩展 同时通过引入一些先进的无线技术 进 一步提升系统容量 在核心网络方面 它继续使用 IS 95 系统的核心网作为其电路域来处理 电路型业务 如语音业务和电路型数据业务 同时在系统中增加分组设备 PDSN 和 PCF 来 处理分组数据业务 因此在建设 MC CDMA CDMA2000 系统时 原有的 IS 95 的网络设备可 以继续使用 只要新增加分组设备即可 在基站方面 由于 IS 95 与 1X 的兼容性 可以作 1 到仅更新信道板并将系统升级为 CDMA2000 1X 基站 在我国 联通公司在其 CDMA 网络建设 中就采用了这种升级方案 1 2 2 DS CDMA WCDMA DS CDMA WCDMA 由日本和欧洲提出 随着标准化工作的展开 在此系统中逐渐引入了 连续导引信号 使得终端系统得到简化 现在 DS CDMA WCDMA 将连续导引信道和不连续 导引信号的方式都保留在标准中 具体使用哪种方式可以由厂家自行决定 从事 DS CDMA WCDMA 标准研究和设备开发的厂商很多 其中包括诺基亚 摩托罗拉 西门子 NEC 阿尔卡特等等 因此造成的投资比较分散 技术问题没有得到集中解决 这又给未来 移动通信系统互联互通造成较多问题 DS CDMA WCDMA 系统每个载波占用 5MHz 带宽 每个运营商在布置系统时仅能使用 2 3 个载波 因此 CDMA 在初始设计时 即考虑在同一个载波内支持其中的一个子集 这就进一 步增加了互联互通的难度和复杂程度 还有就是 DS CDMA WCDMA 的主要运营商将会出自 现在的 GSM 运营商 对于 GSM 运营商来说 理想的演进方式是 GSM GPRS WCDMA 即首先通 过 GPRS 建立全新的分组域核心网络 再引入 WCDMA 提高速率 但是由于 GPRS 在近期的实验 结果不很好 因此对 WCDMA 的推广会产生一定影响 同时由于 WCDMA 在开发中问题较多 使 得 WCDMA 的商用计划一再推迟 所有这些问题使 WCDMA 已不像前两年那样被广泛看好 如果 WCDMA 不能尽快进入运营阶段 也不能排除 GSM 运营商直接采用 HDR 无线技术提供分组数据 业务 并过渡到全面使用 CDMA2000 技术的可能 1 2 3 TD SCDMA TD SCDMA 是由我国在 SCDMA 技术上提出的一种 TDD 技术方案 并希望能够用于支持从 微微蜂窝到宏蜂窝的各种应用环境 在 TD SCDMA 中 使用了大量的先进技术 如智能天线 技术和联合检测技术等 同其它技术相比 TD SCDMA 技术有两大优势 其一 它采用智能 天线和低码速率 频谱利用率高 能够解决高人口密度地区频率资源紧张的问题 并在互联 网浏览等非对成移动数据和视频点播等多媒体业务方面优势突出 TD SCDMA 的基站天线是 一个智能化的天线阵 能够自动确定并跟踪手机的方位 发射波束始终对准手机方向 这样 可以降低基站的发射功率 从而降低运营成本 其二 TD SCDMA 技术采用软件无线电技术 可使运营商在增加业务时 能在同一硬件平台上利用软件处理基站信号 也就是只要加载不 同的软件就可以实现不同的业务 1 3 3G 向 4G 演化的原因 经 ITU 认可的 3G 标准有 WCDMA CDMA2000 和 TD SCDMA 虽然 3G 和 2G 相比 有很多 优点 但是 3G 还是存在着很多不尽人意的地方 如 3G 缺乏全球统一的标准 3G 所采用的 语音交换架构仍承袭了 2G 系统的电路交换 而不是纯 IP 的方式 3G 的业务提供和业务管 理不够灵活 流媒体 视频 的应用不尽如人意 3G 的高速数据传输不成熟 接入速率有限 安全方面存在算法过多 认证协议容易被攻山 等安全缺陷 伴随着无线技术的种类越来 越多 迫切需要将这些无线技术整合到一个统一的网络环境中去 这就是正在形成的超三代 移动通信系统 B3G 通信系统和未来的 4G 通信系统 B3G 和 4G 通信系统将是未来提供宽带 接人 全球无缝漫游和无处不在的数据 语音业务等方嚼的最合适和最好的技术圆 2 2 第 2 章 4G 2 1 4G 移动通信系统的概念 4G 也称为 Beyond3G B3G 是多种无线技术的综合系统 它融合了现有 3G 的增强型技 术 集 3G 网络技术和无线 LAN 系统为一体 4G 包含很多目前正在使用以及今后即将使用的 无线技术 这里所说的无线技术不仅指利用新频带和新技术的新一代移动通信 还包括现行 的移动通信 2G 及 3G IEEE802 11 等无线 LAN 以及蓝牙等近距离通信技术 此外还把数字 广播电视纳入视野 