毕业设计（论文）浅析第四代（4G）移动通信系统

1、浅析第四代（4g）移动通信系统二级学院： 应用电子系 专业班 级： 通信3070 学生姓名： 学 号： 指导教师： 二一 年 四月二十八日摘 要在21世纪，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。第四代移动通信系统正向着高数据率、高度移动性和大范围覆盖方向发展。在新技术和市场需求的共同作用下，4g移动通信技术将呈现以下几大趋势：网络业务数据化、分组化，移动互联网逐步形成；网络技术数字化、宽带化；网络设备智能化、小型化；应用于更高的频段，有效利用频率；移动网络的综合化、全球化、个人化；各种网络的融合；高速率、高质量、低费用。关键词：4g移动通信，ofdm技术，智能天线，i

2、tu目 录引言1第一章4g移动通信技术的概念1第二章4g移动通信技术的特点2（一）4g移动通信系统的特点2（二）4g移动通信系统应具备的基本条件21. 具有很高的数据传输速率22. 实现真正的无缝漫游23. 高度智能化的网络2第三章4g移动通信系统的关键技术3（一）ofdm技术3（二）软件无线电技术3（三）智能天线（sa）3（四）mimo技术4（五）全ip技术4第四章4g移动通信技术的研究进程4标准化组织对于4g的技术研究情况5结束语7参考文献8引言在移动通信领域，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

3、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。国际电信联盟（itu）目前已开始研究制定4g系统标准，并在2010年10月确定第四代移动通信技术的国际标准。把移动通信系统同其他系统（如无限局

4、域网，wlan）结合起来，产生4g技术。提供更有效的多种业务，实现商业无线网络、局域网、蓝牙、广播、电视卫星通信等的无缝衔接并相互兼容。4g具有更高的数据率和频谱利用率，更高的安全性、智能性和灵活性，更高的传输质量和服务质量（qos）。4g系统体现了移动与无线接入网及ip网络不断融合的发展趋势。第一章4g移动通信技术的概念根据技术的发展以及对移动通信市场需求的预测，在itu中对3g、4g系统的能力以及相互之间的关系进行了描述，如图1所示。可以看到，在imt-2000继续发展提高的同时，为了能够更好地满足市场需求的快速发展，定义了新的超imt-2000的体系，并且正式命名为imt-advance

5、d。相比较于imt-2000的继续发展，imt-advanced允许采用更多的革命性的技术来实现更高的性能，例如采用新的空中接口多址技术。图1给出了目前itu对于4g系统能力的整体描述，可以看到4g系统将在支持目前3g所具有的系统能力的基础上，按照未来用户需求的发展趋势，提供更高数据率的通信能力。在系统性能上，imt-2000通过继续发展，其系统通信能力预计将达到大约30 mbit/s，在itu中对imt-advanced提出了设计目标：高速情况下100 mbit/s，低速情况下1 gbit/s的无线通信能力，预计将能够满足2010年左右移动通信市场的需求，为imt-2000以及其他无线通信系

6、统提供良好的补充。图13g和4g系统能力的描述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，不断提高无线通信的网络效率和功能。与传统的通信技术相比，4g通信技术的优势在于通话质量及数据通信速度。另外，由于技术的先进性确保了投资成本的大大减少，未来的4g通信费用也要比目前低。第二章4g移动通信技术的特点（一）4g移动通信系统的特点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；可以实现非常先进的移动电子商务；d) 新的技术可以非常容易地被引入到系统和业务中来。（二）4g移动通信系统应具备

7、的基本条件1. 具有很高的数据传输速率对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2 mbit/s;对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20 mbit/s;对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100 mbit/s。2. 实现真正的无缝漫游4g 移动通信系统实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”，真正实现一部手机在全球的任何地点都能进行通信。3. 高度智能化的网络采用智能技术的4g 通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对信道条件不调节发射功率来提供不同质量的业务。第三章4g移动通信系统的关键技术（一）ofdm技术第三代

8、移动通信系统主要是以cdma为核心技术，而第四代移动通信系统技术则以ofdm最受瞩目， ofdm是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而ofdm技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输，这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。ofdm技术的最大优点是能对抗频率选择性衰落或窄带干扰。在ofdm系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不

9、但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。由于ofdm 技术能够克服ds_cdma 在支持高速率数据传输时符号间干扰增大的问题,并且有频谱效率高,硬件实施简单等优点,因此ofdm 被看作是第四代移动通信系统中的核心技术。ofdm 技术的主要的技术难点是系统中的频率和时间同步,基于导频符号辅助的信道估计,峰平比问题和多普勒频偏的影响以及基于ofdm、多载波技术的新一代蜂窝移动通信系统的多址方案的研究。（二）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

10、件平台上可以实现不同的功能，用以实现在不同的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。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带/和/变换器 ,并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现 ,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。目前，软件无线电技术虽然基本上实现了其基本功能：硬件数字化、软件可编程化、设备可重复配置性，但是其传统的流水线式结构严重影响

11、了设备可配置功能和设备的可扩展性。1999年，美国麻省理工学院v.bose等人在spectrum ware项目支持下提出了网络式结构的虚拟无线电概念。这个项目致力于建立一个充分利用工作站提供的资源和网络优势的理想无线电结构，人们称它为虚拟无线电，这将是软件无线电的发展方向。国内，“863”中的软件无线电项目，也提出了类似的一种基于交换的硬件平台结构，它与1997年j.mitola提出的基于交换的硬件平台结构完全类似。（三）智能天线（sa）智能天线原名自适应天线阵列（aaa，adaptive antenna array），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控

12、阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字智能天线。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，被认为是未来移动通信的关键技术。智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰，增强特殊范围内想要的信号，这种技术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接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个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。目前，智能天线的工作方式主要有两种：全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。全自适应智能天线虽然从理论上讲

13、可以达到最优，但相对而言各种算法均存在所需数据量、计算量大，信道模型简单，收敛速度较慢，在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点，实际信道条件下当干扰较多、多径严重，特别是信道快速时变时，很难对某一用户进行实时跟踪。正是在这一背景下，基于预多波束的切换波束工作方式被提出。此时全空域（各种可能的入射角）被一些预先计算好的波束分割覆盖，各组权值对应的波束有不同的主瓣指向，相邻波束的主瓣间通常会有一些重叠，接收时的主要任务是挑选一个（也有可能是几个，但需合并后再输出）作为工作模式，与自适应方式相比它显然更容易实现，实际上我们可将其看作是介于扇形天线与全自适应天线间的一种技术，也是未来智能天线技术发展的

14、方向。（四）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技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空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。（五）全ip技术核心ip 网络不是专门用作移动通信,而是作为一种统一的网络,支持有线及无线的接入,

15、它就像具有移动管理功能的固定网络,其接入点可以使有线或无线。无线接入点可以是蜂窝系统的基站,wlan(无线局域网)或者ad hoc 自组网等。对于公用电话网和2以及未实现全ip 的3g 网络等则通过特定的网关连接。另外,热点通信速率和容量的需要或网络铺设重叠将使得整个网络呈现广域网、局域网等互联、综合和重叠的现象。第四章4g移动通信技术的研究进程在2000年以前，itu对于3g系统国际标准化的进程。在1992年wrc上确定了用于3g（imt-2000）的无线电频率，为随后相应技术的发展指明了方向，1997年itu向所有成员发出了征集3g候选技术的“通函”（指itu针对各成员国的联络函）文件，随

16、后开始了候选技术提交、评估以及技术融合的过程，为了在全球范围内形成尽量统一的3g标准，以利于整体产业的发展。经过长时间的讨论与共识的达成，1999年11月itu正式发布了包括5种技术的全球3g标准（imt-2000），我国提交的td-scdma就是这5种技术之一。采取类似的工作流程，itu制定了针对4g（imt-advanced）进行国际标准化的工作计划，如图2所示，整个工作过程分为：确定工作原则（principle），起草通函文件（circular 1etter），征集候选技术（proposal），对提交的候选技术进行评估以及达成共识（evaluation，consensus buildin

17、g）、最后形成相应的技术研究报告（imt.radio）以及技术标准文件（imt.rspec）。从图2中itu对整个时间计划的安排来看，与以往3g的相关工作类似，以频谱的划分为一个关键点，2007年10月wrc将对imt-advanced所使用的无线电频率资源划分，itu将在2008年初向所有成员发出征集4g候选技术的“通函”文件，将通知成员国itu将开始征集4g候选技术，并提供itu的工作计划、成员国如何提交候选技术等必要信息。因为相对于1992年的3g来说，目前市场需求的发展以及4g的技术积累相对都已经比较成熟，因此工作计划的安排要更快一些。随着“通函”文件的发出，2008年下半年将开始提交