4G 除了继续依赖 3G 标准组织已发展的多项新技术和标准 如 OFDM MIMO IP 核心网 开发业务架构及 IPv6 等 并加以延伸外 其规划还必须满足整体 系统架构能够由 3G 平滑演进到 4G 的要求 2 2 4G 的特征 1 通信速度更快 4G 通信的特征莫过于它具有更快的无线通信速度 可以达到 10M 20Mbps 最高可以达到 100Mbps 2 网络频谱更宽 要想使 4G 通信达到 100Mbps 的传输速度 必须在 3G 通信网络的基础 上进行大幅度的改造 以便使 4G 网络在通信带宽上比 3G 网络的带宽高出许多 据研究 每个 4G 信道将占有 100MHz 的频谱 相当于 W CDMA3G 网络的 20 倍 3 兼容性能更平滑 4G 通信系统具备全球漫游 接口开放 能跟多种网络互联 终端多 样化以及能从 2G 平稳过渡等特点 4 能实现更高质量的多媒体通信 4G 通信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 4G 也称为 多媒体移动通信 5 通信费用更加便宜 4G 通信系统不仅能解决与 3G 的兼容性问题 让更多的现有通信用 户能轻易升级到 4G 通信 同时 4G 还引入了许多尖端通信技术 实现起来要容易迅速得多 在建设 4G 通信网络系统时 通信运营商们考虑直接在 3G 通信网络的基础设施之上 采用逐步 引入的方法 有效地降低运营成本 3 2 3 4G 的关键技术指标 2 3 1 OFDM 正交频分复用 OFDM 技术实际上是 MCM Multi Carrier Modulation 多载波调制 的一种 其主要思想 是 将信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流 调制在每个 子信道上进行传输 正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开 这样可以减少子信道 之间的相互干扰 ICI 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽 因此每个子信道上 的可以看成平坦性衰落 从而可以消除符号间干扰 而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信 道带宽的一小部分 信道均衡变得相对容易 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 2 抗衰落能力强 3 适合高速数据传输 4 抗码 间干扰 ISI 能力强 OFDM 也有其缺点 例如 对频偏和相位噪声比较敏感 功率峰值与 均值比 PAPR 大 导致射频放大器的功率效率较低 负载算法和自适应调制技术会增加系 统复杂度 3 2 3 2 软件无线电 所谓软件无线电 Software Defined 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 其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带的 数字 模拟 转换器 尽早地完成信 号的数字化 从而使得无线电台的功能尽可能地用软件来定义和实现 总之 软件无线电是 一种基于数字信号处理 DSP 芯片 以软件为核心的崭新的无线通信体系结构 软件无线电有以下一些特点 灵活性 集中性 模块化 2 3 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 智能天线具有抑制信号干扰 自动跟踪以及数字波束调节等智能功能 其基本工作原理 是根据信号来波的方向自适应地调整方向图 跟踪强信号 减少或抵消干扰信号 智能天线 可以提高信噪比 提升系统通信质量 缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾 降低 系统整体造价 因此其势必会成为 系统的关键技术 智能天线的核心是智能的算法 而 算法决定电路实现的复杂程度和瞬时响应速率 因此需要选择较好算法实现波束的智能控制 2 3 4 IPv6 4G 通信系统选择了采用基于 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 2 自动控制 3 服务质量 QoS 4 移动性 2 3 5 多输入多输出 MIMO 技术 MIMO Multiple Input Multiple Output 技术是近年来热门的无线通讯技术之一 4G 