18、候选技术、评估以及技术融合的过程，同样地，尽可能统一的全球4g标准将是工作的重要目标。根据目前的工作计划，在2010年底，itu将完成第一阶段的工作，发布第一版本的全球4g标准。图2itu对imt-advanced标准化的工作计划标准化组织对于4g的技术研究情况众所周知，对于3g的发展，除itu之外，产业界还存在两个主要的国际标准化组织3gpp和3gpp2，其中3gpp主要进行wcdma和td-scdma的工作，3gpp2主要进行cdma2000的工作。在itu将这几种技术确定为imt-2000的成员之后。其系统技术规范的维护、升级工作主要是在这些产业界的国际标准化组织中进行的，它们对这3个主

19、要的3g标准的技术发展起到了关键的作用。另外，随着ieee 802系列wi-fi、wimax等技术受到人们广泛的关注，ieee也开始成为移动通信领域中一个热门的国际标准化组织。因此当移动通信向4g发展时，这几个代表相关产业界技术发展趋势的国际标准化组织，自然成为大家关注的重点。实际上，为了跟上itu的时间计划，这几个组织也都已经开始了相关的准备工作。其中，ieee最早开始了相关的工作。2006年12月ieee启动了称为802.16m的工作，根据它的系统需求文件，802.16m将是基于wimax（802.16e）进行的增强，以适应下一代移动通信网络的需求。其中，明确提出系统将以满足itu对于im

20、t-advanced的需求为目标，相关成果将根据itu的工作流程，作为4g的候选技术向itu进行提交。目前，ieee对于802.16m已经制定了整体的工作计划，近期将完成系统需求的描述文件，然后启动具体系统设计的技术讨论工作，最后在2009年完成802.16m技术标准的制定工作。在整体的工作计划中，802.16m还根据itu的工作计划，制定了各个阶段向itu imt-advanced的相关输出，以确保ieee 802.16m的工作能够与itu的工作同步，并且最终成为itu imt-advanced的成员之一。同时，3gpp/3gpp2也都开始了相关的准备工作。在3gpp最近的高层会议上。各个标

21、准化组织成员将各成员在3gpp中合作的范围，由目前的3g扩展到包含imt-advanced进行了详细地讨论，类似的事情也正在3gpp2中进行。由于这两个组织在3g发展中的突出作用，人们普遍认为它们在4g阶段仍然可以发挥重要的作用，所以为了避免过多的组织，保持组织和产业的延续性，成员们普遍对这两个组织的工作范围扩展到包含imt-advanced持积极支持的态度。可以预计，这两个组织将很快就范围扩展的具体事项达成一致，正式加入准备itu imt-advanced候选技术提案工作行列中。另外值得一提的是，在原来3g cdma工作的基础上（3gpp中的wcdma和td-scdma，3gpp2中的cdm

22、a2000），这两个组织都进行了关于3g系统长期演进的研究项目（3gpp的lte（long term evolution）和3gpp2的umb（ultra mobile broadband），与原来3g系统的技术更新不同的是，这两个关于长期演进的研究项目都引入了“革命性”的技术，标志性的就是空中接口都采用了基于ofdm新的多址方式，而这在目前通常被认为是4g的典型技术，因此类似于ieee中通过对802.16e（wimax）增强为802.16m作为imt-advanced的候选提案，也存在一种普遍的观点，认为3gpp和3gpp2中的长期演进系统（lte和umb）也将作为它们对imt-advanc

23、ed工作的基础，通过技术增强来满足itu对于imt-advanced的要求，并最终作为这两个组织向itu提交的imt-advanced候选提案。可以预计，lte+将在目前lte 20 mhz最大系统带宽的基础上研究扩展方案，实现与imt-advanced需求相适应的100 mhz；其次将寻求进一步提高系统频谱利用率的技术方案，在lte目前5 bit/（shz）的基础上达到imt-advanced 10 bit/（shz）的指标要求，增加mimo天线的维度以及采用更先进的调制方式等都是有可能的研究方向。另外可以看到的关键问题是无线辐射的控制，人们对无线设备所产生的辐射的重视程度已经不允许今天的移动通信系统再提高设备