系统采用了 MIMO 技术 即在基站端放置多个天线 在移动台也放置多个天线 基站和移动 台之问形成 MIM0 通信链路 MIMO 技术呵以比较简单地直接应用于传统蜂窝移动通信系统 将基站的单天线换为多个天线构成的天线阵列 而 GSM CI MAIS 一 95 3G 系统中都没有采 用这种技术 现有移动通信系统中 多数基站的天线采用一发两收的结构 对比分析这两种 技术 MIMO 系统有以下优点 降低了码问下扰 ISU 提高了空间分集增益 提高无线信道 容量和频谱利用率 大幅提高资料的传输速率 提高信道的可靠性 降低误码率 第 3 章 3G 与 4G 的比较 4 3 1 系统参数的比较 见下表一 3G4G 开始时间 20022012 典型标准 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA OFDM UWB 频带范围1 8 2 5GHz2 8GHz 带宽2 5Mbps10 20MHz 多址技术 CDMA FDMA TDMA CDMA SDMA 核心网络电信网 部分 IP 网全 IP 网 业务类型话音为主 部分多媒体话音和数据融合 多媒体 网络体系结构基站方式的广域网模式 融合局域网和广域网的 混合模式 数据速率 2Mbps 20 100 Mbps 接入方式 W CDMA OFDM MC CDMA LAS CDMA 交换方式电路 分组交换分组交换 前向纠错码1 2 1 3 卷积码级连码 模块设计 无线优化设计 采用多载 波适配器 智能天线 软件无线电 协议 多种空中接口链路协议 并存 全数字全 IP 移动台速率 200km h200km h 表 1 3G 和 4G 系统参数比较 3 2 通信格局的变化 3G 的网络是严格的分层结构 一般包括核心网 接入网和用户设备三部分 核心网负责 中央交换 数据传输及业务提供 分为电路网和分组网两个服务区域 接入网负责移动用户 接入到核心网中 3G 中可采用不同的接入网与同一核心网相连 即支持多种空中链路协议 用户设备即用于获取服务的移动终端 其通过标准无线接口与接入网相连 它的工作模式为 3 种 单载波频分双工 多载波频分双工和时分双工方式 图 1 3G 移动通信系统 5 4G 将采用单一的全球范围的蜂窝核心网来取代 3G 中密密麻麻的蜂窝网络 其采用全数字 全 IP 技术 这是从网络内智能化及网络边缘智能化向全网智能化的发展 核心网能够支持 不同的接入方式 如 IEEE802 11a WCDMA Bluetooth HyperLAN 等 同时每个用户设 备拥有唯一可识别的号码 通过分层结构实现异构系统间的互操作 这种结构使得多种业务 能透明地与 IP 核心网连接 具有较好的通用性和可扩展性 4G 网络结构如图 2 所示 4 图 2 4G 移动通信系统网络结构图 3 3 核心技术的不同 3G 系统主要以 CDMA 为核心技术 CDMA 是将相互正交的不同的码分配给不同用户调制信 号 实现多用户同时使用同一频率接入系统 由于利用相互正交 或尽可能正交 的码去调制 信号 会将原用户信号频谱带宽扩展 因此 CDMA 通信系统是一种典型的扩频通信技术的应用 4G 系统的核心技术 OFDM 属于多载波调制 MCM 它将指配的信道分成许多正交子信道 在每个子信道上进行窄带调制和传输 同时要求信号带宽小于信道的相关带宽 OFDM 与一般 的频分复用的主要差别在于它的不同载波的频谱可以相互交叠 因此可以得到最佳的频谱利 用率 同时 接收端只要采用正交解调的方法就可以恢复出有用的信息信号 OFDM 技术具有 良好的抗噪声性能和抗多径干扰的能力 以及频谱利用率高的特点 5 3 4 4G 中的新技术 4G 系统技术有两个基本目标 一是实现无线通信全球覆盖 二是提供无缝的高质量无线业 务 为了达到这个目标 需要在下列几个方面做出努力 频谱的高效使用 带宽的动态分配 安全的无线应用 更高的服务质量 高性能的信号调制传输技术 因此 4G 系统使用了许 多新技术 包括超链接 ultra2connectivity 和特定无线网络技术 动态自适应网络技术 智能频谱动态分配技术以及软件无线电技术等等 超链接技术可以使来自不同网络的信号与动态自适应网络进行无缝连接 它的实现需要 无线网络能够与其他无线网络和有线网络进行无缝的操作 并高效使用无线资源等 特定无线网络是通信和计算机网络领域的研究热点 它又称多跳网络 multi hopnetwork 自组织网络 self2organizednetwork 分组无线网络 packet ra2dionetwork 或者 MANE